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[综合讨论] 基于ANSYS的电机转子的动力学分析

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发表于 2020-10-12 15:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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1 引言
转子动力学的研究,最早可追溯到十九世纪六十年代。一个多世纪以来,随着大工业的发展,转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中,在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。因而,转子动力学有着极强的工程应用背景,其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题,为转子动力学设计找到了一个新的途径。

2.模型的建立及计算
如图1所示,为电子转子的有限元模型,使用BEAM188单元模拟转子的轴,使用MASS21单元模拟转子,使用单元COMBI214模拟轴承。
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图1 电机转子的有限元模型(不显示单元)
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图2 电机转子的有限元模型(显示单元)

图3给出了Beam188 单元的几何简图。Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构,该单元基于铁木辛哥梁结构理论,并考虑了剪切变形的影响。

Beam188 是三维线性(2 节点)或者二次梁单元。每个节点有六个或者七个自由度,自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。当KEYOPT(1)=0(缺省)时,每个节点有六个自由度;节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。当KEYOPT(1)=1 时,每个节点有七个自由度,这时引入了第七个自由度(横截面的翘曲)。这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。

当NLGEOM 打开的时候,beam188 的应力刚化,在任何分析中都是缺省项。应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题(用弧长法)分析特征值屈曲和塌陷)。

Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定义横截面。本单元支持弹性、蠕变及素性模型(不考虑横截面子模型)。这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。

图4给出了COMBI214单元的几何简图。COMBI214是专门用来模拟轴承力学性质的单元,可以考虑拉压,但不能考虑弯曲和扭转。这个弹簧阻尼单元没有质量,如果需要质量则通过添加MASS21单元来实现。
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图3 BEAM188单元的几何模型简图
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图4 COMBI214单元的几何模型简图

表1到表3分别给出了转轴的计算参数和两个轴承的计算参数。转子外载荷为重力和扭矩。进行谐响应分析来找出电机转子的共振频率点。以便使转子的实际工作转速避开此点。不考虑转子加工的所引起的质量偏心,而只考虑转轴因受到重力而产生的偏心。电机的驱动力矩的频率从0变化到400Hz间隔为0.5Hz。
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图5 电机转子的考察点
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图6 各考察点的位移与频率的关系
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图7 162Hz时的转子的位移云图
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图8 162Hz时的转子的等效应力云图
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图9 240Hz时的转子的位移云图
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图10 240Hz时的转子的位移云图

图6到图10给出了电机转子的计算结果:图6给出了5个考察点的y方向的位移与激励频率的关系图,由图可知:电机转子有两个共振点分别是162Hz和240Hz,且电机右端点处的振动幅度最大,电机转子左端点和中心转子处的振动幅度相当。

图7和图8给出一阶共振频率的位移等效云图和应力等效云图,由两图可知当外界的激励频率达到160Hz时,电机作摆振,且最大应力为7.8MPa。图9和图10给出了二阶共振频率时的电机位移和等效应力云图。由图可知:电机的二阶共振频率的位移和应力远小于一阶的值,因此对于本文的电机轴主要要避开一阶共振点。

3 结论
  通过以上分析和计算可以得出以下结论:
(1)本文提出的使用BEAM188单元模拟转子的轴,使用MASS21单元模拟转子,使用单元COMBI214模拟轴承,对于研究转子动力学操作简单,计算可靠,为转子动力学的数值计算提供了一个可行的方法。
(2)通过计算本文的电机转子存在两个主要的共振点,分别是162Hz和240Hz。

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