装配式电机底脚的有限元模态分析

王国龙,孙军建,李亚丽

(卧龙电气驱动集团股份有限公司，浙江 绍兴 312300)

0 引 言

随着电机技术的发展，电机运行的噪音和振动已经成为电机重要的评价指标，客户对电机的噪声和振动要求越来越高。而电机结构的设计直接决定了电机的模态振型，并对电机最终的噪音振动状态起着决定性作用。这就要求在电机结构设计的过程中需要进行必要的模态分析对比，确定最佳的电机结构设计方案[1-3]。

随着模态分析理论的完善以及计算机辅助分析技术的发展，利用有限元分析软件可以对电机结构设计方案进行模态分析，从而有效提高电机结构设计的效率和质量[4-5]。

1 设计案例

1.1 案例描述

现需开发一款315机座号三相异步电动机装配式底脚结构设计方案，额定转速为3000 r/min。为了在电机结构设计方案的选择过程中，能够选择出最佳方案，现对3种底脚设计方案进行模态有限元分析，通过分析各阶激振频率，确定电机的激振频率是否满足要求，从而对比选出最佳设计方案[8-9]。

1.2 结果判定依据

机械设备的固有频率与主要激励频率应有至少15%的隔离裕度。

在相同的约束，负载条件下，通过不同装配式底脚设计方案的模态分析结果对比，优选出最佳方案。

2 模态分析

2.1 实体建模

对3种电机装配式底脚结构设计方案进行实体建模，形成的电机三维模型如图1，图2，图3所示。3种装配式底脚的设计方案的不同点主要有：方案一电机底脚倾斜45°角安装固定，方案二和方案三底脚竖直安装固定，方案三两个固定孔之间的距离比方案二长102 mm。

图1 结构方案一

图2 结构方案二

图3 结构方案三

2.2 前处理及网格划分

3种方案的模态分析过程中的约束，接触，负载，材料特性，附加质量等设置保持一致，以下说明过程以方案一为例[10-11]。

(1)约束

设定底面螺栓孔约束，4个底脚螺栓孔设置为固定约束，将底脚平面设置为仅有压缩的约束，如图4所示。

图4 约束设置

(2)接触

商业银行是金融企业，其破产退出是一种正常的市场现象，允许经营困难的商业银行破产也是世界各国的普遍做法。与一般的企业不同，商业银行在市场体系中居于重要地位，其倒闭或破产有可能影响公众信心，引发金融风险，因此，针对出现经营困难的商业银行，有必要制定一套从发现、判断风险到分类处置的市场化、法治化制度体系，以防范和化解系统性金融风险，维护金融稳定。

①轴承位置处定、转子之间采用平面的X和Y方向各用2个弹簧进行连接，弹簧的刚度系数为2.5×108N/m，设定其阻尼系数为0，如图5所示。

图5 定转子之间接触设置

②过盈配合均采用绑定接触。

(3)材料特性

分析过程中用到的材料属性，如表1所示。

表1 主要材料及特性

在模态分析过程中，定子铁心等效为一个实体，其密度由线定子总质量和定子铁心实体体积等效得出。

(4)附加质量

在模态分析中，部分零部件以等效质量的形式参与计算，如图6所示，附加质量如表2所示。

图6 附加质量

表2 附件质量及位置

(5)网格划分

结构方案一网格划分结果如图7所示。方案一网格划分节点数2207450，网格数1259291；方案二网格划分节点数1907560，网格数102859；方案三网格划分节点数2090702，网格数1990201。

图7 网格划分

2.3 计算结果

由于电机结构的前三阶模态振型为具备最大振动能量的模态，所以在计算时，直接计算电机的前4阶固有频率。结构方案一计算结果如图8～图11所示，3种结构方案计算结果汇总数据如表3所示。

图8 结构方案一的一阶模态

图9 结构方案一的二阶模态

图10 结构方案一的三阶模态

图11 结构方案一的四阶模态

表3 三种结构设计方案计算结果汇总

模态频率结构方案一结构方案二结构方案三一阶模态频率/Hz74.5691.12102.42二阶模态频率/Hz84.1297.58105.73三阶模态频率/Hz170.58135.65158.85四阶模态频率/Hz199.74195.49202.31

2.4 结果分析

电机的额定转速频率为50 Hz，与结构方案一的第一阶固有频率隔离裕度为49.12%，与结构方案二的第一阶固有频率隔离裕度为82.24%，与结构方案三的第一阶固有频率隔离裕度为104.84%，3种方案均满足15%的隔离裕度。

由3种方案的计算结果可以看出，结构方案三的一到四阶模态频率均高于方案一和方案二，结构方案三为优选方案。

3 总 结

通过对3种电机装配式底脚方案的设计和计算，利用有限元分析软件分别进行了分析对比，最终得出了优选方案。通过本文的分析，今后在进行电机装配式底脚的结构设计时，优先采用方案三的结构形式。再次证明利用有限元分析软件进行设计分析，能够有效评估结构设计的合理性。