半封閉雙螺桿制冷壓縮機電機振動的試驗研究

畢雨時，湯雁翔，張?zhí)煲?，李日華，姜國璠

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

近年來，半封閉雙螺桿制冷壓縮機在制冷、食品、醫(yī)藥、化工等各大領域已得到廣泛應用，噪聲和振動是其重要的評價指標[1]。尤其在國防、核電等特殊領域，對壓縮機的振動要求極高[2]。隨著螺桿壓縮機減振技術的不斷進步，電機振動已逐步顯現(xiàn)出來[3-7]。電機振動超標或異常，不僅會增大壓縮機的整體振動，也會在一定程度上縮短壓縮機的使用壽命。目前，在雙螺桿制冷壓縮機用電機的研究上，對振動故障的頻譜分析較多，而對振動原因的應用歸納總結(jié)較少[8-9]。本文研究了半封閉雙螺桿制冷壓縮機用三相異步電機的振動產(chǎn)生機理和主要影響因素，闡述了減小電機振動的幾種常用方法，并進行了試驗驗證。

2 電機振動機理研究

如圖1所示，半封閉雙螺桿制冷壓縮機是由一對陰陽螺桿轉(zhuǎn)子、電機、軸承、油分以及鑄件殼體等零部件組成，其中，陽螺桿轉(zhuǎn)子與電機轉(zhuǎn)子直接剛性連接。

圖1 半封閉雙螺桿制冷壓縮機剖視圖

雙螺桿制冷壓縮機在運行過程中，是通過機腳和進、出口法蘭向外傳遞振動，其中，振動最主要的傳遞路徑是壓縮機機腳處。因此，壓縮機振動重點考評機腳處的振動加速度，包括20～10 kHz的總值及1/3倍頻程頻譜。

某型號雙螺桿制冷壓縮機采用三相異步電機，電機極對數(shù)p為1，轉(zhuǎn)差率s為0.02，電源頻率f0為50 Hz，電機轉(zhuǎn)子槽數(shù)N1為28，螺桿陽轉(zhuǎn)子齒數(shù)z1為5。根據(jù)式（1）計算出電機轉(zhuǎn)子齒諧波基頻fN1為1372 Hz，根據(jù)式（2）計算出螺桿轉(zhuǎn)子嚙合頻率fZ1為245 Hz。

對該型號壓縮機機腳處的振動加速度進行測試，1/3倍頻程結(jié)果如圖2所示。49 Hz為電機轉(zhuǎn)頻，取決于動平衡；100 Hz由電機不對中導致；245 Hz為螺桿嚙合基頻，取決于螺桿轉(zhuǎn)子；490 Hz為螺桿嚙合2倍頻；1225 Hz為螺桿嚙合5倍頻；1372 Hz為電機轉(zhuǎn)子齒諧波基頻；2744 Hz和6860 Hz分別為電機轉(zhuǎn)子齒諧波2倍頻和5倍頻。其中，受電機影響的主要頻率點有49 Hz、100 Hz、1372 Hz、2744 Hz和6860 Hz。從圖2中可看出，這些頻帶的振動對低頻段和全頻段的振動總值有較大影響。因此，研究電機振動的產(chǎn)生機理并降低電機振動值是降低壓縮機振動的方法之一。

圖2 某型號壓縮機機腳處振動加速度1/3倍頻程

電機是雙螺桿制冷壓縮機的動力裝置，其振動是評定電機質(zhì)量的重要指標[10]。引起電機振動的原因主要分機械和電氣兩方面，可結(jié)合電機的結(jié)構(gòu)特征，分析電機振動頻譜，快速診斷電機異常振動[11-16]。影響電機振動的關鍵因素如下：

（1）電機轉(zhuǎn)子動平衡。電機轉(zhuǎn)子的不平衡量取決于其自身質(zhì)量的分布不均以及中心軸的撓曲變形。對于雙螺桿制冷壓縮機，電機轉(zhuǎn)子與螺桿陽轉(zhuǎn)子組裝進行整體動平衡試驗，動平衡對其振動影響很大。同時，電機轉(zhuǎn)子為懸臂結(jié)構(gòu)，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程由于懸臂軸的撓曲變形，導致電機產(chǎn)生振動，如圖3所示。

圖3 雙螺桿制冷壓縮機電機懸臂結(jié)構(gòu)

（2）氣隙均勻性。氣隙不均勻使電機工作中的激磁電流發(fā)生較大變化，產(chǎn)生單邊次拉力，嚴重時會發(fā)生動靜件碰摩，甚至使電機發(fā)生掃膛[13]。對于雙螺桿壓縮機，在實際應用過程中主要表現(xiàn)為電機定子徑向不固定、電機轉(zhuǎn)子因懸臂軸剛度不足發(fā)生撓曲變形，導致定子軸線與轉(zhuǎn)子軸線不重合。

（3）氣隙值。氣隙磁場產(chǎn)生的徑向力波的幅值，與氣隙的二次方成反比，則聲功率近似與氣隙的四次方成反比，當氣隙從δ1增大到δ2時，聲功率級的變化可根據(jù)式（3）估算?？紤]到增大氣隙會降低電機功率因素，增大空載電流，增加功耗[17-18]，因此，設計中因綜合考慮設置合適的氣隙值。

式中 δ1、δ2——氣隙值，m

（4）定、轉(zhuǎn)子開槽及極槽數(shù)。電機多數(shù)采用分布式繞組，即將繞組分布于沿氣隙圓周的多個槽內(nèi)[6]。定、轉(zhuǎn)子采用斜槽，產(chǎn)生的徑向力波會沿電機軸向發(fā)生相位移，可降低沿軸向的平均徑向力，進而減小電機的噪聲和振動。同時，縮小定、轉(zhuǎn)子槽的開口寬度，或采用閉口槽和磁性槽楔，減小氣隙磁導諧波，同樣可以降低電機的噪聲和振動。另外，盡可能使電機產(chǎn)生高階數(shù)電磁力波，同時遠離定子的固有頻率，進而合理設計電機的槽配合[19-20]。

因此，從實際應用角度，影響電機振動的因素可歸結(jié)為氣隙均勻性、氣隙選值、極槽配合三類。針對上述影響因素，下面闡述了具體的減振措施，并通過試驗進行了驗證。

3 減振措施及驗證

3.1 電機氣隙均勻性

根據(jù)上述分析，提高電機氣隙均勻性的方法有：提高動平衡精度、加強電機定子定位和提高懸臂軸剛度3個方面。具體措施如下：（1）將電機轉(zhuǎn)子和螺桿陽轉(zhuǎn)子組裝件的動平衡精度從G2.5提高至G1.0。（2）電機定子和壓縮機殼體采用壓裝工藝，過盈配合定位。（3）根據(jù)電機轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和軸承內(nèi)徑的尺寸規(guī)格，將支撐電機轉(zhuǎn)子的懸臂軸進行加粗處理，提高懸臂軸的抗彎剛度。現(xiàn)對某型號雙螺桿制冷壓縮機優(yōu)化前后的氣隙按圖4從上、下、左、右4個方向進行測量并進行整機振動對比測試，詳情見如表1和圖5所示。

圖5 氣隙均勻性優(yōu)化前后機腳處振動加速度1/3倍頻程對比

表1 電機氣隙均勻性優(yōu)化之氣隙測量值

圖4 三相異步電動機結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過結(jié)構(gòu)和裝配的優(yōu)化，壓縮機機腳的振動加速度包括20～10 kHz總值下降2 dB，目標頻率點50 Hz和100 Hz改善明顯，50 Hz降低4.6 dB，100 Hz降低7.5 dB。由于關聯(lián)性，其余1/3倍頻均有一定程度的降低。該項試驗說明，上述3項優(yōu)化措施能夠有效提高壓縮機電機氣隙的均勻性，對特定頻率點的振動有改善，也能在一定程度上降低壓縮機的整體振動。

3.2 電機氣隙選值

對于選定功率的電機，可以在保證最佳電機效率的前提下，選擇合適的氣隙值來降低電機的振動。某型號雙螺桿制冷壓縮機，電機選型功率為48kW，結(jié)合電機最佳效率設計原則，對該電機在不同氣隙下進行試驗驗證，找出最佳電機氣隙值，使受電機影響的頻率點的機腳振動降低，不同氣隙的振動數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 機腳處振動加速度1/3倍頻程隨氣隙值的變化

選取6 組氣隙值，其中氣隙值0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm和1.2 mm均能夠保證電機處于最佳效率。經(jīng)過對比測試發(fā)現(xiàn)：在不同電機氣隙值下，1250 Hz和2500 Hz的機腳振動較為平穩(wěn)，無明顯變化，偏差在±1 dB。100 Hz和6300 Hz的機腳振動變化趨勢相近，均在氣隙值1.1 mm時機腳振動最低。50 Hz在氣隙值1.0 mm時機腳振動最低。因此可以得出，氣隙值在1.0～1.1 mm區(qū)間即1.05±0.05 mm時，受電機影響的頻率點所引發(fā)的機腳振動最小。

對該系列壓縮機的其他型號進行了理論推算和實驗驗證，得出不同電機功率的最優(yōu)氣隙值，如表2所示。

表2 系列化電機最優(yōu)氣隙值

3.3 電機極槽數(shù)

根據(jù)上文所述，螺桿轉(zhuǎn)子在運行過程中，除嚙合基頻245 Hz外，還會產(chǎn)生490 Hz、735 Hz、980 Hz、1225 Hz、1470 Hz等倍頻振動峰值。由電機定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)所產(chǎn)生的齒諧波基頻、倍頻容易與螺桿轉(zhuǎn)子的振動特征頻率處于相同1/3倍頻程內(nèi)，從而導致振動會疊加，使得壓縮機的機腳振動偏大甚至超標。

某型號半封閉雙螺桿制冷壓縮機的電機定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)分別為36、28，對應的定、轉(zhuǎn)子齒諧波基頻分別為1764 Hz和1372 Hz，與螺桿轉(zhuǎn)子振動特征頻率1470 Hz和1715 Hz、1225 Hz分別處于相同1/3倍頻程內(nèi)，導致1250 Hz和1600 Hz 2個頻帶內(nèi)的振動增大?？紤]到電機定子槽數(shù)的振動影響遠大于電機轉(zhuǎn)子，以及電機自身結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能設計，將該款電機定、轉(zhuǎn)子的槽數(shù)調(diào)整為44、36，將電機定子齒諧波頻率和螺桿轉(zhuǎn)子頻率錯開，并進行試驗驗證，優(yōu)化前后的振動數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 電機槽數(shù)優(yōu)化前后機腳處振動加速度1/3倍頻程對比

從測試數(shù)據(jù)可看出，調(diào)整電機定、轉(zhuǎn)子的槽數(shù)，將電機齒諧波頻率和螺桿轉(zhuǎn)子頻率錯開，避免振動疊加，對1250 Hz以上的壓縮機機腳振動改善明顯。壓縮機機腳的振動加速度20～10 kHz總值下降2.7 dB，其中，目標頻率點1250 Hz和1600 Hz均下降3 dB以上，在2500 Hz降低8.7 dB，整體效果顯著。

4 結(jié)論

本文研究電機氣隙的均勻性、電機氣隙值以及電機極槽配合對壓縮機振動的影響，并通過試驗驗證，得出以下結(jié)論：

（1）通過提高動平衡精度、加強電機定子定位和提高懸臂軸剛度三項措施，可改善和提高電機氣隙的均勻性。電機氣隙越均勻，對電機特定頻率（電機轉(zhuǎn)頻和電源2倍頻）的振動改善越明顯，也在一定程度上降低壓縮機的整體振動。

（2）在保證最佳電機效率的前提下，選擇合適的電機氣隙值，對與電機相關的頻率引發(fā)的振動有顯著改善。

（3）合理設計電機的極槽數(shù)，避免電機振動特征頻率與螺桿轉(zhuǎn)子特征頻率出現(xiàn)在相同1/3倍頻程內(nèi)，從而避免振動的疊加，可有效地降低相應1/3倍頻程振動值和全頻段振動總值。