基于Ansys软件对立式电机进行振动分析 - 文章

基于Ansys软件对立式电机进行振动分析

作者：湘潭电机股份有限公司张海凤

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摘要：使用有限元分析软件Ansys对立式电机进行振动分析并对结构进行优化设计，分析结果为今后设计出具有更好刚度、更好稳定性的立式电机有重要的指导作用。
关键词：Ansys；立式电机；振动

1. 前言

立式电机的使用功能与结构的特殊性决定了其所受载荷后引起的响应与卧式电机不同，相比之下，立式电机的工作环境更加“恶劣”，比卧式电机更容易出现振动及稳定性问题，因此，立式电机的设计有其特殊的考虑。从结构承载方面看，立式电机为受压“细长”结构，尤其是与水泵相连后，更容易产生振动问题。对于带负载的立式电机的振动问题，首先，要考虑安装时的同心度及轴系的动平衡；其次，就是轴承问题；再次，就是结构本身的稳定性要好。因此，本文主要采用Ansys软件对立式电机进行瞬态动力学分析，分析其在自身振动载荷作用下的响应情况，提出了增加立式电机钢度的方法，并对几种方法进行分析对比，为今后电机的设计方向提供了理论依据。

2. 原理

瞬态动力学分析的求解基本运动方程是：

式中：
［M］=质量矩阵
［C］=阻尼矩阵
［K］=刚度矩阵

在任意给定的时间t，这些方程可看作是一系列考虑了惯性力

的静力学平衡方程。ANSYS程序使用Newmark时间积分方法在离散的时间点上求解这些方程。

瞬态动力学分析可采用三种方法：完全（Full）法、缩减（Reduced）法及模态叠加法。本次分析中采用的方法是完全法。

3. 主要计算情况介绍

3.1 有限元模型的建立

实际结构往往是复杂的，在建立力学模型时常常将结构做一些简化处理。简化的原则是对结构刚度影响不大但对模型的复杂程度影响很大的小构件及小孔、倒角等。在建模时，将焊接结构作为一个整体考虑，但不考虑焊接残余应力的影响，对于螺拴连接紧固的重要结构也作为整体考虑。对于质量很大而刚度很小的结构则以质量单元形式考虑。

采用solid45－8节点六面体单元对结构进行网格划分，整个模型共有节点39506个，单元121432个。

3.2 载荷的确定

3.2.1 电磁场载荷

电磁振动是由电机气隙磁场作用于电机铁心产生的电磁力所激发，由感应电动机气隙磁密波的作用，在定子铁心齿上产生的磁力有径向和切向两个分量。径向分量使定子铁心产生的振动变形是电磁噪声的主要来源，因此，本文只考虑径向力波作用下结构的变形情况。气隙磁场产生的径向力主要考虑如下两部分：

① 主波磁场产生的力波

② 定子绕组和转子绕组谐波磁场产生的力波

所以，总的载荷为：

3.2.2 其他载荷

除了电磁场力之外，还要考虑转子残余不平衡量产生的离心力及单边磁拉力的影响。

单边磁拉力为：

3.3 约束的确定

根据实际工作条件施加约束条件。

3.4 分析结果

图1 原始结构变形云图图2 原始结构应力云图

图7 机座高度降低变形云图图8 机座高度降低应力云图

4. 结论

① 通过分析知道结构的动态应力很小，因此，强度满足要求，对电机的分析主要考虑刚度的影响；

② 温升会使定子的变形急剧加大，但结构其他部分的变形影响不大。温升的另一个影响是使定子的锥度加大，使定子有呈倒置喇叭的趋势，使气隙在轴向上有所变化，但同一高度径向变形是均匀的，因此，建议立式电机定子在装配时要将其锥度大的一侧作为下端。

③ 通过分析得出该结构的刚度满足要求，但要想寻求进一步的优化改进，可从以下几方面来考虑：

Ⅰ、在设计时可考虑使结构的整体高度小一些，从分析的结果中可以看出，当机座高度降低了4.5％时，结构的变形比原来降低了34％，因此，整体高度的降低对结构的响应影响很大；
Ⅱ、可考虑增加弯板的刚度，当弯板的厚度增加50％，结构的变形比原来降低了13％，因此，弯板刚度的增加对结构的响应影响也很大；
Ⅲ、通过分析知道，只增加上机架的刚度，对结构的响应没什么影响。

③ 三种情况的结果对比情况如下表1：

表1 分析结果对比表

[参考文献]
[1] ANSYS公司. ANSYS动力学分析指南
[2] 陈世坤. 机械设计. 北京：机械工业出版社
[3] 许实章. 电机学. 北京：机械工业出版社
[4] 黄国治，傅丰礼. Y2系列三相异步电动机技术手册. 北京：机械工业出版社(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/7/2007)


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