大型感应电机定子结构分析

陈震林 潘跃林 吕敬高

（1. 湘潭电机股份有限公司, 湘潭411101； 2.海军驻湖南地区军事代表室, 湘潭 411101）

1 引言

电机在运行过程中同时受到重力、电磁力矩、离心力及机械不平衡力的作用，在这些载荷的共同作用下，电机各部件将产生较大的应力和变形，为了确保电机具有足够的强度和刚度，并能够长期安全运行，必须对整个电机结构以及各部件的应力分布及变形进行全面分析。

本文应用大型有限元分析软件 ANSYS对某大型感应电机定子进行了结构分析，得到了感应电机总体应力分布及位移，同时对该感应电机端盖进行了优化设计，得出了一些有益的结论，可为感应电机的设计提供参考。

2 结构分析理论基础

众所周知，在进行结构有限元分析时，首先要对结构进行离散化处理，即进行网格划分并确定单元类型、节点的几何坐标、负载和边界条件等信息参数，形成单元质量矩阵[M]e、阻尼矩阵[C]e、和刚度矩阵[M]e、通过组装单元矩阵得到结构的质量矩阵[M]、阻尼矩阵[C]及刚度矩阵[K]。则结构完整的结构分析有限元分析基本方程可写为：

求解式（2）即可得到结构在外力p（t）作用下的位移场解；由应力—应变关系进而得到结构的应力场解。

式（2）中的结构刚度矩阵[K]，与结构的几何形状有关，因为刚度矩阵[K]中的每一项元素都与结构模型中的节点坐标有关。而要保证[K]矩阵能够较好的反映结构的真实刚度，建立一个好的计算力学模型，逼真的模拟结构的几何形状和受力情况则是非常关键的。

3 有限元分析模型

1） 几何模型的建立

为便于分析和描述，首先对计算中所采用的坐标系进行描述：总体坐标系选为直角坐标系。坐标原点位于电机定子中断面的圆心，电机轴向为Z向，Z轴正向指向非驱动端；垂直于Z轴的竖直方向为Y轴；X轴为垂直于Z轴的水平方向，并且和Y轴、Z轴共同构成一右手坐标系。

应用设计软件 Pro-E，通过特征造型功能创建感应电机定子模型。考虑到计算类型和关心重点，忽略电机转子、铁心绕组和冷却系统的建模，仅考虑三者质量的影响而忽略其刚度，并以等效质量的方式分别施加至电机轴承、铁心和电机顶板上。

2） 网格划分

将建立的几何模型通过PRO/E和ANSYS的接口导入分析软件 ANSYS中。在该分析中，利用 ANSYS前处理技术，采用三维实体单元（SOLID185、）和质量单元（MASS21）来离散和模拟整个电机。其中整个感应电机（包括端盖、轴承座）全部采用三维实体单元；通风机组和冷却器以及转子的重量均采用质量单元模拟。两端端盖与机座用螺栓联接成一个整体，为了考虑该结构的整体作用，我们将这个组合起来的结构看作是一个完整的弹性体。整个电机结构有限元分析模型均真实模拟了它们的实际形状和结构，网格剖分后的有限元分析模型如图1所示。

图1 电机有限元分析模型

3） 材料属性定义

①对于定子铁心，取弹性模量E=1.5×105MPa，泊松比ν= 0.3，质量密度ρ＝8483 kg/m3，为等效密度换算结果。

②定子其余钢板弹性模量E= 2.07×1011Pa，泊松比为υ＝0.3，密度7.8×103kg/m3。

4） 边界约束

对电机底板四角施加固定约束。

5）载荷施加

① 扭矩：作用在电机定子内径表面，沿周向均匀分布。

② 偏心磁拉力：偏心磁拉力作用在电机定子内径表面，力的方向指向圆心。本计算考虑偏心磁拉力的合力方向与重力方向一致，即偏心磁拉力在电机上半圆周1800呈正弦分布，这样考虑的结果将趋于保守。

③ 转子重量：转子重量作为集中力分别加在两端轴承瓦枕的重力方向。

④ 结构自重：程序自动计算。

4 计算结果分析

电机在最大扭矩工况下的Mises应力为10.2 MPa，位于底脚与机壳圆柱体的接触部位。该最大应力位于接触尖角处，存在应力集中，如图 2所示。电机本体最大变形位于机座上部，最大变形为0.014 mm，如图3所示。

图2 电机总体Mises应力云图

图3 电机总体位移云图

通过仿真分析可知，该电机在扭矩工况下的应力及变形都比较小，从静力学来看，该电机有很大的强度和刚度裕量。为了优化端盖结构及充分应用材料力学性能，本文对端盖有加强筋及无加强筋进行了对比分析，其对比结果如表1所示。

表1 对比分析结果

限于篇幅，本文仅列出应力及其位移情况较为恶劣的非驱动端端盖的应力及位移云图。其中，图4为有加强筋的非驱动端端盖应力云图；图5为有加强筋的非驱动端端盖位移云图；图6为无加强筋的非驱动端端盖应力云图；图7为无加强筋的非驱动端端盖位移云图。

图4 非驱动端端盖应力云图（有加强筋）

图5 非驱动端端盖位移云图（有加强筋）

图6 非驱动端端盖应力云图（无加强筋）

图7 非驱动端端盖位移云图（无加强筋）

由表1可知：采用加强筋后，极大地改善了端盖的表面应力及其位移，同时也降低了机座的整体应力及增强了其整体刚度。经过讨论分析，端盖加强筋采用槽钢，并对其进行了有限元分析。其中，图8为采用槽钢的非驱动端端盖应力云图，其Mises应力最大值为10.4 MPa；图9为采用槽钢的非驱动端端盖位移云图，其位移最大值为0.01976 mm，均满足强度及刚度要求。

图8 非驱动端端盖应力云图（槽钢）

图9 非驱动端端盖位移云图（槽钢）

5 结束语

本文结合三维实体造型软件Pro-E及有限元分析软件ANSYS，对某大型感应电机进行了几何实体建模及结构分析，得到了一些可供设计参考的结论：

（1）该电机定子结构满足刚、强度要求；

（2）该电机端盖采用加强筋后，极大地改善了端盖的表面应力及其位移，同时也降低了机座的整体应力及增强了其整体刚度，经过讨论分析，端盖加强筋采用槽钢；

（3）本文所采用的分析方法同样适用于其它感应电机的设计与分析。

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