醋纖生產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的問題，而其中比較典型的研究內容就是感應電動機、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。

關鍵詞：永磁同步電動機；應用特性；研究

引言

稀土永磁電動機具有高效節能的顯著優點，應用范圍正日益遍及國防、航空航天、工農業生產和日常生活的諸多領域，發展潛力巨大。相較于電勵磁電動機，稀土永磁電動機結構特殊且種類多樣，傳統的設計理論和分析方法已難以適應高性能電機研發的要求，需要綜合運用多學科理論和現代設計手段，進行創新研究。傳統設計模式得到的產品，在工況相對固定的應用場合，能夠表顯出良好的技術性能，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，甚至會對其實際運行的穩定性產生不利的影響。為此，針對永磁同步電動機設計當中的關鍵技術研究十分有必要，同樣也逐漸成為國民經濟發展的關鍵增長點。因此，本文在電機和電磁場理論的基礎上，結合實際工程應用問題，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，進而對轉子動態特性展開全面測試。（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時，根據聲壓級頻譜的內容可以發現，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下，根據聲壓級頻譜內容可以發現，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發現對于永磁同步電動機噪聲產生影響的因素中，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現，峰值多出一個，而具體的原因就是受負載增加的影響，導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，進而對轉子動態特性展開全面測試。

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時，根據聲壓級頻譜的內容可以發現，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下，根據聲壓級頻譜內容可以發現，存在三個峰值。而通過噪聲頻譜與振動頻譜的對比和比較，可以發現對于永磁同步電動機噪聲產生影響的因素中，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現，峰值多出一個，而具體的原因就是受負載增加的影響，導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。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諧波有效降低。與此同時，為了能夠實現轉矩脈動的降低，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出正比例關系，而振幅和徑向力同樣呈正相關關系。除此之外，升功率和振幅平方近似呈正比例的關系[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，同樣還會影響系統運轉的效果，分叉與混沌現象的發生幾率會更高。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，應當綜合考慮多種因素來進行設計。

2.2 磁場應對稱

在永磁同步電動機實際運行的過程中，如果轉子偏心很容易引起低階徑向力，導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，同樣采取定子并聯繞組的方式，也能夠避免因轉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，有效地規避了磁拉力出現的不平衡性，使得振動與噪聲的產生幾率下降。

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 定子動態振幅與聲振幅的合理減少

第一，要科學增加阻尼。可以在永磁同步電動機的定子鐵心以及機座中適當地涂上阻尼材料，與此同時，使用清漆亦或是環氧樹脂，實現定子疊片的有效粘結[5]。基于此，應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和無窮大平板聲強公式相乘[6]。其中，相對聲強輻射的系數和電動機的定子長徑比以及振動模態階數等存在緊密的聯系。為此，在立波階數的增加，使聲強輻射系數減少，可以有效地控制噪聲。

3 結束語

綜上所述，永磁同步電動機在實踐應用中的作用十分重要，所以，對其應用特性的研究具有重要的現實意義。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提供有價值的參考依據，充分發揮其自身的功用。

參考文獻

[1]皇甫宜耿，LAGHROUCHES，劉衛國，等.高階滑模消抖控制在永磁同步電動機中的應用[J].電機與控制學報，2012，16（2）：7-11，18.

[2]姬芬竹，高峰.電動汽車驅動電機和傳動系統的參數匹配[J].華南理工大學學報（自然科學版），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矩方法[J].電工技術學報，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用[J].電工技術學報，2013，28（3）：93-98.

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