中型2P高压高效系列电机开发研制—机座的加强

李晓蕾

(1. 上海交通大学电子信息与电气工程学院； 2. 上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

Y系列2P异步电动机广泛应用于电力、石化等各个领域，在异步电机中技术含量较高。而用户也对2P电机的功率密度、高效节能要求逐渐增多。基于上述背景，我们进行YS-2、YSKK-2异步电动机的系列化开发设计，开发符合国家能源局高效电机的要求、性能参数优于国内厂家同类产品、具有优势产品竞争力。在系列化开发中，机座的加强及改进对于整个系列开发具有很重要的作用。

1 电机机座加强

交流电机的机座是作为定子绕线和定子铁心的机械支撑，固定前后端盖，支撑冷却器，承受和传递扭矩，承受各种外力的影响，且还是冷却风路的一部分。因此，机座设计时应注意以下几点：必须具有足够的强度和刚度，使其在加工、运输、起吊及运行中能承受各种机械作用力、电磁力而不致产生有害的变形[1]。

(1) 机座的设计还要考虑便于加工、运输、安装及检修。

(2) 机座的内圆空间要得到充分利用，还要满足通风冷却的要求。

(3) 机座的中心高及底脚安装尺寸应符合国家标准要求。

一般机座的机械计算常包括刚度、强度及固有振动频率的计算，焊接机座还需进行底脚板焊缝应力的计算，其中主要是机座刚度的计算[2]。实践表明，若机座的刚度足够，则其强度也能满足，因此主要对电机机座的刚度进行核算。

因2P电机转速高离心力大，机械结构强度复杂，就以下两方面对机座进行了加强：

(1) 增加了6根50圆钢作为撑筋，在长度方向贯穿整个机座。

(2) 机座地脚板采用前后贯穿的两块长板，在地脚孔位置机座侧板挖空，并使用一块弯板封闭机座，使地脚孔外露。

(3) 在中壁开通风孔，利用SolidWorks对机座进行优化设计，可以直观地看到整个通风孔及撑筋的布局，提高设计的合理性。

机座中壁侧面图见图1，机座三维图见图2。机座内外表面均采用连续焊并做热处理消除内应力。

2 有限元分析

借助有限元技术对电机定子刚度进行计算，借助其快速、柔性、高效、精细的特点，比传统计算方法具有明显的优势。采用有限元法对定子进行强度分析已经得到很多企业的认可[3]。

图1 机座的中壁侧面图

图2 机座三维图

因此，系列开发对机座进行加强措施后，再对新机座进行仿真计算，主要包括：电机结构的静力学和动力学特性，预测电机结构性能。

2．1 几何建模

两台电机均为箱式电机，机座为钢板焊接而成。现以YXKK400-2电机为例进行有限元分析。电机主要组成部分有：机座、铁心、端盖、转子，轴承，具体几何模型如图3所示。为了使分析结果更加精确，几何建模均按照图纸进行全三维建模。但考虑到部分零件结构细小特征过多，如：机座上的小孔、小倒角等会影响后续有限元建模工作，所以对机座进行了部分结构简化。

图3 YXKK400电机三维几何模型

2．2 有限元建模

由于三维实体模型比较规则，全部采用六面体单元solid185进行网格划分，其网格模型如图4所示。其中总装配体网格单元数量为510 674，基座网格单元数量为148 925，定子铁心网格单元数量为148 941，转子网格单元数量为212 808。

图4 定子网格

2．3 结构静力学分析

机座受扭矩作用时，对底脚孔进行固支约束，将扭矩施加在中壁内圈。转子受力分析时，将转轴两端装轴承处固支，在铁心段施加重力、磁拉力等。

在极限工况(10倍扭矩)作用下，机座的应力云图如图5所示。从图上可以看出，机座最大应力为94 Mpa，其位置在中壁下45°角位置附近。从应力分布可以看出，底脚螺栓以及下部弯钢处承受的应力最大。

图6为机座的位移云图，在各个力作用下机座整体位移最大值约为0.192 mm，出现在机座上方。提取机座中壁圆心位置发现，在外力作用下圆心位置变化为0.01 mm，位移很小可以忽略对气隙的影响。

图5 机座应力云图

因此，从静力学特性分析可以看出，机座在极限工况下的强度和刚度均满足设计要求。

2．4 动力学分析

电机运行过程中产生的振动和噪声，是由不平衡力、 电磁力引起电机强迫振动产生的。当电机结构发生共振时，电机的振动会更大。为了降低振动，预测电机振动情况，必须对电机结构动力学特性进行详细的研究。

图6 机座位移云图

2．4．1 整机有限元模型建立

此类型电机定子和机座之间通过焊接连成一体，定子和机座之间无任何相对滑移。轴承的轴承座与端盖之间通过螺栓紧固，轴承内圈与轴之间过盈配合。所以对于定子、机座、轴承、端盖之间的接触均采用绑定接触。

2．4．2 边界条件处理

电机的实际运行过程， 是通过底脚螺栓紧固在底架之上实现的。底脚螺栓的连接作用对电机整机的动力学特性有着较大影响，底脚螺栓的连接无疑增大了整个电机系统的刚性，所以底脚约束边界条件的处理，是整机动力学特性分析的一个关键因素。

对于动力学分析而言，螺栓连接作用体现为电机系统与底架之间的连接刚度，从而对于底脚螺栓连接作用的研究，即为螺栓连接刚度的研究。螺栓连接刚度问题较为复杂，通过相关文献查询方法计算后，选取了底脚孔外圈一定面积处作固支处理。

2．4．3 计算结果

整机约束工况下的频率和整机阵型如表1和图7所示。电机第一阶阵型为整机的前后蹿动阵型，第二阶阵型为整机左右摆动阵型，第三阶阵型电机整机垂直方向上的上下跳动阵型，第四阶为整机右侧横摆运动，第五阶次为整机垂向向上翘动与轴的轴向蹿动耦合阵型。

表1 YXKK400电机整机频率

图7 整机振型图

整机频率分析结果表明，整机的固有频率均避开了工频及二倍转频的激励范围，整机结果显示动力学性能满足要求。

3 结语

中型2P高压高效系列电机开发研制中对于电机机座进行的加强改进措施，经有限元分析证实了此加强结构强度符合系列化开发设计要求，也符合各类标准要求，对于中型2P高压高效系列电机开发研制具有很重要的作用。