王國龍,孫軍建,李亞麗

(臥龍電氣驅動集團股份有限公司，浙江 紹興 312300)

0 引 言

隨著電機技術的發(fā)展，電機運行的噪音和振動已經(jīng)成為電機重要的評價指標，客戶對電機的噪聲和振動要求越來越高。而電機結構的設計直接決定了電機的模態(tài)振型，并對電機最終的噪音振動狀態(tài)起著決定性作用。這就要求在電機結構設計的過程中需要進行必要的模態(tài)分析對比，確定最佳的電機結構設計方案[1-3]。

隨著模態(tài)分析理論的完善以及計算機輔助分析技術的發(fā)展，利用有限元分析軟件可以對電機結構設計方案進行模態(tài)分析，從而有效提高電機結構設計的效率和質量[4-5]。

1 設計案例

1.1 案例描述

現(xiàn)需開發(fā)一款315機座號三相異步電動機裝配式底腳結構設計方案，額定轉速為3000 r/min。為了在電機結構設計方案的選擇過程中，能夠選擇出最佳方案，現(xiàn)對3種底腳設計方案進行模態(tài)有限元分析，通過分析各階激振頻率，確定電機的激振頻率是否滿足要求，從而對比選出最佳設計方案[8-9]。

1.2 結果判定依據(jù)

機械設備的固有頻率與主要激勵頻率應有至少15%的隔離裕度。

在相同的約束，負載條件下，通過不同裝配式底腳設計方案的模態(tài)分析結果對比，優(yōu)選出最佳方案。

2 模態(tài)分析

2.1 實體建模

對3種電機裝配式底腳結構設計方案進行實體建模，形成的電機三維模型如圖1，圖2，圖3所示。3種裝配式底腳的設計方案的不同點主要有：方案一電機底腳傾斜45°角安裝固定，方案二和方案三底腳豎直安裝固定，方案三兩個固定孔之間的距離比方案二長102 mm。

圖1 結構方案一

圖2 結構方案二

圖3 結構方案三

2.2 前處理及網(wǎng)格劃分

3種方案的模態(tài)分析過程中的約束，接觸，負載，材料特性，附加質量等設置保持一致，以下說明過程以方案一為例[10-11]。

(1)約束

設定底面螺栓孔約束，4個底腳螺栓孔設置為固定約束，將底腳平面設置為僅有壓縮的約束，如圖4所示。

圖4 約束設置

(2)接觸

商業(yè)銀行是金融企業(yè)，其破產(chǎn)退出是一種正常的市場現(xiàn)象，允許經(jīng)營困難的商業(yè)銀行破產(chǎn)也是世界各國的普遍做法。與一般的企業(yè)不同，商業(yè)銀行在市場體系中居于重要地位，其倒閉或破產(chǎn)有可能影響公眾信心，引發(fā)金融風險，因此，針對出現(xiàn)經(jīng)營困難的商業(yè)銀行，有必要制定一套從發(fā)現(xiàn)、判斷風險到分類處置的市場化、法治化制度體系，以防范和化解系統(tǒng)性金融風險，維護金融穩(wěn)定。

①軸承位置處定、轉子之間采用平面的X和Y方向各用2個彈簧進行連接，彈簧的剛度系數(shù)為2.5×108N/m，設定其阻尼系數(shù)為0，如圖5所示。

圖5 定轉子之間接觸設置

②過盈配合均采用綁定接觸。

(3)材料特性

分析過程中用到的材料屬性，如表1所示。

表1 主要材料及特性

在模態(tài)分析過程中，定子鐵心等效為一個實體，其密度由線定子總質量和定子鐵心實體體積等效得出。

(4)附加質量

在模態(tài)分析中，部分零部件以等效質量的形式參與計算，如圖6所示，附加質量如表2所示。

圖6 附加質量

表2 附件質量及位置

(5)網(wǎng)格劃分

結構方案一網(wǎng)格劃分結果如圖7所示。方案一網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)2207450，網(wǎng)格數(shù)1259291；方案二網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)1907560，網(wǎng)格數(shù)102859；方案三網(wǎng)格劃分節(jié)點數(shù)2090702，網(wǎng)格數(shù)1990201。

圖7 網(wǎng)格劃分

2.3 計算結果

由于電機結構的前三階模態(tài)振型為具備最大振動能量的模態(tài)，所以在計算時，直接計算電機的前4階固有頻率。結構方案一計算結果如圖8～圖11所示，3種結構方案計算結果匯總數(shù)據(jù)如表3所示。

圖8 結構方案一的一階模態(tài)

圖9 結構方案一的二階模態(tài)

圖10 結構方案一的三階模態(tài)

圖11 結構方案一的四階模態(tài)

表3 三種結構設計方案計算結果匯總

模態(tài)頻率結構方案一結構方案二結構方案三一階模態(tài)頻率/Hz74.5691.12102.42二階模態(tài)頻率/Hz84.1297.58105.73三階模態(tài)頻率/Hz170.58135.65158.85四階模態(tài)頻率/Hz199.74195.49202.31

2.4 結果分析

電機的額定轉速頻率為50 Hz，與結構方案一的第一階固有頻率隔離裕度為49.12%，與結構方案二的第一階固有頻率隔離裕度為82.24%，與結構方案三的第一階固有頻率隔離裕度為104.84%，3種方案均滿足15%的隔離裕度。

由3種方案的計算結果可以看出，結構方案三的一到四階模態(tài)頻率均高于方案一和方案二，結構方案三為優(yōu)選方案。

3 總 結

通過對3種電機裝配式底腳方案的設計和計算，利用有限元分析軟件分別進行了分析對比，最終得出了優(yōu)選方案。通過本文的分析，今后在進行電機裝配式底腳的結構設計時，優(yōu)先采用方案三的結構形式。再次證明利用有限元分析軟件進行設計分析，能夠有效評估結構設計的合理性。