醋纤生产线使用永磁电动机同步拖动的特性研究及实验分析

郭瑾

摘 要：自上世纪40年代开始，深入研究了与电动机振动和噪声相关的问题，而其中比较典型的研究内容就是感应电动机、直流电动机以及同步电动机。文章主要以稀土永磁同步电动机为研究对象，针对其振动和噪声方面的应用特性展开了全面探讨，并提出了有针对性的完善措施，以供参考。

关键词：永磁同步电动机；应用特性；研究

引言

稀土永磁电动机具有高效节能的显著优点，应用范围正日益遍及国防、航空航天、工农业生产和日常生活的诸多领域，发展潜力巨大。相较于电励磁电动机，稀土永磁电动机结构特殊且种类多样，传统的设计理论和分析方法已难以适应高性能电机研发的要求，需要综合运用多学科理论和现代设计手段，进行创新研究。传统设计模式得到的产品，在工况相对固定的应用场合，能够表显出良好的技术性能，但在永磁同步电动机实际运用的过程中，其振动与噪声始终没有得到有效解决，甚至会对其实际运行的稳定性产生不利的影响。为此，针对永磁同步电动机设计当中的关键技术研究十分有必要，同样也逐渐成为国民经济发展的关键增长点。因此，本文在电机和电磁场理论的基础上，结合实际工程应用问题，对永磁同步电动机的工作工程中的振动和噪声问题进行实验分析研究，并提出具体解决改善措施。论文的工作主要集中在以下几个方面：（1）测试装置与系统的实验，选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。（2）永磁同步电动机振动与噪声信号的分析，通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形。（3）对噪声频谱的分析，当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一個，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。

以下是详细实验过程：

1 永磁同步电动机应用特性的实验分析——以振动与噪声为实验对象

1.1 测试装置与系统的实验

选择11kW的永磁同步电动机，对其振动和噪声的特性进行测试。其中，将非金属环合理安装于9000A的涡流传感器之上，随后，同样将其安装在轴承端盖的位置，进而对转子动态特性展开全面测试。

1.2 永磁同步电动机振动与噪声信号的分析

通过对永磁同步电动机振动和噪声信号的测试与分析，当电动机处于额定负载的情况下，其振动信号呈现出一簇脉冲，其电流信号也有所改变，并非正常的正弦时域波形[1]。

1.3 对噪声频谱的分析

当11kW永磁同步电动机处于空载状态时，根据声压级频谱的内容可以发现，其中存在两个峰值。而当11kW永磁同步电动机处于额定负载的状态下，根据声压级频谱内容可以发现，存在三个峰值。而通过噪声频谱与振动频谱的对比和比较，可以发现对于永磁同步电动机噪声产生影响的因素中，轴承振动并非主要矛盾。通过对空载以及额定负载条件下的声压级频谱对比与比较可以发现，峰值多出一个，而具体的原因就是受负载增加的影响，导致电流与功角随之提高，进而生成了频率成分。

2 改善永磁同步电动机应用特性的具体措施

2.1 有效降低力波

第一，绕组选择要科学。在选择定子绕组的过程中，最好选择谐波磁动势不高的，像是正弦绕组，能够有效地降低噪声。第二，将定子槽与转子槽的开口宽度减小。通过半闭口槽亦或是闭口槽能够使气隙磁导谐波有效降低。与此同时，为了能够实现转矩脉动的降低，就需要采用槽开口宽度增大的方式。第三，气隙磁通密度适当减少。因为径向力和气隙磁密平方呈现出正比例关系，而振幅和径向力同样呈正相关关系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的关系[2]。在这种情况下，磁通的密度如果相对较高，那么不仅只是声功率随之提高，同样还会影响系统运转的效果，分叉与混沌现象的发生几率会更高。然而，一旦减小气隙磁密，还会使电动机的自重增加。在这种情况下，应当综合考虑多种因素来进行设计。

2.2 磁场应对称

在永磁同步电动机实际运行的过程中，如果转子偏心很容易引起低阶径向力，导致电动机自身的噪声不断增加[3]。在这种情况下，不仅要对加工工艺与装配工艺进行合理地控制，同样采取定子并联绕组的方式，也能够避免因转子不同心而带来的噪声，这样就能够确保各级磁通处于一致状态，有效地规避了磁拉力出现的不平衡性，使得振动与噪声的产生几率下降。

2.3 斜槽与斜极的控制

对于永磁同步电动机来说，将其定子铁心以斜槽的形式制作出来，能够确保径向力波始终沿着电动机的长度方向轴线来移动[4]。这样一来，其沿着轴线方向的平均径向力就会随之下降，同时，附加转矩以及噪声也会随之降低，然而，实际的附加损耗却并不会下降。

2.4 定子动态振幅与声振幅的合理减少

第一，要科学增加阻尼。可以在永磁同步电动机的定子铁心以及机座中适当地涂上阻尼材料，与此同时，使用清漆亦或是环氧树脂，实现定子叠片的有效粘结[5]。基于此，应当对定子铁心以及机座间存在的间隙进行及时填充，这样也能够使电动机阻尼不断增加。第二，声辐射效率的减少。在对永磁同步电动机声辐射功率进行计算的过程中，主要是相对声强辐射系数和无穷大平板声强公式相乘[6]。其中，相对声强辐射的系数和电动机的定子长径比以及振动模态阶数等存在紧密的联系。为此，在立波阶数的增加，使声强辐射系数减少，可以有效地控制噪声。

3 结束语

综上所述，永磁同步电动机在实践应用中的作用十分重要，所以，对其应用特性的研究具有重要的现实意义。电动机振动过大不仅会对运行可靠程度带来负面影响，同样还会引发噪声。因而，文章将稀土永磁同步电动机作为重点研究对象，并且以振动和噪声两个特性为例，阐述了控制这两种特性的可行性方式，以期为永磁同步电动机的正常运转提供有价值的参考依据，充分发挥其自身的功用。

参考文献

[1]皇甫宜耿，LAGHROUCHES，刘卫国，等.高阶滑模消抖控制在永磁同步电动机中的应用[J].电机与控制学报，2012，16（2）：7-11，18.

[2]姬芬竹，高峰.电动汽车驱动电机和传动系统的参数匹配[J].华南理工大学学报（自然科学版），2006（04）.

[3]王家军.速度指定位置跟踪双永磁同步电动机的反推控制[J].控制理论与应用，2015，32（2）：202-209.

[4]杨玉波，王秀和，张鑫，等.磁极偏移削弱永磁电机齿槽转矩方法[J].电工技术学报，2006（10）.

[5]黄守道，张文娟，高剑，等.准谐振控制器在抑制永磁同步电动机共模电压上的应用[J].电工技术学报，2013，28（3）：93-98.

[6]王秀和，杨玉波，丁婷婷，等.基于极弧系数选择的实心转子永磁同步电动机齿槽转矩削弱方法研究[J].中国电机工程学报，2005（15）.