論拍頻振動和噪聲在電動機質量診斷中的應用

趙小龍，章力源

(1 駐哈爾濱地區艦船配套軍事代表室，黑龍江哈爾濱150040;2 佳木斯防爆電機研究所，黑龍江佳木斯154005)

0 引言

電機中主磁通大致上沿徑向進入氣隙，并在定子和轉子上產生徑向力，引起切向振動和軸向振動。當電機存在某些質量問題時，會引起與電機相連的部件共振，產生輻射噪聲。如電機轉子動偏心、鼠籠型轉子斷條時，就會產生很低的二倍轉差頻率的拍頻振動和噪聲。通過分析產生振動和噪聲的力波，弄清其產生的機理，就可以判斷出電機的質量缺陷所在。繼而在設計參數和結構中作適當的改進以大幅提高電機的質量。本文介紹了通過分析和研究籠型異步電機存在的與轉差有關的拍頻振動和噪聲來判定質量缺陷的方法。

1 與轉差有關的拍頻振動和噪聲產生的原因

電機轉子動偏心會產生與轉差有關的低頻振動和噪聲。當兩個頻率很接近的振動相互疊加后，會產生與原來的兩個振動頻率近似相等，而振幅不固定的振動，即所謂的拍頻振動及由此引起的噪聲。在數學上，拍頻振動可以看成兩個正弦函數的疊加。設兩個振動分量頻率分別為ω+Δ?，ω-Δ?，其中Δ?很小，因此兩個頻率非常接近。振幅為Y1和Y2，它們相互疊加的結果如式(1)。

等號右側的第一項和第二項都是拍頻振動，如圖1 所示。

圖1 異步電機拍頻波形圖

這兩個頻率的力波疊加將產生振動階數為1的拍頻振動和噪聲。拍頻頻率如表1 所示。

表1 力波總結表

根據試驗和分析可知，在旋轉電機中有無拍頻振動和噪聲現象出現，主要取決于定子磁場與轉子旋轉角速度?1和?2之間的大小關系。當?1=?2時，不會出現拍頻振動和噪聲。因此，同步電機和直流電機就不會有這種現象發生。而在異步電機中，轉子的旋轉速度?2與定子磁場旋轉的角速度?1是異步的，有一較小的差異存在。這一差異與電機的轉差有關，所以異步電機中，總是存在與轉差s 有關的拍頻振動和噪聲，而且負載越大，拍頻振動和噪聲越明顯。

2 質量缺陷與拍頻振動和噪聲的關系

2.1 動偏心時引起的拍頻振動和噪聲

電機轉子加工偏心、轉軸彎曲、軸承座松動、轉子不平衡和軸承松動將使電機動偏心，產生階數的二倍轉差率的拍頻振動和噪聲。由表1 可知，這種動偏心產生的振動和噪聲中有兩個最主要的分量即

式中，n—階次;f—拍頻頻率;f1—基頻;s—轉差率;p—極對數。

2.2 籠型轉子斷條時引起的拍頻振動和噪聲

當鼠籠轉子斷條時，如圖2 所示。由疊加原理，可以把有一根鼠籠轉子導條斷條的電機分成(b)和(c)兩種情況的疊加。由于斷條的影響，產生了一附加磁勢疊加在主磁勢上，使氣隙磁密的分布有所改變，即在斷條的一邊為助磁，另一邊為去磁(如圖2(a)所示)，以至磁密不平衡，產生一磁拉力。產生附加磁勢的定子槽總是與轉子斷條聯系在一起的，因此它總是以轉子速度旋轉著。這個旋轉磁拉力迫使轉子呈弓型旋轉，致使定子變形，從而產生振動和噪聲。轉子弓形旋轉又將引起磁拉力的增大，使振動和噪聲增大。經研究當鼠籠轉子有一根斷條產生時，也將產生拍頻振動和噪聲。拍頻頻率為

由此可見，轉子斷條時，將產生二倍轉差頻率的振動和噪聲以及與轉差率有關的低頻振動和噪聲。此結論對多于一根斷條的情況同樣適用。需要指出的是，對類似的鼠籠型轉子斷環對噪聲和振動的影響很小，無法通過分析產生振動和噪聲的力波的方式確定故障。

圖2 氣隙磁密的分布圖

3 利用拍頻診斷電機故障的實例

3.1 利用拍頻振動診斷電機軸承故障

故障發生的電機型號是HY-200L1(30kW，2 900r/min)。故障的現象為設備起動后，電機有明顯的拍頻振動現象，會產生忽高忽低的噪聲。此噪聲在電機運行十幾分鐘后便消失，但電機噪聲稍大，隨著使用時間的延長，噪聲會越來越大，同時發出噪聲的時間也更長。從電機機身水平及垂直方向拾取的振動數據分析，“嗡-嗡”噪聲的振動頻率為1Hz(見圖3)，其振動是由于電機的電磁力矩頻率(99.9Hz)與電機轉子旋轉頻率的二倍頻(98.9Hz)形成的一種拍頻現象。若切斷電機電源，則在斷電瞬間，1Hz 振動消失，故可斷定振動是由機械振動引起的，且損壞的零件是電機軸承。因為電機軸承的旋轉精度影響電機轉子氣隙的均勻性，電機轉子氣隙內某一點的運動軌跡如圖4 所示。電機軸承旋轉精度越低，δ 值越大，氣隙的均勻性越差。由于氣隙均勻性差，使得氣隙中產生諧波磁通量，其結果是:①它在定子線圈中產生電流，從而對電源頻率進行調制;②定子鐵心產生所謂徑向交變激振力，因而引起定子鐵心振動;③引起磁力(N.I)的變化，因而引起扭矩和速度的變化，使轉子和軸產生振動。根據上述分析，決定更換電機軸承。更換軸承后，拍頻振動消失，電機噪聲降低。

圖3 頻域波形

3.2 利用拍頻振動診斷電機斷條故障

故障發生的電機型號是YB-200L1(30kW，1 460r/min)。故障的現象為設備起動后，電機有明顯的拍頻振動現象，隨著電機負載的增大，電機的振動加大。從電機機身水平及垂直方向拾取的振動數據的頻域波形(見圖4)可見。在4Hz 存在一個較大的振動幅值。而電機的基頻f1=50Hz，轉差率s=0.04，則2sf1=2×50×0.04=4Hz。因此該臺電機的振動是電機旋轉頻率與基頻產生拍頻引起的，由于拍頻的頻率等于2sf1(二倍轉差頻率)，由于上述電機運行時產生了較大的二倍轉差頻率的振動和噪聲，所以可以斷定電機存在斷條故障。

圖4 頻域波形

5 結語

綜上所述，與轉差有關的振動和噪聲，當電機轉子動偏心、鼠籠型轉子斷條時變為頻率很低的二倍轉差頻率的拍頻振動。因為它屬于低頻振動和噪聲，將主要影響異步電動機的振動大小，而低頻噪聲聽起來將是一種時高時低的“嗡-嗡”聲。對這種與轉差有關的振動和噪聲進行可以有效地診斷電機的質量問題，避免電機故障的發生。