电机振动测试模态分析方案研究及应用

文俊书 曾文锋 邓卫勇

（珠海凯邦电机制造有限公司 珠海 519100）

前言

随着测试需求及产品质量管控的不断提升，相对应的电机振动可靠性要求不断提高，电机的振动测试越来越广泛地受关注。目前行业通用的是单向振动传感器，即仅单一方向的测试振动传感器接触点垂直方向的振动指标（如轴向或径向）。但从几何原理角度及电机产品的实际运转状态研究分析，电机运转时除了轴向和径向振动指标之外，还有与之垂直的切向振动指标，即电机转子的旋转运动方向；该切向振动的指标值与产品整机负载运行状态的振动值强相关。经过大量研究及查找国标确认、传统的电机振动测试方案仍停留在电机的轴向或径向的单一测试方式，未对电机旋转切向振动进行量化界定。而空调用电机的运动方向为旋转切向方式，至此旋转电机产品的切向振动指标才是是振动的主要体现方式；即是需要检定电机的切向方式的振动状态，才能真正评价该电机振动的可靠性能。故此空调用电机的振动测试方案研究及应用具有重要意义，本文特地结合实际使用角度开展了针对空调用电机的振动测试方案可靠性进行研究及应用。

1 电机振动测试方式的术语及要点

1.1 测量量值

电动机振动的测量量值是振动位移（μm）、振动速度（mm/s），以及振动加速度（m/s²）的有效值。

1.2 振动强度

电机轴承振动强度的评判时规定频率范围内振动位移（μm）、振动速度（mm/s），以及振动加速度（m/s²）的宽带方均根。在规定的电机振动诸测量点中，以所测得的最大值表示该电机的振动强度。

1.3 设备选择及安装要点

振动强度的测量仪器应符合ISO 2954的要求。测量设备应能够测量振动的宽带方均根值其平坦响应频率范围至少在10～1 000 Hz。

小功率电机的安装应采用自由悬置系统，此种悬置系统（见图1）可看作为仅容许外部对电机有微小干扰的无源环境。将电机悬挂在弹簧上或安装在弹性支撑件（如弹簧、橡胶垫、乳胶海绵）上（图2），弹性系统的弹性变形量X应符合下式要求：

图1 弹簧悬置

图2 弹性支撑装置

式中：

X—电机悬置后弹性系统的实际变形量，mm；

n—电机转速，r/min；

k—弹性材料线性范围系数，对乳胶海绵k=0.4；

Z—弹性系统变形前的自由高度，mm。

为保证弹性垫受压均匀，可在被试电机与弹性垫之间放置足够刚性的过渡板，但必须保证不产生附加振动。

电机轴伸中心线与水平面的倾斜角度不大于5 °，对立式电机，其轴伸中心线垂直度不超过±5 °，对有底脚的电机，底脚平面与水平面的倾斜角度应不大于5 °。弹性系统的总重量应不超过被试电机重量的十分之一。

2 影响电机振动可靠性的因素

2.1 PULSE频率响应模块创建操作要点

从电脑“开始”菜单所有程序中找到PULSE软件，点击打开LabShop，创建新模块；点击工具栏“Toggle Configuration”按钮，打开设备通道设置界面，根据设备通道连接的对应传感器选择设置，以通道Input 1为例，选中Input 1点击鼠标右键，选择传感器“Select Transducer”，与通道1实际连接加速度传感器356A01 x对应，选择“Accelerometer”，型号选择356A01 x，点击OK确认。按以上方法完成力锤（Force /8206-002）和其他通道设置。点击工具栏“Toggle Measurement”，打开测量管理界面，添加所有信号通道，开始设置控制参数：选中Setup，点击鼠标右键，选择属性，打开设置界面（图3）；

图3 力锤设置界面参数示图

1）力锤设置（Trigger）：打开Trigger界面，创建Trigger激励触发器（如：Impact），Trigger Type选择信号（Signal），Delay设置为- 20 ms；Signal选择力锤连接通道，Reference 参考值为100 N，其他选定默认值。

FFT设置（Set-up）：点击打开FFT属性（图4），选择Set-up 界面，设置FFT分析仪的线数Lines和带宽Span（用户期望测量的频率范围），这两个参数会影响T（FFT分析样本长度），建议该值＞1 s，但不超过3.2 s，因为时间太长每点需要等待时间也长，参考设置Lines：6400，Span：3.2 kHz；设置平均方式Linear，平均次数至少为3次，过载Overload：Reject。

图4 FFT起动设置界面参数示图

3） FFT设置（Trigger）：选择Trigger界面（图5），Record 触发器选择连接的力锤信号（Impact）；Average触发器选择Manual 1（叠加平均）。

图5 FFT-Trigger设置界面示图

4）FFT设置（Spectra）: 选择Spectra界面，设置信号的Auto-Spectrum自谱和Cross-spectrum互谱（图6）。

图6 FFT信号设置界面示图

5）FFT Analysis设置（Signal）：FFT分析仪中的时间加权Time Weighting 改为Uniform（图7）。

图7 FFT时间加权设置示图

2.2 模态分析设定要点

1）完成以上步骤设置后，点击工具栏中的激活/初始化，确保参数设置保存有效。点击工具栏“Toggle Function”，打开函数管理器界面，添加Time函数、Autospectrum自谱、FRFH 1函数（其中的reference信号为激励信号）、Coherence互相干（其中的reference信号为激励信号）。

1）打开测试谱图界面，双击各个函数可显示对应的频谱图，为了更好的观察分析频率响应，一般选用“Modern Display”显示模式，打开FRFH 1谱图和Time（Signal 3）激励信号时域图，在PULSE的Windows菜单排列窗口。

2）待所有界面排列好之后，在左侧状态栏点击鼠标右键，添加“Add task”，保存当前显示界面；点击工具栏“Toggle Level Meter”，打开信号显示范围，确认是否过载情况，如无异常，点击保存测试模块。

2.3 频率响应测试要点

1）将测试硬件三向振动传感器356 A和力锤按照软件设置连接对应通道，如通道1、2、4分别连接振动传感器x、y、z三方向，通道3连接力锤；打开建好的测试模块，点击工具栏激活/初始化按钮，确认连接传感器所有通道信号灯为绿色，信号传输无异常。

2）将待测样品以弹性悬挂的方式安置好，依据异常反馈评估确定测试位置，把振动传感器粘贴牢固，做好测试准备工作。

3）在测试界面点击工具栏“Start”开始测试按钮，即进入待测试状态；在待测样品上选好敲击点，力锤敲击给出激励信号，激励信号在Time（Signal 3）界面显示，如信号显示无异常，点击Trigger 1，即可显示响应信号，各方向响应信号界面上谱图为向相位角，下谱图为幅值；敲击第二次，如无异常，点击Trigger 1，显示叠加平均谱图，如敲击激励响应有异状，重新敲击，确认无误后，点击Trigger 1；重复以上动作，直至达到设置的次数，完成测试（图8 为结果显示图）。

图8 模态分析测试结果示图

3 结论

从上述的例子可以看出，要测准电机振动的性能指标值，需要通过单体或整机实际运行状态下进行调试比对设定合适的参数；因电机设计到多种负载的应用场合，需要恰当的进行选定参数进行基础设定值，才能有效的测定出电机在运行状态下的真实振动数值。一个稳定的测试条件需要经过多次的样本进行测试验证其系统的稳定性方可投入使用；如交流电机应在电源频率和电压为额定值的前提下测定较为准确，直流电机应在降压的方式下保证电机转速为额定值的前提下测试较为准确；当对多速或调速电机产品，应在最高额定转速下进行测量进行测定较为准确；而对于双向旋转的电机，振动测试应使用于任何旋转方向进行测定 较为准确。以上总结的验证结果，所有被测样件应在空载且诸相关参量为额定值的状态下稳定运行30 s后方可进行测量，确保了电机的稳定运行后，测试的振动数值才能有效的体现出产品的实际振动状态及评价。