羅 磊，文金虎

（海裝武漢局駐武漢地區(qū)第六軍事代表室，武漢 430064）

0 引言

電機(jī)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(guān)，而且還取決于電機(jī)定子的振動特性。當(dāng)激勵力與定子振動特性不協(xié)調(diào)時，會導(dǎo)致較大的振動噪聲，甚至引發(fā)共振。設(shè)計者在進(jìn)行電機(jī)低噪聲方案設(shè)計時，一般要進(jìn)行電機(jī)定子振動特性計算分析，繼而開展振動特性與激勵力協(xié)調(diào)性的評估。而大中型電機(jī)定子結(jié)構(gòu)一般較為復(fù)雜，包括各種結(jié)合面如螺栓結(jié)合面、過盈及過渡結(jié)合面等，屬于組合裝配體結(jié)構(gòu)，同時與定子相連的電機(jī)冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子及端蓋等結(jié)構(gòu)對電機(jī)定子模態(tài)特性的影響缺乏足夠的經(jīng)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(yè)模態(tài)測試軟件，對一臺中心高為450 mm的200 kW大中型電機(jī)開展了不同組合狀態(tài)下的模態(tài)試驗研究，獲得了電機(jī)定子的模態(tài)振動特性和冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)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(guī)電機(jī)定子模態(tài)計算和結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)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(jī)額定功率200 kW，中心高為450 mm。該電機(jī)定子為一般框架式焊接結(jié)構(gòu)，滾動軸承，冷卻系統(tǒng)設(shè)置在電機(jī)上方，為一般典型的大中型電機(jī)結(jié)構(gòu)型式，其定子振動特性的特點具有較普遍意義。電機(jī)轉(zhuǎn)子和軸承由端蓋支撐，端蓋安裝于定子兩側(cè)，通過螺栓連接。冷卻系統(tǒng)以背包形式安裝于電機(jī)頂部，通過螺栓連接。

圖1 200 kW異步電機(jī)實物圖

1.2 試驗系統(tǒng)組成

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

圖2 模態(tài)測試系統(tǒng)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(jī)懸掛起來，以模擬其在自由狀態(tài)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(shù)量和位置應(yīng)能表征在工程有意義頻帶內(nèi)各階模態(tài)振型的基本輪廓為基本原則，充分利用數(shù)采前端的通道數(shù)，優(yōu)先布置在電機(jī)骨干框架處，充分反映結(jié)構(gòu)主模態(tài)特性。電機(jī)總共測點368個，分為驅(qū)動端、非驅(qū)動端、左側(cè)面、右側(cè)面以及上表面等5個部分，分別對每個部分進(jìn)行劃線（如圖3所示），確定測點布置的位置并進(jìn)行編號。

圖3 電機(jī)側(cè)面布點示意圖

按照測點布置情況，在軟件中建立電機(jī)定子測量模型，并將其與采集通道一一對應(yīng)，正確設(shè)置模型中每個節(jié)點的測量方向，力錘垂直于電機(jī)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(xiàn)場如圖5所示：

圖5 模態(tài)試驗現(xiàn)場

圖6 第1階端蓋呼吸模態(tài)和電機(jī)整體平動

圖7 第3階電機(jī)整體上下平動

圖8 側(cè)蓋板1階局部模態(tài)

2 試驗結(jié)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(tǒng)拆卸前后對比

拆下冷卻系統(tǒng)前后電機(jī)定子模態(tài)試驗頻響曲線對比如圖9所示。圖中紅色曲線為冷卻系統(tǒng)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(tǒng)前后頻響和對比

2.3 轉(zhuǎn)子拆卸前后對比

電機(jī)轉(zhuǎn)子拆卸前后電機(jī)定子模態(tài)試驗頻響曲線對比如圖10所示。圖中紅色曲線為轉(zhuǎn)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(yīng)大小均存在差別，差別較大。

圖10 拆除轉(zhuǎn)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(jī)定子模態(tài)試驗頻響曲線對比圖如圖11所示。圖中綠色曲線為轉(zhuǎn)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(yīng)大小存在差別。

圖11 拆除端蓋前后頻響和對比

2.5 試驗結(jié)論

1）類似于200 kW大中型電機(jī)定子框架式的組合結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的模態(tài)主要由各個部分的模態(tài)特征組合而成。主要表現(xiàn)為電機(jī)定子整體平動或扭振、端蓋的呼吸模態(tài)和電機(jī)蒙皮薄壁側(cè)板的局部模態(tài)等，且相對集中體現(xiàn)在某一個頻率段內(nèi)，由低階往高階依次出現(xiàn)。

2）該電機(jī)冷卻系統(tǒng)對電機(jī)整體振動特性影響不大，原因分析為一方面冷卻系統(tǒng)與電機(jī)定子分別為質(zhì)心跨度大的兩組成部分，質(zhì)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(jìn)一步消弱了影響。因此進(jìn)行類似于本文背包式冷卻系統(tǒng)或側(cè)面布置式冷卻系統(tǒng)的電機(jī)定子模態(tài)分析時，可忽略冷卻系統(tǒng)的影響。

3）電機(jī)轉(zhuǎn)子對電機(jī)整體的振動特性影響較大，尤其是整機(jī)測試得到的前3階模態(tài)（驅(qū)動端端蓋呼吸模態(tài)、電機(jī)整體左右平動模態(tài)和電機(jī)整體上下平動模態(tài)）皆由轉(zhuǎn)子引起，在電機(jī)定子模態(tài)建模計算時應(yīng)充分考慮轉(zhuǎn)子的影響。

4）電機(jī)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(jī)定子模態(tài)建模計算時應(yīng)考慮端蓋的這種影響特點。

3 總結(jié)

本文運用成熟的商業(yè)模態(tài)測試軟件，對一臺中心高為450 mm的200 kW大中型電機(jī)開展了不同組合狀態(tài)下的模態(tài)試驗研究，獲得了電機(jī)定子的模態(tài)振動特性和冷卻系統(tǒng)、轉(zhuǎn)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(guī)電機(jī)定子模態(tài)計算和結(jié)構(gòu)聲學(xué)設(shè)計的參考。