電機(jī)殼體側(cè)壁優(yōu)化設(shè)計

武文虎，李有生，王志林，李樹龍

（山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西太原 030009）

電機(jī)殼體側(cè)壁優(yōu)化設(shè)計

武文虎，李有生，王志林，李樹龍

（山西北方機(jī)械制造有限責(zé)任公司，山西太原 030009）

某型號電機(jī)外購機(jī)殼在測試過程中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁振動量較大，為保證該電機(jī)的實(shí)際使用效果及其壽命，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計，并用Ansys對新結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析，以保證工程實(shí)際需要及其使用壽命。

電機(jī)；側(cè)壁；優(yōu)化設(shè)計

0 前言

公司研發(fā)的系列化高壓永磁同步電動機(jī)具有高效率、高功率因數(shù)、高自起動能力、低運(yùn)行噪聲等性能優(yōu)點(diǎn)。由于轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行大幅改進(jìn)，而機(jī)殼采用外購的異步機(jī)殼體見圖1所示，電機(jī)在測試過程中發(fā)現(xiàn)側(cè)壁振動量較大，可能影響電機(jī)的實(shí)際使用壽命。為保證該電機(jī)的實(shí)際使用效果及其壽命，對電機(jī)殼體進(jìn)行重新設(shè)計，并采用Ansys對新殼體進(jìn)行強(qiáng)度分析。獲取新機(jī)殼的強(qiáng)度與位移量對其進(jìn)行分析，以保證工程實(shí)際需要及其使用壽命。

1 振動源分析

1.1單邊磁拉力

電機(jī)運(yùn)行時由于轉(zhuǎn)子相對于定子偏心，容易產(chǎn)生單邊磁拉力，增加殼體振動，進(jìn)而影響電機(jī)的性能。由文獻(xiàn)[1]獲取單邊磁拉力計算公式：

式（1）中： β為經(jīng)驗系數(shù)，同步電機(jī)采用β=0.4；K0為磁拉力剛度；δ為單邊平均氣隙；e0為初始偏心。

同文獻(xiàn)[2]中獲取的單邊磁拉力公式計算結(jié)果對比獲取其均值進(jìn)行分析。

圖1 電機(jī)外形圖

1.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏心

由于電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子裝配之間有一定的間隙以及轉(zhuǎn)子制造誤差發(fā)生偏心情況，通過軸承座傳遞至殼體發(fā)生振動。假設(shè)轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離旋轉(zhuǎn)中心r，轉(zhuǎn)子總重為m，根據(jù)文獻(xiàn)[3]獲取轉(zhuǎn)子偏心導(dǎo)致軸承承受的徑向力為，其中LC為質(zhì)心與軸承的中心距離。

1.3 安裝誤差

電機(jī)轉(zhuǎn)子在安裝過程中由于制造公差限制，無法保證轉(zhuǎn)子與機(jī)殼完全滿足同心，由此獲悉轉(zhuǎn)子在轉(zhuǎn)動過程中會發(fā)生在機(jī)殼的限制下發(fā)生小幅度位移，加上單邊磁拉力及轉(zhuǎn)子偏心容易對機(jī)殼進(jìn)行沖擊載荷，影響機(jī)殼的強(qiáng)度及使用壽命。

2 分析計算

2.1 模態(tài)分析獲取振動特性

模態(tài)分析是設(shè)計機(jī)構(gòu)或機(jī)器部件承受動載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。分塊蘭索斯法其特別適用于大型對稱特征值求解問題，根據(jù)機(jī)殼圖紙獲取材料為20鋼。

設(shè)置網(wǎng)格劃分等級為8級，采用分塊蘭索斯法獲取結(jié)構(gòu)固有頻率見表1所示。

轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的固有頻率為16.7 Hz，與機(jī)殼的固有頻率無交合點(diǎn)，機(jī)殼不會發(fā)生共振。對機(jī)殼只需進(jìn)行瞬態(tài)分析獲取其在運(yùn)行瞬時的應(yīng)力與位移進(jìn)行分析。

表1 機(jī)殼固有頻率

2.2 瞬態(tài)分析

通過瞬態(tài)分析的完全法進(jìn)行殼體的強(qiáng)度及其位移量，從而獲取側(cè)壁的承載力并對其進(jìn)行優(yōu)化分析，達(dá)到降低側(cè)壁的振動量的目的。

滾動軸承在工作中，在通過軸心線的軸向載荷Fa作用下，可認(rèn)為各滾動體平均分擔(dān)載荷，即各滾動體受力相等。當(dāng)軸承在純徑向載荷Fr作用下見圖2，內(nèi)圈沿Fr方向移動一距離δ0，上半圈滾動體不承載，下半圈各滾動體由于個接觸點(diǎn)上的彈性變形量不同承受不同的載荷，處于Fr作用線最下位置的滾動體承載最大，其值近似為5Fr/z（點(diǎn)接觸軸承）或4.6 Fr/z（線接觸軸承），Z為軸承滾動體總數(shù)，遠(yuǎn)離作用線的各滾動體承載逐漸減小。對于內(nèi)外圈相對轉(zhuǎn)動的滾動軸承，滾動體的位置是不斷變化的，因此，每個滾動體所受的徑向載荷是變載荷。

圖2 滾動軸承徑向載荷的分析圖

公司研發(fā)該高壓永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子采用軸承為6224深溝球滾子軸承，其滾子數(shù)目為10。采用軸承載荷分布情況對機(jī)殼進(jìn)行過載瞬態(tài)分析，分析周期采取轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動一周時間，對側(cè)壁進(jìn)行瞬態(tài)分析。獲取側(cè)壁在某一瞬間的振動法向位移圖、節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖見圖3和圖4所示，該瞬時位移最大點(diǎn)在整機(jī)運(yùn)行時的法向位移見圖5所示，應(yīng)力最大點(diǎn)在整機(jī)運(yùn)行時的應(yīng)力見圖6所示。

2.3 結(jié)果分析

由圖6得出節(jié)點(diǎn)在電機(jī)運(yùn)行時最大應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服應(yīng)力。由于設(shè)置位移約束為可移動0.01 mm，因此由圖3及圖5可以得出側(cè)壁的最大位移量約為0.013 mm，分析計算得出剪切應(yīng)力為88.75 MPa，設(shè)置安全系數(shù)為[4]:

圖3 法向位移圖

圖4 節(jié)點(diǎn)應(yīng)力圖

圖5 法向位移圖

式（2）中S1為材料可靠性，取值1.05；

S2為零件重要程度，取值1.1；

S3為計算精確性，取值1.2。

該結(jié)構(gòu)滿足機(jī)械強(qiáng)度，側(cè)壁設(shè)計合理。

而原結(jié)構(gòu)的機(jī)殼結(jié)構(gòu)獲取的最大位移量為0.05 mm，最大應(yīng)力為360 MPa，分析獲取的結(jié)果與原結(jié)構(gòu)相比應(yīng)力與位移量明顯下降，重新設(shè)計的機(jī)殼結(jié)構(gòu)明顯降低了振動量，提高了結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖6 應(yīng)力圖

3 結(jié)論

對該高壓永磁同步電動機(jī)新機(jī)殼進(jìn)行強(qiáng)度分析獲取了機(jī)殼的應(yīng)力與位移圖，通過實(shí)際測試使用，發(fā)現(xiàn)該電機(jī)側(cè)壁振動量明顯下降，為該電機(jī)的實(shí)際使用提供了足夠的強(qiáng)度及使用壽命。新設(shè)計機(jī)殼結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度滿足工程需求。

［1］姜培林，虞烈.電機(jī)不平衡磁拉力及其剛度的計算［J］.大電機(jī)技術(shù)，1998（4）：32-34.

［2］陳世坤.電機(jī)設(shè)計［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］仇寶云.大型立式軸流泵導(dǎo)軸承載荷分析計算［J］.煤礦機(jī)電，2006（5）：92-93.

［4］聞邦椿.機(jī)械設(shè)計手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

The Optimization Analysis of Electromotor，s Sidewall

WU Wen-hu，LI You-sheng，WANG Zhi-lin，LI Shu-long
（Shanxi North Machine-Building Co.，Ltd，Taiyuan030009，China）

The type of electromotor chassis that is purchased found the sidewall have lage amount of vibration during the test，in order to ensure the practical effects and natural life of the electromotor，machinist redesign the structure and analysis the structure to ensure projectthe actual needs and its service life.

electromotor；sidewall；optimize design

TP391.7

A

1009－9492(2014)09－0035－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.09.009

武文虎，男，1986年生，山西呂梁人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：高效高壓永磁同步電機(jī)。已發(fā)表論文2篇。

(編輯：阮 毅)

2014－03－10