大型感應電機定子結構分析

陳震林 潘躍林 呂敬高

（1. 湘潭電機股份有限公司, 湘潭411101； 2.海軍駐湖南地區軍事代表室, 湘潭 411101）

1 引言

電機在運行過程中同時受到重力、電磁力矩、離心力及機械不平衡力的作用，在這些載荷的共同作用下，電機各部件將產生較大的應力和變形，為了確保電機具有足夠的強度和剛度，并能夠長期安全運行，必須對整個電機結構以及各部件的應力分布及變形進行全面分析。

本文應用大型有限元分析軟件 ANSYS對某大型感應電機定子進行了結構分析，得到了感應電機總體應力分布及位移，同時對該感應電機端蓋進行了優化設計，得出了一些有益的結論，可為感應電機的設計提供參考。

2 結構分析理論基礎

眾所周知，在進行結構有限元分析時，首先要對結構進行離散化處理，即進行網格劃分并確定單元類型、節點的幾何坐標、負載和邊界條件等信息參數，形成單元質量矩陣[M]e、阻尼矩陣[C]e、和剛度矩陣[M]e、通過組裝單元矩陣得到結構的質量矩陣[M]、阻尼矩陣[C]及剛度矩陣[K]。則結構完整的結構分析有限元分析基本方程可寫為：

求解式（2）即可得到結構在外力p（t）作用下的位移場解；由應力—應變關系進而得到結構的應力場解。

式（2）中的結構剛度矩陣[K]，與結構的幾何形狀有關，因為剛度矩陣[K]中的每一項元素都與結構模型中的節點坐標有關。而要保證[K]矩陣能夠較好的反映結構的真實剛度，建立一個好的計算力學模型，逼真的模擬結構的幾何形狀和受力情況則是非常關鍵的。

3 有限元分析模型

1） 幾何模型的建立

為便于分析和描述，首先對計算中所采用的坐標系進行描述：總體坐標系選為直角坐標系。坐標原點位于電機定子中斷面的圓心，電機軸向為Z向，Z軸正向指向非驅動端；垂直于Z軸的豎直方向為Y軸；X軸為垂直于Z軸的水平方向，并且和Y軸、Z軸共同構成一右手坐標系。

應用設計軟件 Pro-E，通過特征造型功能創建感應電機定子模型。考慮到計算類型和關心重點，忽略電機轉子、鐵心繞組和冷卻系統的建模，僅考慮三者質量的影響而忽略其剛度，并以等效質量的方式分別施加至電機軸承、鐵心和電機頂板上。

2） 網格劃分

將建立的幾何模型通過PRO/E和ANSYS的接口導入分析軟件 ANSYS中。在該分析中，利用 ANSYS前處理技術，采用三維實體單元（SOLID185、）和質量單元（MASS21）來離散和模擬整個電機。其中整個感應電機（包括端蓋、軸承座）全部采用三維實體單元；通風機組和冷卻器以及轉子的重量均采用質量單元模擬。兩端端蓋與機座用螺栓聯接成一個整體，為了考慮該結構的整體作用，我們將這個組合起來的結構看作是一個完整的彈性體。整個電機結構有限元分析模型均真實模擬了它們的實際形狀和結構，網格剖分后的有限元分析模型如圖1所示。

圖1 電機有限元分析模型

3） 材料屬性定義

①對于定子鐵心，取彈性模量E=1.5×105MPa，泊松比ν= 0.3，質量密度ρ＝8483 kg/m3，為等效密度換算結果。

②定子其余鋼板彈性模量E= 2.07×1011Pa，泊松比為υ＝0.3，密度7.8×103kg/m3。

4） 邊界約束

對電機底板四角施加固定約束。

5）載荷施加

① 扭矩：作用在電機定子內徑表面，沿周向均勻分布。

② 偏心磁拉力：偏心磁拉力作用在電機定子內徑表面，力的方向指向圓心。本計算考慮偏心磁拉力的合力方向與重力方向一致，即偏心磁拉力在電機上半圓周1800呈正弦分布，這樣考慮的結果將趨于保守。

③ 轉子重量：轉子重量作為集中力分別加在兩端軸承瓦枕的重力方向。

④ 結構自重：程序自動計算。

4 計算結果分析

電機在最大扭矩工況下的Mises應力為10.2 MPa，位于底腳與機殼圓柱體的接觸部位。該最大應力位于接觸尖角處，存在應力集中，如圖 2所示。電機本體最大變形位于機座上部，最大變形為0.014 mm，如圖3所示。

圖2 電機總體Mises應力云圖

圖3 電機總體位移云圖

通過仿真分析可知，該電機在扭矩工況下的應力及變形都比較小，從靜力學來看，該電機有很大的強度和剛度裕量。為了優化端蓋結構及充分應用材料力學性能，本文對端蓋有加強筋及無加強筋進行了對比分析，其對比結果如表1所示。

表1 對比分析結果

限于篇幅，本文僅列出應力及其位移情況較為惡劣的非驅動端端蓋的應力及位移云圖。其中，圖4為有加強筋的非驅動端端蓋應力云圖；圖5為有加強筋的非驅動端端蓋位移云圖；圖6為無加強筋的非驅動端端蓋應力云圖；圖7為無加強筋的非驅動端端蓋位移云圖。

圖4 非驅動端端蓋應力云圖（有加強筋）

圖5 非驅動端端蓋位移云圖（有加強筋）

圖6 非驅動端端蓋應力云圖（無加強筋）

圖7 非驅動端端蓋位移云圖（無加強筋）

由表1可知：采用加強筋后，極大地改善了端蓋的表面應力及其位移，同時也降低了機座的整體應力及增強了其整體剛度。經過討論分析，端蓋加強筋采用槽鋼，并對其進行了有限元分析。其中，圖8為采用槽鋼的非驅動端端蓋應力云圖，其Mises應力最大值為10.4 MPa；圖9為采用槽鋼的非驅動端端蓋位移云圖，其位移最大值為0.01976 mm，均滿足強度及剛度要求。

圖8 非驅動端端蓋應力云圖（槽鋼）

圖9 非驅動端端蓋位移云圖（槽鋼）

5 結束語

本文結合三維實體造型軟件Pro-E及有限元分析軟件ANSYS，對某大型感應電機進行了幾何實體建模及結構分析，得到了一些可供設計參考的結論：

（1）該電機定子結構滿足剛、強度要求；

（2）該電機端蓋采用加強筋后，極大地改善了端蓋的表面應力及其位移，同時也降低了機座的整體應力及增強了其整體剛度，經過討論分析，端蓋加強筋采用槽鋼；

（3）本文所采用的分析方法同樣適用于其它感應電機的設計與分析。

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