变频器供电对永磁电机振动噪声源的研究

江西省新余市分宜县分宜宏大煤矿电机制造有限公司 潘冬连 李昌欣

关键字：变频器；永磁电机；噪声源

1 永磁电机的理论分析

1.1 永磁电机的电磁力矩

电磁力矩是由电枢绕组、转子铁心和励磁线圈中感应磁场的强度所构成，其大小与电流平方有关。当电动机在通电时，由于电动机内部为闭合回路而流过的电流称为电动势。电机产生振动噪声主要是因为它本身存在电阻引起，若将定子表面施加高频交变电压时则会导致电枢绕组内损耗增加、转子铁心发热等一系列现象形成了电磁力矩和磁路损耗这两个问题，但在实际运行中，由于电机的电磁力矩和定子绕组中产生的交变磁场会导致电枢铁心与转子表面间存在着一定程度上附加应力，这在电动机振动噪声分析中是很重要的。

1.2 永磁电机的磁场

永磁电机是由转子、定子和电枢铁芯组成的。在实际运行中，由于存在磁场，所以产生涡流作用。当电动机的转子线圈被击穿时（即线圈外径大于或等于0ns）时会在绕组上形成感应电流源，而当绕线与电网之间发生故障时它所带过负载会使其内部电路发生变化从而引起电机外部电场强度变化和机械损耗等影响。永磁体是由铁芯、绝缘以及气隙组成，其主要特点是永磁体的质量比较小，但是它具有很高矫顽力，在工作时产生较大变形。由于转子绕组中存在有感应电流源以及定子铁芯等杂质颗粒和分布均匀性不同所形成的磁场强度也不相同。当电动机运转过程中会引起电机振动噪声、冲击载荷及谐波分量这些因素都会对电能传输造成影响，而永磁体本身就具有磁性，其结构相对比较复杂且在电枢上产生大量损耗是无法避免的现象。

1.3 永磁电机的耦合

电机的振动噪声源与转子、定子等是相互独立的，但是在系统中却有着紧密联系，通常将其称之为耦合。耦合系数越大时产生得振动噪声越小。绕线线圈及接头和铁芯之间存在着一种“磁斥力”作用：当永磁体受到外磁场激励后就会发生变形或弯曲现象从而引起电磁转矩增大、电流降低等效应，而相反的是如果在一个极板上施加电场，则使该极片与导线间产生了电感，从而产生了较大的磁斥力，使电磁转矩减小，并且会引起附加磁场，导致转子旋转。绕线线圈与铁芯之间存在着气隙——电枢连接。当永磁体受到外场激励时必然要克服铁心内应力而形成一个具有机械特性的涡流损耗区；当其在一定温度下振动时由于产生了热效应从而使得这个涡流产生发热并使之产生气力矩和噪声，称之为“静噪”，也就是在铁芯产生振动噪声的同时，又要释放出电感，从而引起附加磁场。所以当永磁体受到外场激励时必然会产生气隙——电枢连接[1]。磁路中存在着大量的“空载”现象是由于绕线线圈和绝缘材料之间有了不同程度地相互摩擦所形成得电磁力矩作用在铁芯上而产生的振动噪声；同时也可以通过消除它们间相互耦合来降低谐波分量，从而使电动机运转平稳并达到良好状态。

2 变频器供电对永磁电机振动噪声的计算

2.1 概述

振动噪声源的产生是由于电机运行时会发热、铁心温度升高等，造成这些部位在工作时，会出现抖动，导致电动机和轴承之间发生相对运动而引起振动。转子绕组线圈接头接触不良或漏电；绕线断路器产生较大的分力槽使定子电流增大从而形成了附加应力；当定子有缺陷或者其他原因使得电机发热、铁心温度过高时造成局部过热等都会引发转子上端处出现明显的热噪声，使电机产生振动噪声；定子铁心接头处的热应力过高，造成轴承松动，从而引起其变形、弯曲和扭振。电动机运转时转子绕组在不同转速下存在有一定交差磁通。当负载过大或电流过小都会引发发热现象而形成热噪声；定频交流电源产生的电磁场具有较大涡流损耗系数以及谐波分量大等特点也是产生振动噪声的原因之一，因此电机转子上的涡流损耗系数较大，而谐波分量较小时会产生明显的磁场噪声。

2.2 永磁电机的谐振频率

在对永磁电机进行仿真时，我们可以知道，当电动机的负载电流达到了一定值，就会导致谐波成分增大。所以如果电动机中存在一个共振频率的话将会使得振动噪声变大。而由于过流保护电路是用来限制和抑制由谐振引起的冲击信号。因此通过改变线圈上施加阻尼器来消除或减弱由其产生所引发的附加振动问题就是对电机进行瞬时检测分析方法之一；在仿真过程当中，我们可以知道当电流值大于设定值后，电机就会处于谐振状态，而当电流值大于设定的阻尼器时，电动机则是不需要外加力。在分析谐振线圈产生的振动问题时，我们通常采用绕线式和阻尼器来对电机进行检测。而电流是通过改变铁芯中通入电阻从而得到变化。当电流值大于设定数值后，电动机就会处于一个谐波状态；如果电压小于给定数值且流过磁场强度超过了规定要求时则不需要外加加力的措施即可达到保护效果，这样就可以达到保护电机的目的。当电流和磁场强度成反比时，电动机就会处于谐振状态，而当磁场强度超过一定极限值后又有一个负反馈回路来消除由谐波引起的附加振动问题；如果在过载情况下产生了正弦冲击负载则不需要外加阻尼器；反之若是施加阻尼器使电动机处于正常工作频率以上就可达到保护电机目的。在分析谐振线圈产生的振动问题时，我们可以通过改变电流来达到目的。当电动机工作频率较高时为正弦波。此时电机处于正常运行状态；如果为负值电感则会出现反转现象，但这个反转后就不会再发生反相情况了，由于负载的变化和绕组中电阻、磁导率不同等原因造成正弦冲击导致电动机反向转动产生振动问题也是可以避免的。

3 变频器供电对永磁电机振动噪声源的实验

3.1 变频器供电的原理

变频器供电可以分为直流式和交流谐振，其中，在电动机的调速性能上有明显改善。但是对于电机的振动也是一个系统工程。当电力电子技术发展到一定程度时就会产生大量不同类型、尺寸以及不同形式、功能各异种类不一且复杂多样并且互相矛盾冲突的物理现象及非线性动力学特性等问题；变频器供电方式可以分为直接式和间接式两种，其优缺点如下表所示：直流谐振调速装置中，变频器的调速性能优于直流谐振，但是其调速器体积较大，且结构复杂。交流滤波器与交流传动装置中都是专门为直流电源供电。在实际应用过程中有很多种方法可以解决交流电网产生的问题：采用滤波电路来对频率较低、有干扰因素存在或不需要整流就能获得稳定输出电压和电流；用电变换器代替直流稳压电源直接将电能转化成符合所要求的高频高压大功率电气设备，以减少谐波对电机的影响。在交流电网产生问题时，可以通过改变变频器结构来控制直流稳压电源输出电压和电流；采用并联式绕组方式，使电机两端供电给负载或整流电路。

3.2 实验系统及方案

本课题主要针对永磁电机在运行时产生振动噪声进行分析，并对其振动现象的特点，提出了一种基于单片机控制技术的变频器供电系统。首先通过软件程序来采集、处理及显示实时检测到的数据参数；然后利用硬件设计与实现一个简单而又有效地算法。该方案采用的是电压型三相桥式整流器作为电源控制器和驱动电路部分组成；在供电方式上主要有两种：恒压/温升限流调速，以提高动态性能为目的进行调整，从而使系统的动态性能得到改善，达到对电机振动噪声抑制，并能有效地消除供电引起的谐波和转差动。本课题在供电系统中加入了单片机，以实现对三相桥式整流器的控制，同时利用硬件设计与软件程序来消除或减小谐波和转差引起的影响。

3.3 变频器供电对电机振动噪声源的效果

通过对变频器供电与保护系统的实验，可以得出，在实际运行中，永磁电机振动噪声源均是由各种工况引起。但是由于本次试验条件等因素限制并未达到预期结果。但通过分析发现：当负载电流为零值时产生的是最大负荷功率；负载电流大则发生铁损程度也就较大，这是因为电动机工作时会发热大量的热气导致其温度升高而造成的原因。具体有以下几种情况：电机在启动或制动过程中出现异常状况，即电机启动或制动到某一个瞬间时出现了异常情况；电动机的运行过程中，其工作电流比正常现象较大，且在这个时间段内，有大量气体会从集油器排出致使发热产生。原因是由于变频器供电系统本身存在着电阻等元件使负载两端阻值不断变化引起；当电机在启动或制动过程中，负载两端阻值变化过大，在一定时间内，会导致电流的增大；当电机在制动过程中，负载两端电流持续增大，导致了电动机的发热；当电机在过压状态下工作时，电动机的铁芯产生较大电流，导致其发热，可能是由于转子绕组上存在着热漏气而引起；当电机在启动或制动过程中，出现了异常情况，即电动机的转速突然下降，造成其发热现象。原因是由于变频器供电系统本身存在着电阻等元件引起[2]。

通过上述分析，可以得出结论：在电机的运行过程中，有很多因素会引起电动机产生振动噪声。但是变频器供电系统本身也是一个吸振回路和非线性元件。当其工作时存在着电阻等元器件。综上所述可知：变频器供电对电机振动噪声没有影响；由于该装置具有电感、电容等功能所以可以在一定范围内减小电流的波动，降低电压的脉动值，从而达到保护电动机运行安全与稳定以及提高设备效率目的；由于变频器供电系统本身的电阻率较低，所以其吸振效果也比较好，降低了电动机自身产生振动噪声；因为该装置具有电感、电容等元器件特性使得在电机正常运行时可以有效地吸收谐波电流。

综上所述，变频器供电系统本身的吸振效果是最好也是最佳，在实际工程应用中可以有效降低电机运行噪声。在实际的工程应用中，由于变频器供电系统本身具有电阻率较低、电感等元器件特性，所以其吸振效果也比较好。但是因为该装置是通过电机自身固有频率与谐波电流来实现对电动机振动噪声源产生影响的。

4 变频器供电的振动噪声

4.1 变频器供电对永磁电机振动噪声的影响

在变频器的供电下，电机振动噪声主要是由直流电压引起。对于交流电动机，当其输出为正弦波时就会产生附加谐振。而在交流电机的输入端则可以产生较大频率和较低频率且具有不同振幅、以满足负载功率需求等特点的是交越电感线圈中感应出大量电子脉冲电流（称为磁滞积）；相反地如果将输出变为直流电源后，电机振动噪声便可转化成交流电动机的磁场噪声。但是在变频器的供电下，永磁电机产生较大频率和较低幅度的交越电感线圈中感应出大量电子脉冲电流（称为直流磁场噪声）便可以转化成电磁噪音。

这两种现象也是由它们各自对谐振源造成影响所致。直流电感线圈的谐振频率很高，且其固有振荡频率较低，因此对电机振动噪声影响很大。而在变频器供电下可以通过改变交流电机输出电压来控制交流电动机的磁链结构产生共振现象。所以说在实际中，利用变频电源与永磁铁之间并联搭配能够有效地减小振动噪声和提高系统工作稳定性。

直流电感线圈绕组所采用的是矩形铁芯材料，其电磁扭转力矩分布是由磁场激励引起的；而变频电源所产生的电磁扭振力矩会影响到电机绕组线圈磁场强度，因此在实际中利用变频器供电可以有效降低谐波成分。交流电动机与直流发电机共同作用形成了电感效应，当交流电机输出电压增大时，转子磁极开路、励磁回路以及静止磁铁都发生变形，从而引起交越电感和静度变化导致振动噪声的产生。

而由上述分析可知电机运行过程会产生较大频率及较低幅度的高频振荡，由于变频电源的存在使得电动机工作时产生了较高频率及较大静度，所以在实际应用中利用交流电机作为供电源可以有效降低谐波成分。

4.2 变频器供电的振动噪声抑制

在变频器的使用过程中，由于各种电气量之间相互影响，会产生一定频率、振幅和相位变化的振动噪声。对其进行有效地抑制是一个非常重要且有意义，例如提高电机运转时电压稳定性等。首先针对配电网谐波引起转子磁场不平衡而引发故障现象；其次通过改变供电系统来降低三相变频器输出间差值进而消除单相激励引起的振动，从而减小电动机运行过程中产生共振和过载情况发生频率波动的可能性；最后通过变频器供电来对电机进行有效地保护，降低电能质量问题带来的损失。

针对配电网谐波引起的振动噪声，可以从以下几个方面来着手：提高供电系统中变压器、电动机等电气设备和变频器之间相互间产生共振频率。通过更换变频器以减少单相激励引起的附加值。通过对变频器供电系统中的谐波进行消除或抑制。对变频器供电系统中的电力电子器件进行有效地隔离和保护，从而降低谐波和电能质量问题带来引起的振动噪声。针对上述问题，在变频器供电系统中，可以从以下几方面来着手：提高电动机的电气性能。由于电力电子器件本身就容易产生形声、畸变等现象。因此需要采用有效地措施防止谐波。例如采用屏蔽式磁电或电容充放电技术，对电机进行阻尼控制和抗干扰处理，通过合理选择电气参数以及电路结构设计来减少电能质量问题带来的振动噪声，从而有效地降低电气故障对电机的振动噪声。在变频器供电系统中，应尽量减少电力电子器件发生工况异常情况时，使电动机产生共振。