變頻調速三相異步電動機異常振動分析

易 鵬，石曉輝，施 全，郭 棟，蔣 巍

(1.重慶理工大學汽車零部件制造及檢測技術教育部重點實驗室，重慶 400054;2.西南交通大學機械工程學院，成都 610031)

國內外許多專家對電機的振動噪聲問題做過研究，出版了一些專著。前蘇聯學者舒波夫［1］從電磁力學、空氣動力學、機械結構等多個方面分析感應電動機、同步電動機及直流電動機產生振動噪聲的原因，并指出了電動機噪聲主要是由電磁場產生電磁力及諧波對機械結構激勵引起的。在此基礎上提出了設計低噪聲電機的一些方法和建議，很好地指導了低噪聲電機的研究。浙江大學陳永校、諸自強等［2］重點研究感應電動機、同步電動機和直流電機的噪聲產生機理及控制方法。提出了評價電動機好壞的標準，即氣隙磁場諧波分量要小，徑向電磁力波幅值要小，階數要高，電磁力波的頻率要遠離定子的固有振動頻率，防止共振。德國漢堡聯邦國防大學的 F.Taegen等［3］通過解析法分析徑向力及時間諧波對永磁同步電機振動噪聲的影響，提出通過增加電動機定子的相數可減少徑向電磁力，并用永磁同步電動機作實驗，驗證了該結論。王正華，陳樂生等［4］提出了電機噪聲的主要原因及測量方法:測量定子的振動情況，只要用加速度傳感器測外殼即可。姚靈，毛勇亮等［5］對商用空調機室內柜機產生的2f0噪聲進行了詳細分析和論證，通過改變電機的安裝方式來提高電機定子的固有頻率，從而降低了頻率為2倍電源頻率的電磁噪聲，為降低電機電磁噪聲提供了一種方法和思路。唐任遠等［6］采用有限元法計算變頻器供電時永磁電機的氣隙磁場并進行頻譜分析，通過與實測氣隙磁場的對比分析總結出變頻器供電時氣隙磁場的主要諧波頻率表達式。

針對被試電機外殼的振動加速度最大值達到11.6 m/s2，超過了國標對電機外殼振動加速度的限值(10 m/s2)［7］的情況，本文在研究電機振動噪聲產生的原理的基礎上，選擇合適的點布置傳感器測量電機振動及噪聲信號，選取特征明顯的信號進行分析，通過時域、頻域及Hilbert變換進行包絡解調的方法分析電機振動信號，找出引起電機異常振動的原因。針對這些原因，結合理論研究的結論，提出該電機檢修的建議。

1 電機振動原理

電機運行過程中的振動會引起噪聲，因此，找出電機異常振動的原因也就找到了電機的噪聲源。電機振動包括定子、轉子、機座和軸承的振動。電機振動［8］的分類如圖1所示。

圖1 電機振動的分類

定子鐵心的振動主要由電磁力引起。電機運行中，由于定轉子磁場的相互作用，定子機座將受到一個交變電磁力的作用而變形。對于一臺極對數為p的電機來說，當電源頻率為f時，同步轉速為60 f/p，電磁場交變頻率為f，因為旋轉磁極產生的電磁力是磁場每轉動1周，電磁力交變p次，因此定子電磁振動頻率應為2倍的電源頻率。定子繞組經常受到以下幾種力的影響，引起繞組系統頻率或倍頻率振動:繞組中電流與漏磁通作用力，轉子單邊磁拉力和繞組的熱脹冷縮力。

電機轉子的振動由彎曲振動和扭轉振動2種，以下3種情況下會引起轉子彎曲振動:①轉子質量不平衡;②轉子冷熱不均及電磁力不平衡;③轉子的固有振動特性。機座振動源包括:①定子鐵心電磁振動通過鐵心與機座的連接傳來，引起機座的倍頻振動;② 轉子由于電磁力或不平衡振動的激振力通過軸承傳遞到機座引起的振動。

電機軸承工作時一般內圈與軸相聯接，隨軸一起轉動;外圈與軸承座或者機殼聯接，固定或者相對固定。當電機運轉時，由于軸承本身的結構特點、加工裝配及運行中出現的故障等內部因素，以及傳動軸上其他零件移動和力的作用等外部因素的影響，當電機以一定轉速并且有一定負載運行時，對軸承和軸承座或者外殼組成的系統會產生激勵，導致該系統振動，其機理［9］如圖2所示。

圖2 滾動軸承振動機理

軸承損傷產生的沖擊振動從性質上可以分為2類:一是軸承表面的損傷點反復撞擊與之接觸的其他元件產生的低頻振動成分，通常稱為軸承的通過振動;二是由于損傷沖擊引起的軸承系統高頻固有振動。軸承系統的高頻固有振動包括的成分很多，如軸承內圈、外圈的徑向彎曲固有振動、滾動體振動等。對于電機來說，引起軸承振動異常的外部因素有:定子異常產生的電磁振動;氣隙不均勻引起的電磁振動;轉子導體異常引起的電磁振動;轉子不平衡引起的機械振動。這些異常振動都會直接或間接地作用到軸承上。

2 電機噪聲組成及機理

電機噪聲由3部分組成:電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力性噪聲，其中電磁噪聲和機械噪聲占主要成分。

2.1 電磁噪聲

電磁力作用在定、轉子間的氣隙中，產生旋轉力波或脈動力波，使定子產生振動而輻射噪聲，這類噪聲稱為電磁噪聲。在電機中，氣隙磁場作用在定子鐵心上產生徑向電磁力和切向電磁力，其中徑向電磁力是產生電磁噪聲的主要原因。根據馬克斯韋定律，作用在定子鐵心內表面單位面積上的徑向電磁力為

式中:μ0=4π ×10－7亨/m;b(θ，t)為氣隙密度。

在定、轉子繞組中存在著主波磁勢與各次諧波磁勢，它們相互作用可以產生一系列力波，其中主波磁場產生的徑向力波為［10］

其中p0=B2/(4μ0)是徑向電磁力的不變部分，不產生振動與噪聲。p1的計算公式為

式中:p為主波的極對數;ω1為主波的角速度;θ0為初相位角。

p1是徑向力波的交變部分，這個力波的角頻率是2ω1，即2倍的電源頻率，它使定、轉子產生2倍電源頻率(f=pn/30)的振動與噪聲，正是p1產生的交變電磁力波作用在定子上，使定子產生電磁振動和噪聲。電磁振動的頻譜理論圖形如圖3所示。

圖3 電磁振動頻譜

氣隙磁場中的各次諧波磁勢包括定子繞組齒諧波、轉子繞組齒諧波、定子磁導齒諧波、轉子磁導齒諧波。這些齒諧波相互作用產生的力波，一般是電磁噪聲的主要分量，因此，對它們的分析及抑制是研究電機噪聲的一個主要任務。

2.2 機械噪聲

機械噪聲在電機中是不可避免的，它和電磁噪聲是相互聯系的，因為電機發生結構振動會影響電磁場。機械噪聲包括軸承噪聲、電刷噪聲、結構共振。

2.2.1 軸承噪聲

軸承損傷類故障是軸承產生噪聲的主要原因之一，表1為軸承噪聲的可能頻率峰值點和原因。

表1 軸承噪聲的可能頻率峰值點和原因

2.2.2 轉子不平衡噪聲

轉子不平衡噪聲是電機最常見的機械噪聲，產生的主要原因是軸不對中或轉子平衡性不好，其噪聲主要頻率等于軸的轉頻(n/60)。

2.2.3 電刷噪聲

在有滑環和換向器的電機中，電刷噪聲是不可避免的。電刷噪聲有3種原因引起:①摩擦噪聲;② 撞擊噪聲;③ 火花噪聲。由于換向片與電刷周期性的撞擊，使電刷在刷握內徑向跳動和擺動產生電刷噪聲，這種噪聲具有與換向片數成倍數關系的單頻成分，其頻率計算公式為

式中:C為正整數，1，2，3，…;K為換向片數;n為轉速。

將電機噪聲、振動頻譜分析匯總成表2［11］。該表是通過大量實踐積累起來的，為判斷電機噪聲、振動的產生原因提供了有利依據，是進行電機噪聲源識別的基礎。

表2 電機噪聲、振動頻譜分析匯總

3 電機振動與噪聲的測試

3.1 試驗裝置及測量儀器

如圖4所示，驅動電機型號為YPT355－8，轉速0～3 000 r/min。測量儀器采用日本小野(Onosokki)測器公司生產的DS2000振動噪聲數采系統，可以同時采集8個通道的加速度、聲壓信號和1個通道的速度信號。

如圖4所示，在電機的軸伸端軸承座處布置1個3向加速度傳感器，在電機外殼上布置2個單向加速度傳感器，分別布置2個麥克風測量軸承座處和外殼處的噪聲信號，根據傳感器的說明書分別對2個傳感器進行標定。斷開離合器，讓電機在空載狀態下進行試驗。

圖4 被試電機及數采系統

3.2 數據記錄和分析軟件

數據記錄采用小野公司的DS0250Throughout Disk。DS2000與電腦間通過DS0297高速通訊卡進行通訊。測量數據時，信號通過DS2000采集，再傳輸到電腦，由DS0250記錄保存到電腦硬盤。數據分析軟件采用小野測器公司的DS0221 FFT。把DS0250記錄的數據導入到DS0221 FFT中，進行相關處理和分析。

4 故障信號的分析與判別

4.1 電機振動信號時域圖及頻域圖

當轉速為1 800 r/min時，根據公式計算軸承的故障頻率及電源頻率，如表3所示。

觀察采集的數據，在其中挑選重復性好而且特征比較明顯的數據進行分析。圖5為1 800 r/min時振動信號的頻譜圖和噪聲信號的功率譜圖。圖5(b)中240.6 Hz、4 544 Hz兩個特征頻率處噪聲最大，240.6 Hz為電源頻率的2倍，根據齒諧波計算公式:

代入得齒諧波頻率為4 560 Hz，與4 544 Hz比較接近，說明頻率為2倍的電源頻率的磁極徑向磁拉力引起的電磁脈沖噪聲是該電機的主要噪聲源之一，齒諧波引起的電磁噪聲是該電機噪聲的主要分量之一。

表3 軸承故障頻率及電源頻率 Hz

如圖5(a)所示，在8 472 Hz處振動加速度幅值達到11.6 m/s2，超過國標限值(10 m/s2)，在對電機維修前，要找出引起電機異常振動的原因。

圖5 振動信號的時域與頻譜圖

由于采集的原始信號中可能會混有很多非真實信號，對原始信號進行多次平均，重采樣后得到如圖6所示的信號圖。從圖6中可以清楚地發現時域信號中存在明顯的周期性沖擊，沖擊的間隔頻率恰好是軸的轉頻。

圖6 處理后振動信號時域圖

然而僅僅根據時域信號和頻域信號很難完全發現電機異常振動的真正原因，如圖5(a)所示，電機在4 544 Hz和 8 472 Hz處發生了共振，且信號中出現了很明顯的調制現象，需要對振動信號進行濾波，分離出低頻調制信號，進而分析電機振動情況。

4.2 包絡譜分析

包絡譜分析理論原理。由于運行的特點，在軸承座處測得的電機振動信號中會顯現出調制現象。通過對振動信號的解調處理，能分離出調幅和載波信息。

包絡分析是一種基于濾波檢波的振動信號處理方法。與傳統的FFT分析方法不同，在進行頻譜分析之前，先對信號進行高通或者帶通濾波，然后對信號進行包絡解調，提取低頻調制信號。整個包絡譜分析的流程［12］如圖7所示。

圖7 包絡分析原理

對振動信號進行包絡檢波，以8 500 Hz為中心頻率，帶寬為2 200 Hz作帶通濾波后進行包絡檢波，得到如圖8所示的圖形。239.25、479.14、720.2、960.3 Hz這4個特征頻率與2倍電源頻率、4倍電源頻率、6倍電源頻率、8倍電源頻率很接近，說明該電機振動異常的主要原因是:頻率為2倍電源頻率及其倍頻的徑向磁拉力作用在定子上，產生電磁振動。

圖8 徑向振動信號包絡檢波頻譜圖

為了研究測得的電機噪聲與電機振動的關系，對測得的噪聲信號與振動信號作了互相關函數分析。如圖9(a)所示，在噪聲信號功率譜中，電源頻率及其倍頻貢獻量很大，還有一部分是轉頻及其倍頻成分，將噪聲信號與振動信號進行互相關譜分析，如圖9(b)所示，240、480 Hz處依然有很大的幅值，說明我們聽到的噪聲信號的頻率與振動信號的頻率一致，是由于電磁振動引起的，軸承沒有故障，其異常振動是由于電機異常電磁振動引起的。不過這種周期性的脈沖振動會使定子機座變形，這種力通過轉子作用在軸承上，會使軸承受力不均勻，時間長了也會使軸承出現故障，應及時對電機進行檢修。導致這種電磁振動異常的原因有:①定子三相不對稱;② 定子鐵心和定子線圈松動;③電機座地腳螺栓松動。可以從這3個方面對電機進行檢修。

圖9 軸承座處噪聲信號及其與ch2的互相關譜

5 結束語

總結了電機振動特性及噪聲特性;試驗測得了電機的振動及噪聲信號，通過分析找出了引起電機振動異常的原因;提出了對該電機進行檢修的意見。

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