羅 磊，文金虎

（海裝武漢局駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

電機(jī)的振動(dòng)噪聲大小不僅與其激勵(lì)力的力波階次、頻率和幅值有關(guān)，而且還取決于電機(jī)定子的振動(dòng)特性。當(dāng)激勵(lì)力與定子振動(dòng)特性不協(xié)調(diào)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致較大的振動(dòng)噪聲，甚至引發(fā)共振。設(shè)計(jì)者在進(jìn)行電機(jī)低噪聲方案設(shè)計(jì)時(shí)，一般要進(jìn)行電機(jī)定子振動(dòng)特性計(jì)算分析，繼而開展振動(dòng)特性與激勵(lì)力協(xié)調(diào)性的評(píng)估。而大中型電機(jī)定子結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，包括各種結(jié)合面如螺栓結(jié)合面、過(guò)盈及過(guò)渡結(jié)合面等，屬于組合裝配體結(jié)構(gòu)，同時(shí)與定子相連的電機(jī)冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子及端蓋等結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)定子模態(tài)特性的影響缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)，給定子振動(dòng)特性計(jì)算分析帶來(lái)了一定的困難。

本文運(yùn)用成熟的商業(yè)模態(tài)測(cè)試軟件，對(duì)一臺(tái)中心高為450 mm的200 kW大中型電機(jī)開展了不同組合狀態(tài)下的模態(tài)試驗(yàn)研究，獲得了電機(jī)定子的模態(tài)振動(dòng)特性和冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子及端蓋部件等對(duì)其振動(dòng)特性的影響程度，主要研究成果可作為常規(guī)電機(jī)定子模態(tài)計(jì)算和結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)的參考。

1 試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)研究對(duì)象如圖1所示。電機(jī)額定功率200 kW，中心高為450 mm。該電機(jī)定子為一般框架式焊接結(jié)構(gòu)，滾動(dòng)軸承，冷卻系統(tǒng)設(shè)置在電機(jī)上方，為一般典型的大中型電機(jī)結(jié)構(gòu)型式，其定子振動(dòng)特性的特點(diǎn)具有較普遍意義。電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承由端蓋支撐，端蓋安裝于定子兩側(cè)，通過(guò)螺栓連接。冷卻系統(tǒng)以背包形式安裝于電機(jī)頂部，通過(guò)螺栓連接。

圖1 200 kW異步電機(jī)實(shí)物圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

本次模態(tài)試驗(yàn)采用的軟硬件是西門子公司的LMS Test.Lab模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)。由于錘激法具有快速、方便的特點(diǎn)，試驗(yàn)采用錘激法模態(tài)測(cè)試模塊（Impact Testing）來(lái)進(jìn)行，系統(tǒng)組成框圖如下圖2所示。

圖2 模態(tài)測(cè)試系統(tǒng)組成框圖

1.3 試驗(yàn)方案

擬定的試驗(yàn)方案如表1所示：

表1 試驗(yàn)研究方案

1.4 建立測(cè)量模型

利用軟繩將電機(jī)懸掛起來(lái)，以模擬其在自由狀態(tài)下的振動(dòng)特性。激勵(lì)點(diǎn)盡量選取在骨架的位置，便于錘擊力能量的傳遞。

測(cè)量點(diǎn)布置原則為：以測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量和位置應(yīng)能表征在工程有意義頻帶內(nèi)各階模態(tài)振型的基本輪廓為基本原則，充分利用數(shù)采前端的通道數(shù)，優(yōu)先布置在電機(jī)骨干框架處，充分反映結(jié)構(gòu)主模態(tài)特性。電機(jī)總共測(cè)點(diǎn)368個(gè)，分為驅(qū)動(dòng)端、非驅(qū)動(dòng)端、左側(cè)面、右側(cè)面以及上表面等5個(gè)部分，分別對(duì)每個(gè)部分進(jìn)行劃線（如圖3所示），確定測(cè)點(diǎn)布置的位置并進(jìn)行編號(hào)。

圖3 電機(jī)側(cè)面布點(diǎn)示意圖

按照測(cè)點(diǎn)布置情況，在軟件中建立電機(jī)定子測(cè)量模型，并將其與采集通道一一對(duì)應(yīng)，正確設(shè)置模型中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)量方向，力錘垂直于電機(jī)外表面激勵(lì)。建立的測(cè)量模型如圖4所示。

圖4 測(cè)量幾何模型示意圖

測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示：

圖5 模態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6 第1階端蓋呼吸模態(tài)和電機(jī)整體平動(dòng)

圖7 第3階電機(jī)整體上下平動(dòng)

圖8 側(cè)蓋板1階局部模態(tài)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 定子振動(dòng)特性

定子前10階固有頻率及振型描述如表2所示，圖5為第1階振型圖。

表2 定子前10階固有頻率及振型

2.2 冷卻系統(tǒng)拆卸前后對(duì)比

拆下冷卻系統(tǒng)前后電機(jī)定子模態(tài)試驗(yàn)頻響曲線對(duì)比如圖9所示。圖中紅色曲線為冷卻系統(tǒng)拆卸前頻響和曲線，綠色曲線為拆卸后曲線，兩曲線形狀及峰值頻率點(diǎn)基本一致。

圖9 拆除冷卻系統(tǒng)前后頻響和對(duì)比

2.3 轉(zhuǎn)子拆卸前后對(duì)比

電機(jī)轉(zhuǎn)子拆卸前后電機(jī)定子模態(tài)試驗(yàn)頻響曲線對(duì)比如圖10所示。圖中紅色曲線為轉(zhuǎn)子拆卸前頻響和曲線，綠色曲線為拆卸后曲線，兩曲線頻率點(diǎn)和響應(yīng)大小均存在差別，差別較大。

圖10 拆除轉(zhuǎn)子前后頻響和對(duì)比

2.4 端蓋拆卸前后對(duì)比

端蓋拆卸前后電機(jī)定子模態(tài)試驗(yàn)頻響曲線對(duì)比圖如圖11所示。圖中綠色曲線為轉(zhuǎn)子拆卸前頻響和曲線，紅色曲線為拆卸后曲線，兩曲線存在一定的差別，固有頻率點(diǎn)類式，但響應(yīng)大小存在差別。

圖11 拆除端蓋前后頻響和對(duì)比

2.5 試驗(yàn)結(jié)論

1）類似于200 kW大中型電機(jī)定子框架式的組合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來(lái)的模態(tài)主要由各個(gè)部分的模態(tài)特征組合而成。主要表現(xiàn)為電機(jī)定子整體平動(dòng)或扭振、端蓋的呼吸模態(tài)和電機(jī)蒙皮薄壁側(cè)板的局部模態(tài)等，且相對(duì)集中體現(xiàn)在某一個(gè)頻率段內(nèi)，由低階往高階依次出現(xiàn)。

2）該電機(jī)冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)整體振動(dòng)特性影響不大，原因分析為一方面冷卻系統(tǒng)與電機(jī)定子分別為質(zhì)心跨度大的兩組成部分，質(zhì)量和剛度影響有限，另一方面兩者間布置的密封橡膠墊條進(jìn)一步消弱了影響。因此進(jìn)行類似于本文背包式冷卻系統(tǒng)或側(cè)面布置式冷卻系統(tǒng)的電機(jī)定子模態(tài)分析時(shí)，可忽略冷卻系統(tǒng)的影響。

3）電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)電機(jī)整體的振動(dòng)特性影響較大，尤其是整機(jī)測(cè)試得到的前3階模態(tài)（驅(qū)動(dòng)端端蓋呼吸模態(tài)、電機(jī)整體左右平動(dòng)模態(tài)和電機(jī)整體上下平動(dòng)模態(tài)）皆由轉(zhuǎn)子引起，在電機(jī)定子模態(tài)建模計(jì)算時(shí)應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)子的影響。

4）電機(jī)兩端端蓋影響端蓋所在處框架支撐板的振動(dòng)特性，對(duì)有一定距離的中間兩框架支撐板及薄板的振動(dòng)特性影響不大，在電機(jī)定子模態(tài)建模計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮端蓋的這種影響特點(diǎn)。

3 總結(jié)

本文運(yùn)用成熟的商業(yè)模態(tài)測(cè)試軟件，對(duì)一臺(tái)中心高為450 mm的200 kW大中型電機(jī)開展了不同組合狀態(tài)下的模態(tài)試驗(yàn)研究，獲得了電機(jī)定子的模態(tài)振動(dòng)特性和冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子及端蓋部件等對(duì)其振動(dòng)特性的影響程度，主要研究成果可作為常規(guī)電機(jī)定子模態(tài)計(jì)算和結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計(jì)的參考。