非正弦驅(qū)動對電機(jī)噪聲影響及優(yōu)化

張 亮,宮 佐,單 聰

(1.西安微電機(jī)研究所，西安710077；2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍代局駐西安地區(qū)第八軍事代表室，西安710065)

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的普及，采用電力電子驅(qū)動器驅(qū)動的伺服電機(jī)得到了大力的發(fā)展。傳統(tǒng)電機(jī)經(jīng)過一定的改進(jìn)，通過與電力電子驅(qū)動控制器連接，便可變成具有更多功能的伺服電機(jī)，使其具有更強(qiáng)的靈活性，具有更廣泛的應(yīng)用前景[1]。但與此同時(shí)也會帶來一些其他問題，如損耗增加、效率降低、電磁干擾增大以及額外電磁噪聲的增加。本文研究，某型電機(jī)在與電力電子驅(qū)動器連接后噪聲明顯升高，通過對電機(jī)噪聲頻譜的分析，尋找噪聲源位置并優(yōu)化電機(jī)結(jié)構(gòu)，達(dá)到大幅降低電機(jī)噪聲目的。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目電機(jī)由電動機(jī)本體、位置傳感器、傳感器端蓋及引出線插座等部件構(gòu)成。電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 噪聲分析

在使用標(biāo)準(zhǔn)正弦波電源驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)的噪聲主要為低頻機(jī)械噪音。取10臺樣機(jī)，按國標(biāo)方法電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行1m處測試噪音為35～38dB(A)。其噪聲頻譜如圖2所示。

圖2 正弦波電源驅(qū)動電機(jī)噪聲頻譜

當(dāng)使用電力電子驅(qū)動器測試電機(jī)噪聲時(shí)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)噪聲升高至45～55dB(A)，較采用標(biāo)準(zhǔn)正弦波驅(qū)動時(shí)噪聲增加10～15dB(A)。且每臺電機(jī)的噪聲一致性較差，具有較大的離散性。用噪聲分析儀對電機(jī)的噪聲進(jìn)行分析得到電機(jī)的噪聲頻譜如圖3所示。

圖3 電力電子驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)噪聲頻譜

可以看出電機(jī)噪聲除了原有的低頻噪聲外還在4kHz、8kHz、12kHz、16kHz等特定頻率附近增加了大量高頻噪聲。本項(xiàng)目使用的電力電子驅(qū)動器的斬波頻率為4kHz，高頻噪聲頻率為斬波頻率和其倍頻頻率?？梢猿醪脚袛嚯姍C(jī)噪聲的增大與使用的電力電子驅(qū)動器相關(guān)。

電力電子驅(qū)動器是利用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)(PWM)。PWM技術(shù)用一系列占空比大小不一的方波電壓，去等效正弦波電壓。這些方波電壓會在電機(jī)側(cè)產(chǎn)生出高頻的諧波電流。隨著載波頻率升高諧波電流的幅值會減小，頻率會升高。但采用PWM技術(shù)的電力電子驅(qū)動器受到電力電子元器件的限制，載波頻率不可能很高，因此實(shí)際應(yīng)用PWM技術(shù)的電力電子驅(qū)動器為非正弦輸出，其中均含有大量的諧波電流[2]。

在使用電力電子驅(qū)動器的電機(jī)中必然存在大量的諧波電流，為了降低電機(jī)的電磁噪聲，必須降低諧波電流產(chǎn)生的噪聲。所有的噪聲均由物體的振動產(chǎn)生，降低噪聲即降低電機(jī)零件的振動[3]。電機(jī)的振動源是相同的，但每臺電機(jī)的噪聲不一樣，證明電機(jī)的某些零件與載波頻率和其倍頻存在共振，共振將電磁噪聲放大。

為了準(zhǔn)確定位將電機(jī)的高頻電磁噪聲放大的零件，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)采用加速度測量儀對電機(jī)不同位置的自振動情況進(jìn)行測量。通過對電機(jī)不同部位自振動的測量可以清楚測量出電機(jī)不同零件的共振情況。

電機(jī)繞組雖然是高頻振動的激勵(lì)源，但在對電機(jī)各部位自振動情況進(jìn)行測試發(fā)現(xiàn)電機(jī)定子的高頻自振動幅值很低，而電機(jī)尾部的傳感器端蓋高頻振動卻很大。如圖4所示，初步判斷為傳感器后端蓋產(chǎn)生了共振，對高頻電磁振動起到放大的作用。

圖4 優(yōu)化前傳感器后端蓋振動頻譜

本電機(jī)在不安裝傳感器后端蓋情況下電機(jī)也可運(yùn)行，于是拆除傳感器后端蓋，對電機(jī)噪音進(jìn)行重新測試。電機(jī)噪音明顯降低約10dB(A)。通過以上實(shí)驗(yàn)可以確定電機(jī)高頻電磁噪音是被傳感器后端蓋放大。

3 改進(jìn)方案

為了驗(yàn)證電機(jī)傳感器后端蓋對電磁噪音的放大作用，同時(shí)對重新優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，對電機(jī)傳感器后端蓋進(jìn)行了有限元仿真建模，按照傳感器后端蓋安裝方式計(jì)算其在預(yù)應(yīng)力情況下的各階固有頻率。各階固有頻率如表1所示?？梢钥闯觯蠖松w的一階固有頻率約為4.20kHz與電力電子驅(qū)動器的載波頻率非常接近。因?yàn)榱慵庸び泄畹拇嬖?，?shí)際零件的固有頻率會略有差異，所以就造成了每臺電機(jī)的高頻噪音存在差異。

表1 優(yōu)化前傳感器后端蓋各階固有頻率

傳感器后端蓋各階結(jié)構(gòu)的變形分布情況如圖5所示，為消除傳感器后端蓋與電流諧波共振產(chǎn)生的噪聲，根據(jù)仿真結(jié)果對傳感器后端蓋進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。電力電子驅(qū)動器載波頻率為4kHz，測試方法為A計(jì)權(quán)，測試頻率范圍為0～20kHz。傳感器后端蓋各階固有頻率與載波頻率及其整數(shù)倍在20kHz內(nèi)不能產(chǎn)生共振。通過在局部增加厚度，提高剛度，提高零件的固有頻率消除共振。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)，電機(jī)傳感器后端蓋結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)仿真計(jì)算，一階固有頻率為5.64kHz，各階固有頻率如表2所示，各階的結(jié)構(gòu)變形分布情況如圖避開了電力電子驅(qū)動器載波頻率為4kHz及其整數(shù)倍。

圖5 傳感器后端蓋各階結(jié)構(gòu)變形分布

圖6 傳感器后端蓋改進(jìn)后結(jié)構(gòu)

表2 優(yōu)化后傳感器后端蓋各階固有頻率

圖7 更改后傳感器后端蓋各階結(jié)構(gòu)變形分布

4 改進(jìn)驗(yàn)證

根據(jù)重新設(shè)計(jì)加工傳感器后端蓋，經(jīng)測試傳感器后端蓋的自振動明顯減弱，如圖8所示。重新按國標(biāo)方法電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速空載1m處測試噪音為37～40dB(A)。通過測試噪聲頻譜圖9發(fā)現(xiàn)，可以看出電機(jī)仍然存在4kHz、8kHz、12kHz、16kHz等高頻電磁噪聲。故采用電力電子驅(qū)動器驅(qū)動的電機(jī)，其繞組內(nèi)電流為非正弦電流，存在大量額諧波電流。這些諧波電流會產(chǎn)生額外的振動，使電機(jī)會發(fā)出高頻電磁噪音。由于高頻電磁噪音與原電機(jī)內(nèi)部的噪音相互疊加，所有電機(jī)整體的噪聲會增加。

圖8 優(yōu)化后傳感器后端蓋振動頻譜

圖9 優(yōu)化后電力電子驅(qū)動器驅(qū)動電機(jī)振動頻譜

5 結(jié) 論

采用電力電子非正弦驅(qū)動器驅(qū)動驅(qū)動的電機(jī)中會含有大量的諧波電流，這些諧波電流會在電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生與斬波頻率和其倍頻的高頻振動。這些高頻振動容易與電機(jī)內(nèi)部的小薄壁零件產(chǎn)生共振，使得高頻噪音增大從而大幅增大電機(jī)噪音。

通過測量電機(jī)不同位置的自振動可以測量出產(chǎn)生共振的零件。通過對零件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使零件的各階固有頻率遠(yuǎn)離斬波頻率及其倍頻，可明顯減小電磁噪音。

采用電力電子非正弦驅(qū)動器驅(qū)動的電機(jī)噪聲會產(chǎn)生由于諧波電流產(chǎn)生的高頻電磁噪音。這個(gè)電磁噪音只能通過優(yōu)化設(shè)計(jì)降低其幅值，但不能完全消除，所以采用電力電子非正弦驅(qū)動器驅(qū)動的電機(jī)噪聲會增加。