电机壳体侧壁优化设计

武文虎，李有生，王志林，李树龙

（山西北方机械制造有限责任公司，山西太原 030009）

电机壳体侧壁优化设计

武文虎，李有生，王志林，李树龙

（山西北方机械制造有限责任公司，山西太原 030009）

某型号电机外购机壳在测试过程中发现侧壁振动量较大，为保证该电机的实际使用效果及其寿命，对结构进行重新设计，并用Ansys对新结构进行强度分析，以保证工程实际需要及其使用寿命。

电机；侧壁；优化设计

0 前言

公司研发的系列化高压永磁同步电动机具有高效率、高功率因数、高自起动能力、低运行噪声等性能优点。由于转子组件进行大幅改进，而机壳采用外购的异步机壳体见图1所示，电机在测试过程中发现侧壁振动量较大，可能影响电机的实际使用寿命。为保证该电机的实际使用效果及其寿命，对电机壳体进行重新设计，并采用Ansys对新壳体进行强度分析。获取新机壳的强度与位移量对其进行分析，以保证工程实际需要及其使用寿命。

1 振动源分析

1.1单边磁拉力

电机运行时由于转子相对于定子偏心，容易产生单边磁拉力，增加壳体振动，进而影响电机的性能。由文献[1]获取单边磁拉力计算公式：

式（1）中： β为经验系数，同步电机采用β=0.4；K0为磁拉力刚度；δ为单边平均气隙；e0为初始偏心。

同文献[2]中获取的单边磁拉力公式计算结果对比获取其均值进行分析。

图1 电机外形图

1.2 转子质心偏心

由于电机转子与定子装配之间有一定的间隙以及转子制造误差发生偏心情况，通过轴承座传递至壳体发生振动。假设转子质心偏离旋转中心r，转子总重为m，根据文献[3]获取转子偏心导致轴承承受的径向力为，其中LC为质心与轴承的中心距离。

1.3 安装误差

电机转子在安装过程中由于制造公差限制，无法保证转子与机壳完全满足同心，由此获悉转子在转动过程中会发生在机壳的限制下发生小幅度位移，加上单边磁拉力及转子偏心容易对机壳进行冲击载荷，影响机壳的强度及使用寿命。

2 分析计算

2.1 模态分析获取振动特性

模态分析是设计机构或机器部件承受动载荷结构设计中的重要参数。分块兰索斯法其特别适用于大型对称特征值求解问题，根据机壳图纸获取材料为20钢。

设置网格划分等级为8级，采用分块兰索斯法获取结构固有频率见表1所示。

转子转动的固有频率为16.7 Hz，与机壳的固有频率无交合点，机壳不会发生共振。对机壳只需进行瞬态分析获取其在运行瞬时的应力与位移进行分析。

表1 机壳固有频率

2.2 瞬态分析

通过瞬态分析的完全法进行壳体的强度及其位移量，从而获取侧壁的承载力并对其进行优化分析，达到降低侧壁的振动量的目的。

滚动轴承在工作中，在通过轴心线的轴向载荷Fa作用下，可认为各滚动体平均分担载荷，即各滚动体受力相等。当轴承在纯径向载荷Fr作用下见图2，内圈沿Fr方向移动一距离δ0，上半圈滚动体不承载，下半圈各滚动体由于个接触点上的弹性变形量不同承受不同的载荷，处于Fr作用线最下位置的滚动体承载最大，其值近似为5Fr/z（点接触轴承）或4.6 Fr/z（线接触轴承），Z为轴承滚动体总数，远离作用线的各滚动体承载逐渐减小。对于内外圈相对转动的滚动轴承，滚动体的位置是不断变化的，因此，每个滚动体所受的径向载荷是变载荷。

图2 滚动轴承径向载荷的分析图

公司研发该高压永磁同步电动机转子采用轴承为6224深沟球滚子轴承，其滚子数目为10。采用轴承载荷分布情况对机壳进行过载瞬态分析，分析周期采取转子转动一周时间，对侧壁进行瞬态分析。获取侧壁在某一瞬间的振动法向位移图、节点应力图见图3和图4所示，该瞬时位移最大点在整机运行时的法向位移见图5所示，应力最大点在整机运行时的应力见图6所示。

2.3 结果分析

由图6得出节点在电机运行时最大应力远低于材料屈服应力。由于设置位移约束为可移动0.01 mm，因此由图3及图5可以得出侧壁的最大位移量约为0.013 mm，分析计算得出剪切应力为88.75 MPa，设置安全系数为[4]:

图3 法向位移图

图4 节点应力图

图5 法向位移图

式（2）中S1为材料可靠性，取值1.05；

S2为零件重要程度，取值1.1；

S3为计算精确性，取值1.2。

该结构满足机械强度，侧壁设计合理。

而原结构的机壳结构获取的最大位移量为0.05 mm，最大应力为360 MPa，分析获取的结果与原结构相比应力与位移量明显下降，重新设计的机壳结构明显降低了振动量，提高了结构的可靠性。

图6 应力图

3 结论

对该高压永磁同步电动机新机壳进行强度分析获取了机壳的应力与位移图，通过实际测试使用，发现该电机侧壁振动量明显下降，为该电机的实际使用提供了足够的强度及使用寿命。新设计机壳结构合理，强度满足工程需求。

［1］姜培林，虞烈.电机不平衡磁拉力及其刚度的计算［J］.大电机技术，1998（4）：32-34.

［2］陈世坤.电机设计［M］.北京：机械工业出版社，2011.

［3］仇宝云.大型立式轴流泵导轴承载荷分析计算［J］.煤矿机电，2006（5）：92-93.

［4］闻邦椿.机械设计手册［M］.北京：机械工业出版社，2011.

The Optimization Analysis of Electromotor，s Sidewall

WU Wen-hu，LI You-sheng，WANG Zhi-lin，LI Shu-long
（Shanxi North Machine-Building Co.，Ltd，Taiyuan030009，China）

The type of electromotor chassis that is purchased found the sidewall have lage amount of vibration during the test，in order to ensure the practical effects and natural life of the electromotor，machinist redesign the structure and analysis the structure to ensure projectthe actual needs and its service life.

electromotor；sidewall；optimize design

TP391.7

A

1009－9492(2014)09－0035－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.009

武文虎，男，1986年生，山西吕梁人，硕士，工程师。研究领域：高效高压永磁同步电机。已发表论文2篇。

(编辑：阮 毅)

2014－03－10