防爆電動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速分析

朱常權(quán)1，朱常興1,2，張洪喜1,2，王殿有1,2

(1佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002；

2國家防爆電機工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

摘要采用傳遞矩陣法對YB2電動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了分析，詳細地闡述了復(fù)雜轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的模型等效方法和數(shù)值處理過程，該轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果表明設(shè)計的轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速接近工作轉(zhuǎn)速而可能引起共振，建議將該軸轉(zhuǎn)子長度改短和增加軸頸，提高其一階臨界轉(zhuǎn)速。

關(guān)鍵詞YB2電機；臨界轉(zhuǎn)速；傳遞矩陣法

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.07

中圖分類號：TM357

作者簡介：朱常權(quán)男1985年生；畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機技術(shù)工作.

收稿日期：2014-06-16

Analysis on Critical Speed of Explosion-Proof Motor Rotor System

ZhuChangquan,ZhuChangxing,ZhangHongxi,andWangDianyou

(1. Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China；2.National Engineering and technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper analyzes rotor system of YB2 series motors by using transfer matrix method and describes the model equivalent method and numerical processing procedure of complex structure in detail. The calculation result shows that the designed first-order critical speed of rotor can produce resonance if it is close to the running speed. It is suggested that the rotor length of shaft should be shortened and radial size of shaft neck should be increased to improve the first-order critical speed of rotor.

Key wordsYB2 motor；Critical speed；transfer matrix method

0引言

電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速是指轉(zhuǎn)子的某些特定轉(zhuǎn)速，當(dāng)轉(zhuǎn)子在這些轉(zhuǎn)速或者靠近這些轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生劇烈振動，從而破壞機器的正常工作狀態(tài)。因而，準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，對控制電機振動、保障電機安全運行有著重要意義。

目前用于電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算的方法主要有經(jīng)驗公式法和傳遞矩陣法[17] ，經(jīng)驗公式法用于電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算的誤差較大且只能計算一階臨界轉(zhuǎn)速，傳遞矩陣法可以實現(xiàn)多階臨界轉(zhuǎn)速計算且計算精度較高，因而傳遞矩陣法計算電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的方法應(yīng)用更為廣泛[6，7]。

本文采用傳遞矩陣法計算轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速的方法，對我公司正在研發(fā)的YB2系列一典型規(guī)格電動機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進行了分析。

1轉(zhuǎn)子系統(tǒng)簡介

YB2系列電機是全封閉自扇冷式鼠籠型隔爆三相異步電動機，是YB系列電動機的更新?lián)Q代產(chǎn)品，具有節(jié)能、安全、美觀等特點。我公司生產(chǎn)的YB2系列隔爆型三相異步電動機，適用于有爆炸性氣體混合物存在的場所。

圖1給出了該電動機的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的三維圖，該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由剛性軸、鑄鋁轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇、平衡環(huán)等組成，從圖上不難看出鑄鋁轉(zhuǎn)子、風(fēng)扇等部件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。

圖1　YB2典型規(guī)格電動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)

2臨界轉(zhuǎn)速計算

由于該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，進行轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速計算之前需要對該轉(zhuǎn)子進行模型等效和數(shù)值化處理，依據(jù)傳遞矩陣法的理論需要將轉(zhuǎn)子系統(tǒng)等效成薄圓盤和無質(zhì)量桿的系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　軸的等效

在對薄圓盤、無質(zhì)量桿的力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，建立起從左到右的傳遞矩陣，代入邊界條件，依據(jù)轉(zhuǎn)子動力學(xué)的理論計算傳遞矩陣特征值即可獲得轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，具體的理論推導(dǎo)可參觀相關(guān)的文獻[1,2]。在此基礎(chǔ)上，文獻[6]對該計算方法進行了發(fā)展，即將轉(zhuǎn)子等效成剛性軸和附加質(zhì)量、慣量即可。其中剛性軸指表征轉(zhuǎn)子剛度的軸；附加質(zhì)量、慣量是指軸上零部件的質(zhì)量和慣量數(shù)據(jù)。在這里將對剛性軸和附加質(zhì)量慣量的等效進行說明。

2.1剛性軸的等效

剛性軸的機械性能表征了轉(zhuǎn)子的剛度，其結(jié)構(gòu)也相對簡單，如圖1所示。直接提取剛性軸的尺寸數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　剛性軸數(shù)據(jù)表

2.2附加質(zhì)量慣量等效

YB2電機轉(zhuǎn)子的附加質(zhì)量和慣量主要指鑄鋁轉(zhuǎn)子、平衡環(huán)、風(fēng)扇等部件的質(zhì)量和慣量信息，從圖1中不難看出，由于鑄鋁轉(zhuǎn)子、平衡環(huán)、風(fēng)扇等部件的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，準(zhǔn)確計算出其質(zhì)量、慣量數(shù)據(jù)存在一定難度，這里以鑄鋁轉(zhuǎn)子為例，詳細的闡述鑄鋁轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、慣量的等效過程和方法。由于鑄鋁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，首先將其分為端部、中間部分分別進行數(shù)值處理。

(1)中間部分，該結(jié)構(gòu)包含沖片、鑄鋁的鼠籠條、通風(fēng)孔等結(jié)構(gòu)組成，很難通過數(shù)值積分的方式計算得到其質(zhì)量和慣量數(shù)據(jù)。本文通過solidworks軟件建立其三維模型，打開soliworks軟件“評估”菜單，然后點擊“質(zhì)量屬性”就可以看到該部件的質(zhì)量和慣量數(shù)據(jù)[7]，如圖3所示。從圖3中得到質(zhì)量、慣量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3　鑄鋁轉(zhuǎn)子中間部分計算

表2　鑄鋁轉(zhuǎn)子中間部分等效數(shù)據(jù)

(2)端部，該架構(gòu)包括鼠籠環(huán)、風(fēng)扇等結(jié)構(gòu)，如圖4所示，該結(jié)構(gòu)的等效計算采取與鑄鋁轉(zhuǎn)子中間部分的計算同樣的方法，表3給出了質(zhì)量、慣量數(shù)據(jù)表。

圖4　鑄鋁轉(zhuǎn)子端部計算

表3　鑄鋁轉(zhuǎn)子端部等效數(shù)據(jù)

對于風(fēng)扇、平衡環(huán)均采用上述的方法進行等效處理，這里不再贅述。

2.3模型等效數(shù)據(jù)表

通過上述的等效處理，我們獲得表4所示的等效數(shù)據(jù)表。

表4　電機轉(zhuǎn)子等效數(shù)據(jù)

2.4計算結(jié)果

該轉(zhuǎn)子采用某公司的軸承，該軸承的油膜剛度為1.28x108N/m。將表4的數(shù)據(jù)和軸承剛度代入MATLAB編制的傳遞矩陣法轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算程序，經(jīng)過計算，得到表5所示的臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果。

表5　轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算結(jié)果

該電機為兩極電機，工作轉(zhuǎn)速為3 000rpm，從計算的結(jié)果看不符合工作轉(zhuǎn)速小于0.75～0.8倍一階臨界轉(zhuǎn)速的設(shè)計要求[6,7]，因而需要提高轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速，即需要提高轉(zhuǎn)子的剛度，提高剛度的辦法有減小兩軸承間轉(zhuǎn)子長度和增大剛性軸的直徑。

3結(jié)語

本文針對我公司典型產(chǎn)品YB2系列電動機的兩極電機進行了臨界轉(zhuǎn)速計算分析，通過上述分析得出如下結(jié)論。

(1)對YB2系列電動機的轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算方法進行了詳細的闡述，為類似產(chǎn)品的計算提供了參考。

(2)通過計算表明，該設(shè)計的YB2電動機的工作轉(zhuǎn)速靠近一階臨界轉(zhuǎn)速，不滿足設(shè)計要求，建議修改，即提高該轉(zhuǎn)子的剛度，采用的方法是減小兩軸承間轉(zhuǎn)子長度和增大剛性軸的直徑。

參考文獻

[1]聞邦椿，顧家柳，夏松波，王正.高等轉(zhuǎn)子動力學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999：1-21.

[2]鐘一鍔，何衍宗，王正，李方澤.轉(zhuǎn)子動力學(xué)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1987：143-174.

[3]張鳳，李光耀，陳琳. 低壓大功率變頻調(diào)速電動機轉(zhuǎn)軸臨界轉(zhuǎn)速計算與分析[J]. 電機與控制應(yīng)用，2010,37(1)：40-43.

[4]劉海. Y2-355L2-4-355kW三相異步電機技術(shù)[J]. 電機與控制應(yīng)用，2012,39(7)：58-61.

[5]師明林，王德忠，張繼革. 大型屏蔽電機泵轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的建模及臨界轉(zhuǎn)速計算[J]. 機械設(shè)計與制造，2012，10：3-5.

[6]朱常興，王殿友. 兩極電機轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速計算[J]. 電機與控制應(yīng)用，2014，41(6)：33-35.

[7]朱常興，王殿友，朱常權(quán)，王曉文.西氣東輸工程20MW-2P電動機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)臨界轉(zhuǎn)速計算[J]. 電機與控制應(yīng)用，2014.41(11)：59-62.