電動機軸承轉子多頻激勵系統主共振分析

李自強

（唐山職業技術學院唐山市結構與振動工程實驗室，河北 唐山063000）

裝備應用技術

電動機軸承轉子多頻激勵系統主共振分析

李自強

（唐山職業技術學院唐山市結構與振動工程實驗室，河北 唐山063000）

以三相異步電機軸承轉子系統為研究對象，考慮轉子在偏心力、軸承反力和不平衡電磁力影響。應用牛頓定律建立了電機軸承轉子系統非線性振動方程。應用平均法，解析系統主共振的一次近似解和對應的定常解，并進行數值計算。分析轉子偏心距、轉子剛度和電磁參數等對主共振幅頻響應曲線的影響。

軸承轉子；電磁力；非線性振動；主共振；平均法

電動機作為驅動裝置，其應用涵蓋航天航空、工業、農業及日常生活等。電動機振動直接影響其運行的安全性和穩定性，電機的軸承轉子系統是電機主要部件之一，其振動問題引起專家學者廣泛關注。影響轉子系統的非線性主要因素有：軸和支撐材料本身的非線性應力應變關系，滾動軸承剛度，油膜力，不平衡磁拉力，裂紋，間隙和碰撞等[1-3]；學者邱家俊[4]著作的《機電分析動力學》對機電耦聯動力學進行系統分析，并著重分析電機電磁激發參數振動及電機系統耦聯非線性振動；羅躍綱[5]等應用多尺度法對具有非線性彈性的轉軸共振進行分析；文獻[6]采用數值仿真方法，研究軸-軸承系統非線性油膜力在不同載荷作用下的共振分析；楊志安[7，8]等研究電機軸承轉子系統非線性動力學，綜合考慮系統實際運行情況，建立系統在多頻作用下機電藕聯狀態下振動方程，并利用多種解決非線性方法對系統進行解析。

本文基于文獻[7]的電機轉子軸承系統在多激勵作用下非線性微分方程，對系統主共振進行研究，分析結構參數及材料參數對電機轉子系統共振的影響，在電機的避振設計過程及運行過程產生振動的識別和預防提供理論依據。

1 轉子動力學方程建立

電機轉子作為絕對剛性的單盤轉子（不計陀螺效應）；兩端由滾動軸承支承，且對轉子系統形成非線性支反力；同時考慮非線性不平衡磁拉力、轉子偏心力和阻尼力的作用建立永磁電機轉子系統非線性微分方程：

式中，M、k、a0、Ω、E、R、L、B、u0、d、ω、Λ0＝ μ0/kμδ0、δ0、kμ=（k1δ0+ δF）e/k1δ0、k1、m1、m2、w1、p、Kw1、U˙+、U˙-、I˙+r、I˙-r、r1、x1、r2、x2、r2″、x2″、rm、xm分別為轉子的質量、剛度、軸承支反力系數、外激頻率、轉子偏心、外半徑，有效鐵心長度、氣隙磁密、真空磁導率、單邊平均氣隙、電網頻率、平均氣隙磁導、平均氣隙大小、飽和度、平均氣隙的計算氣隙系數、鐵磁材料當量氣隙、定子的相數、定子的繞組匝數、定子的繞組系數、磁極對數、正序電壓、逆序電壓、轉子正序折算電流、轉子逆序折算電流、定子電阻、定子電抗、轉子電阻的折算值、轉子電抗的折算值、轉子逆序電阻的折算值、轉子逆序電抗的折算值、勵磁電阻、勵磁電抗。

2 主共振分析

3 數值計算與結果分析

按式（13），應用 Matlab語言可計算主共振系統的響應曲線，系統的參數選?。篗=20.3 kg，μ＝0.01，k＝ 5.95× 1011N/m，a0=5.91× 109，E=4× 10-4m，R=0.0896 m，L=0.103 m，w1=20 μ0=1.257 × 10-6H/m，kμ=1.28，σ′＝ 7.04 × 10-4，m1=3，r1=3.5 Ω，r2′＝ 4.99 Ω，μ0＝ 1.257 × 10-6H/m，Kw2=1，w2=0.5，m2=11，δ0=0.4 × 10-3m，Kw1=0.933.

圖1左為軸承轉子系統的偏心距E對幅頻響應曲線振幅的影響；由于轉子偏心距在運行過程中受軸承和定子限制，因此偏心距在0～4.3 mm時系統幅頻響應曲線幅值隨偏心距的增加而增加；圖1右為具有不同剛度材質的轉子幅頻響應曲線，不同剛度作用下對系統的主共振曲線均有明顯的變化，且軸承—轉子系統的振動幅值與共振區間和振動幅值隨轉軸剛度的增加而增加；圖2分別為不同定子電阻r1、轉子電阻r2及勵磁電阻rm作用下軸承—轉子系統的主共振相應曲線。電阻的變化對系統的振動幅值有明顯的影響，系統在電阻阻值增大的時候，系統幅頻響應曲線區間變化不大，但是振動幅值隨著阻值的增加反而有所降低，可見系統主共振受電磁影響不大。

圖1 隨結構參數變化的響應曲線

（續下圖）

（續上圖）

圖2 隨電磁參數變化的響應曲線

4 結束語

以三相異步電動機的軸承轉子系統為研究對象，利用牛頓定律及機電分析動力學方法，建立電機軸承轉子系統的非線性動力學方程，利用解決非線性振動的平均法解析系統在多頻激勵作用下的主共振一次近似解。通過二次數學變換，將系統主共振幅頻響應非線性超越代數方程組轉換為關于振幅與調諧參數的高次代數方程。通過數值計算得出轉子偏心距對系統振動幅值影響較大，轉子剛度、定子電阻、轉子電阻、勵磁電阻等對系統幅頻響應曲線的影響也較大。此外對阻尼、氣隙等因素進行分析，發現其對幅頻響應曲線影響不大。研究結果對在電機的避振設計過程及運行過程產生振動的識別和預防提供理論依據

[1]焦映厚，陳照波，夏松波，等.非線性轉子動力學研究現狀與展望[J].哈爾濱工業大學學報，1996，31（3）：1-4.

[2]Waid I.Inayat-Hussain.Nonlinear dynamics of a magnetically supported rigid rotor in auxiliary bearings[J].Mechanism and Machine Theory.2010，45（11）：1651-1667.

[3]李殿起，張艷珠.永磁電動機轉子非線性動力特性[J].機械強度，2004，26（2）：127-131.

[4]邱家俊.機電分析動力學[M].北京：科學出版社，1992.

[5]羅躍綱，杜元虎，聞邦椿.非線性彈性轉子系統動力學特性分析[J].機械設計與研究，2006，22（5）：56-59.

[6]李 震，桂長林，李志遠，等.變載荷作用下軸-軸承系統動力學行為研究[J].機械設計與研究，2005，21（1）：12-16.

[7]楊志安，李自強.電機軸承轉子多頻激勵系統參-強聯合共振 [J].機械強度，2013，35（5）：695-699.

[8]楊志安，孟佳佳.電動機軸承轉子系統弱非線性主共振分析[J].機械強度，2015，37（7）：13-17.

Primary Resonance Analysis of the Bearing Rotor Multi-frequencies Excitation of a Motor

LI Zi-qiang
（Key Lab of Structure and Vibration of Tangshan and Tangshan Vocational＆ Technical Collage，Tangshan Hebei 063009，China）

Changing a bearing rotor system of a motor as object，consider eccentric force，bearing reaction and unbalanced magnetic pull，applying newton’s law the nonlinear vibration equation of the bearing rotor system of a motor is established.By means of the averaging method，the first approximation solutions and corresponding to stationary solutions of the primary vibration of the system are obtained，and the numerical calculation is carried out.The effect of the offset and the rigidity or the electromagnetic parameter on the response curves of the primary resonance of the system.

bearing rotor；electromagnetic force；nonlinear vibration；primary resonance；the averaging method

O322；TH133

符：A

1672-545X（2017）08-0103-04

2017-05-21

河北省教育廳指導項目（編號：zc2016070）；河北省自然科學基金項目（編號：A2009000997）資助

李自強（1986－），男，河北永年人，碩士，講師，研究方向：機械設計與機電系統動力學。