畢雨時(shí)，湯雁翔，張?zhí)煲恚钊杖A，姜國(guó)璠

（珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海 519070）

1 引言

近年來(lái)，半封閉雙螺桿制冷壓縮機(jī)在制冷、食品、醫(yī)藥、化工等各大領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，噪聲和振動(dòng)是其重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)[1]。尤其在國(guó)防、核電等特殊領(lǐng)域，對(duì)壓縮機(jī)的振動(dòng)要求極高[2]。隨著螺桿壓縮機(jī)減振技術(shù)的不斷進(jìn)步，電機(jī)振動(dòng)已逐步顯現(xiàn)出來(lái)[3-7]。電機(jī)振動(dòng)超標(biāo)或異常，不僅會(huì)增大壓縮機(jī)的整體振動(dòng)，也會(huì)在一定程度上縮短壓縮機(jī)的使用壽命。目前，在雙螺桿制冷壓縮機(jī)用電機(jī)的研究上，對(duì)振動(dòng)故障的頻譜分析較多，而對(duì)振動(dòng)原因的應(yīng)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(jī)用三相異步電機(jī)的振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理和主要影響因素，闡述了減小電機(jī)振動(dòng)的幾種常用方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 電機(jī)振動(dòng)機(jī)理研究

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

圖1 半封閉雙螺桿制冷壓縮機(jī)剖視圖

雙螺桿制冷壓縮機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，是通過(guò)機(jī)腳和進(jìn)、出口法蘭向外傳遞振動(dòng)，其中，振動(dòng)最主要的傳遞路徑是壓縮機(jī)機(jī)腳處。因此，壓縮機(jī)振動(dòng)重點(diǎn)考評(píng)機(jī)腳處的振動(dòng)加速度，包括20～10 kHz的總值及1/3倍頻程頻譜。

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

對(duì)該型號(hào)壓縮機(jī)機(jī)腳處的振動(dòng)加速度進(jìn)行測(cè)試，1/3倍頻程結(jié)果如圖2所示。49 Hz為電機(jī)轉(zhuǎn)頻，取決于動(dòng)平衡；100 Hz由電機(jī)不對(duì)中導(dǎo)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(jī)轉(zhuǎn)子齒諧波基頻；2744 Hz和6860 Hz分別為電機(jī)轉(zhuǎn)子齒諧波2倍頻和5倍頻。其中，受電機(jī)影響的主要頻率點(diǎn)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(dòng)對(duì)低頻段和全頻段的振動(dòng)總值有較大影響。因此，研究電機(jī)振動(dòng)的產(chǎn)生機(jī)理并降低電機(jī)振動(dòng)值是降低壓縮機(jī)振動(dòng)的方法之一。

圖2 某型號(hào)壓縮機(jī)機(jī)腳處振動(dòng)加速度1/3倍頻程

電機(jī)是雙螺桿制冷壓縮機(jī)的動(dòng)力裝置，其振動(dòng)是評(píng)定電機(jī)質(zhì)量的重要指標(biāo)[10]。引起電機(jī)振動(dòng)的原因主要分機(jī)械和電氣兩方面，可結(jié)合電機(jī)的結(jié)構(gòu)特征，分析電機(jī)振動(dòng)頻譜，快速診斷電機(jī)異常振動(dòng)[11-16]。影響電機(jī)振動(dòng)的關(guān)鍵因素如下：

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡。電機(jī)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(duì)于雙螺桿制冷壓縮機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子與螺桿陽(yáng)轉(zhuǎn)子組裝進(jìn)行整體動(dòng)平衡試驗(yàn)，動(dòng)平衡對(duì)其振動(dòng)影響很大。同時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子為懸臂結(jié)構(gòu)，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程由于懸臂軸的撓曲變形，導(dǎo)致電機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)，如圖3所示。

圖3 雙螺桿制冷壓縮機(jī)電機(jī)懸臂結(jié)構(gòu)

（2）氣隙均勻性。氣隙不均勻使電機(jī)工作中的激磁電流發(fā)生較大變化，產(chǎn)生單邊次拉力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生動(dòng)靜件碰摩，甚至使電機(jī)發(fā)生掃膛[13]。對(duì)于雙螺桿壓縮機(jī)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中主要表現(xiàn)為電機(jī)定子徑向不固定、電機(jī)轉(zhuǎn)子因懸臂軸剛度不足發(fā)生撓曲變形，導(dǎo)致定子軸線與轉(zhuǎn)子軸線不重合。

（3）氣隙值。氣隙磁場(chǎng)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(dāng)氣隙從δ1增大到δ2時(shí)，聲功率級(jí)的變化可根據(jù)式（3）估算?？紤]到增大氣隙會(huì)降低電機(jī)功率因素，增大空載電流，增加功耗[17-18]，因此，設(shè)計(jì)中因綜合考慮設(shè)置合適的氣隙值。

式中 δ1、δ2——?dú)庀吨?，m

（4）定、轉(zhuǎn)子開(kāi)槽及極槽數(shù)。電機(jī)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(gè)槽內(nèi)[6]。定、轉(zhuǎn)子采用斜槽，產(chǎn)生的徑向力波會(huì)沿電機(jī)軸向發(fā)生相位移，可降低沿軸向的平均徑向力，進(jìn)而減小電機(jī)的噪聲和振動(dòng)。同時(shí)，縮小定、轉(zhuǎn)子槽的開(kāi)口寬度，或采用閉口槽和磁性槽楔，減小氣隙磁導(dǎo)諧波，同樣可以降低電機(jī)的噪聲和振動(dòng)。另外，盡可能使電機(jī)產(chǎn)生高階數(shù)電磁力波，同時(shí)遠(yuǎn)離定子的固有頻率，進(jìn)而合理設(shè)計(jì)電機(jī)的槽配合[19-20]。

因此，從實(shí)際應(yīng)用角度，影響電機(jī)振動(dòng)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(duì)上述影響因素，下面闡述了具體的減振措施，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。

3 減振措施及驗(yàn)證

3.1 電機(jī)氣隙均勻性

根據(jù)上述分析，提高電機(jī)氣隙均勻性的方法有：提高動(dòng)平衡精度、加強(qiáng)電機(jī)定子定位和提高懸臂軸剛度3個(gè)方面。具體措施如下：（1）將電機(jī)轉(zhuǎn)子和螺桿陽(yáng)轉(zhuǎn)子組裝件的動(dòng)平衡精度從G2.5提高至G1.0。（2）電機(jī)定子和壓縮機(jī)殼體采用壓裝工藝，過(guò)盈配合定位。（3）根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)徑和軸承內(nèi)徑的尺寸規(guī)格，將支撐電機(jī)轉(zhuǎn)子的懸臂軸進(jìn)行加粗處理，提高懸臂軸的抗彎剛度?，F(xiàn)對(duì)某型號(hào)雙螺桿制冷壓縮機(jī)優(yōu)化前后的氣隙按圖4從上、下、左、右4個(gè)方向進(jìn)行測(cè)量并進(jìn)行整機(jī)振動(dòng)對(duì)比測(cè)試，詳情見(jiàn)如表1和圖5所示。

圖5 氣隙均勻性優(yōu)化前后機(jī)腳處振動(dòng)加速度1/3倍頻程對(duì)比

表1 電機(jī)氣隙均勻性優(yōu)化之氣隙測(cè)量值

圖4 三相異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)和裝配的優(yōu)化，壓縮機(jī)機(jī)腳的振動(dòng)加速度包括20～10 kHz總值下降2 dB，目標(biāo)頻率點(diǎn)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(guān)聯(lián)性，其余1/3倍頻均有一定程度的降低。該項(xiàng)試驗(yàn)說(shuō)明，上述3項(xiàng)優(yōu)化措施能夠有效提高壓縮機(jī)電機(jī)氣隙的均勻性，對(duì)特定頻率點(diǎn)的振動(dòng)有改善，也能在一定程度上降低壓縮機(jī)的整體振動(dòng)。

3.2 電機(jī)氣隙選值

對(duì)于選定功率的電機(jī)，可以在保證最佳電機(jī)效率的前提下，選擇合適的氣隙值來(lái)降低電機(jī)的振動(dòng)。某型號(hào)雙螺桿制冷壓縮機(jī)，電機(jī)選型功率為48kW，結(jié)合電機(jī)最佳效率設(shè)計(jì)原則，對(duì)該電機(jī)在不同氣隙下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，找出最佳電機(jī)氣隙值，使受電機(jī)影響的頻率點(diǎn)的機(jī)腳振動(dòng)降低，不同氣隙的振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 機(jī)腳處振動(dòng)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(jī)處于最佳效率。經(jīng)過(guò)對(duì)比測(cè)試發(fā)現(xiàn)：在不同電機(jī)氣隙值下，1250 Hz和2500 Hz的機(jī)腳振動(dòng)較為平穩(wěn)，無(wú)明顯變化，偏差在±1 dB。100 Hz和6300 Hz的機(jī)腳振動(dòng)變化趨勢(shì)相近，均在氣隙值1.1 mm時(shí)機(jī)腳振動(dòng)最低。50 Hz在氣隙值1.0 mm時(shí)機(jī)腳振動(dòng)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(shí)，受電機(jī)影響的頻率點(diǎn)所引發(fā)的機(jī)腳振動(dòng)最小。

對(duì)該系列壓縮機(jī)的其他型號(hào)進(jìn)行了理論推算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得出不同電機(jī)功率的最優(yōu)氣隙值，如表2所示。

表2 系列化電機(jī)最優(yōu)氣隙值

3.3 電機(jī)極槽數(shù)

根據(jù)上文所述，螺桿轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中，除嚙合基頻245 Hz外，還會(huì)產(chǎn)生490 Hz、735 Hz、980 Hz、1225 Hz、1470 Hz等倍頻振動(dòng)峰值。由電機(jī)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(dòng)特征頻率處于相同1/3倍頻程內(nèi)，從而導(dǎo)致振動(dòng)會(huì)疊加，使得壓縮機(jī)的機(jī)腳振動(dòng)偏大甚至超標(biāo)。

某型號(hào)半封閉雙螺桿制冷壓縮機(jī)的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)分別為36、28，對(duì)應(yīng)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(dòng)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(dǎo)致1250 Hz和1600 Hz 2個(gè)頻帶內(nèi)的振動(dòng)增大。考慮到電機(jī)定子槽數(shù)的振動(dòng)影響遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)子，以及電機(jī)自身結(jié)構(gòu)的最優(yōu)性能設(shè)計(jì)，將該款電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的槽數(shù)調(diào)整為44、36，將電機(jī)定子齒諧波頻率和螺桿轉(zhuǎn)子頻率錯(cuò)開(kāi)，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化前后的振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 電機(jī)槽數(shù)優(yōu)化前后機(jī)腳處振動(dòng)加速度1/3倍頻程對(duì)比

從測(cè)試數(shù)據(jù)可看出，調(diào)整電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的槽數(shù)，將電機(jī)齒諧波頻率和螺桿轉(zhuǎn)子頻率錯(cuò)開(kāi)，避免振動(dòng)疊加，對(duì)1250 Hz以上的壓縮機(jī)機(jī)腳振動(dòng)改善明顯。壓縮機(jī)機(jī)腳的振動(dòng)加速度20～10 kHz總值下降2.7 dB，其中，目標(biāo)頻率點(diǎn)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(jī)氣隙的均勻性、電機(jī)氣隙值以及電機(jī)極槽配合對(duì)壓縮機(jī)振動(dòng)的影響，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)提高動(dòng)平衡精度、加強(qiáng)電機(jī)定子定位和提高懸臂軸剛度三項(xiàng)措施，可改善和提高電機(jī)氣隙的均勻性。電機(jī)氣隙越均勻，對(duì)電機(jī)特定頻率（電機(jī)轉(zhuǎn)頻和電源2倍頻）的振動(dòng)改善越明顯，也在一定程度上降低壓縮機(jī)的整體振動(dòng)。

（2）在保證最佳電機(jī)效率的前提下，選擇合適的電機(jī)氣隙值，對(duì)與電機(jī)相關(guān)的頻率引發(fā)的振動(dòng)有顯著改善。

（3）合理設(shè)計(jì)電機(jī)的極槽數(shù)，避免電機(jī)振動(dòng)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(dòng)的疊加，可有效地降低相應(yīng)1/3倍頻程振動(dòng)值和全頻段振動(dòng)總值。