大型感應(yīng)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)分析

陳震林 潘躍林 呂敬高

（1. 湘潭電機(jī)股份有限公司, 湘潭411101； 2.海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室, 湘潭 411101）

1 引言

電機(jī)在運(yùn)行過程中同時(shí)受到重力、電磁力矩、離心力及機(jī)械不平衡力的作用，在這些載荷的共同作用下，電機(jī)各部件將產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，為了確保電機(jī)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，并能夠長期安全運(yùn)行，必須對(duì)整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)以及各部件的應(yīng)力分布及變形進(jìn)行全面分析。

本文應(yīng)用大型有限元分析軟件 ANSYS對(duì)某大型感應(yīng)電機(jī)定子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，得到了感應(yīng)電機(jī)總體應(yīng)力分布及位移，同時(shí)對(duì)該感應(yīng)電機(jī)端蓋進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出了一些有益的結(jié)論，可為感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

2 結(jié)構(gòu)分析理論基礎(chǔ)

眾所周知，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)有限元分析時(shí)，首先要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理，即進(jìn)行網(wǎng)格劃分并確定單元類型、節(jié)點(diǎn)的幾何坐標(biāo)、負(fù)載和邊界條件等信息參數(shù)，形成單元質(zhì)量矩陣[M]e、阻尼矩陣[C]e、和剛度矩陣[M]e、通過組裝單元矩陣得到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣[M]、阻尼矩陣[C]及剛度矩陣[K]。則結(jié)構(gòu)完整的結(jié)構(gòu)分析有限元分析基本方程可寫為：

求解式（2）即可得到結(jié)構(gòu)在外力p（t）作用下的位移場(chǎng)解；由應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力場(chǎng)解。

式（2）中的結(jié)構(gòu)剛度矩陣[K]，與結(jié)構(gòu)的幾何形狀有關(guān)，因?yàn)閯偠染仃嘯K]中的每一項(xiàng)元素都與結(jié)構(gòu)模型中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)有關(guān)。而要保證[K]矩陣能夠較好的反映結(jié)構(gòu)的真實(shí)剛度，建立一個(gè)好的計(jì)算力學(xué)模型，逼真的模擬結(jié)構(gòu)的幾何形狀和受力情況則是非常關(guān)鍵的。

3 有限元分析模型

1） 幾何模型的建立

為便于分析和描述，首先對(duì)計(jì)算中所采用的坐標(biāo)系進(jìn)行描述：總體坐標(biāo)系選為直角坐標(biāo)系。坐標(biāo)原點(diǎn)位于電機(jī)定子中斷面的圓心，電機(jī)軸向?yàn)閆向，Z軸正向指向非驅(qū)動(dòng)端；垂直于Z軸的豎直方向?yàn)閅軸；X軸為垂直于Z軸的水平方向，并且和Y軸、Z軸共同構(gòu)成一右手坐標(biāo)系。

應(yīng)用設(shè)計(jì)軟件 Pro-E，通過特征造型功能創(chuàng)建感應(yīng)電機(jī)定子模型?？紤]到計(jì)算類型和關(guān)心重點(diǎn)，忽略電機(jī)轉(zhuǎn)子、鐵心繞組和冷卻系統(tǒng)的建模，僅考慮三者質(zhì)量的影響而忽略其剛度，并以等效質(zhì)量的方式分別施加至電機(jī)軸承、鐵心和電機(jī)頂板上。

2） 網(wǎng)格劃分

將建立的幾何模型通過PRO/E和ANSYS的接口導(dǎo)入分析軟件 ANSYS中。在該分析中，利用 ANSYS前處理技術(shù)，采用三維實(shí)體單元（SOLID185、）和質(zhì)量單元（MASS21）來離散和模擬整個(gè)電機(jī)。其中整個(gè)感應(yīng)電機(jī)（包括端蓋、軸承座）全部采用三維實(shí)體單元；通風(fēng)機(jī)組和冷卻器以及轉(zhuǎn)子的重量均采用質(zhì)量單元模擬。兩端端蓋與機(jī)座用螺栓聯(lián)接成一個(gè)整體，為了考慮該結(jié)構(gòu)的整體作用，我們將這個(gè)組合起來的結(jié)構(gòu)看作是一個(gè)完整的彈性體。整個(gè)電機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析模型均真實(shí)模擬了它們的實(shí)際形狀和結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格剖分后的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)有限元分析模型

3） 材料屬性定義

①對(duì)于定子鐵心，取彈性模量E=1.5×105MPa，泊松比ν= 0.3，質(zhì)量密度ρ＝8483 kg/m3，為等效密度換算結(jié)果。

②定子其余鋼板彈性模量E= 2.07×1011Pa，泊松比為υ＝0.3，密度7.8×103kg/m3。

4） 邊界約束

對(duì)電機(jī)底板四角施加固定約束。

5）載荷施加

① 扭矩：作用在電機(jī)定子內(nèi)徑表面，沿周向均勻分布。

② 偏心磁拉力：偏心磁拉力作用在電機(jī)定子內(nèi)徑表面，力的方向指向圓心。本計(jì)算考慮偏心磁拉力的合力方向與重力方向一致，即偏心磁拉力在電機(jī)上半圓周1800呈正弦分布，這樣考慮的結(jié)果將趨于保守。

③ 轉(zhuǎn)子重量：轉(zhuǎn)子重量作為集中力分別加在兩端軸承瓦枕的重力方向。

④ 結(jié)構(gòu)自重：程序自動(dòng)計(jì)算。

4 計(jì)算結(jié)果分析

電機(jī)在最大扭矩工況下的Mises應(yīng)力為10.2 MPa，位于底腳與機(jī)殼圓柱體的接觸部位。該最大應(yīng)力位于接觸尖角處，存在應(yīng)力集中，如圖 2所示。電機(jī)本體最大變形位于機(jī)座上部，最大變形為0.014 mm，如圖3所示。

圖2 電機(jī)總體Mises應(yīng)力云圖

圖3 電機(jī)總體位移云圖

通過仿真分析可知，該電機(jī)在扭矩工況下的應(yīng)力及變形都比較小，從靜力學(xué)來看，該電機(jī)有很大的強(qiáng)度和剛度裕量。為了優(yōu)化端蓋結(jié)構(gòu)及充分應(yīng)用材料力學(xué)性能，本文對(duì)端蓋有加強(qiáng)筋及無加強(qiáng)筋進(jìn)行了對(duì)比分析，其對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 對(duì)比分析結(jié)果

限于篇幅，本文僅列出應(yīng)力及其位移情況較為惡劣的非驅(qū)動(dòng)端端蓋的應(yīng)力及位移云圖。其中，圖4為有加強(qiáng)筋的非驅(qū)動(dòng)端端蓋應(yīng)力云圖；圖5為有加強(qiáng)筋的非驅(qū)動(dòng)端端蓋位移云圖；圖6為無加強(qiáng)筋的非驅(qū)動(dòng)端端蓋應(yīng)力云圖；圖7為無加強(qiáng)筋的非驅(qū)動(dòng)端端蓋位移云圖。

圖4 非驅(qū)動(dòng)端端蓋應(yīng)力云圖（有加強(qiáng)筋）

圖5 非驅(qū)動(dòng)端端蓋位移云圖（有加強(qiáng)筋）

圖6 非驅(qū)動(dòng)端端蓋應(yīng)力云圖（無加強(qiáng)筋）

圖7 非驅(qū)動(dòng)端端蓋位移云圖（無加強(qiáng)筋）

由表1可知：采用加強(qiáng)筋后，極大地改善了端蓋的表面應(yīng)力及其位移，同時(shí)也降低了機(jī)座的整體應(yīng)力及增強(qiáng)了其整體剛度。經(jīng)過討論分析，端蓋加強(qiáng)筋采用槽鋼，并對(duì)其進(jìn)行了有限元分析。其中，圖8為采用槽鋼的非驅(qū)動(dòng)端端蓋應(yīng)力云圖，其Mises應(yīng)力最大值為10.4 MPa；圖9為采用槽鋼的非驅(qū)動(dòng)端端蓋位移云圖，其位移最大值為0.01976 mm，均滿足強(qiáng)度及剛度要求。

圖8 非驅(qū)動(dòng)端端蓋應(yīng)力云圖（槽鋼）

圖9 非驅(qū)動(dòng)端端蓋位移云圖（槽鋼）

5 結(jié)束語

本文結(jié)合三維實(shí)體造型軟件Pro-E及有限元分析軟件ANSYS，對(duì)某大型感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了幾何實(shí)體建模及結(jié)構(gòu)分析，得到了一些可供設(shè)計(jì)參考的結(jié)論：

（1）該電機(jī)定子結(jié)構(gòu)滿足剛、強(qiáng)度要求；

（2）該電機(jī)端蓋采用加強(qiáng)筋后，極大地改善了端蓋的表面應(yīng)力及其位移，同時(shí)也降低了機(jī)座的整體應(yīng)力及增強(qiáng)了其整體剛度，經(jīng)過討論分析，端蓋加強(qiáng)筋采用槽鋼；

（3）本文所采用的分析方法同樣適用于其它感應(yīng)電機(jī)的設(shè)計(jì)與分析。

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