用于减小电马达的噪声的方法

摘要

一种用于电马达的噪声减小的方法。本发明涉及一种用于减小通过变流器(2)馈电的马达(1)的噪声的方法。为了减小所形成的噪声而提出：改变马达(1)中的磁通量(Φ)，使得磁通量(Φ)的基本振动与磁通量(Φ)的谐波的乘积减小。此外提出：附加地或替选地，改变马达(1)处的电压(US)和/或脉冲频率(fp)和/或中间回路电压(UZK)。

权利要求

1.一种用于减小通过变流器(2)馈电的马达(1)的噪声的方法，其中，改变所述马达(1)中的磁通量(Φ)，使得减小所述磁通量(Φ)的基本振动与所述磁通量(Φ)的谐波的乘积，其中为了改变所述磁通量(Φ)的谐波而改变所述变流器(2)的占空比和/或脉冲频率(fp)，其中，根据所述马达(1)处的负载力矩(M)改变所述马达(1)中的所述磁通量(Φ)和/或根据所述马达(1)的转速(n)，借助于所述马达(1)处的电压(US)和/或电流(is)改变所述马达(1)中的所述磁通量(Φ)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，从所述变流器(2)的输出电流(21)中确定所述负载力矩(M)。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，借助于特征曲线根据所述马达(1)的转速(n)确定所述负载力矩(M)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，提高所述占空比使得所述磁通量(Φ)提高。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中，改变所述变流器(2)的中间回路电压(UZK)。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，改变所述变流器(2)的中间回路电压(UZK)。

7.一种用于借助于根据权利要求1至4中任一项所述的方法减小通过变流器(2)馈电的马达(1)的噪声的调节设备(3)，其中，所述调节设备(3)能够与所述变流器(2)连接，使得能够传输所述马达(1)的磁通量(Φ)的理论值并且能够传输脉冲频率(fp)的和/或中间回路电压(UZK)的理论值。

8.根据权利要求7所述的调节设备(3)，其中，所述调节设备(3)具有输入端(31)，关于所述马达(1)的转速(n)的信号能够输送给所述输入端。

9.一种驱动系统(4)，具有

-根据权利要求7至8中任一项所述的调节设备(3)，

-变流器(2)，和

-马达(1)，

其中，所述马达(1)能够借助于所述变流器(2)与能量供应网络(5)连接，其中，所述调节设备(3)与所述变流器(2)连接，以便将至少一个理论值传输给所述变流器(2)，并且其中，所述调节设备(3)与用于检测所述马达(1)的转速(n)的机构(6)连接。

说明书

用于减小电马达的噪声的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于减小通过变流器馈电的马达的噪声的方法。此外，本发明涉及一种用于减小通过变流器馈电的马达的这种噪声的调节设备以及一种具有这种调节设备、变流器和马达的驱动系统。

背景技术

[0002] 由马达放射的噪声的主要部分是电磁起源。在此，通过马达之内的磁通量的谐波在马达中产生径向力波，所述径向力波通过定子绕组和转子绕组的非正弦分布以及通过由于定子和转子开槽产生的气隙的波动产生。

[0003] 径向力波激励叠片组。其产生振动，所述振动作为固体声传递并且作为噪声经由周围环境传播。壳体用作为传递元件并且放大其固有频率范围中的所放射的噪声的水平。

[0004] 为了减小马达噪声通常尝试：或者改变或者优化马达的机械设计，或者通过调制方法最小化由变流器所引起的时间谐波，以及在马达的共振部位附近避免具有一定频率的由变流器所引起的时间谐波。

发明内容

[0005] 本发明所基于的目的是，进一步减小由逆变器馈电的马达的马达噪声。

[0006] 所述目的通过用于减小通过变流器馈电的马达的噪声的方法来实现，其中根据马达处的负载力矩改变马达中的磁通量，使得磁通量的基本振动与磁通量的谐波的乘积减小。

[0007] 所述目的还通过一种用于借助于用于减小通过变流器馈电的马达的噪声的方法减小通过变流器馈电的马达的噪声的调节设备来实现，其中调节设备能够与变流器连接，使得能够传输马达的磁通量的理论值。所述目的还通过一种驱动系统实现，所述驱动系统包括这种调节设备、变流器和马达。

[0008] 本发明的有利的设计方案在以下内容中进行说明。

[0009] 本发明基于如下知识：在转速可变的驱动器中除了上面已经提出的径向力波之外形成其他的力波，其中所述驱动器由变流器馈电。引起噪声形成的径向力波通过磁通量的基本振动与其时间谐波的交互作用来引起。对于马达在变流器运行中的噪声形成决定性的是：磁通量的基本振动与磁通量的谐波的乘积。后者取决于如下参数，所述参数从变流器调制中得出，即例如调制类型(脉冲图案)、占空比和脉冲频率。

[0010] 为了理论上更精确地阐述变流器所引起的径向力波的形成，假设如下简化情况：为了产生磁通量在定子电压中存在基本振动和两个谐波。在该情况下，借助如下等式描述定子电压的空间矢量

[0011]

[0012] 异步马达的气隙中的磁通量密度能够作为旋转向量示出。在假设定子电压的情况下，磁通量密度为

[0013]

[0014] 其中， 并且 旋转向量 在位置 处到轴线上的投影提供沿着机器的气隙的磁感应分布

[0015]

[0016] 气隙中的径向的拉应力(每面积单位的径向拉力)与磁通量的平方成比例[0017]

[0018] 在假设谐波的幅度比基本振动幅度小得多的情况下，该等式引起[0019]

[0020] 其借助于上述关联得出如下结果：

[0021]

[0022] 该等式显示出存在具有频率ωh1-ω1，ωh2+ω1的两个脉冲分量和具有频率ωh1+ω1，ωh2-ω1的两个旋转分量。旋转分量的空间序列等于2p，其中p作为极对数。如在该等式中可见，通过减小谐波Bh1和Bh2的幅度或基础谐波B1的幅度，能够减小该分量的幅度。

[0023] 磁通量的基本振动的变化通过形成通量的电流的变化来产生。形成通量的流为无功电流。磁通量的基本振动也能够通过马达电压与马达频率的比来近似。

[0024] 马达中的磁通量的谐波变化能够通过变化的占空比来引起，所述占空比也称作为调制度。该变化的占空比能够选择为，使得该占空比引起马达的磁通量中的较小谐波。其示出：该效应能够用于：减小马达中的磁通量的谐波和固有频率的乘积，使得通过变流器馈电的马达的噪声降低。减小磁通量的谐波进而所形成的噪声的另一可行性在于：改变脉冲频率。

[0025] 因此能够通过马达中的磁通量的变化减小通过马达产生的噪声。因此，例如对于部分负载运行减小磁通的固有频率引起：磁通量的一个或多个谐波和基本振动的乘积占有较小的值，进而减小马达的噪声。至今为止，减小磁通的基本振动仅用于减小部分负载运行中的马达损失。相反于减小损失功率，除了降低通量之外，根据马达的和/或变流器的工作点提高磁通量和与之关联地提高占空比也能够引起噪声减小。于是当马达具有相应的设计余量使得铁在提高磁通量时不处于饱和时，提高通量尤其才是可行的。此外，为了减小噪声，当通量提高减小了马达电流时，提高脉冲频率。

[0026] 在此，作为变流器能够使用如下的变流器，所述变流器具有中间回路并且将输入电压首先在其再次变换成用于对马达馈电的交流电压之前变换成中间回路中的直流电压。同样地，直接变流器也适合于应用根据本发明的方法，其中不产生直流电压。

[0027] 根据本发明的方法能够针对所有类型的变流器馈电的马达执行，尤其针对异步机和同步机执行。

[0028] 在本发明的一个有利的设计方案中，马达中的磁通量根据马达处的负载力矩改变。对于该方法证实为尤其有利的是：当马达和/或变流器处于其最大的性能之下时，才能够执行改变磁通量。该状态也称作为部分负载运行。于是得出的自由度、即例如热储量于是能够用于减小噪声，该噪声减小并不必然地提高马达和/或变流器的总损失。当然，为了更小的噪声排放也能够容忍提高变流器和/或马达中的损失。

[0029] 在本发明的一个有利的设计方案中，从变流器的输出电流中确定负载力矩。因为已知变流器调节装置的马达的数学模型和变量，所以所述数学模型和变量也能够以简单的方式用于减小马达噪声。对此，通过变流器调节装置本身，进行借助于改变磁通减小马达噪声。因为对于变流器调节装置已知变流器输出电流的所需要的值，所以也能够以简单的方式执行通量变化。在此，有利地也能够对于调节考虑其他的变量，所述变量描述变流器的状态。

[0030] 替选地，也能够通过单独的调节设备预设通量的变化。于是，在变流器调节装置和单独的调节装置之间传输相应的值、即例如变流器输出电流和/或通量理论值。

[0031] 在本发明的一个有利的设计方案中，根据马达的转速借助于马达处的电流和/或电压改变磁通量。在此，转速能够借助于适当的测量设备、即例如马达的转速传感器来确定。同样可行的是：从变流器和变流器调节装置已知的变量、即例如输出电压或输出电流中能够推出马达的转速。这在简单的情况下能够从所述变量中的一个的频率中得出。该频率与在异步机的情况下通过滑差引起的马达转速不同。然而为了执行该方法指出：频率的值已经充分精确。替选地，从变流器调节装置的变量以及相应的马达模型中能够计算马达的转速。

[0032] 在已知负载特性的情况下，其中马达轴处的力矩基本上与转速相关，能够放弃确定马达的负载力矩。从转速信号中能够充分精确地确定负载关系进而也能够确定马达和/或变流器的运行状态，以便能够执行用于通量变化的相应的措施，而马达不在不允许的运行状态下、即例如过载或保护下运行。

[0033] 在本发明的一个有利的设计方案中，借助于特征曲线根据马达的转速确定负载力矩。特别的负载机器、例如泵或压缩机具有特定的特性，所述特性能够以特征曲线的形式说明。借助于该特征曲线和相应的马达或负载转速，能够精确地确定马达的负载力矩。从中能够确定马达的和/或变流器的运行状态，以便执行相应的通量变化，以减小噪声。

[0034] 在此，特征曲线能够离线地来确定并且存储在调节装置中。替选地或补充地，特征曲线也能够在马达运行期间确定并且必要时存储。

[0035] 在本发明的一个有利的设计方案中，改变变流器的脉冲频率。在部分负荷范围中，能够将变流器的剩余性能用于提高脉冲频率。该措施尽管在变流器中产生更多的损失功率。当然，该措施在变流器的剩余性能中，例如在部分负荷范围中或通过将变流器相应地设置得更大而能够用于提高脉冲频率。此外，也能够在全负荷运行中例如执行通量提高，只要马达由此不处于饱和中。与之相随的马达功率的下降能够用于提高脉冲频率。这作用于降低磁通量的谐波，也使得所形成的噪声减小。因为性能也能够与马达的负载力矩相关，所以证实为有利的是：也根据马达的负载力矩执行脉冲频率的提高。

[0036] 较高的脉冲频率引起更好地将电流匹配于正弦的时间变换。由此能够减小马达的电流中进而磁通量中的谐波。为了更低的马达噪声而能够容忍与之相随的更高的变流器损失。

[0037] 在本发明的一个有利的设计方案中，改变变流器的中间回路电压。变流器的输出电压和中间回路电压之间的比例称作为变流器的占空比。根据占空比和脉冲频率能够在输出电压中进而也在输出电流中产生高阶谐波，所述输出电流在马达中产生磁通量。通过改变中间回路电压，即提高和减小中间回路电压，在变流器输出电压相同的情况下改变占空比。因此，通过适当地改变中间回路电压能够通过变流器或其变流器调节装置设定占空比，所述占空比仅产生少量的谐波。因此，占空比有助于减小马达的噪声。

附图说明

[0038] 下面，根据附图中示出的实施例详细描述和阐述本发明。其示出：

[0039] 图1示出贯穿马达的横截面，

[0040] 图2示出驱动系统的结构，

[0041] 图3示出具有调节装置的驱动系统的结构，

[0042] 图4针对典型的调制方法(空间矢量调制)示出不同的频率范围中(脉冲频率的数倍)的径向拉力σ的谐波与占空比a的关联，和

[0043] 图5示出根据马达转速改变磁通量、脉冲频率和中间回路电压的实施例。

具体实施方式

[0044] 图1示出贯穿马达1的横截面的一部分。马达1具有定子14和转子13。在定子14和转子13之间存在气隙15。径向拉力16与其基本振动和其谐波以箭头的形式在该视图中示出。径向拉力16在环周之上的该分布引起定子14的径向变形17。马达1中的径向拉力16的时间变化导致径向变形17的变化。因此，径向变形17引起马达壳体的震动，使得形成声波11和固体声12，所述声波和固体声能够察觉为噪声。径向变形17从定子14的定子叠片组转移到马达1的壳体上并且在那里作为声波11经由空气传播。如果不存在壳体，那么径向变形17直接从定子叠片组作为声波11转移到空气中。固体声12一方面经由马达1的固定装置传输，也经由马达轴传输。

[0045] 图2示出驱动系统4的结构。该驱动系统4具有能量供应网络5,、变流器2、马达1以及连接到马达1上的负载7。变流器2与能量供应网络5三相地连接。马达1与变流器2的输出端三相地连接。负载7经由马达轴与马达1连接。变流器2具有整流器22和逆变器23。整流器22和逆变器23经由中间回路24彼此连接。整流器22的任务是：将能量供应网络5的交流电压变换成直流电压。从该直流电压中通过逆变器23在变流器2的输出端处产生电压US。替选地，在该实施例中未示出：也能够将能量供应网络的电压直接地变换成变流器的输出电压，而并不使用中间回路。这种类型的变流器称作为直接变流器。也对于其能够应用根据本发明的方法。借助于电压US的幅度和频率在马达1处设定期望的工作点。执行工作点设定和校正偏差的相应的变流器调节装置25在图2中为了概览而没有示出。变流器2的、尤其逆变器
23的另一特征性的变量是脉冲频率fp，逆变器23以所述脉冲频率对其在附图中未明确示出的开关器如下进行开关：例如利用脉冲宽度调制进行开关，以便在变流器2的输出端处产生相应的电压US。通过电压US产生变流器2的输出电流21，所述输出电流在马达1中产生磁通量Φ和力矩M。该力矩M经由轴传输给负载7。在此未详细示出的变流器调节装置25的目的是：
例如调节马达1的转速n和力矩M，以便达到稳定的工作点。

[0046] 图3示出驱动系统4包括变流器调节装置25以及用于改变磁通量Φ和/或脉冲频率fp和/或中间回路电压UZK的调节设备3的结构。为了避免重复，参考图2的描述以及在那里列举的附图标记。除了图2中示出的部件之外，图3的驱动系统4具有用于检测转速n的机构6。转速n的信号由用于检测转速n的机构6传输给变流器调节装置25和传输给调节设备3的输入端31。

[0047] 调节设备3能够设置在变流器2中和变流器2之外。调节设备3同样能够设置在变流器2中或设置在变流器2之外。此外，调节设备3也能够集成到变流器调节装置25中进而为变流器调节装置25的一部分。变流器调节装置25的目的是：产生变流器2的输出电压的理论值。对此，尤其考虑如下变量，如中间回路电压UZK、换流器21的输出电流iS和换流器的转速n。此外，调节设备3用于减小由马达1引起的噪声。对此，根据转速n改变磁通量Φ的理论值，使得减小马达1的噪声。如已经描述的那样，这通过如下方式执行：将磁通量Φ设定为，使得磁通量的基本振动与磁通量Φ的谐波相乘占有尽可能小的数值。此外，能够改变脉冲频率fp以及中间回路电压UZK，使得它们也减小磁通量的基本振动和谐波的上述乘积。对此，将相应的理论值由调节设备3传输给变流器调节装置25。变流器调节装置25于是能够通过对逆变器23的开关器(功率半导体)的开关操作的取用来设定具有改变的磁通量Φ和必要时具有改变的脉冲频率fp的相应的工作点。通过取用整流器22的开关操作，能够设定改变的中间回路电压UZK。因此能够通过变流器2执行磁通量Φ、脉冲频率fp和中间回路电压UZK的改变。该干预可行性改变马达1和变流器2中的相应的物理变量。

[0048] 图4示出不同的频率范围(脉冲频率的数倍)中的径向拉力σ的谐波与常用的调制方法(空间矢量调制)的占空比a之间的关联。在此，至少除了额定转速之外，占空比a和转速n彼此成比例。于是，在额定转速之上，出现场减弱。可识别的是：根据占空比能够将多倍于脉冲频率的不同的谐波放大或减弱。在此，存在如下频率范围，在所述频率范围中，占空比的提高(例如通过减小中间回路电压)引起径向拉力σ的谐波的减小(例如对于双倍脉冲频率的谐波)。如果例如马达1在双倍的脉冲频率的范围中是敏感的，那么应当提高占空比a，以便引起噪声减小。如果马达在单倍的脉冲频率的范围中不灵敏，那么占空比a应保持得尽可能低。与之相随也减小马达1的噪声形成。

[0049] 图5示出用于减小马达1的噪声的方法的一个实施例。在该应用中，负载力矩M根据转速n已知。由于在低转速n的情况下力矩M相对小，因此低转速下的磁通Φ减小。此外，在高转速的情况下，力矩才达到其100％的值。随低的磁通量Φ产生的较小的电流得到如下可行性：提高脉冲频率fp，而变流器2并不过载、尤其热过载。在该实施例中，低转速的情况下的脉冲频率为200％。随变流器2中还有马达1中的负载提高进而还有更高的损失，再次减小脉冲频率fp。在如下最大转速的情况下，磁通量Φ和脉冲频率处于100％的标称值，其中在所述最大转速下必需通过马达提供最大的力矩M。此外，如在此在该实施例中示出，也能够经由转速n调整中间回路电压UZK，以便实现马达1的噪声减小。

[0050] 尽管详细地通过优选的实施例阐述和描述本发明，然而不通过所公开的实例来限制本发明，并且能够由本领域技术人员从中导出其他的变型形式，而没有脱离本发明的保护范围。