YSLBP系列立式变频三相异步电动机模态分析与优化

王栎宁，李名殷

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着国家节能环保政策的不断推进，变频电机的市场需求不断扩大，目前中型立式变频电机市场订货占比已经超过50%。需要对该类立式电机的结构进行模态试验、计算与分析，找出一个合理的优化方向，实现电机结构优化，避免电机共振的目标。

本次项目选择了四台YSLBP系列立式变频三相异步电动机作为模态试验电机，四台电机均为四极立式变频电机，运行范围为750～1 500 r/min，对应的电机转动频率为12.5～25 Hz，所试验的四台电机的中心高分别为：355 L、450 L、560 L、630 L。

固有频率测量与分析目标：整机水平方向。

1 模态试验

该模态试验采用的是单点激励，多点响应的锤击法，得出电机两个水平方向的频响图，根据频响图读出该方向的固有频率。

测量仪器：东华DH5927N；

分析软件：DHDAS动态信号采集分析系统；

分析频率：500 Hz；

约束状态：底架无约束，电机通过螺栓固定在底架上。

1.1 模态试验结果

固有频率测量结果如图1～8。

图1 355 L电机冷却器方向频响图

图2 355 L电机出线盒方向频响图

图3 450 L电机冷却器方向频响图

图4 450 L电机出线盒方向频响图

图5 560 L电机冷却器方向频响图

图6 560 L电机出线盒方向频响图

图7 630 L电机冷却器方向频响图

图8 630 L电机出线盒方向频响图

1.2 小结

从频响图来看，在100 Hz以内，各电机冷却器方向与出线盒方向的固有频率如表1所示。所测固有频率都在电机转动频率(12.5～25 Hz)附近，需要提高。

表1 各中心高电机水平方向固有频率

2 加强电机机座方案

加强电机机座是为了加强电机的刚性。在其他条件不变的情况下，刚性越强，固有频率越高。

2.1 原模型模态结果

以630 L电机为例，通过合理修改有限元模型的部件简化方式、各部件的材料参数及各部件之间的约束方式，使得有限元的计算结果趋近于试验值。为电机结构调整后的模态计算结果提供对比参考。

得出两个左右摇摆的振型如图9～10。

图9 冷却器方向左右摇摆

图10 出线盒方向左右摇摆

数据显示：冷却器方向左右摇摆(25.916 Hz)、出线盒方向左右摇摆(26.918 Hz)。

2.2 四种加强方案

加强筋方案：在原电机模型基础上，四周八根长撑筋与四角四根角钢加厚50%，下部10 mm厚的壁加厚到30 mm，四周加10 mm厚的斜拉筋，其余不变。

底部加筋方案：在原电机模型基础上，底板外圆直径加大，并在侧板四周底部加撑筋，其余不变。

整体加宽方案：在原电机模型基础上，电机机座径向整体加宽20%，各种板的厚度不变，其余不变。

侧板加厚方案：在原电机模型基础上，四周四个侧板从10 mm加厚到20 mm，其余不变。

2.3 四种加强方案计算结果

各方案得出两个左右摇摆的振型及频率如图11～18。

图11 加强筋方案，冷却器方向左右摇摆

图12 加强筋方案，出线盒方向左右摇摆

图13 底部加筋方案，冷却器方向左右摇摆

图14 底部加筋方案，出线盒方向左右摇摆

图15 整体加宽方案，冷却器方向左右摇摆

图16 整体加宽方案，出线盒方向左右摇摆

图17 侧板加厚方案，冷却器方向左右摇摆

图18 侧板加厚方案，出线盒方向左右摇摆

2.4 小结

为提高电机整体固有频率，尝试的几个加筋方案结果如表2。

表2 加筋方案固有频率变化

从计算结果可知，除了整体加宽方案使得整体水平方向固有频率明显降低以外，其余三个方案都因为重量的增加造成反向拉低固有频率，使得整体频率并未有明显变化。

3 轴向压缩方案

轴向压缩电机是为了降低电机的重心高度。其他条件不变的情况下，重心越低，固有频率越高。

3.1 原模型模态结果

依旧以630 L电机为例，为便于对比，这次对比模型取消了出线盒。得出两个左右摇摆的振型如图19～20。左右摇摆一(27.045 Hz)、左右摇摆二(27.798 Hz)。

图19 左右摇摆一

图20 左右摇摆二

3.2 四种压缩方案

在原模型的基础上，电机不同位置压缩200 mm，壁板数量及厚度等其他结构不变。

方案一：电机铁心上端压缩200 mm；

方案二：电机铁心下端压缩200 mm；

方案三：电机铁心上下两端各压缩200 mm；

方案四：电机上中下三个地方均压缩200 mm。

3.3 四种压缩方案计算结果

各方案得出两个左右摇摆的振型及频率如图21～28。

图21 方案一左右摇摆一

图22 方案一左右摇摆二

图23 方案二左右摇摆一

图24 方案二左右摇摆二

图25 方案三左右摇摆一

图26 方案三左右摇摆二

图27 方案四左右摇摆一

图28 方案四左右摇摆二

3.4 小结

为提高电机整体固有频率，尝试的几个压缩方案结果如表3。

从计算结果可知，四个压缩方案使得电机整机水平方向的固有频率有不同程度的提高。

表3 压缩方案固有频率变化

4 总结

本文从模态试验出发，得出YSLBP系列立式变频三相异步电动机水平方向的固有频率，再经过有限元进行模态计算，合理拟合模态试验结果。通过两个大方向优化电机结构希望能提高电机水平方向的固有频率，使得固有频率避开电机的转动频率。经有限元分析，加强机座方式对结构的固有频率影响效果不大，而轴向压缩方式能有效提高电机水平方向的固有频率，电机整机重心越低，固有频率提高得越多，目前已应用于实际产品中。