電機缺陷/故障對振動噪聲的影響
2021年12月16日 10:38瀏覽：2501 收藏：5
本文首先通過有限元計算方法計算電機階次噪聲，借助電磁力階次及模態計算結果，分析電磁力階次與結構模態的耦合特征。在此基礎上引入匝間短路、靜態偏心、動態偏心三種缺陷，分別對比其電磁力階次特征與理想電機的差異。并分析對比缺陷導致的電磁噪聲差異對比及原因。
計算中選擇某表貼式永磁同步電機為例。電機基本信息如表1所示：
電磁模型示意如下圖1-2所示，氣隙麥克思維壓力分布如圖3所示。
簡化后的電機模型如下圖4-5所示。本研究中主要關注徑向激勵對結構圓柱模態的影響。
在電磁模型和結構有限元模型基礎上，提取氣隙麥克斯韋壓力并將其映射到結構有限元網格上，計算結構在電磁激勵下的振動噪聲響應。計算流程見下圖7所示。
借助圖7中計算流程，提取氣隙麥克思維壓力得到電磁力空間及頻率階次特征如圖10所示。在此基礎上計算得到噪聲結果如圖11所示。
結合電磁力階次特征及噪聲計算結果，對主要噪聲峰值進行簡要分析：12階~1500Hz處峰值為0階電磁力激勵圓柱二階模態引起的強迫振動；16階~1500Hz處峰值為+4階電磁力激勵圓柱二階模態引起的強迫振動；48階~6000Hz為0階電磁力與圓柱0階模態產生的共振；52階~5200rpm為+4階電磁力與結構4階模態產生的共振。
在電磁有限元模型中提取氣隙電磁力得到電磁力階次特征以及噪聲結果如下圖13所示：
對比電磁力階次特征可以看出，增加短路缺陷后電磁力頻率階次特征與理想電機相同；空間階次則被4,8調制。
從噪聲曲線上可以看出，頻率44階處由于調制出了空間±4階電磁力，導致圓柱4階模態固有頻率處出現噪聲峰值；同樣，頻率48階處，由于調制出了±4階電磁力，其在4階模態處同樣出現新的噪聲峰值。
靜偏心示意如下圖15所示，即轉子幾何中心與定子幾何中心不重合，轉子旋轉中心為轉子幾何中心。靜態偏心時，氣隙磁導在時間上不變，在空間上由于偏心的存在引入了新的諧波項。本計算中，設定偏心量為10%氣隙厚度。
在電磁有限元模型中提取氣隙電磁力得到電磁力階次特征以及噪聲結果如下圖16所示：
對比電磁力階次特征可以看出，增加靜態偏心缺陷后電磁力頻率階次特征與理想電機相同；空間階次則被±1調制。
由噪聲計算結果可以看出，由于±4階空間電磁力被±1調制后，出現新的±3階空間電磁力，因而在結構3階模態~3800Hz處噪聲峰值出現一定程度提高。由于偏心量相對較小，因而3階模態處噪聲峰值仍然顯著小于結構4階及0階共振頻率處。
動偏心示意如下圖18所示，即轉子幾何中心與定子幾何中心不重合，轉子旋轉中心為定子幾何中心。動態偏心時，氣隙磁導同時引入時間及空間諧波項。本計算中，設定偏心量為10%氣隙厚度。
在電磁有限元模型中提取氣隙電磁力得到電磁力階次特征以及噪聲結果如下圖19所示：
對比電磁力階次特征可以看出，增加動態偏心缺陷后電磁力頻率階次特征及空間階次均被±1調制。
對比噪聲計算結果可以看出，動態偏心下，由于頻率階次被±1調制，導致圖上出現大量邊頻，如33,39,45,51等階次；由于空間階次被±1調制，導致出現空間±3階電磁力出現，因而圓柱3階模態處噪聲特征與靜態偏心下相似。隨著偏心量的提高，變頻處及圓柱3階模態處噪聲峰值將進一步提高。
電機電磁振動問題是電磁力頻率階次和空間階次，結構模態階次與頻率耦合作用的結果。當頻率一致且階次一致時，電磁力與結構將存在顯著共振，進而導致嚴重的振動噪聲問題。
分了三種缺陷類型對電磁力及振動噪聲的影響，可得到以下結論：
a) 匝間短路導致的不平衡反應在的電磁力階次特征上：電磁力空間階次以電機極數2p進行調制；頻率階次不變；
b) 靜偏心反應在的電磁力階次特征上：電磁力空間階次以±1進行調制；頻率階次不變；
c) 動偏心反應在的電磁力階次特征上：電磁力空間階次以±1進行調制；頻率階次以±1進行調制。
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