大型立式电机的仿真及模拟

邢耀文

（山西杏花村汾酒集团有限责任公司，山西 汾阳 032205）

引言

立式电机承受的载荷先作用在机座上，然后再传递到底座上。可见立式电机主要承载部件是机座，它的刚度对整个电机的影响相当重要，而定子和转子是电机的核心，将电能转换为动能，机座的微小变化都会对电机造成很大的影响［1］。目前电机性能提高的研究都主要集中在电磁振动产生的原因、定子、转子结构结对振动的影响、转子动力学等方面，电机振动原因成为近年来研究的热点之一。人们一直认为电机运行时的定子和转子间存在的磁极脉动阶产生的切向和径向磁吸力导致电机振动［2］。但是经过一段时间的研究和实验，发现发生振动的主要原因在于定子所受到的径向磁拉力，同时发现当径向磁拉力的频率与定子的固有频率接近时噪音会明显增大［3］。近年来国内学者在研究电机振动方面也取得了突出的成果，比如电机定子的固有频率的计算、定子设计参数对电机振动性能的影响等。浙江大学吴建华分别做了散热筋、接线盒、机座等对定子固有频率影响的实验，并建立了电机三维模型，对双凸极的电机定子的结构进行有限元分析，得出了比利用二维模型分析更接近实际的定子的固有频率［4］。航空航天大学赵淳生等建立了超声波电机动力学模型，并利用有限元方法对模型进行了模态分析，在此基础上优化了电机结构［5］。

本文研究的对象是YKSL2150型大型立式电动机（YKSL—带空－水冷却器全封闭式鼠笼转子三相立式异步电动机，2150—定子铁芯外径2 150mm）。采用国际上流行的箱式结构，附电机的参数，见表1。

表1 电机的主要参数

1 模态分析的基本理论

模态分析实际上就是求解特征值问题。解特征值方程，可得分析对象的多阶振动固有频率、相应的模态向量及振型图。

自由模态分析的基本方程为：

式中：［M］和［K］分别为系统结构的质量矩阵和刚度矩阵；｛μ｝是位移向量；｛a｝是加速度向量。

式（1）的解是式（2）的简谐运动形式：

式中：｛Φ｝为模态；w为角频率，t为时间。

将式（1）代入式（2），得到特征值方程：

式（3）中｛Φ｝如果有非零解，其系数矩阵的行列式的值必须为零，即满足

或

式中：λ＝w2

式（5）左边为 （［K］－λi［M］）｛Φi｝＝0的多项式，求解多项式，可以得到一组特征值（［K］－λi［M］）｛Φi｝＝0。式（4）则可以改写为：

式中，N为刚度矩阵Φi的维数，也是该系统结构的自由度数量。Φi是第i个特征值，其中Φi是λi对应的第i个模态向量。

2 模态分析

YKSL2150电机自重为31 850kg，采用四面体单元划分网格，电机被划分为97 819个节点，共54 426个单元。前10阶固有频率如表2所示，取1～6阶振型应力图和位移图进行分析研究，其中1、3、5、6振型如图1—4所示。

表2 电机的前10阶固有频率 Hz

电机的第1阶固有频率为24.2Hz，整机在第1阶频率下产生横向摆动，应力最大部位出现在机座四角面上，最大位移发生在机座上端面及上支架处，见图1。

电机的第3阶固有频率为65.6Hz，整机在第3阶频率下产生斜向摆振，同时产生扭转变形，应力最大部位出现在机座四角面处，最大位移发生在机座上四角处和机座支撑筋板上，见图2。

电机的第5阶固有频率为101Hz，整机在第5阶频率下产生斜向摆振，同时产生扭转变形，应力最大部位出现在机座四角面处，最大位移发生在机座上四角处转子上端，见图3。

图1 第1阶振型图

图2 第3阶振型图

电机的第6阶固有频率为114Hz，整机在第6阶频率下产生斜向摆振，同时产生扭转变形，应力最大部位出现在转子与下轴承接触面，最大位移发生在转子上端和转子与下轴承接触面，见图4。

图3 第5阶振型图

图4 第6阶振型图

当第1阶固有频率为24.2Hz，对应的临界转速为1 452r／min。由于电机的工作转速为490r／min，远小于该临界转速，因此，电机在正常的转速范围内不会发生共振现象。

3 电机结构变化对动态特性的影响

虽然电机在正常转速内不会因共振而受到严重破坏，但电机运转过程中长时间的振动同样会影响到电机的寿命。为有效减小电机的振动，通过改变电机定、转子铁芯长度，将现有电机定、转子铁芯的长度700mm分别调至540mm和870mm，应用有限元分析对比，如表3所示。

表3 不同转子铁心长度的有限元分析对比

通过以上的对比可以得出，电机的固有频率随着定转子铁芯长度的增大而逐渐增加，因此定子铁芯长度的增加，会引电机振动的加剧，不利于电机的稳定工作。

由下页图5—6可知，如果增加电机的定转子铁芯长度，电机动态特性的第1阶振型变化不大，都是绕固定底板的螺钉发生横向摆动，定子四角处受最大应力，而最大位移出现在定子的上端面。不同长度铁芯的最大位移和最大应力相对较小，能满足机械强度、模态和刚度的要求。

图5 540mm第1阶振型图

图6 870mm第1阶振型图

4 结论

1）电机和机座振动时以横向摆振为主，在正常条件下不会发生共振，但当某些地脚螺栓连接松动时，将有可能发生共振。

2）为了减小电机的振动，在保证电机输出功率不变的情况下，根据电机定转子铁芯长度的不同，对电机结构参数进行修改，或者限定电机结构参数在给定的范围内。

［1］ 电机工程手册编委会.电机工程手册［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［2］ D.E.Cameron，J.H.Lang，S.D.Umans.The Originand Reduction of Acoustic Noise in Doubly Salient Variable Reluctance Motors［J］.IEEE Trans.Ind.Applicat，1992，128（6）：321－324.

［3］ Chiyao Wu，Charles Pollock.Analysis and Reduction of Vibration and Acoustic Noise in the Switched Reluctance Drive［J］.IEEE Trans.Ind.Applicat，1995，131（1）：128－134.

［4］ 吴建华，陈永校，王宏华.开关磁阻电机定子固有频率计算［J］.中国电机工程学报，1997，124（5）：326－329.

［5］ 陈超，赵淳生.旋转型行波超声电机定子的子结构模型研究［J］.振动工程学报，2005，18（2）：238－242.