基于場(chǎng)路耦合的永磁電機(jī)高頻徑向電磁力波分析

楊順吉， 王天寶， 炊軍立， 代 穎， 靳海水

(1.上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院, 上海 200072； 2.尼得科運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)有限公司，廣東 佛山 510064；3.TCL瑞智(惠州)制冷設(shè)備有限公司，廣東 惠州 441300； 4.上海樸渡信息科技有限公司，上海 200072)

0 引 言

家電產(chǎn)品的振動(dòng)問題影響產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率，關(guān)系到生產(chǎn)廠家的經(jīng)濟(jì)效益。壓縮機(jī)作為家用制冷設(shè)備的動(dòng)力源，在噪聲控制方面有著嚴(yán)格的指標(biāo)要求。目前市場(chǎng)上家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)占有率高，降低空調(diào)壓縮機(jī)噪聲水平，已成為家電行業(yè)的必然趨勢(shì)。但在噪聲和振動(dòng)控制方面，國(guó)內(nèi)大多生產(chǎn)廠家仍處于試驗(yàn)起步階段[1]。因此，研究家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)的高頻噪聲問題具有重要工程意義。

目前，已有學(xué)者針對(duì)變頻器供電電流諧波問題對(duì)永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲影響進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[2]通過采集實(shí)測(cè)電流，采取有限元法計(jì)算振動(dòng)噪聲響應(yīng)，但未指出電流諧波引起的振動(dòng)和噪聲階次的特征和峰值變化。文獻(xiàn)[3-4]分析了電流諧波對(duì)電機(jī)噪聲的影響，并指出逆變器供電下的噪聲比理想正弦波下的噪聲高約10 dB。文獻(xiàn)[5]提出了永磁同步電機(jī)快速半解析計(jì)算模型，可分析電流諧波對(duì)振動(dòng)噪聲的影響，并提高了計(jì)算效率。文獻(xiàn)[6-7]通過試驗(yàn)研究了變頻電機(jī)的輻射噪聲特性，發(fā)現(xiàn)逆變器載波感應(yīng)的高次諧波電流會(huì)產(chǎn)生高頻電磁力并導(dǎo)致高頻噪聲。文獻(xiàn)[8]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增加載波頻率可減小電機(jī)高頻振動(dòng)。文獻(xiàn)[9]采用電磁-固-聲有限元法研究變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)振動(dòng)噪聲問題，得出高頻振動(dòng)信號(hào)主要集中在開關(guān)頻率附近的結(jié)論。文獻(xiàn)[10]建立了變頻電機(jī)振動(dòng)噪聲特性的一種分析模型，認(rèn)為電機(jī)振動(dòng)噪聲在低頻部分的諧波由電機(jī)的調(diào)制頻率產(chǎn)生，高頻諧波則會(huì)使電機(jī)在開關(guān)頻率附近產(chǎn)生輻射噪聲。

上述研究主要關(guān)注變頻器的開關(guān)頻率對(duì)電機(jī)振動(dòng)噪聲的影響，但部分學(xué)者也指出應(yīng)充分考慮控制方式對(duì)電機(jī)電磁噪聲的影響，優(yōu)化控制方式，削弱電磁噪聲。文獻(xiàn)[11-12]指出在永磁電機(jī)寬調(diào)速范圍內(nèi)，控制條件改變可導(dǎo)致電流諧波含量變化，但未充分討論其引起的電機(jī)振動(dòng)噪聲改變。文獻(xiàn)[13]進(jìn)一步考慮了傳統(tǒng)脈寬調(diào)制(PWM)控制驅(qū)動(dòng)器造成的高頻噪聲。文獻(xiàn)[14]提出一種采用逆變器電流諧波對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲影響進(jìn)行分析的方法，研究認(rèn)為逆變器諧波電流供電且弱磁調(diào)速時(shí)樣機(jī)振動(dòng)噪聲的影響大于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)的影響。文獻(xiàn)[15]結(jié)合零矢量分配與開關(guān)頻率變化實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)頻調(diào)制，從而削弱了開關(guān)頻率及其倍頻附近的高頻徑向電磁力波。文獻(xiàn)[16-17]分別提出了改進(jìn)的空間矢量調(diào)制技術(shù)，均能有效地降低電機(jī)高頻噪聲。

雖然聲振試驗(yàn)的精度較高，但在樣機(jī)方案不確定的電機(jī)降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，僅依靠試驗(yàn)有很大局限性?；谝陨戏治觯瑸榱烁玫胤治黾矣米冾l空調(diào)壓縮機(jī)振動(dòng)噪聲，為低噪聲小型變頻壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐，本文以一臺(tái)6極9槽的家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)用永磁電機(jī)及其控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，基于場(chǎng)路耦合法，對(duì)空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)及其控制策略所引入的諧波電流成分與高頻聲振特性進(jìn)行研究。首先通過解析法分析了高頻噪聲源產(chǎn)生機(jī)理，然后建立了永磁電機(jī)的場(chǎng)路耦合模型，詳細(xì)分析了不同負(fù)載工況下高頻徑向電磁力波頻率與開關(guān)頻率之間的關(guān)系，最后通過聲振特性試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了本文所提場(chǎng)路耦合模型的正確性和有效性，為永磁電機(jī)的高頻噪聲預(yù)測(cè)和系統(tǒng)的減振降噪提供了參考。

1 壓縮機(jī)用永磁電機(jī)的徑向電磁力波理論分析

1.1 空載時(shí)徑向電磁力波的解析計(jì)算

為了對(duì)徑向電磁力波進(jìn)行解析計(jì)算，假設(shè)不考慮磁場(chǎng)飽和的影響，并且鐵心磁導(dǎo)率為無(wú)窮大，空載時(shí)永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)表達(dá)式[19]為

b1(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)=

(1)

由式(1)可知?dú)庀洞艌?chǎng)成分比較復(fù)雜，既包含受開槽和凸極影響導(dǎo)致的平均磁阻增加的主極磁場(chǎng)，又包含轉(zhuǎn)子諧波磁動(dòng)勢(shì)作用于諧波比磁導(dǎo)可變分量所產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)。按照麥克斯韋張量法并忽略切向磁密影響，可得氣隙中單位面積上徑向電磁力的瞬態(tài)值表達(dá)式[20]如下所示：

{①+②+③+④+⑤+⑥}

(2)

(3)

由式(3)可知徑向電磁力波主要分為四個(gè)部分：

(1) 不隨時(shí)間變化的徑向電磁力波，該力波僅產(chǎn)生靜變形，不會(huì)引起振動(dòng)和噪聲，一般不對(duì)其進(jìn)行研究。

(2) 由轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)的同次諧波作用而產(chǎn)生的倍頻力波，其角頻率為2μω1/p，力波次數(shù)為2μ；由主極磁場(chǎng)的不同次諧波作用產(chǎn)生的倍頻力波，其角頻率為(μ2±μ1)ω1/p，力波次數(shù)為μ2±μ1。

(4) 由主極磁場(chǎng)諧波和附加磁場(chǎng)諧波作用而產(chǎn)生的倍頻徑向力波，其角頻率為(μ2±μ1)ω1/p，力波次數(shù)為(μ2±μ1)±kZ1。

1.2 正弦電流供電時(shí)徑向電磁力波的解析計(jì)算

當(dāng)理想正弦電流供電時(shí)，除了空載徑向電磁力波外，額外產(chǎn)生的徑向電磁力波瞬態(tài)值表達(dá)式[21]為

(4)

式中：ν為電樞繞組磁場(chǎng)的諧波次數(shù)；φ2為電流的初始相位角。

由式(4)可知，理想正弦電流供電時(shí)額外產(chǎn)生的徑向電磁力波也分為四個(gè)部分：

(1) 不隨時(shí)間變化的徑向電磁力波，只能使電機(jī)發(fā)生靜變形，研究中將其忽略。

(2) 由電樞磁場(chǎng)自身同次諧波相互作用而產(chǎn)生的徑向電磁力波，其角頻率為2ω1，力波次數(shù)為2ν；由電樞磁場(chǎng)不同次諧波相互作用而產(chǎn)生的徑向電磁力波，其角頻率為2ω1，力波次數(shù)為ν1+ν2。

應(yīng)注意幅值較大、空間階數(shù)低的徑向電磁力波。因此，理想正弦電流供電時(shí)徑向電磁力波可簡(jiǎn)化為

(5)

式(5)即為轉(zhuǎn)子主極磁場(chǎng)μ次諧波與電樞磁場(chǎng)ν次諧波相互作用而產(chǎn)生的徑向電磁力波，是引起低頻振動(dòng)噪聲的主要根源。

1.3 考慮電源諧波時(shí)徑向電磁力波的特性計(jì)算

當(dāng)變頻器采用SVPWM調(diào)速時(shí)，會(huì)在開關(guān)頻率附近引入高頻電流諧波，因此定子諧波磁動(dòng)勢(shì)增加了由變頻器引入的h次高頻諧波電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)。由文獻(xiàn)[3-5]可知變頻器供電條件下永磁電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的解析表達(dá)式為

(6)

由式(6)可知，若忽略高頻諧波電流的磁動(dòng)勢(shì)與諧波比磁導(dǎo)可變分量相互作用而產(chǎn)生的諧波磁場(chǎng)，變頻器供電時(shí)所特有的氣隙磁場(chǎng)部分為定子h次諧波磁動(dòng)勢(shì)作用于諧波比磁導(dǎo)不變分量所產(chǎn)生氣隙磁場(chǎng)，是永磁電機(jī)高頻振動(dòng)噪聲的主要根源。

由于表達(dá)式過于復(fù)雜，只列出高頻諧波電流引起的徑向電磁力波解析表達(dá)式[21]，如下所示：

(7)

忽略幅值低、次數(shù)大、定子開槽的項(xiàng)，式(7)中最主要的高頻徑向電磁力波是由高頻諧波電流主磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子永磁體主磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的力波，如下式所示：

(8)

由文獻(xiàn)[18]可知變頻器供電時(shí)，h次高頻諧波電流作用產(chǎn)生的氣隙磁場(chǎng)的諧波分量頻率與開關(guān)頻率的關(guān)系如下式所示：

fk=k3fc±k4f0

(9)

式中：fc為開關(guān)頻率；f0為電流基波頻率；k3和k4為奇偶性相異的正整數(shù)。

因此，h次高頻諧波電流主磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子μ次諧波主磁場(chǎng)的相互作用而產(chǎn)生的徑向電磁力波頻率如下式所示：

k3fc±k4f0±(2r+1)f0=k5fc±k6f0

(10)

式中：k5和k6為奇偶性相同的正整數(shù)。

本文所研究的電機(jī)為6極9槽分?jǐn)?shù)槽內(nèi)置式永磁電機(jī)，開關(guān)頻率為fc=5 kHz。因此，變頻器供電時(shí)高頻徑向電磁力波頻率分別為fc±3f0、fc±5f0、fc±7f0……。變頻器供電時(shí)高頻徑向電磁力波的空間階次規(guī)律及頻率特征如表1所示。

表1 變頻器供電時(shí)高頻徑向電磁力波的空間階次規(guī)律及頻率特征

2 基于場(chǎng)路耦合法的永磁電機(jī)仿真設(shè)計(jì)

2.1 永磁電機(jī)的場(chǎng)路耦合模型及仿真分析

搭建永磁電機(jī)的場(chǎng)路耦合仿真模型。首先根據(jù)電機(jī)參數(shù)在Simplorer中搭建永磁電機(jī)矢量控制模型，再根據(jù)電機(jī)參數(shù)在Maxwell中建立永磁電機(jī)電磁場(chǎng)分析模型，最后在Simplorer中對(duì)電機(jī)變頻器主電路進(jìn)行建模，如圖1所示，其中包括轉(zhuǎn)速環(huán)及電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換模塊(Park變換及反變換、Clarke變換及反變換)、電子回旋輻射(ECE)電機(jī)等效模型、SVPWM模塊、逆變器模塊、測(cè)量模塊(轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速以及電流檢測(cè))。永磁電機(jī)的主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 永磁電機(jī)參數(shù)表

圖1 壓縮機(jī)用永磁電機(jī)控制系統(tǒng)場(chǎng)路耦合模型

本文的研究對(duì)象為壓縮機(jī)用永磁電機(jī)及其控制策略。電機(jī)采用最大轉(zhuǎn)矩電流比(MTPA)控制策略，要求轉(zhuǎn)矩一定時(shí)定子電流最小，需找到各工況下最優(yōu)的d、q軸電流組合，進(jìn)而獲得高精度MTPA電流控制曲線，如下式所示：

(11)

式中：Te為電磁轉(zhuǎn)矩；p為極對(duì)數(shù)；id、iq、Ld、Lq分別為d、q軸電流和電感；φf(shuō)為永磁體磁鏈；imax為d、q軸坐標(biāo)系下的最大電流幅值。

設(shè)拉格朗日輔助函數(shù)為

F(id,iq,λ)=

(12)

若采用MTPA策略，則d、q軸電流滿足下式：

(13)

從式(11)～式(13)可得在MTPA策略下電機(jī)的q軸電流iq與電磁轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系式、d軸電流id與定子電流矢量is的關(guān)系式以及q軸電流iq的表達(dá)式，如下所示：

(14)

根據(jù)式(14)，經(jīng)過MATLAB插值和擬合運(yùn)算，得到不同電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的最優(yōu)d、q軸電流組合連接成的MTPA控制軌跡，其主要應(yīng)用于d、q軸電流指令模塊，如圖2所示。

圖2 MTPA控制軌跡圖

通過在轉(zhuǎn)速環(huán)PI調(diào)節(jié)器與電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器之間添加d、q軸電流指令模塊使其在雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)的框架上實(shí)現(xiàn)MTPA控制，如圖3所示。

圖3 MTPA矢量控制策略

基于MTPA矢量控制的場(chǎng)路耦合仿真平臺(tái)，分別進(jìn)行空載以及負(fù)載試驗(yàn)。給定額定轉(zhuǎn)速為3 240 r/min，首先對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載起動(dòng)，在0.15 s時(shí)突加額定負(fù)載4.8 N· m，得到各項(xiàng)性能參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖，如圖4所示。

圖4 各項(xiàng)性能參數(shù)動(dòng)態(tài)響應(yīng)圖

與傳統(tǒng)場(chǎng)路耦合法不同，本文所提出的場(chǎng)路耦合法在Simplorer環(huán)境下完成控制系統(tǒng)的仿真。另外其的電機(jī)模型是通過d、q軸電感參數(shù)構(gòu)建的模塊化ECE等效電機(jī)模型?；诖丝煽焖佾@得變頻器供電下低、高頻諧波電流，進(jìn)而獲取符合實(shí)際情況的徑向電磁力波分布情況，計(jì)算速度快、時(shí)間短，為從系統(tǒng)層面上考慮電磁噪聲優(yōu)化提供了方向。

經(jīng)仿真,最后分別得到兩種場(chǎng)路耦合法的優(yōu)缺點(diǎn)，如表3所示。可以發(fā)現(xiàn)本文所提出的場(chǎng)路耦合法在許多方面均具有優(yōu)勢(shì)，并具有更良好的工程應(yīng)用性。

2.2 基于場(chǎng)路耦合法的徑向電磁力波分析

由上述分析可知，實(shí)際運(yùn)行中壓縮機(jī)由變頻器供電，在高頻處易產(chǎn)生嘯叫，因此需考慮變頻器對(duì)永磁電機(jī)噪聲的影響，尤其著重分析對(duì)徑向電磁力波的影響。額定工況下電機(jī)磁密分布云圖和磁力線分布情況如圖5所示。

圖5 考慮高頻諧波電流時(shí)電機(jī)磁密云圖和磁力線云圖

圖6為電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其局部圖，其中A相穩(wěn)態(tài)電流波形中的局部放大區(qū)域如圖6(b)所示。圖7為高頻電流頻譜特性。由圖7可知，電流經(jīng)快速傅立葉變換(FFT)后在載波頻率為5 kHz時(shí)含有較大諧波，并發(fā)現(xiàn)高頻電流諧波分布在fc-3f0(4 688 Hz)、fc-f0(4 844 Hz)、fc+f0(5 157 Hz)、fc+3f0(5 313 Hz)。

圖6 電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其局部圖

圖7 高頻電流頻譜特性圖

因?yàn)楸疚难芯康碾姍C(jī)沒有斜槽及斜極，所以電機(jī)軸向電磁力可以忽略，仿真分別得到理想正弦電流供電時(shí)以及考慮電源諧波時(shí)徑向電磁力波的頻域時(shí)空特性，如圖8、圖9所示。由圖8、圖9對(duì)比可知，高頻諧波電流不會(huì)引起額外的空間階次。另外，相較于理想正弦電流供電，考慮電源諧波時(shí)低頻段內(nèi)徑向電磁力波(0～4 000 Hz)的空間階次和頻率倍數(shù)相同且幅值接近；高頻段(4 000～8 000 Hz)內(nèi)，不僅原有的徑向電磁力波幅值增加，而且額外產(chǎn)生與開關(guān)頻率相關(guān)的徑向電磁力波，幅值大約為2～5 kN/m2。這是由轉(zhuǎn)子諧波主磁場(chǎng)和變頻器引入的開關(guān)頻率附近的高頻諧波電流主磁場(chǎng)之間相互作用而產(chǎn)生的徑向電磁力引起的。由于高頻段內(nèi)3階徑向電磁力集中在4 688 Hz、5 157 Hz頻率下，接近整機(jī)3階模態(tài)的固有頻率，滿足振型相同、頻率接近的條件，可能會(huì)對(duì)整機(jī)電磁噪聲產(chǎn)生較大貢獻(xiàn)量，是引起壓縮機(jī)高頻電磁噪聲的主要原因[21]。

圖8 理想正弦電流供電時(shí)徑向電磁力波的頻域特性

圖9 考慮電源諧波時(shí)徑向電磁力波的頻率特性

為了進(jìn)一步觀察高頻處徑向電磁力波的情況，本文在靠近齒部?jī)?nèi)表面氣隙區(qū)域某處創(chuàng)建定點(diǎn)。為了分析徑向電磁力波在開關(guān)頻率附近的頻譜特性，需要增大分辨率以及頻譜范圍，對(duì)徑向電磁力密度進(jìn)行FFT變換，得到徑向電磁力波高頻處頻譜分布對(duì)比圖，如圖10所示。

圖10 靠近齒部?jī)?nèi)表面氣隙采樣點(diǎn)的徑向電磁力波在載波頻率附近的高頻頻譜

由圖10可知，相比于理想正弦供電情況，考慮電源諧波情況時(shí)徑向電磁力波在載波頻率附近幅值較大,高頻頻譜依次為fc-3f0、fc-f0、fc+f0、fc+3f0，滿足1.3節(jié)所提的高頻徑向電磁力波頻率與開關(guān)頻率的關(guān)系式：f=k5fc±k6f0。

3 壓縮機(jī)用永磁電機(jī)的聲振特性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與環(huán)境

本文研究的是密封電機(jī)，電機(jī)的測(cè)試方式有限。另外明確了振動(dòng)噪聲是由徑向電磁力引起的，因此電機(jī)振動(dòng)噪聲頻譜特性可作為徑向電磁力波頻譜特性的間接驗(yàn)證。為了驗(yàn)證電機(jī)高頻徑向電磁力波和變頻器開關(guān)頻率的關(guān)系，對(duì)壓縮機(jī)進(jìn)行聲振特性試驗(yàn)。

本文依據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 10069.1—2006《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)試方法及限值》，搭建了壓縮機(jī)噪聲測(cè)試平臺(tái)，其中包括永磁電機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及吸聲材料組成的隔聲系統(tǒng)。在壓縮機(jī)外殼周圍布置聲壓測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，如圖11所示。

圖11 壓縮機(jī)噪聲測(cè)試平臺(tái)

在壓縮機(jī)振動(dòng)檢測(cè)過程中，發(fā)現(xiàn)殼體中間位置處在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)明顯。測(cè)試時(shí)，分別在壓縮機(jī)殼體中間位置處均勻設(shè)置3個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，振動(dòng)傳感器采用PCB356A03三向壓電傳感器，如圖12所示。

圖12 壓縮機(jī)的振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置

3.2 不同工況下壓縮機(jī)的振動(dòng)噪聲對(duì)比分析

本試驗(yàn)的目的是為了測(cè)試多種工況下變頻壓縮機(jī)用永磁電機(jī)的振動(dòng)噪聲信號(hào)，分析噪聲頻譜圖，找出一定特殊規(guī)律并總結(jié)主要特性，為減振降噪的分析奠定理論基礎(chǔ)。試驗(yàn)所用的變頻器開關(guān)頻率為5 kHz。

為了保證數(shù)據(jù)的正確性，試驗(yàn)在隔音室進(jìn)行，確保背景噪聲較小，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果基本沒有影響，并在1 000～3 500 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均勻選擇3種轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為保持負(fù)載扭矩在2.7、3.5、4 N·m，控制電機(jī)以1 080、1 460、1 600 r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，測(cè)試振動(dòng)噪聲信號(hào)。

圖13為不同工況下壓縮機(jī)在開關(guān)頻率附近的高頻噪聲頻譜圖，其中圖13(a)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩2.7 N·m、轉(zhuǎn)速1 080 r/min的近場(chǎng)高頻處噪聲頻譜圖；圖13 (b)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩3.5 N·m、轉(zhuǎn)速1 460 r/min的近場(chǎng)高頻處噪聲頻譜圖；圖13(c)為負(fù)載轉(zhuǎn)矩4 N·m、轉(zhuǎn)速1 600 r/min的近場(chǎng)高頻處噪聲頻譜圖。

圖13 不同工況下壓縮機(jī)在開關(guān)頻率附近高頻噪聲頻譜圖

在分析高頻噪聲時(shí)，發(fā)現(xiàn)存在高頻處產(chǎn)生的較大振動(dòng)和高頻嘯叫。在這些高頻處，電機(jī)機(jī)殼沿X方向(徑向)存在明顯的振動(dòng)，沿Y方向(切向)和Z方向(軸向)的振動(dòng)不大。因此，在壓縮機(jī)中心高度處加密網(wǎng)格進(jìn)行測(cè)試，得到不同轉(zhuǎn)速下壓縮機(jī)殼體上振動(dòng)測(cè)點(diǎn)22、測(cè)點(diǎn)23、測(cè)點(diǎn)24對(duì)錘擊點(diǎn)23沿徑向的高頻振動(dòng)頻譜，如圖14所示。

圖14 不同工況下壓縮機(jī)的高頻振動(dòng)頻譜圖

由圖13和圖14可知，壓縮機(jī)各測(cè)點(diǎn)的高頻噪聲未隨著轉(zhuǎn)矩的增大而明顯增大；開關(guān)頻率附近較大的高頻徑向電磁力波可能是引起壓縮機(jī)產(chǎn)生高頻振動(dòng)噪聲的主要原因。開關(guān)頻率附近壓縮機(jī)的高頻振動(dòng)及噪聲峰值頻率比較情況如表4所示。

表4 開關(guān)頻率附近壓縮機(jī)的高頻振動(dòng)及噪聲峰值頻率比較情況

由表4數(shù)據(jù)可知，開關(guān)頻率附近存在較大的振動(dòng)和噪聲峰值，且高頻噪聲頻率與開關(guān)頻率也滿足1.3節(jié)所述的規(guī)律。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文以一臺(tái)家用變頻空調(diào)壓縮機(jī)用永磁電機(jī)為研究對(duì)象，首先采用解析法對(duì)比了正弦波供電與變頻器供電時(shí)的徑向電磁力波的時(shí)空特性。其次建立了永磁電機(jī)場(chǎng)路耦合模型，進(jìn)行了由空載起動(dòng)至恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行的動(dòng)態(tài)仿真，對(duì)比分析了場(chǎng)路耦合法下電流諧波成分，并對(duì)變頻器供電下壓縮機(jī)用永磁電機(jī)的高頻電磁噪聲進(jìn)行預(yù)測(cè)，主要結(jié)論如下。

(1) 相比于傳統(tǒng)場(chǎng)路耦合法，本文所提的場(chǎng)路耦合法不僅具有突出的工程實(shí)用性，還能考慮電機(jī)本體以及載波頻率等非線性因素引起的高頻電流諧波影響，為從系統(tǒng)上考慮電磁噪聲優(yōu)化提供了方向。

(2) 基于永磁電機(jī)場(chǎng)路耦合模型，發(fā)現(xiàn)相比于低頻諧波(3、5、7次)電流，載波頻率附近的高頻諧波電流幅值也不可忽略，高頻諧波電流主要分布在開關(guān)頻率及其倍頻附近，且未引起額外的空間階次。

(3) 在變頻器供電時(shí)，較小的高頻諧波電流能引起較大的徑向電磁力波，高頻徑向電磁力波滿足關(guān)系式：f=k5fc±k6f0。最后，針對(duì)變頻器供電的壓縮機(jī)用永磁電機(jī)進(jìn)行聲振特性試驗(yàn)，驗(yàn)證了其的正確性，充分說(shuō)明了本文所提場(chǎng)路耦合模型的有效性。

上述研究成果為預(yù)測(cè)壓縮機(jī)用永磁電機(jī)的高頻噪聲以及從系統(tǒng)上考慮電磁噪聲優(yōu)化提供了參考。