變頻調(diào)速三相異步電動機異常振動分析

易 鵬，石曉輝，施 全，郭 棟，蔣 巍

(1.重慶理工大學(xué)汽車零部件制造及檢測技術(shù)教育部重點實驗室，重慶 400054;2.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610031)

國內(nèi)外許多專家對電機的振動噪聲問題做過研究，出版了一些專著。前蘇聯(lián)學(xué)者舒波夫［1］從電磁力學(xué)、空氣動力學(xué)、機械結(jié)構(gòu)等多個方面分析感應(yīng)電動機、同步電動機及直流電動機產(chǎn)生振動噪聲的原因，并指出了電動機噪聲主要是由電磁場產(chǎn)生電磁力及諧波對機械結(jié)構(gòu)激勵引起的。在此基礎(chǔ)上提出了設(shè)計低噪聲電機的一些方法和建議，很好地指導(dǎo)了低噪聲電機的研究。浙江大學(xué)陳永校、諸自強等［2］重點研究感應(yīng)電動機、同步電動機和直流電機的噪聲產(chǎn)生機理及控制方法。提出了評價電動機好壞的標(biāo)準(zhǔn)，即氣隙磁場諧波分量要小，徑向電磁力波幅值要小，階數(shù)要高，電磁力波的頻率要遠離定子的固有振動頻率，防止共振。德國漢堡聯(lián)邦國防大學(xué)的 F.Taegen等［3］通過解析法分析徑向力及時間諧波對永磁同步電機振動噪聲的影響，提出通過增加電動機定子的相數(shù)可減少徑向電磁力，并用永磁同步電動機作實驗，驗證了該結(jié)論。王正華，陳樂生等［4］提出了電機噪聲的主要原因及測量方法:測量定子的振動情況，只要用加速度傳感器測外殼即可。姚靈，毛勇亮等［5］對商用空調(diào)機室內(nèi)柜機產(chǎn)生的2f0噪聲進行了詳細分析和論證，通過改變電機的安裝方式來提高電機定子的固有頻率，從而降低了頻率為2倍電源頻率的電磁噪聲，為降低電機電磁噪聲提供了一種方法和思路。唐任遠等［6］采用有限元法計算變頻器供電時永磁電機的氣隙磁場并進行頻譜分析，通過與實測氣隙磁場的對比分析總結(jié)出變頻器供電時氣隙磁場的主要諧波頻率表達式。

針對被試電機外殼的振動加速度最大值達到11.6 m/s2，超過了國標(biāo)對電機外殼振動加速度的限值(10 m/s2)［7］的情況，本文在研究電機振動噪聲產(chǎn)生的原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的點布置傳感器測量電機振動及噪聲信號，選取特征明顯的信號進行分析，通過時域、頻域及Hilbert變換進行包絡(luò)解調(diào)的方法分析電機振動信號，找出引起電機異常振動的原因。針對這些原因，結(jié)合理論研究的結(jié)論，提出該電機檢修的建議。

1 電機振動原理

電機運行過程中的振動會引起噪聲，因此，找出電機異常振動的原因也就找到了電機的噪聲源。電機振動包括定子、轉(zhuǎn)子、機座和軸承的振動。電機振動［8］的分類如圖1所示。

圖1 電機振動的分類

定子鐵心的振動主要由電磁力引起。電機運行中，由于定轉(zhuǎn)子磁場的相互作用，定子機座將受到一個交變電磁力的作用而變形。對于一臺極對數(shù)為p的電機來說，當(dāng)電源頻率為f時，同步轉(zhuǎn)速為60 f/p，電磁場交變頻率為f，因為旋轉(zhuǎn)磁極產(chǎn)生的電磁力是磁場每轉(zhuǎn)動1周，電磁力交變p次，因此定子電磁振動頻率應(yīng)為2倍的電源頻率。定子繞組經(jīng)常受到以下幾種力的影響，引起繞組系統(tǒng)頻率或倍頻率振動:繞組中電流與漏磁通作用力，轉(zhuǎn)子單邊磁拉力和繞組的熱脹冷縮力。

電機轉(zhuǎn)子的振動由彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動2種，以下3種情況下會引起轉(zhuǎn)子彎曲振動:①轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡;②轉(zhuǎn)子冷熱不均及電磁力不平衡;③轉(zhuǎn)子的固有振動特性。機座振動源包括:①定子鐵心電磁振動通過鐵心與機座的連接傳來，引起機座的倍頻振動;② 轉(zhuǎn)子由于電磁力或不平衡振動的激振力通過軸承傳遞到機座引起的振動。

電機軸承工作時一般內(nèi)圈與軸相聯(lián)接，隨軸一起轉(zhuǎn)動;外圈與軸承座或者機殼聯(lián)接，固定或者相對固定。當(dāng)電機運轉(zhuǎn)時，由于軸承本身的結(jié)構(gòu)特點、加工裝配及運行中出現(xiàn)的故障等內(nèi)部因素，以及傳動軸上其他零件移動和力的作用等外部因素的影響，當(dāng)電機以一定轉(zhuǎn)速并且有一定負載運行時，對軸承和軸承座或者外殼組成的系統(tǒng)會產(chǎn)生激勵，導(dǎo)致該系統(tǒng)振動，其機理［9］如圖2所示。

圖2 滾動軸承振動機理

軸承損傷產(chǎn)生的沖擊振動從性質(zhì)上可以分為2類:一是軸承表面的損傷點反復(fù)撞擊與之接觸的其他元件產(chǎn)生的低頻振動成分，通常稱為軸承的通過振動;二是由于損傷沖擊引起的軸承系統(tǒng)高頻固有振動。軸承系統(tǒng)的高頻固有振動包括的成分很多，如軸承內(nèi)圈、外圈的徑向彎曲固有振動、滾動體振動等。對于電機來說，引起軸承振動異常的外部因素有:定子異常產(chǎn)生的電磁振動;氣隙不均勻引起的電磁振動;轉(zhuǎn)子導(dǎo)體異常引起的電磁振動;轉(zhuǎn)子不平衡引起的機械振動。這些異常振動都會直接或間接地作用到軸承上。

2 電機噪聲組成及機理

電機噪聲由3部分組成:電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力性噪聲，其中電磁噪聲和機械噪聲占主要成分。

2.1 電磁噪聲

電磁力作用在定、轉(zhuǎn)子間的氣隙中，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力波或脈動力波，使定子產(chǎn)生振動而輻射噪聲，這類噪聲稱為電磁噪聲。在電機中，氣隙磁場作用在定子鐵心上產(chǎn)生徑向電磁力和切向電磁力，其中徑向電磁力是產(chǎn)生電磁噪聲的主要原因。根據(jù)馬克斯韋定律，作用在定子鐵心內(nèi)表面單位面積上的徑向電磁力為

式中:μ0=4π ×10－7亨/m;b(θ，t)為氣隙密度。

在定、轉(zhuǎn)子繞組中存在著主波磁勢與各次諧波磁勢，它們相互作用可以產(chǎn)生一系列力波，其中主波磁場產(chǎn)生的徑向力波為［10］

其中p0=B2/(4μ0)是徑向電磁力的不變部分，不產(chǎn)生振動與噪聲。p1的計算公式為

式中:p為主波的極對數(shù);ω1為主波的角速度;θ0為初相位角。

p1是徑向力波的交變部分，這個力波的角頻率是2ω1，即2倍的電源頻率，它使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生2倍電源頻率(f=pn/30)的振動與噪聲，正是p1產(chǎn)生的交變電磁力波作用在定子上，使定子產(chǎn)生電磁振動和噪聲。電磁振動的頻譜理論圖形如圖3所示。

圖3 電磁振動頻譜

氣隙磁場中的各次諧波磁勢包括定子繞組齒諧波、轉(zhuǎn)子繞組齒諧波、定子磁導(dǎo)齒諧波、轉(zhuǎn)子磁導(dǎo)齒諧波。這些齒諧波相互作用產(chǎn)生的力波，一般是電磁噪聲的主要分量，因此，對它們的分析及抑制是研究電機噪聲的一個主要任務(wù)。

2.2 機械噪聲

機械噪聲在電機中是不可避免的，它和電磁噪聲是相互聯(lián)系的，因為電機發(fā)生結(jié)構(gòu)振動會影響電磁場。機械噪聲包括軸承噪聲、電刷噪聲、結(jié)構(gòu)共振。

2.2.1 軸承噪聲

軸承損傷類故障是軸承產(chǎn)生噪聲的主要原因之一，表1為軸承噪聲的可能頻率峰值點和原因。

表1 軸承噪聲的可能頻率峰值點和原因

2.2.2 轉(zhuǎn)子不平衡噪聲

轉(zhuǎn)子不平衡噪聲是電機最常見的機械噪聲，產(chǎn)生的主要原因是軸不對中或轉(zhuǎn)子平衡性不好，其噪聲主要頻率等于軸的轉(zhuǎn)頻(n/60)。

2.2.3 電刷噪聲

在有滑環(huán)和換向器的電機中，電刷噪聲是不可避免的。電刷噪聲有3種原因引起:①摩擦噪聲;② 撞擊噪聲;③ 火花噪聲。由于換向片與電刷周期性的撞擊，使電刷在刷握內(nèi)徑向跳動和擺動產(chǎn)生電刷噪聲，這種噪聲具有與換向片數(shù)成倍數(shù)關(guān)系的單頻成分，其頻率計算公式為

式中:C為正整數(shù)，1，2，3，…;K為換向片數(shù);n為轉(zhuǎn)速。

將電機噪聲、振動頻譜分析匯總成表2［11］。該表是通過大量實踐積累起來的，為判斷電機噪聲、振動的產(chǎn)生原因提供了有利依據(jù)，是進行電機噪聲源識別的基礎(chǔ)。

表2 電機噪聲、振動頻譜分析匯總

3 電機振動與噪聲的測試

3.1 試驗裝置及測量儀器

如圖4所示，驅(qū)動電機型號為YPT355－8，轉(zhuǎn)速0～3 000 r/min。測量儀器采用日本小野(Onosokki)測器公司生產(chǎn)的DS2000振動噪聲數(shù)采系統(tǒng)，可以同時采集8個通道的加速度、聲壓信號和1個通道的速度信號。

如圖4所示，在電機的軸伸端軸承座處布置1個3向加速度傳感器，在電機外殼上布置2個單向加速度傳感器，分別布置2個麥克風(fēng)測量軸承座處和外殼處的噪聲信號，根據(jù)傳感器的說明書分別對2個傳感器進行標(biāo)定。斷開離合器，讓電機在空載狀態(tài)下進行試驗。

圖4 被試電機及數(shù)采系統(tǒng)

3.2 數(shù)據(jù)記錄和分析軟件

數(shù)據(jù)記錄采用小野公司的DS0250Throughout Disk。DS2000與電腦間通過DS0297高速通訊卡進行通訊。測量數(shù)據(jù)時，信號通過DS2000采集，再傳輸?shù)诫娔X，由DS0250記錄保存到電腦硬盤。數(shù)據(jù)分析軟件采用小野測器公司的DS0221 FFT。把DS0250記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DS0221 FFT中，進行相關(guān)處理和分析。

4 故障信號的分析與判別

4.1 電機振動信號時域圖及頻域圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時，根據(jù)公式計算軸承的故障頻率及電源頻率，如表3所示。

觀察采集的數(shù)據(jù)，在其中挑選重復(fù)性好而且特征比較明顯的數(shù)據(jù)進行分析。圖5為1 800 r/min時振動信號的頻譜圖和噪聲信號的功率譜圖。圖5(b)中240.6 Hz、4 544 Hz兩個特征頻率處噪聲最大，240.6 Hz為電源頻率的2倍，根據(jù)齒諧波計算公式:

代入得齒諧波頻率為4 560 Hz，與4 544 Hz比較接近，說明頻率為2倍的電源頻率的磁極徑向磁拉力引起的電磁脈沖噪聲是該電機的主要噪聲源之一，齒諧波引起的電磁噪聲是該電機噪聲的主要分量之一。

表3 軸承故障頻率及電源頻率 Hz

如圖5(a)所示，在8 472 Hz處振動加速度幅值達到11.6 m/s2，超過國標(biāo)限值(10 m/s2)，在對電機維修前，要找出引起電機異常振動的原因。

圖5 振動信號的時域與頻譜圖

由于采集的原始信號中可能會混有很多非真實信號，對原始信號進行多次平均，重采樣后得到如圖6所示的信號圖。從圖6中可以清楚地發(fā)現(xiàn)時域信號中存在明顯的周期性沖擊，沖擊的間隔頻率恰好是軸的轉(zhuǎn)頻。

圖6 處理后振動信號時域圖

然而僅僅根據(jù)時域信號和頻域信號很難完全發(fā)現(xiàn)電機異常振動的真正原因，如圖5(a)所示，電機在4 544 Hz和 8 472 Hz處發(fā)生了共振，且信號中出現(xiàn)了很明顯的調(diào)制現(xiàn)象，需要對振動信號進行濾波，分離出低頻調(diào)制信號，進而分析電機振動情況。

4.2 包絡(luò)譜分析

包絡(luò)譜分析理論原理。由于運行的特點，在軸承座處測得的電機振動信號中會顯現(xiàn)出調(diào)制現(xiàn)象。通過對振動信號的解調(diào)處理，能分離出調(diào)幅和載波信息。

包絡(luò)分析是一種基于濾波檢波的振動信號處理方法。與傳統(tǒng)的FFT分析方法不同，在進行頻譜分析之前，先對信號進行高通或者帶通濾波，然后對信號進行包絡(luò)解調(diào)，提取低頻調(diào)制信號。整個包絡(luò)譜分析的流程［12］如圖7所示。

圖7 包絡(luò)分析原理

對振動信號進行包絡(luò)檢波，以8 500 Hz為中心頻率，帶寬為2 200 Hz作帶通濾波后進行包絡(luò)檢波，得到如圖8所示的圖形。239.25、479.14、720.2、960.3 Hz這4個特征頻率與2倍電源頻率、4倍電源頻率、6倍電源頻率、8倍電源頻率很接近，說明該電機振動異常的主要原因是:頻率為2倍電源頻率及其倍頻的徑向磁拉力作用在定子上，產(chǎn)生電磁振動。

圖8 徑向振動信號包絡(luò)檢波頻譜圖

為了研究測得的電機噪聲與電機振動的關(guān)系，對測得的噪聲信號與振動信號作了互相關(guān)函數(shù)分析。如圖9(a)所示，在噪聲信號功率譜中，電源頻率及其倍頻貢獻量很大，還有一部分是轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分，將噪聲信號與振動信號進行互相關(guān)譜分析，如圖9(b)所示，240、480 Hz處依然有很大的幅值，說明我們聽到的噪聲信號的頻率與振動信號的頻率一致，是由于電磁振動引起的，軸承沒有故障，其異常振動是由于電機異常電磁振動引起的。不過這種周期性的脈沖振動會使定子機座變形，這種力通過轉(zhuǎn)子作用在軸承上，會使軸承受力不均勻，時間長了也會使軸承出現(xiàn)故障，應(yīng)及時對電機進行檢修。導(dǎo)致這種電磁振動異常的原因有:①定子三相不對稱;② 定子鐵心和定子線圈松動;③電機座地腳螺栓松動?？梢詮倪@3個方面對電機進行檢修。

圖9 軸承座處噪聲信號及其與ch2的互相關(guān)譜

5 結(jié)束語

總結(jié)了電機振動特性及噪聲特性;試驗測得了電機的振動及噪聲信號，通過分析找出了引起電機振動異常的原因;提出了對該電機進行檢修的意見。

［1］［蘇］舒波夫.電動機的噪聲和振動［M］.沈官秋，譯.北京:機械工業(yè)出版社，1980.

［2］陳永校，諸自強，應(yīng)善成.電動機噪聲的分析與控制［M］.杭州:浙江大學(xué)出版社，1987.

［3］Taegen F，Kolbe J，Verma S P.Vibrations and noise produce by special Purpose permanent-magnet synchronous motors in variable frequency operation［C］//Proceedings of 4thIEEE International Conference on Power Electronics And Drive Systems.［S.l.］:［s.n.］，2001:583－588.

［4］王正華，陳樂生，陳大躍.SPWM中載波對電機振動和噪聲的影響［J］.噪聲與振動控制，2006，8(4):73－75.

［5］姚靈，毛勇亮.異步電機2f0噪聲的分析與控制［J］.噪聲與振動控制，2008，4(2):104 －106.

［6］唐任遠，宋志環(huán)，于慎波.變頻器供電對永磁電機振動噪聲源的影響研究［J］.電機與控制學(xué)報，2010，14(3):12－17.

［7］電機振動的測量、評定及限值國家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

［8］楊俊.基于Labview的電機噪聲振動測試分析系統(tǒng)［D］.杭州:浙江大學(xué)，2007.

［9］沈標(biāo)正.電機故障診斷技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1996.

［10］伍先俊，李志明.汽車電機噪聲機理和降噪方法［J］.微特電機，2003(1):13－16.

［11］汪慶年，李紅艷.基于頻譜分析的電機噪聲源的識別［J］.聲學(xué)技術(shù)，2009，28(4):528 －531.

［12］劉宇，賈石峰.矩陣變換器實現(xiàn)感應(yīng)電機矢量控制系統(tǒng)方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2010(2):103－106.

［13］屈梁生，何正嘉.機械故障診斷學(xué)［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1986.