CN1886881A

CN1886881A - 改变电机系统振动特性的方法和装置

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Publication number: CN1886881A
Application number: CNA2004800353506A
Authority: CN
Inventors: 乌尔里克·沃纳
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-09-29
Filing date: 2004-09-23
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: US20070170788A1; WO2005034311A1; BRPI0414877A; DE10345605A1; CN1886881B; EP1678808A1; EP1678808B1

Abstract

本发明涉及一种运行电机系统(1)的方法以及一种电机系统(1)，该电机系统(1)包括一台电机(2)和一个附件(3)，其中，该附件(3)借助固定系统(11)装在电机(1)上。一个第一固定系统(11)可用一个不同类型的第二固定系统(12)替换，通过该替换改变电机系统(1)的振动特性。此外，所述电机系统(1)可配备不同的固定点(13、15、17、19)用于借助固定系统(11)将附件(3)安装在电机(2)上。这些固定点(13、15、17、19)仅部分被固定系统(11)占用，以及通过变换由固定系统(11)占用的固定点(13、15、17、19)，尤其可以实现改变所述电机系统(1)的振动特性。

Description

改变电机系统振动特性的方法和装置

本发明涉及一种电机系统，它包括一台电机和一个在电机上的附件。附件借助固定系统装在电机上。为了安装附件采用一个固定系统或多个固定系统。固定系统例如是一个螺钉连接装置，它包括一个螺钉或一个螺母或一个内螺纹。附件的一个例子是电机的顶盖式冷却器。

电机及各自的基础有共同的系统固有频率。电机系统或电机尤其根据有效的有关其振动特性的标准和规范，大多针对硬的安装设计。电机-基础系统，其系统固有频率对应于基于旋转频率的激振频率和/或优选地在两个极的电机中对应于双倍电源频率，可导致严重的振动问题。若电机在存在“硬”基础的验收试验时没有找出振动技术方面的毛病，则在用户采用“软”基础的情况下仍然会导致振动问题。当将电机系统按规定安装在一个基础上时，从设备建造商方面在设计此基础时往往并不注意电机系统在原始基础上的振动特性。其结果是在很多情况下导致存在一种弹性的安装。然而，由于弹性的安装改变了电机系统或电机的系统固有频率。当电机系统或电机的其中一个系统固有频率处于激振频率的范围内，这会导致振动问题。

若在电机系统运行中产生例如振动问题，或不满足标准或用户对振动提出的要求，则这种尤其由于在近谐振点处运行引起的振动问题，可例如采取至少下列措施尽可能避免：

1、改变基础刚度，但困难在于

a)大多数不能事后进行。

b)在改变基础时往往不仅改变了其中一个期望的刚度方向，而且也同时改变了另一些刚度方向。

c)基础的刚度往往难以确定；

2、电机在原始基础上进行工作平衡(Betriebswuchten)用于使激振最小化；

3、开发/制造新型转子；→延迟起动。

这些措施非常麻烦、昂贵或也非常费时。

本发明的目的是提供一种电机系统和一种运行电机系统的方法，以求简单地解决出现的振动问题。为达到此目的通过一种具有权利要求1所述特征的电机系统或通过一种具有权利要求2所述特征的电机系统和通过一种具有权利要求10所述特征运行电机系统的方法。从属权利要求3至9或11至13是本发明的电机系统或方法的进一步发展。此外，本发明的目的还通过方法在电机系统中的应用来达到。

电机系统包括一台电机和一个附件。附件借助固定系统安装在电机上。在这里第一固定系统可用第二固定系统替换，其中，第一固定系统和第二固定系统是不同的类型。通过替换不同类型的固定系统，可以达到改变电机系统振动特性的目的。

固定系统例如是螺钉连接装置，它包括至少一个螺钉和一个对应的内螺纹或螺母。螺钉例如可设计为，它有规定的弹性或弹簧特性。可以设计一些有不同特性的螺钉。此外，固定系统例如有一个垫片或一个锁紧涨圈之类。

上述目的还可以通过一种电机系统成功地达到，它包括一台电机和一个附件，其中附件借助固定系统装在电机上，以及，电机系统有不同的固定点用于借助固定系统将附件安装在电机上。不同的固定点例如是在电机外壳中规定用于安装螺钉的一些孔。借助螺钉并通过螺钉头或螺母或制在附件内或电机中的内螺纹可将附件装在电机上。固定点只部分被一个固定系统占用。通过变换固定点被固定系统的占用情况和/或占用数，可以达到改变电机系统振动特性的目的。电机系统振动特性主要取决于电机的附件和电机系统安装在其上的基础，或也取决于附件和电机耦合的耦合特性。

通过变换不同的固定点或通过选择可能的可以使用的不同固定点，可以将附件安装在选出的固定点上，亦即将附件在电机上固定在选出的位置上。因为在固定点作不同选择时，耦合刚度对附件或电机也会起不同的作用，因此可以实现影响电机系统的振动特性。有关振动特性还应区别哪一个方向会有振动。

按一项有利的设计，第一固定系统可以用不同类型的第二固定系统替换，通过这种替换可以达到改变电机系统振动特性的目的。选择不同的固定系统，亦即不同类型的固定系统，可以与选择不同的固定点相结合。

按一项有利的设计，固定系统是一个耦合件。耦合件可尤其在螺钉连接装置中使用，其中，通过设计螺钉连接装置将耦合件置于电机和附件之间。耦合件的位置例如直接在螺钉连接装置旁或远离此螺钉连接装置。耦合件的一个例子是，除了垫片、锁紧涨圈之类外，还可以是尤其可使用于密封的橡胶唇或密封圈。

按一项有利的设计，固定系统或耦合件设计为弹簧和/或设计为减振器。通过耦合件的弹簧特性或减振特性，可以改变或调谐电机系统的振动特性。

作为耦合件或固定系统的材料例如可以采用一种橡胶材料或一种塑料。

按一项有利的设计，固定系统和/或耦合系统有一个消振器(Tilger)。消振器规定用于吸收振动能量，从而通过消除在电机系统振动时的能量可以使处于振动中的电机系统减振。

按一项有利的设计，在电机上的附件是电机的顶盖式冷却器。顶盖式冷却器规定用于冷却电机。这种顶盖式冷却器有足够的质量影响电机系统的振动特性。此外，顶盖式冷却器已通过固定系统安装在电机上。顶盖式冷却器系统例如可设计为空气冷却器或空气-水冷却器。

按另一项有利的设计，附件已经有不同的在电机上的固定系统，在这里不同的固定系统是不同的类型。因此通过选择规定用于固定的固定系统，可以改变电机系统的振动特性。若例如螺钉连接装置有一个耦合件，例如在附件与电机尤其电机外壳之间的橡胶件，则通过用一个较软的或较硬的耦合件代替此耦合件，便可以改变电机系统的振动特性。

通过改变电机系统的系统固有频率，可以减少振动问题。振动问题尤其由于在电机系统固有频率时激振发生的。因此应当改变固有频率。系统固有频率的改变尤其通过调整附件与电机之间的弹性耦合可以成功地做到。弹性耦合借助固定系统实现。例如对于有一台电机和一个顶盖式冷却器的电机系统，在电机弹性安装时，可以通过改变顶盖式冷却器耦合的刚度使电机系统的系统固有频率发生迁移，从而可以避免由于靠近谐振点引起的振动问题。除此之外，在已知基础刚度时，通过恰当选择冷却器的耦合刚度可将顶盖式冷却器作为消振器用，以便消除电机转子或定子的振幅或定子与转子之间的振幅差。

按电机系统另一项有利的设计，附件有至少电机质量的1/20。

按一种运行电机系统的方法，其中，电机系统包括一台电机和一个附件，附件借助固定系统装在电机上，至少一个第一固定系统可用不同类型的第二固定系统替换，以及通过第一固定系统用不同类型的第二固定系统替换，改变了电机系统的振动特性。

按另一种运行电机系统的方法，其中电机系统包括一台电机和一个附件，附件借助固定系统装在电机上，以及电机系统有不同的固定点用于借助固定系统将附件安装在电机上，这些固定点仅部分被一个固定系统占用，随后改变由固定系统占用的固定点，据此尤其改变了电机系统的振动特性。

若电机系统有不同的固定点，则除了选择固定点外，还可以选择不同类型的固定系统。若第一固定系统用不同类型的第二固定系统替换，则导致改变电机系统的振动特性。

还有利的是，选择用于安装固定系统的固定点与选择不同类型的不同固定系统相结合。由此造成电机系统固有频率的一种有特别大差异的可变性。

下面借助附图所示实施例详细说明本发明。其中：

图1表示一个电机系统1；

图2表示一个固定系统；

图3表示不同的固定点；

图4表示一个三质量振动模型；

图5表示弯曲固有频率；以及

图6表示系统固有频率与冷却器耦合刚度的关系。

图1表示一个电机系统1。该电机系统1包括一台电机2和一个附件3。附件3是顶盖式冷却器。此外电机有一个转子9、一个定子7和一个外壳5。附件3借助固定系统11和12固定在电机2上。所述的固定在固定点13、15、17和19处进行。固定装置例如是一个螺钉连接装置21。

图2表示电机外壳5的一部分，其中，外壳5有内螺纹26。螺钉28装在内螺纹中。借助螺钉头30实现附件3与电机外壳5之间的连接。耦合件23处于附件3与电机外壳5之间。此耦合件有一个用于穿过螺钉28的孔32。耦合件23可例如用耦合件24代替，在这里耦合件23和24是不同的类型。它们的差别例如在于厚度或也在于材料。除了直接处于固定点20的耦合件23、24外，也可以使用另一种或与之组合使用的远离固定点20的耦合件25。

图3用于表示不同的固定点。若外壳5有不同的固定点，则例如仅须这些固定点的一半分别用于固定附件。在本例中，固定点通过填满或未填满的圆圈表示。附件例如可通过固定点41、43、45、47、49、51和53安装在外壳上，同时，附件也可以在固定点42、44、46、48、50、52和53上固定。通过选择固定点，可以改变附件在电机上的耦合。通过改变此耦合，改变了电机系统的振动特性。

图4表示了一个振动模型。这是一种三质量振动模型，其中三个质量m₁、m₂和m₃体现一个电机系统的主质量。m₁例如代表电机总质量减去质量m₂和m₃。m₂表示转子质量。m₃是上端部分的质量，例如电机顶盖式冷却器的质量。通过力F可谐波地激励三质量系统。此振动模型描述了沿垂直方向的传播。三个质量即定子、转子和冷却器互相弹性连接。此振动系统通过转子质量的谐波激励，例如通过不平衡激励，激发强迫振动。系统内部的刚度通过系数C₁、C₂和C₃给定。在这里，C₁代表垂直的基础刚度。C₂是转子质量与定子质量之间的垂直刚度，它根据沿Z方向的第一弯曲特性方程算出。参数C₃代表在定子与附件尤其顶盖式冷却器之间的承压橡胶件的垂直刚度。用ε表示转子偏心率。

在谐波激励转子时造成的振幅如下：

z_{1 p} = \frac{- c_{2} \hat{F} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - c_{3})}{α}

z_{2 p} = \frac{\hat{F} \cdot [(- m_{1} \cdot Ω^{2} + c_{1} + c_{2} + c_{3}) \cdot (m_{3} Ω^{2} - c_{3}) + c_{3}^{2}]}{α}

z_{3 p} = \frac{\hat{F} \cdot c_{2} \cdot c_{3}}{α}

通过改变附件与电机之间的耦合刚度，可以使系统固有频率并因而谐振点发生迁移，因为α是C₃的函数。刚度例如通过使用例如不同类型亦即不同刚度的橡胶件改变。

a = (- m_{1} \cdot Ω^{2} + c_{1} + c_{2} + c_{3}) \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2}) \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - c_{3})

+ c_{2}^{2} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - c_{3}) + c_{3}^{2} \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2})

按一项有利的设计，附件例如顶盖式冷却器的质量可以用作消振器。也就是说，在基础刚度给定时，冷却器质量可用作消振器。这同样可通过恰当选择冷却器耦合刚度C₃实现。

消除振幅Z_1P(定子振幅)：

当冷却器耦合刚度C₃为：

c₃＝m₃·Ω²

时消除振幅Z_1P(Z_1P＝0)。

采用此冷却器耦合刚度C₃得出振幅：

z_{1 p} = 0; z_{2 p} = \frac{- \hat{F}}{(m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2})}; z_{3 p} = \frac{\hat{F} \cdot c_{2}}{(m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2}) \cdot c_{3}}

在这里应考虑到，安装频率(Aufstellungsfrequenz)越高，零点离谐振点越近。对此的原因是，第一系统固有频率随着安装频率增大趋近于极限值：

\underset{fα &RightArrow; \infty}{{limω}_{1}} = \sqrt{\frac{c_{3}}{m_{3}}}

消除振幅Z_2P(转子振幅)：

当冷却器耦合刚度C₃为：

时消除振幅Z_2P(Z_2P＝0)。

采用此冷却器耦合刚度C₃得出振幅：

z_{1 p} = \frac{{- c}_{2} \cdot \hat{F} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{&OverBar;}{c}}_{3})}{(- m_{1} \cdot Ω^{2} + c_{1} + c_{2} + {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}) (m_{2} \cdot Ω^{2} - {\overset{&OverBar;}{c}}_{2}) + c_{2}^{2} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}) + {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}^{2} \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2})}

z_{2 p} = 0

z_{3 p} = \frac{c_{2} \cdot {\overset{&OverBar;}{c}}_{3} \cdot \hat{F}}{(- m_{1} \cdot Ω^{2} + c_{1} + c_{2} + {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}) \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2}) \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}) + c_{2}^{2} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}) + {\overset{&OverBar;}{c}}_{3}^{2} \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2})}

振幅Z_3P不能消除。

消除定子与转子之间的振幅差：|Z_1P-Z_2P|

当冷却器耦合刚度C₃为：

时消除振幅差|Z_1P-Z_2P|(|Z_1P-Z_2P|＝0)

采用此冷却器耦合刚度C₃得出振幅：

z_{1 p} = \frac{- c_{2} \cdot \hat{F} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3})}{(- m_{1} \cdot Ω^{2} + c_{1} + c_{2} + {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}) \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2}) \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}) + c_{2}^{2} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}) + {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}^{2} \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2})}

z_{2 p} = z_{1 p}

z_{3 p} = \frac{c_{2} \cdot {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3} \cdot \hat{F}}{(- m_{1} \cdot Ω^{2} + c_{1} + c_{2} + {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}) \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2}) \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}) + c_{2}^{2} \cdot (m_{3} \cdot Ω^{2} - {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}) + {\overset{\overset{&OverBar;}{&OverBar;}}{c}}_{3}^{2} \cdot (m_{2} \cdot Ω^{2} - c_{2})}

振幅Z_3P不能消除。

可例如用如下方法计算定子与转子之间振幅差|Z_1P-Z_2P|的消除。

由此得出，在转子质量与定子质量之间不再存在相对运动。

图5表示在借助薄壳圆筒滑动支承时第一弯曲固有频率Y或Z与转子固有频率的关系。横坐标表示刚性支承(Starterlagerung)时的转子固有频率。纵坐标表示滑动支承时的转子固有频率。

图6表示谐振点飘移的例子。此外采用一个固定系统或多个固定系统。一个固定系统例如是一个螺钉连接装置，它包括螺钉或螺母或内螺纹。附件的例子是用于电机的顶盖式冷却器。

在基础刚度C₁给定时，在本例中在50Hz运行时出现谐振，因为第三系统固有频率同样处于约50Hz。

通过改变冷却器耦合刚度C₃，可以使系统固有频率迁移。随着刚度C₃增大，提高了系统固有频率。

在本例中可通过增大冷却器耦合刚度为：

c₃＝5.4kN/mm80kN/mm

保持系统固有频率与激励的转子旋转频率Ω有足够的距离。但在这里应考虑到，随着冷却器耦合刚度的增大，冷却器的结构刚度对于系统固有频率有更要的意义。

因此电机在振动优化方面可以与一个所给定的基础相配。

采取简单的措施，确切地说改变冷却器耦合刚度，可以优化振动特性。谐振点可以移动，振幅或振幅差可以减小到最低程度。此项措施基于经济性和显著节省时间因而是迄今广泛实施的措施。

本发明的优点还源自于，这一种改变可以在设备上或在电机系统的安装地点方便地实施。这提高了用户的利用率。

Claims

1.一种电机系统(1)，它包括一台电机(2)和一个附件(3)，其中，该附件(3)借助固定系统(11)装在电机(1)上，其特征为：至少一个第一固定系统(11)可用一个不同类型的第二固定系统(12)替换，通过一次替换可以实现改变所述电机系统(1)的振动特性。

2.一种电机系统(1)，它包括一台电机(2)和一个附件(3)，其中，该附件(3)借助固定系统(11)装在电机(1)上，其特征为：该电机系统(1)有不同的固定点(13、15、17、19)用于借助固定系统(11)将附件(3)安装在电机(2)上，这些固定点(13、15、17、19)仅部分被一固定系统(11)占用，以及通过变换由固定系统(11)占用的固定点(13、15、17、19)，尤其可以实现改变所述电机系统(1)的振动特性。

3.按照权利要求2所述的电机系统(1)，其特征为，至少一个第一固定系统(11)可用一个不同类型的第二固定系统(12)替换，通过一次替换可以实现改变所述电机系统(1)的振动特性。

4.按照上述任一项权利要求所述的电机系统(1)，其特征为，所述固定系统(11)包括一个耦合件(23)和尤其是一个螺钉连接装置(21)。

5.按照上述任一项权利要求所述的电机系统(1)，其特征为，所述固定系统(11)和/或所述耦合件(23)设计为一个弹簧和/或一个减震器。

6.按照上述任一项权利要求所述的电机系统(1)，其特征为，所述固定系统(11)和/或所述耦合件(23)含有橡胶材料和/塑料。

7.按照上述任一项权利要求所述的电机系统(1)，其特征为，所述固定系统(11)和/或所述耦合件(23)有一个消振器。

8.按照上述任一项权利要求所述的电机系统(1)，其特征为，所述附件(3)是电机(2)的一个顶盖式冷却器。

9.按照上述任一项权利要求所述的电机系统(1)，其特征为，所述附件(3)借助不同类型的固定系统(11、12)装在电机(2)上。

10.一种运行电机系统(1)的方法，该电机系统(1)包括一台电机(2)和一个附件(3)，其中，该附件(3)借助固定系统(11)装在电机(1)上，其特征为：至少一个第一固定系统(11)可用一个不同类型的第二固定系统(12)替换，通过所述替换来改变电机系统(1)的振动特性。

11.一种运行电机系统(1)的方法，该电机系统(1)包括一台电机(2)和一个附件(3)，其中，该附件(3)借助固定系统(11)装在电机(1)上，其特征为：所述电机系统(1)有不同的固定点(13、15、17、19)用于借助固定系统(11)将所述附件(3)安装在电机(2)上，这些固定点(13、15、17、19)仅部分被一固定系统(11)占用，以及改变由固定系统(11)占用的固定点(13、15、17、19)，据此尤其改变所述电机系统(1)的振动特性。

12.按照权利要求11所述的方法，其特征为，至少一个第一固定系统(11)用一个不同类型的第二固定系统(12)替换，以尤其用于改变所述电机系统(1)的振动特性。

13.按照权利要求10至12之一所述的方法，其特征为，所述固定系统(11)包括一个耦合件(23)和尤其是一个螺钉连接装置(21)，其中，一个第一耦合件(23)用一个不同类型的第二耦合件(24)来替换或补充。

14.一种对于按照权利要求10至13之一所述方法的应用，其特征为，将该方法应用在按照权利要求1至9之一所述的电机系统(1)中。