大中型电机组合结构定子的模态试验研究

罗 磊，文金虎

（海装武汉局驻武汉地区第六军事代表室，武汉 430064）

0 引言

电机的振动噪声大小不仅与其激励力的力波阶次、频率和幅值有关，而且还取决于电机定子的振动特性。当激励力与定子振动特性不协调时，会导致较大的振动噪声，甚至引发共振。设计者在进行电机低噪声方案设计时，一般要进行电机定子振动特性计算分析，继而开展振动特性与激励力协调性的评估。而大中型电机定子结构一般较为复杂，包括各种结合面如螺栓结合面、过盈及过渡结合面等，属于组合装配体结构，同时与定子相连的电机冷却系统、转子及端盖等结构对电机定子模态特性的影响缺乏足够的经验，给定子振动特性计算分析带来了一定的困难。

本文运用成熟的商业模态测试软件，对一台中心高为450 mm的200 kW大中型电机开展了不同组合状态下的模态试验研究，获得了电机定子的模态振动特性和冷却系统、转子及端盖部件等对其振动特性的影响程度，主要研究成果可作为常规电机定子模态计算和结构声学设计的参考。

1 试验过程简介

1.1 试验对象

试验研究对象如图1所示。电机额定功率200 kW，中心高为450 mm。该电机定子为一般框架式焊接结构，滚动轴承，冷却系统设置在电机上方，为一般典型的大中型电机结构型式，其定子振动特性的特点具有较普遍意义。电机转子和轴承由端盖支撑，端盖安装于定子两侧，通过螺栓连接。冷却系统以背包形式安装于电机顶部，通过螺栓连接。

图1 200 kW异步电机实物图

1.2 试验系统组成

本次模态试验采用的软硬件是西门子公司的LMS Test.Lab模态测试系统。由于锤激法具有快速、方便的特点，试验采用锤激法模态测试模块（Impact Testing）来进行，系统组成框图如下图2所示。

图2 模态测试系统组成框图

1.3 试验方案

拟定的试验方案如表1所示：

表1 试验研究方案

1.4 建立测量模型

利用软绳将电机悬挂起来，以模拟其在自由状态下的振动特性。激励点尽量选取在骨架的位置，便于锤击力能量的传递。

测量点布置原则为：以测量点的数量和位置应能表征在工程有意义频带内各阶模态振型的基本轮廓为基本原则，充分利用数采前端的通道数，优先布置在电机骨干框架处，充分反映结构主模态特性。电机总共测点368个，分为驱动端、非驱动端、左侧面、右侧面以及上表面等5个部分，分别对每个部分进行划线（如图3所示），确定测点布置的位置并进行编号。

图3 电机侧面布点示意图

按照测点布置情况，在软件中建立电机定子测量模型，并将其与采集通道一一对应，正确设置模型中每个节点的测量方向，力锤垂直于电机外表面激励。建立的测量模型如图4所示。

图4 测量几何模型示意图

测试试验现场如图5所示：

图5 模态试验现场

图6 第1阶端盖呼吸模态和电机整体平动

图7 第3阶电机整体上下平动

图8 侧盖板1阶局部模态

2 试验结果分析

2.1 定子振动特性

定子前10阶固有频率及振型描述如表2所示，图5为第1阶振型图。

表2 定子前10阶固有频率及振型

2.2 冷却系统拆卸前后对比

拆下冷却系统前后电机定子模态试验频响曲线对比如图9所示。图中红色曲线为冷却系统拆卸前频响和曲线，绿色曲线为拆卸后曲线，两曲线形状及峰值频率点基本一致。

图9 拆除冷却系统前后频响和对比

2.3 转子拆卸前后对比

电机转子拆卸前后电机定子模态试验频响曲线对比如图10所示。图中红色曲线为转子拆卸前频响和曲线，绿色曲线为拆卸后曲线，两曲线频率点和响应大小均存在差别，差别较大。

图10 拆除转子前后频响和对比

2.4 端盖拆卸前后对比

端盖拆卸前后电机定子模态试验频响曲线对比图如图11所示。图中绿色曲线为转子拆卸前频响和曲线，红色曲线为拆卸后曲线，两曲线存在一定的差别，固有频率点类式，但响应大小存在差别。

图11 拆除端盖前后频响和对比

2.5 试验结论

1）类似于200 kW大中型电机定子框架式的组合结构表现出来的模态主要由各个部分的模态特征组合而成。主要表现为电机定子整体平动或扭振、端盖的呼吸模态和电机蒙皮薄壁侧板的局部模态等，且相对集中体现在某一个频率段内，由低阶往高阶依次出现。

2）该电机冷却系统对电机整体振动特性影响不大，原因分析为一方面冷却系统与电机定子分别为质心跨度大的两组成部分，质量和刚度影响有限，另一方面两者间布置的密封橡胶垫条进一步消弱了影响。因此进行类似于本文背包式冷却系统或侧面布置式冷却系统的电机定子模态分析时，可忽略冷却系统的影响。

3）电机转子对电机整体的振动特性影响较大，尤其是整机测试得到的前3阶模态（驱动端端盖呼吸模态、电机整体左右平动模态和电机整体上下平动模态）皆由转子引起，在电机定子模态建模计算时应充分考虑转子的影响。

4）电机两端端盖影响端盖所在处框架支撑板的振动特性，对有一定距离的中间两框架支撑板及薄板的振动特性影响不大，在电机定子模态建模计算时应考虑端盖的这种影响特点。

3 总结

本文运用成熟的商业模态测试软件，对一台中心高为450 mm的200 kW大中型电机开展了不同组合状态下的模态试验研究，获得了电机定子的模态振动特性和冷却系统、转子及端盖部件等对其振动特性的影响程度，主要研究成果可作为常规电机定子模态计算和结构声学设计的参考。