一種高效（xiào）永磁同步電機主軸（zhóu）靜動態特性有限元分析（xī）方法-功能部件網-數控機床市場網

您現在的位置：功能部件（jiàn）網> 技術前沿> 一種高效永磁同步電機主（zhǔ）軸靜（jìng）動態特性有（yǒu）限元（yuán）分析方法

一種高效永磁同步電機主軸靜動態特性有限元分析（xī）方（fāng）法

2020-4-18 來源（yuán）：三一重能有限公司作者：趙軍郭望姚（yáo）振宇袁軼彥

摘（zhāi）要:高效（xiào）永磁同步電機的設計方案以永磁電機為基礎，隨著高效永磁電機的廣泛應用，需保證電機性能，為保證電機的性（xìng）能滿足設計要求，本文以227TYZ－XF02B型電機為例，利用軟件ANSYS從力學角度分析電機主軸的靜動態特性，並計算出（chū）了極限工況時的應力（lì）應變值和主軸的臨界轉速。仿真結果（guǒ）表（biǎo）明高效永磁同步電機主軸的各項性能指標滿足設計需求（qiú），而且未在工作中構成（chéng）中發生主軸共振。

關鍵詞:227TYZ－XF02B電機；主軸（zhóu）；ANSYS；靜動態特性

1.引言

永磁同步電機以其高效節能的優點吸引著國內外相關領域學者的研究（jiū）目光。對永磁同步電機（jī）的主要研（yán）究內容分為設計、控製、精確性能分析等方麵。隨（suí）著有限（xiàn）元仿真技術的廣泛應用，利用有限元分析方法分析複雜工程計算問題是一種有效途徑。

在設計高效永磁（cí）同步電機時（shí）不僅需要在電磁結構（gòu）設計（jì）上滿足需求，同時還要在電機的機械結構設計上滿足需求。因此本（běn）文通過力（lì）學角（jiǎo）度仿真分（fèn）析了電機的機械。通過有（yǒu）限元仿真軟件分析（xī）電機主軸（zhóu）的靜態特性，分析主軸設計結構的穩定性。根據分析結果（guǒ）還可以優化（huà）主軸結構，提高主軸的可（kě）靠性。由於篇幅所限，本文隻對靜態特性進行分析，而（ér）進一步（bù）優化工作暫時（shí）不做考慮。

2.高（gāo）效永磁同步電機主軸靜動態特（tè）性分析

永磁同步電機通（tōng）常采用的基本結構為星形繞組，該聯接結構能夠有效抑製三次諧波，具有（yǒu）較好的雜散損耗抑製（zhì）性能（néng）。為（wéi）了（le）提高電動機的性能（néng）可以利用改（gǎi）變繞組的方（fāng）式使其氣隙磁密以及（jí）反電勢波形符合永磁電機的設計指標。如（rú）正弦波永磁電機的經典繞組方（fāng）式為分布短距繞組，矩形波永磁電機的經（jīng）典（diǎn）繞組方式為集中整距繞組（zǔ）。此外繞（rào）組方式還包括一（yī）些非常規繞組，比如正弦、單（dān）雙層以及混（hún）合等繞組（zǔ）方式，這些非常規方式能夠有效改善波形。對於永磁電動機轉子磁路結構的選（xuǎn）取一般有（yǒu）兩種形式，疊片結構和實心結構，一般根據（jù）電動機的適用場景、製造工藝等選取，綜合考慮電（diàn）動機的運行性能以及控（kòng）製係統等相關指標。表麵式和內置式兩種轉子磁路結構各自具有優缺點，在選擇（zé）時需要綜合（hé）考慮各種因素。表麵式結構具有簡單、成本低（dī）的優勢，但是其缺點是不（bú）可以將起動（dòng）繞組放置在轉子表麵，這一缺點限製了（le）該（gāi）結構在異步起動永磁同（tóng）步電動機（jī）上的應用。內置（zhì）式結構能夠在異步起動和性能要求較高的電機中應用（yòng），其（qí）不對稱的特點能夠有效提高電動機的過載性能。

分析（xī）電機主軸的靜動態特性能夠保證複雜的（de）電機結（jié）構設計滿足要求，這種分析方法（fǎ）也是對電機進一步優化的基礎。該結構（gòu）的靜態（tài）特性主（zhǔ）要從主軸靜態載荷的響（xiǎng）應特性和主軸動態載荷的響應特性兩個角度進行分析。靜態特性主要分析主軸材料對主軸內花鍵健齒和中段鍵槽（cáo）處所產生的應力的（de）屈服極限，在超過該極限時會破壞主軸。因此，本文通過有限元分析（xī）法分（fèn）析該屈服極限，評估電機主軸性能。動態特性主要分析電機工作過程（chéng）中的動（dòng）載作用產生的振動（dòng）特性，通過對高效永磁電機主軸的（de）動態特性分析（xī）可以獲（huò）得主軸（zhóu）的動態特征，如振（zhèn）型、固有頻率等。

圖1 電機主軸靜動態分析（xī）流程圖

電機主軸的有限（xiàn）元模型利用SolidWorks和ANSYS組合的方（fāng）式建立，經過（guò）網格劃分和加載獲得主軸的靜態特性（xìng）。為了（le）合理的劃分網（wǎng）格密度以（yǐ）及確保分析結果的有效性（xìng），在其它分析條件不變的情況下，增大或減小網格劃分密度，重新對主軸（zhóu）進行二次分析，然後對比兩次結果，具體分析（xī）流程如（rú）圖1所示。

2.1 電機主軸的（de）幾何模型與有（yǒu）限元模型

對於主軸（zhóu）有限元分析模（mó）型的（de）建（jiàn）立，為了提高算法運算速度，節省分析時間，可以使（shǐ）用簡化模型來降低實際模型（xíng）的複雜度。本文采用的（de）簡（jiǎn）化（huà）模型是在（zài）不影響最終分析結果的基礎上簡化實際模型的細

微結（jié）構，如倒角等結構。在（zài）分析模型中（zhōng）將轉子和（hé）主軸作為裝配體整體進（jìn）行分析，其幾何模型如圖2所示，能（néng）夠精準模擬極限工況條件下主軸受力和形變情況。通（tōng）過ANSYS生成的接觸對模擬實際工況（kuàng）下子和主軸的力與轉矩的傳遞。

將圖（tú）2所示（shì）的模型導入ANSYS獲（huò）得有限（xiàn）元模型，然後采用Solid185與Solid187進行（háng）網格劃分。初步（bù）完成網格劃分（fèn）的有限（xiàn）元模（mó）型如圖3所示。

圖（tú）2 主軸裝配體幾何模型

圖（tú）3 網（wǎng）格劃分後的模型

2.2 靜態特性分析

對電機主軸的靜態特性分析采（cǎi）用結構靜力學分析方（fāng）法，該方法定義為（wéi）電機（jī）主軸受到n個載荷力（載荷力為緩慢變化（huà））的作用時，電機主軸的響應，計算電機主軸在該載荷的作用下出現的（de）應力等現象。因此，在對電機主軸進行有限元靜（jìng）態特性（xìng）分析時，載荷的變化以及慣性等不（bú）需要（yào）計算（suàn）。在進行靜態特性分析時，需要（yào）對（duì）電（diàn）機（jī）主軸進行離（lí）散化處理，在上一小節中以完成了對主軸的網格劃分。靜態特性分析有限元方程（chéng）如式（1）。

2.3 動態（tài）特性分析

對電機（jī）主軸的動態特性分析如靜態分析一樣使用有限（xiàn）元分析方法（fǎ），分析電機（jī）主軸的動態特性主要從主軸的振動特性分析，即模態分析。通過模態分析確定主軸的固有頻率及振型。對於主軸的動態

特性如式（1）。

式（1）中的在實際應用中包括周期、衝擊、隨機三（sān）種載荷，本文所采用的有限元法對的分析主要有諧響應、瞬態動（dòng）力學（xué）以及譜分析三種方式。而本文（wén）對主軸動態特性分析所采用的模態分析是（shì）基礎分析方法。主要（yào）分析的是主軸的固有振動特性。因此，令，主軸動態特性（xìng）方程表示為：

對電機主軸的動態特性分析主要分析（xī）主（zhǔ）軸的低階固有頻率，這（zhè）是因為無數階（jiē）的固有頻率中即存在高（gāo）頻振動又存在低頻振動，高（gāo）頻（pín）振動在主軸的（de）動態特性中貢獻（xiàn）低，對（duì）主軸影響較小，而低階振（zhèn）動成分較強，對主軸的結構影響較大。因此對於電（diàn）機主軸的動態特性分析，隻分析（xī）其低階振動，本（běn）文選用前5階作為分析對象。

在（zài）分（fèn）析永磁電機機械結構的動態特性時零位移約束時唯一有效“載荷”。若在DOF處設置的約束（shù）為非零位移，程序執行時將以零位移約束代替，而且在分析時忽略（luè）施加在有限元上的（de）其它形式的載荷。在仿真中其它沒有設置約束（shù）的（de）方向上分析缸體運動和高階自由體模態。因此，在對永磁電機機械結構（gòu）的（de）動態特性（xìng）進行分析時，施加在主軸上的約束為軸承對主軸徑向零位（wèi）移（yí）約束，和軸向零位移約束。

3.分析結果

在進行主軸靜力學（xué）分析中，本文僅以最大轉矩為代表工況進行（háng）分析。通過ANSYS軟件得到如下圖所示的結果，圖4為（wéi）所設定工況下的應力雲圖，圖5為應（yīng）變雲圖。

圖4 主軸應力雲圖（tú）

圖5 主軸應變雲圖

從分析結果可（kě）得，在最大轉（zhuǎn）矩下主軸產生的最大應力約為153Mpa，位於軸伸處的內花鍵鍵齒（chǐ）的內側邊緣處，而最大的應變（biàn）約為2.51×10-5m，227TYZ－XF02B型電機的力學性能如表1。

表1 20CrMnTi的力學性能

通過實驗結果與表1的對比發現，在極限工況下的主軸應（yīng）力沒有達到該材料的屈服強度極限，因此該設計滿足要求。而且主軸（zhóu）和轉子（zǐ）裝配體的最大形變量為6.45×10-5m，未超過定、轉子（zǐ）之間最小間隙（xì）7×10-4m的要（yào）求。由此可知，在未發生共振的（de）情況下，電（diàn）機的（de）定、轉子不存在摩擦（cā）現（xiàn）象，因此永磁電機的主軸撓度設（shè）計也滿足要求。本文對電機振動特性分析通（tōng）過子空間迭代法分析主軸的前5階振（zhèn）動特性，得到如表2所示的前5階固有頻率。

表2 電機主軸的前5階固有頻率

高效永磁（cí）電機主軸的臨界轉速和固有頻率之間在數值上的轉換公式（shì）如式（shì）（4）。

227TYZ－XF02B型電機的額定轉速為2000r/min，對比表2中的1階和2階轉速滿（mǎn）足轉動軸（zhóu）的穩定性理論，因此該主軸為柔性穩定軸，在電機工作（zuò）過程（chéng）中（zhōng）不會發（fā）生共振。

4.結語

本文以以227TYZ－XF02B型電機為例分析電機主軸的靜動（dòng）態特性，通過仿真軟件ANSYS分析驗證了極（jí）限工況下主（zhǔ）軸（zhóu）的強度和撓度（dù）滿（mǎn）足設計需求，此外通過對前5階固有頻率和振型的分析，得出不存在共（gòng）振發生。因此，本文的有（yǒu）限元分析模型合理，分析方法可行，滿足（zú）工程實際需求。

投稿箱：
如果您有機床行（háng）業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係（xì）本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視（shì）點

| 更多

行業數據

| 更多

博文（wén）選萃

| 更多