用於減小電馬達的噪聲的方法與流程

2023-04-23 11:17:46 2

本發明涉及一種用於減小通過變流器饋電的馬達的噪聲的方法。此外，本發明涉及一種用於減小通過變流器饋電的馬達的這種噪聲的調節設備以及一種具有這種調節設備、變流器和馬達的驅動系統。

背景技術：

由馬達放射的噪聲的主要部分是電磁起源。在此，通過馬達之內的磁通量的諧波在馬達中產生徑向力波，所述徑向力波通過定子繞組和轉子繞組的非正弦分布以及通過由於定子和轉子開槽產生的氣隙的波動產生。

徑向力波激勵疊片組。其產生振動，所述振動作為固體聲傳遞並且作為噪聲經由周圍環境傳播。殼體用作為傳遞元件並且放大其固有頻率範圍中的所放射的噪聲的水平。

為了減小馬達噪聲通常嘗試：或者改變或者優化馬達的機械設計，或者通過調製方法最小化由變流器所引起的時間諧波，以及在馬達的共振部位附近避免具有一定頻率的由變流器所引起的時間諧波。

技術實現要素：

本發明所基於的目的是，進一步減小由逆變器饋電的馬達的馬達噪聲。

所述目的通過用於減小通過變流器饋電的馬達的噪聲的方法來實現，其中根據馬達處的負載力矩改變馬達中的磁通量，使得磁通量的基本振動與磁通量的諧波的乘積減小。

所述目的還通過一種用於藉助於用於減小通過變流器饋電的馬達的噪聲的方法減小通過變流器饋電的馬達的噪聲的調節設備來實現，其中調節設備能夠與變流器連接，使得能夠傳輸馬達的磁通量的理論值。所述目的還通過一種驅動系統實現，所述驅動系統包括這種調節設備、變流器和馬達。

本發明的有利的設計方案在從屬權利要求中說明。

本發明基於如下知識：在轉速可變的驅動器中除了上面已經提出的徑向力波之外形成其他的力波，其中所述驅動器由變流器饋電。引起噪聲形成的徑向力波通過磁通量的基本振動與其時間諧波的交互作用來引起。對於馬達在變流器運行中的噪聲形成決定性的是：磁通量的基本振動與磁通量的諧波的乘積。後者取決於如下參數，所述參數從變流器調製中得出，即例如調製類型(脈衝圖案)、佔空比和脈衝頻率。

為了理論上更精確地闡述變流器所引起的徑向力波的形成，假設如下簡化情況：為了產生磁通量在定子電壓中存在基本振動和兩個諧波。在該情況下，藉助如下等式描述定子電壓的空間矢量

異步馬達的氣隙中的磁通量密度能夠作為旋轉向量示出。在假設定子電壓的情況下，磁通量密度為

其中，並且旋轉向量在位置處到軸線上的投影提供沿著機器的氣隙的磁感應分布

氣隙中的徑向的拉應力(每面積單位的徑向拉力)與磁通量的平方成比例

在假設諧波的幅度比基本振動幅度小得多的情況下，該等式引起

其藉助於上述關聯得出如下結果：

該等式顯示出存在具有頻率ωh1-ω1，ωh2+ω1的兩個脈衝分量和具有頻率ωh1+ω1，ωh2-ω1的兩個旋轉分量。旋轉分量的空間序列等於2p，其中p作為極對數。如在該等式中可見，通過減小諧波bh1和bh2的幅度或基礎諧波b1的幅度，能夠減小該分量的幅度。

磁通量的基本振動的變化通過形成通量的電流的變化來產生。形成通量的流為無功電流。磁通量的基本振動也能夠通過馬達電壓與馬達頻率的比來近似。

馬達中的磁通量的諧波變化能夠通過變化的佔空比來引起，所述佔空比也稱作為調製度。該變化的佔空比能夠選擇為，使得該佔空比引起馬達的磁通量中的較小諧波。其示出：該效應能夠用於：減小馬達中的磁通量的諧波和固有頻率的乘積，使得通過變流器饋電的馬達的噪聲降低。減小磁通量的諧波進而所形成的噪聲的另一可行性在於：改變脈衝頻率。

因此能夠通過馬達中的磁通量的變化減小通過馬達產生的噪聲。因此，例如對於部分負載運行減小磁通的固有頻率引起：磁通量的一個或多個諧波和基本振動的乘積佔有較小的值，進而減小馬達的噪聲。至今為止，減小磁通的基本振動僅用於減小部分負載運行中的馬達損失。相反於減小損失功率，除了降低通量之外，根據馬達的和/或變流器的工作點提高磁通量和與之關聯地提高佔空比也能夠引起噪聲減小。於是當馬達具有相應的設計餘量使得鐵在提高磁通量時不處於飽和時，提高通量尤其才是可行的。此外，為了減小噪聲，當通量提高減小了馬達電流時，提高脈衝頻率。

在此，作為變流器能夠使用如下的變流器，所述變流器具有中間迴路並且將輸入電壓首先在其再次變換成用於對馬達饋電的交流電壓之前變換成中間迴路中的直流電壓。同樣地，直接變流器也適合於應用根據本發明的方法，其中不產生直流電壓。

根據本發明的方法能夠針對所有類型的變流器饋電的馬達執行，尤其針對異步機和同步機執行。

在本發明的一個有利的設計方案中，馬達中的磁通量根據馬達處的負載力矩改變。對於該方法證實為尤其有利的是：當馬達和/或變流器處於其最大的性能之下時，才能夠執行改變磁通量。該狀態也稱作為部分負載運行。於是得出的自由度、即例如熱儲量於是能夠用於減小噪聲，該噪聲減小並不必然地提高馬達和/或變流器的總損失。當然，為了更小的噪聲排放也能夠容忍提高變流器和/或馬達中的損失。

在本發明的一個有利的設計方案中，從變流器的輸出電流中確定負載力矩。因為已知變流器調節裝置的馬達的數學模型和變量，所以所述數學模型和變量也能夠以簡單的方式用於減小馬達噪聲。對此，通過變流器調節裝置本身，進行藉助於改變磁通減小馬達噪聲。因為對於變流器調節裝置已知變流器輸出電流的所需要的值，所以也能夠以簡單的方式執行通量變化。在此，有利地也能夠對於調節考慮其他的變量，所述變量描述變流器的狀態。

替選地，也能夠通過單獨的調節設備預設通量的變化。於是，在變流器調節裝置和單獨的調節裝置之間傳輸相應的值、即例如變流器輸出電流和/或通量理論值。

在本發明的一個有利的設計方案中，根據馬達的轉速藉助於馬達處的電流和/或電壓改變磁通量。在此，轉速能夠藉助於適當的測量設備、即例如馬達的轉速傳感器來確定。同樣可行的是：從變流器和變流器調節裝置已知的變量、即例如輸出電壓或輸出電流中能夠推出馬達的轉速。這在簡單的情況下能夠從所述變量中的一個的頻率中得出。該頻率與在異步機的情況下通過滑差引起的馬達轉速不同。然而為了執行該方法指出：頻率的值已經充分精確。替選地，從變流器調節裝置的變量以及相應的馬達模型中能夠計算馬達的轉速。

在已知負載特性的情況下，其中馬達軸處的力矩基本上與轉速相關，能夠放棄確定馬達的負載力矩。從轉速信號中能夠充分精確地確定負載關係進而也能夠確定馬達和/或變流器的運行狀態，以便能夠執行用於通量變化的相應的措施，而馬達不在不允許的運行狀態下、即例如過載或保護下運行。

在本發明的一個有利的設計方案中，藉助於特徵曲線根據馬達的轉速確定負載力矩。特別的負載機器、例如泵或壓縮機具有特定的特性，所述特性能夠以特徵曲線的形式說明。藉助於該特徵曲線和相應的馬達或負載轉速，能夠精確地確定馬達的負載力矩。從中能夠確定馬達的和/或變流器的運行狀態，以便執行相應的通量變化，以減小噪聲。

在此，特徵曲線能夠離線地來確定並且存儲在調節裝置中。替選地或補充地，特徵曲線也能夠在馬達運行期間確定並且必要時存儲。

在本發明的一個有利的設計方案中，改變變流器的脈衝頻率。在部分負荷範圍中，能夠將變流器的剩餘性能用於提高脈衝頻率。該措施儘管在變流器中產生更多的損失功率。當然，該措施在變流器的剩餘性能中，例如在部分負荷範圍中或通過將變流器相應地設置得更大而能夠用於提高脈衝頻率。此外，也能夠在全負荷運行中例如執行通量提高，只要馬達由此不處於飽和中。與之相隨的馬達功率的下降能夠用於提高脈衝頻率。這作用於降低磁通量的諧波，使得也減小所形成的噪聲。因此為性能也能夠與馬達的負載力矩相關，所以證實為有利的是：也根據馬達的負載力矩執行脈衝頻率的提高。

較高的脈衝頻率引起更好地將電流匹配於正弦的時間變換。由此能夠減小馬達的電流中進而磁通量中的諧波。為了更低的馬達噪聲而能夠容忍與之相隨的更高的變流器損失。

在本發明的一個有利的設計方案中，改變變流器的中間迴路電壓。變流器的輸出電壓和中間迴路電壓之間的比例稱作為變流器的佔空比。根據佔空比和脈衝頻率能夠在輸出電壓中進而也在輸出電流中產生高階諧波，所述輸出電流在馬達中產生磁通量。通過改變中間迴路電壓，即提高和減小中間迴路電壓，在變流器輸出電壓相同的情況下改變佔空比。因此，通過適當地改變中間迴路電壓能夠通過變流器或其變流器調節裝置設定佔空比，所述佔空比僅產生少量的諧波。因此，佔空比有助於減小馬達的噪聲。

附圖說明

下面，根據附圖中示出的實施例詳細描述和闡述本發明。其示出：

圖1示出貫穿馬達的橫截面，

圖2示出驅動系統的結構，

圖3示出具有調節裝置的驅動系統的結構，

圖4針對典型的調製方法(空間矢量調製)示出不同的頻率範圍中(脈衝頻率的數倍)的徑向拉力σ的諧波與佔空比a的關聯，和

圖5示出根據馬達轉速改變磁通量、脈衝頻率和中間迴路電壓的實施例。

具體實施方式

圖1示出貫穿馬達1的橫截面的一部分。馬達1具有定子14和轉子13。在定子14和轉子13之間存在氣隙15。徑向拉力16與其基本振動和其諧波以箭頭的形式在該視圖中示出。徑向拉力16在環周之上的該分布引起定子14的徑向變形17。馬達1中的徑向拉力16的時間變化導致徑向變形17的變化。因此，徑向變形17引起馬達殼體的震動，使得形成聲波11和固體聲12，所述聲波和固體聲能夠察覺為噪聲。徑向變形17從定子14的定子疊片組轉移到馬達1的殼體上並且在那裡作為聲波11經由空氣傳播。如果不存在殼體，那麼徑向變形17直接從定子疊片組作為聲波11轉移到空氣中。固體聲12一方面經由馬達1的固定裝置傳輸，也經由馬達軸傳輸。

圖2示出驅動系統4的結構。該驅動系統4具有能量供應網絡5,、變流器2、馬達1以及連接到馬達1上的負載7。變流器2與能量供應網絡5三相地連接。馬達1與變流器2的輸出端三相地連接。負載7經由馬達軸與馬達1連接。變流器2具有整流器22和逆變器23。整流器22和逆變器23經由中間迴路24彼此連接。整流器22的任務是：將能量供應網絡5的交流電壓變換成直流電壓。從該直流電壓中通過逆變器23在變流器2的輸出端處產生電壓us。替選地，在該實施例中未示出：也能夠將能量供應網絡的電壓直接地變換成變流器的輸出電壓，而並不使用中間迴路。這種類型的變流器稱作為直接變流器。也對於其能夠應用根據本發明的方法。藉助於電壓us的幅度和頻率在馬達1處設定期望的工作點。執行工作點設定和校正偏差的相應的變流器調節裝置25在圖2中為了概覽而沒有示出。變流器2的、尤其逆變器23的另一特徵性的變量是脈衝頻率fp，逆變器23以所述脈衝頻率對其在附圖中未明確示出的開關器如下進行開關：例如利用脈衝寬度調製進行開關，以便在變流器2的輸出端處產生相應的電壓us。通過電壓us產生變流器2的輸出電流21，所述輸出電流在馬達1中產生磁通量φ和轉矩m。該轉矩m經由軸傳輸給負載7。在此未詳細示出的變流器調節裝置25的目的是：例如調節馬達1的轉速n和力矩m，以便達到穩定的工作點。

圖3示出驅動系統4包括變流器調節裝置25以及用於改變磁通量φ和/或脈衝頻率fp和/或中間迴路電壓uzk的調節設備3的結構。為了避免重複，參考圖2的描述以及在那裡列舉的附圖標記。除了圖2中示出的部件之外，圖3的驅動系統4具有用於檢測轉速n的機構6。轉速n的信號由用於檢測轉速n的機構6傳輸給變流器調節裝置25和傳輸給調節設備3的輸入端31。

調節設備25能夠設置在變流器2中和變流器2之外。調節設備3同樣能夠設置在變流器2中或設置在變流器2之外。此外，調節設備3也能夠集成到變流器調節裝置25中進而為變流器調節裝置25的一部分。變流器調節裝置25的目的是：產生變流器2的輸出電壓的理論值。對此，尤其考慮如下變量，如中間迴路電壓uzk、換流器21的輸出電流is和換流器的轉速n。此外，調節設備3用於減小由馬達1引起的噪聲。對此，根據轉速n改變磁通量φ的理論值，使得減小馬達1的噪聲。如已經描述的那樣，這通過如下方式執行：將磁通量φ設定為，使得磁通量的基本振動與磁通量φ的諧波相乘佔有儘可能小的數值。此外，能夠改變脈衝頻率fp以及中間迴路電壓uzk，使得它們也減小磁通量的基本振動和諧波的上述乘積。對此，將相應的理論值由調節設備3傳輸給變流器調節裝置25。變流器調節裝置25於是能夠通過對逆變器23的開關器(功率半導體)的開關操作的取用來設定具有改變的磁通量φ和必要時具有改變的脈衝頻率fp的相應的工作點。通過取用整流器22的開關操作，能夠設定改變的中間迴路電壓uzk。因此能夠通過變流器2執行磁通量φ、脈衝頻率fp和中間迴路電壓uzk的改變。該幹預可行性改變馬達1和變流器2中的相應的物理變量。

圖4示出不同的頻率範圍(脈衝頻率的數倍)中的徑向拉力σ的諧波與常用的調製方法(空間矢量調製)的佔空比a之間的關聯。在此，至少除了額定轉速之外，佔空比a和轉速n彼此成比例。於是，在額定轉速之上，出現場減弱。可識別的是：根據佔空比能夠將多倍於脈衝頻率的不同的諧波放大或減弱。在此，存在如下頻率範圍，在所述頻率範圍中，佔空比的提高(例如通過減小中間迴路電壓)引起徑向拉力σ的諧波的減小(例如對於雙倍脈衝頻率的諧波)。如果例如馬達1在雙倍的脈衝頻率的範圍中是敏感的，那麼應當提高佔空比a，以便引起噪聲減小。如果馬達在單倍的脈衝頻率的範圍中不靈敏，那麼佔空比a應保持得儘可能低。與之相隨也減小馬達1的噪聲形成。

圖5示出用於減小馬達1的噪聲的方法的一個實施例。在該應用中，負載力矩m根據轉速n已知。由於在低轉速n的情況下轉矩m相對小，因此低轉速下的磁通φ減小。此外，在高轉速的情況下，轉矩才達到其100％的值。隨低的磁通量φ產生的較小的電流得到如下可行性：提高脈衝頻率fp，而變流器2並不過載、尤其熱過載。在該實施例中，低轉速的情況下的脈衝頻率為200％。隨變流器2中還有馬達1中的負載提高進而還有更高的損失，再次減小脈衝頻率fp。在如下最大轉速的情況下，磁通量φ和脈衝頻率處於100％的標稱值，其中在所述最大轉速下必需通過馬達提供最大的力矩m。此外，如在此在該實施例中示出，也能夠經由轉速n調整中間迴路電壓uzk，以便實現馬達1的噪聲減小。

儘管詳細地通過優選的實施例闡述和描述本發明，然而不通過所公開的實例來限制本發明，並且能夠由本領域技術人員從中導出其他的變型形式，而沒有脫離本發明的保護範圍。