張劍

由于使用環(huán)境特殊，風(fēng)電機(jī)組的現(xiàn)場定期檢測(cè)和維修十分困難，而且一旦發(fā)生重大事故，其維修費(fèi)用甚至超過產(chǎn)出費(fèi)用，因此，用于風(fēng)力發(fā)電的電機(jī)應(yīng)比燃煤、燃?xì)?、燃油和水力發(fā)電機(jī)具有更高的可靠性。振動(dòng)是風(fēng)力發(fā)電機(jī)出廠性能和質(zhì)量評(píng)定的主要指標(biāo)之一，其在設(shè)備的各種故障中占有很大比例，是影響設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。

電機(jī)振動(dòng)過大會(huì)造成集電環(huán)和電刷間的摩擦不均勻，導(dǎo)致電機(jī)三相電流不平衡，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸彎曲和編碼器損壞。振動(dòng)過大還會(huì)使得其他部件承受大幅交變應(yīng)力，容易造成轉(zhuǎn)子、連接螺栓、聯(lián)軸器、基礎(chǔ)平面等損壞。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)安裝在一個(gè)柔性支撐座上，振動(dòng)故障發(fā)生的概率更大。因此，必須對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)振動(dòng)的評(píng)定、分析、監(jiān)測(cè)和故障診斷加以重視。

本文主要對(duì)一臺(tái)3.5MW雙饋電機(jī)軸承振動(dòng)過大問題進(jìn)行分析，基于電機(jī)振動(dòng)模態(tài)的基本原理，通過振動(dòng)及模態(tài)對(duì)比測(cè)試，提出一種有效的解決方法。

電機(jī)振動(dòng)及模態(tài)分析原理

電機(jī)振動(dòng)按照產(chǎn)生機(jī)理主要分為三類：一是電磁振動(dòng)，由氣隙磁場產(chǎn)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(chǎn)生變形振動(dòng)。電磁振動(dòng)產(chǎn)生的原因有三相電壓不平衡、電機(jī)定轉(zhuǎn)子偏心、定子繞組斷路、轉(zhuǎn)子籠條與端環(huán)開焊、轉(zhuǎn)子斷條等。二是機(jī)械振動(dòng)，由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械力周期性地作用在電機(jī)本體上產(chǎn)生的振動(dòng)。機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的原因有結(jié)構(gòu)整體剛度不足、轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡不良、軸承及基礎(chǔ)安裝不當(dāng)、內(nèi)部風(fēng)扇損壞以及聯(lián)軸器對(duì)中精度不足等。三是機(jī)電耦合振動(dòng)，由電機(jī)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(jìn)一步加劇，最終作用到電機(jī)引起振動(dòng)。機(jī)電耦合振動(dòng)產(chǎn)生的原因有定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑圓度不足、轉(zhuǎn)子安裝不良引起的軸向竄動(dòng)等。

研究電機(jī)的振動(dòng)離不開模態(tài)分析，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的一種方法，是經(jīng)典線性動(dòng)力學(xué)理論及系統(tǒng)辨識(shí)方法在工程振動(dòng)領(lǐng)域中的應(yīng)用。電機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看成多自由度的振動(dòng)系統(tǒng)，具有多個(gè)固有頻率，在阻抗實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為有多個(gè)共振區(qū)，在幅頻特性曲線中表現(xiàn)為有多個(gè)峰值。結(jié)構(gòu)模態(tài)是由結(jié)構(gòu)本身的特性與材料特性決定的，與外載條件等無關(guān)，多自由度系統(tǒng)有多個(gè)模態(tài)存在，每階振動(dòng)模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來確定。

電機(jī)的模態(tài)分析主要分為計(jì)算模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。計(jì)算模態(tài)分析是利用有限元方法通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，仿真計(jì)算出結(jié)構(gòu)的每一階模態(tài)；試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析是使用敲擊法通過將測(cè)量設(shè)備采集的系統(tǒng)輸入與輸出信號(hào)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別后獲得結(jié)構(gòu)的每一階模態(tài)。由于計(jì)算模態(tài)分析的結(jié)果精度很難保證，本文采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法。

電機(jī)振動(dòng)及模態(tài)測(cè)試

電機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)的主要內(nèi)容有電機(jī)振動(dòng)測(cè)試和振動(dòng)模態(tài)測(cè)試，前者是電機(jī)振動(dòng)的具體響應(yīng)，后者是檢驗(yàn)電機(jī)的固有特性，為電機(jī)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文針對(duì)一臺(tái)3.5MW 6極50Hz、額定轉(zhuǎn)速1120rpm 、中心高630mm的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)在樣機(jī)測(cè)試階段振動(dòng)過大的問題，運(yùn)用西門子LMS Test Lab振動(dòng)分析設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析。由該電機(jī)在空載升降速過程中的時(shí)域振動(dòng)情況（圖1）可以發(fā)現(xiàn)，電機(jī)軸承兩端在1000rpm時(shí)振動(dòng)急劇增大并超出標(biāo)準(zhǔn)，但在其他轉(zhuǎn)速點(diǎn)均處于合格范圍內(nèi)。由經(jīng)FFT變換后的軸承頻域振動(dòng)波形（如圖2）可以看出，振動(dòng)主要成分集中在50Hz和100Hz兩個(gè)頻率，與電磁頻率一倍、二倍相符合。但核算電磁設(shè)計(jì)方案及改變供電頻率后并沒有發(fā)現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo)情況，故可初步排除電磁振動(dòng)的可能性。接下來采用錘擊法對(duì)電機(jī)端蓋進(jìn)行模態(tài)敲擊測(cè)試，得到系統(tǒng)前兩階固有頻率分別為50.5Hz和102.7Hz，具體模態(tài)振型如圖3所示，與實(shí)際軸承振動(dòng)現(xiàn)象相吻合。其前兩階固有頻率與軸承主要振動(dòng)頻率50Hz與100Hz非常接近，故可判斷該電機(jī)軸承振動(dòng)超標(biāo)是由共振問題所致。

從電機(jī)整體結(jié)構(gòu)來看，電機(jī)轉(zhuǎn)子的支撐包括軸承室、端蓋、機(jī)殼和地腳等，機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有頻率只受剛度分布和質(zhì)量分布影響（阻尼對(duì)固有頻率的影響非常有限，可以忽略）。該款電機(jī)端蓋由于外徑較大而厚度相對(duì)較薄，存在整體剛度不足的可能性，在低頻段會(huì)引起共振問題。為避開50Hz和100Hz頻率共振，本文通過對(duì)驅(qū)動(dòng)與非驅(qū)動(dòng)端蓋原材料進(jìn)行更換，并在徑向增加數(shù)條加強(qiáng)筋以改善結(jié)構(gòu)后，其本體剛度約增加2倍（如圖4），進(jìn)而提高其軸承支撐系統(tǒng)的固有頻率。通過重新進(jìn)行模態(tài)敲擊測(cè)試得到的固有頻率如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)前兩階固有頻率增加10%以上，可完全避開50Hz與100Hz兩個(gè)共振點(diǎn)。最后重新進(jìn)行空載1000rpm振動(dòng)測(cè)試，由具體對(duì)比結(jié)果（見表1）可知，軸承振動(dòng)值已明顯降低并在國標(biāo)要求范圍之內(nèi)，證明了此次設(shè)計(jì)改進(jìn)的合理性。

結(jié)論

振動(dòng)問題是電機(jī)行業(yè)最基本、最普遍的問題之一。本文針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)樣機(jī)開發(fā)試驗(yàn)階段出現(xiàn)的振動(dòng)超標(biāo)問題，采取基本振動(dòng)分析理論與模態(tài)測(cè)試相結(jié)合的方法，找出該電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)的根本原因，并對(duì)設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，最終將振動(dòng)降低到標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。本文對(duì)發(fā)電機(jī)振動(dòng)的分析與驗(yàn)證，對(duì)今后大兆瓦風(fēng)力發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

（作者單位：西門子電氣傳動(dòng)有限公司）