中型2P高壓高效系列電機開發研制—機座的加強

李曉蕾

(1. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院； 2. 上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

Y系列2P異步電動機廣泛應用于電力、石化等各個領域，在異步電機中技術含量較高。而用戶也對2P電機的功率密度、高效節能要求逐漸增多。基于上述背景，我們進行YS-2、YSKK-2異步電動機的系列化開發設計，開發符合國家能源局高效電機的要求、性能參數優于國內廠家同類產品、具有優勢產品競爭力。在系列化開發中，機座的加強及改進對于整個系列開發具有很重要的作用。

1 電機機座加強

交流電機的機座是作為定子繞線和定子鐵心的機械支撐，固定前后端蓋，支撐冷卻器，承受和傳遞扭矩，承受各種外力的影響，且還是冷卻風路的一部分。因此，機座設計時應注意以下幾點：必須具有足夠的強度和剛度，使其在加工、運輸、起吊及運行中能承受各種機械作用力、電磁力而不致產生有害的變形[1]。

(1) 機座的設計還要考慮便于加工、運輸、安裝及檢修。

(2) 機座的內圓空間要得到充分利用，還要滿足通風冷卻的要求。

(3) 機座的中心高及底腳安裝尺寸應符合國家標準要求。

一般機座的機械計算常包括剛度、強度及固有振動頻率的計算，焊接機座還需進行底腳板焊縫應力的計算，其中主要是機座剛度的計算[2]。實踐表明，若機座的剛度足夠，則其強度也能滿足，因此主要對電機機座的剛度進行核算。

因2P電機轉速高離心力大，機械結構強度復雜，就以下兩方面對機座進行了加強：

(1) 增加了6根50圓鋼作為撐筋，在長度方向貫穿整個機座。

(2) 機座地腳板采用前后貫穿的兩塊長板，在地腳孔位置機座側板挖空，并使用一塊彎板封閉機座，使地腳孔外露。

(3) 在中壁開通風孔，利用SolidWorks對機座進行優化設計，可以直觀地看到整個通風孔及撐筋的布局，提高設計的合理性。

機座中壁側面圖見圖1，機座三維圖見圖2。機座內外表面均采用連續焊并做熱處理消除內應力。

2 有限元分析

借助有限元技術對電機定子剛度進行計算，借助其快速、柔性、高效、精細的特點，比傳統計算方法具有明顯的優勢。采用有限元法對定子進行強度分析已經得到很多企業的認可[3]。

圖1 機座的中壁側面圖

圖2 機座三維圖

因此，系列開發對機座進行加強措施后，再對新機座進行仿真計算，主要包括：電機結構的靜力學和動力學特性，預測電機結構性能。

2．1 幾何建模

兩臺電機均為箱式電機，機座為鋼板焊接而成。現以YXKK400-2電機為例進行有限元分析。電機主要組成部分有：機座、鐵心、端蓋、轉子，軸承，具體幾何模型如圖3所示。為了使分析結果更加精確，幾何建模均按照圖紙進行全三維建模。但考慮到部分零件結構細小特征過多，如：機座上的小孔、小倒角等會影響后續有限元建模工作，所以對機座進行了部分結構簡化。

圖3 YXKK400電機三維幾何模型

2．2 有限元建模

由于三維實體模型比較規則，全部采用六面體單元solid185進行網格劃分，其網格模型如圖4所示。其中總裝配體網格單元數量為510 674，基座網格單元數量為148 925，定子鐵心網格單元數量為148 941，轉子網格單元數量為212 808。

圖4 定子網格

2．3 結構靜力學分析

機座受扭矩作用時，對底腳孔進行固支約束，將扭矩施加在中壁內圈。轉子受力分析時，將轉軸兩端裝軸承處固支，在鐵心段施加重力、磁拉力等。

在極限工況(10倍扭矩)作用下，機座的應力云圖如圖5所示。從圖上可以看出，機座最大應力為94 Mpa，其位置在中壁下45°角位置附近。從應力分布可以看出，底腳螺栓以及下部彎鋼處承受的應力最大。

圖6為機座的位移云圖，在各個力作用下機座整體位移最大值約為0.192 mm，出現在機座上方。提取機座中壁圓心位置發現，在外力作用下圓心位置變化為0.01 mm，位移很小可以忽略對氣隙的影響。

圖5 機座應力云圖

因此，從靜力學特性分析可以看出，機座在極限工況下的強度和剛度均滿足設計要求。

2．4 動力學分析

電機運行過程中產生的振動和噪聲，是由不平衡力、 電磁力引起電機強迫振動產生的。當電機結構發生共振時，電機的振動會更大。為了降低振動，預測電機振動情況，必須對電機結構動力學特性進行詳細的研究。

圖6 機座位移云圖

2．4．1 整機有限元模型建立

此類型電機定子和機座之間通過焊接連成一體，定子和機座之間無任何相對滑移。軸承的軸承座與端蓋之間通過螺栓緊固，軸承內圈與軸之間過盈配合。所以對于定子、機座、軸承、端蓋之間的接觸均采用綁定接觸。

2．4．2 邊界條件處理

電機的實際運行過程， 是通過底腳螺栓緊固在底架之上實現的。底腳螺栓的連接作用對電機整機的動力學特性有著較大影響，底腳螺栓的連接無疑增大了整個電機系統的剛性，所以底腳約束邊界條件的處理，是整機動力學特性分析的一個關鍵因素。

對于動力學分析而言，螺栓連接作用體現為電機系統與底架之間的連接剛度，從而對于底腳螺栓連接作用的研究，即為螺栓連接剛度的研究。螺栓連接剛度問題較為復雜，通過相關文獻查詢方法計算后，選取了底腳孔外圈一定面積處作固支處理。

2．4．3 計算結果

整機約束工況下的頻率和整機陣型如表1和圖7所示。電機第一階陣型為整機的前后躥動陣型，第二階陣型為整機左右擺動陣型，第三階陣型電機整機垂直方向上的上下跳動陣型，第四階為整機右側橫擺運動，第五階次為整機垂向向上翹動與軸的軸向躥動耦合陣型。

表1 YXKK400電機整機頻率

圖7 整機振型圖

整機頻率分析結果表明，整機的固有頻率均避開了工頻及二倍轉頻的激勵范圍，整機結果顯示動力學性能滿足要求。

3 結語

中型2P高壓高效系列電機開發研制中對于電機機座進行的加強改進措施，經有限元分析證實了此加強結構強度符合系列化開發設計要求，也符合各類標準要求，對于中型2P高壓高效系列電機開發研制具有很重要的作用。