变频器供电对电机噪声的影响分析

变频器驱动具有优异的调速和起动性能，被广泛应用于工业生产和日常生活中，但采用变频器驱动也给永磁辅助同步磁阻电机的振动和噪声带来了许多不利的因素。在变频器供电条件下，定子电流中含有大量的时间谐波，使气隙磁场谐波含量明显增加，特别是在开关频率附近，这些电流高次时间谐波在气隙磁场中产生高速旋转的空间谐波磁场，产生较大的径向电磁力，其频率可能与电机某些模态的固有频率接近而激发共振，使电机振动和噪声明显增大。

采用变频器供电时，永磁辅助同步磁阻电机的定子基波磁动势和永磁体谐波磁动势都不发生改变，但定子侧的谐波磁动势与正弦波供电时有较大的区别。由于输入电机的定子电流不再是原来的正弦波，而是含有大量的高次时间谐波，因此定子绕组h次时间谐波电流产生的谐波磁动势，以基波电流产生谐波磁动势的h倍转速旋转，磁动势为

f_h（θ，t）=∑F_hcos（hωt-vpθ-φ） （4-34）

式中 f_h（θ，t）——定子绕组h次时间谐波电流产生的谐波磁动势；

F_h——h次时间谐波磁动势幅值。

可见，定子绕组h次时间谐波电流在电机气隙中同样也产生旋转的基波磁场和谐波磁场，但转速是基波磁动势产生的基波磁场和谐波磁场的h倍。

h次时间谐波电流产生的谐波磁动势与气隙磁导Λ（θ，t）相乘，即可得到定子绕组h次时间谐波电流在电机气隙中产生的旋转磁场，从而产生电磁力，引起振动和噪声。

研究表明，变频器产生的h次时间谐波电流主要分布在载波附近，由h次时间谐波电流产生的气隙磁场的主要谐波频率f_h与开关频率的关系表达式为

f_h=af_c±bf （4-35）

式中 f_c——变频器的开关频率，

即变频器载波；

f——电机运行电频率。

图4-14所示为一台永磁辅助同步磁阻电机在变频器供电时的电流波形图，电流波形中包含很多毛刺，为变频器产生的高频时间谐波电流。图4-15所示为电流谐波分析频谱图，主要截取高频载波附近的电流谐波特性，其中变频器开关频率为5036Hz，电机运行电频率为180Hz。

图4-14 变频器供电时电机负载电流波形

图4-15 变频器供电时电流谐波分析

从分析频谱图来看，在1倍载波附近产生的主要的谐波频率为4316Hz（1×5036Hz-4×180Hz）、4676Hz（1×5036Hz-2×180Hz）、5396Hz（1×5036Hz+2×180Hz）、5756Hz（1×5036Hz+4×180Hz）；2倍载波10072Hz附近主要的谐波频率为9892Hz（2×5036Hz-1×180Hz）、10252Hz（2×5036Hz+1×180Hz）。

总结以上高次电流谐波频率特性，当a和b为奇偶性相异的正整数时，高次谐波电流含量较大。

定子绕组h次时间谐波电流产生的谐波磁动势与气隙磁导相乘，即可得到定子时间谐波磁动势产生的气隙磁场。定子时间谐波磁动势产生的气隙磁场的谐波极对数和频率归纳见表4-8。(www.xing528.com)

表4-8 h次时间谐波电流产生的气隙磁场

h次时间谐波电流产生定子谐波磁动势，从而产生基波磁场，基波磁场的极对数为p，频率为hf，产生的ν次谐波磁场的极对数为νp，频率也为hf，也就是说，该磁动势产生的谐波磁场的次数与定子绕组谐波磁场相同，但频率为定子绕组谐波磁场的h倍。

h次时间谐波电流引起的定子谐波磁动势所产生的磁场与转子永磁体磁场相互作用产生的径向电磁力主要分为以下4类：

第1类：h次时间谐波电流产生的定子基波磁场与转子永磁体基波磁场相互作用产生的径向电磁力；

第2类：h次时间谐波电流产生的定子ν次谐波磁场与转子永磁体基波磁场相互作用产生的径向电磁力；

第3类：h次时间谐波电流产生的定子基波磁场与转子永磁体谐波磁场相互作用产生的径向电磁力；

第4类：h次时间谐波电流产生的定子ν次谐波磁场与转子永磁体谐波磁场相互作用产生的径向电磁力。

其中，第1类：h次时间谐波电流产生的定子基波磁场与转子永磁体基波磁场相互作用产生的电磁力阶数为

因此，h次时间谐波磁动势产生的频率为f_h的定子基波磁场与频率为f的转子永磁体基波磁场作用产生的电磁力的频率表达式为

f_r=f_h±f=af_c±bf±f=af_c±（b±1）f=af_c±cf （4-37）

式中，若a和b为奇偶性相异的正整数，那么a和c为奇偶性相同的正整数。

此时产生的电磁力的力波阶数为0或2p，电磁力频率在载波频率附近，电磁力阶数较低、幅值较大，可引起明显的高频电磁振动和噪声。

对于其他3类径向电磁力，由于其阶数较高，幅值相对也要小很多，引起的振动和噪声问题很小，因此不再赘述。

图4-16所示为一台永磁辅助同步磁阻电机在180Hz运行时的实测噪声频谱图，将2倍载波频率（载波基频为5000Hz）附近的噪声频谱放大，标出主要噪声峰值频率为9640Hz（2×5000Hz-2×180Hz）、10000Hz（2×5000Hz-0×180Hz）、10360Hz（2×5000Hz+2×180Hz）、10720Hz（2×5000Hz+4×180Hz），符合变频器供电载波电磁噪声规律。

图4-16 电机载波噪声实测频谱图

当载波电磁力频率与定子系统的固有频率相同或接近时，会引起共振，振动和噪声会明显增加，因此调整载波频率，使其产生的电磁力频率避开定子系统的固有频率可明显降低载波共振噪声。图4-17所示为一台永磁辅助同步磁阻电机在不同载波频率下的噪声频谱。如图4-17a所示，当载波频率为5kHz时，2倍载波频率10kHz噪声峰值达41.8dB（A），峰值突出。当载波频率变为4.6kHz时，2倍载波频率9.2kHz噪声峰值降为27dB（A），电机载波噪声明显降低，如图4-17b所示。