论拍频振动和噪声在电动机质量诊断中的应用

2013-03-04赵小龙章力源

防爆电机 2013年4期

赵小龙，章力源

(1 驻哈尔滨地区舰船配套军事代表室，黑龙江哈尔滨150040;2 佳木斯防爆电机研究所，黑龙江佳木斯154005)

0 引言

电机中主磁通大致上沿径向进入气隙，并在定子和转子上产生径向力，引起切向振动和轴向振动。当电机存在某些质量问题时，会引起与电机相连的部件共振，产生辐射噪声。如电机转子动偏心、鼠笼型转子断条时，就会产生很低的二倍转差频率的拍频振动和噪声。通过分析产生振动和噪声的力波，弄清其产生的机理，就可以判断出电机的质量缺陷所在。继而在设计参数和结构中作适当的改进以大幅提高电机的质量。本文介绍了通过分析和研究笼型异步电机存在的与转差有关的拍频振动和噪声来判定质量缺陷的方法。

1 与转差有关的拍频振动和噪声产生的原因

电机转子动偏心会产生与转差有关的低频振动和噪声。当两个频率很接近的振动相互叠加后，会产生与原来的两个振动频率近似相等，而振幅不固定的振动，即所谓的拍频振动及由此引起的噪声。在数学上，拍频振动可以看成两个正弦函数的叠加。设两个振动分量频率分别为ω+Δϖ，ω-Δϖ，其中Δϖ很小，因此两个频率非常接近。振幅为Y1和Y2，它们相互叠加的结果如式(1)。

等号右侧的第一项和第二项都是拍频振动，如图1 所示。

图1 异步电机拍频波形图

这两个频率的力波叠加将产生振动阶数为1的拍频振动和噪声。拍频频率如表1 所示。

表1 力波总结表

根据试验和分析可知，在旋转电机中有无拍频振动和噪声现象出现，主要取决于定子磁场与转子旋转角速度ϖ1和ϖ2之间的大小关系。当ϖ1=ϖ2时，不会出现拍频振动和噪声。因此，同步电机和直流电机就不会有这种现象发生。而在异步电机中，转子的旋转速度ϖ2与定子磁场旋转的角速度ϖ1是异步的，有一较小的差异存在。这一差异与电机的转差有关，所以异步电机中，总是存在与转差s 有关的拍频振动和噪声，而且负载越大，拍频振动和噪声越明显。

2 质量缺陷与拍频振动和噪声的关系

2.1 动偏心时引起的拍频振动和噪声

电机转子加工偏心、转轴弯曲、轴承座松动、转子不平衡和轴承松动将使电机动偏心，产生阶数的二倍转差率的拍频振动和噪声。由表1 可知，这种动偏心产生的振动和噪声中有两个最主要的分量即

式中，n—阶次;f—拍频频率;f1—基频;s—转差率;p—极对数。

2.2 笼型转子断条时引起的拍频振动和噪声

当鼠笼转子断条时，如图2 所示。由叠加原理，可以把有一根鼠笼转子导条断条的电机分成(b)和(c)两种情况的叠加。由于断条的影响，产生了一附加磁势叠加在主磁势上，使气隙磁密的分布有所改变，即在断条的一边为助磁，另一边为去磁(如图2(a)所示)，以至磁密不平衡，产生一磁拉力。产生附加磁势的定子槽总是与转子断条联系在一起的，因此它总是以转子速度旋转着。这个旋转磁拉力迫使转子呈弓型旋转，致使定子变形，从而产生振动和噪声。转子弓形旋转又将引起磁拉力的增大，使振动和噪声增大。经研究当鼠笼转子有一根断条产生时，也将产生拍频振动和噪声。拍频频率为

由此可见，转子断条时，将产生二倍转差频率的振动和噪声以及与转差率有关的低频振动和噪声。此结论对多于一根断条的情况同样适用。需要指出的是，对类似的鼠笼型转子断环对噪声和振动的影响很小，无法通过分析产生振动和噪声的力波的方式确定故障。

图2 气隙磁密的分布图

3 利用拍频诊断电机故障的实例

3.1 利用拍频振动诊断电机轴承故障

故障发生的电机型号是HY-200L1(30kW，2 900r/min)。故障的现象为设备起动后，电机有明显的拍频振动现象，会产生忽高忽低的噪声。此噪声在电机运行十几分钟后便消失，但电机噪声稍大，随着使用时间的延长，噪声会越来越大，同时发出噪声的时间也更长。从电机机身水平及垂直方向拾取的振动数据分析，“嗡-嗡”噪声的振动频率为1Hz(见图3)，其振动是由于电机的电磁力矩频率(99.9Hz)与电机转子旋转频率的二倍频(98.9Hz)形成的一种拍频现象。若切断电机电源，则在断电瞬间，1Hz 振动消失，故可断定振动是由机械振动引起的，且损坏的零件是电机轴承。因为电机轴承的旋转精度影响电机转子气隙的均匀性，电机转子气隙内某一点的运动轨迹如图4 所示。电机轴承旋转精度越低，δ 值越大，气隙的均匀性越差。由于气隙均匀性差，使得气隙中产生谐波磁通量，其结果是:①它在定子线圈中产生电流，从而对电源频率进行调制;②定子铁心产生所谓径向交变激振力，因而引起定子铁心振动;③引起磁力(N.I)的变化，因而引起扭矩和速度的变化，使转子和轴产生振动。根据上述分析，决定更换电机轴承。更换轴承后，拍频振动消失，电机噪声降低。

图3 频域波形

3.2 利用拍频振动诊断电机断条故障

故障发生的电机型号是YB-200L1(30kW，1 460r/min)。故障的现象为设备起动后，电机有明显的拍频振动现象，随着电机负载的增大，电机的振动加大。从电机机身水平及垂直方向拾取的振动数据的频域波形(见图4)可见。在4Hz 存在一个较大的振动幅值。而电机的基频f1=50Hz，转差率s=0.04，则2sf1=2×50×0.04=4Hz。因此该台电机的振动是电机旋转频率与基频产生拍频引起的，由于拍频的频率等于2sf1(二倍转差频率)，由于上述电机运行时产生了较大的二倍转差频率的振动和噪声，所以可以断定电机存在断条故障。