高速永磁电机机组轴系振动研究

高速永磁电机机组轴系振动研究

王天煜;王凤翔;方程

【摘要】高速电机由于体积小、功率密度大和效率高等优点,符合节能减排经济发展需要,成为电机领域的研究热点之一.在高速旋转机械中,转子振动将逐渐成为制约电机正常运行的瓶颈.因此,研究电机的振动特性对于电机的高速可靠运行是非常必要的.电机转子振动的来源主要包括偏心产生的离心力和不平衡磁拉力,本文采用有限元及Newmark积分法计算转子在不平衡力作用下非线性不平衡响应,用样机振动实验验证计算方法的正确性,通过机组振动实验分析轴系振动产生的原因.研究表明,电机的振动主要为离心力产生基频振动及由于转子动偏心产生的10倍频不平衡磁拉力的振动；其次是2倍频的振动.根据振动产生的主要原因提出相应减小振动的措施.%The high speed machinery, due to its small size, high power density, high efficiency and being able to meet the economy development needs of low-carbon and energy saving, is one of the great concerns in electrical engineering. Vibration is the bottleneck of stable operation of high-speed machinery. The vibration sources of rotor in permanent magnet ( PM) machine include mainly the centrifugal force generated by eccentricity and the unbalanced magnetic pull. The FEA combined with Newmark method was used to calculate the non-linear unbalance response due to unbalanced forces. The simulation results for vibrations under different frequencies were verified by tests. Studies show that the vibration frequency components of the machine are mainly the fundamental frequency component caused by eccentricity and the component of 10 times the fundamental frequency due to unbalanced

magnetic pull caused by dynamic eccentricity. Vibration amplitude of double frequency component is more significant. The corresponding measures to reduce vibration were proposed accordingly.

【期刊名称】《振动与冲击》

【年(卷),期】2011(030)009

【总页数】5页(P111-115)

【关键词】高速电机;非线性振动;不平衡响应;不平衡磁拉力;有限元法

【作者】王天煜;王凤翔;方程

【作者单位】沈阳工程学院机械工程系,沈阳110136;沈阳工业大学电气工程学院,沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院,沈阳 110870

【正文语种】中文

【中图分类】TG4

高速电机由于转速高，体积小，功率密度大等优点，符合当前低碳经济发展需要，已成为电机领域的研究热点之一［1－3]。对于采用磁力轴承支承的高速电机转速一般在30 000 r/min以上，在高速旋转机械中，转子振动逐渐成为制约电机正常运行的瓶颈。电机转子振动的来源主要包括偏心产生的离心力和不平衡磁拉力。当这两种激励的频率达到或接近转子的固有频率时，转子的振动将会加剧产生共振。因此，预测电机的不平衡响应特性对于电机的高速可靠运行是非常有必要的。

对于电机不平衡响应的研究应考虑不平衡磁拉力UMP(Unbalanced Magnetic Pull)的影响。对于不平衡磁拉力的计算已逐步完善，曲凤波［4]和姜培林［5]分别

采用不同的方法得到了不平衡磁拉力的近似非线性计算式;文献［6] 给出了UMP 的非线性表达式，建立了电磁振动的非线性系统方程。本文采用有限元及Newmark积分法计算转子在不平衡力作用下非线性响应，以额定转速60 000

r/min高速电机样机振动实验验证计算方法的正确性。通过机组振动实验分析轴系振动产生的原因，提出减小振动的措施。

1 转子不平衡力响应求解

作用在转子上的合外力包括UMP和转子质量偏心造成的不平衡离心力，则系统的运动方程为:

式(1)为二阶的非线性参数振动与强迫振动的耦合方程，通过非线性Newmark隐式积分法计算非线性动力响应，式(1)在t+Δt时刻可以写成如下:

假设t+Δt时刻的速度和位移为:

对式(2)～式(4)构成的方程组求解，即可得t+ Δt时刻的位移δ、速度和加速度。Δt是

t+Δt时间步，γ和β是 Newmark参数，选择γ =0.5，β =0.25，保证积分过程无条件稳定［7]。

2 单转子不平衡响应分析

本文研究的高速电机转子采用磁力轴承支承，能够实现振动的主动控制，且磁力轴承转子系统为刚性转子，正常运行情况下转子的质量偏心量较小。本文计算不同转速下转子不平衡力对转子系统振动的影响。

2.1 10 000 r/min转子振动响应分析

计算n=10 000 r/min转子只受离心力(不考虑UMP)作用下的振动响应，图1为