張 亮,宮 佐,單 聰

(1.西安微電機研究所，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)動的伺服電機得到了大力的發(fā)展。傳統(tǒng)電機經(jīng)過一定的改進，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，使其具有更強的靈活性，具有更廣泛的應(yīng)用前景[1]。但與此同時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，某型電機在與電力電子驅(qū)動器連接后噪聲明顯升高，通過對電機噪聲頻譜的分析，尋找噪聲源位置并優(yōu)化電機結(jié)構(gòu)，達到大幅降低電機噪聲目的。

1 電機結(jié)構(gòu)

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

圖1 電機結(jié)構(gòu)圖

2 噪聲分析

在使用標準正弦波電源驅(qū)動電機運行時，電動機的噪聲主要為低頻機械噪音。取10臺樣機，按國標方法電機在額定轉(zhuǎn)速下空載運行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)動電機噪聲頻譜

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

圖3 電力電子驅(qū)動器驅(qū)動電機噪聲頻譜

可以看出電機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)動器的電機中必然存在大量的諧波電流，為了降低電機的電磁噪聲，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零件的振動[3]。電機的振動源是相同的，但每臺電機的噪聲不一樣，證明電機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。

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

電機繞組雖然是高頻振動的激勵源，但在對電機各部位自振動情況進行測試發(fā)現(xiàn)電機定子的高頻自振動幅值很低，而電機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

本電機在不安裝傳感器后端蓋情況下電機也可運行，于是拆除傳感器后端蓋，對電機噪音進行重新測試。電機噪音明顯降低約10dB(A)。通過以上實驗可以確定電機高頻電磁噪音是被傳感器后端蓋放大。

3 改進方案

為了驗證電機傳感器后端蓋對電磁噪音的放大作用，同時對重新優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)，對電機傳感器后端蓋進行了有限元仿真建模，按照傳感器后端蓋安裝方式計算其在預(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?，后端蓋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。因為零件加工有公差的存在，實際零件的固有頻率會略有差異，所以就造成了每臺電機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行了重新設(shè)計。電力電子驅(qū)動器載波頻率為4kHz，測試方法為A計權(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，電機傳感器后端蓋結(jié)構(gòu)如圖6所示。經(jīng)仿真計算，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 改進驗證

根據(jù)重新設(shè)計加工傳感器后端蓋，經(jīng)測試傳感器后端蓋的自振動明顯減弱，如圖8所示。重新按國標方法電機在額定轉(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，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，使電機會發(fā)出高頻電磁噪音。由于高頻電磁噪音與原電機內(nèi)部的噪音相互疊加，所有電機整體的噪聲會增加。

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)動的電機中會含有大量的諧波電流，這些諧波電流會在電機內(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噪音。

通過測量電機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，使零件的各階固有頻率遠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)動的電機噪聲會產(chǎn)生由于諧波電流產(chǎn)生的高頻電磁噪音。這個電磁噪音只能通過優(yōu)化設(shè)計降低其幅值，但不能完全消除，所以采用電力電子非正弦驅(qū)動器驅(qū)動的電機噪聲會增加。