Шум и вибрация электродвигателя перестали быть незначительными проблемами, которые можно скрыть конструкцией корпуса. Показатели NVH (шум, вибрация и жесткость) являются важнейшим признаком качества и надежности современных электродвигателей.
Помимо электромагнитного проектирования и стратегий управления, процесс сборки статора и ротора играет решающую, но часто упускаемую из виду роль в воздействии на шум и вибрацию двигателя.
Изучение шумовых и вибрационных явлений в электродвигателях
Шум и вибрация в электродвигателях — сложные явления, возникающие в результате взаимодействия электромагнитных сил, механических конструкций и динамических условий эксплуатации. Чтобы оценить роль процессов укладки, важно сначала понять, где возникают шум и вибрация.
Основные источники моторного шума
Шум от двигателя обычно возникает из трех основных источников:
Электромагнитный шум
Электромагнитный шум возникает из-за изменяющихся во времени магнитных сил между статор и роторЭто вызвано гармониками потока, эффектами зазоров и неоднородностью воздушного зазора. Когда эти силы возбуждают собственные частоты статорного пакета, возникает слышимый шум.
Механический шум
Механический шум возникает из-за подшипников, валов, дисбаланса, смещения и допусков при сборке. Хотя его часто рассматривают отдельно, он тесно связан с жесткостью и целостностью конструкции. пакеты статора и ротора.
Аэродинамический шум
На высоких скоростях возмущения воздушного потока вокруг вращающихся деталей создают аэродинамический шум. Хотя способ укладки деталей напрямую не влияет на воздушный поток, некачественная укладка может усиливать этот шум за счет увеличения вибрации.
Среди этих источников электромагнитный шум наиболее чувствителен к качеству упаковки, поскольку именно упаковка определяет, как магнитные силы распределяются и передаются внутри конструкции двигателя.
Как генерируется и передается вибрация
Вибрация возникает, когда возбуждающие силы действуют на компоненты двигателя и превышают демпфирующую способность системы. Эти силы могут возникать из-за электромагнитных гармоник, дисбаланса ротора или механических дефектов.
После возникновения вибрация распространяется следующим образом:
- Статорные пластины и интерфейсы пакетов
- Изоляционные слои и связующие материалы
- Корпус двигателя и монтажные конструкции
Пакет статорных пластин часто выступает в качестве основного излучателя вибрации. Если в процессе сборки пластин возникают неравномерная жесткость или остаточные напряжения, уровень вибрации возрастает, и его становится сложнее контролировать с помощью внешнего демпфирования.
НВГ как результат на системном уровне
Уровень шума и вибрации (NVH) является результатом взаимодействия множества факторов, а не какого-либо одного влияющего элемента. Вместо этого, он является результатом взаимодействия следующих факторов:
- Электромагнитная конструкция
- Механическая структура
- Производственные процессы
Процесс укладки слоев находится на пересечении этих доменов, влияя как на магнитные свойства, так и на механическую целостность. Даже хорошо разработанная электромагнитная модель может не соответствовать целевым показателям NVH (шум, вибрация и жесткость), если качество укладки слоев недостаточное.
Что такое штабелирование двигателей?
Монтаж электродвигателей подразумевает сборку отдельных пластин из электротехнической стали в единый сердечник статора или ротора с заданной осевой длиной и механической прочностью.
Процесс укладки выполняет несколько важных функций:
- Устанавливает путь магнитной цепи.
- Определяет геометрию и согласованность воздушного зазора.
- Обеспечивает структурную жесткость
- Обеспечивает интеграцию с валами, корпусами и обмотками.
Пока ламинирование штамповкаТочность каждого листа определяется его укладкой, а совместное поведение листов под воздействием электромагнитных и механических нагрузок — тем, как они себя ведут.
Статор против ротора
Хотя основные принципы схожи, расположение статора и ротора оказывает различное влияние на уровень шума и вибрации.
Сборка статора
Статор неподвижно закреплен относительно корпуса, что делает его основным излучателем шума. Любая вибрация, возникающая в статорном блоке, эффективно передается во внешнюю среду.
Сборка роторов
Неправильная компоновка ротора косвенно влияет на уровень шума и вибрации, воздействуя на баланс, эксцентриситет и магнитное притяжение. Неправильная компоновка ротора может вызывать вибрацию статора, даже если сам статор спроектирован правильно.
Для обеспечения бесшумной работы необходимо тщательно контролировать оба параметра.
Помимо магнитных характеристик
Качество укладки влияет не только на эффективность магнитного поля. Оно также определяет:
- Структурное демпфирование
- Распределение напряжений
- Естественные частоты
Эти факторы напрямую влияют на то, как двигатель реагирует на возбуждающие силы, и на то, превратятся ли эти силы в слышимый шум или в разрушительную вибрацию.
Ключевые параметры укладки, влияющие на шум и вибрацию.
Несколько параметров, связанных с многослойной структурой, оказывают прямое и измеримое влияние на показатели NVH (шум, вибрация и жесткость).
Выравнивание и концентричность стека
Точное выравнивание пластин обеспечивает равномерный воздушный зазор между статором и ротором. Несоосность приводит к следующим последствиям:
- Неравномерные магнитные силы
- Усиление радиальной вибрации
- Повышенный уровень электромагнитного шума
Даже небольшие отклонения в соосности могут значительно увеличить уровень шума, особенно в высокоскоростных двигателях.
Стабильность длины стопки и осевое сжатие
Изменения длины пакета приводят к неравномерной магнитной нагрузке вдоль оси двигателя. Чрезмерное осевое сжатие может:
- Снижение межслойного демпфирования
- Увеличение резонанса, связанного с жесткостью
Недостаточное сжатие приводит к микроскопическим перемещениям между слоями, вызывая низкочастотную вибрацию и слышимое жужжание.
Межслойный контакт и микрозазоры
Микрозазоры между слоями ламината снижают жесткость конструкции и допускают относительное движение под действием магнитных сил. Это движение:
- Преобразует электромагнитную энергию в вибрацию.
- Создает тональный шум на определенных частотах.
Технологии многослойной сборки, обеспечивающие полный контакт поверхностей, как правило, демонстрируют лучшие результаты при проведении испытаний на шумоизоляцию и вибрацию.
Остаточные напряжения, возникающие при штабелировании
Остаточные напряжения возникают в результате механической деформации, теплового воздействия или неравномерного давления во время укладки. Эти напряжения:
- Изменить магнитную проницаемость
- Сдвиг собственных частот
- Повышенная восприимчивость к резонансу
Для обеспечения низкого уровня шума в двигателях крайне важно контролировать остаточные напряжения.
Объяснение распространенных процессов укладки двигателей
Различные процессы укладки приводят к различным механическим и акустическим свойствам. Понимание их характеристик имеет важное значение для обоснованного выбора процесса.
Взаимоблокирующиеся (самоблокирующиеся) штабелируемые
В конструкции, позволяющей соединять слои друг с другом за счет защелкивающихся элементов, используются штампованные детали, такие как выступы, зубцы или выемки, для механического скрепления ламинированных листов.
Влияние на шум и вибрацию
Взаимоблокировка обеспечивает хорошую осевую стабильность без дополнительных материалов. Однако локальная деформация в точках блокировки приводит к концентрации напряжений, которая может искажать пути магнитного потока. При непродуманном проектировании эти точки напряжения могут усиливать электромагнитные помехи.
Типичные области применения
Бытовая техника, промышленные двигатели с умеренными требованиями к уровню шума и вибрации, а также экономичные приложения.
Сварка и наплавка (лазерная или точечная сварка)
Ламинированные детали свариваются в определенных местах, часто по внешнему диаметру или внутреннему отверстию. Лазерная сварка широко используется для высокоточных работ.
Влияние на шум и вибрацию
Сварка значительно повышает жесткость пакета, но приводит к образованию зон термического воздействия и остаточных напряжений. Эти напряжения могут усиливать передачу вибраций и изменять магнитные свойства, если их не контролировать должным образом.
Типичные области применения
Высокоскоростные двигатели, автомобильные тяговые двигатели, области применения, требующие высокой прочности конструкции.
Склеивание (с помощью клея или лака)
Ламинированные материалы склеиваются с помощью изоляционного лака или конструкционного клея, обычно отверждаемого при контролируемом давлении и температуре.
Влияние на шум и вибрацию
Склеенная структура обеспечивает превосходное демпфирование и равномерное распределение напряжений. Слой, соединяющий слои, поглощает энергию вибрации, снижая уровень шума. Однако недостаточная прочность соединения может снизить жесткость.
Типичные области применения
Сервомоторы, медицинское оборудование, робототехника, малошумные прецизионные двигатели.
Клепка и механическое крепление
Механические крепежные элементы или заклепки скрепляют пластины между собой, обеспечивая осевое сжатие.
Влияние на шум и вибрацию
Клепка обеспечивает стабильное сжатие, но создает дискретные точки жесткости. Со временем вибрация может привести к ослаблению крепежных элементов, если конструкция не разработана должным образом, что повлияет на долговременную стабильность NVH (шум, вибрация, жесткость).
Типичные области применения
Крупногабаритные промышленные двигатели, устаревшие конструкции, низкоскоростные приложения.
Как различные процессы укладки влияют на шум двигателя
Генерация шума тесно связана с тем, как укладка слоев влияет на распределение магнитных сил и структурную реакцию.
Гармоники электромагнитной силы
Неровности в структуре материала искажают геометрию воздушного зазора, увеличивая гармоническое содержание электромагнитных сил. Эти гармоники возбуждают моды статора, создавая слышимый шум.
Склеенные пакеты обычно демонстрируют усиление нижних гармоник из-за равномерной жесткости и демпфирования.
Деформация стека и слышимый шум
Процессы, связанные с высокими механическими усилиями или тепловым воздействием, могут деформировать ламинированные пластины. Даже незначительная деформация может вызывать тональный шум, часто воспринимаемый как свист или гудение во время работы.
Чувствительность к скорости и нагрузке
При высоких скоростях мелкие дефекты укладки становятся более заметными. Сварные и сцепленные штабели требуют точного контроля для предотвращения скачков шума в определенных рабочих точках.
Как процессы укладки влияют на вибрацию двигателя
Шум влияет на восприятие пользователя, а вибрация — на долговечность, надежность и производительность.
Жесткость конструкции и передача вибраций
Сварные пакеты вибраций обладают высокой жесткостью и эффективно передают вибрации. Пакеты вибраций, склеенные между собой, обеспечивают лучшее демпфирование, но меньшую жесткость. Выбор оптимального баланса зависит от скорости и нагрузки во время работы.
Дисбаланс напряжений и эксцентриситет ротора
Неравномерное распределение напряжений в пакетах может вызывать эксцентриситет ротора, что приводит к несбалансированному магнитному притяжению. Это вызывает циклические колебания, которые трудно устранить одной лишь балансировкой.
Резонанс и сдвиги собственной частоты
Процессы укладки слоев влияют на собственные частоты статорного сердечника. Неправильное соответствие жесткости может вызвать резонанс в рабочем диапазоне скоростей, что значительно увеличивает уровень вибрации.
Сравнительный анализ
| Процесс укладки | Тенденция изменения уровня шума | Виброгашение | Структурная жесткость | Стабильность NVH |
| Взаимосвязь | Середина | Низкий | Середина | Умеренный |
| Сварка | Средне-высокий | Низкий | Высокий | Переменная |
| Связанный | Низкий | Высокий | Середина | Отличный |
| Захватывающе | Середина | Середина | Средне-высокий | Хороший |
Особенности штабелирования в зависимости от конкретного приложения
Различные области применения двигателей предъявляют разные требования к уровню шума и вибрации.
Тяговые двигатели электромобилей
Для работы электродвигателей требуется:
- Очень низкий уровень шума на низких скоростях.
- Высокая жесткость при высоком крутящем моменте
Для достижения баланса между прочностью и демпфированием все чаще используются гибридные подходы, сочетающие сварку и склеивание.
Сервомоторы и робототехника
Для точного перемещения требуется минимальная вибрация. Склеенная упаковка часто предпочтительнее благодаря превосходному демпфированию и стабильности.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, а также бытовая техника.
Восприятие шума оказывает сильное влияние на удовлетворенность потребителей. Для достижения баланса между стоимостью и уровнем шума и вибрации обычно применяется оптимизированное соединение с контролируемым напряжением.
Высокоскоростные промышленные двигатели
Прочность конструкции имеет решающее значение. Преобладает сварная конструкция, но для контроля вибрации требуется тщательное управление тепловыми процессами и напряжениями.
Как производители контролируют шум и вибрацию во время штабелирования
Ведущие производители используют множество стратегий для снижения рисков, связанных с шумом и вибрацией.
Проектирование прецизионных инструментов и штампов
Высокоточные штампы минимизируют образование заусенцев и деформаций, повышая однородность пакета с самого начала.
Контролируемое давление и отверждение
Равномерное давление обеспечивает стабильный контакт между слоями, а контролируемое отверждение снижает остаточное напряжение.
Поточные измерения и контроль
Лазерные и системы машинного зрения в режиме реального времени определяют выравнивание, плоскостность и отклонения по длине пакета.
Пост-стекинговые процедуры
Снятие внутренних напряжений, пропитка и динамическая балансировка дополнительно снижают потенциал вибрации.
Выбор правильного процесса укладки для малошумных двигателей
Для выбора оптимального процесса укладки необходимо сбалансировать производительность, стоимость и масштабы производства.
| Приоритеты проектирования | Рекомендуемый способ штабелирования |
| Самый низкий уровень шума | Склеенная многослойная конструкция |
| Высокая скорость и долговечность | Сварка или гибридная сварка |
| Экономическая эффективность | Взаимосвязь |
| Долговременная стабильность NVH | Склеенные или заклёпанные |
| Гибкость прототипа | Склеивание или лазерная обработка |
