大型交流變頻調(diào)速電機(jī)定子機(jī)座動態(tài)特性研究

丁淑華，龐立軍

(哈爾濱大電機(jī)研究所，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

近年來，基于改變電源頻率來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的交流變頻調(diào)速電機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，正逐步取代傳統(tǒng)的直流調(diào)速電機(jī)。一般來說，電機(jī)在電磁和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時都需采取很多措施來避振降噪，如選擇合理的電磁參數(shù)、選擇適當(dāng)?shù)牟叟浜虾筒坌倍?、提高關(guān)鍵部位的加工精度、改進(jìn)風(fēng)扇和風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)、選用合適的軸承以及提高動靜平衡精度等方法以有效地控制電機(jī)的振動和噪聲。

由于振動和噪聲的來源比較復(fù)雜，交流變頻調(diào)速電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的振動與噪聲問題一直沒有得到很好的解決。筆者結(jié)合模態(tài)分析技術(shù)，從提高定子機(jī)座整體剛度的角度出發(fā)，針對系列大型交流變頻調(diào)速電機(jī)的定子機(jī)座進(jìn)行了動態(tài)特性分析，從中總結(jié)出關(guān)于定子機(jī)座動態(tài)性能的一些規(guī)律，給出了定子機(jī)座避振設(shè)計(jì)方法，對解決振動和噪聲問題具有重要參考價值。

1 主要危害頻率

交流變頻調(diào)速電機(jī)是用變頻器改變定子電源頻率來改變電機(jī)同步頻率來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速的。由于定子電流中含有高次諧波成分，電機(jī)轉(zhuǎn)矩中含有脈動分量，有可能造成電機(jī)振動頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相接近或吻合而產(chǎn)生共振現(xiàn)象。因此應(yīng)預(yù)先找到結(jié)構(gòu)的固有頻率，然后利用變頻器的跳躍功能設(shè)置，避開共振頻率點(diǎn);或者通過改變結(jié)構(gòu)固有頻率使其避開次諧波成分。同時，供電電源頻率范圍和電機(jī)的轉(zhuǎn)速頻率也是誘發(fā)共振的重要因素之一。

因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，定子機(jī)座應(yīng)該盡可能地避開以下主要危害頻率:

(1)電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率

(2)電源頻率

(3)2倍電源頻率

(4)4倍電源頻率

(5)開關(guān)頻率(定子電流中的高次諧波成分)

2 定子機(jī)座動態(tài)特性分析

隨著有限元技術(shù)的日益成熟，采用有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為現(xiàn)代工程仿真計(jì)算的重要方法。筆者應(yīng)用Ansys軟件對不同系列大型交流變頻調(diào)速電機(jī)的定子機(jī)座建立了有限元分析模型，采用Block Lanczos迭代法進(jìn)行了定子機(jī)座的模態(tài)分析。

2.1 基本參數(shù)

不同系列大型交流變頻調(diào)速電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)基本參數(shù)

2.2 模態(tài)分析

由于定子機(jī)座和鐵心之間由“T”型定位筋連接，為了能夠反映真實(shí)結(jié)構(gòu)，選取的計(jì)算模型主要包括機(jī)座和鐵心，同時考慮了冷卻器、轉(zhuǎn)子和軸承座重量對定子機(jī)座固有頻率的影響。

機(jī)座與基礎(chǔ)把合處考慮為剛性約束。有限元模型如圖1所示。

不同系列電機(jī)定子機(jī)座模態(tài)分析結(jié)果如表2所示。模態(tài)振型如圖2、圖3所示。

圖1 定子機(jī)座有限元模型

表2 定子機(jī)座模態(tài)分析結(jié)果Hz

從表2分析結(jié)果可知:005系列電機(jī)定子機(jī)座固有頻率的分布比較合理，軸向、徑向和整體振型均能有效避開可能引起共振的頻率。從19階到30階振型都表現(xiàn)為機(jī)座板的局部振型，頻率值均能夠避開電源開關(guān)頻率。001系列和F系列電機(jī)定子機(jī)座的剛度設(shè)計(jì)相對較弱，其中001系列定子機(jī)座的第1、3階整體固有頻率與電源頻率倍頻程比較接近，第20階局部振動頻率與電源開關(guān)頻率比較接近。F系列定子機(jī)座的第3階整體固有頻率與電源頻率倍頻程比較接近，第24階局部振動頻率與電源開關(guān)頻率比較接近。這些固有頻率與危害頻率相差范圍都在10%以內(nèi)，可能會引起共振發(fā)生。想要錯開這些危害頻率，就必須通過提高定子機(jī)座的整體剛度來改變其固有頻率，同時要對局部筋板適當(dāng)加強(qiáng)。

根據(jù)定子機(jī)座的整體振型和局部振型特點(diǎn)，提高整體軸向、徑向剛度和采用局部加強(qiáng)的方法是可行的。因此，在原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上使定子機(jī)座的基礎(chǔ)板由60 mm變?yōu)?0 mm，兩端的蓋板由40 mm變?yōu)?4 mm，中間筋板由30 mm變?yōu)?0 mm，機(jī)座下部蓋板由5 mm變?yōu)?0 mm，同時沿軸向方向增加2根鋼管進(jìn)行串聯(lián)。

定子機(jī)座結(jié)構(gòu)加強(qiáng)后的模態(tài)分析結(jié)果如表3所示。

表3 定子機(jī)座模態(tài)分析結(jié)果 Hz

表3分析結(jié)果表明:增加機(jī)座板和筋板厚度對避開電源頻率倍頻程起到了明顯的效果，定子機(jī)座整體振型的固有頻率值可以有效避開電機(jī)的危害頻率。局部產(chǎn)生高頻振動的薄板通過加強(qiáng)后，振動頻率也能夠避開電源開關(guān)頻率。

3 結(jié)語

定子機(jī)座的整體固有頻率和局部振動頻率對電機(jī)的振動和噪聲具有很大影響。當(dāng)這些頻率與電機(jī)的主要危害頻率相接近或吻合時，容易產(chǎn)生共振。如果找到定子機(jī)座整體振型和局部振型的共振頻率點(diǎn)，通過改變定子機(jī)座整體剛度和采用局部加強(qiáng)的方法可以有效避開電源頻率倍頻程及電源開關(guān)頻率。