大中型電機組合結構定子的模態試驗研究

羅 磊，文金虎

（海裝武漢局駐武漢地區第六軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

電機的振動噪聲大小不僅與其激勵力的力波階次、頻率和幅值有關，而且還取決于電機定子的振動特性。當激勵力與定子振動特性不協調時，會導致較大的振動噪聲，甚至引發共振。設計者在進行電機低噪聲方案設計時，一般要進行電機定子振動特性計算分析，繼而開展振動特性與激勵力協調性的評估。而大中型電機定子結構一般較為復雜，包括各種結合面如螺栓結合面、過盈及過渡結合面等，屬于組合裝配體結構，同時與定子相連的電機冷卻系統、轉子及端蓋等結構對電機定子模態特性的影響缺乏足夠的經驗，給定子振動特性計算分析帶來了一定的困難。

本文運用成熟的商業模態測試軟件，對一臺中心高為450 mm的200 kW大中型電機開展了不同組合狀態下的模態試驗研究，獲得了電機定子的模態振動特性和冷卻系統、轉子及端蓋部件等對其振動特性的影響程度，主要研究成果可作為常規電機定子模態計算和結構聲學設計的參考。

1 試驗過程簡介

1.1 試驗對象

試驗研究對象如圖1所示。電機額定功率200 kW，中心高為450 mm。該電機定子為一般框架式焊接結構，滾動軸承，冷卻系統設置在電機上方，為一般典型的大中型電機結構型式，其定子振動特性的特點具有較普遍意義。電機轉子和軸承由端蓋支撐，端蓋安裝于定子兩側，通過螺栓連接。冷卻系統以背包形式安裝于電機頂部，通過螺栓連接。

圖1 200 kW異步電機實物圖

1.2 試驗系統組成

本次模態試驗采用的軟硬件是西門子公司的LMS Test.Lab模態測試系統。由于錘激法具有快速、方便的特點，試驗采用錘激法模態測試模塊（Impact Testing）來進行，系統組成框圖如下圖2所示。

圖2 模態測試系統組成框圖

1.3 試驗方案

擬定的試驗方案如表1所示：

表1 試驗研究方案

1.4 建立測量模型

利用軟繩將電機懸掛起來，以模擬其在自由狀態下的振動特性。激勵點盡量選取在骨架的位置，便于錘擊力能量的傳遞。

測量點布置原則為：以測量點的數量和位置應能表征在工程有意義頻帶內各階模態振型的基本輪廓為基本原則，充分利用數采前端的通道數，優先布置在電機骨干框架處，充分反映結構主模態特性。電機總共測點368個，分為驅動端、非驅動端、左側面、右側面以及上表面等5個部分，分別對每個部分進行劃線（如圖3所示），確定測點布置的位置并進行編號。

圖3 電機側面布點示意圖

按照測點布置情況，在軟件中建立電機定子測量模型，并將其與采集通道一一對應，正確設置模型中每個節點的測量方向，力錘垂直于電機外表面激勵。建立的測量模型如圖4所示。

圖4 測量幾何模型示意圖

測試試驗現場如圖5所示：

圖5 模態試驗現場

圖6 第1階端蓋呼吸模態和電機整體平動

圖7 第3階電機整體上下平動

圖8 側蓋板1階局部模態

2 試驗結果分析

2.1 定子振動特性

定子前10階固有頻率及振型描述如表2所示，圖5為第1階振型圖。

表2 定子前10階固有頻率及振型

2.2 冷卻系統拆卸前后對比

拆下冷卻系統前后電機定子模態試驗頻響曲線對比如圖9所示。圖中紅色曲線為冷卻系統拆卸前頻響和曲線，綠色曲線為拆卸后曲線，兩曲線形狀及峰值頻率點基本一致。

圖9 拆除冷卻系統前后頻響和對比

2.3 轉子拆卸前后對比

電機轉子拆卸前后電機定子模態試驗頻響曲線對比如圖10所示。圖中紅色曲線為轉子拆卸前頻響和曲線，綠色曲線為拆卸后曲線，兩曲線頻率點和響應大小均存在差別，差別較大。

圖10 拆除轉子前后頻響和對比

2.4 端蓋拆卸前后對比

端蓋拆卸前后電機定子模態試驗頻響曲線對比圖如圖11所示。圖中綠色曲線為轉子拆卸前頻響和曲線，紅色曲線為拆卸后曲線，兩曲線存在一定的差別，固有頻率點類式，但響應大小存在差別。

圖11 拆除端蓋前后頻響和對比

2.5 試驗結論

1）類似于200 kW大中型電機定子框架式的組合結構表現出來的模態主要由各個部分的模態特征組合而成。主要表現為電機定子整體平動或扭振、端蓋的呼吸模態和電機蒙皮薄壁側板的局部模態等，且相對集中體現在某一個頻率段內，由低階往高階依次出現。

2）該電機冷卻系統對電機整體振動特性影響不大，原因分析為一方面冷卻系統與電機定子分別為質心跨度大的兩組成部分，質量和剛度影響有限，另一方面兩者間布置的密封橡膠墊條進一步消弱了影響。因此進行類似于本文背包式冷卻系統或側面布置式冷卻系統的電機定子模態分析時，可忽略冷卻系統的影響。

3）電機轉子對電機整體的振動特性影響較大，尤其是整機測試得到的前3階模態（驅動端端蓋呼吸模態、電機整體左右平動模態和電機整體上下平動模態）皆由轉子引起，在電機定子模態建模計算時應充分考慮轉子的影響。

4）電機兩端端蓋影響端蓋所在處框架支撐板的振動特性，對有一定距離的中間兩框架支撐板及薄板的振動特性影響不大，在電機定子模態建模計算時應考慮端蓋的這種影響特點。

3 總結

本文運用成熟的商業模態測試軟件，對一臺中心高為450 mm的200 kW大中型電機開展了不同組合狀態下的模態試驗研究，獲得了電機定子的模態振動特性和冷卻系統、轉子及端蓋部件等對其振動特性的影響程度，主要研究成果可作為常規電機定子模態計算和結構聲學設計的參考。