變頻器供電對永磁電機振動噪聲源的影響探究

摘 要：從現狀看，永磁電動機擁有變頻調速的優良特性，正被廣泛采納。在平日生活及生產中，變頻器都可用于常態的供電。然而，變頻器在供電過程中，對于永磁電機將會帶來影響。經過解析可得永磁電機振動狀態下的噪聲源影響，對比得到氣隙磁場在這個階段內的頻率諧波。在這之后，借助于三維聲場解析了正弦波及變頻器在供電進程中的不同噪聲頻譜，給出主要成分。經過實驗解析，診斷并識別了信號及噪聲源，探析具體影響。

關鍵詞：變頻器供電；永磁電機；振動噪聲源；具體影響

變頻調速性的永磁電機表現為優良性能，電機的起動及制動、調速等質量都很高。但與此同時，供電所需的變頻器也增添了額外的電機振動，增加了噪聲源。變頻供電的狀態下，定子電流附帶了較多的時間諧波，與之相應的氣隙磁場也很難杜絕諧波的干擾。若變頻器本身的頻率很近似開關頻率，那么氣隙磁場還會增添空間的高速諧波，在較大范圍內干擾到電磁力波的總數及幅值。由此可見，若采納了變頻器來供應電機電能，則要慎重防控振動噪聲源的潛在干擾。應當結合實際，辨析振動電機的噪聲源位置及特性，從而減低電機附帶的噪聲干擾。

1 變頻器供電帶來的噪聲源

從目前狀態看，永磁同步電機多配備了變頻調速。相比于傳統調速，變頻調速的新方式擁有更優的性能，起動制動也更為便捷。然而不應忽視，變頻器供應電能的方式將會帶來更高的電機噪聲，增加噪聲干擾。若采納了變頻器來供應電能，那么時間諧波將會增加，氣隙磁場及定子電流都含有這類諧波。如果變頻器符合了開關頻率，還會增添更多的電磁力波。在這種狀態下，電機及激振力二者的頻率會很接近，引發共振因而表現出噪聲[1]。

在電機噪聲范圍內，供電變頻器被看作主要的源頭。在輸入電流時，高次諧波很易帶來噪聲。實際上，電動機噪聲及電流激勵二者是密切相關的，噪聲源自永磁電機。因此，若要辨析振動及噪聲的關系，那么不可忽視控制系統產生出來的噪聲干擾。在聲場輻射中，裝置自帶的頻率及變頻器波形都應充分考慮，這兩類要素是主要的。為了調控噪聲源，可以變更現有的脈寬以此來削減電流諧波。這是由于，電流諧波對于共振頻率是很敏感的。

變頻器供電不可避免影響到永磁電機，造成噪聲源的振動。為此，首先解析了氣隙磁場在變頻供電中的波動狀態，歸納了各階段內的諧波頻率。經過詳盡的解析，給出電機振動覆蓋的噪聲頻譜，區分了正弦波及變頻器的頻率成分差異。選取某一樣機，模擬診斷可得精確的噪聲源信號。在供電過程中，永磁電機及氣隙磁場都表現出特定的振動頻率，可用信號予以表示。

2 氣隙磁場帶來的噪聲源

若選取了變頻器來提供永磁電機的運轉電能，則需要顧及氣隙磁場的真實影響。針對于氣隙磁場，在表達氣隙磁密時可忽視細微的磁路及鐵心磁阻。經過綜合衡量，即可擬定必備的表達式。詳細來看，先要設定如下參數：f代表氣隙磁場內的磁動勢，a代表氣隙比。在這種狀態下，氣隙磁場可表述為如下密度：b=f*a。變頻送電的過程中，同步運轉的永磁電機包含了氣隙的磁動勢。依照電機學根本原理，正弦波供電狀態下的磁動勢還可分成定子諧波、基波及永磁體這樣三類。在永磁電機中，同時表現出這三類的磁動勢[2]。

相比于正弦波供電，變頻供電針對于永磁電機帶來的諧波磁動勢是較大的。這是由于，定子諧波將會產生某一比值的基波電流，時間諧波電流密切關系到定子的磁動勢。在這之中，定子諧波很難避免潛在的磁動勢，它根源于供電變頻器的偏大噪聲。在諧波干擾下，永磁電機也很易頻繁振動，造成過大噪聲。定子基波電流可引發磁動勢，與此同時，時間諧波電流也包含了同樣的磁動勢。定子在開槽狀態下，氣隙比產生出來的磁導傾向于恒定，由此即可算出這個階段內的精確諧波比。在這種計算中，忽視了諧波磁導及磁動勢的彼此影響。

變頻器供電時，同步性的永磁電機包含著特定的氣隙磁場。在表達式中，變頻供電范圍內的所有要素都被涵蓋在內。氣隙磁場設定的表達式代表了諧波頻率、變頻器特有的開關頻率，解析了二者的內在關系。轉子諧波磁場及變頻器將會彼此作用，因此帶來較高頻率狀態下的磁場幅值。此外，電磁激振力附帶的波形頻率也是很高的，由此引發關聯的電機噪聲及振蕩。

3 解析以及計算

3.1 有限元的解析

變頻器針對于永磁電機的供電不可忽視隱含的氣隙磁場，對于這種磁場，有必要采納有限元特定的解析方式。具體而言，有限元解析的側重點應為噪聲特性及電機振動特性。給出特定的供電條件，而后解析得出潛在的振動特性規律。例如：某臺電動機設定為20kW總的供電功率，外形為盤式裝置。正弦波供電過程中，分別解析得出了氣隙磁場在各階段的精確波形。盤式電機擬定了如下參數：20kW額定的電機功率、每分鐘400轉的轉速、5的電機相數、25的定子槽數。此外，設定了85Hz的額定電機頻率。定子的內外直徑分別設定為200毫米及400毫米。電機在運轉時，描繪了盤式的三維圖例，構建立體模型。針對于電機磁場，在繞組及電機定子范圍內添加了3Hz特定的開關頻率及正弦波電流。在這種狀態下，算出時間諧波電流，描繪了氣隙磁場的電機波形[3]。

正弦波在日常供電時，要格外注重定子半徑中間的氣隙磁場，描繪出這個端點的精確波形。設定了3kHz的開關頻率，這種基礎上即可描繪明晰的磁場波形。經過觀察可知，變頻器在用于磁場供電時，定子電流隱含了高次諧波，這種諧波被看作時間諧波。在這時，電機磁場將會顯露多余的毛刺，在圖例中表現尤為明顯。經過波形分析，可得各次諧波對應著的幅值及頻率，進而獲取精準的頻譜圖。在盤式供電的裝置中，3kHz這個數值周邊呈現為最高的磁場諧波，氣隙磁場也引發了頻繁性的振動。在這之中，最大幅值諧波表現出3000Hz及3300Hz的峰值。變頻器自帶的開關頻率密切關系到這些最大頻率，二者是有所關聯的。

設定了5kHz及6kHz的另外兩種開關頻率，這種基礎上描繪了磁場波形。傅里葉方法解析可得開關頻率周邊范圍內的氣隙磁場諧波，歸納了諧波頻率總體的變更趨向。針對于開關頻率、主要諧波頻率，經過探析可知二者是緊密相關的。變頻器擬定了開關頻率，運行中的電機也呈現為特定化的頻率變化趨向。

3.2 模擬振動噪聲的實驗

永磁電機處在氣隙磁場范圍內，這時就很難避免諧波。經過推算可知各階段內的電機諧波頻率，這些數值可為后續估算提供參照。永磁電機呈現為頻繁波動的頻率，也不可忽視電磁的激振力。為了驗證公式，還需測定各類頻率狀態下的磁場波形變動，推算這種變動的總趨勢。在具體實驗時，針對于永磁同步的盤式電動機，給出不同頻率下的精確磁場波形。經過傅里葉變換，得到氣隙磁場在接受供電這個時段內的諧波頻率。對比得到結論：氣隙磁場在變頻器送電時的諧波頻率吻合了實測得出的頻率。在某些時點上，頻率也存在誤差，但始終處在可調控的范圍內。

3.3 激振力帶來的噪聲源

轉子及定子在磁場內都會附帶諧波，二者彼此作用，產生了激振力。在定子的表面，電機噪聲及頻繁性的振蕩都是不可消除的，都應考慮在內。在變頻供電時，電機定子在磁場中將會產生較高的諧波，這種諧波密切關系到電樞磁場及隱含的開關頻率。磁場及諧波彼此發生了作用，因而增添了額外的激振力。針對于定子側，激振力頻率可表述為永磁體基波及磁場頻率二者的差值。變頻器供電的時段內，永磁電機引發的頻率也就代表了總的激振力作用[4]。

后期在計算時，采納了有限元軟件描繪了瞬態的三維磁場。依照磁場定律，定子表層的鐵心也可產生某一層次的激振力，這種激振力源自電磁的作用。不同時間段內，激振力也會呈現出不同。得到了激振力之后，即可描繪明晰的頻譜波形。在這種基礎上，比較得出精確的頻率。有限元解析獲得的電磁激振力大致等于真實供電中的激振力，兩類數值并沒有凸顯較大的差值。這是由于，電機附帶的噪聲及振動都可歸因于表層的激振力，來自電機的定子。由此也可推斷出：噪聲頻率及對應著的振動頻率是緊密相關的。經過推算及總結，表述了噪聲及電機振動的頻率特征。

4 歸納噪聲源的影響

4.1 噪聲源的總體影響

探析噪聲源的振動影響，選取了有限元法及解析法。針對于變頻器供電，應當辨析電磁激振力、氣隙磁場及振動噪聲各自的頻率特性。在詳盡解析之后，歸納可得噪聲源包含的要素及影響。

變頻器供電中，在氣隙磁場中的永磁電機將會改變固有的定子諧波電流。在這種狀態下，變頻器自帶的開關頻率若很接近空間磁場諧波，則會增添更大噪聲的干擾。定子磁場也含有特定比例的諧波頻率，電機振動引發的噪聲頻率及諧波頻率二者也是有關的，可以設定特定的表達式。選取了待測點，而后歸納可得供電變頻器附帶的噪聲。經過解析可知，3kHz這個頻率周邊聚集了偏多的諧波，因而也帶來了噪聲。氣隙磁場在這個范圍附近表現出偏高噪聲，永磁電機恰巧也呈現為較高噪聲，兩類噪聲的幅值是吻合的。這種狀態可歸因為：基波及變頻電流二者擁有同等的頻率，因此呈現出彼此調制的相互關系，這樣即可產生噪聲的新峰值。

此外，供電方式設定為正弦波時，永磁振動引發的電機噪聲聚集于偏低的噪聲頻段內。與此同時，永磁電機采納的變頻供電也呈現為集中的頻率。開關頻率附近，更容易聚集高頻率的噪聲。由此可見，若要阻止或者減低供電進程中的電機振動、消除噪聲干擾，則應從根本上消減開關頻率范圍內的干擾諧波。唯有如此，才能削弱或消解諧波產生出來的永磁電機干擾。

4.2 噪聲自身的特性

模擬可得三維的聲場，進而算出永磁電機在各階段的具體振動影響。對于盤式電機，也解析了這種聲場特性。定子繞組可設置為特定數值的諧波電流，以此來模擬正弦波的加載電流。在模擬的基礎上，反映了變頻器各階段的供電特性。在測算噪聲時，綜合衡量了人耳聽到的噪聲強度，對此可設置聲壓級。在給出來的測點范圍內，測算了變頻器及正弦波兩類供電方式下的聲壓級，描繪出頻譜圖。

在開關頻率周圍，變頻供電的氣隙磁場會受到更明顯的干擾，進而呈現出諧波。由此可以表明：開關頻率這個范圍附近都表現出較大幅值。出現這種狀態，是由于調制的基波及電流諧波二者彼此干擾，因而帶來這個點的噪聲峰值。從感知器官來看，耳朵針對于噪聲的敏感頻段應為1到6kHz。在這個范圍內，噪聲如果很集中那么將會干擾聽覺。

5 結束語

經濟在快速進步，永磁電機及供電變頻器被廣泛用于日常生活及工業，顯示出必要的價值。變頻器供電的方式表現出便捷性，但很難避免附帶的噪聲。變頻供電很易造成電機的頻繁振動，諧波影響到電機運轉。經過實驗可知：變頻器供電產生的噪聲根源即為永磁電機的頻繁振動。在未來實踐中，還需歸納變頻器供電的要點，有序縮減運行中的永磁電機噪聲干擾，確保最佳的電機效能。

參考文獻

[1]唐任遠，宋志環，于慎波，等.變頻器供電對永磁電機振動噪聲源的影響研究[J].電機與控制學報，2012（3）：12-17.

[2]張溪海.變頻器供電對永磁電機震動噪聲源的影響研究[J].科技與創新，2016（7）：68.