永磁同步电机具有调速范围宽、效率高、功率因数高、起动转矩大等诸多优势,广泛应用在电动汽车、工业伺服、风力发电和机车牵引等领域,现代电动驱动系统的发展完善为永磁电机的广泛应用提供强有力的保证。然而,相对于电网直接供电的永磁同步电动机,变频驱动永磁同步电机的振动和噪声大,显著影响电机的性能,是变频器和电机研发设计阶段需要解决的重点问题。变频器供电的永磁同步电机定子电流含有丰富的谐波分量,电流谐波与电磁力波紧密联系,尤其是变频器开关频率附近的高频电流谐波产生的高频电磁力波,其频率较高,易接近电机固有频率而引起共振。电机的振动和噪声主要由作用在定子内表面的电磁力波产生,研究变频器供电永磁同步电机的谐波电流与电磁力波,能够为选取合适的控制策略及抑制电机的振动和噪声提供参考。本文以矢量控制和直接转矩控制作为变频器的控制策略,对电机的定子电流谐波进行深入研究,分析了不同控制策略下变频器供电的电机电磁力波时间和空间分布,并从变频器控制角度考虑削弱高频电磁力波。本文具体的工作内容如下:(1)研究了矢量控制下永磁同步电机定子电流谐波的频谱分布、含量和幅值的变化规律,并进行了实验验证。首先根据空间矢量调制的基本原理,分析变频器输出线电压谐波的表达式,总结出PWM谐波电流的频谱分布规律,为谐波电流的仿真分析提供理论参考。建立矢量控制永磁同步电机的联合仿真有限元模型,研究电机负载周期性变化、变速调节等因素对定子电流谐波含量的影响。同时,深入研究PWM谐波电流的转速特性和负载特性,总结其谐波分量的幅值与转速和转矩的关系。选取一台7.5kW的永磁电机进行了实验,测量分析了不同转速和转矩条件下电流谐波含量和PWM谐波幅值的变化规律,通过实验对仿真结果进行了验证。(2)研究了直接转矩控制策略下永磁电机定子电流谐波的频谱分布、含量和幅值的变化规律。根据调制技术的不同,直接转矩控制分为传统直接转矩控制和基于SVPWM技术的直接转矩控制,分别研究这两种直接转矩控制下电机的电流谐波频谱分布、含量和幅值的变化规律。搭建这两种直接转矩控制策略下的变频器-电机系统的有限元联合仿真模型,分别对两种直接转矩控制策略下电机定子电流谐波频谱进行比较分析。电机给定不同转速和负载,研究在不同转速和转矩条件下电流谐波含量的变化规律,以及PWM谐波幅值与转速和转矩的关系。(3)研究了永磁同步电机在空载、正弦供电和变频器供电下的径向和切向电磁激振力波的时间和空间分布以及谐波幅值大小。利用磁动势-磁导法解析推导了电机在空载、正弦供电和变频器供电情况下径向电磁力波的表达式,得到电磁力波的阶次和频率,为电磁力波的仿真提供理论参考。解析法能够快速、准确得到电磁力波的阶次和频率,只能定性分析,而有限元法可以精确得到各电磁力谐波的幅值。利用矢量控制和直接转矩控制下的变频器-电机系统模型仿真计算相应的电磁力波,利用编写的Matlab程序对电磁力波进行二维傅里叶分解得到时间和空间分布图。将电机在空载和正弦电流供电下得到的电磁力谐波的阶次、频率和幅值作为参照,与电机在变频器供电时丰富电流谐波下的电磁力谐波分量进行比较。对不同供电状态下的电磁力波进行分析,能够为进一步研究电机的振动和噪声提供参考。(4)选取合适的变频器控制策略抑制高频电磁力波。变频器在固定开关频率的作用下引入了高频时间谐波电流,其产生的高频电磁力谐波频率较高,易与电机的固有频率接近而产生共振,进而引起电机的高频噪声。建立随机PWM控制策略的仿真模型,计算电机额定状态下的电流和高频电磁力波,进行傅里叶分解得到电流谐波和电磁力谐波的频谱,与变频器固定开关频率下得到的电流谐波频谱和电磁力谐波频谱进行比较分析,论证随机PWM调制技术对削弱高频电磁力波的有效性。