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变频电机底座共振模态分析及改造案例

范文

王江

摘要：电机广泛使用在机电领域，共振现象时有发生，危害极大。设备现场电机和底座发生共振，借助有限元软件和三维建模软件，从多种改造方案中选出最优方案，并现场改造，成功消除共振。

关键词：电机；底座；共振；模态分析；改造

中图分类号：TH122 文献标志码：A

0 引言

电机共振是机械和电气领域常见现象，共振会影响电机的正常运行，降低电机使用寿命，并且带来振动、噪声和效率降低。

某设备使用大型变频电机，通过电机底座固定在基础上，在设备运行时电机振动明显。利用有限元软件对该电机及底座进行模态分析，确定为发生共振。用三维软件建立原设备仿真模型，并加入多种底座的改造方案，再用有限元分析，确定最优的改造方案。设备现场按最优方案进行改造，共振消除。

1 现场振动情况及振动测量

電机空载，在较高转速时振动明显，拾取变频器频率和振动传感器信号，如图1所示。

图表说明：横坐标为时间，纵坐标为幅值；蓝线为电机输入频率，红线、绿线为电机前后轴承附近振动值。

空载时，振动信号在变频40Hz（电机额定50Hz，1494r/min）附近发生振幅明显提高，经分析为共振现象，共振频率为20Hz。

带负载运转测试，电机部分在变频46.8Hz时振动明显，共振频率为23.3Hz，共振频率发生上移，可能是电机受联轴器反作用力影响，本身固有激振频率改变。

2 计算机模型振动仿真

按原图纸建立三维模型，进行模态分析，前10阶模态见表1。

电机作为振动源，转子受轴承约束绕轴心旋转，激振方向主要是径向，即电机左右摆和上下振；根据经验，电机的共振主要在激振频率和二倍频时出现，即23.3Hz和46.6Hz。

通过模态分析，底座加电机的第一阶固有频率（图2）与现场共振相符，53.3Hz与激振二倍频46.6Hz相差14.4%，且振动形式相符，两者之间的误差应该是由模型及约束条件与实际不完全相符造成。

3 电机底座改造方案

经过近10种改进方案的对比，确定了最优的方案，模型如图3所示，改进思路如下（下文提到的固有频率都是一阶左右摆振型的固有频率）：

（a）原模型的左右摆（下同）固有频率为53.3Hz；

（b）按照常规方法加固的频率为63.3Hz；

（c）在常规加筋基础上增加两对X型斜筋，固有频率为86.4Hz；

（d）X型斜筋换成V型斜筋，V底增加地脚孔，固有频率为81Hz；

（e）由于X型筋或V型筋施工难度大，换成两块贯通上下层的厚竖筋，固有频率为88.6Hz；

（f）在此基础上，增加上层水平横筋，固有频率为91.7Hz；

经过对比，确定最终改造方案f，固有频率由53.3Hz提高到91.7Hz，避开了倍频和二倍频范围（0Hz～50Hz）。

4 现场改造及效果

现场改造时，共增加钢板约70块。改造后，电机空转，拾取变频器频率和振动传感器信号，如图4所示。

与改造前测振曲线对比，同样测试条件下，电机全频率范围内的共振消失。

带负载运行，全频率范围内电机都没有出现振动强烈的情况，现场人员也确认，改造后变频器46.8Hz时的共振消失，运行过程中的振动也明显减轻。

结语

随着设备的大型化，底座刚度却提升不足，造成个别设备发生共振问题。经有限元软件仿真分析，确定了电机及底座存在共振。

通过设计优化及仿真，确定了较好的结构改进方案，现场进行改造施工，运行效果满意，共振消除。

这件案例的成功解决，为我们积累了此类问题的处理方法，同时，也从设计上加强了底座的刚度，根除了共振的可能。

参考文献

[1]郁永章.容积式压缩机技术手册[M].北京：机械工业出版社， 2000.

[2]朱茂勋. 变频调速电机共振现象的分析[J].防爆电机，2009，44（1）：42.

[3]徐建国.大型高速电机轴向振动的分析和处理[J].电机技术，2013（4）：38-39.

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