电机噪声

题目：变频器谐波电流对盘式永磁电动机电磁噪声的影响院(系)别电气学院专业电气工程学号Z1007006姓名王银杰二○一一年二月摘要.................................. .................................. .................................. . (1)1绪论.................................................................................................... . (2)1.1课题的背景和意义.................................. .................................. .................................. (3)1.2国内外究现状 (3)1.3本文主要内容 (4)2.谐波电流的电磁噪声的影响.... ........................................ ........................................ . (4)2.1 18.5KW盘式永磁同步电动机模态分析 (4)2.1.1盘式永磁同步电动机三维有限元模态计算 (4)2.1.2盘式电动机固有频率试验测定方法 (6)2.2盘式永磁同步电动机辐射噪声的计算 (7)2.2.1永磁电机声场有限元计算理论基础 (7)2.2.2声场计算的三维有限元模型 (7)2.2.3声场计算的电磁力载荷处理 (8)2.2.4三维瞬态声场计算结果 (8)2.3 PWM变频器谐波电流对盘式永磁电动机电磁噪声的影响 (9)3总结 (14)电机的噪声是衡量一台电机性能的重要指标，也直接关系到电机的质量和使用寿命。

但是，目前针对永磁电动机噪声和振动的研究相对较少。

本文主要研究永磁同步电动机的电磁噪声，主要以磁场计算得到的电磁力作为载荷，本文对同一台永磁同步电动机进行二维瞬态声场分析，得到不同供电条件下电机辐射的电磁噪声值以及振动位移、速度和加速度。

并且通过傅里叶分析，清楚地表明噪声和振动在开关频率两侧都会出现新的边带频率分量，这是由于电流基波与各次谐波相互调制的结果。

并且，本文总结了这些新的噪声峰值的分布规律，同时也可以看出不同的开关频率对电机辐射噪声大小有显著的影响。

此外，本文还将计算得到的噪声频谱与试验实测结果进行比较，两者基本吻合，证明了计算和分析的可靠性。

关键词:永磁同步电动机，谐波电流，电磁噪声绪论1.1课题的背景和意义永磁电动机不需要直流励磁电源也没有励磁绕组，其具有减少电源耗电量、结构简单，运行可靠，体积小，质量轻，减少电气铜耗等诸多优点，目前永磁电动机已广泛应用于工业、农业、国防和国民经济的各个部门。

但是，永磁电动机的振动会产生噪声污染，更为重要的是会使其性能有所降低，研究永磁电动机产生的噪声必须和研究与噪声来源有关的振动结合起来，永磁电动机中产生的噪声主要分为三类：（1）电磁噪声，由于电磁力在定、转子间的气隙中作用，产生旋转力波或脉动力波，使定子产生振动。

值得重视的是，熟知引起振动的各机械构件的固有频率，若其中一个径向力的频率与之相符，则会引起共振，产生强烈的噪声，严重时可使电动机损坏，这在实际的设计和生产中要严格避免；（2）机械噪声，电动机中的机械噪声主要是由轴承或电刷装置等的机械摩擦引起的；（3）空气动力噪声,由电动机内的冷却风扇产生，主要由风扇的型式、风扇和通风道及进出口的结构设计决定。

有效降低永磁电动机的噪声和振动对电动机性能的提高、生产环境的改善、电动机市场竞争力的提高都有着非常积极的作用和意义；在永磁电动机的装配和运行过程中，振动问题会随时出现，一旦发生振动问题，必须及时解决。

若处理不当，可能导致电动机在运行中瞬间破坏，这会给用户造成巨大的损失。

因此振动问题得到了越来越多的关注。

要想解决好这个问题，必须分清因果关系，清楚振动产生的机理，也就是要弄清楚这个破坏力从何而来，是力引起的振动导致了这种破坏，还是共振造成了这种损坏，或是支撑件的刚度不足。

然后采取各种有效措施降低噪声。

实践表明，低噪声电机常常要花费较多的材料，或采取较好的工艺措施，这都将导致成本增加。

但是如果能够明确噪声机理，识别出噪声源，掌握一定的产生噪声的规律后，只要在结构或设计参数中作少量改动，或者采取相对简单的有针对性的措施既可以大幅度地降低噪声。

因此，对电机振动噪声的研究有重要的理论价值和实际意义。

近二十年来，随着微电子和电力电子技术以及电动机控制理论的发展，变频调速技术逐步取代直流调速装置驱动电机运行已成为发展趋势。

变频调速技术以其优异的调速和起制动性能和节电效果，广泛的适用范围等许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。

但是，值得注意的是，变频器输出的电压和电流中包含有大量的谐波成分，也将给电机的性能带来许多不利影响。

就电机噪声角度而言，谐波电流可能影响电机气隙磁场电磁力波幅值和次数，从而对电机噪声和振动带来新的影响。

因此，研究变频器电流对电机辐射噪声的影响，对进一步实现噪声抑制有积极意义。

1.2国内外研究现状目前世界各国对电机振动和噪声的研究主要围绕下列问题展开，即电磁力波的研究；定子振动特性及声学特性的研究；轴承和电刷的制造工艺和装配工艺，冷却风扇的合理设计和选用；以及针对电机振动和噪声治理的三种方面研究即，振动或噪声的“吸”、“隔”、“消”的方法与措施。

但是，自七十年代以来，噪声控制已由采用传统的隔声，吸声和消声等办法转向对机械声源的识别与控制的研究。

1.3本文的主要内容本文主要是研究PWM变频器供电条件下定子绕组的谐波电流对永磁电动机电辐射噪声的影响。

本文基于有限元法对永磁电动机进行声场计算、结构模态分析，其主要内容对18.5kW盘式永磁同步电动机进行模态分析，得到其整机结构的固有频率和前几阶振型。

然后利用计算得到的电磁力作为载荷，对盘式永磁电机进行三维瞬态声场计算，得到电机在不同供电情况下辐射噪声的A计权声压级，并对结果进行傅里叶分析，比较两种情况下噪声和振动的频特性，得到谐波电流对永磁电动机电磁噪声的影响，为噪声源识别和进一步抑制噪声提供参考。

2谐波电流对电动机电磁噪声的影响通过计算分析可以看出在变频器供电情况下，由于谐波电流的作用，电机气隙磁场的电磁力在开关频率附近产生了一系列新的峰值，这可能导致电磁力频率与电机某些模态的固有频率接近而发生共振，增大电机的噪声。

因此，进一步分析谐波电流对电机辐射噪声的影响就显得十分必要。

本节，利用磁场的计算结果作为电磁力载荷，对18.5kW盘式永磁同步电动机进行三维瞬态声场计算，并对计算得到的噪声和振动位移进行频谱分析，进一步研究变频器谐波电流对电机振动噪声的影响。

同时，本节还将计算得到的噪声频谱与变频器供电情况下电机噪声试验的实测结果进行比较，两者基本吻合，验证了计算和分析的准确性。

2.1 18.5kW盘式永磁同步电动机模态分析模态分析用于确定设计结构或部件的振动特性，即结构的固有频率和振型。

电机电磁噪声的主要来源是铁心和机壳的振动，机壳的振动直接辐射噪声，铁心振动通过机壳或端盖上的孔向外辐射噪声。

永磁同步电动机结构的模态分析是判断电动机机壳结构是否发生共振的重要手段，也是为后面进行瞬态声场计算奠定基础。

本节将对电机整机进行模态分析，以获得其固有频率，并与固有频率试验得到的数据进行比较。

2.1.1盘式永磁同步电动机三维有限元模态计算振动模态是振动系统的各点以特定的频率作简谐振动时，表示波节和波腹的振动形态或与其相应的衰减振动状态。

在模态的数值分析中，首先将结构离散化，典型的无阻尼模态分析求解的基本方程是经典的特征值问题。

任何一个无阻尼线弹性结构振动保守系统的自由振动方程可表示为：[M]{x(t)}+[K]{x(t)}={0} (2.1)其中，M和K分别表示系统的质量和刚度矩阵，{x(t)}则为偏离原来平衡位置的广义位移矢量。

对实模态的数值研究转化为求解式(2.1)矩阵的微分方程。

式(2.1)解的形式可表示为：{x(t)}=ejωt{φ}(2.2)其中，{φ}为模态向量，ω为模态的固有频率。

将(2.2)入方程(2.1)得(K?ω2M){φ}ejωt={0}(2.3)若使方程(3.3)存在非零解，必须有K?ω2M=0(2.4)求解方程(2.3)、(2.4)即可得到定子的各阶固有频率和相应的模态向量。

本节同样以上文所提的18.5kW盘式永磁同步电动机为研究对象，对电机的定子和机壳分别建模，得到的几何模型和剖分后的有限元模型如图2.1、图2.2所示。

然后利用ANSYS软件对其进行模态分析。

图2.1 18.5kW盘式永磁同步电动机几何模型图2.2 18.5kW盘式永磁同步电动机有限元模型在使用ANSYS进行模态分析中，ANSYS提供了7种模态提取方法。

本文计算中采用Block Lanzcos法，这种方法适合与提取大模型的多阶模态，在保证计算精度的同时，计算速度较快，对计算机内存要求适中。

此外，在模态分析中，对电机施加不同的约束条件计算得到的结果会有所不同。

在本文中为了计算结果与试验测试结果尽可能一致，电机的约束条件尽可能模拟电机实际运行的情况。

在实际电动机安装过程中，地脚用螺栓与地面固定，因此在计算中对模型的地脚施加全约束。

表2.1整机的前十六阶模态固有频率由于本文主要研究1.5k和3kHz开关频率电流对电机振动噪声的影响，而且通过磁场计算得到的电磁力波峰值也集中在开关频率附近，所以固有频率主要计算到4000Hz左右，即主要考虑电机的前十六阶模态的固有频率和振型。

其各阶模态的固有频率见表2..1。

同时通过盘式永磁电动机前六阶模态的振型，从中也可以看出电机的前后端盖和轴的振动形变最显，这是由于此处的刚度与其他部分相比较小。

特别是电机的轴会产生较为强烈的振动，其也会向外辐射较大的噪声。

如果轴向电磁力的激振频率接近电动机定子机壳结构的模态固有频率，就会产生很大的噪声和振动，即发生共振。

而且电机结构的模态与很多因素有关，例如材料属性、电机的尺寸、计算模型的约束条件等。

因此为了尽可能真实的模拟电机实际运行条件，为后面比较准确的计算电机辐射的噪声，总结谐波电流对其的影响，下面通过试验测试实际电机的固有频率，并与计算结果进行比较，验证计算的准确性。

2.1.2盘式电动机固有频率试验测定方法测定电机的固有频率通常采用激振方法，目前通常采用的激振方式是锤击法。

锤击法属宽频带瞬态激振，在激振的同时测取力和响应信号，再对上述信号做频响函数分析。

现场具体的测试方法是将加速度传感器固定在定子上，用力锤锤击被测试点，将力信号和加速度信号送至频谱分析仪，分析仪很快即显示频响函数，从曲线上可读出定子的固有频率值。