滚筒洗衣机用开关磁阻电机减振降噪方法的研究

2018-02-18孙荣美牛家涛姜红霞

新型工业化 2018年11期

孙荣美，牛家涛，姜红霞

（山东小鸭集团，山东济南 250100）

0 引言

在19世纪50年代开关磁阻电机的基本结构与原理才被提出，而开关磁阻电机的问世却要追溯到20世纪80年代大功率的晶闸管的投入使用。在投入使用时，由于开关磁阻电机的价格较低、鲁棒性好、结构简单等一系列优点，使得开关磁阻电机在电器行业热度的趋势逐年上升，并引起了各国的重视，加强了对开关磁阻电机实际的应用与研究。在现代滚筒洗衣机的开关磁阻电机的应用中，如何对开关磁阻电机降震减噪问题的解决迫在眉睫，因为它的转矩脉动和噪声问题严重阻碍了滚筒洗衣机更长远的发展。

1 探究开关磁阻电机应用当中存在的主要问题

研究表明，在滚筒洗衣机的开关磁阻电机实际应用当中，震动和噪声的主要原因在于SRM的非线性强磁场和双凸极结构。而在非线性强磁场中，径向力引起的定转子径向振动是噪声的主要来源[1]。因此，减小定转子径向振动也是减小噪声的主要方法。转矩脉动若想减小，相应的控制技术则应该放宽运行范围。其中电流的分配控制器和电流的波形计算的离线和在线是主要的控制方法。这其中涉及到了直接瞬间转矩控制（DITC，direct instantaneous torque control，中文）的电流闭环控制被转矩闭环控制取代使用。因此，如何将这两种方法同时运用到开关磁阻电机的减震降噪当中使我们接下来要讨论问题的重点。

2 关于滚筒洗衣机用开关磁阻电机减噪降震当中存在问题的解决方法

在我国目前有关滚筒洗衣机开关磁阻电机的降噪减震的技术当中，主要有宏观物理降噪减震和电动机结构内部优化改良减振降噪两个方面[2]。在宏观物理的降噪减震方法大致有降低空气动力噪声、增加定转子的硬度、增加阻尼系数、利用弹簧减震等措施。在电动机内部结构上的优化改良的降震减噪方法主要有降低减少转矩脉动，而降低减少转矩脉动的方法主要途径有：角度位置控制、电流斩波控制、两步和三步换相法、变角度斩波控制、逐步将压阀、直接瞬时转矩控制、结构变相控制和迭代学习控制等技术控制性手法。接下来我们着重从滚筒洗衣机用开关磁阻电机的转矩脉动减小上讨论降震减噪的问题[3]。而转矩脉动的减小则要从定转子的结构和电动机相数结构等以下几方面来进行讨论。

2.1 定转子结构

在开关磁阻电机中，电机的相数一定，对于降震减噪是否有利的条件在于电转子的极数的多少。在上面我们提到过噪声的主要来源是定转子径向振动，降低定转子径向振动波的振动频率是降低噪音的根源性措施。在这其中，影响定转子的径向力主要有转速、开通角、关断角、定转子所占空间比和斩波频率等等主要因素[4]。而定转子径向振动波对定转子机座和铁心的作用使定转子铁心和机座随着时间的变化发生径向变形，从而使周围的空气脉流压缩引起气载噪声。这里有一个径向力振动波和定子铁心径向变形的定量关系，即定子铁心径向变形量跟径向力振动波波力幅值成正比，与径向力振动波阶数n的4次方成反比，而电机的径向振动振型由径向力振动波阶数n确定。解释意义为径向振动波越低铁心的变形程度越大，致使铁心的相邻两支点的距离越远，铁心硬度随着支点距离的变远，它的径向变形越大。

2.2 开关磁阻电机的相数结构

在大多数电机的结构参数中，相数是电机参数中最重要的一个参数之一，它不仅决定了电机的成本和性能，它更决定了电机的运转结构，而且有效合理的对开关磁阻电机配适相应的相数能够有效的对噪声的降低和径向振动产生有利的影响。目前在电机的相数选择上主要有三相和四相两种相数，下面我们对这两种相数结构对电机的绕组连接所产生的影响做一个简要分析。

在三相开关磁阻电机当中绕组连接极性的分布主要为NSNSNS的连接形式，这种形式的绕组连接对三相开关磁阻电机有利于对电机噪声的降低。因为在像NNNSSS此种绕组连接的接法中存在着磁路、电流波形和大小都不一直的现象[5]。而NSNSNS的绕组连接方式中的磁路和电流波形都有一致性，因此可以降低噪声。

在四相开关磁阻电机当中绕组连接有正串接法和反串联接法，在正串接法中的极性连接方式为NNNNSSSS或者NSNNSNSS在这两种正串接法中，由于磁路市场会发生短磁路和磁路相互交替的情况，因此在这两种极性连接方式下的开关磁路电机的噪声会比较大，因此在改良后我们现在常用在四相开关磁路电机上的极性连接方式为NSNSNSNS,此种极性连接方式中磁路具有一致性，不会有之前两种极性连接所出现的短磁路和磁路相互交替的情况，因此噪声可以降低。

以上就是对开关磁阻电机中的关于不同相数电机所用到的绕组连接对三相和四相电机所产生的影响和最佳绕组的配适。

2.3 绕组连接方式与散热筋结构的组合

在开关电磁阻机中磁拉力是电机定子振动的驱动力，磁拉力所致的定子振动频率与电机的转速成正比。因此可以通过提高电机的定子的驱动力和定子振动的频率来进一步提高电机定子的转速，从而使转速中引起的共振频率降低，进而降低开关词组点的噪声[6]。但是在电机定转子的转速提升上去以后，定子的温度也会随之上去，因此得给定子配上相应的散热措施，而散热筋结构对不同绕组连接的电机定转子频率有着不同的影响，主要有以下几点：①传统轴向散热筋结构对定子径向性振动波的低阶数固有频率的作用不大，但是对高阶数固有振动频率有降低作用。②在进行模态分析时应该考虑到散热筋结构对定子振动系统高阶数固有频率表的精度计算有较大影响。③周向散热筋结构和传统的周向散热筋相对比之下，对低阶数固有频率的提高效果一般，而对高阶数固有频率的提高效果非常显著。④在提高固有频率中，绕组加固工艺对高阶数的固有频率的作用很小，而对低阶数的固有频率的作用较大[7]。因此，综合以上四点，要想对振动系统各阶的固有频率都有提高作用，那么就应该同时采用周向散热筋结构和绕组加固工艺。

3 综合控制策略应对滚筒洗衣机用开关磁阻电机降震减噪的改良方法

在滚筒洗衣机用开关磁阻电机的降震减噪方法中，应当综合定转子结构的改良、开关磁阻电机的相数以及绕组极性连接、绕组连接方式与散热筋结构的相结合这几种从开关磁阻电机内部结构进行改良以达到降震减噪效果的方式，充分利用可以改良的电机部位，为滚筒洗衣机应用的开关磁阻电机的良好发展做最基础的结构奠定[8]。通过这几个部位结构的改良，实现降低开关电磁阻电机内部的空气的压缩、绕组加固工艺对固有频率的提高、电机定子的转速提高、提高绕组极性连接磁路一致性等这几点明显的改善，从而提高滚筒洗衣机用开关磁阻电机的降噪减震措施。

除了以上几点内部结构的改良措施之外，加强对滚筒洗衣机的自身外周条件和开关电磁阻机组成的硬件条件部分的的改变也是对开关磁阻电机所产生的噪声有着明显的改善效果。例如，降低空气动力噪声（增加滚筒洗衣机中滚筒的排风口）、增加定转子的硬度（从根源上加大滚筒洗衣机滚筒的稳定性）、增加阻尼系数（对滚筒洗衣机的突然性软启动有缓冲功能）、利用弹簧减震等措施[9]。

在电机的尺寸选择中，对开关磁阻电机的震动和噪声的影响也是极大的。主要因为电机的噪声测量一般与表面相距不远，属于近场测量。而电机产生的声波近似为柱面波，无穷大平面声波乘以相对应的声强系数即可测量出该电机的声强。据研究表明，长度长、直径小的电机相比较于长度短、直径大的电机声强系数要大，噪声辐射效率较高，因此，在滚筒洗衣机用开关磁阻电机的降噪减震方法上面可以尽量选择相对滚筒洗衣机自身体积容量较大的电机，这样对电机的降震减噪也有着明显的实用性效果[10]。