电机振动噪声书籍

噪声与振动

第一节 声学基础

声音（包括噪声）的形成，必须具备三个要素，首先要有产生振动的物体，即声源，其次要有能够传播声波的媒介，最后还要有声的接受器，如人耳、传声器等。

一、声音的基本性质

声音（sound）是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率范围内（20～20000Hz）的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。

当人们用手拨动琴弦，弦即振动并同时发出声音，这里琴弦的振动是产生声音的根源。通常我们把振动发声的物体，称为声源（sound source）。声源不一定都是固体，液体和气体的振动也会产生声音，如海上的浪涛声和火车的汽笛声。

如果将一个发声物体置于一个真空的罩子内，声音则传不出来，因此声音的产生除了要有振动的物体外，还必须要有传播声音的媒介物质，它可以是空气、水等流体也可以是钢铁、玻璃等固体。

物体振动是产生声音的根源，但并不是物体产生震动后一定会使人们得到声音的感觉。因为人耳能感觉到的声音频率范围只是在20～20000Hz之间，这个频率范围的声音称可听声，频率低于20Hz的声音称为次声（infrasound），频率高于20000Hz的声音称为超声（ultrasound）。次声和超声对于人耳来说都是感觉不到的。

描述声音高低的物理量是频率，描述声音强弱的物理量有：声压、声强、声功率以及各自相应的级，描述声音大小的主观评价量是响度、响度级。

1． 声压与声压级

声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场（sound field）。当声波在空气中传播时，声场中某一点的空气分子在其平衡位置沿着声波前进的方向发生前后振动，使平衡位置处空气的密度时疏时密，引起平衡位置处空气的压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。我们将该点空气压强相对于静压强的差值定义为该点的声压（sound

pressure）。在连续介质中，声场中任一点的运动状态和压强变化均可用声压表示。

噪声与振动

第一节 声学基础

声音（包括噪声）的形成，必须具备三个要素，首先要有产生振动的物体，即声源，其次要有能够传播声波的媒介，最后还要有声的接受器，如人耳、传声器等。

一、声音的基本性质

声音（sound）是由物体振动产生的，而振动在弹性介质中的传播形式就是声波，处于一定频率范围内（20～20000Hz）的声波作用于人耳就产生了声音的感觉。

当人们用手拨动琴弦，弦即振动并同时发出声音，这里琴弦的振动是产生声音的根源。通常我们把振动发声的物体，称为声源（sound source）。声源不一定都是固体，液体和气体的振动也会产生声音，如海上的浪涛声和火车的汽笛声。

如果将一个发声物体置于一个真空的罩子内，声音则传不出来，因此声音的产生除了要有振动的物体外，还必须要有传播声音的媒介物质，它可以是空气、水等流体也可以是钢铁、玻璃等固体。

物体振动是产生声音的根源，但并不是物体产生震动后一定会使人们得到声音的感觉。因为人耳能感觉到的声音频率范围只是在20～20000Hz之间，这个频率范围的声音称可听声，频率低于20Hz的声音称为次声（infrasound），频率高于20000Hz的声音称为超声（ultrasound）。次声和超声对于人耳来说都是感觉不到的。

描述声音高低的物理量是频率，描述声音强弱的物理量有：声压、声强、声功率以及各自相应的级，描述声音大小的主观评价量是响度、响度级。

1． 声压与声压级

声源的振动以声波的形式在介质中传播，传播所涉及的区域称为声场（sound field）。当声波在空气中传播时，声场中某一点的空气分子在其平衡位置沿着声波前进的方向发生前后振动，使平衡位置处空气的密度时疏时密，引起平衡位置处空气的压力相对于没有声音传播时的静压发生变化。我们将该点空气压强相对于静压强的差值定义为该点的声压（sound

pressure）。在连续介质中，声场中任一点的运动状态和压强变化均可用声压表示。

…蔓堕皇　…　坠蔓竺塑　………………………………　…　车用永磁电机电磁振动与噪声分析　倪明明　，廖连莹　，左言言　，梅晓铭　，耿玉芝　（１．江苏大学，镇江２１２０１３；２．常州工学院，常州２１３００２）　摘要：为分析车用永磁电机在工作过程中的振动与噪声问题，使用ＪＭＡＧ软件对电机气隙磁场进行数值模　拟，得到气隙磁密幅值与电磁力波频谱的变化情况。在ＬＭＳ　Ｖｉｒｔｕａ１．Ｌａｂ中调用Ｎａｓｔｒａｎ求解器，分析定子结构的约　束模态振型。将电磁激励力映射到定子铁心和绕组上，使用模态叠加法，计算电机振动位移响应，并以之作为声学　边界，借助ＡＭＬ方法分析该电机在３维空间自由声场中的声压分布。对比不同测点处的声压值，发现靠近机壳中　点的声压值一直较大；而靠近轴承处的声压级在中低频段较小，高频很大。另外，随着频率的增加，模态阻尼对噪　声的衰减效率在逐渐下降。　关键词：车用永磁电机；电磁振动；电磁噪声；ＪＭＡＧ软件；ＬＭＳ　Ｖｉｒｔｕａ１．Ｌａｂ　中图分类号：ＴＭ３５１　文献标识码：Ａ　文章编号：１００４－７０１８（２０１５）０３－０００９－０５　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　Ｍａｇｎｅｔ　Ｍｏｔｏｒ　Ｎ／Ｍｉｎｇ—ｍｉｎｇ　，　Ｄ　Ｌｉａｎ—ｒｉｎｇ　，Ｚ　Ｙａｈ—ｙａｎ　，　Ｘｉａｏ．ｍｉｎｇ　，Ｇｅｎｇ　Ｙｕ一　（１．Ｊｉａｎｇｓｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ　２１２０１３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　２１３００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｐｅｒｍａｎｅｎｔ　ｍａｇｎｅｔ　ｍｏｔｏｒｓ，ｔｈｅ　ａｉｒ　ｇａｐ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｌｕｘ　ｄｅｎｓｉｔｙ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｏｒｃｅ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｗｅｒｅ　ａｃｑｕｉｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ａｉｒ　ｇａｐ　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｆｉｅｌｄ　ｉｎ　ＪＭＡＧ　Ｄｅｓｉｇｎｅｒ．ＬＭＳ　Ｖｉｒｔｕａ１．Ｌａｂ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃｏｍｐｕｔｅ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒａｉｎｔ　ｍｏｄａｌ　ｏｆ　ｔｈｉｓ　ｓｔａｔｏｒ　ｂｙ　ｃａｌｌｉｎｇ　Ｎａｓｔｒａｎ　ｓｏｌｖｅｒ．Ｔｈｅ　ｅ－　ｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ　ｆｏｒｃｅ　ｗａｓ　ｍａｐｐｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｏｒ　ａｎｄ　ｃｏｉｌ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｍｏｔｏｒ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｍｏｄａｌ　ｓｕｐｅｒｐｏｓｉｔｉｏｎ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｃａｓｅ．Ｔｈｅ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ａｓ　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｂｏｕｎｄａｒｙ；ｔｈｅ　３　Ｄ　ｆｒｅｅ　ｓｏｕｎｄ　ｆｉｅｌｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｇｏｔ　ｗｉｔｈ　ＡＭＬ　ｍｅｔｈｏｄ．Ｂｙ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｏｉｎｔｓ，ｉｔ　ｉｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｅｖｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｉｄｐｏｉｎｔ　ｎｅａｒ　ｔｈｅ　ｓｈｅｌｌ　ｉｓ　ａｌｗａｙｓ　ｖｅｒｙ　ｈｉｇｈ，ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｓｏｕｎｄ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｌｏｓｅ　ｔＯ　ｔｈｅ　ｂｅａｒｉｎｇｓ　ｉｓ　ｓｍａｌｌ　ａｔ　ｌｏｗ￣ｅｑｕｅｎｃｙ，ｂｕｔ　ｈｉｇｈ　ａｔ　ｈｉｇｈ￣ｅｑｕｅｎｃｙ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ　ｎｏｉｓｅ　ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｆｒｏｍ　ｍｏｄａｌ　ｄａｍｐｉｎｇ　ｉｓ　ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｏｆ￣ｅｑｕｅｎｃｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ　ＰＭＳＭ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｎｏｉｓｅ；ＪＭＡＧ；ＬＭＳ　Ｖｉｒｔｕａ１．Ｌａｂ　０引　言　１永磁电机电磁噪声理论分析　永磁电机在给混合动力汽车带来轻便的辅助动　力时，也改变了它的噪声、振动和声振粗糙度　（ＮＶＨ）性能。虽然电机在工作过程中，产生的电磁　噪声声压级比传统汽油机要小得多，但是该噪声频　率很高　Ｊ，而人耳对高频噪声又极其敏感，因此合　理分析和降低电磁噪声对改善混合动力汽车的　ＮＶＨ性能，显得很有必要。本文联合使用ＪＭＡＧ，　ＬＭＳ　Ｖｉｒｔｕａ１．Ｌａｂ软件，通过数值模拟的方式，对比　某车用永磁电机在工作过程中不同位置处的振动位　移响应和声压级变化情况。另外，还分析了不同模　态阻尼下电机辐射声压级的衰减效率，为电机的减　振降噪提供理论指导。　

机械制造总第661期圆园19袁57渊9冤收稿日期院圆园员9年4月1研究背景永磁同步电机作为新的驱动方式得到迅速发展袁以高转速尧高效率尧运行稳定尧结构小型化等优点应用于市场袁特别是新能源汽车广泛使用永磁同步电机遥与此同时袁振动噪声一直是电机研究的主要问题遥目前袁关于永磁同步电机的振动噪声研究有不少遥申秀敏等咱1暂针对车用永磁同步电机电磁噪声进行分析研究袁分析定子模态遥姚森咱2暂采用Ansoft软件进行电磁径向力波仿真分析袁通过磁固耦合分析振动噪声遥宋志环咱3暂阐述了车用驱动电机电磁振动噪声源诊断技术遥文献咱4-5暂通过模态分析转子的固有频率和振型遥Ishibashi等咱6暂研究了转子偏心对永磁同步电机的振动影响等遥笔者主要从永磁同步电机的转子结构及高速运行方面袁来研究转子对动不平衡量和振动噪声的影响袁实现结构优化来降低振动噪声袁主要采用仿真与试验验证等方法进行分析遥2永磁同步电机振动理论永磁同步电机的噪声分为电磁噪声和机械噪声袁永磁同步电机主磁通经过径向进入气隙袁并在定子和转子上产生径向力袁引起定转子振动袁从而产生电磁噪声曰而机械噪声由定子的振动引起机座及端盖振动袁因为大部分电机为旋转机械袁电机旋转的转轴产生周期性作用力袁通过轴承将振动传递给机座尧端盖袁而转子的动不平衡量过大会造成电机的强烈振动袁特别是当转子旋转激振频率与端盖机座的固有频率接近时袁会因共振使电机机械振动大大增大遥影响永磁同步电机机械振动的主要因素有转子动不平衡量尧永磁同步电机安装精度尧轴承的结构等遥永磁同步电机转子的动不平衡量在转子高速旋转的过程中袁其产生的离心力相当于整个永磁同步电机的一个周期性干扰力袁这个力在永磁同步电机的水平和竖直平面内均为正弦干扰力遥永磁同步电机在自身质量离心力作用下作强迫振动袁可采用质量尧弹簧尧阻尼系统进行定性分析袁以竖直平面为例袁竖直向下为正袁则永磁同步电机的竖直平面内振动微分方程为院mx+cx+kx=m1e棕2sin渊棕t冤渊1冤由式渊1冤可得到振动的稳态解院x=m1e棕2渊k-m棕2冤2+渊c棕冤2姨sin渊棕t-渍冤渊2冤式中院m为永磁同步电机整体质量曰m1为永磁同步电机转子质量曰k为竖直方向刚度曰c为阻尼曰棕为转子角速度曰e为转子偏心距曰x为振动位移曰x为振动速度曰x为振动加速度曰t为时间曰渍为相位角遥振幅解析方程式为院永磁同步电机转子结构对振动噪声影响的分析