立式電機機座的動態(tài)性能仿真研究

毛文貴，李建華，傅彩明

( 湖南工程學院 機械工程學院, 湖南 湘潭 411101)

前言

機械結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計分為結(jié)構(gòu)振動特性設(shè)計及結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)設(shè)計，而結(jié)構(gòu)振動特性設(shè)計的核心是結(jié)構(gòu)模態(tài)分析[1]。多自由度系統(tǒng)振動時，同時有多階模態(tài)存在，每階振動模態(tài)可用一組模態(tài)參數(shù)來確定，通常模態(tài)參數(shù)包括固有頻率、固有振型、模態(tài)質(zhì)量、模態(tài)剛度和模態(tài)阻尼比等。其中最重要的是頻率、振型和阻尼比，對于無阻尼系統(tǒng)就是固有頻率和振型。模態(tài)參數(shù)有著重要的意義，因為它將表明在哪幾種頻率下結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生共振以及在各階頻率下結(jié)構(gòu)的相對變形，對于改善結(jié)構(gòu)動態(tài)特性，這是最重要的基本參數(shù)。模態(tài)分析方法目前主要有3種：解析法、模態(tài)實驗法和有限元法[2]。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，利用有限元技術(shù)進行模態(tài)分析已得到越來越多的應(yīng)用。

在電機性能中，振動和噪聲是電機重要的技術(shù)指標。振動是產(chǎn)生噪聲的主要因素之一，而電機的振動幅值及機座的聲發(fā)射又與機座的固有頻率和固有模態(tài)等機械振動特性有關(guān)，因此對電機的固有頻率和固有模態(tài)進行精確計算是十分重要的[3,4]。本文利用有限元方法對電機機座進行瞬態(tài)分析和振動分析。

1 機座的載荷與邊界條件

1.1 載荷情況

電機在運行過程中，機座主要承受下列載荷：

（1）重力載荷：對于立式電機，除了承受機座本身的重力外，還要承受機組轉(zhuǎn)動部分的重量。

（2）軸向力：主要為水泵的軸向推力。

（3）轉(zhuǎn)矩：包括工作轉(zhuǎn)矩以及負載突然變化或電機突然短路時的靜態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩。

（4）徑向力：主要是電磁徑向分力、單邊磁拉力和由鐵心熱膨脹引起的徑向力。本分析忽略鐵心熱膨脹，主要考慮電磁徑向分力和單邊磁拉力。重力、軸向力和轉(zhuǎn)矩可以根據(jù)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)直接查出，而徑向力則需根據(jù)相關(guān)公式進行計算。

電機定、轉(zhuǎn)子存在氣隙，在磁場的作用下產(chǎn)生電磁力。電磁力的切向分量形成驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，而徑向分量則作用在定、轉(zhuǎn)子的鐵心表面上，使定、轉(zhuǎn)子產(chǎn)生壓縮變形，從而引起電機的振動。對于考慮電磁主波磁場產(chǎn)生的徑向力，可由下式計算[5]：

考慮其靜態(tài)值，則

其中：Bδ為氣隙磁密系數(shù)，0.8T；0μ為真空磁導率，4πe-7。

電機運行過程中產(chǎn)生單邊磁拉力的主要原因是轉(zhuǎn)子相對于定子偏心，而這通?？捎杉庸ず桶惭b誤差、軸承磨損、轉(zhuǎn)子撓度等引起。分析中把它簡化為以均布載荷形式在電機機座的一半內(nèi)圓柱表面以及相對應(yīng)的轉(zhuǎn)子鐵心外表面。其值可由下式進行計算：

式中：β為經(jīng)驗系數(shù)，對于感應(yīng)電機取值為：0.3；D為轉(zhuǎn)子鐵心外徑，1415mm；lef為鐵心總長度，取值為：850mm；Bδ為氣隙磁密系數(shù)，0.8T；δ為單邊平均氣隙，2.5mm；μ0為真空磁導率，為4πe-7；e0取值為0.1×δ。

1.2 機座的邊界條件

機座通過地腳螺栓與地面聯(lián)接。分析時作固定約束來模擬地腳螺栓聯(lián)接。

2 機座瞬態(tài)分析計算

考慮電機單邊磁拉力的影響，進行瞬態(tài)分析，得到機座各部分變形情況如圖1所示。

此外，不考慮單邊磁拉力的影響，進行瞬態(tài)分析。分析結(jié)果見表1：

表1 瞬態(tài)分析結(jié)果

應(yīng)用有限元技術(shù)，進行立式電機機座的瞬態(tài)響應(yīng)分析，可得：考慮動態(tài)載荷，進行強度、剛度分析，應(yīng)力、變形都遠小于設(shè)計值，說明結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足動態(tài)強度和剛度要求。通過單邊磁拉力的作用對比，可以看出不平衡力對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響不大。

3 機座振動分析

圖1 瞬態(tài)分析主要結(jié)果

產(chǎn)生電機振動的原因是多方面的，但歸納起來主要表現(xiàn)為兩種形式：一種是機械振動；另一種是電磁振動。機械振動主要是由于加工、裝配、磨損等原因造成的，通過提高加工精度、進行動平衡校正等方法可以降低機械振動的發(fā)生。而電磁振動則是由感應(yīng)電機氣隙磁場作用于電機鐵心產(chǎn)生的電磁力所激發(fā)。振動的頻率就是力波作用的頻率。而鐵心、機座和轉(zhuǎn)子都有一定的固有振動頻率，當徑向力波的頻率與該固有頻率接近甚至相同時，會發(fā)生諧振。

3.1 電磁振動的力波分析

產(chǎn)生電磁振動的徑向力波的次數(shù)越低，鐵心彎曲變形的相鄰兩支點間的距離越遠，鐵心剛度相對較差，徑向變形也越大。鐵心變形量約與力波次數(shù)的四次方成反比，與力波幅值成正比，故幅值較大的低次徑向力波是電磁振動的主要根源。在實際應(yīng)用中，一般只要考慮由主波磁場產(chǎn)生的徑向力以及由機座和轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向力[6]。

主波磁場產(chǎn)生的徑向力的力波頻率計算式為：

機座和轉(zhuǎn)子諧波磁場產(chǎn)生的徑向力的力波頻率計算公式為：

和

其中： f1為電源頻率，50Hz；k2=±1，±2，…；z2為轉(zhuǎn)子槽數(shù),132；p為電機極對數(shù)，8；s為電機額定轉(zhuǎn)差率，0.01。

根據(jù)上述三式進行計算，得電磁力波的主要振動頻率為：100、816.75、916.75等。

3.2 機座自由模態(tài)分析

機座是電機中直接承受電磁力作用且容易產(chǎn)生振動的部分，應(yīng)用虛擬樣機技術(shù)和有限元仿真研究方法[7]對機座進行模態(tài)仿真，獲得機座的固有頻率和振型參數(shù)。

3.2.1 模態(tài)分析結(jié)果

對機座實體模型用邊長為99mm的四面體單元進行有限元網(wǎng)格劃分，得到單元 54894，節(jié)點 106012，施加與靜力分析相同的約束條件，設(shè)置材料參數(shù)，去除外載荷，進行機座前十階自由模態(tài)分析。其中，前六階振型位移云圖如圖2所示。

對振型圖進行分析，模態(tài)分析主要結(jié)果見2。

3.2.2 底座固定對機座固有頻率的影響

電機依靠機座底端的地腳螺栓與地面聯(lián)接，螺栓的聯(lián)接情況直接影響到電機的固有振動頻率，為了具體體現(xiàn)影響效果，分別考慮4個、6個、8個、12個螺栓進行緊固聯(lián)接約束，進行機座的固有頻率有限元計算，前六階固有頻率見表3。

圖2 機座模態(tài)振動位移云圖

表2 模態(tài)分析主要結(jié)果

表3 不同約束螺栓數(shù)的固有頻率

4 結(jié)論

應(yīng)用有限元技術(shù)，進行立式電機機座的瞬態(tài)響應(yīng)分析和振動分析，結(jié)論如下：

（1）考慮動態(tài)載荷，進行強度、剛度分析，應(yīng)力、變形都遠小于設(shè)計值，說明結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足動態(tài)強度和剛度要求。

（2）通過單邊磁拉力的作用對比，可以看出不平衡力對結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響不大。

（3）在正常工作條件下，電機機座的固有振動頻率與激振頻率相差 10%以上，因此，在電機的穩(wěn)定運行中，不存在共振問題。

（4）地腳螺栓的聯(lián)接對固有頻率有較大的影響，當螺栓組中出現(xiàn)某些螺栓失效時，將有可能引發(fā)共振。

（5）由于激振頻率處于機座的某兩階固有頻率之間，增大地腳螺栓數(shù)目對振動并無明顯改善。

（6）模態(tài)的危險位置主要發(fā)生在機座上端，特別是上端的四個角。因此，機座四角的四塊彎板要有足夠的剛度。

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