“据估计，发达国家65%以上的电能是由电动机消耗的。电动机是日常生活中最常见的机器。它们既可用作动力机器提供推进力矩，也可用作伺服电机，在闭环控制中运行，并带有速度或位置反馈。电动机作为其不可分割的一部分嵌入到更大的系统中。电动机辐射的噪声对整个系统的噪声影响很大。
与半个世纪前制造的电机相比，现代电机的气隙磁通密度更高。气隙中较高的磁通密度会产生作用在定子系统上的较大径向磁力，从而产生更高的振动和噪声。随着电机功率密度的增大和对环境要求的提高，电机设计初期的噪声预测已成为一个非常重要的问题。不仅要考虑电磁、热和经济性的计算，还必须考虑噪声和振动的水平，以便优化/平衡整体性能，并在设计中纳入具体要求，以避免巨大的整改费用。然而，与转矩-转速特性等相比，噪声预测更为困难，精度也更低。这是因为只有很小的一部分电能被转换成声能，而且一些机械和声学参数的正确估计非常困难。”
第一本关于电动机噪声计算的书(Jordan,H.:Ger¨auscharmeElektromotoren,VerlagW.Girardet,Essen,)由Jordan于年出版。Heller和Hamata于年出版的书中(Heller,B.andHamata,V.:HarmonicFieldEffectsinInductionMachines,Academia(CzechoslovakAcademyofSciences),Prague,)给出了谐波场分析的细节，包括谐波转矩、噪声和感应电动机的振动。杨教授于年出版的专著中(Yang,S.J.:Low-NoiseElectricalMotors,ClarendonPress,Oxford,)对感应电机的噪声进行了分析，重点介绍如何降低噪声。在年由Timar、Fazekas、Kiss、Miklas和Yang出版的书(Timar,P.L.,Fazekas,A.,Kiss,J.,Miklos,A.andYang,S.J.:NoiseandVibrationofElectricalMachines,Elsevier,Amsterdam–Oxford–NewYork–Tokyo,Japan,)对电机噪声和振动的分析的最为全面。除此之外还需要提到俄罗斯研究人员出版的两本关于感应电机噪声和振动的书籍：Shubov(Shubov,I.G.:NoiseandVibrationofElectricalMachines(inRussian),Energia,Leningrad,,2ndedition,Energoatomizdat,Leningrad,)和Astakhov，Malishev和Ovcharenko(Astakhov,N.V.,Malishev,V.S.,andOvcharenko,N.J.:MagneticVibrationofAsynchronousMotors(inRussian),Stinca,Kiˇsiniev,)，以及波兰研究人员Kwasnicki出版的一本书(Kwasnicki,S.:MagneticNoiseofCageInductionMotors(inPolish),BOBREMEKomel,Katowice,Poland,)。
由于大多数有关电机噪声和振动分析的书籍都是在20多年前出版的，振动声学理论和技术的最新进展只能在学术期刊上获得，并没有一本专著进行详细介绍。这些进展包括在电机噪声预测中数值方法的发展和应用，如有限元法)(FEM)、边界元法(BEM)和统计能量分析法(SEA)。随着噪声分析和诊断在现代电机设计方法中重要性的增加，这个问题涉及电磁、机械、振动和声学。
01
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电机噪声的产生与辐射
振动、声音和噪音
振动是一个弹性体或介质的质点在其平衡点受到干扰时，沿与其平衡位置相反的方向作有限的往复运动。为了振动，物体或系统必须具有两个特性：弹性和质量。振幅是振动的粒子或物体从静止位置的最大位移。
声音被定义为通过弹性固体、液体或气体传播的振动，其频率约为20至赫兹，可被人耳察觉。音调是由声波频率决定的声音的可感知音调。高频（短波长）的声音有高的音调，而低频（长波长）的声音有低的音调。
噪音是不愉快或不必要的声音。空气传播的噪声和通过固体物体传播的噪声是有区别的。空气噪声是由于大量空气的运动和使用高压而产生的噪声。结构噪声是由固体物体的振动所产生的噪声。
声波
声波是由振动物体产生的，可以定义为以有限速度通过介质的机械扰动。声波是以波速、波长、频率和振幅为特征的小振幅绝热振荡（附录A）。在空气中，声波是纵波，即在传播方向上有位移。换言之，介质中单个粒子的运动方向与能量传输方向平行。横波是指在弹性介质中存在的与波的传播方向垂直的振动。横波的例子包括弦上的波和电磁波。
只有横波可以极化，也就是说，可以有方向性。极化波只在一个垂直于传播线的方向上振荡。例如，电磁波的极化被定义为电场矢量的方向。电场矢量垂直于运动方向和磁场矢量。极化波可以通过一些极化过程从非极化波中产生，例如，绳索中的一列非极化波可以通过一个狭窄的物理间隙来极化。
声波不能极化。非极化波可以在垂直于传播方向的平面上的任何方向振荡，并且没有优选的偏振面。
所有声波在许多标准情况下都有共同的行为，表现为：
反射，即在两种具有不同力学性质的介质之间，传播的波从表面反射回来的现象；折射，即传播的波从一种介质到另一种介质时传播方向的变化；衍射，即波传播出去的过程，例如，当波穿过一个小狭缝或绕过障碍物时；散射，即运动方向的变化；干涉，即两个波的相互影响，例如。，两个相互接触的波的叠加；吸收，即撞击一个没有反射回来的物质的入射声；色散，即波的分裂取决于频率。
声幅可测量为声压级(SPL)、声强级(SIL)、声功率级(SWL)和声能密度(SED)(附录A)。
人耳可以感知到足够强度的声波，其频率大约在16到Hz(音频频率范围)的范围内。对于给定频率，存在一个最小声强，在该频率下，人耳可以感知到声音。最小声强随频率不同而不同，称为可听阈。图1.1显示了整个音频范围的可听区。耳朵可感知的声强范围为10-12至1W/m2，对应于20μPa声压。耳朵感到疼痛的最大声强称为痛阈。非常大的声音振幅(在痛阈处)的压力振幅只有Pa。图1.2比较了一些环境噪声级。表1.1中也给出了常见声音的典型声功率级
图1.1声强和可听区与频率的函数关系
图1.2部分环境噪声水平比较
表1.1典型声功率级
噪声源声功率级,dB(A)在正常情况下，人能听到的最安静的声音10树叶沙沙作响15轻轻的耳语，在午夜安静的房间里30低声音40蚊子嗡嗡叫45百货公司、服装部48现代电梯推进电动机50正常对话55鸟鸣
大型百货公司
繁忙的餐厅或食堂
60声音，对话7010kW，4极笼型感应电动机
正常街道交通
75气动工具
闹钟响了
公共汽车、卡车、摩托车
80小型空气压缩机
响亮的交响乐
割草机
你的老板在抱怨
90城市交通拥挤
空气压缩机
重型柴油
92永久性听力损失（整天暴露）95公路上的汽车钢板坠落磁力钻床真空泵硬摇滚音乐飞机从头顶飞过手提钻震击锤喷气式飞机起飞土星号火箭02
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电机噪声源分类
振动的相关频率一般在0到0赫兹之间，噪声的频率超过0赫兹。电机产生的振动和噪声可分为三类：
由较高的空间和时间谐波、偏心率、相位不平衡、槽开口、磁饱和和铁芯叠片的磁致伸缩膨胀引起的与寄生效应相关的电磁振动和噪声；
与机械组件（尤其是轴承）相关的机械振动和噪声；
气动振动以及与电机的通风气流有关的噪音。
荷载引起的噪声源包括：
由于机器与负载的耦合而产生的噪声，例如轴不对中、带传动、带绳的电梯滑轮、齿齿轮、联轴器、往复式压缩机；
由于机器安装在基础或其他结构上引起的噪音。
来自噪声源的噪声通过介质（结构、空气）传递到噪声的接收者（人、传感器）。电机噪声的产生和传播过程如图1.3所示。声学的基础知识在附录A中解释。
图1.3电机噪声的产生和传播
03
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电磁噪声源
电磁振动和噪声是由电磁场的产生引起的（第2章）。定子和转子都在气隙中激发磁通密度波。如果定子产生
磁通密度波，转子产生
磁通密度波，则其乘积为
式中，
和
是定转子磁通密度波的振幅，
和
是定子和转子磁场的角频率，
和
是定转子磁通密度波的相位，
，
。式(1)表示的乘积与气隙中磁应力波成正比，振幅
，角频率
，阶数
，相位
。磁应力（或磁压力）波沿径向作用在定子和转子的主动表面上，引起变形，从而产生振动和噪声。
槽、槽内绕组分布、输入电流波形畸变、气隙磁导波动、转子偏心和相位不平衡等都会引起机械变形和振动。磁动势（MMF）的空间谐波、时间谐波、槽谐波、偏心谐波和饱和谐波会产生寄生的高次谐波力和转矩。特别是交流电机中的径向力波作用在定子和转子上，会引起磁路的变形。
定子机座（或定子罩壳）结构是机器噪声的主要辐射体。如果径向力的频率接近或等于定子-框架系统的任何一个固有频率，就会发生共振，导致定子系统变形、振动和噪声。
由于径向力的低频
和高阶
，电机的磁致伸缩噪声在大多数情况下可以忽略不计，其中
是基频，
是极对数。然而，由于磁致伸缩而产生的径向力可以达到气隙磁场产生的径向力的50%左右。
在变频电机中，由于定子绕组电流中的高次谐波，会产生寄生振荡转矩。一般来说，这些寄生转矩大于由空间谐波产生的振荡转矩。此外，整流器的电压纹波通过中间电路传输给逆变器，产生另一种振荡转矩。
04
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机械噪声源
机械振动和噪声主要是由于轴承、轴承缺陷、轴颈椭圆度、滑动接触、轴弯曲、转子不平衡、轴错位、联轴器、万向节、齿轮等引起的。转子应精确平衡，因为它能显著降低振动。转子不平衡会引起转子的动态振动和偏心，进而导致定子、转子和转子支撑结构发出噪声。滚动轴承和套筒轴承都用在电机上。
滚动轴承产生的噪声取决于轴承零件的精度、外圈的机械共振频率、运行速度、润滑条件、公差、对准、载荷、温度和是否存在异物。
套筒轴承的噪声一般比滚动轴承的低。滑动轴承产生的振动和噪声取决于滑动表面的粗糙度、轴承中油膜的润滑、稳定性和旋转、制造工艺、质量和安装。
05
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空气动力噪声
空气动力学噪声的基本来源是风扇。在气流中放置的任何障碍物都会产生噪音。在非密封电机中，内部风扇的噪音由通风孔发出。在全封闭式电动机中，外部风扇的噪声占主导地位。
从风扇噪声的频谱分布来看，有宽带噪声（～00赫兹）和警报器噪声（音调噪声）。通过增大叶轮与静止障碍物之间的距离，可以消除汽笛噪声。
金长燊
