两极高压感应电机振动问题分析及处理

1、两极高压感应电机振动问题分析及处理崔龙妹上海交通大学自动化系摘要：高压电机生产和运行过程中，经常会遇到振动超标的问题，尤其是对于两极电 机。振动问题，会对电机的轴承、绝缘、机械部件等造成损害，影响电机性能和 使用寿命，给电机运行的可靠性和持续性造成威胁。引起电机振动的原因比较复 杂，有机械方而、电气方而和棊础状况等因素，需要在故障检修时通过一些测试 手段找出振动原因，并且针对不同原因采取不同的处理办法，从而及时有效的 解决振动问题。常用的振动测试手段是将振动传感器采集的信号进行频谱分析， 再结合经验，找出可能的振源。后续通过对振源或者电机系统进行处理，来解决 振动问题。关键词：振动;高压电机;

2、频谱;作者简介：崔龙妹(1988-),河北人，女，工程硕士在读，研究方向为控制理 论与控制工程，目前在abb高压电机有限公司做产品技术支持工作。0引言电机是电动机和发电机的统称，就感应电机而言，绝大部分作为电动机运行。所 以电机的振动问题，大多数是电动机的振动问题。高压感应电机原理简单、运行可靠，在各行各业有广泛应用。感应电机作为一种 旋转设备，在运行屮发生振动，只要在标准允许的范围内，是可以接受的。但是 超过标准允许值，则可能产生严重危害。电机振动问题，是高速感应电机常出现 的一个问题，尤其是对于两极电机。电机的振动问题，给电机运行的可靠性和持 续性造成很大威胁，长期网扰着电机厂商和用户。电

3、机振动问题的危害，主要总结为以下几个方面1-3:(1) 损坏电机轴承:振动过大时，振动直接传递给轴承，造成轴承异常的磨损， 降低使用寿命；(2) 损坏电机绝缘:振动过大，会造成定子端部松动，绝缘间隙变化，绝缘电阻 降低，甚至造成绝缘摩擦、破损、击穿等；(3) 损坏机械部件:振动过大，会影响处在振动中的各个部件。比如一些紧固螺 栓可能松脱，焊接点可能被震裂，零部件的磨损增加等；(4) 降低电机效率：电磁原因造成的振动问题，会造成电机异常发热，浪费能量, 降低效率；(5) 损坏负载设备:振动往往会传输到被电机驱动的负载设备，影响负载设备的 正常运行；(6) 增加噪音:过大的振动，还会产生过大的噪音

4、，影响工作人员的操作环境， 以及现场某些设备的正常运行。1电机振动原根据振动理论，如果维持振动的能量是由外界激振力提供的，这种振动称为强 迫振动。如果维持振动的能量是由系统自身运动提供的，这种振动称为自激振 动。电机的振动问题主要是强迫振动造成的。另外，电机设计中，径向为激振力 的主要方向，轴向一般情况下振动值不会超过径向。如果轴向发生振动超标，通 常会涉及到部件振动或者部件故障。引起电机振动问题的原因很多，总体来说分为机械振动和电磁振动。就目前abb 设计范围的高压电机而言，主要考虑由转子不平衡引起的机械振动和由电磁力 引起的电磁振动。1.1转子不平衡u1转子不平衡是由转动部件质量偏心或出现

5、缺损造成，如转子、风扇等加工制造上 的公差、组装安装不当、转动件运转时的变形等。转子不平衡激振力是转速的函数，因此频谱中以稳定的基频分量(ix)为主， 其它倍频幅值很小。在振动测试分析中，可以通过断电降速实验得到不平衡响应 频谱、轴心轨迹等来判断。对于转子不平衡造成的振动问题，可以利用平衡校验方法进行处理，加平衡块 或减平衡块来解决。有时加减平衡块无法解决的，可能需要对转子部件重新加工， 使其动平衡达到要求。1.2电磁力电磁振动是两极电机2倍频(2x)振动的主要原因。两极电机的磁场在气隙中分 布不均匀，棊波磁密的作用力以正弦波规律在阅周上分布，频率为供电电源的 两倍。基波磁密随着电动势增加而增

6、加，所以对于同一台电机来说，电磁振动的 振幅会随着电源电压的增大而逐渐增大。感应电机不可避免会受到电磁力激励，理论上激励的方向只沿着电机的径向。频 谱中以2倍频（2x）为主，其它倍频幅值很小。在振动测试分析中，可以通过降 压实验来正向判定或者通过断电降速实验排除法判定。1.3共振共振是指机械系统所受激励的频率与该系统的某阶阀有频率相接近时，系统振 幅显著增大的现象。各种电机标准都有与共振问题相关的规定。共振已在电机设 计时避开或者即使无法避开也满足设计准则。有时候如果不平衡激振力或者电磁 激励很小，但是仍产生了大的振动，很可能是因为共振，才会在小激励下也产 生很大的振幅。共振问题分析的步骤是找

7、出激振频率和共振部件，对应的解决方法是降低激振 力和改变共振部件的频率，分析时可以借助ansys软件分析结果或者模态测试 结果确定共振的部件。2案例分析及处理2.1振动分析常用方法振动传感器采集到的信号，通过振动软件分析，可以获得信号的频谱阁和波德 图。频谱反映了复杂信号所含频率分量，即振动信号的频域特性。不同故障具有 不同的频率特征，因此频谱分析已经成为故障诊断的基木工具，在故障诊断中 得到广泛应用。将振动幅值和相位随转速的变化情况以图形的方式表达出来，即 可得到波德图，又称相频图。波德图可以用来判定系统的临界转速。频谱阁和波德阁是目前常用的振动分析方法。2.2案例案例1转子不平衡产生的振动

8、超标abb modular machine amt450l260hz with standard vibration (grade a)电机现场在美国，根据nema mg h2003标准屮关于电机振动的规定，grade a 振动级别对应的振动限值（电机中心高450）为速度值0. 12in/s 0-pk。项目有6台电机，分别有不同程度的振动超标。以下为客户现场测得的其中一台 超标最严重的电机振动数据（表1）。下载原表表 1 3600rpm, loaded, in/s 0-pk, standard:0. 12in/s 0-pkmotorplacedescriptiondehorveraxlno.5

9、siteloaded0.1540.1480.142电机返回工厂后，在维修前重新进行了测试。测试结果如表2。表 2 3600rpm, loaded, in/s 0-pk, standard:0. 12in/s 0-pk下载原表motorplacedescriptiondehorveraxino.5fact or vjno load0.18170.065980.144通过对测试数据进行频谱分析，在驱动端dh和非驱动端ndh数据中，存在一个 较大的ix分量（图1）。表明转子不平衡非常严重。根据分析结果，需要重新对转子进行动平衡处理。工厂现冇的动平衡机比较简单 粗糙，精度不够。在新的动平衡机上重新进行

10、转子动平衡，在额定转速不进行了 空载和100%负载的高速动平衡试验，确保转子动平衡有效。再次振动试验，满足nema grade a要求。试验结果如表3所示。下载原表表 3 3600rpm, no load, in/s 0-pk, standard:0. 12in/s 0-pkmotorplacedescriptiondehorveraxlno.5factoryjno load0.0730.0320.045案例2电磁力和共振产生的振动超标abb modular machine ami450l260hz with standard vibration (grade a)工程师对安装在客户现场工作台

11、的电机进行y模态测试，通过锤击试验来分析 响应。试验在电机断电停机状态下进行。模态试验结果如图2。供解姆pchiii«lh2x 3xdh 0,1817 in/sec (4,6mm/s)ixrdmitomkwa wqmvs mmi 一mi« tm嚅鶫 tuizsambm7tq hr1jm4阁2锤击试验模态分析结果下载原阁从图2可以看出，转子在静止状态下，有一个接近120hz的共振区。模态分析软 件结果为120. 7hz。这表明两倍频的电磁激励（2x）引起的振动被共振条件放 大。120. 7hz的模态形状主要包括水平和垂直振动，推测电机所在的工作台刚度 不够。对工作台的刚度进行

12、测试，在每个电机地脚附近选择6点测试，共24个被测点。 选择高质量的采样进行分析，以排除周围噪音的干扰。最后测得工作台的动态刚 度如图3所示。很明显工作台的刚度随频率变化，在120hz左右的平均刚度人约为0.6gn/m，在 其他频率段刚度平均值约为0. 2gn/m。在柔性棊础下，电机的自然频率和模态， 与在刚性基础下有很大区别。abb的电机，尤其是高速电机，对于基础选择有严 格要求，也有明确的说明，节选部分如下：1 ? 1 1 7. t *rsimmnnim vmkmwc賦t 1. *<«*图3安装有电机的工作台动态刚度测试结果下载原图“基础的设计和安装对高速电机尤为重耍。大型

13、电机通常设计为刚性安装于刚度 大、质量大的基础上。” (“the design and execution of the foundation is especially important for high speed motors. large electric motors are typical 1y designed to be rigidly mounted on a massive, stiff foundation. )abb的高压电机，尤其是两极电机，在设计时严格按照国际标准的要求，转速 范围避开可能的共振频率，比如电机固有频率，以及电磁力2倍频(2x)。电机 安装的基础，也

14、要求必须为刚性基础，才能避免共振发生。如果客户基础刚度不 够，电机无法通过更改某个部件避开共振频率，也无法消除振动问题。所以这种 状况下，还是要求客户遵照技术协议的条款，提高工作台刚度，使电机系统共 振频率远离电磁激励(2x)的频率120hz，从而降低电机振动。3结论电机是由基座、定子、转子、轴承等组成的复杂机械结构，电机运转吋存在着机 械-电磁-热耦合问题，任何的加工制造设计安装误差都可能导致电机产生振动。借助一定的测试及采集振动数据能够对相关振动现象进行分析。对于得到的振动 数据，通过频谱分析主要是为了看出激振力的类型，ix通常和转子不平衡相关, 2x通常和电磁力有关，其他的频率通常和部件缺陷有关。振动是否有共振发生， 如果是共振，通过频谱看出共振频率，根据设计中积累的频率或者进行模态实 验得出共振的部件。得出振动根源以后，根据不平衡力、电磁力或者其他力产生的原因，给出对应解 决的方法。共振问题还可能牵扯到电机所在的传动系统、基础等。通过以上的