专利名称：电机中的振动和噪声控制策略的制作方法
技术领域：
本发明涉及诸如发电机或电动机的电机领域。
背景技术：
电机中的特别是电机气隙中的麦克斯韦力根据电机的拓扑会产生外部结构例如转子或定子的高频(高达6000 Hz)振动。这会造成强烈的振动和噪声水平。J. Le Besnerais、V. Lanfranchi、Μ. Hecquet、P. Brochet 在 IEEE Trans on Ind. Elecj η 99，Aug 2009 上的一篇论文“Characterization and reduction of audible magnetic noise due to PWM supply in induction machines，，提及了主要来源于气隙径向麦克斯韦力的可听噪声，其中气隙径向麦克斯韦力在可听范围(磁噪声)内激励定子。分析显示，通过适当选择PWM开关频率，可避免PWM激励力的谐振和相应定子模式， 因而可减少磁噪声。然而，这种噪声减少处理了谐振问题，但还是没能处理强迫振动。鉴于上述情况，需要一种改进的技术，其能够提供有效的电机，同时基本上避免或至少减少一个或更多上述问题。
发明内容
这一需求可通过独立权利要求的主题得以实现。本申请公开主题的有利实施例通过各从属权利要求进行描述。根据本发明的第一方面，提供了一种包括电机的电机装置，其中所述电机具有产生所述电机中的第一振动分量的构造。进一步地，所述电机装置包括用于转换电力的转换器，所述转换器被电联接到所述电机。所述转换器产生所述电机中的第二振动分量。进一步地，所述电机和所述转换器的构造彼此被适配成使得所述第一振动分量和所述第二振动分量至少部分地发生相消干涉。本发明的该方面基于下述思想如果由所述电机的构造产生的主要振动分量被来源于电联接到所述电机的转换器的振动分量至少部分地抵消(或者反之亦然)，则振动因而由电机产生的整体噪声水平可被降低。降低的噪声水平可提供更大的声舒适度，并可减少与强烈振动相关的问题，例如材料疲劳。一般地，在此，术语“电机的构造”可指的是电机的几何结构(例如，磁极、槽、绕组的构造)至材料结构(例如，用于构造电机的材料)等待。根据第一方面的实施例，所述第一振动分来分量为磁力振动。在此，术语“磁力振动”表示由于电机中的磁力引起的振动。根据进一步的实施例，所述第二振动分量为磁力振动。因而，根据一个实施例，所述第一振动分量和/或所述第二振动分量为磁力振动。例如，在实施例中，磁力为麦克斯韦力。根据一个实施例，术语“所述电机和所述转换器的构造彼此适应”包括使所述转换器适应于所述电机。根据另一实施例，所引用的术语包括改变所述电机和所述转换器。根据一个实施例，所述电机包括转子、定子和在所述转子与所述定子之间的气隙。在此情况下，根据一个实施例，所述第一振动分量由沿着所述电机的所述气隙的磁阻变化或与基波电流联系的其他谐波产生，特别地包括转子和定子mmf空间谐波的相互作用。根据一个实施例，所述第一振动分量由于与基波电流联系的麦克斯韦力产生。这种麦克斯韦力在对所述电机供应非正弦电流时保持不变。因而，这种麦克斯韦力和合成的谐波读克斯韦力谐波)包括由气隙磁阻空间谐波产生的所有力谐波，其例如受到磁体形状、极数量、槽形状和数量的至少一个影响，并包括由转子和定子磁通势(mmf)空间谐波形成的力谐波。根据一个实施例，用于相消干涉的所述第一振动分量是在所有其他第一振动分量中，即由于所述电机的构造引起的振动分量中具有最大振幅的振动分量。然而，根据其他实施例，可使用其他第一振动分量。例如，根据各实施例，所述第一振动分量由于下述中的至少一个引起 (i)由于槽中的定子和转子的离散化引起的磁通势(mmf)谐波；
( )由于开槽效应引起的气隙磁导谐波；
(iii)由于饱和效应引起的气隙磁导谐波；
(iv)由于动态和偏心效应引起的气隙磁导谐波。所有这些谐波被包括在本文所用术语“开槽谐波”或与基波电流联系的谐波中。根据进一步的实施例，所述第二振动分量由所述转换器的脉宽调制(PWM)操作产生。脉宽调制经常与变速电机结合使用，并特别地与发电机和电动机结合使用。将诸如发电机或电动机的电机与因脉宽调制增大时间谐波的转换器联接，可导致强烈的振动和噪声水平。根据进一步的实施例，所述转换器被配置为利用调谐的开关频率产生用于所述脉宽调制操作的脉冲，使得所述第二振动分量的一个频率等于所述第一振动分量的一个频率。例如，根据进一步的实施例，所述转换器被配置为利用使PWM电流谐波频率中的一个等于所述第一振动分量的频率(PWM和载波频率的模式，也被称为开关频率，根据电压谐波频率和振幅作用于电压光谱，并随后同样根据频率和振幅作用于电机中的电流光谱)的频率产生用于所述脉宽调制操作的脉冲。例如，根据一个实施例，所述电机和所述转换器被适应，使得最强PWM振动的频率与由于基波电流引起的振动的频率，即实施例中的开槽振动的频率相匹配。根据一个实施例，为了在所述第一振动分量与所述第二振动分量之间产生相消干涉，振动必须反相，即相移大约180°。根据进一步的实施例，所述第一振动分量具有0或2p的空间频率(空间级数，为了简便起见在下文中表示为“阶(或称级数)”)，其中P为所述电机的极对的数量。在实施例中，最大脉宽调制(PWM)激励为O和2p阶，其中P为上述提到的极对的数量。因而，对于来源于所述电机的几何构造的最大振动，例如开槽振动具有0或2p阶的电机而言，因此，通过调节PWM电流谐波的频率和相位角可以形成相消干涉。在示例性实施例中，频率和/或相位角的调节由PWM载波的相应调节执行。根据一个实施例，所述第一振动分量与所述第二振动分量之间的相移由所述电机装置的几何和电参数预先固定地确定(即，在操作期间不修改)。例如，根据一个实施例，所述电机装置并不包括用于调节相移的有源控制回路，因而独立于该有源控制回路。最佳相移，例如根据一个实施例可以通过模拟获得。根据其他实施例，最佳相移用实验方法获得。
为了获得有效的相消干涉，除了上述提及的频率匹配和所述第一振动分量与所述第二振动分量之间的反相位角，在实施例中需要空间级数匹配，其中所述第一振动分量的空间级数(空间频率)与所述第二振动分量的空间级数匹配。根据一个实施例，所述电机为自然提供空间级数匹配的同步电机。根据其他实施例，所述电机为异步电机，例如感应电机，其中空间级数匹配在设计阶段通过适当选择电机的槽数量和极数量而获得。根据进一步的实施例，所述电机和所述转换器彼此被适配成使得所述第一振动分量和所述第二振动分量的波形至少类似或相同。根据一个实施例，所述第一振动分量与所述第二振动分量之间至少部分的相消干涉使得至少一个振动分量被衰减至少20%，即，与没有相消干涉的情况相比，该至少一个振动分量的合成振幅被减少至少20%。根据其他实施例，衰减至少为30%或至少为50%。百分比与线性标度有关。根据本申请公开主题的第二方面，提供一种方法，该方法包括使电机和电联接到所述电机的转换器彼此被适配成使得由所述电机的构造产生的第一振动分量和由所述转换器产生的第二振动分量至少部分地发生相消干涉。根据第二方面的各实施例，所述电机、所述转换器和/或所述电机与所述转换器的彼此适应根据第一方面的各实施例和各示例被构造。根据本申请公开主题的第三方面，提供一种操作转换器的方法，该转换器能联接到或被联接到电机，该转换器进一步被构造为用于产生所述电机中的第二振动分量，使得该第二振动分量至少部分地对所述电机的构造产生的所述电机中的第一振动分量产生相消干涉。例如，在所述电机为电动机的情况下，根据一个实施例，所述转换器被配置为对所述电动机供应脉宽调制输入信号。在所述电机为发电机的情况下，根据一个实施例，所述转换器针对调制所述发电机的输出电流的脉冲宽度而配置。在两种情况下，所述转换器产生所述电机中的PWM电流谐波。根据第三方面的进一步的各实施例，所述转换器、其操作方法和/或其与所述电机的适应根据第一和/或第二方面的各实施例和各示例被构造。根据本申请公开主题的第四方面，提供一种用于控制转换器的操作的计算机程序，该计算机程序当由数据处理器执行时适于控制根据第三方面或其实施例的方法。如在此使用，参照计算机意在等同于参照程序单元和/或计算机可读介质，该程序单元和/或计算机可读介质包含用于控制计算机系统的指令，用于协调根据第三方面或其实施例所述方法的性能。计算机程序通过使用任一合适的编程语言，例如JAVA、C++可被实现为计算机可读指令码，并可被存储在计算机可读介质(可移动磁盘、易失或非易失性存储器、嵌入式存储器/处理器等)。指令码可操作用于对计算机或任一其他可编程装置进行编程，以实现预期功能。计算机程序可通过网络，例如万维网获得，从网络上可下载该计算机程序。通常，本申请公开主题的各方面和各实施例可通过计算机程序或软件实现。然而， 本申请公开主题的各方面和各实施例还可通过一个或多个专用电路或硬件实现。而且，本申请公开主题的各方面和各实施例还可实现成混合形式，即软件模块和硬件模块的组合。
在下文中，将参照一种电机、一种操作电机装置的方法、一种操作转换器和计算机程序的方法来描述本申请公开主题的各示例性实施例。应指明，当然，与本申请公开主题的不同方面相关的各特征的任一组合也是可以的。特别地，一些实施例参照装置类型权利要求进行描述，而其他实施例参照方法类型权利要求进行描述。然而，技术人员根据以上并根据以下描述应获悉，除非另有说明，除了属于一个方面的各特征的任一组合之外，而且，与不同方面或实施例有关的各特征之间的任一组合，例如甚至装置类型权利要求的各特征与方法类型权利要求的各特征之间的任一组合，被视为通过本申请而公开。进一步地，参照装置明确公开的各特征也被视为参照方法而隐含地公开。进一步地，参照方法明确公开的各特征也被视为参照装置而隐含地公开。以上限定的各方面和各实施例以及本申请公开主题的进一步的各方面和各实施例根据待在下文中参照附图解释而进行描述的各示例是明显的，但本发明并不限于各示例。
图1示出了根据本申请公开主题的各实施例的电机。图2示出了在对PWM和开槽振动之间的相消干涉不具有最佳相移情况下的模拟声谱，其中。图3示出了了在对PWM和开槽振动之间的相消干涉具有最佳相移情况下的模拟声
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具体实施例方式附图中的图示是示意性的。应指出，在不同附图中，类似或相同的元件提供有相同的附图标记。图1示出了根据本申请公开主题的各实施例的电机装置100的横截面图。电机装置100包括定子102和转子104。在图1中所示的实施例中，定子被径向布置在转子外。然而，根据其他实施例，转子被径向布置在定子外。转子104和定子102限定位于转子104与定子102之间的气隙105。进一步地，转子104限定旋转轴线106，转子 104在电机101操作时围绕该旋转轴线106旋转。电机装置100进一步包括用于转换电力的转换器108。转换器108例如通过图1中以110表示的电线电联接到电机101。应指出， 尽管转换器108在图1中联接到电机101的定子102，根据其他实施例，转换器108联接到转子，或者联接到定子和转子。根据图1中所示的实施例，电机101为将供应到电动机的电能转换成机械能的电动机。根据其他实施例(未示出)，电机为将供应到发电机的机械能转换成电能的电发电机。根据本申请公开主题的各实施例，电机101具有生成电机101中的第一振动分量的构造。特别地，第一振动分量归因于由通过与基波电流联系的一些定子和转子mmf空间谐波的相互作用产生的麦克斯韦力。第一振动分量在对电机供应非正弦电流时保持不变。 因而，根据该实施例，第一振动分量与供应到电机101的脉宽调制电流无关。进一步地，根据本申请公开主题的各实施例，转换器108生成电机101中的第二振动分量。根据一个实施例，在图1的电机装置100中，转换器108生成第二振动分量，该第二振动分量归因于麦克斯韦力，只要电机被供给纯粹的正弦电流，则第二振动分量消失。例如，在一个实施例中，如果转换器108施加脉宽调制(PWM)，则第二振动分量归因于PWM电流谐波生成的麦克斯韦力。应指出，在此，通常，术语“谐波”还包括基波振动和更高阶的振动。脉宽调制的开关频率在可获得同步PWM策略的转换器上可容易地改变。因此，最强PWM振动的频率可容易地与由于基波电流(开槽振动)引起的所述振动相匹配。然而，为了具有很大程度上的相消干涉，该频率匹配状态并不充足，而且两个激励的波形应相同或至少相似，频率应反相，并且两个振动的空间级数应匹配。对于这种实施例，获得很大程度上的相消干涉。在一个实施例中，PWM激励具有0或2p阶，其中ρ为极对数量。对于一些开槽振动也具有0或2p阶(并非必然是最大)的电机而言，因而，可以通过调节PWM电流谐波的频率和相位角形成干涉，该调节例如可通过改变调制信号的时间基准而实现。例如，对于三相永磁电机，其中主要开槽振动已知具有0或2p阶，并且其中主要开槽振动与6倍的基波定子频率(6kf，其中k等于1、2、3，并且f为提供给定子的基波电流的频率)成比例。这些开槽振动因此能够用于抵消有时比开槽振动更为强烈和嘈杂的主要PWM振动。对于常规三角形对称载波，最大的PWM振动谐波相应地为频率为2 fs的0阶(其中fs为开关频率)，频率为2 fs+/"2 f的2p阶。如果ρ较高，即p>3，则2p阶的振动通过电机的结构而被衰减， 因而主要振动具有0阶的6kf和0阶的2fs的频率。PWM振动因此能够通过选择fs=3kf和适当的PWM电流谐波相位角而被抵消。再次，这里，fs为转换器108的开关频率，k为自然数(1、2、3…)，并且f为提供给定子的基波电流的频率。试验表明，如果k较低，则干涉更为有效。图2显示，在不期待得到形成相消干涉的正确相位角的情况下，对于f=200 Hz和 fs=6f=1200 Hz, p=6极的永磁电机的模拟声谱(Α加权的磁性声功率级光谱)。由于因此并不发生相消干涉，则由开槽和PWM振动(第一和第二振动分量)造成接近MOO Hz的主要声传输线250。在图3中，这条在MOO Hz的线被第一振动分量与第二振动分量，即图示实施例中的开槽振动和PWM振动之间的最佳相移抵消。图2和图3中的单位为用于频率f的赫兹(Hz)和用于振幅M的“dBA re. 1 pW”，即振幅被标准化至IpW (le-12 W)。最佳相移可根据分析电机的几何和电参数而获得，因此，不必具有基于例如加速计的有源控制回路。最佳相移还可用实验方法获得。因此，根据一个实施例，电机装置100 独立于有源控制回路来调节第一振动分量与第二振动分量之间的相移。如先前已提及的，本申请公开主题还适合于感应电机，其中转子槽^ 的数量与2p 成比例。在此情况下，由于定子槽的数量h总是与2p成比例并且通过适当的相移能够发生相消干涉，则开槽振动阶也与2p成比例。根据一个实施例，转换器对电机的适应可通过提供控制单元112来执行，该控制单元112通过第一振动分量和第二振动分量至少部分地相消干涉的方式来控制转换器 108。如先前提及的，PWM电流谐波的相位角例如可通过改变PWM载波的时间基准来改变。 然而，在其他实施例中，相位角可通过任一其他合适方式被调节到最佳值。根据一个实施例，相位角的调节由转换器108的相应控制提供。为此目的，控制单元112可被相应地改变。 通常，控制单元112可包括用于执行计算机程序的处理器。根据一个实施例，相移在操作电机之前根据电机101的机械和电参数进行确定。 在此情况下，相位角的规定值可预置到转换器108中。
根据一个实施例，转换器108的任一合适部件，例如控制单元112，以相应的计算机程序产品的形式提供，该计算机程序产品使处理器能够提供如在此公开的转换器的功能。根据其他实施例，转换器的任一这种部件被提供在硬件中。根据其他混合实施例，这些部件中的一些部件被提供在软件中，而这些部件中的其他部件被提供在硬件中。进一步地， 应指出，分离部件可被提供用于在此公开的转换器的每一种功能。根据其他实施例，转换器的至少一个部件被配置用于提供如在此公开的转换器的两种或更多种功能。应指出，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个。而且，结合不同实施例描述的各元件可进行组合。还应指出，权利要求中的附图标记不应被理解成限制权利要求的范围。为了概括本申请公开主题的上文所述实施例，可规定
公开了一种电机装置，该电机装置包括电机和电联接到该电机的转换器。电机的构造产生电机中的第一振动分量，转换器产生电机中的第二振动分量。电机和转换器彼此被适配成使得第一振动分量和第二振动分量至少部分地相消干涉。进一步地，公开了相应的用于控制转换器或操作转换器的方法和计算机程序。
权利要求
1.一种电机装置(100)，包括 电机(101)；所述电机(101)具有产生所述电机(101)中的第一振动分量的构造； 用于转换电力的转换器(108)，所述转换器被电联接到所述电机(101)； 所述转换器(108)产生所述电机(101)中的第二振动分量；其中，所述电机(101)和所述转换器(108)的构造彼此被适配成使得所述第一振动分量和所述第二振动分量至少部分地相消干涉。
2.根据权利要求1所述的电机装置(100)，所述第一振动分量和/或所述第二振动分量为磁力振动。
3.根据前述权利要求中任一项所述的电机装置(100)， 所述第二分量由所述转换器(108)的脉宽调制操作产生。
4.根据权利要求3所述的电机装置(101)，所述转换器(108)被配置为利用调谐的开关频率产生用于所述脉宽调制操作的脉冲， 使得所述第二振动分量的一个频率等于所述第一振动分量的一个频率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电机装置(101)，所述电机(101)包括转子(104)、定子(102)和在所述转子(104)与所述定子(102)之间的气隙(105);并且所述第一振动分量由沿着所述电机(101)的所述气隙(105)的磁阻变化或与基波电流联系的其他谐波产生。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电机装置，其中所述第一振动分量具有0或2p的空间级数，其中ρ为所述电机(101)的极对数量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电机装置，其中，所述第一振动分量与所述第二振动分量之间的相移由所述电机(101)的几何和电参数限定。
8.一种用于操作转换器(108)的方法，所述转换器(108)能联接到电机(101)，所述方法包括产生所述电机(101)中的第二振动分量，使得所述第二振动分量至少部分地对所述电机(101)中的第一振动分量产生相消干涉，所述第一振动分量由所述电机(101)的构造产生。
9.一种用于控制转换器操作的计算机程序，所述计算机程序当由数据处理器执行时适于控制权利要求8所述的方法。
全文摘要
本发明涉及电机中的振动和噪声控制策略。具体地，公开了一种电机装置，该电机装置包括电机和电联接到所述电机的转换器。所述电机的构造产生所述电机中的第一振动分量，并且所述转换器产生所述电机中的第二振动分量。所述电机和所述转换器彼此被适配成使得所述第一振动分量和所述第二振动分量至少部分地相消干涉。进一步地，公开了相应的用于控制转换器或操作转换器的方法和计算机程序。
文档编号H02K5/24GK102195393SQ201110049610
公开日2011年9月21日 申请日期2011年3月2日 优先权日2010年3月2日
发明者L. 贝纳雷 J. 申请人:西门子公司