高速电机电磁振动问题的分析及处理_张磊

［2］ 汤蕴璆，罗应立，梁艳萍． 电机学（ 第 3 版） ［M］． 北 京： 机械工业出版社，2008． 5，129-131． ［3］ ［美］Singers S． Ｒao 等． 机械振动（ 第 4 版） ［M］． 北 京： 清华大学出版社，2009． 8，334-336． ［4］ 陈世坤． 电机设计（ 第二版） ［M］． 北京： 机械工业出 版社，2000，191-200．
（ Nanyang Explosion Protection Group Co．，Ltd．，Nanyang 473008，China） Abstract The electromagnetic vibration of high-speed motor is always the problem to be solved by design and technology personnel． The double frequency vibration of a motor is analyzed according to electromagnetic vibration theory，and model analysis the motor is carried out by ANSYS finite element software． It is found that the results of them are identical． Finally， the electromagnetic vibration problems of the high-speed motor are successfully solved according to analytical result． Key words High-speed motor； electromagnetic vibration； model analysis
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设备的连接上。引接电缆在机壳内的布置和间距 推荐值，可保障电机长期运行的安全性，仅供参考。
参考文献 ［1］ 祁世发，朱珊珊，张东林． 哈电大中型交流电机 LDF 绝缘体系． 哈尔滨： 大电机技术 2010． 8． ［2］ 刘洋，张东林，方建国，等． 提高炉水循环泵湿绕组 电动机的绝缘可靠性． 上海： 上海大中型电机 2007． 2． ［3］ SN31 672 电机 电气间隙，爬电距离，间距 西门子
磁通密度的作用力 F 与磁通密度 B 的平方
成正比即
F
=
B2
1 2μ0
｛1
－
cos［2（
pθ
－
ωt）
］｝
（ 1）
式中，B—基波磁通密度的振幅，wb / m2 ； p—磁极
对数； ω = 2πf—角速度（ f 为电源频率） ； θ—转子
中心轴线的初始角度（ 机械角度） ； μ0—磁导率。 根据式（ 1） 可知基波电磁力具有以下特点：
表 3 优化后测点数据
测点 通频 1 倍 1 倍 2 倍 3 倍 位置 振动值 频幅值 频相位 频幅值 频幅值 1 通道 测点 1 1． 79 0． 47 174 1． 86 0． 55 （ mm / s）
2 通道 测点 2 0． 80 0． 96 266 0． 14 0． 54
（ mm / s）
（ 注： 测点 1 为轴承轴向，测点 2 为轴承水平方向）
根据式（ 2） 、式（ 3） 可知： 磁密 B 随着电动势
的增大而增大。因此对于同一台电机来说，其电
磁振动引起的振幅会随着电源电压的增大而逐渐
增大，与电机实际振动情况符合。
2． 2 利用有限元软件 Ansys 对电机进行模态分
析
2． 2． 1 模态分析理论基础
对于自由振动系统来说，其运动微分方程可
写为
0 引言
对于电机来说，振动会使电机产生很大的噪 声，并且导致性能下降、轴承磨损、绝缘寿命缩短。 此外，电机振动也会造成拖动机械的损坏，影响周 围设备的 正 常 工 作，并 造 成 工 作 机 器 噪 声 倍 增。 严重的振动噪声多出现在 2p、4p 电机上，后果很 严重。因此 有 必 要 采 用 新 的 技 术 和 手 段 进 行 分 析，找出解决办法。
2
74． 017
非轴伸端，轴承轴向振型
3
75． 537
整机，水平方向振型
4
99． 436
整机，轴向振型
5
121． 2
6
146． 08
整机，竖直方向振型 电机底板振动振型
通过分析得知此电机有一个 99． 436Hz 的整 机轴向振型，与试验所得的 97Hz 频率接近，且其 与电源频率二倍频基本重合，振型如图 4 所示。
图 5 原机座顶部筋结构示意图
将机座顶板铣开两条宽度为 25mm 的槽，目 的是断开铁心支板与顶板的联接以降低机座刚 度，位置如图 6 所示。
图 8 优化后二倍频振幅图
图 6 优化后机座顶部结构示意图
经过优化改动，重新对此电机进行分析，其固 42
图 9 优化后用锤击法测得固有频率曲线图
( 下转 54 页)
关键词 高速电机； 电磁振动； 模态分析 DOI： 10． 3969 / J． ISSN． 1008-7281． 2014． 01． 13 中图分类号： TM304． 4 + 2； TM355 文献标识码： B 文章编号： 1008-7281（ 2014） 01-0040-004
Analysis and Treatment of Electromagnetic Vibration of High-Speed Motor Zhang Lei，Lu Xuchao，Wen Peiyan，and Zheng Jinpei
结合，解决生产过程中出现的问题，达到了很好的 效果，为以后解决企业生产过程中出现的类似问
作者简介： 张磊 男 1983 年生； 毕业于郑州大学机械 工程及自动化专业，现从事电机的结构设计及研发等工作．
题提供了新的思路和方法。
收稿日期： 2013-11-04
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基波 电 磁 力 的 频 率 为 电 源 频 率 的 两 倍，即 2f =
100Hz，且以正弦波规律在圆周上分布。
电源电压 E 与磁通密度 B 的关系如下
E = 4． 44fNkw1 Φ
（ 2）
Φ
=
2 π
Blτ
（ 3）
式中，N—线圈匝数； Kw1 —υ 次谐波的绕组因数； Φ—磁通量； l—电枢有效长度； τ—极距。
提高机座固有频率需要增加大量材料，加工 较为困难，且增加材料的主要方式是焊接，不易保 证精度，加工变形量较大，且定子绕组已焊接在机 座内，焊接加工有可能损伤定子绕组的绝缘性能。 降低机座固有频率需要在机座上去除材料，加工 较为方便，可以依靠切削工艺来保证精度和控制 变形量，后续处理也比较方便。
综上所述，采用去除机座部分结构以降低电 机固有频率的方法，处理起来较为简单、并能满足 生产进度的需求。通过观察 Ansys 分析所得的振 型，可以看出该电机振幅最大位置在铁心顶部，经 过一系列分析及优化，对电机做了如下改动： 将机 座顶部的 5 条 40mm 筋全部铣掉，原机座顶部的 筋如图 5 所示。
段对其进行处理，未见明显好转。
表 1 测点数据
测点 通频 1 倍 1 倍 2 倍 3 倍
位置 振动值 频幅值 频相位 频幅值 频幅值
1 通道 （ mm / s）
测点 1
4． 09
0． 96
168
5． 67 0． 45
2 通道 （ mm / s）
测点 2
0． 94
0． 80
329
0． 86 0． 57
图 4 原电机整机轴向振型图
2． 3 分析结论 经过以上理论分析和 Ansys 模态分析，可证
明该电机振动的主要原因是电源频率二倍频与电 机固有频率重合而引起的共振，与初步判断吻合。
41
3 解决方案
有频率为 81． 535Hz，如图 7 所示。
解决此振动问题需要将电机的固有频率避开 二倍频（ 100Hz） ，可以通过提高或者降低电机的 固有频率来实现。
图 7 优化后整机轴向振型图
由上可知该电机的固有频率已有效避开了电 源二倍频（ 100Hz） 频率。据此推测，其振动幅值 会随之降低。
对此电机按照图 6 进行优化处理后，重新测 试振动，电压升至 10kV 时其二倍频振动幅值最 大为1． 86mm / s，低于国家标准，测试结果见表 3， 振幅图见图 8 所示； 用锤击法测得其固有频率为 80． 5Hz，与分析结果吻合，证明此次改动是有效 的。测得固有效率曲线图如图 9 所示。
2． 2． 2 使用 Ansys workbench 14． 0 进行电机的模
态分析，节点数 637507，单元数 223636，有限元网
格模型如图 3 所示。计算得出该电机的固有频率
如表 2 所示。
图 3 有限元网格模型 表 2 电机的固有频率
阶数 固有频率（ Hz）
振型
1
71． 636
轴伸端，轴承轴向振型
｛ m｝ x + ｛ c｝ x + ｛ k｝ x = ｛ F（ t） ｝
（ 4）
式中，｛ k｝ —刚度系数矩阵； ｛ c｝ —阻尼系数矩阵；
｛ m｝ —质量系数矩阵。
而要研究结构的模态特性及在荷载作用下的
动态响应都必须首先研究结构的自由振动，即转
化为对式（ 4） 齐次式的特征值的研究，即
｛ m｝ x + ｛ c｝ x + ｛ k｝ x = 0
高速电机电磁振动问题的分析及处理
张磊，卢绪超，温培艳，郑金沛
( 南阳防爆集团股份有限公司，河南南阳 473008)
摘 要 高速电机的电磁振动一直是困扰设计和工艺人员的难题，针对某型号电机的二倍频 振动，根据电磁振动理论进行理论分析，并用 Ansys 有限元软件对其进行模态分析，分析结果与试 验结果较为吻合。根据分析结果对该电机进行处理，成功解决了此例高速电机的电磁振动问题。
1997． 3． ［4］ OEA． 617． 176 硅橡胶自粘带 采购规范． ［5］ 3M 公司 收缩套管样本．
作者简介： 张晓波 女 1963 年生； 毕业于齐齐哈尔轻 工学院（ 现齐齐哈尔大学） ，现从事化学分析及绝缘材料 研制工作．
收稿日期： 2013-12-06
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图 1 轴承轴向二倍频振幅图 图 2 锤击法测得固有频率值为 97Hz
经初步判断这是由于电机固有频率与电源频 率二倍频接近引起的共振。
2 电机振动原因分析
电机产生振动的原因非常复杂，总体上来说
分为机械振动和电磁振动两种，而电磁振动则是
二极电机二倍频振动的主要原因。
2． 1 基频磁通的电磁振动理论分析
（ 5）
由于电机结构主要由金属组成，阻尼作用可
以忽略不计，式（ 5） 可变为
｛ m｝ x + ｛ k｝ x = 0
（ 6）
求解此方程即为求解无阻尼自由振动的特征
值问题，经过一系列变换，可得
Δ = | ｛ k｝ － ω2｛ m｝ | = 0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（ 7）
这是一个特征方程，ω2 称为特征值，ω 称为
系统的固有频率。
（ 注： 测点 1 为轴承轴向，测点 2 为轴承水平方向）
1 电机振动实例分析
现有一台高压箱式 1400kW-2p 电机，在整机 试验时轴向振动超标，其振动有如下特点。
（ 1） 轴承座的轴向振动较大。 （ 2） 转速为 3 000r / min、电压为 6kV 时，振动 较小，随着 电 压 上 升，振 动 幅 值 渐 大，电 压 升 至 10kV 时，电机的二倍频轴向振动达到 5． 67mm / s， 测点数据见表 1，振幅图如图 1 所示。 （ 3） 使 用 锤 击 法 测 得 其 电 机 固 有 频 率 为 97Hz，接近二倍频（ 100Hz） ，如图 2 所示。 （ 4） 通过紧固底脚、研磨轴瓦、加固定子等手 40
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参考文献
4 结语
［1］ 张键． 机械故障诊断技术［M］． 北京： 机械工业出版 社，2008． 9，162-171．
综上所述，电机振动有相当大一部分是由于 电机的固有频率与激励频率共振而引起的，利用 CAE 软件进行模态分析，可以找出与激励频率相 接近的电机固有频率，以此指导电机的结构设计， 可以有效避免共振，对于解决电机的振动有很大 的帮助。本文将 CAE、Ansys 软件与实际生产相