CN104375013B - 多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法 - Google Patents

Abstract

多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法，属于电机测试技术领域。为了解决测试多相奇数单元永磁同步电机的噪声时，需要外加负载设备，而影响电机系统噪声的准确测试问题。所述方法是将电机N个独立运行单元中，N1个单元电动运行作为输入功率端，另外N2个单元发电运行作为功率输出端，测试这种状态下的电机噪声；再根据相关电机参数等效测试方法，测试出任意一个单元电动运行，其相邻单元发电运行时的噪声。最后测试出电机的空载运行噪声，利用这三次测得的噪声计算出电机正常输出状态下的噪声。通过改变发电单元的负载电阻即可等效测试出电机任意输出功率状态下的噪声。它用于测试多相奇数单元交流永磁电机的噪声。

Description

多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法

技术领域

本发明属于电机测试技术领域。

背景技术

目前，对于永磁同步电机噪声的测试方法主要有声压级测量、声强测量、振动测试法这三种。这三种测试方法根据要求的测试环境和设备条件，都能较为准备地测量出电机的噪声，但是针对大功率电机的噪声测试也存在一些问题。一般情况下，测试电机的转矩需要外加测功机或机械负载装置作为负载，这就增加了测试所需的设备条件。对于大功率低速永磁同步电机这种运行转速较低(一般不超过200rpm)、转矩很大的待测电机而言，需要很大容量的直流电机及其辅助设备作为负载，有些实验室或研究所根本不具备数百千瓦甚至兆瓦级的直流电机负载实验条件，完成不了这种测试。而且加入负载后，测试装置将由电机和力矩传感器串联，变为电机、负载和力矩传感器串联，增加了轴向长度，同时也增加了系统的零件，将影响电机系统噪声的准确测试。

发明内容

本发明的目的是为了解决测试多相奇数单元永磁同步电机的噪声时，需要外加负载设备，而影响电机系统噪声的准确测试问题，本发明提供一种多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法。

本发明的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法，

所述电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为3相对称交流绕组，所述电机的相数为3N，其中N为大于3的奇数；所述方法包括如下步骤：

步骤一：测量一个电周期内，定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线；

步骤二：利用电动机拖动所述电机空载运行至恒定转速，测量所述电机此时的绕组线反电势，进而通过获得的线反电势的波形计算出空载气隙磁密；

步骤三：

利用所述电机的三相电流、步骤一获得的曲线和步骤二获得的空载气隙磁密，获得理想运行状态下的电机气隙磁密；

计算所述电机在无机械负载运行状态时产生的径向磁拉力；

N个独立运行单元中任意两个相邻单元中一个单元作为电动单元，另一个单元作为发电单元，所述发电单元发电运行，所述电动单元电动运行，电机此时产生的径向磁拉力与无机械负载运行状态时产生的径向磁拉力相等，再利用发电单元的三相电流、电动单元的三相电流、步骤一获得的曲线和步骤二获得的空载气隙磁密，获得此时运行状态下的电机气隙磁密；

根据的电机产生噪声的声功率与气隙磁密的关系，结合理想运行状态下的电机产生噪声的声功率与此时运行状态下的电机产生噪声的声功率相等，进而求出当电机相电流相有效值为I时，电动单元相电流值有效值为I₁′，发电单元的相电流有效值为I₂′；

步骤四：将发电单元接入负载电阻；同时，将电动单元连接驱动器，发电单元为N₁个，电动单元为N₂个，其中，N₁＝N₂-1，N₁+N₂＝N；

步骤五：控制驱动器开始运行，通过调节负载电阻，使电动单元相电流值为I₁′，发电单元的相电流值I₂′；

步骤六：在距所述电动机的轴线中心半径为1m处放置声级计，利用所述声级计测量电动机周围间距为1m的多个测点的噪声，所述多个测点的噪声的平均值为此时电机的噪声L_w1；

步骤七：将任意一个电动单元连接驱动器，任意一个与其相邻的发电单元接入负载电阻，其余运行单元的绕组开路；

步骤八：控制驱动器开始运行，调节负载电阻大小，使电动单元相电流值为I₁″，发电单元的相电流值I₂″；利用所述声级计测量此时的电机噪声L_w2；

步骤九：将所有运行单元均连接到驱动器，控制驱动器使电机空载运行，再利用所述声级计测量此时的电机噪声，电机噪声记为L_w0；

步骤十：根据L_w1、L_w2和L_w0，利用获得结果为电机的N个独立运行单元在外加负载的情况下电动运行，且电机相电流为I时的电机噪声；

步骤十一：根据需求改变电机相电流相有效值I，转入步骤三。

本发明的有益效果在于，本发明的优点是利用多相奇数单元永磁同步电机奇数单元的绕组结构特点在测试电机噪声时，能利用部分独立运行单元电动运行作为输入功率端，部分独立运行单元发电运行作为输出功率端，从而在模拟电机负载的情况下，同时等效模拟出某一负载状态下的噪声，通过测试这种状态下的电机噪声等效测试出某一负载状态下的噪声。改变发电单元电机的负载电阻，再测试噪声即可等效测试出电机任意输出功率状态下的噪声，从而既等效测试出了电机的噪声又省去了外加的负载装置。

采用本发明方法实现多相奇数单元电机噪声的测试过程中，电机的机壳和轴伸都不用特殊固定，也不需要外接负载设备。具有结构简单、性能稳定、数据可靠等一系列优点，可以满足一般性的永磁同步电机噪声测试的需要。

附图说明

图1为本发明的方法的测试原理示意图。

图2为具体实施方式一中步骤四的原理示意图。

图3为本发明的多相奇数单元永磁同步电机的结构示意图，图中1A、1B和1C分别表示第一个独立运行单元的3相对称交流绕组；2A、2B和2C分别表示第二个独立运行单元的3相对称交流绕组；3A、3B和3C分别表示第三个独立运行单元的3相对称交流绕组；NA、NB和NC分别表示第N个独立运行单元的3相对称交流绕组；e表示电机定子，f表示电机转子，g表示永磁体。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法，所述电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为3相对称交流绕组，所述电机的相数为3N，其中N为大于3的奇数；所述方法包括如下步骤：

步骤一：测量一个电周期内，定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线；

步骤二：利用电动机拖动所述电机空载运行至恒定转速，测量所述电机此时的绕组线反电势，进而通过获得的线反电势的波形计算出空载气隙磁密；

步骤三：

利用所述电机的三相电流、步骤一获得的曲线和步骤二获得的空载气隙磁密，获得理想运行状态下的电机气隙磁密；

计算所述电机在无机械负载运行状态时产生的径向磁拉力；

N个独立运行单元中任意两个相邻单元中一个单元作为电动单元，另一个单元作为发电单元，所述发电单元发电运行，所述电动单元电动运行，电机此时产生的径向磁拉力与无机械负载运行状态时产生的径向磁拉力相等，再利用发电单元的三相电流、电动单元的三相电流、步骤一获得的曲线和步骤二获得的空载气隙磁密，获得此时运行状态下的电机气隙磁密；

根据的电机产生噪声的声功率与气隙磁密的关系，结合理想运行状态下的电机产生噪声的声功率与此时运行状态下的电机产生噪声的声功率相等，进而求出当电机相电流相有效值为I时，电动单元相电流值有效值为I₁′，发电单元的相电流有效值为I₂′；

步骤四：将发电单元接入负载电阻；同时，将电动单元连接驱动器，发电单元为N₁个，电动单元为N₂个，其中，N₁＝N₂-1，N₁+N₂＝N；

步骤五：控制驱动器开始运行，通过调节负载电阻，使电动单元相电流值为I₁′，发电单元的相电流值I₂′；

步骤六：在距所述电动机的轴线中心半径为1m处放置声级计，利用所述声级计测量电动机周围间距为1m的多个测点的噪声，所述多个测点的噪声的平均值为此时电机的噪声L_w1；

步骤七：将任意一个电动单元连接驱动器，任意一个与其相邻的发电单元接入负载电阻，其余运行单元的绕组开路；

步骤八：控制驱动器开始运行，调节负载电阻大小，使电动单元相电流值为I₁″，发电单元的相电流值I₂″；利用所述声级计测量此时的电机噪声L_w2；

步骤九：将所有运行单元均连接到驱动器，控制驱动器使电机空载运行，再利用所述声级计测量此时的电机噪声，电机噪声记为L_w0；

步骤十：根据L_w1、L_w2和L_w0，利用获得结果为电机的N个独立运行单元在外加负载的情况下电动运行，且电机相电流为I时的电机噪声；

步骤十一：根据需求改变电机相电流相有效值I，转入步骤三。

本实施方式中，由于奇数单元电机在无机械负载运行状态下，电动单元的数量和发电单元的并不对称，运行时将对电机产生径向磁拉力，对电机的噪声测试产生影响。因而在等效测试电机噪声时将计算出径向磁拉力，再使任意两个相邻单元中一个单元电机电动运行，另一个单元电机发电运行，产生与原来无机械负载状态下运行相等的径向磁拉力，测试这个状态下电机的噪声。然后再测试电机空载时的噪声，则要测试状态下电机的噪声为前两次等效测试噪声之差再加上最后一次测得的空载噪声。设电机三相电流为变量，在关系式中令两个状态下的声功率相等，即可反推出无机械负载情况下各个单元电机的电流。通过调节负载电阻即可实现电机在一部分单元发电运行，一部分单元电动运行的状态下各个单元电机通入的电流达到等效测试电机噪声的目的。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法的进一步限定，步骤一中，测量一个电周期内，定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线的方法为：

在一个独立运行单元内加直流电，使电机处于任意位置，在所述独立运行单元的一相绕组两端加入带有直流偏置的正弦交流电压信号，直流偏置的电压分量与待测运行状态下该相绕组的电压相等；

测量所述相绕组的电流以及其他相绕组的电流，从而得到电机处于所述位置时的定子绕组自感和与其他定子绕组的互感，改变加电单元内直流电矢量，使电机处于其他位置，从而测量出一个电周期内定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法的进一步限定，步骤三中，理想运行状态下的电机产生噪声的声功率与此时运行状态下的电机产生噪声的声功率相等的具体表达为：

其中，B′_i(θ，t)为此时运行状态下的电机的第i个定子齿表面的气隙磁密，B_i(θ，t)为理想运行状态下的电机的第i个定子齿表面的气隙磁密；n为定子齿数，θ为距离第一个运行独立单元绕组轴线的空间角度值，t为当前时间；

所述获得理想运行状态下的电机气隙磁密为：

其中，N_z为每个线圈匝数，S为每个定子齿面积，B_0(θ)为空载气隙磁密，i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)分别为所述电机的三相电流，L_am(θ)、L_bm(θ)和L_cm(θ)分别为各个独立运行单元三相绕组间的自感或互感；a、b和c分别表示独立运行单元的三相；

所述获得此时运行状态下的电机气隙磁密为：

其中，为发电单元的三相电流，为电动单元的三相电流。

本实施方式中，电机产生噪声的声功率与电机气隙磁密的关系下式：

其中，L_cy为电机的声功率。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法的进一步限定，步骤三中，N个独立运行单元中任意两个相邻单元中一个单元作为电动单元，另一个单元作为发电单元，所述发电单元发电运行，所述电动单元电动运行，电机此时产生的径向磁拉力为：

其中，F′_dn为一个电动单元通入相电流值有效值为I₁″运行产生的径向电磁力，F′_fn为一个发电单元通入相电流有效值I₂″运行产生的径向电磁力，θ′为距离径向电磁力方向的空间角度值，为空间向量x轴方向的单位向量，为空间向量y轴方向的单位向量，i为独立运行单元的序号，i＝1，2…，N。

Claims (3)

1.多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法，所述电机的定子绕组具有N个独立运行单元，每个独立运行单元为3相对称交流绕组，所述电机的相数为3N，其中N为大于3的奇数；其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一：测量一个电周期内，定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线；

步骤二：利用电动机拖动所述电机空载运行至恒定转速，测量所述电机此时的绕组线反电势，进而通过获得的线反电势的波形计算出空载气隙磁密；

步骤三：利用所述电机的三相电流、步骤一获得的曲线和步骤二获得的空载气隙磁密，获得理想运行状态下的电机气隙磁密；

计算所述电机在无机械负载运行状态时产生的径向磁拉力；

N个独立运行单元中任意两个相邻单元中一个单元作为电动单元，另一个单元作为发电单元，所述发电单元发电运行，所述电动单元电动运行，电机此时产生的径向磁拉力与无机械负载运行状态时产生的径向磁拉力相等，此时电动单元通入相电流值有效值为I₁″，发电单元通入相电流有效值为I₂″，再利用发电单元的三相电流、电动单元的三相电流、步骤一获得的曲线和步骤二获得的空载气隙磁密，获得此时运行状态下的电机气隙磁密；

根据电机产生噪声的声功率与气隙磁密的关系，结合理想运行状态下的电机产生噪声的声功率与此时运行状态下的电机产生噪声的声功率相等，进而求出当电机相电流有效值为I时，电动单元相电流值有效值为I₁′，发电单元的相电流有效值为I₂′；

步骤三中，理想运行状态下的电机产生噪声的声功率与此时运行状态下的电机产生噪声的声功率相等的具体表达为：

$\underset{i=\mathrm{1...}n}{\Σ}{\left({B^{\′\′}}_{i(\mathrm{\θ},t)}\right)}^4=\underset{i=\mathrm{1...}n}{\Σ}{B}_{i(\mathrm{\θ},t)}^4$

其中，B′_i(θ，t)为此时运行状态下的电机的第i个定子齿表面的气隙磁密，B_i(θ，t)为理想运行状态下的电机的第i个定子齿表面的气隙磁密；n为定子齿数，θ为距离第一个运行独立单元绕组轴线的空间角度值，t为当前时间；

所述获得理想运行状态下的电机气隙磁密为：

其中，B_(θ，t)表示理想运行状态下的电机的每个定子齿表面的气隙磁密，N_z为每个线圈匝数，S为每个定子齿面积，B_0(θ)为空载气隙磁密，i_a(t)、i_b(t)和i_c(t)分别为所述电机的三相电流，L_am(θ)、L_bm(θ)和L_cm(θ)分别为各个独立运行单元三相绕组间的自感或互感；a、b和c分别表示独立运行单元的三相；

所述获得此时运行状态下的电机气隙磁密为：

$\begin{array}{c}{B^{\′}}_{(\mathrm{\θ},t)}\·N_z\·S=B_{0\left(\mathrm{\θ}\right)}\·N_z\·S+i_{a\left(t\right)}^d\·\underset{m=a,b,c,2a,2b,2c\mathrm{...}{N}_{1}a,N_{1}b,N_{1}c}{\Σ}{L}_{am\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ +i_{b\left(t\right)}^d\·\underset{m=a,b,c,2a,2b,2c\mathrm{...}{N}_{1}a,N_{1}b,N_{1}c}{\Σ}{L}_{bm\left(\mathrm{\θ}\right)}+i_{c\left(t\right)}^d\·\underset{m=a,b,c,2a,2b,2c\mathrm{...}{N}_{1}a,N_{1}b,N_{1}c}{\Σ}{L}_{cm\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ +i_{a\left(t\right)}^f\·\underset{m=a,b,c,2a,2b,2c\mathrm{...}{N}_{2}a,N_{2}b,N_{2}c}{\Σ}{L}_{am\left(\mathrm{\θ}\right)}+i_{b\left(t\right)}^f\·\underset{m=a,b,c,2a,2b,2c\mathrm{...}{N}_{2}a,N_{2}b,N_{2}c}{\Σ}{L}_{bm\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ +i_{c\left(t\right)}^f\·\underset{m=a,b,c,2a,2b,2c\mathrm{...}{N}_{2}a,N_{2}b,N_{2}c}{\Σ}{L}_{cm\left(\mathrm{\θ}\right)}\end{array}$

其中，B′_(θ，t)表示此时运行状态下的电机的每个定子齿表面的气隙磁密，和为发电单元的三相电流，为电动单元的三相电流；

步骤四：将发电单元接入负载电阻；同时，将电动单元连接驱动器，发电单元为N₁个，电动单元为N₂个，其中，N₁＝N₂-1，N₁+N₂＝N；

步骤五：控制驱动器开始运行，通过调节负载电阻，使电动单元相电流值为I₁′，发电单元的相电流值为I₂′；

步骤六：在距所述电动机的轴线中心半径为1m处放置声级计，利用所述声级计测量电动机周围间距为1m的多个测点的噪声，所述多个测点的噪声的平均值为此时电机的噪声L_w1；

步骤七：将任意一个电动单元连接驱动器，任意一个与其相邻的发电单元接入负载电阻，其余运行单元的绕组开路；

步骤八：控制驱动器开始运行，调节负载电阻大小，使电动单元相电流值为I₁″，发电单元的相电流值为I₂″；利用所述声级计测量此时的电机噪声L_w2；

步骤九：将所有运行单元均连接到驱动器，控制驱动器使电机空载运行，再利用所述声级计测量此时的电机噪声，电机噪声记为L_w0；

步骤十：根据L_w1、L_w2和L_w0，利用获得结果为电机的N个独立运行单元在外加负载的情况下电动运行，且电机相电流为I时的电机噪声；

步骤十一：根据需求改变电机相电流相有效值I，转入步骤三。

2.根据权利要求1所述的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法，其特征在于，

步骤一中，测量一个电周期内，定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线的方法为：

在一个独立运行单元内加直流电，使电机处于任意位置，在所述独立运行单元的一相绕组两端加入带有直流偏置的正弦交流电压信号，直流偏置的电压分量与待测运行状态下该相绕组的电压相等；

测量所述相绕组的电流以及其他相绕组的电流，从而得到电机处于所述位置时的定子绕组自感和与其他定子绕组的互感，改变加电单元内直流电矢量，使电机处于其他位置，从而测量出一个电周期内定子绕组的自感和互感随转子位置变化的曲线。

3.根据权利要求1所述的多相奇数单元交流永磁电机噪声测试方法，其特征在于，

步骤三中，N个独立运行单元中任意两个相邻单元中一个单元作为电动单元，另一个单元作为发电单元，所述发电单元发电运行，所述电动单元电动运行，电机此时产生的径向磁拉力为：

$\begin{array}{c}{F}_n={F^{\′}}_{dn}\·\[\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{N})\·\stackrel{\·}{x}+\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{N}i)\·\stackrel{\·}{y}\]\\ -{F^{\′}}_{fn}\·\[\cos ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{4\mathrm{\π}}{N})\·\stackrel{\·}{x}+\sin ({\mathrm{\θ}}^{\′}-\frac{2\mathrm{\π}}{N}i)\·\stackrel{\·}{y}\]\end{array}$

其中，F′_dn为一个电动单元通入相电流值有效值为I₁″运行产生的径向电磁力，F′_fn为一个发电单元通入相电流有效值I₂″运行产生的径向电磁力，θ′为距离径向电磁力方向的空间角度值，为空间向量x轴方向的单位向量，为空间向量y轴方向的单位向量，i为独立运行单元的序号，i＝1，2…，N。