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大型立式电机建模及模态仿真（太原）,大型,立式,电机,建模,仿真,太原
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毕业设计大型立式电机建模及模态仿真机械工程系王峰102011119学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 佘银柱专 业： 指导教师： 二一四年六月机械工程系机械设计制造及其自动化 附件6毕业设计任务书设计题目： 大型立式电机建模及模态仿真 系部： 机械工程系 专业：机械设计制造及其自动化 学号： 102011119 学生： 王峰 指导教师（含职称）：佘银柱（任洁）副教授专业负责人： 田静 1设计的主要任务及目标分析大型电机进行三维建模，并且对关键零部件进行校核。运用有限元分析方法进行模态分析达到避免共振、减轻电机重量、简化工艺、节约原材料、增加可靠性的目的。 2设计的基本要求和内容（1）通过广泛调研、查阅文献、参观实习，了解和掌握历史电机的重要作用，研究现状、基本类型、设计方法等，明确选题的意义。（2）综合运用基础知识和专业知识对大型立式进行三维建模。（3）应用有限元分析软件对大型立式电机进行模态分析。（4）按时完成毕业论文。要求论文论述清楚、文理通顺、图表规范、数据准确、内容完备。（5）遵守纪律，以严谨的科学作风，按时完成各项任务。3主要参考文献1 曹树谦.振动结构模态分析M.天津大学出版社，2002，62 大久保信机械模态分析技术M.尹传家译.上海：上海交通大学出版社，1985.3 陈 超，赵淳生旋转型行波超声电机定子的子结构模型研究J振动工程学报，2005 4进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1开题报告2014-3-1至2014-3-202中期报告完成三维建模2014-3-20至2014-4-303模态分析2014-5-1至2014-5-154毕业论文撰写2014-5-16至2014-5-315准备毕业答辩ppt2014-6-1至2014-6-10注：一式4份，系部、指导教师各1份、学生2份：毕业设计及答辩评分表各一份 诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签字： 年 月 日 大型立式电机建模及模态仿真学生姓名：王峰班 级：1020111学 号：102011119指导老师及职称：佘银柱 教授 大型立式电机建模及模态仿真摘要：大型电动机是重要的生产动力设备和辅机设备，机座、定子和转子是电机的关键零部件。大型立式电机由于其自身结构和承载方式的特点，容易因机械强度、刚度不足以及共振而发生电机破坏，这使得结构分析与优化成为了大型立式电机设计的一个重要内容。本文以YKSL2150大型立式电机为研究对象，运用有限元仿真与试验相结合的方法，应用三维CAD技术和有限元技术进行了电机关键零部件的实体建模、静力学仿真和自由模态仿真，在仿真结果的基础上，对电机定子、转子结构进行了优化。主要工作内容如下:(1)应用Pro/Engineer软件建立电机关键零、部件的三维实体模型;(2)分别考虑转矩、轴向力、径向力以及综合载荷，进行了定子、转子的有限元静力学仿真以及强度和刚度校核;(3)在考虑电机冷却板、接线盒、吊钩等多种结构的基础上，进行了定子、转子的自由模态仿真，得到了前十阶固有振动频率和振型，进行了电机的电磁振动分析;(4)进行了定子的模态试验和应变测试试验，应用试验结果验证了仿真结果;(5)在保持电机功率、电磁参数不变的前提下，以简化工艺为目标，进行了电机结构的优化。通过试验和有限元仿真表明，现有电机结构在正常情况下满足强度、刚度和固有振动特性的要求，但安全裕量都不大。机定子座的危险位置主要发生在上机架外筋板处，转子的危险位置主要发生在转轴下端联轴器位置，而地脚螺栓联接的可靠性则直接的影响电机的固有振动特性。关键字:大型立式电机，有限元分析，三维建模 ABSTRACT：Heavy efficiency motor is an important power equipment and auxiliary equipment, which critic part includes base ,stator and rotor.Heavy vertical motor is easy to be damaged because of absence of strength, stiffness and vibration due to its structure and force. Thus, the analysis and optimization of structure are an important part of motor designing. In this paper, motor structure is researched by combing experiment study with simuliation .Using 3D CAD, virtual prototype and FEM, kinematics, static and modal simulation are conducted. In the end,modal experiment and strain testing are implied. Further, the motorsstructure is optimized. The main content includes:(1) The motors integral entity model is established by Pro/Engineer；(2) The static simulation of base and rotor are carried out considerv all kind of forces,the stress intensity and deformation are obtained and proved；(3) Based on the integral 3D model，the natural frequencies and corresponding vibration modals of the base and rotor are obtained by performing modal analysis；(4) Static strain testing and modal experiment are done, the virtu prototyping and simulation are proved；(5)The motor structure is optimized to simplify polytechnic keeping constant of efficiency and magnetic options；The experiment results and simulation indicate that the current motor has the right strength，stiffness and vibration, but not enough. The dangerous place is upper bracket and the part of coupling for rotor. And the connection reliability of foundation screws impacts the motors vibration characteristic.KEY WORDS:Heavy vertical motor, Finite Element, The three-dimensional modeling 目录1.绪论11.1课题背景11.2 电机简介11.2.2 电机的主要参数31.3 国内外电机的研究现状及发展前景41.4 课题研究的目的和意义52.有限元分析技术与电机建模62.1有限元分析技术62.1.1有限元分析技术的定义及特点62.1.2有限元分析的步骤方法72.1.3有限元分析技术的发展趋势82.2 电机三维实体建模102.2.1 三维实体建模平台的选择102.2.2 Pro/Engineer三维实体建模112.2.3 实体模型简化123.数值模拟与有限元法概述153.1工程问题的解决153.2数值模拟与有限元法153.3有限元法的起源164.电机的模态仿真分析184.1 模态分析基本理论184.1.1 模态分析概述184.1.2 基本有限元方程194.2 模态分析软件的选择214.3 电机的模态分析224.3.1 网格划分224.3.2 约束条件234.3.3 模态仿真结果分析245.电机结构对比分析285.1 定、转子铁芯长度对电机的影响285.1.1 电机铁芯长度对频率的影响295.1.2电机铁芯长度对振型的影响29结 论32太原工业学院毕业设计1.绪论1.1课题背景立式电机的承载结构与卧式不同，载荷属于级级递传形式，各个部分的强度和刚度要求都很严格，因此，对各个结构有个理性的把握是很重要的，尤其是对于新的大型结构的设计，仿真模拟是非常必要。立式电机的载荷最终通过机座传递到底座上,机座是主要的承载部件,其刚度至关重要,而定、转子作为电机的核心部分，是能量转换的场所，其微小变化都会对电机产生不可忽视的影响，因此，定、转子必须有足够的刚度和强度，才能保证电机正常运行。在电机运转过程中，当电机处于某种工作环境或激励条件时，在其自身惯性力和外部激励的共同作用下，当外部激励的某阶激励频率与电机的某阶固有频率接近或相等且激励力足够大时，电机就会产生严重的振动现象，会严重地影响电机的工作稳定性。对于这样的振动问题，用传统的研究方法难以解决，而应综合考虑影响电机静、动力学性能的各种参数、载荷和激励条件，应用有限元仿真系统研究电机的运动学和动力学特征，确定出敏感的影响因素和规律，解决电机静、动力学与结构优化等问题，使之避免强烈振动现象的发生。本项目应用仿真与模拟技术对电机的静、动力学性能进行仿真研究，分析出电机的模态参数及其结构参数之间的变化规律，获得影响电机静、动力学性能特征的敏感因素，确定电机的最优结构方案，降低电机的振动幅度，减轻其自重，提高其动态性能、经济效益和国内外市场的竞争能力。机械振动特性的主要研究方法有机械阻抗法、能量法和有限元法4，随着计算机技术的发展，目前已普遍应用有限元法对复杂的结构进行运动学、动力学分析，得到机械产品的振动参数，从而对机械结构进行优化，提高电机的结构质量和产品质量。在电机行业，有限元分析方法目前多用于在大型水轮机、汽轮机结构件的计算分析上，涉及大中型交流立式电机的研究还不多见5。1.2 电机简介本课题研究的对象是YKSL2150型大型立式电动机（YKSL带空-水冷却器全封闭式鼠笼转子三相立式异步电动机，2150定子铁芯外径2150mm），可用于驱动立式安装的水泵及其他负载设备。该电动机采用国际上流行的箱式结构，其方型机座由钢板焊接制成，具有刚度好，重量轻的优点，其机械结构如图1.1所示，主要包括以下几部分：图1.1 电机结构图（1）定子。是输入电功率，产生磁场的静止部件。对交流电机来说，在通常结构形式下，定子磁场是旋转的；对直流电机来说，定子磁场是静止的。定子通常是由机座固定在底板上；（2）转子。是产生一个定子磁场相对运动的磁场，轴上输出功率的重要部件，其上各部件往往要承受较大机械应力和电磁力，转子通常是依靠转轴支撑在轴承上；（3）轴承装置。是保证转子正常旋转并保持定、转子相对位置不变或处于所限定的范围之内的机械结构。中、小型电机一般采用滚动轴承，固定在电机两侧端盘上；对大型电机来说一般采用滑动轴承，用轴承座固定在底板上；（4）底板。单台的中、小型电机没有底板，定、转子、机座、端盖装配成一个整体，依靠与机座为一体的底脚板，直接固定到基础上；大型电机因为其自身的结构特征和负载特性，在工作时容易产生极大的振动和噪声，成为噪声的重要声源之一。然而电机在家庭、商业、办公室以及工农医等行业广泛而大量地应用着，与人民的生活密切相关。随着社会的进步，人们对污染环境的噪声提出了越来越高的要求与限制，尤其对与人们密切接触的家用电器更是如此。这方面，先进国家尤其重视。我国政府历来重视人民的健康，对限制噪声不遗余力。因此，尽量降低电机的噪声，生产低噪声的电机，给人们创造一个舒适、安静的环境是每个设计者与生产者的职责。根据电机噪声产生的不同方式，大致可把其噪声分为三大类：电磁噪声；机械噪声；空气动力噪声。从产生噪声的原理来看，振动引起的噪声最为普遍。因而，研究电动机的振动问题，对降低噪声污染、改善生活环境也具有十分重要的意义。电磁噪声主要是由气隙磁场作用于定子铁芯的径向分量所产生的。它通过磁轭向外传播，使电机铁芯产生振动变形。其次是气隙磁场的切向分量，它与电磁转矩相反，使铁芯局部变形振动。当径向电磁力波动与电机的固有频率相等或接近时，就会引起共振，使振动与噪声大大增强，甚至危及电机的安全。由此可见，铁芯长度的选择对于研究电机的振动和噪音有着重要的意义。1.2.2 电机的主要参数电机的主要参数如表1.1所示：表1.1 电机主要参数额定功率(kw)3000额定转速(r/min)490相数3极对数16转差率0.01定子内径(mm)1782定子外径(mm)2150气隙量(mm)2.5定子槽数108转子槽数132轭部长度(mm)700主要材料45钢总重量(kg)318501.3 国内外电机的研究现状及发展前景目前电机性能提高的研究都主要集中在电磁振动产生的原因、定子、转子结构结对振动的影响、转子动力学等方面。电机振动是近年来电机研究的热点和难点之一。一直以来，人们认为由于电机运行时的定、转子磁极间存在脉动的切向和径向磁吸力而产生的脉动电磁转矩是造成电机振动的主要原因，但是1992年，Derrick E. Cameron, JefreyH. LangStephenD . Umans基于频域的研究和一系列实验表明，电机振动的主要根源是由于定子受到径向磁拉力而产生的振动和变形，当径向磁拉力的谐波频率和定子的固有频率一致时噪音明显增大。1995年，Chi-Tao Wu和Charles Pollock基于时域的研究也表明开关磁阻电机噪声的主要根源不是转矩脉动，而是定子的振动变形。在如何减小开关磁阻电机振动方面，Derrick E.Cameron提出：可以通过控制开通角和关断角以分散噪声激励频谱，降低与定子机械共振。Chi-Yao Wu得出结论：开关磁阻电机相绕组外施相电压的阶跃变化，导致相电流、径向力变化率跃变是引起电机振动大的主要原因。因相电流关断时，相电压产生大幅度负跃变，加之径向磁拉力变化，会引起电机振动，应用解析方法可预测电机噪声，并分析定转子极对数对电机振动的影响。在此基础上，Chi-Tao Wu提出了“两步换相法”，即将不对称半桥主功率电路中的相电流的关断过程分成两步进行，以使两次关断激发的冲击振动相位相反，相互抵消，从而达到抑制振动减小噪声的目的。2000年和2003年，S.A1ong提出了计算开关磁阻电机径向磁拉力和预测电机噪声的解析方法，并分析了定转子极对数对电机振动的影响。2002年，W.Cai和P.Pillay等研究了定子绕组和端盖对固有频率的影响，得出绕组减小固有频率而端盖增加固有频率的结论，因此，绕组和端盖对固有频率的影响在相当程度上是相互抵消的3。近年来国内也有部分学者在研究电机的振动，研究领域主要集中在电机定子固有频率的计算、定子参数设计对电机振动特性的影响、换向方法的进一步研究以及振动和噪声预测等方面。1997年浙江大学的陈永校和王宏华基于能量法，考虑了弯曲、剪切和拉伸应变能及旋转和平移动能的情况下，提出了计算开关磁阻电机定子的固有频率的解析方法，同时分析了电机绕组和磁极极弧对定子固有频率的影响。王宏华随后采用机电类比分析研究了电机定子设计对其振动特性的影响4。哈尔滨工业大学的Zhangjun Tang等通过振动试验，获得开关磁阻电机振动的传递函数的方法，建立了电机的振动模型，并进一步建立了SR电机振动预测的模型5。2004年浙江大学的吴建华分析了散热筋、机座、接线盒对定子固有频率的影响并以真实的3D模型进行了双凸极电机定子结构的有限元振动分析，认为利用真实的三维实体模型分析出来的定子固有频率比由二维模型分析的结果要更接近于实际6。南京航空航天大学的赵淳生、赵向东建立了超声波电机的动力学模型，应用有限元方法进行了定子结构的模态分析，并依此优化了电机结构7。由以上的文献可知：如今的电机设计、制造和测试都在不断的应用新技术。通过实践证明：有限元法比传统的机械设计方法更有利，它运用现代设计方法应用机械结构设计及优化中，其时间少，效率高。尤其随着CAE理论的日益成熟，大型建模软件和仿真软件的应用，使得有限元方法更具有强大的优势。因而，我们也将采用模拟与仿真技术对电机进行模态分析。1.4 课题研究的目的和意义为了达到研究的目的，可以通过有限元仿真，获得机座、转子固有振动频率和振型，获得相关的应力和位移的参数及其分布规律，从而为关键零件提出较为合理的结构形式和尺寸区间，达到避免共振、减轻电机重量、简化工艺、节约原材料、增加可靠性的目的。本课题研究对改善大型电机动力学性能、提升我国大型电机及同类装备设计制造水平具有非常重要的理论价值和现实意义。2.有限元分析技术与电机建模有限元分析技术是近年来在产品开发的CAX，如CAD、CAE、CAM等技术和DFX，如DFA(DesignF0rAssembly，面向装配的设计)、DFM(Design ForManufacture，面向制造的技术)等为技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统的全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统层面来分析系统，支持由上至下的复杂系统开以模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力18。2.1有限元分析技术2.1.1有限元分析技术的定义及特点有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元是那些集合在一起能够表示实际连续域的离散单元。有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种丰富多彩、应用广泛并且实用高效的数值分析方法。在解偏微分方程的过程中, 主要的难点是如何构造一个方程来逼近原本研究的方程, 并且该过程还需要保持数值稳定性。目前有许多处理的方法，他们各有利弊。当区域改变时(就像一个边界可变的固体), 当需要的精确度在整个区域上变化, 或者当解缺少光滑性时, 有限元方法是在复杂区域(像汽车和输油管道)上解偏微分方程的一个很好的选择。例如, 在正面碰撞仿真时, 有可能在重要区域(例如汽车的前部)增加预先设定的精确度并在车辆的末尾减少精度(如此可以减少仿真所需消耗); 另一个例子是模拟地球的气候模式, 预先设定陆地部分的精确度高于广阔海洋部分的精确度是非常重要的有限元方法与其他求解边值问题近似方法的根本区别在于它的近似性仅限于相对小的子域中。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫（Clough）教授形象地将其描绘为：“有限元法=Rayleigh Ritz法+分片函数”，即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。不同于求解（往往是困难的）满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法，有限元法将函数定义在简单几何形状（如二维问题中的三角形或任意四边形）的单元域上（分片函数），且不考虑整个定义域的复杂边界条件，这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。2.1.2有限元分析的步骤方法 对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：第一步：问题及求解域定义：根据实际问题近似确定求解域的物理性质和几何区域。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网格越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。第三步：确定状态变量及控制方法：一个具体的物理问题通常可以用一组包含问题状态变量边界条件的微分方程式表示，为适合有限元求解，通常将微分方程化为等价的泛函形式。第四步：单元推导：对单元构造一个适合的近似解，即推导有限单元的列式，其中包括选择合理的单元坐标系，建立单元试函数，以某种方法给出单元各状态变量的离散关系，从而形成单元矩阵（结构力学中称刚度阵或柔度阵）。为保证问题求解的收敛性，单元推导有许多原则要遵循。 对工程应用而言，重要的是应注意每一种单元的解题性能与约束。例如，单元形状应以规则为好，畸形时不仅精度低，而且有缺秩的危险，将导致无法求解。第五步：总装求解：将单元总装形成离散域的总矩阵方程（联合方程组），反映对近似求解域的离散域的要求，即单元函数的连续性要满足一定的连续条件。总装是在相邻单元结点进行，状态变量及其导数（可能的话）连续性建立在结点处。第六步：联立方程组求解和结果解释：有限元法最终导致联立方程组。联立方程组的求解可用直接法、迭代法和随机法。求解结果是单元结点处状态变量的近似值。对于计算结果的质量，将通过与设计准则提供的允许值比较来评价并确定是否需要重复计算。简言之，有限元分析可分成三个阶段，前置处理、计算求解和后置处理。前置处理是建立有限元模型，完成单元网格划分；后置处理则是采集处理分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算结果。2.1.3有限元分析技术的发展趋势纵观当今国际上CAE软件的发展情况，可以看出有限元分析方法的一些发展趋势：1、与CAD软件的无缝集成当今有限元分析软件的一个发展趋势是与通用CAD软件的集成使用，即在用CAD软件完成部件和零件的造型设计后，能直接将模型传送到CAE软件中进行有限元网格划分并进行分析计算，如果分析的结果不满足设计要求则重新进行设计和分析，直到满意为止，从而极大地提高了设计水平和效率。为了满足工程师快捷地解 决复杂工程问题的要求，许多商业化有限元分析软件都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、 SolidEdge、SolidWorks、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。有些CAE软件为了实现和CAD软件的无缝集成而采 用了CAD的建模技术，如ADINA软件由于采用了基于Parasolid内核的实体建模技术，能和以Parasolid为核心的CAD软件（如 Unigraphics、SolidEdge、SolidWorks）实现真正无缝的双向数据交换。2、更为强大的网格处理能力有限元法求解问题的基本过程主要包括：分析对象的离散化、有限元求解、计算结果的后处理三部分。由于结构离散后的网格质量直接影响到求解时间及求解结果的 正确性与否，各软件开发商都加大了其在网格处理方面的投入，使网格生成的质量和效率都有了很大的提高，但在有些方面却一直没有得到改进，如对三维实 体模型进行自动六面体网格划分和根据求解结果对模型进行自适应网格划分，除了个别商业软件做得较好外，大多数分析软件仍然没有此功能。自动六面体网格划分 是指对三维实体模型程序能自动的划分出六面体网格单元，大多数软件都能采用映射、拖拉、扫略等功能生成六面体单元，但这些功能都只能对简单规则模型适 用，对于复杂的三维模型则只能采用自动四面体网格划分技术生成四面体单元。对于四面体单元，如果不使用中间节点，在很多问题中将会产生不正确的结果，如果 使用中间节点将会引起求解时间、收敛速度等方面的一系列问题，因此人们迫切的希望自动六面体网格功能的出现。自适应性网格划分是指在现有网格基础上，根据 有限元计算结果估计计算误差、重新划分网格和再计算的一个循环过程。对于许多工程实际问题，在整个求解过程中，模型的某些区域将会产生很大的应变，引起单 元畸变，从而导致求解不能进行下去或求解结果不正确，因此必须进行网格自动重划分。自适应网格往往是许多工程问题如裂纹扩展、薄板成形等大应变分析的必要条件。3、由求解线性问题发展到求解非线性问题随着科学技术的发展，线性理论已经远远不能满足设计的要求，许多工程问题如材料的破坏与失效、裂纹扩展等仅靠线性理论根本不能解决，必须进行非线性分析求 解，例如薄板成形就要求同时考虑结构的大位移、大应变（几何非线性）和塑性（材料非线性）；而对塑料、橡胶、陶瓷、混凝土及岩土等材料进行分析或需考虑材 料的塑性、蠕变效应时则必须考虑材料非线性。众所周知，非线性问题的求解是很复杂的，它不仅涉及到很多专门的数学问题，还必须掌握一定的理论知识和求解技巧，学习起来也较为困难。为此国外一些公司花费了大量的人力和物力开发非线性求解分析软件，如ADINA、ABAQUS等。它们的共同特点是具有高效的非 线性求解器、丰富而实用的非线性材料库，ADINA还同时具有隐式和显式两种时间积分方法。4、由单一结构场求解发展到耦合场问题的求解有限元分析方法最早应用于航空航天领域，主要用来求解线性结构问题，实践证明这是一种非常有效的数值分析方法。而且从理论上也已经证明，只要用于离散求解 对象的单元足够小，所得的解就可足够逼近于精确值。用于求解结构线性问题的有限元方法和软件已经比较成熟，发展方向是结构非线性、流体动力学和耦合场 问题的求解。例如由于摩擦接触而产生的热问题，金属成形时由于塑性功而产生的热问题,需要结构场和温度场的有限元分析结果交叉迭代求解，即热力耦合的 问题。当流体在弯管中流动时，流体压力会使弯管产生变形，而管的变形又反过来影响到流体的流动这就需要对结构场和流场的有限元分析结果交叉迭代求解， 即所谓流固耦合的问题。由于有限元的应用越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向。5、程序面向用户的开放性随着商业化的提高，各软件开发商为了扩大自己的市场份额，满足用户的需求，在软件的功能、易用性等方面花费了大量的投资，但由于用户的要求千差万别，不管 他们怎样努力也不可能满足所有用户的要求，因此必须给用户一个开放的环境，允许用户根据自己的实际情况对软件进行扩充，包括用户自定义单元特性、用户自定 义材料本构（结构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹扩展规律等等。关注有限元的理论发展，采用最先进的算法技术，扩充软件的性能，提高软件性能以满足用户不断增长的需求，是CAE软件开发商的主攻目标，也是其产品持续占有市场，求得生存和发展的根本之道。2.2 电机三维实体建模2.2.1 三维实体建模平台的选择随着计算机软硬件技术的飞速发展，机械设计领域中传统的机械产品的二维设计方法最终将被三维设计所取代。机械设计工具经历了从图板手工绘图到二维设计软件，再到三维建模软件的变迁。从图板设计到二维设计软件的变化只是绘图工具形式的改变，其本质上并没有多大的改变，只是方便了设计数据的共享。三维造型软件的出现则在设计领域中迈出了革命性的一步。现代的产品设计方法是从三维模型入手，让设计人员能够把设计工作的重点放在零件的结构设计和相关问题的解决上，如装配的干涉、检验、有限元分析等，根据设计要求随时重新构造零件模型，最后生成数控代码。它彻底改变了传统的设计理念，即从设计人员依靠想象力绘制各种视图，到直接绘制二维模型，再由计算机自动生成详细的视图。这使设计人员从想象各种视图的困境中解放出来。对于复杂的模型，更可避免传统设计方式难以避免的错误。而且，相对于平面模型而言，三维实体模型不仅可以提供几何拓扑信息，还可以包含模型的材料、质量、质芯位置和转动惯里等物理信息。实体三维建模的优势在于：(1) 出图功能强，可以直接从三维实体模型生成二维工程图，增强了绘制工程图的实用性；(2) 三维实体模型可以直接与其他模块之间进行自由切换，可以直接生成数控代码用于产品的加工；(3) 三维实体模型可以添加物理信息，能够进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析，提高设计的可靠性；(4) 采用三维实体模型可以直观地对整个系统进行仿真模拟，有效地解决构件间的干涉。目前，国外一些优秀三维设计软件如：UG、SolidWorks、Pro/Engineer、CATIA等都具有相当完善的实体建模技术。根据客观条件以及Pro/Engineer特点，本课题选择Pro/Engineer软件进行所有零部件的三维实体建模。2.2.2 Pro/Engineer三维实体建模(1) Pro/E简介Pro/Engineer（以下简称Pro/e)是由美国参数技术公司（Parametrie Tech-nology Compantion,简称PTC公司）开发的，它以其强大参数化设计能力而著称于世，是当今世界上最为流行的CAD/CAM软件之一。Pro/Engineer是功能十分全面的三维产品开发软件，使用它可以设计零件、装配产品、开发模具、设计铸造件、分析应力等。Pro/Engineer的参数化，基于特征的设计方法改变了传统的三维造型软件观念成为机械设计自动化领域的新标准。自从问世以来，PTC公司推出了多个版本的Pro/Engineer。2003年4月11日,PTC公司在北京推出了Wildfire版本。Wildfire是全球首套用于产品开发领域的“全方位”一体化系统，也是PTC产品生命周期管理（PLM）解决方案的核心。Pro/Engineer Wildfire野火版是第一套将产品开发和企业商业过程无缝连接起来的产品，它兼顾了组织内部和整个广义的价值链。Pro/E具有以下特点： 三维实体建模将三维实体模型用于机械产品的CAD/CAE/CAM过程，用户可以随时方便地计算出产品的质量、体积、惯性矩等相关的物理量、几何量，迅速了解产品的结构，方便掌握产品信息； 完全关联性 用户在产品开发过程的任一环节的修改，都将被传送到整个设计中，同时自动地将模型转配、平面工程图，模型加工数据等工程文档进行更新，这种修改不仅限于几何尺寸的修改，也包括非几何特征的修改； 数据管理 大型复杂部件的设计和市场效益的要求，使得同一产品的开发不再是个人的行为，而不同学科的工程师同时针对同以产品开发就成为需要。Pro/E的数据管理模块正式针对管理并行工程中的各项工作而开发，这就使得并行工程成为现实； 操作简单直观的折叠式菜单可以提供合乎逻辑的选项，同时Pro/E系统提供了简短的功能选项和完整的在线帮助，这样就使得Pro/E便于学习，易于操作；尺寸参数化 Pro/E的产品设计是从三维实体模型开始的，最后转化为二维的平面工程图，并且自动标注尺寸，而且尺寸是可变的参数。用户在三维或二维环境中修改任何尺寸，与其相关的二维或三维实体模型的尺寸都将发生改变，实体模型和平面模型都会立即生成，从而设计更加便捷； 基于特征的参数化建模Pro/E系统是基于特征来完成产品模型建立和数据存取的。所谓特征，就是一般的机械对象，例如，圆角，倒角，抽壳，钻孔等。以最基本的思考方式完成产品开发，通过给定的合理的特征信息就可以创建出三维实体模型17。(2) 建模的基本步骤 启动Pro/E，进入零件设计模式，输入零件名称； 从菜单管理器执行“加材料”特征命令，生成基本特征； 然后在基本特征上添加或修改特征，完善零件设计； 通过定义零件模型之间的装配约束来实现零件装配； 干涉分析。干涉分析是验证装配体零部件之间是否产生相互影响，相互干涉。干涉情况比较复杂和隐蔽，设计者往往考虑不周，从而给生产制造带来麻烦，若在设计时对其干涉问题不加以妥善解决，机械在运转时就会发生严重干涉，严重时将导致设计的失败。所以对装配体进行干涉分析是非常必要的。对不合理的组件进行调换，不合理的位置进行修改，对组件的尺寸、大小、规格进行修改，直到不产生干涉，完全满足设计要求为止。2.2.3 实体模型简化Pro/E建立的实体模型可以通过它与ANSYS软件之间的接口输入到ANSYS中进行前置处理，生成有限元模型，也可以将模型保存为CAD软件通用格式，比如STEP、IGES、XT等，从而被ANSYS直接识别和调用。但是，本文研究的电机是由上百个零件组装起来的，在这种状态下及时全部零部件到已导入ANSYS中，也不能构成一台具有现实意义的虚拟样机，而且由于不同的CAD、CAE软件的几何建模方法并不完全相同，在CAD软件中建立定子、转子这样复杂的模型，往往不能顺利正确的转换到有限元方针软件中去所以一般要经过一定的模型修改才能转换成功，否则，无法进行有限元网格划分，或者划分的网格不正确，导致有限元计算无法进行。因此一般情况下都需要对复杂的机械模型进行合理的简化，建立符合实际运动学、动力学的虚拟样机模型。本文主要对研究对象进行了以下简化：(1) 略去部分功能件和非承载构件。有些结构只是为了满足结构或功能上的需要而设置，对整体结构的强度或刚度并无大的影响，例如轴承座等，因此在建模时进行忽略处理；(2) 部分圆弧过渡简化为直角过渡，工艺上需要的倒角、拔模角也不考虑；(3) 将所有的焊接连接、螺纹连接近似为刚性连接。图2.2为建立的主要零部件的实体模型和整机装配模型 图2.2-1 定子 图2.2-2 机座 图2.2-3 机架 图2.2-4 转子 图2.2-5 整机图2.2 电机主要零部件模型 3数值模拟与有限元法概述3.1工程问题的解决工程问题一般涉及力学问题或场问题的物理情况的数学模型。数学模型是研究带有相关边界条件和初值条件的微分方程组，微分方程组是通过对系统或控制体应用自然的基本定律和原理推导出来的，往往代表了质量、力或能量的平衡。在某些情况下，有给定的条件是可以得到系统的精确行为的。但实际过程中实现的可能性往往比较小。因此，工程问题的解决过程就是对实际问题进行数学模型的抽象、建立和求解的过程。建立的数学模型既要能够代表实际系统又要可解，得到的结果应该能够达到一定的精确度以满足工程问题的需要。3.2数值模拟与有限元法在许多实际工程问题中，由于问题的复杂性和影响因素众多等不确定因素，虽然能够得到他们的基本方程和边界条件，但是能够用解析法去求解的只是少数性质比较简单和边界比较规则的问题，大多数情况下十难以得到分析系统的精确解，即解析解。因此，解决这类问题的基本思路是：在满足工程问题的前提下，采用和数值模拟的方法来得到近似解，即数值解。简单地说，解析解表明了系统在任何点上的精确行为，而数值解只在称为节点的离散点上近似于解析解。数值模拟技术是人们在现代数学、力学理论的基础上，借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值近似解。数值模拟技术（Computer Aided Engineering,CAE）是现代工程仿真学发展的重要推动力之一。目前在工程领域常用的数值模拟方法有：有限元法（Finite Element Method,FEM）、有限差分法（Finite Difference Method,FDM）、边界元法（Boundary Element Method,BEM）和离散单元法（Discrete Element Method,DEM）等，其中有限元法是最具实用性和应用最广泛的。FEM的基础是变分原理和加权余量法，在CAE中应用最广。有限元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化成离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近现实情况。有限元法最早应用于结构力学，后来随着计算机的发展渐渐用于弹性力学平面问题和空间问题、薄板、薄壳、厚板、厚壳、弹性稳定、塑性力学、大位移、断裂、动力反应、岩土力学、混凝土和钢筋混凝土、流体力学、热传导、工程反分析、仿真计算、网格自动生成、误差估计及自适应技术。3.3有限元法的起源有限元法（又称有限单元法）是结构工程师和应用数学研究人员共同智慧的结晶。现代有限元方法的起源可以追朔到20世纪早期，当时有些研究者应用离散的等价杆拟合模态的弹性体。由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻、强度高、刚度好，人们不得不进行精确的计算和设计，正是在这一背景下，渐渐在工程中产生了矩阵力学分析方法。1914年，Hrennikoff使用框架变形法求解了一个弹性问题。1943年，Corant第一次在论文中取定义在三角形域上分片连续函数，利用最小势能原理研究St.Venant的扭转问题。这些工作开创了有限元分析的先河所以人们公认Courant为应用有限元的第一人。此后仍然发展很慢，过了将近10年，这些离散化的概念才再次被应用到。1955年，德国的Argyris出版了第一本关于结构分析中能量原理和矩阵方法的书，为后续的有限元研究奠定了重要的基础。1956年，波音公司的Turner、Clough、Martin和Topp等人在分析飞机结构时系统研究了离散杆、梁、三角形的单元刚度表达式，并采用三角元实现了对机翼的建模。在他们的经典论文中首次将钢架分析的位移法推广到弹性力学平面问题，他们利用弹性理论的方程求出了三角单元的特性，给出了三角形单元求解弹性平面应力问题的正确解答，并第一次介绍了今天人们熟知的确定单元特性的直接刚度法。他们的研究工作随同当时出现的计算机一起打开了求解复杂平面弹性问题的新局面，也大大推动了有限元法的应用。 1960年，Clough在处理平面弹性问题时，第一次提出并使用有限元方法的名称。随后大量的工程师开始使用这一离散的方法来处理结构分析、流体问题、热传导等复杂问题，有限元法在工程界获得了广泛应用。 1967年，Zienkiewicz和Cheung出版了第一本有关有限元分析的专著。 1970年以后，有限元方法开始应用于处理非线性和大变形问题。 1971年，首次发布了ANSYS软件。 1972年，J.T.Oden出版了第一本关于处理非线性连续体的专著Finite Elements of Nonlinear Continua。这一时期的理论研究工作是超前的，但由于当时计算机的发展状态和计算能力的限制，还只能处理较简单的实际问题。 1975年，对一个300个单元的模型，在当时先进的计算机上进行2000万次计算大约需要30h的机时，花费约3万美元。如此高额的计算成本严重限制了有限元方法的发展和普及。然而，许多工程师都对有限元分析方法的发展前途非常乐观，因为它提供了一个处理复杂形状真是问题的有力工具。有限元法在20世纪40年代起源于航空工程中飞机结构的矩阵分析，至今，经历了几十年的发展，不断开拓新的应用领域。其范围已经由杆件结构问题扩展到了弹性力学乃至塑性力学的发展，由平问题扩展到空间问题，由静力学问题扩展到动力学问题和稳定性问题，由固定力学问题扩展到流体力学、热力学和电磁学等问题，已经成为解决各类工程实际问题的有效途径。可供选用的单元类型、算法类型以及相关的计算软件开发都发展到了前所未有的先进水平。在工程师研究应用有限元方法的同时，一些数学家也在研究有限元方法的数学基础。实际上，1943年Courant的那篇开创性的论文机时研究求解平衡问题的变分方法，1963年Besslieng、Melosh和Jones等人研究了有限元方法的数学原理。钱伟长最先研究了拉格朗日乘子法与广义变分原理之间的关系，冯康研究了有限元分析的精度与收敛性问题。 有限元方法的基本思想和原理是简单而又朴素的，在有限元方法的发展初期，以至于许多学术权威对该方法的学术价值不够重视，国际著名刊物许多年来都拒绝刊登有关有限元方法的文章，其理由是没有新的科学实质。而现在则完全不同，由于有限元方法在科学研究和工程分析中的作用和地位，关于有限元方法的研究已经成为数值计算的主流。4.电机的模态仿真分析振动现象是机械结构经常遇到的问题之一。结构的刚度和质量对其固有振动频率及其模态参数具有决定作用。为了避免外力的频率和结构自身固有频率相同或相近，以防止共振现象的发生，现代动态设计中，通常通过模态仿真来实现。模态仿真分析主要用于决定结构的固有频率和振型，这是结构受动态载荷结构设计中的重要参数，同时模态分析也是其它动力学分析，如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析的起点。从有限元理论出发，采用仿真软件对电机进行模态分析，可确定电机的振动特性，获得电机的模态参数，如固有频率和振型。其目的是使电机能够远离共振或按特定频率振动，真实地预测电机的工作性能，同时也为其结构修改和性能优化提供理论依据。4.1 模态分析基本理论4.1.1 模态分析概述模态分析是一项对描述系统运动学特性所需参数进行研究和估计的技术。模态分析的经典定义是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数19。模态分析用于确定设计结构或机械部件的振动特性，即结构的固有频率和振型。在很多场合，模态分析都起到举足轻重的作用。例如很多机械都必须避免共振，进行模态分析后，可以了解结构的固有振动频率和形式，并采取必要的措施避免在使用中由于共振的因素造成不必要的损失。模态分析也可以作为更详细的动力分析的起点，比如瞬态动力分析、谐谱相应分析或谱分析等。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构运动学特性的优化设计提供依据。模态分析的优点1：（1）使结构设计避免共振或按特定频率进行振动；（2）使工程师可以认识到对于不同类型的动力载荷结构是如何响应的；（3）有助于在其它运动学分析中估算求解控制参数（如时间步长）。模态仿真是运动学仿真重要内容，ANSYS全面的运动学分析功能包括： 正则模态及复特征值分析、频率及瞬态响应分析、(噪)声学分析、随机响应分析、响应及冲击谱分析、动力灵敏度分析等。针对于中小及超大型问题不同的解题规模,用户可选择ANSYS不同的运动学方法加以求解。如在处理大型结构运动学问题时如不利用特征缩减技术将会使解题效率大为降低,ANSYS开发的独特的通用动力缩减算法(GDR法)在运算时可自动略去对分析影响不大的自由度,而不必象其它缩减法那样更多地需要由用户进行手工干预。此外速度更快、磁盘空间更节省的Sparse矩阵解算器适用所有的动力分析类型,半带宽缩减时的自动内部重排序功能及并行向量化的运算方法可使动力解算效率大大提高。 为求解运动学问题,ANSYS提供了求解所需齐备的动力和阻尼单元,如瞬态响应分析的非线性弹性单元、各类阻尼单元、(噪)声学阻滞单元及吸收单元等。众多的阻尼类型包括：结构阻尼、材料阻尼、不同的模态阻尼(含等效粘滞阻尼)、(噪)声阻滞阻尼和吸收阻尼、可变的模态阻尼(等效粘性阻尼,临界阻尼的分数,品质因数)、离散的粘性阻尼单元、随频率变化的非线性阻尼器以及动力传递函数，直接矩阵输入、动力传递函数定义等。ANSYS可在时域或频域内定义各种运动学载荷,包括动态定义所有的静载荷、强迫位移、速度和加速度、初始速度和位移、延时、时间窗口、解析显式时间函数、实复相位和相角、作为结构响应函数的非线性载荷、基于位移和速度的非线性瞬态加载、随载荷或受迫运动不同而不同的时间历程等。模态凝聚法有Guyan凝聚（静凝聚），广义动态凝聚，部分模态综合，精确分析的残余向量。4.1.2 基本有限元方程模态分析是典型的特征值问题。求解特征值方程，可得多阶振动固有频率和相应的模态向量21。结构的自由模态分析是结构动力分析的基础。自由模态分析的基本方程为： (4.1)式中 和分别为结构系统的质量矩阵和刚度矩阵； 为位移向量 为加速度向量方程(4.1)的解为如下的简谐运动： (4.2)式中为模态形状，为圆频率。将方程(4.2)代入方程(4.1)，得到如下的特征值方程： (4.3)上式中要有非零解，就必须满足其系数矩阵的行列式为零的条件，即 (4.4)或 (4.5)式中 方程(4.5)左边为的多项式，求解多项式可得一组特征值。方程(4.4)可改写为： =1,2,3，N (4.6)N为刚度矩阵的维数，也是该结构系统的自由度数。是第i个特征值，是对应的第i个模态向量。4.1.3 质量(1) 质量矩阵在方程(4.4)中，存在质量矩阵M，这是由单元质量矩阵装配而成的，是模态分析不可缺少的矩阵。质量矩阵分为两种：一种为集中质量矩阵，仅存在非零对角元素；另一种为耦合质量矩阵，存在非零对角元素。前者是最常用的，并且运算简单有效；后者运算较复杂，但其结果较精确。在ANSYS中，单元的质量矩阵计算方法有两种：一种为集中质量公式，这与经典公式相同；一种为耦合质量公式，它是经典一致质量公式的修改。(2) 质量质量矩阵中的基本数据是质量数据。下面给出仿真系统引入质量参数的基本方法。结构质量通过材料性质卡（如MAT1）中的质量密度（RHO）附加给结构单元。每单位长度线单元或每单元面积单元上的非结构质量（如地板载荷和绝热材料）用相应单元的性质卡（如PSHELL卡）中的非结构质量项（NSM）来引入。结点质量可用CONM1，CONM2和CMASSi模型数据卡来定义。CONM1定义6耦合质量矩阵，CONM2定义结点的集中质量，CMASSi定义标量质量。本项目自由模态仿真中，采用第一种方式对有限元模型赋予质量特征。(3) 质量单位在ANSYS中，质量单位同其它单位一样，不要求确定的单位制，但要求在一个有限元模型中各物理单位的一致性。因此，质量单位可为： 磅-秒/英寸 （英制单位）或 千克（公斤） （国际单位制）若以重量单位输入质量数据（如密度）时，可采用参数PARAM，WTMASS，和V！将重量单位变为质量单位，V1为变换系数。例如，采用英制单位，以RHO=0.3磅/英寸3输入钢的重量密度，利用参数PARAM、WTMASS、0.002588将重量密度转化为质量密度，在这里重力加速度g=386.4英寸/秒2，相应的质量密度为7.764E-4磅-秒2/英寸。对于米制单位，若以RHO=76930牛/米3输入钢的重量密度对应的重力加速度g=9.8米/秒2，利用参数PARAM，WTMASS，0.012将重量密度转化为质量密度7850千克/米3。4.2 模态分析软件的选择ANSYS能有效地求解大模型,其稀疏矩阵算法速度快而且占用磁盘空间少,内节点自动排序以减小半带宽,再启动能利用以前计算的结果。并行计算以及线性静力,正则模态分析,模态及直接频率响应分析的分布式并行计算极大地提高分析速度,复特征值问题速度提高3倍以上,虚拟质量计算速度提高2倍以上,静力气弹分析速度提高30%以上19。正因为它高效的求解能力，本论文将采用此软件进行模态分析。4.3 电机的模态分析该研究主要是分析电机的自由模态，输出结果主要有节点各方向的应力、位移及相应的振型和频率等。在仿真软件中，把Pro/E软件中建立的铁芯长度为700mm的电机模型以STEP格式导入ANSYS中，然后对电机进行模态仿真，以确定其受力特点和振动特征，同时得出铁芯长度为700mm电机的前10阶固有频率的振型应力图和位移图。4.3.1 网格划分对转换过来的电机模型进行网格划分时，单元的大小、多少和疏密程度也很关键，它影响到计算的精确程度9，因此需要根据模型的实际情况决定网格单元参数。由于四面体单元对一般及复杂零件都可以进行网格划分，而六面体单元只能对结构规则的零件划分网格。图4.1 网格划分对话框本文所分析的电机结构比较复杂，因此宜采用四面体单元划分网格，对电机进行边长为140mm的四面体单元进行网格划分，如图4.1所示。网格误差控制，在分析中也是值得注意的问题。网格误差是一个相对量，它是与前一次划分相对比，进行叠代计算，以获得收敛结果。通过反复对比分析，发现将误差值定义在20%以下后，分析结果中的频率变化很小，而超过20%后，频率有较大的变化，从而可推断这是一个过渡点，即将误差控制在20%以内，已基本接近实际情况，因此该模型中的网格误差定义为20%以下,如图4.2所示。图4.2 网格误差控制对话框4.3.2 约束条件电机是箱式结构，由于在ANSYS中只能做单一部件的模态分析，所以要根据等效置换原理，将电机各部件合并为一个整体，此后，给8个地脚螺栓加上固定约束，即可进行电机整机的模态仿真，如图4.3所示。 图4.3 电机约束 4.3.3 模态仿真结果分析YKSL2150电机自重为31850Kg, 采用四面体单元划分网格，电机被划分为97819个节点，共54426个单元。前10阶固有频率如表4.1所示，取1-6阶振型应力图和位移图进行分析研究。各阶固有频率和振型如图4.44.9所示。表4.1 电机的前10阶固有频率阶数12345678910频率24.232.865.675.6101114151157161189电机的第一阶固有频率为24.2Hz，整机在第一阶频率下产生横向摆动，应力最大部位出现在机座四角面上，最大位移发生在机座上端面及上支架处，见图4.4。电机的第二阶固有频率为32.8Hz，整机在第二阶频率下产生斜向摆振，而应力及位移的最大值与第一阶相同，见图4.5。图4.4 第一阶应力振型图图4.5 第二阶应力振型图图4.6 第三阶应力振型图图4.7 第四阶应力振型图图4.8 第五阶应力振型图图4.9 第六阶应力振型图电机的第三阶固有频率为65.6Hz，整机在第三阶频率下产生斜向摆振，同时产生扭转变形，应力最大部位出现在机座四角面处，最大位移发生在机座上四角处和机座支撑筋板上，见图4.6。电机的第四阶固有频率为75.6Hz，整机在第四阶频率产生径向振动及纵向弯曲，幅度较大，应力最大部位出现在上支架端面筋板上，最大位移发生在转子铁芯上端面和端盖轴承与转轴接触面,见图4.7。电机的第五阶固有频率为101Hz，整机在第五阶频率下产生斜向摆振，同时产生扭转变形，应力最大部位出现在机座四角面处，最大位移发生在机座上四角处转子上端,见图4.8。电机的第六阶固有频率为114Hz，整机在第六阶频率下产生斜向摆振，同时产生扭转变形，应力最大部位出现在转子与下轴承接触面，最大位移发生在转子上端和转子与下轴承接触面，见图4.9。当整机在第一阶固有频率下发生共振时，机座上端面及上支架变形较大，各阶固有频率亦对应于各阶的临界转速，可知，当第一阶固有频率为24.2Hz，对应的临界转速为1452r/min。由于电机的工作转速为490r/min，远小于该临界转速，因此，电机在正常的转速范围内不会发生共振现象。5.电机结构对比分析在电机运转过程中，当电机处于某种工作环境或激励条件时，在其自身惯性力和外部激励的共同作用下，当外部激励的某阶激励频率与电机的某阶固有频率接近或相等且激励力足够大时，电机就会产生严重的振动现象，会严重地影响电机的工作稳定性。为减小电机的振动，本设计中根据对不同铁芯长度电机的需求，改变电机定、转子铁芯长度，将现有电机定、转子铁芯的长度分别调至540、870mm，建立相应的三维模型和有限元模型，然后再进行模态仿真，得出各个铁芯长度的前6阶固有频率的振型应力图和位移图。在保持电机功率不变的情况下，分析电机定、转子铁芯长度改变对电机振动的影响。5.1 定、转子铁芯长度对电机的影响改变电机定、转子铁芯的长度后，电机的质量、体积都会相应的发生变化，因此网格的划分也会发生变化，而且在划分网格的过程中，采用同样的四面体单元边长也有可能不能将所有的模型划分出网格来，我在划分网格的过程中，由于采用了不同的四面体单元边长对不同的模型进行网格划分，因此，造成了大模型的单元和节点数可能还没有小模型的多，改变电机铁芯长度后，电机网格重新划分的节点数、单元数，如表5.1所示，模态仿真的网格误差仍控制在20%以内，约束如电机铁芯长700mm时所设。表5.1 电机网格划分节点单元数铁芯长(mm)网格划分540节点数96311单元数53381700节点数97819单元数54426870节点数79548单元数421675.1.1 电机铁芯长度对频率的影响根据各个铁芯长的各项参数，通过模态仿真分析，获得了定子前6阶固有频率随电机定转子铁芯长度的变化列表和变化曲线，分别如表5.2所示。表5.2 电机定转子铁芯长度与频率关系表铁芯长（mm）第一阶（Hz）第二阶（Hz）第三阶（Hz）第四阶（Hz）第五阶（Hz）第六阶（Hz）70024.232.865.675.610111454027.137.47489.912013587026.534.170.178.4109119模态对比分析结果主要是为电机的改进提供一个参考，在偏离频率的四分之一区域能够避免共振。由表5.2可以看出电机的固有频率随着电机铁芯长度的增加而逐渐增加，可见增加定子铁芯长度，会引起定子和电机运动学性能的恶化，更加容易引起电机产生严重的振动现象。为了防止产生共振，在设计电机结构时，一方面，应使电机的固有振动频率远离工频频率 （在我国即50HZ）及其整数倍频率；另一方面，使电机偏离前三阶固有频率前后1/4区域，以避免发生共振现象。优化后的电机其固有频率应该要远离共振区。5.1.2电机铁芯长度对振型的影响改变定子铁芯的长度分别为540、870mm，再进行模态仿真，其第一阶振型分析结果分别如图5.15.2所示。 图5.1 540mm第一阶应力振型图 图5.2 870mm第一阶应力振型图从理论上来讲，电机的结构形状越复杂，尺寸越大，其第一阶固有频率越小，我做的时候，电机定转子铁芯长度为700mm时确实是比540mm时的第一阶固有频率小，但是到了870mm时，在划分网格时，用同样140mm的四面体单元却不能将其划分出网格，只能将四面体单元边长加大，所以造成了误差偏大，结果其第一阶频率比700mm要大，由图5.15.2可知，随着电机定转子铁芯长度的增加，电机的第一阶振型没有太大的变化。相应的振型都是绕底板的固定螺钉产生横向摆动，最大应力出现在定子四角的下部，最大位移出现在定子上端面。电机各个铁芯长度的最大应力和最大位移相对较小，能满足机械强度、刚度和模态。结 论本课题应用三维CAD技术和有限元分析技术建立了YKSL2150系列电机的三维实体模型和有限元模型。为了模拟电机实际工作条件，应用有限元仿真软件，对电机整机模态进行了仿真研究，并据此修改了电机定转子铁芯的长度。此后，通过一系列的模态仿真分析，获得铁芯长度和频率的变化关系，然后进行了结构对比分析，主要结论如下：（1）应用三维CAD技术建立了YKSL2150系列电机关键零部件（转子，定子，机座，机架等）的三维实体模型，并对其进行简化；（2）电机的模态仿真表明：电机和机座振动时以横向摆振为主，在正常条件下不会发生共振。但当某些地脚螺栓联接松动时，将有可能发生共振；（3）为满足客户的不同要求，需要改变电机定转子铁芯长度，由仿真分析可知，电机的各阶固有频率随着铁芯长度的增加而逐渐减小，但本课题研究的各种结构下的第一阶固有频率与电动机的工作频率相差较大，不至于引起电动机动力学性能的恶化。为减小电机振动，在保持电机功率不变的情况下，应该根据电机定转子铁芯长度的变化，对电机结构参数进行修改，或者限定电机结构参数在给定的范围内。 参考文献1电机工程手册编委会.电机工程手册.机械工业出版社，19962D.E.Cameron, J.H.Lang, S.D.Umans. The Originand Reduction of Acoustic Noise in Doubly Salient Variable Reluctance Motors. IEEE Trans.I
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