有限元边界条件对轧钢电机机座刚度分析结果的影响

巩华敏

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)

有限元边界条件对轧钢电机机座刚度分析结果的影响

巩华敏

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

摘要：电机机座的刚度对电机性能有重要影响，随着有限元分析技术的发展与完善，使用有限元法分析机座的刚度已经成为一种发展趋势。运用ANSYS Workbench分析平台，以某型轧钢电机为例，分析有限元边界条件对其机座刚度分析结果的影响，为机座的设计和优化提供理论依据。

关键词：轧钢电机;边界条件;机座刚度;有限元

0引言

机座是电机的重要零件之一[1]。机座主要用来支撑定子铁心的质量，并使定子铁心保持一定的圆度。为了防止定子铁心变形导致的定子线圈绝缘损伤和气隙的改变量超出许用值，要求机座具有足够的刚度。另外，在电机装配和运输过程中，机座要承受重力和吊起力的作用；在电机运行过程中，机座受到重力、磁拉力、摩擦力和螺栓约束力的作用。因此，机座必须要有足够的刚度，保证机座在上述诸力的作用下不产生过大的变形[2]。

尽管在计算机座刚度时人们已经总结出了一些通过对机座进行简化而获得的解析算法，但是由于机座结构的复杂性，用传统的解析算法很难精确分析和计算其变形情况。在机座设计过程中，经常根据经验或参考有关样机进行设计，这种设计方法不仅使设计结果趋于保守，而且对于特殊或者新的结构可能导致失败的设计。随着有限元分析技术的发展与完善，利用有限元分析方法进行机座刚度的分析已经成为提高机座质量和降低机座制造成本的有效手段[3]。

笔者在研究过程中，发现边界条件的设置对机座的刚度分析结果有比较大的影响，而当前已经发表的文献对此还没有进行过详细的研究。因此，以某型轧钢电机的机座刚度分析过程为例，利用ANSYS Workbench分析平台，研究边界条件对机座刚度分析结果的影响，从而为电机机座设计和优化提供理论依据。

1有限元分析模型

某轧钢电机机座是由钢板焊接而成的箱式结构，该结构相比整体铸造机座具有加工周期短、定子铁心压装方便和便于嵌线的优点。

使用Solidworks三维建模软件创建机座的三维实体模型。创建机座的三维实体模型时应该注意以下几点：

1) 为了提高建模和分析效率，忽略不重要的孔和倒角；

2) 考虑冷却器结构对机座刚度的影响，简化后的冷却器模型如图1所示；

图1　冷却器模型

3) 考虑转子和轴承系统对机座刚度的影响，简化后的转子及轴承系统模型如图2所示；

4) 忽略定子线圈的刚度，把其质量等效到定子铁心上面，简化后的定子铁心模型如图3所示；

5) 忽略出线盒和盖板等零部件的影响。

图2　转子及轴承系统模型

把装配完成后的机座三维实体模型导入到ANSYS Workbench分析平台中，然后定义各零部件的材料属性。分析时使用的材料类型及其属性如表1所示。

图3　定子铁心模型

假定机座的焊接连接为刚性连接[4]，设置焊接处的接触类型为“Bonded”；轴及轴承系统与端盖的接触部分按照实际接触情况设置为 “Bonded”和“No

表1　材料类型及其属性

注：*为等效密度。

Separation”两种接触类型；其余部分的接触类型均设置为“Bonded”。

设定网格物理场为“Mechanical”，关联度为40，优化尺寸功能为曲率控制，然后进行有限元网格划分，得到如图4所示的机座有限元分析模型。

图4　机座有限元分析模型

上述模型共有174 725个单元和425 206个节点。该模型网格量较大，在求解时为了提高求解速度，可以开启多核并行运算模式。

2载荷及边界条件

2.1载荷类型

某型轧钢电机在运转过程中主要承受以下几种载荷：

1) 重力。对于卧式电机，除了承受机座本身的重力外，还要承受定子铁心、转子及轴承系统和冷却器以及其他零部件的质量。取重力加速度为标准重力加速度，以均布方式作用于机座上，大小为9.8 066 m/s2，方向垂直电机底脚板向下。

2) 电磁转矩[5]。忽略机械损耗的影响，可以按照下式计算

(1)

式中，TN为电磁转矩，kN·m；PN为额定功率，kW；nN为额定转速，r/min。

3) 单边磁拉力。单边磁拉力与定转子之间变化的气隙有关。根据毛文贵[6]等人得出的单边磁拉力对机座刚度影响不大的结论，不考虑单边磁拉力的影响。

4) 轴向力。按照客户的要求，该型轧钢电机要能够承受一定的轴向力，方向垂直于轴伸端并指向非轴伸端。

5) 铁心热膨胀引起的径向力。根据笔者以往的研究经验，该径向力对机座刚度影响不大，因此，不考虑其影响。

2.2边界条件

某型轧钢电机通过左右对称共4只连接螺栓固定到电机底架上，该底架的底板通过地脚螺栓固定在工作台面上。电机底架是由普通Q235-A型钢板焊接而成的。经过对该型电机工作方式和安装方式的分析，分别采用以下五种约束方式来分析机座的刚度：

① 固定约束机座左右底板的两个下表面；

② 弹性约束机座左右底板的两个下表面并限制底板下表面沿长度和宽度方向的位移；

③ 固定约束机座底板上的4个连接螺栓孔；

④ 固定约束受挤压底板的下表面和两个受挤压连接螺栓头的下表面；

⑤ 弹性约束受挤压底板的下表面和两个受挤压连接螺栓头的下表面。

3机座刚度分析

施加2.1小节所述的载荷，分别按照2.2小节所述的边界条件对机座的刚度进行分析，得到的机座的变形云图如图5～9所示。

图5　边界条件①时机座的变形云图

图6　边界条件②时机座的变形云图

图7　边界条件③时机座的变形云图

图8　边界条件④时机座的变形云图

图9　边界条件⑤时机座的变形云图

把上述不同边界条件下机座的变形值整理到表2中。

表2　不同边界条件下机座的变形　mm

根据图5～9和表2可以发现：

1) 不同边界条件下机座最大变形的大小和位置均不相同，说明边界条件的设置对机座刚度分析结果是有影响的；

2) 边界条件①时机座的最大变形比边界条件②时的小，边界条件④时机座的最大变形比边界条件⑤时的大，说明在约束位置相同时，固定约束时机座的最大变形并不总是比弹性约束时的小；

3) 在五种边界条件中，边界条件③时机座最大变形最大，这是因为整个机座底板失去了支撑；

4) 在五种边界条件中，边界条件①时机座最大变形最小，这是因为整个机座底板得到了支撑；

5) 上述五种边界条件中机座最大变形由大到小的顺序为：边界条件③、边界条件④、边界条件⑤、边界条件②、边界条件①。

此外，根据笔者的分析经验，采用边界条件②进行机座的刚度分析比较符合实际工况。

4结语

基于ANSYS Workbench分析平台，以某型轧钢电机为例，研究有限元边界条件对其机座刚度分析结果的影响，得到以下结论：

1) 不同的边界条件导致机座最大变形的大小和位置的不同；

2) 约束位置相同时，采用固定约束时机座最大变形值并不总是比采用弹性约束时的小；

3) 固定机座底板连接螺栓孔时机座的最大变形最大，这是由于机座底板失去支撑的缘故。

因此，在运用有限元法分析机座的刚度时，要考虑边界条件对机座刚度分析结果的影响，并掌握不同边界条件的特点，只有如此，才能够科学有效地利用有限元分析方法为机座的设计和优化提供理论依据。

参考文献

[1]李秀英，黄力明，杨耀文，等.用有限元法计算异步电机机座的强度刚度[J].中小型电机，1996，23(5)：20-22.

[2]刘禄臣.水轮发电机定子机座的刚度问题[J].大电机技术，1985，(5)：1-5.

[3]刘建忠.利用有限元法对电机机座的分析与优化[J].防爆电机，2010，45(3)：20-23.

[4]谭加才，傅彩明，毛文贵，等.YKKL400-6立式冷凝泵电机机座的有限元结构分析[J].大电机技术，2006，(6)：17-19，37.

[5]张俊林.牵引电动机机座的动态特性分析和疲劳寿命评估[D].大连交通大学，2007.

[6]毛文贵，李建华，傅彩明.立式电机机座的动态性能仿真研究[J].大电机技术，2010，(3)：31-34.

作者简介：

巩华敏，男，1987年生，2013年毕业于东北大学，工程师，现就职于上海电气集团上海电机厂有限公司设计研发部电机研究室。