防爆電動機轉子系統(tǒng)臨界轉速分析

防爆電動機轉子系統(tǒng)臨界轉速分析

朱常權1，朱常興1,2，張洪喜1,2，王殿有1,2

(1佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002；

2國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

摘要采用傳遞矩陣法對YB2電動機轉子系統(tǒng)進行了分析，詳細地闡述了復雜轉子結構的模型等效方法和數(shù)值處理過程，該轉子的臨界轉速計算結果表明設計的轉子一階臨界轉速接近工作轉速而可能引起共振，建議將該軸轉子長度改短和增加軸頸，提高其一階臨界轉速。

關鍵詞YB2電機；臨界轉速；傳遞矩陣法

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2015.01.07

中圖分類號：TM357

作者簡介：朱常權男1985年生；畢業(yè)于黑龍江科技學院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機技術工作.

收稿日期：2014-06-16

Analysis on Critical Speed of Explosion-Proof Motor Rotor System

ZhuChangquan,ZhuChangxing,ZhangHongxi,andWangDianyou

(1. Jiamusi Electric Machine Co., Ltd., Jiamusi 154002, China；2.National Engineering and technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

AbstractThis paper analyzes rotor system of YB2 series motors by using transfer matrix method and describes the model equivalent method and numerical processing procedure of complex structure in detail. The calculation result shows that the designed first-order critical speed of rotor can produce resonance if it is close to the running speed. It is suggested that the rotor length of shaft should be shortened and radial size of shaft neck should be increased to improve the first-order critical speed of rotor.

Key wordsYB2 motor；Critical speed；transfer matrix method

0引言

電機轉子臨界轉速是指轉子的某些特定轉速，當轉子在這些轉速或者靠近這些轉速運轉時，轉子將產生劇烈振動，從而破壞機器的正常工作狀態(tài)。因而，準確計算轉子的臨界轉速，對控制電機振動、保障電機安全運行有著重要意義。

目前用于電機轉子臨界轉速計算的方法主要有經(jīng)驗公式法和傳遞矩陣法[17] ，經(jīng)驗公式法用于電機轉子臨界轉速計算的誤差較大且只能計算一階臨界轉速，傳遞矩陣法可以實現(xiàn)多階臨界轉速計算且計算精度較高，因而傳遞矩陣法計算電機轉子臨界轉速的方法應用更為廣泛[6，7]。

本文采用傳遞矩陣法計算轉子的臨界轉速的方法，對我公司正在研發(fā)的YB2系列一典型規(guī)格電動機的轉子系統(tǒng)進行了分析。

1轉子系統(tǒng)簡介

YB2系列電機是全封閉自扇冷式鼠籠型隔爆三相異步電動機，是YB系列電動機的更新?lián)Q代產品，具有節(jié)能、安全、美觀等特點。我公司生產的YB2系列隔爆型三相異步電動機，適用于有爆炸性氣體混合物存在的場所。

圖1給出了該電動機的轉子系統(tǒng)的三維圖，該轉子系統(tǒng)由剛性軸、鑄鋁轉子、風扇、平衡環(huán)等組成，從圖上不難看出鑄鋁轉子、風扇等部件結構相對復雜。

圖1　YB2典型規(guī)格電動機轉子系統(tǒng)

2臨界轉速計算

由于該轉子系統(tǒng)結構比較復雜，進行轉子的臨界轉速計算之前需要對該轉子進行模型等效和數(shù)值化處理，依據(jù)傳遞矩陣法的理論需要將轉子系統(tǒng)等效成薄圓盤和無質量桿的系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　軸的等效

在對薄圓盤、無質量桿的力學分析的基礎上，建立起從左到右的傳遞矩陣，代入邊界條件，依據(jù)轉子動力學的理論計算傳遞矩陣特征值即可獲得轉子的臨界轉速，具體的理論推導可參觀相關的文獻[1,2]。在此基礎上，文獻[6]對該計算方法進行了發(fā)展，即將轉子等效成剛性軸和附加質量、慣量即可。其中剛性軸指表征轉子剛度的軸；附加質量、慣量是指軸上零部件的質量和慣量數(shù)據(jù)。在這里將對剛性軸和附加質量慣量的等效進行說明。

2.1剛性軸的等效

剛性軸的機械性能表征了轉子的剛度，其結構也相對簡單，如圖1所示。直接提取剛性軸的尺寸數(shù)據(jù)即可，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　剛性軸數(shù)據(jù)表

2.2附加質量慣量等效

YB2電機轉子的附加質量和慣量主要指鑄鋁轉子、平衡環(huán)、風扇等部件的質量和慣量信息，從圖1中不難看出，由于鑄鋁轉子、平衡環(huán)、風扇等部件的結構比較復雜，準確計算出其質量、慣量數(shù)據(jù)存在一定難度，這里以鑄鋁轉子為例，詳細的闡述鑄鋁轉子的質量、慣量的等效過程和方法。由于鑄鋁轉子結構比較復雜，首先將其分為端部、中間部分分別進行數(shù)值處理。

(1)中間部分，該結構包含沖片、鑄鋁的鼠籠條、通風孔等結構組成，很難通過數(shù)值積分的方式計算得到其質量和慣量數(shù)據(jù)。本文通過solidworks軟件建立其三維模型，打開soliworks軟件“評估”菜單，然后點擊“質量屬性”就可以看到該部件的質量和慣量數(shù)據(jù)[7]，如圖3所示。從圖3中得到質量、慣量數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3　鑄鋁轉子中間部分計算

表2　鑄鋁轉子中間部分等效數(shù)據(jù)

(2)端部，該架構包括鼠籠環(huán)、風扇等結構，如圖4所示，該結構的等效計算采取與鑄鋁轉子中間部分的計算同樣的方法，表3給出了質量、慣量數(shù)據(jù)表。

圖4　鑄鋁轉子端部計算

表3　鑄鋁轉子端部等效數(shù)據(jù)

對于風扇、平衡環(huán)均采用上述的方法進行等效處理，這里不再贅述。

2.3模型等效數(shù)據(jù)表

通過上述的等效處理，我們獲得表4所示的等效數(shù)據(jù)表。

表4　電機轉子等效數(shù)據(jù)

2.4計算結果

該轉子采用某公司的軸承，該軸承的油膜剛度為1.28x108N/m。將表4的數(shù)據(jù)和軸承剛度代入MATLAB編制的傳遞矩陣法轉子臨界轉速計算程序，經(jīng)過計算，得到表5所示的臨界轉速計算結果。

表5　轉子臨界轉速計算結果

該電機為兩極電機，工作轉速為3 000rpm，從計算的結果看不符合工作轉速小于0.75～0.8倍一階臨界轉速的設計要求[6,7]，因而需要提高轉子的臨界轉速，即需要提高轉子的剛度，提高剛度的辦法有減小兩軸承間轉子長度和增大剛性軸的直徑。

3結語

本文針對我公司典型產品YB2系列電動機的兩極電機進行了臨界轉速計算分析，通過上述分析得出如下結論。

(1)對YB2系列電動機的轉子臨界轉速計算方法進行了詳細的闡述，為類似產品的計算提供了參考。

(2)通過計算表明，該設計的YB2電動機的工作轉速靠近一階臨界轉速，不滿足設計要求，建議修改，即提高該轉子的剛度，采用的方法是減小兩軸承間轉子長度和增大剛性軸的直徑。

參考文獻

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