大型高壓三相異步電動機試驗模態分析

王 林， 韓玉穩， 趙彥鵬， 董應明

（云南省機電一體化應用技術重點實驗室/云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

現代科學技術的發展,對電動機低振動、低噪聲要求越來越迫切。 組成電動機的各重要零部件,其動態特性與電動機的振動和噪聲有著密切關系。 為此,分析電動機的模態參數,對提高電動機的性能有很大的作用。 本文電動機殼體為矩形焊接結構，殼體開孔多,筋板分布復雜，剛度、質量分布不均勻。使用力錘通過瞬態錘擊法對電動機殼體進行激振，采用最小二乘復指數法識別模態參數，得出準確的固有頻率、阻尼比和模態振型。分析得出電動機振動、噪聲大的主要原因和電動機殼體的薄弱環節，為電動機減振降噪及結構優化提供有力的理論支持。

1 模態試驗運用簡述

模態試驗對于研究機械結構的動態特性、了解結構的薄弱環節及結構優化設計具有重要的指導意義， 是結構動態設計及設備故障診斷的重要方法。 模態分析最終目標是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。

模態分析技術的應用可歸結為以下幾個方面：

（1）評價現有結構系統的動態特性。

（2） 在新產品設計中進行結構動態特性的預估和優化設計。

（3）診斷及預報結構系統的故障。

（4）控制結構的輻射噪聲。

（5）識別結構系統的載荷。

2 大型高壓三相異步電動機模態試驗

2.1 試驗內容及目的

對某型號大型高壓三相異步電動機進行模態測試和空運轉絕對振動測試， 提出可以降低電動機殼體振動速度的模態識別參數， 為生產廠家對電動機殼體的優化提供理論與數據支持。

2.2 試驗對象

試驗對象為某型號大型高壓三相異步電動機， 電動機為變頻高壓電機，額定電壓10kV，額定功率1120kW。電動機自由放置在測試平臺上， 與測試平臺之間墊有橡膠墊，不固定，見圖1。

圖1 大型高壓三相異步電動機

2.3 試驗設備

通過B＆K8207 力錘進行激振，B＆K4506B 三向加速度傳感器獲得響應信號，使用B＆K3660C 數據采集前端采集數據，PULSE 分析軟件完成整個分析過程。

2.4 試驗方案

（1）技術路線。 電動機試驗模態分析技術路線如圖2所示。

（2） 試驗方案。建立電動機的幾何模型，對電動機均勻布點。 均勻布點具有不易漏掉關鍵模態，模態振型可辨識性強等優點。 采用錘擊法對電動機進行激振與測試，每個測點測量三向動態響應，將測試得到的激勵點信號與各響應點的頻響函數（FRF） 數 據 導 入PULSE-Reflex 后處理軟件中進行模態參數識別。

電動機共布置128 個測點， 測量自由度為128×3=384。激勵點選擇在電動機主軸上，數量為1 個，激勵自由度為2 個，正交方向見圖3，總FRF=384×2=768 見圖4。

圖2 試驗模態分析技術路線圖

圖3 激勵自由度（主軸的2 個正交方向）

2.5 激勵及數據采集

采用錘擊法對電動機進行激振，力錘錘頭越硬（如金屬錘頭）越易激起高頻響應，力錘錘頭越軟（如塑料錘頭）越易激起低頻響應。 本次試驗針對電動機的特性選用硬質尼龍錘頭， 可以兼顧高、低頻響應。

圖4 響應測量自由度（響應測點總數128個，測量自由度384 個）

在激勵自由度位置使用力錘激勵時，每個激勵自由度錘擊5 次，并采用5 次平均的方式，同時觀察每個激勵自由度第2、3、4、5 次激勵時，較前幾次激勵的相干函數，相干函數值越接近1，表明每次激勵的位置和力量越趨于一致；相干函數值遠離1，則需刪掉此次激勵數據，從新激勵，以確保測試數據的準確性。 試驗儀器連接如圖5 所示。

圖5 試驗儀器連接框圖

2.6 數據分析

模態試驗數據處理關注全部模態， 任何一階模態都可能對電動機使用的壽命及安裝地基、 廠房和相關配套電氣系統帶來不良影響。 采用有理分式多項式-Z法，結合復指數模態函數（CMIF）和穩態圖來識別模態參數。

圖6 列出了各階模態的頻率、阻尼比、復雜性、識別方法和識別結果。

模態振型計算結果是否穩定可用穩態圖進行判斷。圖7 中“◇▽×*”符號分別表示頻響函數在整體、振型、頻率、阻尼處保持穩定狀態。

圖8 可以看出，MAC 主對角線值為1（100%），說明這兩個頻率模態振型向量的正交性很好， 能夠很好的識別出結構模態振型。

圖6 頻率、阻尼比、復雜性和識別方法

圖7 穩態圖

圖8 MAC（模態置信準則）值3D 圖

模態振型描述：

1 階振型：97.4Hz， 整機各部分同向繞坐標Z 向左右擺動，電動機軸向兩端產生局部變形，見圖9。

2 階振型：176.2Hz，電動機軸向兩端左右擺動，同時電動機左右兩側中間位置做反向擺動， 見圖10。

3 階振型：214.3Hz，電動機上端中間部分上下擺動，見圖11。

圖9 1 階模態振型軸測圖

圖10 2 階模態振型軸測圖

4 階振型：300.1Hz， 電動機上端中間部分上下擺動，電動機軸向兩端左右擺動，見圖12。

圖11 3 階模態振型軸測圖

圖12 4 階模態振型軸測圖

3 模態試驗結果分析

對各階模態參數及振型進行分析：

（1）電動機整體采用鋼板焊接結構，其上端蓋板有3個四邊形安裝孔，面積較大，剛性較差。 在前后和上下均存在彎曲振動并伴隨扭振，振動劇烈。

（2）電動機左右兩側有電氣、溫控等多個四邊形安裝孔，其結構剛性差，存在往復向內凹陷和向外凸出的振動。

（3）電動機軸向兩端軸承座處采用較殼體其他部位更厚的鋼板，剛性較好，軸承座附近殼體存在彎曲和扭振，但振幅較小。

（4）電動機底座總體剛性較好。

4 結束語

本試驗介紹了某型號大型高壓三相異步電動機的模態試驗方法， 其它類型電動機同樣適用此試驗方法。通過電動機的模態試驗， 了解掌握電動機的振動特性，為電動機的振動故障診斷及結構動態特性優化設計提供理論依據。