大容量高轉速同步電動機轉子結構強度分析

翁祥玲, 蔡恒川 , 劉秀君, 李 良

(1. 山東齊魯電機制造有限公司，山東 濟南 250100；2. 山東彼岸電力科技有限公司，山東 章丘 250200)

0 引 言

同步電動機具有溫度低、運行穩定、輸出功率大等優點，能向電網發送無功功率，支持電網電壓，有利于改善電網的功率因數，在石油、化工、冶金等各行業的大型設備中得到廣泛使用。

本文主要針對在高轉速4320r/min下同步電動機轉子的齒部、槽楔和風扇的應力進行分析。

1 有限元分析方法

有限元分析從結構化矩陣分析發展而來，逐步推廣到板、殼和實體等連續體固體力學分析，其基本概念是用較簡單的問題代替復雜問題求解。理論上已證明，只要用于離散求解對象的單元足夠小，所得的解就可足夠逼近于精確值。有限元分析不僅計算精度高，而且能適應各種復雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段[ 1]。實踐證明這是一種非常有效的數值分析方法。本文采用Ansys11.0軟件有限元法分析轉子的齒部、槽楔和風扇的應力。

2 強度分析

2.1 建立物理模型

本文通過CAD軟件創建了物理模型。轉子本體的物理模型如圖1所示，轉子風扇的物理模型如圖2所示。

圖1 轉子本體的物理模型

圖2 轉子風扇的物理模型

2.2 網格劃分

所有網格的單元均采用四面體單元。轉子本體的模型共有8652個單元，56493個節點。轉子風扇的模型共有21287個節點，10054個單元。轉子本體的網格劃分如圖3所示，轉子槽楔的網格劃分如圖4所示，轉子風扇的網格劃分如圖5所示。

圖3 轉子本體的網格劃分

圖4 轉子槽楔的網格劃分

圖5 轉子風扇的網格劃分

2.3 計算結果

在超速狀況下，旋轉角速度ω=452rad/s，轉子各部分受力最大。轉子整體的應力計算結果如圖6所示。

圖6 轉子整體的應力計算結果

轉子齒部的最大應力計算結果如圖7所示。

齒根處的最大應力為

σ1=257MPa

齒頭處的最大應力為

σ2=115MPa

根據上述應力分析計算，合理選取轉子鍛件材料，滿足設計要求。

轉子槽楔的最大應力計算結果如圖8所示。

槽楔的最大應力為

σ=169MPa

根據上述應力分析計算，合理選取轉子槽楔材料，滿足設計要求。

轉子風扇的最大應力計算結果如圖9所示。

風扇環的最大應力為

σmax=268MPa

風扇葉的最大應力為

σmax=253MPa

根據上述應力分析計算，合理選取轉子風扇鍛件材料，滿足設計要求。

圖8 轉子槽楔的最大應力計算結果

圖9 轉子風扇的應力計算結果

3 結 語

本文采用Ansys11.0 軟件有限元法分析了大容量、高轉速同步電動機轉子的齒部、槽楔和風扇的應力，對旋轉部件轉子部分各主要部件的應力分析作了詳細論述，得出轉子部分各主要各部件的應力分布及最大應力集中點分布。利用有限元計算方案求解工程結構的理論應力不受材料、結構形狀等條件限制，不但省時、省力、節約費用，而且通用、可靠、精確，是一種值得推廣的分析方法。

【參考文獻】

[1] 梁醒培，王輝.應用有限元分析[M].北京： 清華大學出版社，2010.

[2] 張洪信，管殿柱.有限元基礎理論與ANSYS11.0應用[M].北京： 機械工業出版社，2009.