變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)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(cè)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054;2.西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610031)

國(guó)內(nèi)外許多專家對(duì)電機(jī)的振動(dòng)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(dòng)力學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)等多個(gè)方面分析感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)噪聲的原因，并指出了電動(dòng)機(jī)噪聲主要是由電磁場(chǎng)產(chǎn)生電磁力及諧波對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)激勵(lì)引起的。在此基礎(chǔ)上提出了設(shè)計(jì)低噪聲電機(jī)的一些方法和建議，很好地指導(dǎo)了低噪聲電機(jī)的研究。浙江大學(xué)陳永校、諸自強(qiáng)等［2］重點(diǎn)研究感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)和直流電機(jī)的噪聲產(chǎn)生機(jī)理及控制方法。提出了評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)好壞的標(biāo)準(zhǔn)，即氣隙磁場(chǎng)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(yuǎn)離定子的固有振動(dòng)頻率，防止共振。德國(guó)漢堡聯(lián)邦國(guó)防大學(xué)的 F.Taegen等［3］通過解析法分析徑向力及時(shí)間諧波對(duì)永磁同步電機(jī)振動(dòng)噪聲的影響，提出通過增加電動(dòng)機(jī)定子的相數(shù)可減少徑向電磁力，并用永磁同步電動(dòng)機(jī)作實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該結(jié)論。王正華，陳樂生等［4］提出了電機(jī)噪聲的主要原因及測(cè)量方法:測(cè)量定子的振動(dòng)情況，只要用加速度傳感器測(cè)外殼即可。姚靈，毛勇亮等［5］對(duì)商用空調(diào)機(jī)室內(nèi)柜機(jī)產(chǎn)生的2f0噪聲進(jìn)行了詳細(xì)分析和論證，通過改變電機(jī)的安裝方式來提高電機(jī)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(jī)電磁噪聲提供了一種方法和思路。唐任遠(yuǎn)等［6］采用有限元法計(jì)算變頻器供電時(shí)永磁電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)并進(jìn)行頻譜分析，通過與實(shí)測(cè)氣隙磁場(chǎng)的對(duì)比分析總結(jié)出變頻器供電時(shí)氣隙磁場(chǎng)的主要諧波頻率表達(dá)式。

針對(duì)被試電機(jī)外殼的振動(dòng)加速度最大值達(dá)到11.6 m/s2，超過了國(guó)標(biāo)對(duì)電機(jī)外殼振動(dòng)加速度的限值(10 m/s2)［7］的情況，本文在研究電機(jī)振動(dòng)噪聲產(chǎn)生的原理的基礎(chǔ)上，選擇合適的點(diǎn)布置傳感器測(cè)量電機(jī)振動(dòng)及噪聲信號(hào)，選取特征明顯的信號(hào)進(jìn)行分析，通過時(shí)域、頻域及Hilbert變換進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)的方法分析電機(jī)振動(dòng)信號(hào)，找出引起電機(jī)異常振動(dòng)的原因。針對(duì)這些原因，結(jié)合理論研究的結(jié)論，提出該電機(jī)檢修的建議。

1 電機(jī)振動(dòng)原理

電機(jī)運(yùn)行過程中的振動(dòng)會(huì)引起噪聲，因此，找出電機(jī)異常振動(dòng)的原因也就找到了電機(jī)的噪聲源。電機(jī)振動(dòng)包括定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)座和軸承的振動(dòng)。電機(jī)振動(dòng)［8］的分類如圖1所示。

圖1 電機(jī)振動(dòng)的分類

定子鐵心的振動(dòng)主要由電磁力引起。電機(jī)運(yùn)行中，由于定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的相互作用，定子機(jī)座將受到一個(gè)交變電磁力的作用而變形。對(duì)于一臺(tái)極對(duì)數(shù)為p的電機(jī)來說，當(dāng)電源頻率為f時(shí)，同步轉(zhuǎn)速為60 f/p，電磁場(chǎng)交變頻率為f，因?yàn)樾D(zhuǎn)磁極產(chǎn)生的電磁力是磁場(chǎng)每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，電磁力交變p次，因此定子電磁振動(dòng)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(dòng):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(jī)轉(zhuǎn)子的振動(dòng)由彎曲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)2種，以下3種情況下會(huì)引起轉(zhuǎn)子彎曲振動(dòng):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(dòng)特性。機(jī)座振動(dòng)源包括:①定子鐵心電磁振動(dòng)通過鐵心與機(jī)座的連接傳來，引起機(jī)座的倍頻振動(dòng);② 轉(zhuǎn)子由于電磁力或不平衡振動(dòng)的激振力通過軸承傳遞到機(jī)座引起的振動(dòng)。

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

圖2 滾動(dòng)軸承振動(dòng)機(jī)理

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

2 電機(jī)噪聲組成及機(jī)理

電機(jī)噪聲由3部分組成:電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力性噪聲，其中電磁噪聲和機(jī)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(dòng)力波，使定子產(chǎn)生振動(dòng)而輻射噪聲，這類噪聲稱為電磁噪聲。在電機(jī)中，氣隙磁場(chǎng)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(shì)與各次諧波磁勢(shì)，它們相互作用可以產(chǎn)生一系列力波，其中主波磁場(chǎng)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(dòng)與噪聲。p1的計(jì)算公式為

式中:p為主波的極對(duì)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(gè)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(dòng)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(dòng)和噪聲。電磁振動(dòng)的頻譜理論圖形如圖3所示。

圖3 電磁振動(dòng)頻譜

氣隙磁場(chǎng)中的各次諧波磁勢(shì)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(duì)它們的分析及抑制是研究電機(jī)噪聲的一個(gè)主要任務(wù)。

2.2 機(jī)械噪聲

機(jī)械噪聲在電機(jī)中是不可避免的，它和電磁噪聲是相互聯(lián)系的，因?yàn)殡姍C(jī)發(fā)生結(jié)構(gòu)振動(dòng)會(huì)影響電磁場(chǎng)。機(jī)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(diǎn)和原因。

表1 軸承噪聲的可能頻率峰值點(diǎn)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(jī)最常見的機(jī)械噪聲，產(chǎn)生的主要原因是軸不對(duì)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(jī)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(dòng)和擺動(dòng)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(jì)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(jī)噪聲、振動(dòng)頻譜分析匯總成表2［11］。該表是通過大量實(shí)踐積累起來的，為判斷電機(jī)噪聲、振動(dòng)的產(chǎn)生原因提供了有利依據(jù)，是進(jìn)行電機(jī)噪聲源識(shí)別的基礎(chǔ)。

表2 電機(jī)噪聲、振動(dòng)頻譜分析匯總

3 電機(jī)振動(dòng)與噪聲的測(cè)試

3.1 試驗(yàn)裝置及測(cè)量?jī)x器

如圖4所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)型號(hào)為YPT355－8，轉(zhuǎn)速0～3 000 r/min。測(cè)量?jī)x器采用日本小野(Onosokki)測(cè)器公司生產(chǎn)的DS2000振動(dòng)噪聲數(shù)采系統(tǒng)，可以同時(shí)采集8個(gè)通道的加速度、聲壓信號(hào)和1個(gè)通道的速度信號(hào)。

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

圖4 被試電機(jī)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(jìn)行通訊。測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)，信號(hào)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(cè)器公司的DS0221 FFT。把DS0250記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到DS0221 FFT中，進(jìn)行相關(guān)處理和分析。

4 故障信號(hào)的分析與判別

4.1 電機(jī)振動(dòng)信號(hào)時(shí)域圖及頻域圖

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1 800 r/min時(shí)，根據(jù)公式計(jì)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(jìn)行分析。圖5為1 800 r/min時(shí)振動(dòng)信號(hào)的頻譜圖和噪聲信號(hào)的功率譜圖。圖5(b)中240.6 Hz、4 544 Hz兩個(gè)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(jì)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(jī)的主要噪聲源之一，齒諧波引起的電磁噪聲是該電機(jī)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(dòng)加速度幅值達(dá)到11.6 m/s2，超過國(guó)標(biāo)限值(10 m/s2)，在對(duì)電機(jī)維修前，要找出引起電機(jī)異常振動(dòng)的原因。

圖5 振動(dòng)信號(hào)的時(shí)域與頻譜圖

由于采集的原始信號(hào)中可能會(huì)混有很多非真實(shí)信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行多次平均，重采樣后得到如圖6所示的信號(hào)圖。從圖6中可以清楚地發(fā)現(xiàn)時(shí)域信號(hào)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(dòng)信號(hào)時(shí)域圖

然而僅僅根據(jù)時(shí)域信號(hào)和頻域信號(hào)很難完全發(fā)現(xiàn)電機(jī)異常振動(dòng)的真正原因，如圖5(a)所示，電機(jī)在4 544 Hz和 8 472 Hz處發(fā)生了共振，且信號(hào)中出現(xiàn)了很明顯的調(diào)制現(xiàn)象，需要對(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行濾波，分離出低頻調(diào)制信號(hào)，進(jìn)而分析電機(jī)振動(dòng)情況。

4.2 包絡(luò)譜分析

包絡(luò)譜分析理論原理。由于運(yùn)行的特點(diǎn)，在軸承座處測(cè)得的電機(jī)振動(dòng)信號(hào)中會(huì)顯現(xiàn)出調(diào)制現(xiàn)象。通過對(duì)振動(dòng)信號(hào)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(dòng)信號(hào)處理方法。與傳統(tǒng)的FFT分析方法不同，在進(jìn)行頻譜分析之前，先對(duì)信號(hào)進(jìn)行高通或者帶通濾波，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)解調(diào)，提取低頻調(diào)制信號(hào)。整個(gè)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(duì)振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(jìn)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(gè)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(jī)振動(dòng)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(dòng)。

圖8 徑向振動(dòng)信號(hào)包絡(luò)檢波頻譜圖

為了研究測(cè)得的電機(jī)噪聲與電機(jī)振動(dòng)的關(guān)系，對(duì)測(cè)得的噪聲信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)作了互相關(guān)函數(shù)分析。如圖9(a)所示，在噪聲信號(hào)功率譜中，電源頻率及其倍頻貢獻(xiàn)量很大，還有一部分是轉(zhuǎn)頻及其倍頻成分，將噪聲信號(hào)與振動(dòng)信號(hào)進(jìn)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(hào)的頻率與振動(dòng)信號(hào)的頻率一致，是由于電磁振動(dòng)引起的，軸承沒有故障，其異常振動(dòng)是由于電機(jī)異常電磁振動(dòng)引起的。不過這種周期性的脈沖振動(dòng)會(huì)使定子機(jī)座變形，這種力通過轉(zhuǎn)子作用在軸承上，會(huì)使軸承受力不均勻，時(shí)間長(zhǎng)了也會(huì)使軸承出現(xiàn)故障，應(yīng)及時(shí)對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢修。導(dǎo)致這種電磁振動(dòng)異常的原因有:①定子三相不對(duì)稱;② 定子鐵心和定子線圈松動(dòng);③電機(jī)座地腳螺栓松動(dòng)。可以從這3個(gè)方面對(duì)電機(jī)進(jìn)行檢修。

圖9 軸承座處噪聲信號(hào)及其與ch2的互相關(guān)譜

5 結(jié)束語

總結(jié)了電機(jī)振動(dòng)特性及噪聲特性;試驗(yàn)測(cè)得了電機(jī)的振動(dòng)及噪聲信號(hào)，通過分析找出了引起電機(jī)振動(dòng)異常的原因;提出了對(duì)該電機(jī)進(jìn)行檢修的意見。

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

［2］陳永校，諸自強(qiáng)，應(yīng)善成.電動(dòng)機(jī)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(duì)電機(jī)振動(dòng)和噪聲的影響［J］.噪聲與振動(dòng)控制，2006，8(4):73－75.

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

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

［7］電機(jī)振動(dòng)的測(cè)量、評(píng)定及限值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

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

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

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

［11］汪慶年，李紅艷.基于頻譜分析的電機(jī)噪聲源的識(shí)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(shí)現(xiàn)感應(yīng)電機(jī)矢量控制系統(tǒng)方法［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010(2):103－106.

［13］屈梁生，何正嘉.機(jī)械故障診斷學(xué)［M］.上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，1986.