卧式异步电动机定子刚度分析

巩华敏

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

卧式异步电动机定子刚度分析

巩华敏

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

定子刚度对电动机性能有重要影响，以某中型卧式异步电动机的定子为研究对象，基于ANSYS Workbench分析平台，求解其变形和模态频率与模态振型。同时，重点研究定子分析模型的创建方法和载荷与边界条件的设置方法。通过分析定子的变形、多阶固有频率和振型，得到该电动机的定子刚度满足设计要求，为同类定子结构的设计和优化提供技术指导。

中型卧式异步电动机;定子刚度分析;静刚度;模态分析;有限元法

0 引言

定子是电动机的重要部件［1-2］，而定子的刚度又决定了其性能的优劣［3］。设计优秀的定子不仅性能可靠，而且加工制造成本也较低。然而，如果继续使用传统的类比和经验设计法进行电动机定子设计，不仅无法满足客户的多样化需求，而且也无法满足企业自身节能降本的需要［4］。

使用有限元技术进行定子刚度的设计，借助其快速、柔性、高效、精细的特点，比传统设计法拥有明显的优势。同时，随着有限元技术的快速发展，采用有限元法进行定子的刚度分析已经得到了相关企业和人员的高度重视。本文以某中型卧式异步电动机的定子为研究对象，基于ANSYS Workbench分析平台，对其刚度进行分析，总结分析方法和过程，从而为定子结构的设计和优化提供技术指导。

1 基本假设和简化方法

分析对象为某中型卧式异步电动机，定子机座为箱式结构，该结构由不同尺寸的钢板和角钢焊接而成。定子铁心安装到机座上的相应位置后，通过焊接把它们固定为一个整体。采用Solidworks软件建立定子的三维实体分析模型。在创建定子的三维实体分析模型和分析定子刚度的过程中，主要采用如下假设和简化方法。

(1)为了减少建模时间和提高软件分析效率，忽略不重要的孔、倒角和圆角;

(2)通过焊接连接的零件之间的接触关系采用“Bonded”的接触类型［5］;

(3)通过螺栓联接的零件之间的接触关系采用“Bonded”的接触类型［5］;

(4)考虑冷却器对定子刚度的影响。为了提高分析效率，把冷却器简化为一块钢板，其简化模型如图1所示;同时，考虑橡胶密封条的影响，其模型如图2所示。

图1 冷却器简化模型

图2 橡胶密封条模型

(5)考虑转子和轴承部件对定子刚度的影响，并且为了提高分析效率，对其进行简化，简化后的模型如图3所示。

图3 转子和轴承部件模型

(6)不考虑定子线圈和转子铜棒的刚度，只考虑它们的重量，在分析时把它们各自的重量等效到相应的定子铁心和转子铁心上。简化后的定子铁心如图4所示。

图4 定子铁心模型

(7)定子铁心和转子铁心的材料属性按照各向同性材料处理。

(8)不考虑附属在定子上的出线盒、盖板和冷却器等零部件的影响。

(9)转子和轴承部件与端盖之间的接触关系采用“Bonded”和“Frictional”两种接触类型［5］。

2 静刚度分析

2．1 停机放置时定子刚度分析

分析电动机停机放置在实验台或工作台上时定子的刚度。

2．1．1 有限元模型

首先，根据上述基本假设和简化方法，把创建的零部件模型进行装配，得到定子三维实体模型。然后，把该定子装配体导入到ANSYS Workbench分析软件中。其次，定义零部件的材料性质，并定义各连接零部件之间的接触关系。最后，设置网格关联度和优化尺寸控制功能类型，随后对定子装配体进行网格划分，生成的有限元分析模型如图5所示。

图5 静止放置时有限元分析模型

上图所示的有限元分析模型共有194 425个单元，645 966个节点。

2．1．2 载荷与边界条件

电动机停机放置时，定子主要承受自身及其附属零部件的重量。设置载荷类型为标准重力加速度，方向垂直于定子底脚板竖直向下。

定义电动机底架底部四个表面的约束方式:竖直方向为弹性约束，轴向和横向为位移约束。

2．1．3 定子变形

求解完成后，得到的定子变形云图如图6所示。

图6 停机放置时定子变形

定子最大变形位置在定子底板的中部，最大变形值为0．044307mm。变形量很小，表明定子刚度很好。

2．2 起吊时定子刚度分析

电动机在起吊开始时的一瞬间，会受到猛烈地冲击力，此处分析该情况下定子的刚度。

2．2．1 有限元模型

按照起吊规范，该电动机禁止带冷却器起吊，因此在建立定子的三维实体模型时，去掉冷却器和橡胶密封条。参照2．1．1小节有限元模型的创建方法，得到的起吊时有限元分析模型如图7所示。

图7 起吊时有限元分析模型

上述有限元分析模型共有190 608个单元，621 143个节点。

2．2．2 载荷与边界条件

起吊时，电机主要受到重力和起吊冲击力的影响。重力可以按照2．1．2小节所述的方法施加。起吊冲击力可以等效为冲击加速度，方向垂直于定子底脚板竖直向上。

在离电机定子顶板上表面的中间部分一定距离的位置处，设置约束类型为远端约束，约束四个起吊孔的圆柱面。

2．2．3 定子变形结果

求解完成后，得到的定子变形云图如图8所示。

图8 起吊时定子变形

定子最大变形位置在定子底板的中部，最大变形值为0．09393mm。该最大变形值超出了电机单边气隙的3%，需要重点查看定子铁心内径的变形。定子铁心内径变形云图如图9所示。

图9 起吊时定子铁心内径变形

定子铁心内径的最大变形值为0．064918，该值小于电动机单边气隙的3%，说明定子的刚度满足设计要求。

2．3 额定工况时定子刚度分析

此处分析定子在额定工作状态时的刚度。

2．3．1 有限元模型

额定工况时定子刚度分析使用的有限元分析模型参照图5。

2．3．2 载荷与边界条件

电机在额定工作状态时，主要受到以下几种载荷的作用

(1)重力。整个定子及其附件的自重。该载荷的施加方式参考2．1．2小节所述。

(2)额定转矩。常常根据下式计算额定转矩

式中，TN—额定转矩，kN·m;PN—额定功率，kW; nN—额定转速，r/min。

(3)轴向力。轴伸端承受一定大小的轴向力，方向沿转子轴线从轴伸端指向非轴伸端。

(4)不平衡力。由于不平衡力对电动机定子的刚度影响不大［6-7］，不考虑其影响。

2．3．3 定子变形结果

求解完成后，得到的定子变形云图如图10所示。

图10 额定工况时定子变形

定子最大变形位置在定子底板的中部，最大变形值为0．044653mm。变形量很小，表明定子刚度很好。

2．4 两相短路时定子刚度分析

此处分析定子在两相短路时的刚度。

2．4．1 有限元模型

两相短路时定子刚度分析使用的有限元分析模型参照图5所示。

2．4．2 载荷与边界条件

两相短路时，电机受到的重力和轴向力与额定工况时的相同。不同的是，先前的额定转矩变成了两相短路转矩。两相短路转矩可以按照下式计算

式中，Md为—相短路转矩，kN·m;Kd—两相短路转矩系数;TN—额定转矩，kN·m。此处同样不考虑不平衡力的影响。

2．4．3 定子变形结果

求解完成后，得到的定子变形云图如图11所示。

图11 两相短路时定子变形

定子最大变形位置在定子侧板中部的上端，最大变形值为0．12529mm。该最大变形值超出了电动机单边气隙的3%，需要重点查看定子铁心内径的变形。定子铁心内径变形云图如图12所示。

图12 两相短路时定子铁心内径变形

定子铁心内径的最大变形值为0．089484，该值小于单边气隙的3%，说明定子的变形满足设计要求。

3 模态分析

3．1 有限元模型

模态分析使用的有限元分析模型参照图5所示。

3．2 模态分析结果

求解完成后，得到定子前七阶模态振型图如图13所示。

图13 模态振型图

表1 模态频率和振型描述

从表1可以看出，定子的固有频率不但避开了工频的10%，而且避开了两倍工频的10%，表明动刚度满足设计要求。

4 结语

本文应用有限元分析技术，对某中型卧式异步电动机的刚度进行分析，同时，重点研究分析模型的创建方法和载荷与边界条件的设置方法，得出以下结论。

(1)该定子的变形值小于许用值，满足静刚度要求;

(2)该定子的固有频率超出了激振频率的10%，满足动刚度要求;

(3)在考核定子的变形时，首先看定子的总变形，如果该变形小于许用值，则其刚度满足设计要求，可以不用去看定子铁心内径的变形;如果该变形大于许用值，则需要查看定子铁心内径的变形，如果铁心内径变形小于许用值，则刚度满足设计要求，反之亦然;

(4)该电动机运行良好，表明本文的分析方法是可行的，分析结果是可靠的。

［1］李秀英，黄力明，杨耀文，等．用有限元法计算异步电机机座的强度刚度［J］．中小型电机，1996，23(5):20-22．

［2］刘禄臣．水轮发电机定子机座的刚度问题［J］．大电机技术，1985，(5):1-5．

［3］陈世坤．电机设计［M］．北京:机械工业出版社，2000．

［4］刘建忠．利用有限元法对电机机座的分析与优化［J］．防爆电机，2010，45(3):20-23．

［5］北京兆迪科技有限公司．ANSYS Workbench 14．0结构分析快速入门、进阶与精通［M］．北京:电子工业出版社，2014．

［6］欧江．基于有限元的立式电机机座的瞬态响应分析［J］．机械研究与应用，2006，19(5):42-43．

［7］毛文贵，李建华，傅彩明．立式电机机座的动态性能仿真研究［J］．大电机技术，2010，(3):31-34．

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

巩华敏 男 1987年生;毕业于东北大学机械设计及理论专业，硕士研究生，现从事电机结构及振动分析等工作．

2015-05-25