电动滚筒驱动电机噪声的控制分析
摘 要：电动滚筒是近年来出现的新型带式输送设备的驱动部件，具有适宜在恶劣场合工作的能力。然而，电动滚筒的噪声却带来污染，并在高要求场合应用受到限制，为此必须降低其噪声。在对电动滚筒可能存在的主要噪声源进行分析的基础上，应用频谱识别技术，确定了单相驱动电机是该型电动滚筒的主要噪声源，它使得电动滚筒在１００Ｈｚ及其高次谐频噪声成分较大。经分析，造成此现象的原因是单相驱动电机的空间不对称驱动力矩，在采用三相电机驱动后，电动滚筒的噪声下降了６～７ｄＢ（Ａ）左右，有效地控制了电动滚筒的电磁噪声。
近年来，根据带式输送机的某些特殊场合需要，出现了电动滚筒驱动形式。与分离式驱动装置相比，电动滚筒具有结构紧凑、传动效率高、使用寿命长，运转平稳、工作可靠、密封性好、占据空间小、安装方便等诸多优点，并且适合在潮湿、泥泞、粉尘多等各种恶劣环境条件下工作，广泛应用于矿山、冶金、化工、煤炭、建材、电力、粮食及交通运输等部门。然而，电动滚筒工作时产生的噪声不仅会给使用环境带来一定程度的污染，也会限制电动滚筒在要求高的场合使用。
通常，电动滚筒主要由驱动电机、齿轮减速机构、旋转壳体等部件组成，如图１所示。
某企业生产的电动滚筒在使用时会产生较大振动与噪声，当此电动滚筒安装在传动机构中时，除了电动滚筒的噪声会直接由空气介质传播外，电动滚筒的振动还会通过传动机构的支架等结构件的振动进行传播，并形成结构噪声。电动滚筒存在的振动、噪声问题，严重限制了该企业产品的使用场合。为了进一步提高电动滚筒的振动、噪声性能，有必要对电动滚筒的主要噪声激励源进行试验分析，寻求引起其振动、噪声的主要原因并加以控制，以提高电动滚筒的产品质量。
１ 电动滚筒的激励源分析
从电动滚筒的结构可知，电动滚筒的振动、噪声应该是由电动机、齿轮减速器等运动部件的激励引起。从发声机理上看，其噪声应是电磁噪声与机械噪声的组合。
1.1 电磁噪声
电动机工作时，电动机内交变磁场对定子和转子作用产生周期性的交变电磁力，这个交变力与磁通密度的平方成正比，它的切向矢量形成的转矩有助于转子的转动，而径向分量则引起矽钢
片产生振动，从而形成噪声，其频率与电源频率为工频的高次谐频，一般在１００—４０００ＨＺ频率范围内。电磁噪声的声源类型有：
（１）感应电机的嗡嗡声。这种噪声的频率为电源频率的两倍，即为２ｆ１＝２×５０＝１００（Ｈｚ），它是由定子中磁滞伸缩引起的。
（２）沟槽谐波噪声。当转子的每一个导体通过定子磁极时，作用在转子和定子气隙中的整个
磁动势将发生变化而引起噪声，噪声频率的表达 式为：
过转子槽，横越气隙并通过定子线包。当径向气流突然中断时，由于空气流的断续，也会引起噪声，此类型噪声的频率为：
电源电压不稳时，最容易产生电磁振动和电磁噪声。由于转子在定子内不可避免地存在偏心，还会引起气隙偏心等，这对电磁噪声也会产生影响。
1.2 机械噪声
齿轮传动系统可以看作由质量、弹簧组成的一个振动系统，轮齿的刚度具有周期性变化的性质，制造装配误差、传动误差的存在和扭矩的变动形成激振力，在此激振力的作用下，齿轮会产生振动，此振动通过轴、轴承座向外传递。电动滚筒内减速器由三级定轴减速齿轮传动机构组成，每级包括一个驱动轮和一个从动轮。图２显示了电动滚筒减速器的内部结构，图３为电动滚筒减速器的机构简图。
驱动电机的输出轴直接作为该行星齿轮系的第Ⅰ驱动轮，并与第Ⅰ 级从动轮啮合，后面每级的驱动轮又与其从动轮啮合在一起，最后一级的从动轮为内齿轮，并固定在滚筒内从而带动滚筒 旋转。其中第一级和第二级啮合的齿轮均为啮合系数大于１，刚度大、噪声小的斜齿轮。根据电动机的输入转速和齿轮系每级齿轮的参数可以计算出：
第一级齿轮的啮合频率ｆＺ１＝Ｎ×ｎ１×ｚ１／６０＝Ｎ×２２８．４８Ｈｚ（Ｎ＝１，２…）；
第二级齿轮的啮合频率ｆＺ２＝Ｎ×ｎ２×ｚ３／６０＝Ｎ×５９．１Ｈｚ（Ｎ＝１，２…）；
第三级齿轮的啮合频率ｆＺ３＝Ｎ×ｎ３×ｚ５／６０＝Ｎ×１７．８５Ｈｚ（Ｎ＝１，２…）。
即第一级齿轮啮合频率为２２８．４８Ｈｚ及其高次谐频；第二级齿轮啮合频率为５９．１Ｈｚ及其高次谐频；第三级齿轮啮合频率为１７．８５Ｈｚ及其高次谐频，这些频率都是电动滚筒内减速器的振动、噪声的特征频率。
２ 电动滚筒噪声的测试
文献［１］设计的电动滚筒噪声测试系统如图４所示。在图４中，噪声测量点（传声器）距离电动滚筒电机、减速器侧１ｍ，传声器将噪声信号转换为电信号输送给声级计，在声级计上读出测点处的Ａ计权声压级，同时，声级计还将噪声信号送给动态分析仪进行窄带频谱分析和１／３倍频程分析。
图５ａ为测点处噪声窄带频谱图，图５ｂ为相应的Ａ计权１／３倍频程频谱图。从图５容易看出，在采集的整个频域内，最高声压级主要集中在１００Ｈｚ等工频的谐频处，其中１００Ｈｚ处的噪声分量最大，有６１ｄＢ。而齿轮减速器各级的啮合频率Ｎ×２２８．４８Ｈｚ、Ｎ×５９．１Ｈｚ和Ｎ×１７．８５Ｈｚ（Ｎ＝１，２，３…）等频率位置处的最大值也小于４０ｄＢ。由此可以判断出，此种电动滚筒的噪声主要是驱动电机的噪声，相比之下，减速器的齿轮噪声可以忽略。因此，为了降低电动滚筒的总噪声，首先必须降低驱动电机的噪声。
３ 测试结果分析与改进
在该电动滚筒中，使用的驱动电机是单相电动机。而单相电动机一般都采用电容分相起动方式，即：单相电机的Ａ、Ｂ两个定子绕组并联在一起接入单相电路中，所不同的是，Ｂ绕组中串联了一个移相电容器。电机工作通入电流时，两个线圈绕组的电流经电容器移相后流入，其中Ｂ绕组的电流滞后Ａ绕组９０°，但对于下一个相序，则Ａ绕组滞后Ｂ绕组２７０°，如图６ａ所示。电机的工作是由定子绕组电流形成的空间旋转磁场产生的力矩来驱动转子的，绕组空间磁场的不对称使得驱动力矩也不对称，单相电机的空间磁场在旋转一周的过程中会产生２次相位差的不对称变换，这就造成了较大的工频２次谐频成分和其它谐频成分，从而产生了１００Ｈｚ等较大的低频激励力。激发出１００Ｈｚ及其谐频的噪声。
然而，如果驱动电机采用三相电机，由于三相电机的定子具有Ａ、Ｂ、Ｃ三个绕组，它的空间磁场是由三相电源的相位差形成的，它们互成空间１２０°角，空间磁场每旋转一周的过程中驱动电流相位差没有发生变化，空间磁场对称且稳定匀称，如图６ｂ所示，故其在１００Ｈｚ等谐频处的成分很小。因此，如在电动滚筒中采用三相电机，则会使噪声中１００Ｈｚ等谐频成分会大大减小。
图７是采用三相电机时电动滚筒噪声的１／３倍频程频谱图，与图５ｂ相比较，可以看出，１００Ｈｚ等处的噪声明显地下降，这与上面的分析结果完全一致。
表１是采用不同驱动电机时电动滚筒的噪声测量值。由表１知，采用三相电机的电动滚筒噪声明显小于采用单相电机电动滚筒的噪声。
４ 结 论
（１）电动滚筒的噪声通常由驱动电机的电磁噪声和减速器的齿轮噪声组成，但要识别出电动滚筒的主要噪声成分，需要对这些噪声的特征频率进行分析，并结合必要的测试手段加以确定。
（２）造成某企业电动滚筒噪声过大的主要原因为电动滚筒内单相电机的不均匀电磁激励力的激励，不均匀激励通过机架的传递造成机架和外壳的振动过大，引起更大的噪声辐射。
（３）试验表明，将电动滚筒内的单相电动机更换为三相电机是一种简便易行的方法，在更换电机后，１００ＨＺ及其高次谐频处的噪声声压级在很大程度上得以降低，总噪声的控制幅度在６～７ｄＢ（Ａ）左右。
