大型交流变频调速电机定子机座动态特性研究

2011-05-03丁淑华庞立军

上海大中型电机 2011年2期

丁淑华，庞立军

(哈尔滨大电机研究所，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

近年来，基于改变电源频率来调节电机转速的交流变频调速电机得到了广泛的应用，正逐步取代传统的直流调速电机。一般来说，电机在电磁和结构设计时都需采取很多措施来避振降噪，如选择合理的电磁参数、选择适当的槽配合和槽斜度、提高关键部位的加工精度、改进风扇和风罩的结构、选用合适的轴承以及提高动静平衡精度等方法以有效地控制电机的振动和噪声。

由于振动和噪声的来源比较复杂，交流变频调速电机在运行过程中产生的振动与噪声问题一直没有得到很好的解决。笔者结合模态分析技术，从提高定子机座整体刚度的角度出发，针对系列大型交流变频调速电机的定子机座进行了动态特性分析，从中总结出关于定子机座动态性能的一些规律，给出了定子机座避振设计方法，对解决振动和噪声问题具有重要参考价值。

1 主要危害频率

交流变频调速电机是用变频器改变定子电源频率来改变电机同步频率来实现电机调速的。由于定子电流中含有高次谐波成分，电机转矩中含有脉动分量，有可能造成电机振动频率与结构固有频率相接近或吻合而产生共振现象。因此应预先找到结构的固有频率，然后利用变频器的跳跃功能设置，避开共振频率点;或者通过改变结构固有频率使其避开次谐波成分。同时，供电电源频率范围和电机的转速频率也是诱发共振的重要因素之一。

因此，在结构设计时，定子机座应该尽可能地避开以下主要危害频率:

(1)电机转速频率

(2)电源频率

(3)2倍电源频率

(4)4倍电源频率

(5)开关频率(定子电流中的高次谐波成分)

2 定子机座动态特性分析

随着有限元技术的日益成熟，采用有限元法对结构进行数值模拟已经成为现代工程仿真计算的重要方法。笔者应用Ansys软件对不同系列大型交流变频调速电机的定子机座建立了有限元分析模型，采用Block Lanczos迭代法进行了定子机座的模态分析。

2.1 基本参数

不同系列大型交流变频调速电机的基本参数如表1所示。

表1 电机基本参数

2.2 模态分析

由于定子机座和铁心之间由“T”型定位筋连接，为了能够反映真实结构，选取的计算模型主要包括机座和铁心，同时考虑了冷却器、转子和轴承座重量对定子机座固有频率的影响。

机座与基础把合处考虑为刚性约束。有限元模型如图1所示。

不同系列电机定子机座模态分析结果如表2所示。模态振型如图2、图3所示。

图1 定子机座有限元模型

表2 定子机座模态分析结果Hz

从表2分析结果可知:005系列电机定子机座固有频率的分布比较合理，轴向、径向和整体振型均能有效避开可能引起共振的频率。从19阶到30阶振型都表现为机座板的局部振型，频率值均能够避开电源开关频率。001系列和F系列电机定子机座的刚度设计相对较弱，其中001系列定子机座的第1、3阶整体固有频率与电源频率倍频程比较接近，第20阶局部振动频率与电源开关频率比较接近。F系列定子机座的第3阶整体固有频率与电源频率倍频程比较接近，第24阶局部振动频率与电源开关频率比较接近。这些固有频率与危害频率相差范围都在10%以内，可能会引起共振发生。想要错开这些危害频率，就必须通过提高定子机座的整体刚度来改变其固有频率，同时要对局部筋板适当加强。

根据定子机座的整体振型和局部振型特点，提高整体轴向、径向刚度和采用局部加强的方法是可行的。因此，在原结构的基础上使定子机座的基础板由60 mm变为70 mm，两端的盖板由40 mm变为44 mm，中间筋板由30 mm变为40 mm，机座下部盖板由5 mm变为10 mm，同时沿轴向方向增加2根钢管进行串联。

定子机座结构加强后的模态分析结果如表3所示。