人工转子登顶转速巅峰，电机转子扭振故障藏着哪些科学玄机？
导读：上一篇文章《转子动力学特性分析与平衡校正技术研究-全解相位测量》围绕旋转机械相位测量展开，而本文主要围绕转子系统的 “扭振” 故障模式展开，重点分析叶片与轮盘的频率耦合特性及其对扭振的影响。
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在科技飞速发展的当下，转子相关技术一直是众多领域的焦点。从航空航天中高速运转的发动机转子，到电动汽车里的电机转子，它们虽 “身形” 各异，却都承担着关键使命，而转子扭转现象及相关研究，更是成为了近期的热点话题。今天，咱们就一起来深入探寻转子扭转背后的科学奥秘。
一、转子扭振技术新突破
近期，清华大学摩擦学国家重点实验室与美国普渡大学、北京大学的联合科研团队，成功制造出世界上转速最高的人工转子，其转速高达每分钟 600 亿次以上，这一数字是高速牙钻转速的 10 万多倍。此成果一经发布，便引发全球各大媒体竞相报道，着实让转子领域又火了一把。该研究不仅为探索极限条件下纳米材料的疲劳强度特性提供了新途径，还能用于探测真空摩擦力，极大地拓展了人们对微观世界和特殊物理现象的认知边界。
清华大学摩擦学国家重点实验室参与制造世界最快转子
与此同时，工业界在转子技术革新上也不甘落后。比如，深圳乘方电机获批了编号为 CN222484399U 的专利，名为 “一种低齿槽力矩的汽车 EVP 电机”。这款新型电机通过将转子齿槽的扭转角度精准设定为 9°，成功实现了齿槽力矩的大幅降低，使得电机运行更加平稳，噪音显著减小，为电动汽车的驾乘体验带来了质的提升。还有浙江诺贝特科技有限公司获得的 “一种梅花型转子结构” 专利，通过巧妙设计转子座、堆叠部和带有防滑设计的轴杆部，有效解决了传统电机轴部与硅钢片堆叠间的滑动问题，提升了转子整体的稳定性和抗扭力，进而提高了电动机的可靠性。
在航空发动机中，空气从前部吸入后，经过压气机逐级增压，混合燃料充分燃烧，带动涡轮做功，从而产生推力，让飞机飞上蓝天。
在专利申请方面，智新科技股份有限公司于 2024 年 11 月申请了 “电驱动激励同时加载在定转子结构的 NVH 仿真方法及系统” 专利（公开号 CN119849230A）。该专利通过将电磁激励同时施加在定子和转子上，借助电磁与转子结构的耦合，能够清晰呈现转子扭转及弯曲问题通过轴承传递至整个电驱的过程，助力精准识别转子引发的 NVH 问题，实现对转子总成的更精准把控。2024 年 12 月，智新科技还申请了 “一种直连发电机及动力总成” 专利（公开号 CN 119696252 A），通过在电机转子总成内集成扭转减震器，不仅缩减了与发动机集成的轴向尺寸，还消除了发动机扭振对电机转速波动造成的 NVH 影响 。这一系列的专利成果，预示着转子技术正在朝着更高效、更稳定、更智能的方向大步迈进。
二、转子扭振：工业设备的 “健康隐患”
转子，作为旋转机械的核心部件，在运行过程中，有一种潜在的故障模式 ——“扭振”，时刻威胁着设备的稳定运行。扭振，简单来说，就是转子在转动时发生的扭转振动。想象一下，转子就像一根高速旋转的 “金箍棒”，正常情况下，它应该平稳地飞速转动，但当扭振发生时，这根 “金箍棒” 就会像麻花一样，在转动的同时还产生扭转形变，这无疑会对设备造成极大的损害。
为何分析转子系统的扭转频率如此重要呢？这是因为扭转频率直接关系到转子与工作频率的相互作用情况。一旦两者的频率接近或产生特定的耦合关系，就可能引发强烈的扭振，如同两个乐手弹奏乐器时，如果节奏不匹配，就会产生刺耳的杂音。而且，在设备的运行周期中，不同的工况也可能激发转子的扭振行为，影响设备的性能和寿命。
电机扭转试验
回顾早期，在 20 世纪 60 年代，人们在分析转子系统的扭转频率时，常采用一种简易的模型。当时，转子主要部件的质量被集中处理，各个部件通过代表轴刚度的弹簧连接起来。这种模型在分析基础轴系频率时，计算结果与先进连续体模型相当且较为准确。然而，它并非 “万能 钥 匙”，对于长而柔性的叶片系统，这种集中质量模型就显得力不从心，无法准确表征其在扭振分析中的关键特性。要知道，长而柔性的叶片系统在许多大型旋转机械中至关重要，例如风力发电机的叶片、汽轮机的叶片等，它们的性能直接影响着整个设备的运行效率和稳定性。
三、汽轮发电机轴系：扭振的 “重灾区”
汽轮发电机轴系堪称一个复杂的 “大家族”，由多个动态耦合的转子部件组成。在这个大家族里，每个转子部件都有着独特的 “个性”，它们的惯量或刚度变化，都会如同 “蝴蝶效应” 一般，对整个系统的扭转固有频率和振型产生影响。因此，在设计阶段，工程师们就必须充分考虑这些因素，如同精心策划一场盛大的演出，每个细节都不容有失。
在汽轮发电机组中，低压转子（LP）、发电机转子和励磁机转子堪称扭振的 “敏感部件”。它们就像整个系统中的 “脆弱环节”，一旦受到外界干扰或内部参数变化的影响，就容易引发扭振。这就好比一个团队中，有几位成员对环境变化比较敏感，一旦外界条件稍有改变，就可能影响整个团队的工作效率。所以，在运行和维护汽轮发电机组时，这些敏感部件需要重点关注和监测。
必须强调的是，此类叶片与转子轮盘的频率耦合是扭振的典型特征，但不会影响转子系统的横向振动特性。
1、叶片和盘的频率耦合
如下图所示案例，组装后的叶片-轮盘系统频率分裂为123Hz和147Hz。在组装前，轮盘和叶片的固有频率分别为142Hz和132Hz。具体表现为：
叶片单独频率从组装前的132Hz降至123Hz
轮盘单独频率从142Hz升至147Hz
需特别注意，组装后较低的叶片频率（123Hz）接近60Hz机组两倍工频（120Hz），可能因电网故障而被激发。下图（右）进一步展示了叶片频率随转子转速的变化规律。
盘片耦合特性
在典型转子轮盘结构中，轮盘底部的节点与下方轴系刚性连接。运行时，叶片排会以基础振动模态整体同步运动，其运动形态类似"雨伞"开合，故称为"伞形振动"或"零节径模态"。建模时采用三维实体单元对叶片进行离散，并通过通用有限元软件实现。如下图所示，叶片可能呈现零节径、一节径、二节径及更高阶振动模态。在零节径模态下，叶片排与轮盘保持同步运动。由于该模态主要表现为静态特性，可类比为转子的刚体模态——两者都仅表现出极微小的动态运动。
若将叶片排视作圆形振动膜，该膜会产生多种节径与同心节点的组合。节点始终保持静止，而其他区域则处于运动状态。具体表现为：
单节径模态：沿直径对称分布，两个扇形区域反向运动
双节径模态：沿两个垂直直径平面分布，四个扇形区域交替反向运动
不同节径下的振动形式
径模态频率会随运行转速变化，这些数据用于生成坎贝尔图（Campbell diagram），以分析：
模态频率与转子工作转速的耦合关系
各阶模态相对于叶片谐波频率的分布特征
2、盘片耦合对横向振动的影响
叶片-轮盘动态耦合仅影响扭转振动特性，除非在特定频率下存在扭转-弯曲强耦合效应，否则不会对弯曲振动或横向振动参数产生影响。
当耦合频率接近工频（50/60Hz）或二倍工频（100/120Hz）时：
模态将进入共振状态并持续吸收能量
叶片承受的高应力可导致持续运行中的疲劳失效
需特别关注电网频率激励下的共振风险，该现象是涡轮机械叶片故障的主要诱因之一。
下图展示的坎贝尔图（Campbell diagram）用于分析叶片频率与转子转速的相互作用关系。单排叶片会激发多个谐波频率，其数量取决于叶片数量。
叶盘结构系统坎贝尔图
四、转子扭振设计准则：保障设备安全的 “紧箍咒”
为了有效降低转子扭振带来的风险，保障旋转机械的安全稳定运行，在设计阶段就必须遵循严格的准则。首要准则就是确保叶片系统的危险频率与激励谐波区保持足够的距离，尤其是要坚决避开低阶谐波频段。这就如同在规划城市布局时，要将危险区域与居民区、商业区等重要区域隔离开来，避免潜在的风险。
关键设计准则：
必须使叶片系统的危险频率远离激励谐波区
尤其需规避低阶谐波（能量最强的频段）
在实际工程应用中，工程师们需要综合运用各种先进的技术手段和分析方法，对转子系统进行全面、细致的设计和优化。例如，通过优化叶片和轮盘的结构设计，调整其固有频率；采用先进的材料和制造工艺，提高部件的强度和抗疲劳性能；运用高精度的仿真软件，对转子系统在各种工况下的运行状态进行模拟分析，提前发现潜在的问题并制定解决方案。同时，在设备运行过程中，还需要建立完善的监测和预警系统，实时监测转子的运行状态，一旦发现扭振异常，及时采取措施进行调整和修复，确保设备始终处于安全可靠的运行状态。
转子扭转现象看似复杂神秘，但通过深入的研究和了解，我们能够掌握其规律，采取有效的措施来预防和控制扭振带来的危害。在科技不断进步的今天，相信随着更多新技术、新方法的涌现，转子技术将迎来更加辉煌的发展，为推动各行业的发展提供更强大的动力支持。
五、转子动力学工程仿真理论应用
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第一章 转子动力学基本理论
第0讲：课程安排及概述
第1讲：刚性转子（坐标系/陀螺力矩）
第2讲：柔性转子（Jeffcott转子/涡动/正反进动等等）
第3讲： 转子动力学有限分析基础
第二章 基于MATLAB的转子动力学仿真
第4讲： 有限模型建立方法及模态分析
第5讲：转子-支承系统的谐响应分析
第6讲： 转子-支承系统的瞬态分析
第三章 基于ANSYS APDL的转子动力学仿真
第7讲：转子动力学建模流程及临界转速求解方法
第8讲：质量/梁/实体/弹簧/轴承单元的混合使用方法
第9讲：包含转子-静子-支承的整机动力学分析
第10讲：耦合双转子临界转速求解及坎贝图绘制
第11讲：转子-支承系统的谐响应分析
第12讲：转子-支承系统的瞬态分析
第四章 ANSYS APDL与MATLAB的联合仿真
第13讲：ANSYS/MATLAB联合仿真基本流程
第14讲：基于遗传算法优化转子支承刚度调控临界转速的分布
第15讲：质量/刚度/阻尼/陀螺力矩矩阵提取及利用workbench结果查看
第五章 番外篇---持续更新（根据订阅用户需求）
第16讲：复杂转子模型减缩理论_1
第17讲：基于APDL的复杂转子模型减缩方法(模态综合法)_2
第18讲：APDL&Workbench 协同快速仿真工程复杂转子方法_1
第19讲：APDL&Workbench 协同快速仿真工程复杂转子方法_2
......
2、用户得到
课程内容由浅入深，既包含基础理论的讲解，又涵盖MATLAB数值计算和ANSYS工程仿真的实战应用，特别注重培养学员解决实际工程问题的能力。通过本课程的学习，学员不仅能够深入理解转子系统的动力学特性，更能掌握从理论分析到仿真验证的全流程技术方法，为科研工作和工程实践打下坚实基础。用户可以学到：
（1）转子动力学微分方程理论与全面的物理意义解析。主要包括转动力学基本术语的解释：刚性转子、柔性转子、Jeffcott转子、陀螺力矩、涡动、正进动、反进动、同步进动、非同步进动、坎贝尔图、临界转速、各向同性支承、各向异性支承、不平衡响应、模态振型等等。
（2）使用MATLAB仿真复杂转子结构的动力学特性。主要包括系统矩阵（质量矩阵、刚度矩阵、陀螺力矩矩阵、外力向量）的提取、临界转速的计算、坎贝尔的绘制、伯德图（幅频曲线和相频曲线），涡动轨迹的绘制，各向异性支承下的不平衡响应，支承刚度变化下的振型分析，加速过程中的时域响应，双转子等。
（3）使用ANSYS APDL仿真复杂转子结构的动力学特性。全面涵盖梁单元和三维实体单元对转子支承系统建模、转静件耦合建模、单元耦合建模等关键技术，包含单转子、双转子、变刚度支承等仿真分析，包含模态分析（临界转速、坎贝尔图、涡动轨迹）、谐响应分析（不平横响应）、瞬态分析（加减速过程中的时域响应）的大量算例，使能够全面掌握单转子和双转子的动力学分析方法。
（4）基于MATLAB 与ANSYS Mechanical APDL 转子动力学联合仿真。包括实例网格收敛性检查、基于遗传算法的支承刚度优化设计、系统矩阵提取方法等联合仿真实例、APDL结果导入到Workbench中后处理方法等。
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