异步立式电机振动原因分析及解决方法

2018-09-22张秀菊

上海大中型电机 2018年3期

张秀菊

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

某16P异步立式水泵电机上、下轴承均采用滑动轴承结构，在制造过程中存在振动问题，空载时振速达到4.3～5.3 mm/s，而国家标准为2.3 mm/s，该数据已远超国家标准。生产制造过程中类似的问题频繁出现，因此针对该问题，有必要找出原因并解决。一般而言，立式电机振动产生的原因与卧式电机类似，但是由于立式电机自身结构不同，更容易出现振动现象。立式电机结构如图1所示。立式电机一般为细长结构，轴承为一个推力轴承加上、下两个导轴承，连接水泵后要承受水泵产生的拉力，从而导致系统稳定性变差，容易产生振动问题。

1 异步立式电机电磁振动及解决方法

1.1 异步电机电磁振动原因

1.1.1 气隙磁场产生的径向力

异步电机的磁场是一个旋转的力波，它的径向力波使定子和转子发生径向变形和周期性振动产生电磁噪声。异步电机的电磁振动是由电机交变气隙磁场作用于电机的铁心产生的交变电磁力所激发。电磁力在定子铁心齿上可分解为径向分量和切向分量，径向分量使定子铁心产生振动变形是电磁噪声的主要来源，切向分量是与电磁转矩相对应的作用力矩，它使齿对根部产生弯曲，并产生局部的振动变形，是电磁噪声的次要来源。当电动机定、转子铁心因生产加工等原因造成气隙不均匀时还会产生单边磁拉力，从而也会引发电机的电磁振动。

图1 立式电机基本结构

从振动的角度来看，需分析径向电磁力。应注意以下各项：

(1) 基波磁场产生的径向电磁力

(1)[1]

式中：p0为径向力不变部分；p1为径向力交变部分。

p0作为电磁径向力恒定部分，来源于电动机定转子磁场相互间的吸力，均匀作用于定子铁心内圆上，压缩定子铁心。因其在圆周方向均匀分布，对电动机振动无影响，甚至起到削弱振动的效果。

p1为径向力的交变部分，它的幅值等于径向力的不变部分p0，它是行波，这个力波在空间沿定子铁心圆周以两倍电机极对数均匀分布。

(2) 定、转子绕组谐波磁场产生的径向电磁力

从电磁振动角度考虑，定、转子任何一对谐波相互作用产生的力波如下：

(2)[1]

特别当r=0，1，2，3，4时，式2中的电磁力会引起比较强烈的振动。

1.1.2 磁路饱和产生的电磁振动

磁路饱和时各参数具体关系如下：

(3)[1]

因磁路饱和产生的附加磁场与前面谐波磁场ν、μ相互作用，产生如下次数的力波：

r=v±2p±μ=rμv±2p

(4)[1]

其中的低次力波可能导致较为显著的电磁振动。

1.1.3 二倍转差频率产生的电磁振动

此类振动一般产生于：

(1) 转子为分数槽的绕线电机，在此不做阐述。

(2) 鼠笼转子断条的情况，导致转子磁势不对称，生产制造过程中非常少见。

1.2 电磁振动解决方法

在设计电机时，需要合理的选择电机的计算和结构参数，最大限度地削弱电磁力。确定电磁方案时，应注意以下几项。

(1) 0.8Z1≤Z2≤1.25(Z1+P)[2]

式中：Z1为定子槽数;Z2为转子槽数;P为极对数。

(2) 避开r=0，1，2，3，4的情况，条件为

式中:r为力波阶数。.

(3) 避免出现磁路饱和现象。

2 异步立式电机机械振动及解决方法

2.1 异步立式电机产生机械振动的原因

(1) 转子的机械不平衡性产生的振动，如压装、轴焊接及加工的误差、转子导条与端环焊接误差、集电环质量偏差或者与转子连接的辅助设备平衡度偏差等都可导致转子质量不平衡。

(2) 转子的热不平衡引起的振动。如转子铁心与轴的配合不紧可能产生轴的不对称加热，在电机负载工况下，不仅是离心力，而且转子的损耗都会使转子铁心膨胀，这时可能产生配合不紧，从而引发电机的不稳定振动。

(3) 异步电机的转速接近临界转速时，会引起电机系统的振动加剧，会引发转子平衡改变，造成固有特性振动。

(4) 轴与推力头间隙过大也容易造成推力头与转轴出现偏心，从而导致定转子气隙不均匀，引发电磁振动，严重时会导致定转子相擦。

(5) 上机架刚度不够，引起变形过大，导致转子系统不稳定。

(6) 轴承引起的振动。立式轴承上轴承由推力轴承和导轴承组成，当推力轴承各个瓦面不平整或者导轴承间隙选择不佳时会引起轴承温度过高，从而引起振动。油脂的粘稠度选择不佳也会引起电机的振动。

(7) 电机的固有特性频率与电源频率或电源频率的倍频接近。

(8) 由于制造公差和运行磨损，电机的转子外圆和定子的内圆之间会产生偏心，从而引发电磁振动。

2.2 异步立式电机机械振动解决方法

(1) 为了避免旋转部件不平衡造成的振动，在生产制造过程中需要严格把控动静平衡试验，并对不平衡量进行准确校正。

(2) 电机转子设计时充分考虑转子启动时导条、端环的电密，并确保其有良好的通风环境，避免转子冷热不均而造成的热收缩形变，并尽可能增加转子刚度，另外铁心在轴上的配合应采用热配合。

(3) 在电机设计时，使临界转速远离工作转速。一般情况下临界转速与电机额定转速的偏差要在15%～30%以上，图2为计算临界转速的振型图，分析结果为第1阶(水平)1 127.6 r/min，第1阶(垂直)1 165.7 r/min，而工作转速为370 r/min。

图2 振型图

(4) 轴与推力头的配合公差的选择要满足力矩传递要求。本电机为了增加连接强度，推力头与轴采用两档不同尺寸配合，但检验尺寸时发现推力头上的两档之间不同心。后采用一体加工方法，消除了两档轴心不同造成的偏差。采用此方法后，振速变为1.8 mm/s，下降明显，因此推力头上的两档尺寸不同心是此电机振动的主要原因。

(5) 利用有限元手段，分析上机架推力轴承座刚度，并作相应优化，有限元模型如图3所示。载荷加载方式：m=上轴承质量+转子质量+推力，均匀分布于上机架推力轴承座上圆板内圈(充分考虑到受力的不均匀性，计算结果偏大，电机相对安全)，如图4所示。

经有限元分析，最大应力为63 MPa，如图5所示，远小于普通结构钢的屈服强度，强度足够；最大变形为0.18 mm(图6)，位于上机架中间位置，小于1 mm，上机架推力轴承座具有足够的刚度，符合设计规范。

图3 有限元模型

图4 载荷与约束

图5 总等效应力

图6 总变形

在处理本电机时，还采用了通过增强推力轴承与推力轴承座的连接刚度(增加连接螺栓数量，增打定位销等方式)的方法来减小振动。

(6) 为了避免轴承引起的振动，轴承安装需要严格按照立式电机使用说明书进行，确保推力轴承瓦面平整度及精度符合要求(推力头与镜板拼装后校调形位公差)，并严格按照要求调整导瓦间隙。为避免此类原因引起的振动，可采用弹性推力瓦结构。推力瓦块下置有碟形弹簧，在运输过程中可抗冲击，在运行中每个瓦块的受力可自行调节，有助于油膜的产生及使每个瓦块受力均匀。

(7) 本轴承选用的46号汽轮机油经过大量电机运行验证，符合选用标准。

(8) 电机运用ANSYS软件进行模态分析，图7、图8、图9是电机前三阶整体模态振型，各阶频率避开了电源频率50 Hz，及100频(2倍频)。