風力發電機軸承振動及模態測試分析

張劍

由于使用環境特殊，風電機組的現場定期檢測和維修十分困難，而且一旦發生重大事故，其維修費用甚至超過產出費用，因此，用于風力發電的電機應比燃煤、燃氣、燃油和水力發電機具有更高的可靠性。振動是風力發電機出廠性能和質量評定的主要指標之一，其在設備的各種故障中占有很大比例，是影響設備安全、穩定運行的重要因素。

電機振動過大會造成集電環和電刷間的摩擦不均勻，導致電機三相電流不平衡，嚴重時會引發電機轉子軸彎曲和編碼器損壞。振動過大還會使得其他部件承受大幅交變應力，容易造成轉子、連接螺栓、聯軸器、基礎平面等損壞。由于風力發電機安裝在一個柔性支撐座上，振動故障發生的概率更大。因此，必須對風力發電機振動的評定、分析、監測和故障診斷加以重視。

本文主要對一臺3.5MW雙饋電機軸承振動過大問題進行分析，基于電機振動模態的基本原理，通過振動及模態對比測試，提出一種有效的解決方法。

電機振動及模態分析原理

電機振動按照產生機理主要分為三類：一是電磁振動，由氣隙磁場產生的單邊磁拉力作用于定子鐵芯的徑向和切向使定子鐵芯產生變形振動。電磁振動產生的原因有三相電壓不平衡、電機定轉子偏心、定子繞組斷路、轉子籠條與端環開焊、轉子斷條等。二是機械振動，由轉子旋轉過程中的機械力周期性地作用在電機本體上產生的振動。機械振動產生的原因有結構整體剛度不足、轉子動平衡不良、軸承及基礎安裝不當、內部風扇損壞以及聯軸器對中精度不足等。三是機電耦合振動，由電機氣隙不勻引起單邊電磁拉力，其周期性作用又使氣隙不均衡進一步加劇，最終作用到電機引起振動。機電耦合振動產生的原因有定子內徑和轉子外徑圓度不足、轉子安裝不良引起的軸向竄動等。

研究電機的振動離不開模態分析，結構模態分析是研究結構動力特性的一種方法，是經典線性動力學理論及系統辨識方法在工程振動領域中的應用。電機的機械結構可以看成多自由度的振動系統，具有多個固有頻率，在阻抗實驗中表現為有多個共振區，在幅頻特性曲線中表現為有多個峰值。結構模態是由結構本身的特性與材料特性決定的，與外載條件等無關，多自由度系統有多個模態存在，每階振動模態可用一組模態參數來確定。

電機的模態分析主要分為計算模態分析和試驗模態分析。計算模態分析是利用有限元方法通過對結構進行建模，仿真計算出結構的每一階模態；試驗模態分析是使用敲擊法通過將測量設備采集的系統輸入與輸出信號進行參數識別后獲得結構的每一階模態。由于計算模態分析的結果精度很難保證，本文采用試驗模態分析方法。

電機振動及模態測試

電機振動試驗的主要內容有電機振動測試和振動模態測試，前者是電機振動的具體響應，后者是檢驗電機的固有特性，為電機設計提供依據。本文針對一臺3.5MW 6極50Hz、額定轉速1120rpm 、中心高630mm的雙饋風力發電機在樣機測試階段振動過大的問題，運用西門子LMS Test Lab振動分析設備對數據進行采集分析。由該電機在空載升降速過程中的時域振動情況（圖1）可以發現，電機軸承兩端在1000rpm時振動急劇增大并超出標準，但在其他轉速點均處于合格范圍內。由經FFT變換后的軸承頻域振動波形（如圖2）可以看出，振動主要成分集中在50Hz和100Hz兩個頻率，與電磁頻率一倍、二倍相符合。但核算電磁設計方案及改變供電頻率后并沒有發現振動超標情況，故可初步排除電磁振動的可能性。接下來采用錘擊法對電機端蓋進行模態敲擊測試，得到系統前兩階固有頻率分別為50.5Hz和102.7Hz，具體模態振型如圖3所示，與實際軸承振動現象相吻合。其前兩階固有頻率與軸承主要振動頻率50Hz與100Hz非常接近，故可判斷該電機軸承振動超標是由共振問題所致。

從電機整體結構來看，電機轉子的支撐包括軸承室、端蓋、機殼和地腳等，機械結構的固有頻率只受剛度分布和質量分布影響（阻尼對固有頻率的影響非常有限，可以忽略）。該款電機端蓋由于外徑較大而厚度相對較薄，存在整體剛度不足的可能性，在低頻段會引起共振問題。為避開50Hz和100Hz頻率共振，本文通過對驅動與非驅動端蓋原材料進行更換，并在徑向增加數條加強筋以改善結構后，其本體剛度約增加2倍（如圖4），進而提高其軸承支撐系統的固有頻率。通過重新進行模態敲擊測試得到的固有頻率如表1所示，可以發現前兩階固有頻率增加10%以上，可完全避開50Hz與100Hz兩個共振點。最后重新進行空載1000rpm振動測試，由具體對比結果（見表1）可知，軸承振動值已明顯降低并在國標要求范圍之內，證明了此次設計改進的合理性。

結論

振動問題是電機行業最基本、最普遍的問題之一。本文針對風力發電機樣機開發試驗階段出現的振動超標問題，采取基本振動分析理論與模態測試相結合的方法，找出該電機振動超標的根本原因，并對設計加以改進，最終將振動降低到標準范圍之內。本文對發電機振動的分析與驗證，對今后大兆瓦風力發電機的設計具有一定的指導和借鑒意義。

（作者單位：西門子電氣傳動有限公司）