在工业可靠性领域，电机振动是一个有充分记录和经常讨论的话题。通常的问题包括安装时出现的问题、损坏或电机长期运行时出现的问题，这些问题可以在不更改系统设计的情况下解决。但是，如果启动时出现振动问题而没有损坏怎么办?当电机无法通过垫片、重新排列、修理或其他方式解决振动问题时，用户可以分析传动系统的结构。对于这些情况下的用户，本文将概述行业所需的最常见的机械电机应用分析，所有这些都围绕电机或驱动设备设计固有的共振问题。
本文讨论的所有三个主题都是机械共振问题，并通过某种形式的模态分析进行研究(分析一个系统以获得其各种固有频率)。共振是周期性激励力与具有某种固有频率接近激励力频率的机械物体相互作用时产生的一种条件。想想你的孩子在蹦床上的高度差异，当你给他们定时、定时的弹跳和不定时的弹跳时。电机操作应用中的激励力包括电磁感应谐波，与负载相关的机械力或转子系统中机械不平衡的结果。弹簧常数是这些分析中使用的另一个常用短语，用于量化物体在单位距离上抵抗力的能力(例如，对于角系统，每弧度为磅英寸，对于线性系统为磅每英寸)。
加劲和阻尼是在寻找振动问题的解决方案时通常使用的短语，加劲表示物体抵抗偏转的能力有所增加，而阻尼表示吸收振动产生的能量的某种方法。人们可以把加劲想象成用厚钢而不是塑料来制造弹簧，把阻尼想象成在水下而不是在空气中使用弹簧。请注意，电机可以完美地设计和制造，在工厂测试中显示完美的运行，但在运行中仍然存在共振问题。这通常是由于不可预见的激励与传动系统特性固有频率相互作用，只能通过设计更改来解决。
扭转分析
在往复泵和压缩机应用中最常见的是，扭转分析旨在描述动力传动系统对往复负载振荡扭矩的动态响应。该分析是在径向参考系中进行的，向下看轴的中心轴，目的是避免导致过度振动和/或电机电流脉动的扭转谐振条件。想象一下，一个弹簧在多个点上被扭曲和释放，当它回到原来的方向时，它会有类似弹簧的反应。由于这种分析主要取决于往复设备的特性，因此驱动设备制造商进行了全面的分析。分析人员将通过整个曲轴旋转来表征设备的扭矩要求(产生曲柄力曲线类似于图2)，然后表征被驱动设备的旋转部件，以确定总成的扭转弹簧常数，然后使用电机OEM提供的电机轴扭转弹簧常数进行建模。这些弹簧常数使分析人员能够在轴动态响应振荡扭矩时表征纵向轴部分的径向位置，其中轴阶跃直径、长度和阶跃之间的半径是决定轴扭转多少的主要因素。
为了进行这项研究，分析人员需要完整的电机轴尺寸/材料细节、电机转子组件的惯性和重量、计算出的电机轴扭转弹簧常数以及预期的电机运行速度。结果在一份报告中提出，该报告概述了动力传动系统在各种模式下的计算扭矩固有频率，以及由电机速度、被驱动设备或两者引起的相应激励频率。该报告将总结扭转共振的关注领域，并建议增加激励和自然频率之间的分离边际的方法。
如果需要进行修改，则应用程序将受到以下影响:加强传动系统组件，通过修改设备来阻尼振动，或通过修改传动系统惯性来移动固有频率(通常通过飞轮组件)。与扭转共振相关的研究是电机电流脉动，它涉及与扭转振动相同的励磁力，但目的是描述电机的电磁刚度(即同步电机的同步功率)与施加在其上的往复力矩的相互作用。通常，这项研究的结果将是确定一个压缩机系数，通过在动力传动系统中增加惯性(同样是通过飞轮)，将定子电流限制在其额定值的最大+/- 66%。
横向临界速度分析
高速(通常大于1800转每分钟[rpm])电机的分析通常是横向临界转速分析。通常被称为临界速度分析，这是一种类似于扭转分析的研究，但是在轴向上观察传动系统的弯曲(而不是扭转)模式。想象一下，水平地握住弹簧的两端，然后从中心向下拉，然后松开，观察它在回到原来方向时的垂直弹簧反应。临界速度分析的基本目标是确定轴系统的固有频率(通常是第一模态，有时是第二模态)是否接近于运行速度以产生机械共振。分析需要表征轴系统的横向弹簧常数，以确定由于转子本身的重量以及诸如不平衡磁拉力(电机转子和定子之间)和由机械不平衡(即残余不平衡)引起的力，电机转子体在不同轴向位置的偏转。
为了进行这项研究，除了扭转弹簧常数外，还需要扭矩分析所需的电机轴、转子组件和电机转速范围的相同数据。为了得到准确的结果，还需要不平衡磁拉力、剩余不平衡和轴承弹簧常数的值。结果将包括转子系统的计算横向临界速度(s)，通常以单个rpm值给出，有时作为速度图，显示工作速度激励和计算临界速度之间的分离余量。此外，通过冲击锤测试(或碰撞测试)，可以验证转子组件的固有频谱。应用影响包括可能改变轴尺寸/材料以机械硬化或改变其质量，以及修改固定电机组件，如框架或轴承托架，以抑制预期的振动。最后，某些速度范围可能被指定为禁区，不建议在临界速度的15%至25%内运行。
Reed临界频率分析
簧片临界频率(RCF)或簧片频率分析旨在描述法兰安装电机振荡的固有频率，以确定由于运行速度或其他激励引起的共振问题是否可能导致过度振动。为此，想象一下从底部垂直握住一个弹簧，轻弹它的顶部，观察它在回到静止位置时的弹簧反应。最常见的分析方法包括计算静态偏转电机由于其自身质量在其重心在法兰安装，水平位置。利用这一偏转和电机法兰和本体的预期机械弹簧常数，可以使用来自美国电气制造商协会(NEMA) MG-1，第20.23部分的公式1中的公式找到电机的估计固有频率。
为了进行这项研究，分析人员需要电机部件的尺寸和材料细节，以确定总质量、重心和单个部件的抗挠度。这些数据由电机制造商以及电机的静态偏转、重心和RCF的计算值维护。根据工作速度激励与计算RCF之间的分离，应用影响可能包括加强电机支撑结构，通过增加质量来移动固有频率或通过弹性法兰座来阻尼振动。与横向临界速度分析一样，法兰安装电机的RCF可以通过冲击锤测试来验证。
通过适当的分析，传动系统设计固有的共振振动问题可以得到解决。