異步立式電機(jī)振動(dòng)原因分析及解決方法

張秀菊

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

某16P異步立式水泵電機(jī)上、下軸承均采用滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，在制造過(guò)程中存在振動(dòng)問(wèn)題，空載時(shí)振速達(dá)到4.3～5.3 mm/s，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為2.3 mm/s，該數(shù)據(jù)已遠(yuǎn)超國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。生產(chǎn)制造過(guò)程中類似的問(wèn)題頻繁出現(xiàn)，因此針對(duì)該問(wèn)題，有必要找出原因并解決。一般而言，立式電機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的原因與臥式電機(jī)類似，但是由于立式電機(jī)自身結(jié)構(gòu)不同，更容易出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。立式電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。立式電機(jī)一般為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，軸承為一個(gè)推力軸承加上、下兩個(gè)導(dǎo)軸承，連接水泵后要承受水泵產(chǎn)生的拉力，從而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，容易產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。

1 異步立式電機(jī)電磁振動(dòng)及解決方法

1.1 異步電機(jī)電磁振動(dòng)原因

1.1.1 氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向力

異步電機(jī)的磁場(chǎng)是一個(gè)旋轉(zhuǎn)的力波，它的徑向力波使定子和轉(zhuǎn)子發(fā)生徑向變形和周期性振動(dòng)產(chǎn)生電磁噪聲。異步電機(jī)的電磁振動(dòng)是由電機(jī)交變氣隙磁場(chǎng)作用于電機(jī)的鐵心產(chǎn)生的交變電磁力所激發(fā)。電磁力在定子鐵心齒上可分解為徑向分量和切向分量，徑向分量使定子鐵心產(chǎn)生振動(dòng)變形是電磁噪聲的主要來(lái)源，切向分量是與電磁轉(zhuǎn)矩相對(duì)應(yīng)的作用力矩，它使齒對(duì)根部產(chǎn)生彎曲，并產(chǎn)生局部的振動(dòng)變形，是電磁噪聲的次要來(lái)源。當(dāng)電動(dòng)機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心因生產(chǎn)加工等原因造成氣隙不均勻時(shí)還會(huì)產(chǎn)生單邊磁拉力，從而也會(huì)引發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)。

圖1 立式電機(jī)基本結(jié)構(gòu)

從振動(dòng)的角度來(lái)看，需分析徑向電磁力。應(yīng)注意以下各項(xiàng)：

(1) 基波磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向電磁力

(1)[1]

式中：p0為徑向力不變部分；p1為徑向力交變部分。

p0作為電磁徑向力恒定部分，來(lái)源于電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互間的吸力，均勻作用于定子鐵心內(nèi)圓上，壓縮定子鐵心。因其在圓周方向均勻分布，對(duì)電動(dòng)機(jī)振動(dòng)無(wú)影響，甚至起到削弱振動(dòng)的效果。

p1為徑向力的交變部分，它的幅值等于徑向力的不變部分p0，它是行波，這個(gè)力波在空間沿定子鐵心圓周以兩倍電機(jī)極對(duì)數(shù)均勻分布。

(2) 定、轉(zhuǎn)子繞組諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的徑向電磁力

從電磁振動(dòng)角度考慮，定、轉(zhuǎn)子任何一對(duì)諧波相互作用產(chǎn)生的力波如下：

(2)[1]

特別當(dāng)r=0，1，2，3，4時(shí)，式2中的電磁力會(huì)引起比較強(qiáng)烈的振動(dòng)。

1.1.2 磁路飽和產(chǎn)生的電磁振動(dòng)

磁路飽和時(shí)各參數(shù)具體關(guān)系如下：

(3)[1]

因磁路飽和產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)與前面諧波磁場(chǎng)ν、μ相互作用，產(chǎn)生如下次數(shù)的力波：

r=v±2p±μ=rμv±2p

(4)[1]

其中的低次力波可能導(dǎo)致較為顯著的電磁振動(dòng)。

1.1.3 二倍轉(zhuǎn)差頻率產(chǎn)生的電磁振動(dòng)

此類振動(dòng)一般產(chǎn)生于：

(1) 轉(zhuǎn)子為分?jǐn)?shù)槽的繞線電機(jī)，在此不做闡述。

(2) 鼠籠轉(zhuǎn)子斷條的情況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子磁勢(shì)不對(duì)稱，生產(chǎn)制造過(guò)程中非常少見。

1.2 電磁振動(dòng)解決方法

在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，需要合理的選擇電機(jī)的計(jì)算和結(jié)構(gòu)參數(shù)，最大限度地削弱電磁力。確定電磁方案時(shí)，應(yīng)注意以下幾項(xiàng)。

(1) 0.8Z1≤Z2≤1.25(Z1+P)[2]

式中：Z1為定子槽數(shù);Z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù);P為極對(duì)數(shù)。

(2) 避開r=0，1，2，3，4的情況，條件為

式中:r為力波階數(shù)。.

(3) 避免出現(xiàn)磁路飽和現(xiàn)象。

2 異步立式電機(jī)機(jī)械振動(dòng)及解決方法

2.1 異步立式電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)的原因

(1) 轉(zhuǎn)子的機(jī)械不平衡性產(chǎn)生的振動(dòng)，如壓裝、軸焊接及加工的誤差、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條與端環(huán)焊接誤差、集電環(huán)質(zhì)量偏差或者與轉(zhuǎn)子連接的輔助設(shè)備平衡度偏差等都可導(dǎo)致轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡。

(2) 轉(zhuǎn)子的熱不平衡引起的振動(dòng)。如轉(zhuǎn)子鐵心與軸的配合不緊可能產(chǎn)生軸的不對(duì)稱加熱，在電機(jī)負(fù)載工況下，不僅是離心力，而且轉(zhuǎn)子的損耗都會(huì)使轉(zhuǎn)子鐵心膨脹，這時(shí)可能產(chǎn)生配合不緊，從而引發(fā)電機(jī)的不穩(wěn)定振動(dòng)。

(3) 異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速接近臨界轉(zhuǎn)速時(shí)，會(huì)引起電機(jī)系統(tǒng)的振動(dòng)加劇，會(huì)引發(fā)轉(zhuǎn)子平衡改變，造成固有特性振動(dòng)。

(4) 軸與推力頭間隙過(guò)大也容易造成推力頭與轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)偏心，從而導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子氣隙不均勻，引發(fā)電磁振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致定轉(zhuǎn)子相擦。

(5) 上機(jī)架剛度不夠，引起變形過(guò)大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不穩(wěn)定。

(6) 軸承引起的振動(dòng)。立式軸承上軸承由推力軸承和導(dǎo)軸承組成，當(dāng)推力軸承各個(gè)瓦面不平整或者導(dǎo)軸承間隙選擇不佳時(shí)會(huì)引起軸承溫度過(guò)高，從而引起振動(dòng)。油脂的粘稠度選擇不佳也會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)。

(7) 電機(jī)的固有特性頻率與電源頻率或電源頻率的倍頻接近。

(8) 由于制造公差和運(yùn)行磨損，電機(jī)的轉(zhuǎn)子外圓和定子的內(nèi)圓之間會(huì)產(chǎn)生偏心，從而引發(fā)電磁振動(dòng)。

2.2 異步立式電機(jī)機(jī)械振動(dòng)解決方法

(1) 為了避免旋轉(zhuǎn)部件不平衡造成的振動(dòng)，在生產(chǎn)制造過(guò)程中需要嚴(yán)格把控動(dòng)靜平衡試驗(yàn)，并對(duì)不平衡量進(jìn)行準(zhǔn)確校正。

(2) 電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮轉(zhuǎn)子啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)條、端環(huán)的電密，并確保其有良好的通風(fēng)環(huán)境，避免轉(zhuǎn)子冷熱不均而造成的熱收縮形變，并盡可能增加轉(zhuǎn)子剛度，另外鐵心在軸上的配合應(yīng)采用熱配合。

(3) 在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，使臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速。一般情況下臨界轉(zhuǎn)速與電機(jī)額定轉(zhuǎn)速的偏差要在15%～30%以上，圖2為計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速的振型圖，分析結(jié)果為第1階(水平)1 127.6 r/min，第1階(垂直)1 165.7 r/min，而工作轉(zhuǎn)速為370 r/min。

圖2 振型圖

(4) 軸與推力頭的配合公差的選擇要滿足力矩傳遞要求。本電機(jī)為了增加連接強(qiáng)度，推力頭與軸采用兩檔不同尺寸配合，但檢驗(yàn)尺寸時(shí)發(fā)現(xiàn)推力頭上的兩檔之間不同心。后采用一體加工方法，消除了兩檔軸心不同造成的偏差。采用此方法后，振速變?yōu)?.8 mm/s，下降明顯，因此推力頭上的兩檔尺寸不同心是此電機(jī)振動(dòng)的主要原因。

(5) 利用有限元手段，分析上機(jī)架推力軸承座剛度，并作相應(yīng)優(yōu)化，有限元模型如圖3所示。載荷加載方式：m=上軸承質(zhì)量+轉(zhuǎn)子質(zhì)量+推力，均勻分布于上機(jī)架推力軸承座上圓板內(nèi)圈(充分考慮到受力的不均勻性，計(jì)算結(jié)果偏大，電機(jī)相對(duì)安全)，如圖4所示。

經(jīng)有限元分析，最大應(yīng)力為63 MPa，如圖5所示，遠(yuǎn)小于普通結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度，強(qiáng)度足夠；最大變形為0.18 mm(圖6)，位于上機(jī)架中間位置，小于1 mm，上機(jī)架推力軸承座具有足夠的剛度，符合設(shè)計(jì)規(guī)范。

圖3 有限元模型

圖4 載荷與約束

圖5 總等效應(yīng)力

圖6 總變形

在處理本電機(jī)時(shí)，還采用了通過(guò)增強(qiáng)推力軸承與推力軸承座的連接剛度(增加連接螺栓數(shù)量，增打定位銷等方式)的方法來(lái)減小振動(dòng)。

(6) 為了避免軸承引起的振動(dòng)，軸承安裝需要嚴(yán)格按照立式電機(jī)使用說(shuō)明書進(jìn)行，確保推力軸承瓦面平整度及精度符合要求(推力頭與鏡板拼裝后校調(diào)形位公差)，并嚴(yán)格按照要求調(diào)整導(dǎo)瓦間隙。為避免此類原因引起的振動(dòng)，可采用彈性推力瓦結(jié)構(gòu)。推力瓦塊下置有碟形彈簧，在運(yùn)輸過(guò)程中可抗沖擊，在運(yùn)行中每個(gè)瓦塊的受力可自行調(diào)節(jié)，有助于油膜的產(chǎn)生及使每個(gè)瓦塊受力均勻。

(7) 本軸承選用的46號(hào)汽輪機(jī)油經(jīng)過(guò)大量電機(jī)運(yùn)行驗(yàn)證，符合選用標(biāo)準(zhǔn)。

(8) 電機(jī)運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，圖7、圖8、圖9是電機(jī)前三階整體模態(tài)振型，各階頻率避開了電源頻率50 Hz，及100頻(2倍頻)。

圖7 一階振型-左右搖擺(86.9 Hz)

圖8 二階振型-左右搖擺(88.4 Hz)

圖9 三階振型-上下?lián)u擺(114 Hz)

(9) 需盡量避免轉(zhuǎn)子擺放方式不正確而導(dǎo)致的軸彎曲現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合具體電機(jī)制造案例，分析了立式電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)的原因，并給出了解決振動(dòng)的方法，同時(shí)，結(jié)合有限元手段進(jìn)行電機(jī)模態(tài)分析及計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速，提供更加精確的仿真結(jié)果。希望通過(guò)本文的闡述，能為廣大電機(jī)制造同仁在電機(jī)的研發(fā)制造中提供有益的幫助與建議。