CN112556830A - 一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置及试验方法，包括磁转子、涡流筒和联接支架；磁转子包括磁座和若干个磁钢，磁钢数量为偶数个，磁钢周向N极/S极交替安装在磁座的圆柱面上，涡流筒与磁转子适配设置，磁钢靠近涡流筒；涡流筒与联接支架连接。本发明提供了一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置及试验方法，除了电机转子及输出轴上紧密安装一体的磁转子外，没有其他机械旋转零部件，或依靠旋转部件带动做功的流体，带载测振时不需要考虑其他机械旋转件或流体激振传导而来的振动影响。

Description

一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及电动机振动测试技术领域，尤其是涉及一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置及试验方法。

背景技术

电动机是将从电源输入的电能，转换为输出轴的机械能，带动负载旋转做功的电力机械，是目前大多数机械的动力源。机械设备通常要求能够长久可靠运行，因此对驱动用的电机也要求运转稳定，振动噪声低。特别是用于特种装备中，如游轮、声呐探测船、潜艇等，对自噪声的要求特别低，相比常规民用电动机，要低一个数量级以上，且低振动频谱范围要求更广。除了作为负载的机械设备需要通过精心设计和制造达到尽可能低的程度外，作为驱动设备的电动机振动也必须达到同样低的程度，因为负载和电动机是不可分割的整体，如泵、风机、压缩机等。因此，电动机在制造完成后需进行振动试验，以判断振动值是否达标。GB10068标准规定了旋转电机的振动测量、评定及限值，该标准的电机振动测试状态是电机独立安装和运转，也就是空载状态。

由于电动机是驱动机械，在单独电机运转时，只是电机的空载状态，没有输出动力到负载，此时测试的振动值也是空载的值。然而，当电动机在承受负载转矩时，电磁力增大，定转子的相对转角增加，定转子受力增大，电动机轴承受力也会增大，电动机振动值将会增大。实践也表明，在电机空载情况下的振动与负载情况下的振动有明显区别，表现在振动量值和振动特征峰值频率。在与负载机械集成后，如果整机振动超标，将难以判定是负载机械还是电动机存在问题，也就难以进行针对性改进。因为负载机械是一定需要原动机进行驱动旋转才能进行测试，不能独立测试振动。而电动机虽然能独立通入电单独进行旋转测试，但又不带负载。而如果通过输出轴带一个人为的机械旋转负载，如测功机等，就需要联轴器与负载联接，同时为保证与负载机械的同轴度，还需通过底座进行刚性联接。无论是通过联轴器还是通过底座，振动都会通过联轴器和底座等接触物体进行传导，作为负载旋转时也会产生振动，联轴器本身也会产生振动，机座也会在电动机或负载机的激振下产生受迫振动。如果此时振动超过规定值，将难以确切判断是因为负载问题还是传动联接或安装联接的问题，还是电动机本身的问题，就难以实施有针对性的改进措施。

中国专利申请公开号CN111896870A，公开日为2020年11月6日，名称为“一种电机负载工作特性测试系统及方法”，公开了一种电机负载工作特性测试系统及方法，该测试系统包括测力装置、控制测力装置、负载装置和控制装置，测力装置和控制测力装置分别设置在被测电机的两侧，用于测试被测电机上下两端的转矩力，负载装置与控制测力装置连接，用于向被测电机提供负载，控制装置分别与被测电机和负载装置电连接，用于控制被测电机启停和负载装置输出轴向力的大小，本测试系统可以通过改变负载装置输出轴向力实现改变被测电机负载的作用，还可以在特殊环境条件(高低温、真空等)进行电机带载特性测试，通过连续调节控制负载装置输出轴向力，可连续改变被测电机负载大小，完成被测电机不同负载性能测试，能够实现对被测电机负载特性的连续测试。但是该测试系统仍存在上述问题。

发明内容

本发明为了克服现有技术中电机负载测试中，负载机械的振动都会通过联轴器和底座等接触物体进行传导，作为负载旋转时也会产生振动影响电机振动测试的准确性的问题，提供一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置及试验方法，除了电机转子及输出轴上紧密安装一体的磁转子外，没有其他机械旋转零部件，或依靠旋转部件带动做功的流体，带载测振时不需要考虑其他机械旋转件或流体激振传导而来的振动影响。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低振动电动机带载振动试验装置，包括磁转子、涡流筒和联接支架；磁转子包括磁座和若干个磁钢，磁钢数量为偶数个，磁钢周向N极/S极交替安装在磁座的圆柱面上，涡流筒与磁转子适配设置，磁钢靠近涡流筒；涡流筒与联接支架连接。

上述技术方案中，磁座采用导磁材料制作，磁钢采用同牌号稀土永磁材料制作，如铷铁硼磁钢或钐钴磁钢；磁钢使用胶黏剂粘贴紧固；每块磁钢经过尺寸和磁通量选配，保证误差小于1‰，且将磁通量最接近的同极性磁钢布置在磁座圆柱面的径向对称位置；所述磁钢径向充磁，即在磁转子径向上，磁钢的N极和S极一个设置在内侧，一个设置在外侧。所述涡流筒壁厚均匀，距离磁钢有一定的四周均匀的间隙，避免磁转子转动时发生碰撞。所述磁转子与电机输出轴固定，且电机与联接支架通过法兰结构定位并固定。测试时，给电机通电，电机带动磁转子快速转动，涡流筒壁在磁转子磁场作用下，因切割磁力线而在涡流筒中产生感应涡电流，涡电流因焦耳楞次定律，在涡流筒中产生热量，消耗了电动机的输出功率，相当于给电动机输出轴一个负载。同时，涡电流磁场与磁转子磁场相互作用产生阻转矩，也相对于一个负载。此时即可用测振仪测试电动机在带载情况下的振动值，包括振动频谱。由于除了电动机本身及输出轴上安装固定的磁转子外，没有其他运动部件所传导的机械振动，因此所测得的振动为电动机本身带载情况下的振动数据。

作为优选，所述磁钢周向N极/S极交替安装在磁座的外圆柱面上，涡流筒的一端套设在磁转子的外侧。上述方案是一种磁钢的具体布置方式。

作为优选，所述磁转子上设有安装孔，磁钢周向N极/S极交替安装在安装孔内圆柱面上，磁转子的一端套设在涡流筒的外侧。上述方案是另一种磁钢的具体布置方式。

作为优选，还包括升降调节机构，涡流筒与升降调节机构的升降端固定，升降调节机构与联接支架固定。所述升降调节机构可以是丝杆螺母机构，也可以是齿轮齿条机，还可以是液压驱动机，只需要能实现升降控制的机都可以用做此处的升降调节机构。所述升降调节机构通过调节涡流筒的轴向位置，调节磁转子所受的反向作用力，通过观察电机输入功率值，调整金属涡流筒的轴向位置，即可将负载调节到需要的大小。

作为优选，所述联接支架包括安装座，涡流筒与安装座滑动连接。涡流筒与安装座通过键槽结构滑动连接，可以避免涡流筒受扭力而发生转动。

作为优选，所述联接支架还包括隔振器，安装座通过隔振器与测振基座连接。所述隔振器可以隔离电机的振动，避免电机与测振基座刚性连接，以测定电机本身的振动。

作为优选，所述涡流筒由非磁性金属材料制造。所述涡流筒由非磁性金属材料制造磁可以避免涡流筒被磁化，而产生额外的固有磁吸力，导致可能因涡流筒磁化不均而致使磁吸力不均产生额外的不平衡磁吸力影响振动测试结果的正确性。

作为优选，所述涡流筒内设有冷却内腔，冷却内腔内设有冷却液；冷却内腔通过进水口和出水口分别与软管连接。涡流筒壁依靠冷却液带走热量，避免温度持续升高。

一种低振动电动机带载振动试验方法，采用上述的一种低振动电动机带载振动试验装置，包括以下步骤：

a.安装准备：将磁转子固定在电机的输出轴上，将电机安装在联接支架上，并在电机与联接支架的连接位置安装振动测试仪器；

b.启动电机：将电机通电启动；

c.负载调节：通过升降调节机构调节涡流筒与磁转子的重合面积，调节负载；

d.振动测试：将在调节涡流筒位置时，通过观察电源线上的功率表，测得的输入功率与额定输入功率相同，即调整到了电动机的额定状态，此时即可采用测振仪表对电动机进行振动测定；

e.测试完成：测试完成后拆下测试装置。

通过实施上述技术方案，可以准确的对电动机进行带载振动试验，同时所带的载荷无机械运动，不会因运动而产生额外的振动而传导给被测电动机而影响所测振动的真实性，从而实现电动机的独立运转带载振动试验。上述试验方案中，利用磁电感应原理，将电机转轴机械旋转输出的能量通过其上的磁转子，直接转化为静止的金属涡流筒上的涡电流，涡电流产生阻碍磁转子旋转的磁场，形成负载，涡电流也产生热能消耗掉，实现能量的动静转化而无需其他机械旋转件消耗能量。整个方案的试验原理是：电源输入电功率、电机产生电磁转矩而使转轴旋转、磁转子随转轴旋转、磁转子上的磁场旋转、涡流筒上产生感生涡电流、涡电流转化为热能消耗、通冷却液带走热量；同时，涡流筒上产生感生涡电流时，涡电流会产生磁场，涡电流磁场与磁转子磁场相互作用产生阻转矩-负载。

作为优选，在进行振动测试，向涡流筒的冷却内腔内不停充入冷却液，使冷却液带走负载测试产生的热量。

本发明的有益效果是：（1）采用电磁感应原理和焦耳楞次定律，解决了以往电动机不能独立测试带载情况下的振动问题，为正确评价电动机的实际振动大小提供了试验方法和合格判定依据；（2）当机组振动偏大时，通过对拆卸下电机单独进行带载振动测试，有利于查找机组振动源头，便于针对性改进问题；（3）可以开展电动机自身的各负载工况下的振动试验以及对比，便于分析振动原因，有利于电动机对其进行振动改进，促进电动机振动值越来越低。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中磁转子的剖视图；

图3是实施例3的结构示意图；

图4是实施例3中磁转子的剖视图。

图中：磁转子1、磁座1.1、磁钢1.2、涡流筒2、冷却内腔2.1、进水口2.2、出水口2.3、联接支架3、安装座3.1、隔振器3.2、升降调节机构4、测振基座5、软管6、电机7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1：

如图1和图2所示，一种低振动电动机带载振动试验装置，包括磁转子1、涡流筒2、联接支架3、升降调节机构4；磁转子1包括磁座1.1和若干个磁钢1.2，磁座1.1采用导磁材料制作，磁钢1.2采用同牌号稀土永磁材料制作，，磁钢1.2使用胶黏剂粘贴紧固；每块磁钢1.2经过尺寸和磁通量选配，保证误差小于1‰，且将磁通量最接近的同极性磁钢1.2布置在磁座1.1圆柱面的径向对称位置；所述磁钢1.2径向充磁，即在磁转子1径向上，磁钢1.2的N极和S极一个设置在内侧，一个设置在外侧；磁钢1.2数量为偶数个，磁钢1.2周向N极/S极交替安装在磁座1.1的圆柱面上，涡流筒2与磁转子1适配设置，磁钢1.2靠近涡流筒2；涡流筒2由非磁性金属材料制造，壁厚均匀，涡流筒2内设有冷却内腔2.1，冷却内腔2.1内设有冷却液；冷却内腔2.1通过进水口2.2和出水口2.3分别与软管6连接。联接支架3包括安装座3.1和隔振器3.2，涡流筒2与安装座3.1滑动连接，安装座3.1通过隔振器3.2与测振基座5连接。涡流筒2与升降调节机构4的升降端固定，升降调节机构4与联接支架3固定。

上述技术方案中。所述涡流筒2距离磁钢1.2有一定间隙，避免磁转子1转动时发生碰撞。涡流筒与磁钢之间径向间隙均匀一致。所述磁转子1与电机7输出轴固定，且电机7与联接支架3通过法兰结构定位并固定。测试时，给电机7通电，电机7带动磁转子1快速转动，涡流筒2壁在磁转子1磁场作用下，因切割磁力线而在涡流筒2中产生感应涡电流，涡电流因焦耳楞次定律，在涡流筒2中产生热量，消耗了电动机的输出功率，相当于给电动机输出轴一个负载。同时，涡电流磁场与磁转子1磁场相互作用产生阻转矩，也相对于一个负载。所述升降调节机构4通过调节涡流筒2的轴向位置，调节磁转子1所受的反向作用力，通过观察电机7输入功率值，调整金属涡流筒2的轴向位置，即可将负载调节到需要的大小。此时即可用测振仪测试电动机在带载情况下的振动值，包括振动频谱。由于除了电动机本身及输出轴上安装固定的磁转子1外，没有其他运动部件所传导的机械振动，因此所测得的振动为电动机本身带载情况下的振动数据。

实施例2：

如图2所示，在实施例1的基础上，所述磁钢1.2周向N极/S极交替安装在磁座1.1的外圆柱面上，涡流筒2的一端套设在磁转子1的外侧。上述方案是一种磁钢1.2的具体布置方式。

实施例3：

如图3和图4所示，在实施例1的基础上，所述磁转子1上设有安装孔，磁钢1.2周向N极/S极交替安装在安装孔内圆柱面上，磁转子1的一端套设在涡流筒2的外侧。上述方案是另一种磁钢1.2的具体布置方式。

实施例4：

一种低振动电动机带载振动试验方法，采用上述的一种低振动电动机带载振动试验装置，包括以下步骤：

a.安装准备：将磁转子1固定在电机7的输出轴上，将电机7安装在联接支架3上，并在电机7与联接支架3的连接位置安装振动测试仪器；

b.启动电机7：将电机7通电启动；

c.负载调节：通过升降调节机构4调节涡流筒2与磁转子1的重合面积，调节负载；

d.振动测试：将在调节涡流筒2位置时，通过观察电源线上的功率表，测得的输入功率与额定输入功率相同，即调整到了电动机的额定状态，此时即可采用测振仪表对电动机进行振动测定；

e.测试完成：测试完成后拆下测试装置。

通过实施上述技术方案，可以准确可信地对电动机进行带载振动试验，同时所带的载荷无机械运动，不会因运动而产生额外的振动而传导给被测电动机而影响所测振动的真实性，从而实现电动机的独立运转带载振动试验。上述试验方案中，利用磁电感应原理，将电机7转轴机械旋转输出的能量通过其上的磁转子1，直接转化为静止的金属涡流筒2上的涡电流，涡电流产生阻碍磁转子1旋转的磁场，形成负载，涡电流也产生热能消耗掉，实现能量的动静转化而无需其他机械旋转件消耗能量。整个方案的试验原理是：电源输入电功率、电机7产生电磁转矩而使转轴旋转、磁转子1随转轴旋转、磁转子1上的磁场旋转、涡流筒2上产生感生涡电流、涡电流转化为热能消耗、通冷却液带走热量；同时，涡流筒2上产生感生涡电流时，涡电流会产生磁场，涡电流磁场与磁转子1磁场相互作用产生阻转矩-负载。

电动机预先需知道额定输入功率P_i的大小，即电动机输出额定功率P时的输入功率；当没有告知电动机额定输入功率时，可利用电动机的额定效率η计算确定，即P_i=P/η。磁转子1上的每个磁钢1.2产生径向磁场，邻近磁钢1.2的磁场方向相反，N/S交替布置，涡流筒2静止，当磁转子1随电动机转轴旋转时，涡流筒2处于磁转子1旋转所形成的交变磁场中，根据电磁感应定律，在金属涡流筒2上产生感应电动势，感应电动势e=BVl=C_Eφn，感应电动势大小与磁通和转速相关。金属涡流筒2是一个自身封闭的均质等壁厚圆柱导体，每对邻近磁极在金属内筒上所产生的电动势方向相反而形成闭环电流，也叫涡电流。由于均质筒体壁厚相同，与磁转子1的距离即气隙相同，因此上面产生的每组涡电流大小也相同，磁极数量与涡电流数量相同。涡流筒2筒体上产生的涡电流会产生磁场，根据磁感应强度公式B=μ₀I/2πr，所生成的磁场力图阻止磁转子1上的磁场旋转，也就是产生阻转矩M_C，该阻转矩也成为了电机7输出轴的负载，负载功率P_C=M_C*n/9550。根据电机7额定输出功率大小，选择磁转子1的大小和筒体的壁厚与材料，根据欧姆定律，采用低电阻率的材料可以降低电阻，壁厚增加也可以降低电阻，从而提高涡电流值，也就是提高了负载转矩。通过调节螺杆调整涡流筒2的轴向位置，也就改变了涡流筒2筒体上的磁通大小，改变了其上所产生的感应电动势，进而改变了涡电流，相应的阻转矩即负载转矩也改变了。在升降调节机构4调整时，通过观察电源线上的功率表，测得的输入功率与额定输入功率相同，即调整到了电动机的额定状态，此时即可采用测振仪表对电动机进行振动测定。筒体有电阻，根据焦耳楞次定律，涡电流要产生热量，发热量Q=I²Rt=eIt，与涡电流的平方、电阻成正比，也就是与感应电动势的大小和电流大小成正比。发热消耗了能量，通过软管6将冷却水流过内筒表面进行冷却，带走热量，避免温度持续升高。

本发明的有益效果是：（1）除了电机转子及输出轴上紧密安装一体的磁转子外，没有其他机械旋转零部件，或依靠旋转部件带动做功的流体，带载测振时不需要考虑其他机械旋转件或流体激振传导而来的振动影响；（2）作为负载的涡流筒通过结构设计布置与磁转子在安装结构上可保持同心度，通过选配法保证磁特性对称均布，避免由此引起的偏振力；（3）负载大小可以方便地调整到所需测试的负载量上；（4）针对不同电机功率，可通过改变磁转子磁钢磁性能大小、转子直径或长度、涡流筒体壁厚和材料，获得所需的涡流发热功率，适应不同功率电机带载独立振动试验的需要；（5）电动机独立带载振动试验，为电动机的振动特性研究提供了试验验证基础，所获得的振动数据为减振降噪提供了分析依据，为分辨判定机组设备的振动源和责任提供了手段。

Claims (10)

1.一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，包括磁转子、涡流筒和联接支架；磁转子包括磁座和若干个磁钢，磁钢数量为偶数个，磁钢周向N极/S极交替安装在磁座的圆柱面上，涡流筒与磁转子适配设置，磁钢靠近涡流筒；涡流筒与联接支架连接。

2.根据权利要求1所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，所述磁钢周向N极/S极交替安装在磁座的外圆柱面上，涡流筒的一端套设在磁转子的外侧。

3.根据权利要求1所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，所述磁转子上设有安装孔，磁钢周向N极/S极交替安装在安装孔内圆柱面上，磁转子的一端套设在涡流筒的外侧。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，还包括升降调节机构，涡流筒与升降调节机构的升降端固定，升降调节机构与联接支架固定。

5.根据权利要求4所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，所述联接支架包括安装座，涡流筒与安装座滑动连接。

6.根据权利要求4所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，所述联接支架还包括隔振器，安装座通过隔振器与测振基座连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，所述涡流筒由非磁性金属材料制造。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，所述涡流筒内设有冷却内腔，冷却内腔内设有冷却液；冷却内腔通过进水口和出水口分别与软管连接。

9.一种低振动电动机带载工况下的振动试验方法，采用上述权利要求任一项所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验装置，其特征是，包括以下步骤：

a.安装准备：将磁转子固定在电机的输出轴上，将电机安装在联接支架上，并在电机与联接支架的连接位置安装振动测试仪器；

b.启动电机：将电机通电启动；

c.负载调节：通过升降调节机构调节涡流筒与磁转子的重合面积，调节负载；

d.振动测试：将在调节涡流筒位置时，通过观察电源线上的功率表，测得的输入功率与额定输入功率相同，即调整到了电动机的额定状态，此时即可采用测振仪表对电动机进行振动测定；

e.测试完成：测试完成后拆下测试装置。

10.根据权利要求9所述的一种低振动电动机带载工况下的振动试验方法，其特征是，在进行振动测试时，向涡流筒的冷却内腔内不停充入冷却液，使冷却液带走负载测试产生的热量。

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