籠型三相異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)識(shí)別與分析

莊火庚

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上?！?00063]

籠型三相異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)識(shí)別與分析

莊火庚

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司，上海200063]

摘要：為了準(zhǔn)確識(shí)別分析三相異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)的主要影響因素，采用降電壓法測(cè)量并識(shí)別了電磁振動(dòng)、軸承振動(dòng)以及轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)等主要成分。結(jié)合理論分析方法，對(duì)電磁力波引起的振動(dòng)進(jìn)行詳細(xì)的分析，較好的識(shí)別了齒諧波電磁力、偏心以及飽和等多種因素引起的振動(dòng)，為電動(dòng)機(jī)振動(dòng)噪聲的針對(duì)性改進(jìn)優(yōu)化提供了具有參考意義的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：籠型異步電動(dòng)機(jī)； 振動(dòng)識(shí)別； 電磁振動(dòng)

0引言

異步電機(jī)的振動(dòng)特性組成部分較復(fù)雜，其振動(dòng)主要由氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁振動(dòng)、軸承產(chǎn)生的振動(dòng)、轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)等。其中，氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生的振動(dòng)主要由齒諧波磁場(chǎng)相互引起的諧波電磁力產(chǎn)生的振動(dòng)，靜偏心、動(dòng)偏心時(shí)產(chǎn)生的單邊磁拉力引起的振動(dòng)等。因此對(duì)其振動(dòng)產(chǎn)生的原因的準(zhǔn)確定位和抑制較為困難。為了較好的分析識(shí)別三相異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)特性，并采取針對(duì)性的振動(dòng)抑制措施，需要對(duì)三相異步電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加速度進(jìn)行頻率解耦，并對(duì)各個(gè)頻率下的主要振源進(jìn)行識(shí)別分析，從而達(dá)到對(duì)特定頻率振動(dòng)針對(duì)性的抑制目的[1-2]。

本文采用降電壓法分離識(shí)別一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)電磁力引起的振動(dòng)、軸承振動(dòng)及轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電磁力理論分析方法，對(duì)引起電磁振動(dòng)的主要電磁力的成分及產(chǎn)生原因進(jìn)行了識(shí)別分析。

1電磁振動(dòng)的分離與識(shí)別分析

1.1電磁振動(dòng)的產(chǎn)生原因及特點(diǎn)

三相異步電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)除基波磁場(chǎng)外主要由氣隙諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁激振力引起的。諧波電磁激振力包括齒諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的諧波電磁力、飽和引起的諧波磁場(chǎng)與基波及齒諧波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的電磁激振力、靜偏心、動(dòng)偏心時(shí)隙磁導(dǎo)發(fā)生變化引起的電磁激振力等。產(chǎn)生電磁力的氣隙磁密的表達(dá)式為[3]

b(θ,t)=f(θ,t)λ(θ,t)

(1)

式中：f(θ,t)——?dú)庀洞艅?dòng)勢(shì)；

λ(θ,t)——?dú)庀洞艑?dǎo)。

定子繞組三相對(duì)稱(chēng)分布的異步電機(jī)運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子繞組的合成磁勢(shì)為

f(θ,t)=fp(θ,t)+∑fv(θ,t)+∑fμ(θ,t)

(2)

式中：fp——基波磁勢(shì)；

fv——定子諧波磁勢(shì)；

v——定子諧波次數(shù)；

fμ——轉(zhuǎn)子諧波磁勢(shì)；

μ——轉(zhuǎn)子諧波次數(shù)。

各磁勢(shì)均為時(shí)間和空間的變量，具體表示為

fp(θ,t)=Fpcos(pθ-ω1t-φm)

(3)

∑fv(θ,t)=∑Fvcos(νθ-ω1t-φv)

(4)

∑fμ(θ,t)=∑Fμcos(μθ-ωμt-φμ)

(5)

式中：p——電機(jī)極對(duì)數(shù)；

θ——空間機(jī)械角度；

ω1——電源角頻率，相對(duì)于定子的基波旋轉(zhuǎn)角頻率，ω1=2πf1；

φm、φv、φμ——相應(yīng)于各磁場(chǎng)的初相角；

當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)理想情況下運(yùn)行時(shí)，考慮飽和及定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽帶來(lái)的齒槽效應(yīng)，氣隙磁導(dǎo)可近似表示為

(6)

式中：Λ0——?dú)庀洞艑?dǎo)的不變部分；

λk1——轉(zhuǎn)子光滑而定子開(kāi)槽引起的氣隙諧波磁導(dǎo)；

λk2——定子光滑而轉(zhuǎn)子開(kāi)槽引起的氣隙諧波磁導(dǎo)；

λk1k2——定子和轉(zhuǎn)子均開(kāi)槽相互作用引起的氣隙諧波磁導(dǎo)；

λksa——飽和氣隙磁導(dǎo)。

偏心情況下氣隙磁導(dǎo)的近似表達(dá)式為

λε(θ,t)=λ0(θ,t)[1+εecos(θ-ωet)]

(7)

式中：εe——相對(duì)偏心率；

ωe——等于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的角頻率。

根據(jù)麥克斯韋張量法，電機(jī)氣隙中單位面積受到的徑向電磁力的瞬時(shí)值可以表示為

(8)

式中：b(θ,t)——?dú)庀洞琶埽?/p>

μ0——空氣磁導(dǎo)率。

將式(2)和式(7)帶入式(1)得到氣隙磁密，再將氣隙磁密帶入式(8)可得到徑向電磁力。

忽略階次高、幅值小的力波分量后，電動(dòng)機(jī)主要徑向電磁力波如表1所示。表1中，序號(hào)1為基波電磁力波；序號(hào)2、3、4為定轉(zhuǎn)子齒諧波相互作用產(chǎn)生的力波；序號(hào)5、6為一階定轉(zhuǎn)子齒諧波與飽和諧波相互作用產(chǎn)生的諧波電磁力；序號(hào)7為飽磁場(chǎng)與基波相互作用產(chǎn)生的電磁力。

表1　正常運(yùn)行時(shí)主要徑向電磁力波

靜偏心時(shí)主要徑向電磁力波如表2所示。從表2中可以發(fā)現(xiàn)在靜偏心情況下，主要徑向力波的階數(shù)每一項(xiàng)都±1。

表2　靜偏心主要徑向電磁力波

表3為動(dòng)偏心情況下主要徑向電磁力波的分布，其中徑向力波的階數(shù)與靜偏心情況下的階數(shù)一致，但頻率在原有力波頻率基礎(chǔ)上變化±fr。

表3　動(dòng)偏心主要徑向電磁力波

1.2電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)的識(shí)別與分析

本文為了分析一臺(tái)Y-200L-6/4型電動(dòng)機(jī)底腳4個(gè)安裝螺栓附近的振動(dòng)加速度，在4極空載運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)量分析了該臺(tái)電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)加速度。該電動(dòng)機(jī)基本參數(shù)如表4所示。振動(dòng)加速度級(jí)測(cè)量結(jié)果頻譜分析如圖2所示。該電機(jī)4極空載運(yùn)行時(shí)的底腳振動(dòng)加速度總振級(jí)為129.19dB(10～10kHz)。

圖1　空載振動(dòng)加速度測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

圖2　空載振動(dòng)加速度級(jí)測(cè)量結(jié)果

參數(shù)名稱(chēng)參數(shù)值額定功率/kW22額定電壓/V380定子外徑/mm327定子內(nèi)徑/mm230氣隙長(zhǎng)度/mm0.5鐵心長(zhǎng)度/mm230定/轉(zhuǎn)子槽數(shù)72/58繞組聯(lián)結(jié)方式Y(jié)相帶60°節(jié)距15

幅值較大的主要頻率點(diǎn)的加速度級(jí)如圖3所示。

圖3　底腳主要頻率點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)

為了分析造成這些頻率點(diǎn)振動(dòng)較大的原因，使用降電壓法對(duì)該電機(jī)的主要振源進(jìn)行了識(shí)別。

首先測(cè)量電機(jī)額定電壓下穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)，然后依次測(cè)量電壓降至80%和60%額定電壓后穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的振動(dòng)，最后將三者的振動(dòng)頻譜數(shù)據(jù)進(jìn)行比較并分析振動(dòng)變化規(guī)律。

將不同電壓下測(cè)得的振動(dòng)加速度頻譜進(jìn)行對(duì)比分析后可知，不同頻譜曲線(xiàn)的峰值分布基本是一致的，只是幅值的大小會(huì)隨著電壓的變化而變化。

把主要頻率點(diǎn)的振動(dòng)幅值數(shù)據(jù)提取出來(lái)進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示可知：50、200、1550、1725、1750、7150、7250、7350、8700、8800和8900Hz等頻率處的振動(dòng)值隨著電壓的降低而顯著降低。這跟電磁力與電壓之間的理論關(guān)系是相符的，故可以推斷，這些頻率點(diǎn)處的振動(dòng)極有可能是由電磁力的激勵(lì)而引起的。

圖4　主要頻率點(diǎn)的振動(dòng)加速度有效值比較

本文為了進(jìn)一步分析電磁激振力引起的振動(dòng)，對(duì)本臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行二維場(chǎng)路耦合瞬態(tài)場(chǎng)計(jì)算后，對(duì)定子齒表面附近，在氣隙處某一點(diǎn)的徑向力進(jìn)行傅里葉分析，分析結(jié)果如圖5所示[4]。將圖4中的主要頻率振動(dòng)加速度與圖5中的主要力波頻率對(duì)比分析后可知，1550Hz、7150Hz、7250Hz、7350Hz、8700Hz、8800Hz處的振動(dòng)主要原因?yàn)辇X諧波電磁力引起的。

圖5　氣隙諧波電磁力頻譜分析結(jié)果

由動(dòng)偏心時(shí)的力波分析表可知，動(dòng)偏心時(shí)，會(huì)在原有力波頻率的基礎(chǔ)上，增加±fr=±25Hz的力波。因此圖4中的1725Hz、8775Hz的振動(dòng)主要由轉(zhuǎn)子動(dòng)偏心引起。

由飽和引起的電磁激振力的頻率特征理論分析結(jié)果可知，電機(jī)鐵心飽和時(shí)會(huì)產(chǎn)生頻率為200Hz的電磁力波。圖4中的200Hz處的振動(dòng)可能為飽和磁場(chǎng)與基波相互作用產(chǎn)生電磁激振力引起的振動(dòng)。為了進(jìn)一步明確該頻率振動(dòng)為飽和引起電磁激振力產(chǎn)生的振動(dòng)，本文采用有限元分析方法，分別為鐵心考慮飽和及不考慮飽和時(shí)的電動(dòng)機(jī)電磁振動(dòng)的計(jì)算分析。主要頻率電磁力的計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖6可看出：軛高增加或不考慮鐵心飽和的情況下，氣隙電磁力波中的200Hz，300Hz等諧波分量明顯降低。證明該頻率處的主要力波由鐵心飽引起的。鐵心飽和時(shí)會(huì)產(chǎn)生低頻段的電磁激振力，從而影響低頻的振動(dòng)。

圖6　氣隙諧波電磁力頻譜分析結(jié)果

圖4中的25、1455、1500、1575、1630、1700、1875Hz等頻率處的振動(dòng)值不隨電磁力的降低而減小，與電磁力的變化規(guī)律不相符，則極有可能與軸承等機(jī)械因素引起的振動(dòng)有關(guān)。

2軸承振動(dòng)的識(shí)別與分析

為了進(jìn)一步判斷這些頻率振動(dòng)是否與軸承有關(guān)，我們對(duì)電機(jī)更換新的軸承后重新做了振動(dòng)加速度測(cè)量試驗(yàn)。更換軸承后，機(jī)腳振動(dòng)加速度總振級(jí)由129.19dB降至121.1dB，降低了約8dB。

把更換新軸承前后主要頻率點(diǎn)處的振動(dòng)值進(jìn)行對(duì)比，如圖7所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：1700、1455、1575、1630、1500、1870Hz等頻率點(diǎn)處的振動(dòng)都顯著的得到了改善，說(shuō)明更換新軸承后，軸承噪聲得到了有效的抑制。

圖7　換軸承前后主要頻率點(diǎn)的結(jié)構(gòu)噪聲

更換軸承后的電磁振動(dòng)與軸承振動(dòng)的變化如圖8所示。左側(cè)為認(rèn)為電磁振動(dòng)的頻率點(diǎn)，右側(cè)為認(rèn)為軸承振動(dòng)的頻率點(diǎn)?？梢钥吹剑彩亲R(shí)別為軸承振動(dòng)的頻率點(diǎn)都有較為顯著的改善，而識(shí)別為電磁振動(dòng)的頻率點(diǎn)則無(wú)明顯變化。進(jìn)一步說(shuō)明了振動(dòng)識(shí)別的準(zhǔn)確性。

圖8　換軸承前后主要頻率點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)變化量

3動(dòng)平衡引起的振動(dòng)的識(shí)別與分析

經(jīng)過(guò)更換軸承后雖然較多頻率處的振動(dòng)有明顯的變化，但25Hz的振動(dòng)未因更換新軸承而降低，也未電磁力的變化而變化。該頻率處的振動(dòng)主要為動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)。為了明確動(dòng)平衡對(duì)電機(jī)振動(dòng)的影響規(guī)律，分別對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡校準(zhǔn)和未校準(zhǔn)動(dòng)平衡情況下測(cè)量分析了一臺(tái)電動(dòng)機(jī)底腳振動(dòng)加速度級(jí)。對(duì)比分析結(jié)果如圖9所示。經(jīng)過(guò)分析可知，動(dòng)平衡度較差時(shí)，在轉(zhuǎn)頻附近(25Hz)會(huì)產(chǎn)生較大的振動(dòng)，而在其他頻率處無(wú)明顯變化。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)一步確認(rèn)了25Hz處的振動(dòng)為主要有轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)。

圖9　動(dòng)平衡對(duì)電動(dòng)機(jī)底腳振動(dòng)加速度的影響

4結(jié)語(yǔ)

降電壓法對(duì)電機(jī)振動(dòng)的識(shí)別起到很好的作用，可以有效的分離識(shí)別出電磁激振力引起的振動(dòng)和其他機(jī)械原因的引起的振動(dòng)。

在此基礎(chǔ)上結(jié)合三相異步電動(dòng)機(jī)電磁激振力產(chǎn)的機(jī)理分析及電磁激振力有限元分析結(jié)果可以逐一分離識(shí)別出齒諧波、偏心以及飽和等多種因素引起的電磁振動(dòng)。能夠?yàn)椴煌蛞鸬恼駝?dòng)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)提供明確方向。

經(jīng)過(guò)更換軸承、校轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡等方式可以有效的識(shí)別出了軸承或轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)。軸承振動(dòng)分布在較寬的頻率范圍內(nèi)，而轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡量主要對(duì)其轉(zhuǎn)頻對(duì)應(yīng)的頻率的振動(dòng)有顯著影響。除此之外試驗(yàn)表明了可以經(jīng)過(guò)以上方式可以達(dá)到抑制軸承引起的振動(dòng)及轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)的目的。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成.電機(jī)噪聲的分析和控制[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1987.

[2]朱海峰.異步電動(dòng)機(jī)電磁激振力分析[D].杭州：浙江大學(xué)，2013.

[3]狄沖，鮑曉華，王漢豐，等.感應(yīng)電動(dòng)機(jī)混合偏心情況下徑向電磁激振力的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2014.29(1).138-144.

[4]王荀，邱阿瑞.籠型異步電動(dòng)機(jī)徑向電磁力波的有限元計(jì)算[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27(7)：109-116.

Vibration Identification and Analysis of Three Phase Squirrel Cage Induction Motor

ZHUANGHuogeng

[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute(Group)Co.， Ltd.， Shanghai 200063, China]

Abstract：In order to accurately identify the main influence factors of three-phase induction motor vibration, the electromagnetic vibration, bearing vibration and the vibration caused by rotor dynamic unbalance and other major components were analyzed by using the method of reducing the voltage. Based on the theoretical analysis method, the vibration caused by of electromagnetic force was identified and analyzed in detail, and the vibration caused by many factors, such as the electric magnetic force, the eccentricity and the saturation factor, was well recognized. It provided a reference for the further improvement and optimization of the vibration of the motor.

Key words：squirrel cage induction motor; vibration identification; electromagnetic vibration

作者簡(jiǎn)介：莊火庚(1962—)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榇秒姍C(jī)與電器技術(shù)。

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 302

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2016)05- 0047- 05

收稿日期：2016-04-16