角接触轴承电机噪声频谱分析

研究与交流　角接触轴承电机噪声频谱分析　杨　超　沈耀晟　赵丕玉　马斯丽　ＡＢＢ高压电机有限公司（２０１　１００）　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｎｏｉｓｅ　ｏｆ　Ｍｏｔｏｒｓ　ｗｉｔｈ　Ａｎｇｕｌａｒ　Ｃｏｎｔａｃｔ　Ｂｅａｒｉｎｇｓ　ＹＡＮＧ　Ｃｈａｏ　ＳＨＥＮ　Ｙａｏｋｕｎ　ＺＨＡＯ　Ｐｉｙｕ　ＭＵ　Ｓｉｌｉ　ＡＢＢ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　Ｌｔｄ．　摘　要：介绍了电机噪声频谱分析的一些基本知　汇总表见表１。　表１　电机噪声频谱分析数据汇总表　分类　名称　主要频谱　识，并选择一台装配有角接触轴承的电机进行噪声频谱　分析，根据测试结果判断电机产生振动噪声的原因并提　出可行的改进措施。　关键词：角接触轴承频谱噪声　轴承自身噪声和振动　轴承　轴承轴向噪声、振动　轴向窜动声　转子不平衡声　机械噪声　机座共振声　ｆ＝２　０００—５　０００Ｈｚ　ｆ－＝１　０００～１　６００Ｈｚ　５０～４００Ｈｚ　户ｎ／６０　Ｈ—转速　５００—１　０００Ｈｚ　中图分类号：ＴＭ３０３文献标识码：Ａ　ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１４．０６．０１１　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｍｅ　ｂａｓｉｃ　ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ　ｏｆ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃ—　ｔｒｕｍ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｎｏｉｓｅ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ａｎｄ　ａ　ｍｏｔｏｒ　ｗｉｔｈ　ａｎｇｕｌａｒ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｗａｓ　ｓｅｌｅｃｔｅｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｎ　ｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ａｎａｌｆｙｓｉｓ．Ｔｈｅ　ｃａｕｓｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｍｏｔｏｒ　ｔｏ　气体紊流声　通风噪声　空气共鸣声　１００　３　０００Ｈｚ　户ｍ　Ｚ　ｎ／６０　ｍ一风道数　ｚ～谐波次数，常取１，２　而（电源频率）　ｐｒｏｄｕｃｅ　ｎｏｉｓｅ　ｗａｓ　ｊｕｄｇｅｄ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅ—　ｓｅｎｔｅｄ　ｂａｓｅ　ｕｐｏｎ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｒｅｓｕｌｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｎｇｕｌａｒ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃ—　ｔｒｕｍ　ｎｏｉｓｅ　单边磁拉力　电磁噪声　径向磁拉力、脉动噪声　齿谐波噪声及振动　厂ｌ二２矗　－户Ｚ‘Ｑ　／６０＋２ｆ０　子齿槽数　本文对一台中心高为１８０的三相异步电动机　电机噪声一直是比较难解决的问题，它主要　进行倍频频谱分析，进而提出一种电机噪声频谱　分析方法。被试电机为４极，Ｖｌ立式安装，轴伸端　是由电磁、机械和通风等原因产生的。　电磁噪声由作用在定、转子气隙中电磁力产　生的旋转力波或脉动力波使定子产生振动，而辐　轴承选用ａ＝２５。的ＳＫＦ　７３１１ＤＢ型背靠背角接触　轴承，非轴伸端选用的普通ＳＫＦ　６３１　１深沟球轴　承。角接触球轴承是一种承受轴向负荷的能力远　大于普通深沟球轴承、且允许工作转速较普通　射发生的，它与电机气隙内的谐波磁场及由此产　生的电磁力波幅值、频率和极数以及定子本身的　振动特性有密切的关系。机械噪声主要是电机中　的轴承以及电刷引起，通风噪声由电机内的冷却　风扇产生。　分析电机的噪声和振动主要采用频谱分析　法，根据分析结果对比噪声频谱汇总表可以较快　轴承相近但支持刚性更强的轴承，单个角接触　轴承只能承受单方向轴向载荷，因此一般都采用　配对安装，配对方式有背对背、面对面和串联三　种。本次测试电机选用背靠背角接触轴承，结构　见图１。这种轴承结构复杂，对轴承的安装精度　要求很高，装配偏差会对电机噪声振动产生很大　的影响。　判断出电机噪声、振动产生的原因，并采取相应　措施来降低电机的噪声，常见电机噪声频谱分析　．３６．２０１４年第６期《电机技术》　图１背靠背安装角接触轴承　１测试方法　声音在空气中传播时，会使空气压力发生变　化，引起大气压强增加和减少的变化量称为声　压。因为声压的变化范围太大，能达到百万级，　因此引入＿个成倍比关系的物理量来表示声音的　强弱，即声压级。声压级公式如下：　Ｐ　Ｌｐ＝２０　ｇ　式中：三。—声压级ｄＢ；　Ｐ——声压Ｐａ；　Ｐｏ一基准声压，其值为２×１０～Ｐａ。　本次噪声测试采用ＡｗＡ多功能声级计，它可　直接测出声压级噪声值并且内置有频程分析软件　包，可进行噪声的实时频谱分析。选电机在空载　运行状态进行测试，测点１在电机左侧接线盒位　置、点２在电机前侧、点３在电机右侧、点４在电机　后侧、点５在电机顶部风扇位置处，测试距离均　为距离电机本体１　ｍ位置处，见图２。　测点ｊ：电机璜部　⑤　图２噪声测点示意图　噪声频谱测试中，测试频率范围最常使用的　是倍频程和１／３倍频程。倍频程是值上、下限两个　研究与交流　频率之比为２：１，耳Ｉ　ｎ上（，ｎ下＝２的频带。为了得到比　倍频程更详细的频谱，可使用１／３倍频程，即把一　个频程按２了关系再分为三段频带，且『　ｃ７　＝２了。　本次测试频率范围为１０　Ｈｚ～１０　ｋＨｚ，使用１／３倍　频程，共有３　１个频率点。每个频率点根据测试位　置的不同共有５个噪声值，噪声值测出后，按下式　求取每个频率点噪声的平均声压值：　旦　Ｌｐｔ＝１０　ｌｇ砉　式中：Ｌ。　一每个频点的声压级平均值；　ｉ一每个频点单个测点的声压级。　再将每个频点的声压进行求和，得出噪声总　值：　３１　Ｌｐｔ　１０　ｌｇＥ１０￣　式中：　。一电机声压级噪声总值。　■■■■■●■－々Ｈ　噪声测试结果见图３。　■■●ｌｎ　一　■■■●０一　●■■■■●１０　■■■■■■■■●●●●Ｉ　■■●●■－　Ｈｎ　■●■■●■●导　■■●■■■■■■●●■■■１　０　■■■■■■●■●■Ｉ　ｍ　■■●■■■■■１　０∞　ｌＩｌＩＩｌＩＩ　ｇ　■●■■●■●●●■Ｉ　Ｊ■●■■■●■●●■■－■０　■●■●■■■■■●■Ｉ８　■■■■■●●●■■■■■■Ｉ－－■０　∥Ｈｚ　图３噪声测试结果　２　结果分析　从图３的测试结果可以看出２５　Ｈｚ、５０　Ｈｚ、　２　ｋＨｚ和４　ｋＨｚ频段有明显峰值。参照表１得知：　户２５　Ｈｚ时为转子动平衡频率段，虽然出现峰值　３５　ｄＢ，但对整体噪声影响不大；产５０　Ｈｚ时，出现　峰值，可能的原因是存在轴向窜动以及单边磁拉　力。２　ｋＨｚ～５　ｋＨｚ频率范围为轴承自身噪声及振　动范围，且轴承装配不好也可能导致转子的偏心　或错位，产生单边磁拉力，加上本电机轴承的特　殊性，基本确定轴承噪声为电机的主要噪声。找　出噪声源后，再结合电机结构特点分析轴承噪声　《电机技术》２０１，１年第６期・３７・　研究与交流　原因有：　承（频谱范围２　ｋＨｚ～４　ｋＨｚ）噪声明显降低，还可　以看出在２５、８０、１００、１６０　Ｈｚ时出现明显峰值，　１）角接触轴承对电机尺寸链的影响　电机立式安装时，电机的轴伸端轴承本身存　在轴向游隙，电机从原始状态到消除游隙，内圈　会向下偏移一定的距离，而在承受电机转子重量　的情况下，内圈相对于外圈又会进一步偏移一定　的距离。而电机设计时，定、转子铁心是等长的，　初步推断为更换后的转子动平衡（ｆ＝２５）未校　好，转子与定子的同心度也有偏差，导致轴向窜　动以及径向磁拉力的产生。但即使这样，电机噪　声总值还是下降了大约４　ｄＢ。　●●另选一台同型号、同参数的电机，但前后端　这样就会造成定子与转子错位，引起电机轴向的　窜动以及单边磁拉力的产生，可通过加长电机转　子铁心的长度（一般为单边２～３　ｍｍ）解决这个　问题。　２）轴承工作游隙问题　轴承的工作游隙是轴承在工作时径向的游　隙，它的大小取决于轴承内圈与轴以及轴承外圈　与端盖轴承室配合的松紧度。电机转子运转时，　轴承会发热使内圈膨胀，从而使轴承原始工作游　隙变小。过小的工作游隙会导致轴承运转不顺　畅，甚至使轴承抱死，解决方法是将端盖轴承室　公差由１２０＋　０，０２　２改为１２０　４０．。０２　２　■■●■■■■●■■－Ｉ　Ｎ　●●●●●●●－－■　３）轴承装配问题　■■●●■■■■●Ｉｌ■●■■■■■■■－配对安装的角轴承对轴系的同轴度特别敏　感，装配时的任何磕碰都可能造成轴承位置的变　化，这种变化即使很微小，但也有可能对整个电　●■●●■●■■■■■■●ＩＩ■■●■●■●●●■●■■■■■●－■■●●●■■■●●●■■■■■ＩＩ１　机的振动噪声产生很大的影响。为了避免装配过　■■●■■●■●■■■■■■■■Ｉ■●■●■●●●●●■■■■■■Ｉ程中出现磕碰，电机轴承和端盖装配全部采用热　■●●●●■■●■●■■■■■■■■■－Ｉ■■■●■●●●●●●●■■●■■■■Ｉ■●●■●●■■●■●■●■■■■■■Ｉ套工艺。　■●■■●■●●■■●■■■■■■Ｉ■■■●●■●■■■●■■■■■■■■１■■●●■●■■●●■●■■●■●●■■■Ｉ电机执行上述更改后，重新测试，结果见图　■●●■●●●■■■■■■■■■■■■Ｉ■■■■●●■■●●■●■■■■■■■■■８ｎ　●●●■■●■●●●●●■■■■■■■－４　■●■■■●■●●●●●■●●■■■●■－Ｉ■■■■■■■■●■●●●●■■■■■●■ｌｆ／Ｈｚ　图４改善轴承后电机噪声测试结果　由图４可以看出，按上述方案整改后电机轴　・３８・２０１４年第６期《电机技术》　均选用普通ｓＫＦ６３１１深沟球轴承，测试方法相　同，结果如图５。　７０　６５　６Ｏ　５５　５０　４５　４０　∞３５　３０　２５　２０　１５　１０　５　０　暑ｇ景　　●■●Ｉ一　ＮＨ　∥Ｈｚ　■●－－１　０Ｎ　图５使用普通轴承电机噪声测试结果　一ｎ　０　　０　ｌ　０　由图５可以看出，使用深沟球轴承的电机噪　声水平明显优于使用配对角接触轴承的电机。　＾５　３　结语　００ｎ　０ｎ０　　５∞　耋一　■０　Ｈ　害　一　耋分析对比测试结果，得出设计配对角接触轴　Ｎ　８　承的电机时，应注意：转子铁心尽量设计的长于　０ｎ—ｎ　堇　耋ｎ　定子铁心，对于单边磁拉力以及轴向窜动有一定　耋∞　詈　的抑制作用；端盖轴承室公差尽量选择正公差，粤昀　　防止因轴承游隙过小产生的额外噪声；轴承、端　盖装配采用热套工艺流程；若不是对轴承承载能　力有特殊要求，尽量不要选择此类轴承。　电机噪声振动的分析是一个复杂的过程，在　降低噪声的过程中，也可能不断出现新的问题，　需要不断的摸索测试。本次测试由于电机选用　了比较特殊的轴承结构，从频谱图可以直接得出　轴承为电机主要的噪声源。但对于一般结构的电　机，频谱图中多个峰值频带噪声可能由多种原因　叠加产生，这样单凭频谱图很难确定最后的噪声　（下转第４１页）　‘崔■■●■■■●■■■■■Ｅ■■■■■■●■．１　０一●■●●ｌ■■■■●－■■研究与交流　地电流在３０　Ａ下是安全的。　底检查清理汇水管绝缘，一般很难在汇水管上找　到明确的接地点，须逐个部件检查或更换新的　４　处理　如果发现发电机汇水管接地线电流大、温度　高的现象，可以断定汇水管对地绝缘下降了，应　绝缘件直至绝缘电阻合格为止。　５　结语　由于定子端部漏磁在汇水管上产生感应电　势，发电机运行时汇水管接地，保证了发电机安　彻底检查与汇水管有关的绝缘部件。　汇水管绝缘检查包括：绝缘引水管绝缘和表　面清洁度；汇水管绝缘支撑件；汇水管进、出水　管的法兰绝缘和排水阀的绝缘；定、转子轴向磁　中心偏移情况，防止由于安装引起汇水管感应电　势过大。　全可靠运行。随着发电机容量增大，定子端部漏　磁也增大，汇水管感应电势也相应增大。为防止　接地线电流过大，在检修维护时需检查汇水管　绝缘是否完好。　参　考　文　献　若发电机运行中发现接地线上电流过大，可　采用临时串入电阻的措施，这样接地电流可以降　下来。待到有停机检修条件，彻底检测处理汇水　管绝缘。　检修维护时，重点检查汇水管与机座铁心端　部结构件间的绝缘。若汇水管绝缘电阻低，要彻　（１】汪耕，李希明．大型汽轮发电机设计、制造与运行［Ｍ］上海：上　海科学技术出版社，２０００：１７３—１７９，２１９—２４１．　（收稿日期：２０１４—０５－１０）　作者简介：史德利，男，１９６８年１０月生，工程硕士，电机专业，高级工　程师．现主要从事大型发电机设计工作。　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　●　・　◆　・　◆　・　◆　・　●　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　◆　・　（上接第３８页）　源，需要采取其它方法予以辅助分析。　对于电磁噪声，可以采用改变气隙磁场大小　或切断电源的方法去识别电磁噪声：　是否是电机的主要噪声，在可能的情况下，将电　机风扇取下，测试电机噪声。如果去掉电机风扇　后，电机噪声明显下降，则说明通风噪声是电机　的主要噪声。　机械噪声则主要通过电机的制造工艺过程　１）改变外施电压法　电机空载运行，将电源　电压从额定电压迅速下降，气隙中磁场强度随外　施电压的下降近似成正比例下降，此时如果电磁　噪声是电机噪声的主要组成部分，随着电压的降　和电机噪声频谱图进行分析判断。　有了这些方法，再配合电机噪声频谱分析图　低，电机噪声将明显下降。　２）切断电源法　电机空载运行时，突然切断　电源，当电磁噪声是电机的主要噪声时，切断电　来判断一台电机产生振动噪声的原因，准确性还　是很高的，一般都能分析清楚噪声的成因。　参　考　文　献　源瞬问，电机噪声会突然降低。由于电机电磁过　渡过程较机械过渡过程要迅速的多，因此切断电　源后，由于电机的机械惯性，转速逐渐下降，通　【１】陈永校，诸自强，应善成．电机噪声的分析和控制［Ｍ］．杭州：浙　江大学出版社，１９８７：４－１８．　［２］李隆年，王宝玲，周汝潢．电机设计［Ｍ］．北京：清华大学出版　社。１９９２：２４２—２５５　风和机械噪声也逐步下降，但下降速度比电磁噪　声下降要慢的多。　通风噪声是由风扇旋转产生的，频率连续分　布在一个相当宽广的频带上，为了确定通风噪声　［３］陈世坤．电机设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８２：１８５—２２４．　（收稿日期：２０１４－０ｌ－０８）　作者简介：杨超，男，１９８７年８月生，本科，电气工程及其自动化专　、　工程师．现从事电机的生产与制造。　《电机技术》２０１４年第６期・４１．