摘要:电机转子的不平衡量会引起转子横向振动,进而使转子受到附加动载荷,且转速越高,附加动载荷越大｡针对高速永磁电机转子因受磁场影响,其动平衡结果与实际不平衡量相差较大,导致动平衡结果失真的问题,研究了不平衡力和磁力引起转子横向振动的机理,并以高速永磁电机转子为例进行试验研究｡同时为了隔绝磁场对动平衡结果的影响,对现有动平衡机进行了相应的改进,通过高速永磁转子充磁前后的试验结果对比分析,验证了改进后动平衡机的可靠性,对于高速永磁转子的动平衡具有重要的工程应用意义｡
关键词:电机转子；动平衡；试验检测
引言
在工业生产和现实生活中,电机的应用范围都十分广泛,但在实际使用过程中,往往出现转子不平衡问题,其主要原因是转子在设计特点､工艺精度､制造精度､材质不均匀以及安装误差等造成的质心偏离实际中心惯性主轴,从而导致电机的转子在高速旋转时存在较大的不平衡力｡转子不平衡的状态下做高速旋转,转速越高,惯性力越大,转子的挠曲越大,转子内部的内力越大,挠曲的增大进一步加大转子的不平衡,最终使整个机械产生剧烈的振动,并发出噪声,加快了机械内部零件的磨损,降低了机械的精度和使用寿命,严重时会引起焊缝的开裂,这样不仅增加了维修成本,还影响企业的正常生产,给企业造成巨大损失,所以解决转子的动平衡问题是企业研究人员的热门课题｡
1､转子动平衡
转子质量分布不均匀,其质量中心与旋转中心可能不重合,存在偏心距,导致转子轴承承受附加的周期性离心力F 干扰,如图1所示｡为避免不平衡引起的机械故障,需要对转子进行动平衡｡
不平衡质量在高速旋转时会产生较大的离心力,且离心力与转速的平方成正比,所以速度越高,离心力F越大,进而引起转子的振幅增大,严重影响转子的正常运转｡本文以Jeffcott转子为例,研究不平衡力引起转子横向振动的机理,离心力F为:
F=meω2
式中,m 为偏心质量,kg；e为偏心距,mm；ω为转子角速度,1/s｡
不平衡质量会引起转子的横向振动,如图2所示,根据转子动力学原理,建立转子的运动微分方程,见公式｡
mx2+cx+kx =Fsinωt
式中,x为轴颈中心线沿x 轴的移动量,mm；c为轴,kg/s；k为转子x 方向的变形刚度,m/s｡
图1 不平衡Jeffcott轴系
2､转子动平衡试验检测方法分析
2.1､电机转子动平衡技术简介
电动机的转速由于功率不同,其转速也各不相同,文章以低于一阶临界转速的刚性转子为例进行动平衡技术分析｡根据转子平衡技术的划分,我们把低于一阶临界转速百分之六十的转子称为刚性转子｡这种状态下的转子在旋转时产生的挠曲变形非常小,其不平衡的主要因素是转子质心的偏离,刚性转子的动平衡技术主要目的是消除转子的质量偏离,由于转子的挠曲可以忽略,所以通过离心力和离心力矩的平衡就可以进行动平衡的计算｡转子的动平衡分析可以通过两个校正平面内的校正质量进行平衡,当转子在这两个校正平面内达到平衡后,其离心惯性力系就成为一个平衡力系,其中心惯性主轴与旋转轴重合,在一定的精度范围内,对于任何转速这个平衡力系都是保持平衡的｡当转子出现质心偏离时,需要寻找系统的平衡,找平衡的方法文章介绍转子转动状态下加重和去重方法,在使用动平衡机进行转动时,通过测振仪测出转子不平衡的相位和振幅,然后确定加重(或去重)的位置和大小｡在反复进行测试后,采取加重去重操作,达到不平衡力变小,最后消灭不平衡力,直至理想状态｡
2.2､动平衡试验机简介
动平衡试验机按照支撑的方式可分为软支撑平衡机和硬支撑平衡机两种,软支撑平衡机是指平衡机的转速普遍高于转子支撑系统固有频率的动平衡机,通常适用于轻小转子,工作转速较高的平衡试验,也叫做测位移式动平衡机；硬支撑平衡机则是指平衡机转子转速低于转子支撑系统固有频率的动平衡机,常用于转子偏大,速度偏低的平衡测试,也叫做测力式平衡机｡硬支撑平衡机来的测试原理是:质心偏离的转子转动时给支撑一个动载荷,从而造成了支撑的振动,且支撑的振动频率与转子转速一致,振幅和相位也与转子的不平衡量成比例关系,通过转子支撑的状态判断转子的不平衡状态｡硬支撑动平衡机与软支撑动平衡机相比,具有精度较高､结构坚固､适用范围较广的优点｡文章试验使用的是 H40U 型动平衡机就是硬支撑动平衡机｡该动平衡机测量最大转子直径为 1600mm,最大转子质量为 2000kg,最高测量转速1250rpm｡
2.3､电机转子平衡试验
试验对象:以 160KW 的电动机转子为研究对象,其重量 230kg,转子总长 1295mm,额定转速2980rpm,两轴承间距是990mm｡试验步骤:(1)接通电源后电测箱自动自检；(2)输入电机转子参数数据,其中 L1 240,L2 280,L3 470,D/2 150,(如图 1 所示)去重方式；测量转速 500rpm；要求定标试重 20g,定标相位 0°；(3)启动平衡机,从 0 转达到转速 500rpm 在正常运转保持相对稳定后,停车,记录初始的数据 R1；(4)在左端定标相位 0°适当处,加试重20g；(5)重启动动平衡机,达到 500rpm 转速状态时保持相对稳定后停车,记录当前状态下的数据 R2；(6)去掉左端加试重,在右端定相位 0°适当处,加试重 20g；(7) 重启动动平衡机使其达到转速500rpm 保持这转速状态相对稳定后停车,记录此时数据 R3；(8)试验结束｡(9)对该电机转子的试验数据与理论计算允许不平衡量数值进行比较,如果数值在允许不平衡残余数据范围内,符合标准要求就停止动平衡试验,如果不符合要求就要去重后,重新做(3)-(7)步骤,直至电机转子数值达标准允许不平衡残余数值内,试验结束｡
3､试验对比分析
为了确认改进后动平衡机已避免了磁场对高速永磁转子动平衡结果的影响,特对高速永磁转子在充磁前､后分别进行动平衡,通过对比分析前后两次动平衡结果,验证改进动平衡机对永磁转子动平衡结果的可靠性,现场试验装置如图3所示｡
图2 转子结构
按照试验大纲要求,首先对未充磁的高速永磁转子进行动平衡,去材面为磁钢的左右两个端面｡试验过程中,电机通过传动带拖动永磁转子旋转,当转速达到3000r/min并稳定后,系统采集数据,并将转子不平衡质量和相位信息显示在面板上｡根据动平衡结果,在相应相位上去除高速永磁转子的不平衡质量,按上述方法,再进行动平衡,直到不平衡质量控制在0.1g以下为止｡高速永磁转子充磁前动平衡后的残余不平衡质量左幅值为0.08g,右幅值为0.05g,其左相位为144°,右向位为133°｡
结束语
文章对转子动平衡技术进行了详细的介绍,并对电机转子动平衡试验的原理､设备､方法以及过程进行了详细的论述,并通过具体实例对电机转子动平衡进行试验检测的过程和方法进行了具体的阐述和数据计算,并对试验结果数据和评价标准数据进行了论述和对比,为动平衡技术的使用人员提供了借鉴,同理各类转子动平衡技术同此方法试验｡
参考文献:
[1]王树森. 主轴电机振动测量方法及动平衡实验研究[D].华中科技大学,2016.
[2]张亮. 小型电机转子全自动平衡机的设计与实现[D].华南理工大学,2016.
[3]彭军.SOLIDWORKS Motion在动平衡设计仿真中的应用[J].智能制造,2016(Z1):68-70.
论文作者:王昆
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/17
标签：转子论文; 动平衡论文; 永磁论文; 转速论文; 平衡机论文; 不平衡论文; 电机论文; 《电力设备》2019年第7期论文;