大型高压三相异步电动机试验模态分析

王 林， 韩玉稳， 赵彦鹏， 董应明

（云南省机电一体化应用技术重点实验室/云南省先进制造技术研究中心，云南 昆明 650031）

0 引言

现代科学技术的发展,对电动机低振动、低噪声要求越来越迫切。 组成电动机的各重要零部件,其动态特性与电动机的振动和噪声有着密切关系。 为此,分析电动机的模态参数,对提高电动机的性能有很大的作用。 本文电动机壳体为矩形焊接结构，壳体开孔多,筋板分布复杂，刚度、质量分布不均匀。使用力锤通过瞬态锤击法对电动机壳体进行激振，采用最小二乘复指数法识别模态参数，得出准确的固有频率、阻尼比和模态振型。分析得出电动机振动、噪声大的主要原因和电动机壳体的薄弱环节，为电动机减振降噪及结构优化提供有力的理论支持。

1 模态试验运用简述

模态试验对于研究机械结构的动态特性、了解结构的薄弱环节及结构优化设计具有重要的指导意义， 是结构动态设计及设备故障诊断的重要方法。 模态分析最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。

模态分析技术的应用可归结为以下几个方面：

（1）评价现有结构系统的动态特性。

（2） 在新产品设计中进行结构动态特性的预估和优化设计。

（3）诊断及预报结构系统的故障。

（4）控制结构的辐射噪声。

（5）识别结构系统的载荷。

2 大型高压三相异步电动机模态试验

2.1 试验内容及目的

对某型号大型高压三相异步电动机进行模态测试和空运转绝对振动测试， 提出可以降低电动机壳体振动速度的模态识别参数， 为生产厂家对电动机壳体的优化提供理论与数据支持。

2.2 试验对象

试验对象为某型号大型高压三相异步电动机， 电动机为变频高压电机，额定电压10kV，额定功率1120kW。电动机自由放置在测试平台上， 与测试平台之间垫有橡胶垫，不固定，见图1。

图1 大型高压三相异步电动机

2.3 试验设备

通过B＆K8207 力锤进行激振，B＆K4506B 三向加速度传感器获得响应信号，使用B＆K3660C 数据采集前端采集数据，PULSE 分析软件完成整个分析过程。

2.4 试验方案

（1）技术路线。 电动机试验模态分析技术路线如图2所示。

（2） 试验方案。建立电动机的几何模型，对电动机均匀布点。 均匀布点具有不易漏掉关键模态，模态振型可辨识性强等优点。 采用锤击法对电动机进行激振与测试，每个测点测量三向动态响应，将测试得到的激励点信号与各响应点的频响函数（FRF） 数 据 导 入PULSE-Reflex 后处理软件中进行模态参数识别。

电动机共布置128 个测点， 测量自由度为128×3=384。激励点选择在电动机主轴上，数量为1 个，激励自由度为2 个，正交方向见图3，总FRF=384×2=768 见图4。

图2 试验模态分析技术路线图

图3 激励自由度（主轴的2 个正交方向）

2.5 激励及数据采集

采用锤击法对电动机进行激振，力锤锤头越硬（如金属锤头）越易激起高频响应，力锤锤头越软（如塑料锤头）越易激起低频响应。 本次试验针对电动机的特性选用硬质尼龙锤头， 可以兼顾高、低频响应。

图4 响应测量自由度（响应测点总数128个，测量自由度384 个）

在激励自由度位置使用力锤激励时，每个激励自由度锤击5 次，并采用5 次平均的方式，同时观察每个激励自由度第2、3、4、5 次激励时，较前几次激励的相干函数，相干函数值越接近1，表明每次激励的位置和力量越趋于一致；相干函数值远离1，则需删掉此次激励数据，从新激励，以确保测试数据的准确性。 试验仪器连接如图5 所示。

图5 试验仪器连接框图

2.6 数据分析

模态试验数据处理关注全部模态， 任何一阶模态都可能对电动机使用的寿命及安装地基、 厂房和相关配套电气系统带来不良影响。 采用有理分式多项式-Z法，结合复指数模态函数（CMIF）和稳态图来识别模态参数。

图6 列出了各阶模态的频率、阻尼比、复杂性、识别方法和识别结果。

模态振型计算结果是否稳定可用稳态图进行判断。图7 中“◇▽×*”符号分别表示频响函数在整体、振型、频率、阻尼处保持稳定状态。

图8 可以看出，MAC 主对角线值为1（100%），说明这两个频率模态振型向量的正交性很好， 能够很好的识别出结构模态振型。

图6 频率、阻尼比、复杂性和识别方法

图7 稳态图

图8 MAC（模态置信准则）值3D 图

模态振型描述：

1 阶振型：97.4Hz， 整机各部分同向绕坐标Z 向左右摆动，电动机轴向两端产生局部变形，见图9。

2 阶振型：176.2Hz，电动机轴向两端左右摆动，同时电动机左右两侧中间位置做反向摆动， 见图10。

3 阶振型：214.3Hz，电动机上端中间部分上下摆动，见图11。

图9 1 阶模态振型轴测图

图10 2 阶模态振型轴测图

4 阶振型：300.1Hz， 电动机上端中间部分上下摆动，电动机轴向两端左右摆动，见图12。

图11 3 阶模态振型轴测图

图12 4 阶模态振型轴测图

3 模态试验结果分析

对各阶模态参数及振型进行分析：

（1）电动机整体采用钢板焊接结构，其上端盖板有3个四边形安装孔，面积较大，刚性较差。 在前后和上下均存在弯曲振动并伴随扭振，振动剧烈。

（2）电动机左右两侧有电气、温控等多个四边形安装孔，其结构刚性差，存在往复向内凹陷和向外凸出的振动。

（3）电动机轴向两端轴承座处采用较壳体其他部位更厚的钢板，刚性较好，轴承座附近壳体存在弯曲和扭振，但振幅较小。

（4）电动机底座总体刚性较好。

4 结束语

本试验介绍了某型号大型高压三相异步电动机的模态试验方法， 其它类型电动机同样适用此试验方法。通过电动机的模态试验， 了解掌握电动机的振动特性，为电动机的振动故障诊断及结构动态特性优化设计提供理论依据。