高速电机转子动力学理论与实践

刘　清 曾　纯 申　亮

（中车株洲电机有限公司）



高速电机转子动力学理论与实践

刘清 曾纯 申亮

（中车株洲电机有限公司）

摘要：本文主要从高速电机转子设计制造、某实物转子动力学计算、转子低速动平衡、电机试验这几方面叙述高速电机转子动力学理论与实践。

关键词：高速；电机；转子；动力学；动平衡

0 引言

与传统的电机相比，高速电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗少、效率高等优点，随着材料、设计、制造水平的提升，高速电机在现代工业上得到越来越广泛的应用。其中转子设计、制造是高速电机的关键之一，本文主要从高速转子的设计、制造理论，转子动平衡的方法，某型号高速电机转子动力学计算，该转子的低速动平衡，电机试验结果，来叙述高速电机转子动力学理论及实践。

1 高速电机

1.1 高速转子设计、制造理论

高速电机转子动力学计算是设计高速电机转子系统的关键之一。高速电机转子在临界转速下将产生共振，共振的幅值取决于系统的阻尼和该阶振型不平衡量的大小，以及通过临界转速时加速率的大小。一般来说，计算机组的临界转速，其目的是使机组偏离其临界转速工作，以保证机组稳定安全运行。一般要求为：对于在第一界临界转速nc1以下工作的刚性转子，应使工作转速n＜0.75nc1，对于在一界临界转速nc1以上工作的挠性转子，应使1.4nc1＜n＜0.7nc2。

挠性转子上平衡量的分布比刚性转子上不平衡量的分布有更重要的意义，因为它对挠曲振型的激励具有重要影响，因此需尽量减少转子的原始不平衡量。转子的设计将显著地影响不平衡量的大小与沿转子轴线的分布。因此在设计上应尽可能地使转子上的质量对转轴轴心对称分布，其离心力互相平衡，尽量减少设计原因造成的转子原始不平衡量偏大。

在转子制造阶段，材料、加工、装配均可影响转子的原始平衡量。因此在高速电机转子制造时应尽可能地保证：转子各部件材料内部质量分布均匀；转轴、转子铁心、叶轮等所有部件加工精度；所有部件装配后应尽可能地与转轴同心。通过以上方法最终保证原理不平衡量。

1.2 转子动平衡方法

转子的平衡是指检查并调整转子质量分布，以保证在对应的工作转速频率下，剩余不平衡或者轴颈振动和作用于轴承的力在规定限值内的工艺过程。转子的平衡通常采用动平衡机校验。转子的动平衡工艺根据转子刚性/挠性主要分为两种。

刚性转子其不平衡随转速没有明显变化，仅合成不平衡和合成平衡矩超出规定的限值，且在转速范围内转子所有的质量单元的相互位置保持足够恒定的状态。该转子的动平衡一般可通过任意选择的两个平衡面进行低速动平衡校正。

挠性转子通常情况下要求在高速下进行多面平衡，其基本方法主要为振型平衡法和影响系数法。根据GB/ T6557挠性转子机械平衡的方法和准则，在某些特殊情况下高速转子也可采用低速动平衡，我公司某型号的高速永磁电机转子即采用该方法。下面以该电机为例进行动力学分析、动平衡及试验。

1.3 某高速转子动力学计算

高速转子临界转速可以采用传递矩阵法进行计算，但相关参数难以准确求取，计算结果存在误差，因此精确的计算需要采用有限元分析软件进行计算，常采用的是Dyrobes的Dyrobes_Rotor或ansys分析软件，该计算结果可以为动平衡提供指导意义。公司某型号的高速永磁电机转子重85kg，额定转速21000r/min，图1为该高速电机转子模型。

图1　转子模型图

采用Dyrobes_Rotor对该转子系统进行临界转速分析，其第一阶、第二阶、第三阶无阻尼临界转速分别为7681r/min、12637r/min、3477r/min。对于无阻尼临界转速分析主要用于确定转子各阶振型以及临界转速的大概区间。如图2～4所示。

图2　转子一阶临界转速与振型

图3　转子二阶临界转速与振型

图4　转子三阶临界转速与振型

由转子动力学分析结果可知该转子的一阶、二阶振型近似为直线，应为刚体的平动或摆动，转子的三阶临界转速为弯曲振型，而该电机工作转速为21000r/min，避开了转子一、二界临界转速，且在第三阶弯曲临界转速以下，所以该转子考虑采用低速动平衡。

1.4 转子动平衡过程

1）检查并清理转子各零部件上的灰尘、铁屑等异物，以防止影响后续动平衡。

2）对各零部件上低速动平衡机进行低速动平衡，每个零件先粗校动平衡再精校动平衡，以确保其剩余不平衡量在允许范围内。

3）将转子铁心安装至转轴上，且转子铁心与转轴同心度符合要求，然后对转子铁心进行低速动平衡，直至剩余不平衡量在允许范围内。

4）将叶轮安装至转子上，且叶轮与转轴同心度、端跳符合要求，如不符合要求应对叶轮进行调整或更换叶轮，然后对叶轮进行低速动平衡，直至剩余不平衡量在允许范围内。

1.5 电机实验

转子动平衡后进行组装，电机组装完成后上试验台进行出厂试验。其振动测试结果为振动速度最大为2.1mm/s，振动幅值最大为23.9μm，其结果符合API617中振动测试标准要求。因此该转子采用低速动平衡方案是可行的。

2 结束语

本文主要针对高速永磁电机转子设计、制造的特点，并结合我公司的一台85kg，21000r/min实物转子动力学计算、低速动平衡、电机试验这几方面叙述高速永磁电机转子动力学计算及实践。现我公司已完成多个型号的高速电机转子动力学计算及实践，生产了多种型号的高速电机。

参考文献：

[1] 徐龙祥.高速旋转机械轴系动力学设计[M].北京：国防工业出版社,1994: 185-203.

[2] GB/T6557-2009挠性转子机械平衡的方法和准则[S].

[3] API617-2002 石油及化工和气体工业用离心压缩机[S].

收稿日期：（2015-12-15）