李曉蕾

(1. 上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

Y系列2P異步電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于電力、石化等各個(gè)領(lǐng)域，在異步電機(jī)中技術(shù)含量較高。而用戶也對(duì)2P電機(jī)的功率密度、高效節(jié)能要求逐漸增多。基于上述背景，我們進(jìn)行YS-2、YSKK-2異步電動(dòng)機(jī)的系列化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)符合國(guó)家能源局高效電機(jī)的要求、性能參數(shù)優(yōu)于國(guó)內(nèi)廠家同類產(chǎn)品、具有優(yōu)勢(shì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。在系列化開(kāi)發(fā)中，機(jī)座的加強(qiáng)及改進(jìn)對(duì)于整個(gè)系列開(kāi)發(fā)具有很重要的作用。

1 電機(jī)機(jī)座加強(qiáng)

交流電機(jī)的機(jī)座是作為定子繞線和定子鐵心的機(jī)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(fēng)路的一部分。因此，機(jī)座設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，使其在加工、運(yùn)輸、起吊及運(yùn)行中能承受各種機(jī)械作用力、電磁力而不致產(chǎn)生有害的變形[1]。

(1) 機(jī)座的設(shè)計(jì)還要考慮便于加工、運(yùn)輸、安裝及檢修。

(2) 機(jī)座的內(nèi)圓空間要得到充分利用，還要滿足通風(fēng)冷卻的要求。

(3) 機(jī)座的中心高及底腳安裝尺寸應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

一般機(jī)座的機(jī)械計(jì)算常包括剛度、強(qiáng)度及固有振動(dòng)頻率的計(jì)算，焊接機(jī)座還需進(jìn)行底腳板焊縫應(yīng)力的計(jì)算，其中主要是機(jī)座剛度的計(jì)算[2]。實(shí)踐表明，若機(jī)座的剛度足夠，則其強(qiáng)度也能滿足，因此主要對(duì)電機(jī)機(jī)座的剛度進(jìn)行核算。

因2P電機(jī)轉(zhuǎn)速高離心力大，機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)雜，就以下兩方面對(duì)機(jī)座進(jìn)行了加強(qiáng)：

(1) 增加了6根50圓鋼作為撐筋，在長(zhǎng)度方向貫穿整個(gè)機(jī)座。

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

(3) 在中壁開(kāi)通風(fēng)孔，利用SolidWorks對(duì)機(jī)座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以直觀地看到整個(gè)通風(fēng)孔及撐筋的布局，提高設(shè)計(jì)的合理性。

機(jī)座中壁側(cè)面圖見(jiàn)圖1，機(jī)座三維圖見(jiàn)圖2。機(jī)座內(nèi)外表面均采用連續(xù)焊并做熱處理消除內(nèi)應(yīng)力。

2 有限元分析

借助有限元技術(shù)對(duì)電機(jī)定子剛度進(jìn)行計(jì)算，借助其快速、柔性、高效、精細(xì)的特點(diǎn)，比傳統(tǒng)計(jì)算方法具有明顯的優(yōu)勢(shì)。采用有限元法對(duì)定子進(jìn)行強(qiáng)度分析已經(jīng)得到很多企業(yè)的認(rèn)可[3]。

圖1 機(jī)座的中壁側(cè)面圖

圖2 機(jī)座三維圖

因此，系列開(kāi)發(fā)對(duì)機(jī)座進(jìn)行加強(qiáng)措施后，再對(duì)新機(jī)座進(jìn)行仿真計(jì)算，主要包括：電機(jī)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，預(yù)測(cè)電機(jī)結(jié)構(gòu)性能。

2．1 幾何建模

兩臺(tái)電機(jī)均為箱式電機(jī)，機(jī)座為鋼板焊接而成?，F(xiàn)以YXKK400-2電機(jī)為例進(jìn)行有限元分析。電機(jī)主要組成部分有：機(jī)座、鐵心、端蓋、轉(zhuǎn)子，軸承，具體幾何模型如圖3所示。為了使分析結(jié)果更加精確，幾何建模均按照?qǐng)D紙進(jìn)行全三維建模。但考慮到部分零件結(jié)構(gòu)細(xì)小特征過(guò)多，如：機(jī)座上的小孔、小倒角等會(huì)影響后續(xù)有限元建模工作，所以對(duì)機(jī)座進(jìn)行了部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。

圖3 YXKK400電機(jī)三維幾何模型

2．2 有限元建模

由于三維實(shí)體模型比較規(guī)則，全部采用六面體單元solid185進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其網(wǎng)格模型如圖4所示。其中總裝配體網(wǎng)格單元數(shù)量為510 674，基座網(wǎng)格單元數(shù)量為148 925，定子鐵心網(wǎng)格單元數(shù)量為148 941，轉(zhuǎn)子網(wǎng)格單元數(shù)量為212 808。

圖4 定子網(wǎng)格

2．3 結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

機(jī)座受扭矩作用時(shí)，對(duì)底腳孔進(jìn)行固支約束，將扭矩施加在中壁內(nèi)圈。轉(zhuǎn)子受力分析時(shí)，將轉(zhuǎn)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(jī)座的應(yīng)力云圖如圖5所示。從圖上可以看出，機(jī)座最大應(yīng)力為94 Mpa，其位置在中壁下45°角位置附近。從應(yīng)力分布可以看出，底腳螺栓以及下部彎鋼處承受的應(yīng)力最大。

圖6為機(jī)座的位移云圖，在各個(gè)力作用下機(jī)座整體位移最大值約為0.192 mm，出現(xiàn)在機(jī)座上方。提取機(jī)座中壁圓心位置發(fā)現(xiàn)，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(duì)氣隙的影響。

圖5 機(jī)座應(yīng)力云圖

因此，從靜力學(xué)特性分析可以看出，機(jī)座在極限工況下的強(qiáng)度和剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。

2．4 動(dòng)力學(xué)分析

電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲，是由不平衡力、 電磁力引起電機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)產(chǎn)生的。當(dāng)電機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)，電機(jī)的振動(dòng)會(huì)更大。為了降低振動(dòng)，預(yù)測(cè)電機(jī)振動(dòng)情況，必須對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行詳細(xì)的研究。

圖6 機(jī)座位移云圖

2．4．1 整機(jī)有限元模型建立

此類型電機(jī)定子和機(jī)座之間通過(guò)焊接連成一體，定子和機(jī)座之間無(wú)任何相對(duì)滑移。軸承的軸承座與端蓋之間通過(guò)螺栓緊固，軸承內(nèi)圈與軸之間過(guò)盈配合。所以對(duì)于定子、機(jī)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(jī)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程， 是通過(guò)底腳螺栓緊固在底架之上實(shí)現(xiàn)的。底腳螺栓的連接作用對(duì)電機(jī)整機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性有著較大影響，底腳螺栓的連接無(wú)疑增大了整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)的剛性，所以底腳約束邊界條件的處理，是整機(jī)動(dòng)力學(xué)特性分析的一個(gè)關(guān)鍵因素。

對(duì)于動(dòng)力學(xué)分析而言，螺栓連接作用體現(xiàn)為電機(jī)系統(tǒng)與底架之間的連接剛度，從而對(duì)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(wèn)題較為復(fù)雜，通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)查詢方法計(jì)算后，選取了底腳孔外圈一定面積處作固支處理。

2．4．3 計(jì)算結(jié)果

整機(jī)約束工況下的頻率和整機(jī)陣型如表1和圖7所示。電機(jī)第一階陣型為整機(jī)的前后躥動(dòng)陣型，第二階陣型為整機(jī)左右擺動(dòng)陣型，第三階陣型電機(jī)整機(jī)垂直方向上的上下跳動(dòng)陣型，第四階為整機(jī)右側(cè)橫擺運(yùn)動(dòng)，第五階次為整機(jī)垂向向上翹動(dòng)與軸的軸向躥動(dòng)耦合陣型。

表1 YXKK400電機(jī)整機(jī)頻率

圖7 整機(jī)振型圖

整機(jī)頻率分析結(jié)果表明，整機(jī)的固有頻率均避開(kāi)了工頻及二倍轉(zhuǎn)頻的激勵(lì)范圍，整機(jī)結(jié)果顯示動(dòng)力學(xué)性能滿足要求。

3 結(jié)語(yǔ)

中型2P高壓高效系列電機(jī)開(kāi)發(fā)研制中對(duì)于電機(jī)機(jī)座進(jìn)行的加強(qiáng)改進(jìn)措施，經(jīng)有限元分析證實(shí)了此加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合系列化開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)要求，也符合各類標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)于中型2P高壓高效系列電機(jī)開(kāi)發(fā)研制具有很重要的作用。