变频器供电对永磁电机振动噪声源的影响探究

摘 要：从现状看，永磁电动机拥有变频调速的优良特性，正被广泛采纳。在平日生活及生产中，变频器都可用于常态的供电。然而，变频器在供电过程中，对于永磁电机将会带来影响。经过解析可得永磁电机振动状态下的噪声源影响，对比得到气隙磁场在这个阶段内的频率谐波。在这之后，借助于三维声场解析了正弦波及变频器在供电进程中的不同噪声频谱，给出主要成分。经过实验解析，诊断并识别了信号及噪声源，探析具体影响。

关键词：变频器供电；永磁电机；振动噪声源；具体影响

变频调速性的永磁电机表现为优良性能，电机的起动及制动、调速等质量都很高。但与此同时，供电所需的变频器也增添了额外的电机振动，增加了噪声源。变频供电的状态下，定子电流附带了较多的时间谐波，与之相应的气隙磁场也很难杜绝谐波的干扰。若变频器本身的频率很近似开关频率，那么气隙磁场还会增添空间的高速谐波，在较大范围内干扰到电磁力波的总数及幅值。由此可见，若采纳了变频器来供应电机电能，则要慎重防控振动噪声源的潜在干扰。应当结合实际，辨析振动电机的噪声源位置及特性，从而减低电机附带的噪声干扰。

1 变频器供电带来的噪声源

从目前状态看，永磁同步电机多配备了变频调速。相比于传统调速，变频调速的新方式拥有更优的性能，起动制动也更为便捷。然而不应忽视，变频器供应电能的方式将会带来更高的电机噪声，增加噪声干扰。若采纳了变频器来供应电能，那么时间谐波将会增加，气隙磁场及定子电流都含有这类谐波。如果变频器符合了开关频率，还会增添更多的电磁力波。在这种状态下，电机及激振力二者的频率会很接近，引发共振因而表现出噪声[1]。

在电机噪声范围内，供电变频器被看作主要的源头。在输入电流时，高次谐波很易带来噪声。实际上，电动机噪声及电流激励二者是密切相关的，噪声源自永磁电机。因此，若要辨析振动及噪声的关系，那么不可忽视控制系统产生出来的噪声干扰。在声场辐射中，装置自带的频率及变频器波形都应充分考虑，这两类要素是主要的。为了调控噪声源，可以变更现有的脉宽以此来削减电流谐波。这是由于，电流谐波对于共振频率是很敏感的。

变频器供电不可避免影响到永磁电机，造成噪声源的振动。为此，首先解析了气隙磁场在变频供电中的波动状态，归纳了各阶段内的谐波频率。经过详尽的解析，给出电机振动覆盖的噪声频谱，区分了正弦波及变频器的频率成分差异。选取某一样机，模拟诊断可得精确的噪声源信号。在供电过程中，永磁电机及气隙磁场都表现出特定的振动频率，可用信号予以表示。

2 气隙磁场带来的噪声源

若选取了变频器来提供永磁电机的运转电能，则需要顾及气隙磁场的真实影响。针对于气隙磁场，在表达气隙磁密时可忽视细微的磁路及铁心磁阻。经过综合衡量，即可拟定必备的表达式。详细来看，先要设定如下参数：f代表气隙磁场内的磁动势，a代表气隙比。在这种状态下，气隙磁场可表述为如下密度：b=f*a。变频送电的过程中，同步运转的永磁电机包含了气隙的磁动势。依照电机学根本原理，正弦波供电状态下的磁动势还可分成定子谐波、基波及永磁体这样三类。在永磁电机中，同时表现出这三类的磁动势[2]。

相比于正弦波供电，变频供电针对于永磁电机带来的谐波磁动势是较大的。这是由于，定子谐波将会产生某一比值的基波电流，时间谐波电流密切关系到定子的磁动势。在这之中，定子谐波很难避免潜在的磁动势，它根源于供电变频器的偏大噪声。在谐波干扰下，永磁电机也很易频繁振动，造成过大噪声。定子基波电流可引发磁动势，与此同时，时间谐波电流也包含了同样的磁动势。定子在开槽状态下，气隙比产生出来的磁导倾向于恒定，由此即可算出这个阶段内的精确谐波比。在这种计算中，忽视了谐波磁导及磁动势的彼此影响。

变频器供电时，同步性的永磁电机包含着特定的气隙磁场。在表达式中，变频供电范围内的所有要素都被涵盖在内。气隙磁场设定的表达式代表了谐波频率、变频器特有的开关频率，解析了二者的内在关系。转子谐波磁场及变频器将会彼此作用，因此带来较高频率状态下的磁场幅值。此外，电磁激振力附带的波形频率也是很高的，由此引发关联的电机噪声及振荡。

3 解析以及计算

3.1 有限元的解析

变频器针对于永磁电机的供电不可忽视隐含的气隙磁场，对于这种磁场，有必要采纳有限元特定的解析方式。具体而言，有限元解析的侧重点应为噪声特性及电机振动特性。给出特定的供电条件，而后解析得出潜在的振动特性规律。例如：某台电动机设定为20kW总的供电功率，外形为盘式装置。正弦波供电过程中，分别解析得出了气隙磁场在各阶段的精确波形。盘式电机拟定了如下参数：20kW额定的电机功率、每分钟400转的转速、5的电机相数、25的定子槽数。此外，设定了85Hz的额定电机频率。定子的内外直径分别设定为200毫米及400毫米。电机在运转时，描绘了盘式的三维图例，构建立体模型。针对于电机磁场，在绕组及电机定子范围内添加了3Hz特定的开关频率及正弦波电流。在这种状态下，算出时间谐波电流，描绘了气隙磁场的电机波形[3]。

正弦波在日常供电时，要格外注重定子半径中间的气隙磁场，描绘出这个端点的精确波形。设定了3kHz的开关频率，这种基础上即可描绘明晰的磁场波形。经过观察可知，变频器在用于磁场供电时，定子电流隐含了高次谐波，这种谐波被看作时间谐波。在这时，电机磁场将会显露多余的毛刺，在图例中表现尤为明显。经过波形分析，可得各次谐波对应着的幅值及频率，进而获取精准的频谱图。在盘式供电的装置中，3kHz这个数值周边呈现为最高的磁场谐波，气隙磁场也引发了频繁性的振动。在这之中，最大幅值谐波表现出3000Hz及3300Hz的峰值。变频器自带的开关频率密切关系到这些最大频率，二者是有所关联的。

设定了5kHz及6kHz的另外两种开关频率，这种基础上描绘了磁场波形。傅里叶方法解析可得开关频率周边范围内的气隙磁场谐波，归纳了谐波频率总体的变更趋向。针对于开关频率、主要谐波频率，经过探析可知二者是紧密相关的。变频器拟定了开关频率，运行中的电机也呈现为特定化的频率变化趋向。

3.2 模拟振动噪声的实验

永磁电机处在气隙磁场范围内，这时就很难避免谐波。经过推算可知各阶段内的电机谐波频率，这些数值可为后续估算提供参照。永磁电机呈现为频繁波动的频率，也不可忽视电磁的激振力。为了验证公式，还需测定各类频率状态下的磁场波形变动，推算这种变动的总趋势。在具体实验时，针对于永磁同步的盘式电动机，给出不同频率下的精确磁场波形。经过傅里叶变换，得到气隙磁场在接受供电这个时段内的谐波频率。对比得到结论：气隙磁场在变频器送电时的谐波频率吻合了实测得出的频率。在某些时点上，频率也存在误差，但始终处在可调控的范围内。

3.3 激振力带来的噪声源

转子及定子在磁场内都会附带谐波，二者彼此作用，产生了激振力。在定子的表面，电机噪声及频繁性的振荡都是不可消除的，都应考虑在内。在变频供电时，电机定子在磁场中将会产生较高的谐波，这种谐波密切关系到电枢磁场及隐含的开关频率。磁场及谐波彼此发生了作用，因而增添了额外的激振力。针对于定子侧，激振力频率可表述为永磁体基波及磁场频率二者的差值。变频器供电的时段内，永磁电机引发的频率也就代表了总的激振力作用[4]。

后期在计算时，采纳了有限元软件描绘了瞬态的三维磁场。依照磁场定律，定子表层的铁心也可产生某一层次的激振力，这种激振力源自电磁的作用。不同时间段内，激振力也会呈现出不同。得到了激振力之后，即可描绘明晰的频谱波形。在这种基础上，比较得出精确的频率。有限元解析获得的电磁激振力大致等于真实供电中的激振力，两类数值并没有凸显较大的差值。这是由于，电机附带的噪声及振动都可归因于表层的激振力，来自电机的定子。由此也可推断出：噪声频率及对应着的振动频率是紧密相关的。经过推算及总结，表述了噪声及电机振动的频率特征。

4 归纳噪声源的影响

4.1 噪声源的总体影响

探析噪声源的振动影响，选取了有限元法及解析法。针对于变频器供电，应当辨析电磁激振力、气隙磁场及振动噪声各自的频率特性。在详尽解析之后，归纳可得噪声源包含的要素及影响。

变频器供电中，在气隙磁场中的永磁电机将会改变固有的定子谐波电流。在这种状态下，变频器自带的开关频率若很接近空间磁场谐波，则会增添更大噪声的干扰。定子磁场也含有特定比例的谐波频率，电机振动引发的噪声频率及谐波频率二者也是有关的，可以设定特定的表达式。选取了待测点，而后归纳可得供电变频器附带的噪声。经过解析可知，3kHz这个频率周边聚集了偏多的谐波，因而也带来了噪声。气隙磁场在这个范围附近表现出偏高噪声，永磁电机恰巧也呈现为较高噪声，两类噪声的幅值是吻合的。这种状态可归因为：基波及变频电流二者拥有同等的频率，因此呈现出彼此调制的相互关系，这样即可产生噪声的新峰值。

此外，供电方式设定为正弦波时，永磁振动引发的电机噪声聚集于偏低的噪声频段内。与此同时，永磁电机采纳的变频供电也呈现为集中的频率。开关频率附近，更容易聚集高频率的噪声。由此可见，若要阻止或者减低供电进程中的电机振动、消除噪声干扰，则应从根本上消减开关频率范围内的干扰谐波。唯有如此，才能削弱或消解谐波产生出来的永磁电机干扰。

4.2 噪声自身的特性

模拟可得三维的声场，进而算出永磁电机在各阶段的具体振动影响。对于盘式电机，也解析了这种声场特性。定子绕组可设置为特定数值的谐波电流，以此来模拟正弦波的加载电流。在模拟的基础上，反映了变频器各阶段的供电特性。在测算噪声时，综合衡量了人耳听到的噪声强度，对此可设置声压级。在给出来的测点范围内，测算了变频器及正弦波两类供电方式下的声压级，描绘出频谱图。

在开关频率周围，变频供电的气隙磁场会受到更明显的干扰，进而呈现出谐波。由此可以表明：开关频率这个范围附近都表现出较大幅值。出现这种状态，是由于调制的基波及电流谐波二者彼此干扰，因而带来这个点的噪声峰值。从感知器官来看，耳朵针对于噪声的敏感频段应为1到6kHz。在这个范围内，噪声如果很集中那么将会干扰听觉。

5 结束语

经济在快速进步，永磁电机及供电变频器被广泛用于日常生活及工业，显示出必要的价值。变频器供电的方式表现出便捷性，但很难避免附带的噪声。变频供电很易造成电机的频繁振动，谐波影响到电机运转。经过实验可知：变频器供电产生的噪声根源即为永磁电机的频繁振动。在未来实践中，还需归纳变频器供电的要点，有序缩减运行中的永磁电机噪声干扰，确保最佳的电机效能。

参考文献

[1]唐任远，宋志环，于慎波，等.变频器供电对永磁电机振动噪声源的影响研究[J].电机与控制学报，2012（3）：12-17.

[2]张溪海.变频器供电对永磁电机震动噪声源的影响研究[J].科技与创新，2016（7）：68.