劉　清 曾　純 申　亮

（中車株洲電機(jī)有限公司）

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高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論與實(shí)踐

劉清 曾純 申亮

（中車株洲電機(jī)有限公司）

摘要：本文主要從高速電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)制造、某實(shí)物轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算、轉(zhuǎn)子低速動(dòng)平衡、電機(jī)試驗(yàn)這幾方面敘述高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：高速；電機(jī)；轉(zhuǎn)子；動(dòng)力學(xué)；動(dòng)平衡

0 引言

與傳統(tǒng)的電機(jī)相比，高速電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、質(zhì)量輕、損耗少、效率高等優(yōu)點(diǎn)，隨著材料、設(shè)計(jì)、制造水平的提升，高速電機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)上得到越來越廣泛的應(yīng)用。其中轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、制造是高速電機(jī)的關(guān)鍵之一，本文主要從高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)、制造理論，轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡的方法，某型號(hào)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算，該轉(zhuǎn)子的低速動(dòng)平衡，電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果，來敘述高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)理論及實(shí)踐。

1 高速電機(jī)

1.1 高速轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、制造理論

高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算是設(shè)計(jì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的關(guān)鍵之一。高速電機(jī)轉(zhuǎn)子在臨界轉(zhuǎn)速下將產(chǎn)生共振，共振的幅值取決于系統(tǒng)的阻尼和該階振型不平衡量的大小，以及通過臨界轉(zhuǎn)速時(shí)加速率的大小。一般來說，計(jì)算機(jī)組的臨界轉(zhuǎn)速，其目的是使機(jī)組偏離其臨界轉(zhuǎn)速工作，以保證機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行。一般要求為：對(duì)于在第一界臨界轉(zhuǎn)速nc1以下工作的剛性轉(zhuǎn)子，應(yīng)使工作轉(zhuǎn)速n＜0.75nc1，對(duì)于在一界臨界轉(zhuǎn)速nc1以上工作的撓性轉(zhuǎn)子，應(yīng)使1.4nc1＜n＜0.7nc2。

撓性轉(zhuǎn)子上平衡量的分布比剛性轉(zhuǎn)子上不平衡量的分布有更重要的意義，因?yàn)樗鼘?duì)撓曲振型的激勵(lì)具有重要影響，因此需盡量減少轉(zhuǎn)子的原始不平衡量。轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)將顯著地影響不平衡量的大小與沿轉(zhuǎn)子軸線的分布。因此在設(shè)計(jì)上應(yīng)盡可能地使轉(zhuǎn)子上的質(zhì)量對(duì)轉(zhuǎn)軸軸心對(duì)稱分布，其離心力互相平衡，盡量減少設(shè)計(jì)原因造成的轉(zhuǎn)子原始不平衡量偏大。

在轉(zhuǎn)子制造階段，材料、加工、裝配均可影響轉(zhuǎn)子的原始平衡量。因此在高速電機(jī)轉(zhuǎn)子制造時(shí)應(yīng)盡可能地保證：轉(zhuǎn)子各部件材料內(nèi)部質(zhì)量分布均勻；轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心、葉輪等所有部件加工精度；所有部件裝配后應(yīng)盡可能地與轉(zhuǎn)軸同心。通過以上方法最終保證原理不平衡量。

1.2 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡方法

轉(zhuǎn)子的平衡是指檢查并調(diào)整轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布，以保證在對(duì)應(yīng)的工作轉(zhuǎn)速頻率下，剩余不平衡或者軸頸振動(dòng)和作用于軸承的力在規(guī)定限值內(nèi)的工藝過程。轉(zhuǎn)子的平衡通常采用動(dòng)平衡機(jī)校驗(yàn)。轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡工藝根據(jù)轉(zhuǎn)子剛性/撓性主要分為兩種。

剛性轉(zhuǎn)子其不平衡隨轉(zhuǎn)速?zèng)]有明顯變化，僅合成不平衡和合成平衡矩超出規(guī)定的限值，且在轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)轉(zhuǎn)子所有的質(zhì)量單元的相互位置保持足夠恒定的狀態(tài)。該轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡一般可通過任意選擇的兩個(gè)平衡面進(jìn)行低速動(dòng)平衡校正。

撓性轉(zhuǎn)子通常情況下要求在高速下進(jìn)行多面平衡，其基本方法主要為振型平衡法和影響系數(shù)法。根據(jù)GB/ T6557撓性轉(zhuǎn)子機(jī)械平衡的方法和準(zhǔn)則，在某些特殊情況下高速轉(zhuǎn)子也可采用低速動(dòng)平衡，我公司某型號(hào)的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子即采用該方法。下面以該電機(jī)為例進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析、動(dòng)平衡及試驗(yàn)。

1.3 某高速轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算

高速轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速可以采用傳遞矩陣法進(jìn)行計(jì)算，但相關(guān)參數(shù)難以準(zhǔn)確求取，計(jì)算結(jié)果存在誤差，因此精確的計(jì)算需要采用有限元分析軟件進(jìn)行計(jì)算，常采用的是Dyrobes的Dyrobes_Rotor或ansys分析軟件，該計(jì)算結(jié)果可以為動(dòng)平衡提供指導(dǎo)意義。公司某型號(hào)的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子重85kg，額定轉(zhuǎn)速21000r/min，圖1為該高速電機(jī)轉(zhuǎn)子模型。

圖1　轉(zhuǎn)子模型圖

采用Dyrobes_Rotor對(duì)該轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速分析，其第一階、第二階、第三階無阻尼臨界轉(zhuǎn)速分別為7681r/min、12637r/min、3477r/min。對(duì)于無阻尼臨界轉(zhuǎn)速分析主要用于確定轉(zhuǎn)子各階振型以及臨界轉(zhuǎn)速的大概區(qū)間。如圖2～4所示。

圖2　轉(zhuǎn)子一階臨界轉(zhuǎn)速與振型

圖3　轉(zhuǎn)子二階臨界轉(zhuǎn)速與振型

圖4　轉(zhuǎn)子三階臨界轉(zhuǎn)速與振型

由轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果可知該轉(zhuǎn)子的一階、二階振型近似為直線，應(yīng)為剛體的平動(dòng)或擺動(dòng)，轉(zhuǎn)子的三階臨界轉(zhuǎn)速為彎曲振型，而該電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為21000r/min，避開了轉(zhuǎn)子一、二界臨界轉(zhuǎn)速，且在第三階彎曲臨界轉(zhuǎn)速以下，所以該轉(zhuǎn)子考慮采用低速動(dòng)平衡。

1.4 轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡過程

1）檢查并清理轉(zhuǎn)子各零部件上的灰塵、鐵屑等異物，以防止影響后續(xù)動(dòng)平衡。

2）對(duì)各零部件上低速動(dòng)平衡機(jī)進(jìn)行低速動(dòng)平衡，每個(gè)零件先粗校動(dòng)平衡再精校動(dòng)平衡，以確保其剩余不平衡量在允許范圍內(nèi)。

3）將轉(zhuǎn)子鐵心安裝至轉(zhuǎn)軸上，且轉(zhuǎn)子鐵心與轉(zhuǎn)軸同心度符合要求，然后對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心進(jìn)行低速動(dòng)平衡，直至剩余不平衡量在允許范圍內(nèi)。

4）將葉輪安裝至轉(zhuǎn)子上，且葉輪與轉(zhuǎn)軸同心度、端跳符合要求，如不符合要求應(yīng)對(duì)葉輪進(jìn)行調(diào)整或更換葉輪，然后對(duì)葉輪進(jìn)行低速動(dòng)平衡，直至剩余不平衡量在允許范圍內(nèi)。

1.5 電機(jī)實(shí)驗(yàn)

轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡后進(jìn)行組裝，電機(jī)組裝完成后上試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行出廠試驗(yàn)。其振動(dòng)測(cè)試結(jié)果為振動(dòng)速度最大為2.1mm/s，振動(dòng)幅值最大為23.9μm，其結(jié)果符合API617中振動(dòng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。因此該轉(zhuǎn)子采用低速動(dòng)平衡方案是可行的。

2 結(jié)束語

本文主要針對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、制造的特點(diǎn)，并結(jié)合我公司的一臺(tái)85kg，21000r/min實(shí)物轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算、低速動(dòng)平衡、電機(jī)試驗(yàn)這幾方面敘述高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算及實(shí)踐。現(xiàn)我公司已完成多個(gè)型號(hào)的高速電機(jī)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)計(jì)算及實(shí)踐，生產(chǎn)了多種型號(hào)的高速電機(jī)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] API617-2002 石油及化工和氣體工業(yè)用離心壓縮機(jī)[S].

收稿日期：（2015-12-15）