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大型异步电机声学仿真计算

2019-04-18 21:43:49·  来源:夏雪宝 测控视界  
 
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大型异步电机电磁噪声是大中型电机主要噪声源,它是由工作时电机的电磁力作用于电机的定子铁芯部位使得电机发生径向变形而产生的。精确地建立电机有限元模型,分
大型异步电机电磁噪声是大中型电机主要噪声源,它是由工作时电机的电磁力作用于电机的定子铁芯部位使得电机发生径向变形而产生的。精确地建立电机有限元模型,分析其在电磁力作用下的振动响应及辐射声场是电机进行减振降噪优化设计的基础。针对大型电机非线性部件难以建模的问题,采用基于德国标准VDI2230的螺栓结合面建模方法建立电机螺栓结合面、基于Hertz接触理论建立电机滚动轴承模型、以等效模型处理电机定转子绕组及硅钢片,从而建立电机有限元模型;采用LMS测试系统测试电机模态,试验验证有限元模型的正确性;计算并加载电磁力,分析计算电机在电磁力作用下的振动响应;建立电机边界元模型,分析电机的辐射声场。
 
01、电机三维实体模型建立及简化
 
以某200 kW大型异步电机为研究对象,根据图纸采用Pro/E软件建立其三维实体模型。本文只考虑电机定子机座部位的声振特性,暂不考虑电机冷却系统的影响,因此利用Pro/E建立了电机各部件的实体模型并进行简化后,如图1~图4所示。
02、电机有限元模型的建立
 
精准地将电机三维实体模型转换为有限元模型是电机进行振动响应分析的前提。电机的组成十分复杂,对整个电机定子机座结构进行有限元建模时要考虑螺栓结合面(端盖和机座间、轴承和端盖间等等)、滚动轴承(转子轴由2个滚动轴承支撑)、定转子铁芯及绕组等部件的建模,精确的建模才能保证计算的精度。
 
2.1 螺栓结合面建模
螺栓结合面是广泛应用的一种机械结构连接形式,其对机械结构的静态特性和动态特性都有着很大影响。由作者前期的研究可知,不同螺栓预紧力对结构的模态影响不大,可以采用一种基于德国标准VDI2230的螺栓结合面建模方法对电机进行建模,建立好某螺栓结合面有限元模型如图6所示(具体建模方法可参考前文“电机螺栓结合面有限元建模方法”)。
2.2 轴承建模
200 kW异步电机转子两端使用的轴承型号参数如表1所示,其中驱动端使用SKF滚柱轴承NU228EC/C3,非驱动端则使用SKF滚珠轴承6228/C3进行连接支撑。通过研究接触理论,基于Hertz接触理论给出一种将滚动轴承非线性接触问题简化等效为线性弹簧单元Combin14的建模方法。通过研究计算轴承在承受转子载荷下的变形量,求解接触刚度,再采用线性Combin14弹簧单元来等效模拟。
滚柱轴承在进行有限元建模时,采用弹簧单元Combin14模拟滚柱与内外圈的作用关系,通过建立径向弹簧模拟径向的接触作用,轴向弹簧通过内外圈刚性单元rbe2进行连接,模拟轴向接触刚度。建立好的SKF滚柱轴承NU228EC/C3等效有限元模型如图7所示。相比于滚柱轴承,滚珠轴承无需考虑轴向载荷的影响,仅需建立等效的径向弹簧Combin14。因此,采用弹簧单元Combin14模拟滚柱与内外圈的作用关系,通过建立径向弹簧模拟径向的接触作用,建立好的SKF滚珠轴承6228/C3等效有限元模型如图8所示。
2.3 电机定转子建模
为正确、简单处理定转子非线性材料模型,将定、转子铁芯、绕组等非线性材料采用等效材料来模拟,建立等效的有限元模型。建立好的定、转子等效有限元模型如图9和图10所示,单元类型为solid185单元。定转子等效模型的材料参数,如表2所示。
03
电机仿真模态分析及模态测试
3.1 电机仿真模态分析
根据上节方法在HyperMesh中建立电机机座(包括定、转子)有限元模型,其中绿色网格为机座整体结构。利用ANSYS仿真计算该电机前20阶自由模态,并与实验结果进行对比分析,固有频率对比结果如表3所示。
3.2  电机模态测试
对200 kW异步电机进行模态测试以验证有限元模型的正确性,采用西门子公司LMS测试系统对电机进行试验模态分析。本次试验采用锤激法进行模态测试,以单点激励多点测量的方式,分区对200 kW异步电机进行模态测试,测点布置如下图所示。
3.3电机仿真模态以实验模态对比