Vibration behavior of a centrifugal pump with integrated permanent magnet motor
Posa, Atte (2016)
Diplomityö
Posa, Atte
2016
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016120230175
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2016120230175
Tiivistelmä
Tässä työssä tutkitaan roottorin ja saattorin yhdistävien sähkömagneettisten voimien luonnetta ja niiden yhteyttä moottorin rakenteeseen. Sähkömagneettisten voimien suhdetta systeemin värähtelykäyttäytymiseen tutkitaan rakentamalla simulointimalli keskipakopumpusta joka on varustettu integroidulla kestomagneettimoottorilla. Simulointimallin verifiointi tapahtuu vertaamalla tuloksia prototyypillä suoritettuihin mittauksiin. Nykyiset simulointimetodit eivät huomioi sähkömagneettisia voimia roottorin ja staattorin välillä, antaen väärät rajat moottorin turvalliselle käyttöalueelle.
Epätasaista magneettista vetoa roottorin ja staattorin välillä simuloidaan lineaaristen jousi-elementtien avulla asettamalla näille negatiivinen jousivakio. Roottorin ja staattorin välinen radiaalisuuntainen vetovoima määräytyy jousen pituuden mukaan. Systeemin ominaistaajuuksien ja värähtelynopeuksien selvittämiseen eri ilmaraon epäkeskeisyyksillä käytetään ANSYS Mechanical-ohjelman moodi- ja harmoonista analyysiä. Värähtelykäyttäytymistä tutkitaan asettamalla herätteeksi samansuuruinen massaepätasapaino simulointimalliin, sekä prototyyppiin ja mittaamalla värähtelynopeudet 0, 10 ja 20 % epäkeskeisellä ilmaraolla.
Simuloinnin tulokset osoittivat kuinka neljän ensimmäisen värähtelymuodon ominaistaajuudet laskevat huomattavasti kun sähkömagneettiset voimat huomioidaan. Ensimmäisen muodon ominaistaajuus laski 137 Hz:stä 34 Hz:iin ja toinen 144 Hz:stä 50 Hz:iin. Moottorin pyörimisnopeus alue on 68 Hz:iin saakka, joten käyttämällä tätä metodia moottorin pyörimisnopeusalueelta pystytään löytämään kaksi kriittistä nopeutta. Ilmaraon epäkeskeisyyden suhdetta värähtelynopeuteen tutkittiin, mutta näillä ei löydetty olevan selkeää yhteyttä. Myös staattorin virran suhdetta ominaistaajuuksiin tutkittiin. Kun staattorin virta kasvoi, ominaistaajuuksien huomattiin laskevan. Tämän tutkimuksen mukaan sähkömagneettiset voimat on syytä ottaa huomioon määritettäessä integroidulla moottorilla varustetun pumpun kriittisiä nopeuksia. In this research, nature of electromagnetic forces which couples rotor and stator together and their relation to engine structure is discussed. Simulation model of a centrifugal pump with integrated permanent magnet motor is constructed in order to investigate the effect of electromagnetic forces to system vibration behavior. Simulation model is verified by comparing results to experimental measurements with a prototype. Current simulation methods do not take into account the unbalanced magnetic pull caused by electromagnetic forces between rotor and stator giving false limits to safe engine operation range.
Unbalanced magnetic pull is simulated by introducing linear spring elements with negative spring constant between rotor and stator. The attractive force between rotor and stator in radial direction is adjusted based on the spring length. Modal and Harmonic analyses are performed using ANSYS Mechanical software to inspect natural frequencies and vibration velocities with variable air gap eccentricities. The vibration behavior is inspected by applying equal size unbalanced mass as an excitation source for the simulation model and prototype, after which the vibration velocities are measured with air gap eccentricities of 0, 10 and 20 %.
Simulation results showed how natural frequency of first four vibration modes decreased significantly when the electromagnetic forces were taken into account. Natural frequency of the first mode decreased from 137 Hz to 34 Hz and second from 144 Hz to 50 Hz. Since the engine speed of the prototype was up to 68 Hz, two critical speeds could be discovered in the operating speed range by using this method. Vibration velocity with variable air gap length was inspected, but clear relation between air gap eccentricity and vibration velocity could not be found. Also stator current relation to natural frequencies was investigated. It was found that by increasing stator current the natural frequencies decreased. According to this research the electromagnetic forces need to be taken into account when determining critical speeds of an integrated pump-motor assembly.
Epätasaista magneettista vetoa roottorin ja staattorin välillä simuloidaan lineaaristen jousi-elementtien avulla asettamalla näille negatiivinen jousivakio. Roottorin ja staattorin välinen radiaalisuuntainen vetovoima määräytyy jousen pituuden mukaan. Systeemin ominaistaajuuksien ja värähtelynopeuksien selvittämiseen eri ilmaraon epäkeskeisyyksillä käytetään ANSYS Mechanical-ohjelman moodi- ja harmoonista analyysiä. Värähtelykäyttäytymistä tutkitaan asettamalla herätteeksi samansuuruinen massaepätasapaino simulointimalliin, sekä prototyyppiin ja mittaamalla värähtelynopeudet 0, 10 ja 20 % epäkeskeisellä ilmaraolla.
Simuloinnin tulokset osoittivat kuinka neljän ensimmäisen värähtelymuodon ominaistaajuudet laskevat huomattavasti kun sähkömagneettiset voimat huomioidaan. Ensimmäisen muodon ominaistaajuus laski 137 Hz:stä 34 Hz:iin ja toinen 144 Hz:stä 50 Hz:iin. Moottorin pyörimisnopeus alue on 68 Hz:iin saakka, joten käyttämällä tätä metodia moottorin pyörimisnopeusalueelta pystytään löytämään kaksi kriittistä nopeutta. Ilmaraon epäkeskeisyyden suhdetta värähtelynopeuteen tutkittiin, mutta näillä ei löydetty olevan selkeää yhteyttä. Myös staattorin virran suhdetta ominaistaajuuksiin tutkittiin. Kun staattorin virta kasvoi, ominaistaajuuksien huomattiin laskevan. Tämän tutkimuksen mukaan sähkömagneettiset voimat on syytä ottaa huomioon määritettäessä integroidulla moottorilla varustetun pumpun kriittisiä nopeuksia.
Unbalanced magnetic pull is simulated by introducing linear spring elements with negative spring constant between rotor and stator. The attractive force between rotor and stator in radial direction is adjusted based on the spring length. Modal and Harmonic analyses are performed using ANSYS Mechanical software to inspect natural frequencies and vibration velocities with variable air gap eccentricities. The vibration behavior is inspected by applying equal size unbalanced mass as an excitation source for the simulation model and prototype, after which the vibration velocities are measured with air gap eccentricities of 0, 10 and 20 %.
Simulation results showed how natural frequency of first four vibration modes decreased significantly when the electromagnetic forces were taken into account. Natural frequency of the first mode decreased from 137 Hz to 34 Hz and second from 144 Hz to 50 Hz. Since the engine speed of the prototype was up to 68 Hz, two critical speeds could be discovered in the operating speed range by using this method. Vibration velocity with variable air gap length was inspected, but clear relation between air gap eccentricity and vibration velocity could not be found. Also stator current relation to natural frequencies was investigated. It was found that by increasing stator current the natural frequencies decreased. According to this research the electromagnetic forces need to be taken into account when determining critical speeds of an integrated pump-motor assembly.