武文虎，李有生，王志林，李樹龍

（山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

電機殼體側(cè)壁優(yōu)化設計

武文虎，李有生，王志林，李樹龍

（山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

某型號電機外購機殼在測試過程中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁振動量較大，為保證該電機的實際使用效果及其壽命，對結(jié)構進行重新設計，并用Ansys對新結(jié)構進行強度分析，以保證工程實際需要及其使用壽命。

電機；側(cè)壁；優(yōu)化設計

0 前言

公司研發(fā)的系列化高壓永磁同步電動機具有高效率、高功率因數(shù)、高自起動能力、低運行噪聲等性能優(yōu)點。由于轉(zhuǎn)子組件進行大幅改進，而機殼采用外購的異步機殼體見圖1所示，電機在測試過程中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁振動量較大，可能影響電機的實際使用壽命。為保證該電機的實際使用效果及其壽命，對電機殼體進行重新設計，并采用Ansys對新殼體進行強度分析。獲取新機殼的強度與位移量對其進行分析，以保證工程實際需要及其使用壽命。

1 振動源分析

1.1單邊磁拉力

電機運行時由于轉(zhuǎn)子相對于定子偏心，容易產(chǎn)生單邊磁拉力，增加殼體振動，進而影響電機的性能。由文獻[1]獲取單邊磁拉力計算公式：

式（1）中： β為經(jīng)驗系數(shù)，同步電機采用β=0.4；K0為磁拉力剛度；δ為單邊平均氣隙；e0為初始偏心。

同文獻[2]中獲取的單邊磁拉力公式計算結(jié)果對比獲取其均值進行分析。

圖1 電機外形圖

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏心

由于電機轉(zhuǎn)子與定子裝配之間有一定的間隙以及轉(zhuǎn)子制造誤差發(fā)生偏心情況，通過軸承座傳遞至殼體發(fā)生振動。假設轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心r，轉(zhuǎn)子總重為m，根據(jù)文獻[3]獲取轉(zhuǎn)子偏心導致軸承承受的徑向力為，其中LC為質(zhì)心與軸承的中心距離。

1.3 安裝誤差

電機轉(zhuǎn)子在安裝過程中由于制造公差限制，無法保證轉(zhuǎn)子與機殼完全滿足同心，由此獲悉轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中會發(fā)生在機殼的限制下發(fā)生小幅度位移，加上單邊磁拉力及轉(zhuǎn)子偏心容易對機殼進行沖擊載荷，影響機殼的強度及使用壽命。

2 分析計算

2.1 模態(tài)分析獲取振動特性

模態(tài)分析是設計機構或機器部件承受動載荷結(jié)構設計中的重要參數(shù)。分塊蘭索斯法其特別適用于大型對稱特征值求解問題，根據(jù)機殼圖紙獲取材料為20鋼。

設置網(wǎng)格劃分等級為8級，采用分塊蘭索斯法獲取結(jié)構固有頻率見表1所示。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的固有頻率為16.7 Hz，與機殼的固有頻率無交合點，機殼不會發(fā)生共振。對機殼只需進行瞬態(tài)分析獲取其在運行瞬時的應力與位移進行分析。

表1 機殼固有頻率

2.2 瞬態(tài)分析

通過瞬態(tài)分析的完全法進行殼體的強度及其位移量，從而獲取側(cè)壁的承載力并對其進行優(yōu)化分析，達到降低側(cè)壁的振動量的目的。

滾動軸承在工作中，在通過軸心線的軸向載荷Fa作用下，可認為各滾動體平均分擔載荷，即各滾動體受力相等。當軸承在純徑向載荷Fr作用下見圖2，內(nèi)圈沿Fr方向移動一距離δ0，上半圈滾動體不承載，下半圈各滾動體由于個接觸點上的彈性變形量不同承受不同的載荷，處于Fr作用線最下位置的滾動體承載最大，其值近似為5Fr/z（點接觸軸承）或4.6 Fr/z（線接觸軸承），Z為軸承滾動體總數(shù)，遠離作用線的各滾動體承載逐漸減小。對于內(nèi)外圈相對轉(zhuǎn)動的滾動軸承，滾動體的位置是不斷變化的，因此，每個滾動體所受的徑向載荷是變載荷。

圖2 滾動軸承徑向載荷的分析圖

公司研發(fā)該高壓永磁同步電動機轉(zhuǎn)子采用軸承為6224深溝球滾子軸承，其滾子數(shù)目為10。采用軸承載荷分布情況對機殼進行過載瞬態(tài)分析，分析周期采取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周時間，對側(cè)壁進行瞬態(tài)分析。獲取側(cè)壁在某一瞬間的振動法向位移圖、節(jié)點應力圖見圖3和圖4所示，該瞬時位移最大點在整機運行時的法向位移見圖5所示，應力最大點在整機運行時的應力見圖6所示。

2.3 結(jié)果分析

由圖6得出節(jié)點在電機運行時最大應力遠低于材料屈服應力。由于設置位移約束為可移動0.01 mm，因此由圖3及圖5可以得出側(cè)壁的最大位移量約為0.013 mm，分析計算得出剪切應力為88.75 MPa，設置安全系數(shù)為[4]:

圖3 法向位移圖

圖4 節(jié)點應力圖

圖5 法向位移圖

式（2）中S1為材料可靠性，取值1.05；

S2為零件重要程度，取值1.1；

S3為計算精確性，取值1.2。

該結(jié)構滿足機械強度，側(cè)壁設計合理。

而原結(jié)構的機殼結(jié)構獲取的最大位移量為0.05 mm，最大應力為360 MPa，分析獲取的結(jié)果與原結(jié)構相比應力與位移量明顯下降，重新設計的機殼結(jié)構明顯降低了振動量，提高了結(jié)構的可靠性。

圖6 應力圖

3 結(jié)論

對該高壓永磁同步電動機新機殼進行強度分析獲取了機殼的應力與位移圖，通過實際測試使用，發(fā)現(xiàn)該電機側(cè)壁振動量明顯下降，為該電機的實際使用提供了足夠的強度及使用壽命。新設計機殼結(jié)構合理，強度滿足工程需求。

［1］姜培林，虞烈.電機不平衡磁拉力及其剛度的計算［J］.大電機技術，1998（4）：32-34.

［2］陳世坤.電機設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［3］仇寶云.大型立式軸流泵導軸承載荷分析計算［J］.煤礦機電，2006（5）：92-93.

［4］聞邦椿.機械設計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

The Optimization Analysis of Electromotor，s Sidewall

WU Wen-hu，LI You-sheng，WANG Zhi-lin，LI Shu-long
（Shanxi North Machine-Building Co.，Ltd，Taiyuan030009，China）

The type of electromotor chassis that is purchased found the sidewall have lage amount of vibration during the test，in order to ensure the practical effects and natural life of the electromotor，machinist redesign the structure and analysis the structure to ensure projectthe actual needs and its service life.

electromotor；sidewall；optimize design

TP391.7

A

1009－9492(2014)09－0035－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.009

武文虎，男，1986年生，山西呂梁人，碩士，工程師。研究領域：高效高壓永磁同步電機。已發(fā)表論文2篇。

(編輯：阮 毅)

2014－03－10