醋纖生產(chǎn)線使用永磁電動機同步拖動的特性研究及實驗分析

郭瑾

摘 要：自上世紀40年代開始，深入研究了與電動機振動和噪聲相關(guān)的問題，而其中比較典型的研究內(nèi)容就是感應(yīng)電動機、直流電動機以及同步電動機。文章主要以稀土永磁同步電動機為研究對象，針對其振動和噪聲方面的應(yīng)用特性展開了全面探討，并提出了有針對性的完善措施，以供參考。

關(guān)鍵詞：永磁同步電動機；應(yīng)用特性；研究

引言

稀土永磁電動機具有高效節(jié)能的顯著優(yōu)點，應(yīng)用范圍正日益遍及國防、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活的諸多領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮?。相較于電勵磁電動機，稀土永磁電動機結(jié)構(gòu)特殊且種類多樣，傳統(tǒng)的設(shè)計理論和分析方法已難以適應(yīng)高性能電機研發(fā)的要求，需要綜合運用多學(xué)科理論和現(xiàn)代設(shè)計手段，進行創(chuàng)新研究。傳統(tǒng)設(shè)計模式得到的產(chǎn)品，在工況相對固定的應(yīng)用場合，能夠表顯出良好的技術(shù)性能，但在永磁同步電動機實際運用的過程中，其振動與噪聲始終沒有得到有效解決，甚至?xí)ζ鋵嶋H運行的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的影響。為此，針對永磁同步電動機設(shè)計當中的關(guān)鍵技術(shù)研究十分有必要，同樣也逐漸成為國民經(jīng)濟發(fā)展的關(guān)鍵增長點。因此，本文在電機和電磁場理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際工程應(yīng)用問題，對永磁同步電動機的工作工程中的振動和噪聲問題進行實驗分析研究，并提出具體解決改善措施。論文的工作主要集中在以下幾個方面：（1）測試裝置與系統(tǒng)的實驗，選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進行測試。其中，將非金屬環(huán)合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進而對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性展開全面測試。（2）永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析，通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當電動機處于額定負載的情況下，其振動信號呈現(xiàn)出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形。（3）對噪聲頻譜的分析，當11kW永磁同步電動機處于空載狀態(tài)時，根據(jù)聲壓級頻譜的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，其中存在兩個峰值。而當11kW永磁同步電動機處于額定負載的狀態(tài)下，根據(jù)聲壓級頻譜內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發(fā)現(xiàn)對于永磁同步電動機噪聲產(chǎn)生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發(fā)現(xiàn)，峰值多出一個，而具體的原因就是受負載增加的影響，導(dǎo)致電流與功角隨之提高，進而生成了頻率成分。

以下是詳細實驗過程：

1 永磁同步電動機應(yīng)用特性的實驗分析——以振動與噪聲為實驗對象

1.1 測試裝置與系統(tǒng)的實驗

選擇11kW的永磁同步電動機，對其振動和噪聲的特性進行測試。其中，將非金屬環(huán)合理安裝于9000A的渦流傳感器之上，隨后，同樣將其安裝在軸承端蓋的位置，進而對轉(zhuǎn)子動態(tài)特性展開全面測試。

1.2 永磁同步電動機振動與噪聲信號的分析

通過對永磁同步電動機振動和噪聲信號的測試與分析，當電動機處于額定負載的情況下，其振動信號呈現(xiàn)出一簇脈沖，其電流信號也有所改變，并非正常的正弦時域波形[1]。

1.3 對噪聲頻譜的分析

當11kW永磁同步電動機處于空載狀態(tài)時，根據(jù)聲壓級頻譜的內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，其中存在兩個峰值。而當11kW永磁同步電動機處于額定負載的狀態(tài)下，根據(jù)聲壓級頻譜內(nèi)容可以發(fā)現(xiàn)，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發(fā)現(xiàn)對于永磁同步電動機噪聲產(chǎn)生影響的因素中，軸承振動并非主要矛盾。通過對空載以及額定負載條件下的聲壓級頻譜對比與比較可以發(fā)現(xiàn)，峰值多出一個，而具體的原因就是受負載增加的影響，導(dǎo)致電流與功角隨之提高，進而生成了頻率成分。

2 改善永磁同步電動機應(yīng)用特性的具體措施

2.1 有效降低力波

第一，繞組選擇要科學(xué)。在選擇定子繞組的過程中，最好選擇諧波磁動勢不高的，像是正弦繞組，能夠有效地降低噪聲。第二，將定子槽與轉(zhuǎn)子槽的開口寬度減小。通過半閉口槽亦或是閉口槽能夠使氣隙磁導(dǎo)諧波有效降低。與此同時，為了能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)矩脈動的降低，就需要采用槽開口寬度增大的方式。第三，氣隙磁通密度適當減少。因為徑向力和氣隙磁密平方呈現(xiàn)出正比例關(guān)系，而振幅和徑向力同樣呈正相關(guān)關(guān)系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的關(guān)系[2]。在這種情況下，磁通的密度如果相對較高，那么不僅只是聲功率隨之提高，同樣還會影響系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的效果，分叉與混沌現(xiàn)象的發(fā)生幾率會更高。然而，一旦減小氣隙磁密，還會使電動機的自重增加。在這種情況下，應(yīng)當綜合考慮多種因素來進行設(shè)計。

2.2 磁場應(yīng)對稱

在永磁同步電動機實際運行的過程中，如果轉(zhuǎn)子偏心很容易引起低階徑向力，導(dǎo)致電動機自身的噪聲不斷增加[3]。在這種情況下，不僅要對加工工藝與裝配工藝進行合理地控制，同樣采取定子并聯(lián)繞組的方式，也能夠避免因轉(zhuǎn)子不同心而帶來的噪聲，這樣就能夠確保各級磁通處于一致狀態(tài)，有效地規(guī)避了磁拉力出現(xiàn)的不平衡性，使得振動與噪聲的產(chǎn)生幾率下降。

2.3 斜槽與斜極的控制

對于永磁同步電動機來說，將其定子鐵心以斜槽的形式制作出來，能夠確保徑向力波始終沿著電動機的長度方向軸線來移動[4]。這樣一來，其沿著軸線方向的平均徑向力就會隨之下降，同時，附加轉(zhuǎn)矩以及噪聲也會隨之降低，然而，實際的附加損耗卻并不會下降。

2.4 定子動態(tài)振幅與聲振幅的合理減少

第一，要科學(xué)增加阻尼。可以在永磁同步電動機的定子鐵心以及機座中適當?shù)赝可献枘岵牧?，與此同時，使用清漆亦或是環(huán)氧樹脂，實現(xiàn)定子疊片的有效粘結(jié)[5]?；诖?，應(yīng)當對定子鐵心以及機座間存在的間隙進行及時填充，這樣也能夠使電動機阻尼不斷增加。第二，聲輻射效率的減少。在對永磁同步電動機聲輻射功率進行計算的過程中，主要是相對聲強輻射系數(shù)和無窮大平板聲強公式相乘[6]。其中，相對聲強輻射的系數(shù)和電動機的定子長徑比以及振動模態(tài)階數(shù)等存在緊密的聯(lián)系。為此，在立波階數(shù)的增加，使聲強輻射系數(shù)減少，可以有效地控制噪聲。

3 結(jié)束語

綜上所述，永磁同步電動機在實踐應(yīng)用中的作用十分重要，所以，對其應(yīng)用特性的研究具有重要的現(xiàn)實意義。電動機振動過大不僅會對運行可靠程度帶來負面影響，同樣還會引發(fā)噪聲。因而，文章將稀土永磁同步電動機作為重點研究對象，并且以振動和噪聲兩個特性為例，闡述了控制這兩種特性的可行性方式，以期為永磁同步電動機的正常運轉(zhuǎn)提供有價值的參考依據(jù)，充分發(fā)揮其自身的功用。

參考文獻

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[2]姬芬竹，高峰.電動汽車驅(qū)動電機和傳動系統(tǒng)的參數(shù)匹配[J].華南理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2006（04）.

[3]王家軍.速度指定位置跟蹤雙永磁同步電動機的反推控制[J].控制理論與應(yīng)用，2015，32（2）：202-209.

[4]楊玉波，王秀和，張鑫，等.磁極偏移削弱永磁電機齒槽轉(zhuǎn)矩方法[J].電工技術(shù)學(xué)報，2006（10）.

[5]黃守道，張文娟，高劍，等.準諧振控制器在抑制永磁同步電動機共模電壓上的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2013，28（3）：93-98.

[6]王秀和，楊玉波，丁婷婷，等.基于極弧系數(shù)選擇的實心轉(zhuǎn)子永磁同步電動機齒槽轉(zhuǎn)矩削弱方法研究[J].中國電機工程學(xué)報，2005（15）.