臥式異步電動(dòng)機(jī)定子剛度分析

鞏華敏

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

臥式異步電動(dòng)機(jī)定子剛度分析

鞏華敏

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

定子剛度對電動(dòng)機(jī)性能有重要影響，以某中型臥式異步電動(dòng)機(jī)的定子為研究對象，基于ANSYS Workbench分析平臺，求解其變形和模態(tài)頻率與模態(tài)振型。同時(shí)，重點(diǎn)研究定子分析模型的創(chuàng)建方法和載荷與邊界條件的設(shè)置方法。通過分析定子的變形、多階固有頻率和振型，得到該電動(dòng)機(jī)的定子剛度滿足設(shè)計(jì)要求，為同類定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)。

中型臥式異步電動(dòng)機(jī);定子剛度分析;靜剛度;模態(tài)分析;有限元法

0 引言

定子是電動(dòng)機(jī)的重要部件［1-2］，而定子的剛度又決定了其性能的優(yōu)劣［3］。設(shè)計(jì)優(yōu)秀的定子不僅性能可靠，而且加工制造成本也較低。然而，如果繼續(xù)使用傳統(tǒng)的類比和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法進(jìn)行電動(dòng)機(jī)定子設(shè)計(jì)，不僅無法滿足客戶的多樣化需求，而且也無法滿足企業(yè)自身節(jié)能降本的需要［4］。

使用有限元技術(shù)進(jìn)行定子剛度的設(shè)計(jì)，借助其快速、柔性、高效、精細(xì)的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)法擁有明顯的優(yōu)勢。同時(shí)，隨著有限元技術(shù)的快速發(fā)展，采用有限元法進(jìn)行定子的剛度分析已經(jīng)得到了相關(guān)企業(yè)和人員的高度重視。本文以某中型臥式異步電動(dòng)機(jī)的定子為研究對象，基于ANSYS Workbench分析平臺，對其剛度進(jìn)行分析，總結(jié)分析方法和過程，從而為定子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 基本假設(shè)和簡化方法

分析對象為某中型臥式異步電動(dòng)機(jī)，定子機(jī)座為箱式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由不同尺寸的鋼板和角鋼焊接而成。定子鐵心安裝到機(jī)座上的相應(yīng)位置后，通過焊接把它們固定為一個(gè)整體。采用Solidworks軟件建立定子的三維實(shí)體分析模型。在創(chuàng)建定子的三維實(shí)體分析模型和分析定子剛度的過程中，主要采用如下假設(shè)和簡化方法。

(1)為了減少建模時(shí)間和提高軟件分析效率，忽略不重要的孔、倒角和圓角;

(2)通過焊接連接的零件之間的接觸關(guān)系采用“Bonded”的接觸類型［5］;

(3)通過螺栓聯(lián)接的零件之間的接觸關(guān)系采用“Bonded”的接觸類型［5］;

(4)考慮冷卻器對定子剛度的影響。為了提高分析效率，把冷卻器簡化為一塊鋼板，其簡化模型如圖1所示;同時(shí)，考慮橡膠密封條的影響，其模型如圖2所示。

圖1 冷卻器簡化模型

圖2 橡膠密封條模型

(5)考慮轉(zhuǎn)子和軸承部件對定子剛度的影響，并且為了提高分析效率，對其進(jìn)行簡化，簡化后的模型如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)子和軸承部件模型

(6)不考慮定子線圈和轉(zhuǎn)子銅棒的剛度，只考慮它們的重量，在分析時(shí)把它們各自的重量等效到相應(yīng)的定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心上。簡化后的定子鐵心如圖4所示。

圖4 定子鐵心模型

(7)定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心的材料屬性按照各向同性材料處理。

(8)不考慮附屬在定子上的出線盒、蓋板和冷卻器等零部件的影響。

(9)轉(zhuǎn)子和軸承部件與端蓋之間的接觸關(guān)系采用“Bonded”和“Frictional”兩種接觸類型［5］。

2 靜剛度分析

2．1 停機(jī)放置時(shí)定子剛度分析

分析電動(dòng)機(jī)停機(jī)放置在實(shí)驗(yàn)臺或工作臺上時(shí)定子的剛度。

2．1．1 有限元模型

首先，根據(jù)上述基本假設(shè)和簡化方法，把創(chuàng)建的零部件模型進(jìn)行裝配，得到定子三維實(shí)體模型。然后，把該定子裝配體導(dǎo)入到ANSYS Workbench分析軟件中。其次，定義零部件的材料性質(zhì)，并定義各連接零部件之間的接觸關(guān)系。最后，設(shè)置網(wǎng)格關(guān)聯(lián)度和優(yōu)化尺寸控制功能類型，隨后對定子裝配體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成的有限元分析模型如圖5所示。

圖5 靜止放置時(shí)有限元分析模型

上圖所示的有限元分析模型共有194 425個(gè)單元，645 966個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2．1．2 載荷與邊界條件

電動(dòng)機(jī)停機(jī)放置時(shí)，定子主要承受自身及其附屬零部件的重量。設(shè)置載荷類型為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度，方向垂直于定子底腳板豎直向下。

定義電動(dòng)機(jī)底架底部四個(gè)表面的約束方式:豎直方向?yàn)閺椥约s束，軸向和橫向?yàn)槲灰萍s束。

2．1．3 定子變形

求解完成后，得到的定子變形云圖如圖6所示。

圖6 停機(jī)放置時(shí)定子變形

定子最大變形位置在定子底板的中部，最大變形值為0．044307mm。變形量很小，表明定子剛度很好。

2．2 起吊時(shí)定子剛度分析

電動(dòng)機(jī)在起吊開始時(shí)的一瞬間，會(huì)受到猛烈地沖擊力，此處分析該情況下定子的剛度。

2．2．1 有限元模型

按照起吊規(guī)范，該電動(dòng)機(jī)禁止帶冷卻器起吊，因此在建立定子的三維實(shí)體模型時(shí)，去掉冷卻器和橡膠密封條。參照2．1．1小節(jié)有限元模型的創(chuàng)建方法，得到的起吊時(shí)有限元分析模型如圖7所示。

圖7 起吊時(shí)有限元分析模型

上述有限元分析模型共有190 608個(gè)單元，621 143個(gè)節(jié)點(diǎn)。

2．2．2 載荷與邊界條件

起吊時(shí)，電機(jī)主要受到重力和起吊沖擊力的影響。重力可以按照2．1．2小節(jié)所述的方法施加。起吊沖擊力可以等效為沖擊加速度，方向垂直于定子底腳板豎直向上。

在離電機(jī)定子頂板上表面的中間部分一定距離的位置處，設(shè)置約束類型為遠(yuǎn)端約束，約束四個(gè)起吊孔的圓柱面。

2．2．3 定子變形結(jié)果

求解完成后，得到的定子變形云圖如圖8所示。

圖8 起吊時(shí)定子變形

定子最大變形位置在定子底板的中部，最大變形值為0．09393mm。該最大變形值超出了電機(jī)單邊氣隙的3%，需要重點(diǎn)查看定子鐵心內(nèi)徑的變形。定子鐵心內(nèi)徑變形云圖如圖9所示。

圖9 起吊時(shí)定子鐵心內(nèi)徑變形

定子鐵心內(nèi)徑的最大變形值為0．064918，該值小于電動(dòng)機(jī)單邊氣隙的3%，說明定子的剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

2．3 額定工況時(shí)定子剛度分析

此處分析定子在額定工作狀態(tài)時(shí)的剛度。

2．3．1 有限元模型

額定工況時(shí)定子剛度分析使用的有限元分析模型參照圖5。

2．3．2 載荷與邊界條件

電機(jī)在額定工作狀態(tài)時(shí)，主要受到以下幾種載荷的作用

(1)重力。整個(gè)定子及其附件的自重。該載荷的施加方式參考2．1．2小節(jié)所述。

(2)額定轉(zhuǎn)矩。常常根據(jù)下式計(jì)算額定轉(zhuǎn)矩

式中，TN—額定轉(zhuǎn)矩，kN·m;PN—額定功率，kW; nN—額定轉(zhuǎn)速，r/min。

(3)軸向力。軸伸端承受一定大小的軸向力，方向沿轉(zhuǎn)子軸線從軸伸端指向非軸伸端。

(4)不平衡力。由于不平衡力對電動(dòng)機(jī)定子的剛度影響不大［6-7］，不考慮其影響。

2．3．3 定子變形結(jié)果

求解完成后，得到的定子變形云圖如圖10所示。

圖10 額定工況時(shí)定子變形

定子最大變形位置在定子底板的中部，最大變形值為0．044653mm。變形量很小，表明定子剛度很好。

2．4 兩相短路時(shí)定子剛度分析

此處分析定子在兩相短路時(shí)的剛度。

2．4．1 有限元模型

兩相短路時(shí)定子剛度分析使用的有限元分析模型參照圖5所示。

2．4．2 載荷與邊界條件

兩相短路時(shí)，電機(jī)受到的重力和軸向力與額定工況時(shí)的相同。不同的是，先前的額定轉(zhuǎn)矩變成了兩相短路轉(zhuǎn)矩。兩相短路轉(zhuǎn)矩可以按照下式計(jì)算

式中，Md為—相短路轉(zhuǎn)矩，kN·m;Kd—兩相短路轉(zhuǎn)矩系數(shù);TN—額定轉(zhuǎn)矩，kN·m。此處同樣不考慮不平衡力的影響。

2．4．3 定子變形結(jié)果

求解完成后，得到的定子變形云圖如圖11所示。

圖11 兩相短路時(shí)定子變形

定子最大變形位置在定子側(cè)板中部的上端，最大變形值為0．12529mm。該最大變形值超出了電動(dòng)機(jī)單邊氣隙的3%，需要重點(diǎn)查看定子鐵心內(nèi)徑的變形。定子鐵心內(nèi)徑變形云圖如圖12所示。

圖12 兩相短路時(shí)定子鐵心內(nèi)徑變形

定子鐵心內(nèi)徑的最大變形值為0．089484，該值小于單邊氣隙的3%，說明定子的變形滿足設(shè)計(jì)要求。

3 模態(tài)分析

3．1 有限元模型

模態(tài)分析使用的有限元分析模型參照圖5所示。

3．2 模態(tài)分析結(jié)果

求解完成后，得到定子前七階模態(tài)振型圖如圖13所示。

圖13 模態(tài)振型圖

表1 模態(tài)頻率和振型描述

從表1可以看出，定子的固有頻率不但避開了工頻的10%，而且避開了兩倍工頻的10%，表明動(dòng)剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語

本文應(yīng)用有限元分析技術(shù)，對某中型臥式異步電動(dòng)機(jī)的剛度進(jìn)行分析，同時(shí)，重點(diǎn)研究分析模型的創(chuàng)建方法和載荷與邊界條件的設(shè)置方法，得出以下結(jié)論。

(1)該定子的變形值小于許用值，滿足靜剛度要求;

(2)該定子的固有頻率超出了激振頻率的10%，滿足動(dòng)剛度要求;

(3)在考核定子的變形時(shí)，首先看定子的總變形，如果該變形小于許用值，則其剛度滿足設(shè)計(jì)要求，可以不用去看定子鐵心內(nèi)徑的變形;如果該變形大于許用值，則需要查看定子鐵心內(nèi)徑的變形，如果鐵心內(nèi)徑變形小于許用值，則剛度滿足設(shè)計(jì)要求，反之亦然;

(4)該電動(dòng)機(jī)運(yùn)行良好，表明本文的分析方法是可行的，分析結(jié)果是可靠的。

［1］李秀英，黃力明，楊耀文，等．用有限元法計(jì)算異步電機(jī)機(jī)座的強(qiáng)度剛度［J］．中小型電機(jī)，1996，23(5):20-22．

［2］劉祿臣．水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座的剛度問題［J］．大電機(jī)技術(shù)，1985，(5):1-5．

［3］陳世坤．電機(jī)設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000．

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Stiffness Analysis on Stator of Horizontal Induction Motor Based on Finite Element Method

Gong Huamin
(Shanghai Electric Group Shanghai Electric Machinery Co．，Ltd，Shanghai 200240，China)

Stator stiffness has important influence on the motor performance，taking the stator of a medium-sized horizontal induction motor as a research object，based on ANSYS workbench platform，to solve the deformation，modal frequency，and modal vibration mode．At the same time，establishing method of the analysis model and setting method of the load and boundary condition are emphatically studied．By analyzing deformation，multiple natural frequencies and vibration mode of the stator，the result shows that the stator stiffness meets design requirements，it provides technical guidance for design and optimization of the same stator structure．

Medium-sized horizontal induction motor;stiffness analysis of the stator;static stiffness;modal analysis;FEM

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．09

TM343

A

1008-7281(2015)05-0028-005

鞏華敏 男 1987年生;畢業(yè)于東北大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事電機(jī)結(jié)構(gòu)及振動(dòng)分析等工作．

2015-05-25