碳刷和换向器对电机噪音有什么影响

“电子换相电机”（EC电机）和“步进电机”属于永磁同步电机的一类，EC电机通常是为连续驱动任务设计的，步进电机设计为能够以尽可能小的偏差执行规定的旋转角度，并能够保持这些规定的步进位置，它们应该具有最大的可能保持扭矩。这要求磁路的尺寸应能产生高齿槽转矩（相位中无电流转矩），齿槽转矩与保持转矩重叠（电流流入相位）。因此，除了定子变形外，转矩波动和转矩突变也是意料之中的，就像EC电机一样，正弦电流都不用于步进电机，在微步进中，相位电流可以以微小的增量打开和关闭，以便在两个保持位置，经常使用。

磁阻步进电机不需要任何永磁体，因此没有任何齿槽转矩，这些电机（“开关磁阻电机”）利用非常低的气隙，宽度50μm是典型的，这会导致极高的径向力，导致定子严重变形并产生高噪声。在电子换相电机中，应用于各个电机相位的电流通过电子电路断开和接通，根据这些相电流随时间变化的模式，径向力和切向力作用于定子齿，力作用于电机相中的导体，后一种情况尤其发生在带有气隙绕组的无槽电机上。在矩形电流模式随时间变化的情况下，随着时间的推移，也会产生局部矩形力，从而在定子处引起突然的振荡激励，这会在电流相位的开关频率（基本振荡）激发振荡以及它们的谐波。

在理想的矩形电流和理想的对称电机下，转矩随时间保持恒定，如果在现实中存在几何不对称、相位电感和电阻的差异以及电子线路的差异，那么电流时间间隔或重叠将导致各个相位，这将导致扭矩波动和定子振动激励。由此产生的噪声常被称为“换相噪声”，其重要性不可低估！使用与正弦电流模式一起工作的电子控制电路会导致电机效率降低，但它确实消除或至少大大降低了这类噪声。

小型电机滑动轴承振动的机械诱发由此类振动是轴与轴承表面之间间歇性机械接触的结果，当润滑油膜在轴和轴承之间围绕整个圆周承载负荷时，不会发生这种接触，也不会产生任何噪音。但是，在启动时，当轴承上的径向力过大（皮带传动、齿轮、气隙场），当轴和/或轴承套不圆或弯曲，如果烧结轴承表面没有足够的孔隙率，如果轴运行表面太光滑时，会发生接触，或者如果轴承中没有足够的润滑剂（混合摩擦）。其结果是轴承表面粗糙度峰值处的振动，这取决于轴或轴承的弹性，在可听范围内的许多频率（频谱中的频带）。旋转的频率及其倍数特别明显。高频振动的振幅常常被简单地调制，这使得摩擦噪声变得特别令人讨厌。随着润滑油不足的加剧，机械接触增加，产生机械摩擦，磨损急剧增加，这会导致轴承的自然振动（轴承摩擦产生的自感能量增加），这被视为吱吱声或尖叫声。在滑动轴承中，变形是主要的，产生的变形力是次要的（位移激励）。

许多电机都有滑动触点以在静止和旋转部件之间传递电流，如果这些触点由闭合滑环、金属刷或碳刷（如下图）组成，则预期的振动激励理论上与非润滑滑动轴承相同。滑环本身，因为它们的质量和硬度比金属和碳刷大，所以不会被激发到产生可感知的声学振动的程度。金属或碳刷的振动方式在很大程度上取决于它们的固有弹性和质量，也取决于用来固定它们的系统（弹簧、盒、锤刷架）以及滑环支承面，金属或碳刷的表面积小，因此产生的噪音非常低。我们能感觉到的是传递到支架及其附近区域的结构振动，因为这些部件有许多相对较大的辐射面，可以防止声音短路。

在旋转频率及其倍数下，滑环的偏心、轴承表面的损伤以及与圆形的偏差变得明显，一些调制发生，这是典型的轴承。滑环的支撑面非常光滑或在运行中变得非常光滑，如果空气中湿度太小，随着转速的增加，碳刷和滑环的支撑面之间会形成气垫，从而降低摩擦系数。摩擦系数随着摩擦速度的增加而减小，由此产生的摩擦力也随之波动，使得碳刷产生自然振动，就像小提琴弓被拉过琴弦时产生振动一样。

这些振动具有与碳刷架相关的自然波形和相应的自然频率，在3到10千赫的范围内，它们被作为一种巨大的口哨声或尖叫声听到。如果在某些位置有平滑的斑点，并且电机以较低的速度运行，则会听到它们的啁啾声。这种效果类似于制动器的尖叫声，其原因相同，可以通过设计特征来控制，如果使用金属刷代替碳刷，通常不会出现不希望的自然振动。

换向器（即滑环，由在圆周方向上彼此相邻、彼此绝缘且连接到气隙磁场感应线圈段端部的段组成）除了上述振动外，还具有进一步振动，这些节段嵌入一种固有弹性的绝缘聚合物中塑料的。这意味着，即使换向器运行表面被加工到最精细的精度，从一个段到另一个段的锯齿状径向台阶（在1μm及更小的范围内！）无法避免。这会激发金属或碳刷的径向振动，类似于汽车轮胎在搓板路上行驶时的情况，在低转速下，电刷会跟随换向器的不均匀。振动的频率为：

式中n为电机转速，zK为换向器段数及其倍数。

在更高的速度下，金属或碳刷会在一段时间内脱离换向器，这取决于它们的特征弹性、特征质量和弹簧接触压力。由于碳刷的质量较高（低压电机中的金属含量），这种情况在碳刷上更容易发生而不是用金属刷。后者还有一个优点，那就是它们不都是同时抬起的。另外，由于它们的表面积很小，所以声辐射很低。它们的使用寿命较短（磨损量小，无石墨润滑）抵消了这些优点。

结论

在每台电机中，除了期望的力、转矩和运动之外，不可避免地还会产生不希望的力、转矩和运动。不期望的波动（振荡转矩）叠加在期望的电动机转矩上，这导致了旋转运动的振荡。由不平衡和磁效应引起的径向力引起径向运动。随着时间波动的摩擦力出现在轴承和滑动接触面上，并引起不希望的运动。当齿轮箱安装在设备中时，齿轮会引起不希望的旋转振动。所有这些运动都构成结构噪声，它们被传递到电机的振动表面。