1、本科毕业论文（20 届）大型立式电机建模及模态仿真所在学院专业班级 机械设计制造及其自动化学生姓名指导教师完成日期附件 6毕业设计任务书设计题目： 大型立式电机建模及模态仿真 1设计的主要任务及目标分析大型电机进行三维建模，并且对关键零部件进行校核。运用有限元分析方法进行模态分析达到避免共振、减轻电机重量、简化工艺、节约原材料、增加可靠性的目的。 2设计的基本要求和内容（1）通过广泛调研、查阅文献、参观实习，了解和掌握历史电机的重要作用，研究现状、基本类型、设计方法等，明确选题的意义。 （2）综合运用基础知识和专业知识对大型立式进行三维建模。 （3）应用有限元分析软件对大型立式电机进行模态分析
2、。 （4）按时完成毕业论文。要求论文论述清楚、文理通顺、图表规范、数据准确、内容完备。 （5）遵守纪律，以严谨的科学作风，按时完成各项任务。3主要参考文献1 曹树谦.振动结构模态分析M.天津大学出版社，2002，62 大久保信机械模态分析技术M.尹传家译.上海：上海交通大学出版社，1985.3 陈 超，赵淳生旋转型行波超声电机定子的子结构模型研究J振动工程学报，2005 4进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 开题报告 2014-3-1 至 2014-3-202 中期报告完成三维建模 2014-3-20 至 2014-4-303 模态分析 2014-5-1 至 2014-5-154 毕业论
3、文撰写 2014-5-16 至 2014-5-315 准备毕业答辩 ppt 2014-6-1 至 2014-6-10注：一式 4 份，系部、指导教师各 1 份、学生 2 份：毕业设计 及答辩评分表各一份诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签字： 年 月 日大型立式电机建模及模态仿真摘要：大型电动机是重要的生产动力设备和辅机设备，机座、定子和转子是电机的关键零部件。大型立式电机由于其自身结构和承载方式的特点，容易因机械强度、刚度不足以及共振而发生电机破坏，这使得结构分析与优化成为了大型立式电机设计的一个
4、重要内容。本文以 YKSL2150 大型立式电机为研究对象，运用有限元仿真与试验相结合的方法，应用三维 CAD 技术和有限元技术进行了电机关键零部件的实体建模、静力学仿真和自由模态仿真，在仿真结果的基础上，对电机定子、转子结构进行了优化。主要工作内容如下:(1)应用 Pro/Engineer 软件建立电机关键零、部件的三维实体模型;(2)分别考虑转矩、轴向力、径向力以及综合载荷，进行了定子、转子的有限元静力学仿真以及强度和刚度校核;(3)在考虑电机冷却板、接线盒、吊钩等多种结构的基础上，进行了定子、转子的自由模态仿真，得到了前十阶固有振动频率和振型，进行了电机的电磁振动分析;(4)进行了定子的
5、模态试验和应变测试试验，应用试验结果验证了仿真结果;(5)在保持电机功率、电磁参数不变的前提下，以简化工艺为目标，进行了电机结构的优化。通过试验和有限元仿真表明，现有电机结构在正常情况下满足强度、刚度和固有振动特性的要求，但安全裕量都不大。机定子座的危险位置主要发生在上机架外筋板处，转子的危险位置主要发生在转轴下端联轴器位置，而地脚螺栓联接的可靠性则直接的影响电机的固有振动特性。关键字:大型立式电机，有限元分析，三维建模ABSTRACT：Heavy efficiency motor is an important power equipment and auxiliary equipment,
6、 which critic part includes base ,stator and rotor.Heavy vertical motor is easy to be damaged because of absence of strength, stiffness and vibration due to its structure and force. Thus, the analysis and optimization of structure are an important part of motor designing. In this paper, motor struct
7、ure is researched by combing experiment study with simuliation .Using 3D CAD, virtual prototype and FEM, kinematics, static and modal simulation are conducted. In the end,modal experiment and strain testing are implied. Further, the motorsstructure is optimized. The main content includes:(1) The mot
8、ors integral entity model is established by Pro/Engineer；(2) The static simulation of base and rotor are carried out considerv all kind of forces,the stress intensity and deformation are obtained and proved；(3) Based on the integral 3D model，the natural frequencies and corresponding vibration modals
9、 of the base and rotor are obtained by performing modal analysis；(4) Static strain testing and modal experiment are done, the virtu prototyping and simulation are proved；(5)The motor structure is optimized to simplify polytechnic keeping constant of efficiency and magnetic options；The experiment res
10、ults and simulation indicate that the current motor has the right strength，stiffness and vibration, but not enough. The dangerous place is upper bracket and the part of coupling for rotor. And the connection reliability of foundation screws impacts the motors vibration characteristic.KEY WORDS:Heavy
11、 vertical motor, Finite Element, The three-dimensional modeling目录1.绪论 .11.1 课题背景 .11.2 电机简介 .11.2.2 电机的主要参数 .31.3 国内外电机的研究现状及发展前景 .41.4 课题研究的目的和意义 .52.有限元分析技术与电机建模 .62.1 有限元分析技术 .62.1.1 有限元分析技术的定义及特点 .62.1.2 有限元分析的步骤方法 .72.1.3 有限元分析技术的发展趋势 .82.2 电机三维实体建模 .102.2.1 三维实体建模平台的选择 .102.2.2 Pro/Engineer 三维
12、实体建模 .112.2.3 实体模型简化 .123.数值模拟与有限元法概述 .153.1 工程问题的解决 .153.2 数值模拟与有限元法 .153.3 有限元法的起源 .164.电机的模态仿真分析 .184.1 模态分析基本理论 .184.1.1 模态分析概述 .184.1.2 基本有限元方程 .194.2 模态分析软件的选择 .214.3 电机的模态分析 .224.3.1 网格划分 .224.3.2 约束条件 .234.3.3 模态仿真结果分析 .245.电机结构对比分析 .285.1 定、转子铁芯长度对电机的影响 .285.1.1 电机铁芯长度对频率的影响 .295.1.2 电机铁芯长度
13、对振型的影响 .29结 论 .3211.绪论1.1 课题背景立式电机的承载结构与卧式不同，载荷属于级级递传形式，各个部分的强度和刚度要求都很严格，因此，对各个结构有个理性的把握是很重要的，尤其是对于新的大型结构的设计，仿真模拟是非常必要。立式电机的载荷最终通过机座传递到底座上,机座是主要的承载部件,其刚度至关重要,而定、转子作为电机的核心部分，是能量转换的场所，其微小变化都会对电机产生不可忽视的影响，因此，定、转子必须有足够的刚度和强度，才能保证电机正常运行。在电机运转过程中，当电机处于某种工作环境或激励条件时，在其自身惯性力和外部激励的共同作用下，当外部激励的某阶激励频率与电机的某阶固有频率
14、接近或相等且激励力足够大时，电机就会产生严重的振动现象，会严重地影响电机的工作稳定性。对于这样的振动问题，用传统的研究方法难以解决，而应综合考虑影响电机静、动力学性能的各种参数、载荷和激励条件，应用有限元仿真系统研究电机的运动学和动力学特征，确定出敏感的影响因素和规律，解决电机静、动力学与结构优化等问题，使之避免强烈振动现象的发生。本项目应用仿真与模拟技术对电机的静、动力学性能进行仿真研究，分析出电机的模态参数及其结构参数之间的变化规律，获得影响电机静、动力学性能特征的敏感因素，确定电机的最优结构方案，降低电机的振动幅度，减轻其自重，提高其动态性能、经济效益和国内外市场的竞争能力。机械振动特性
15、的主要研究方法有机械阻抗法、能量法和有限元法4，随着计算机技术的发展，目前已普遍应用有限元法对复杂的结构进行运动学、动力学分析，得到机械产品的振动参数，从而对机械结构进行优化，提高电机的结构质量和产品质量。在电机行业，有限元分析方法目前多用于在大型水轮机、汽轮机结构件的计算分析上，涉及大中型交流立式电机的研究还不多见5。1.2 电机简介本课题研究的对象是YKSL2150型大型立式电动机（YKSL带空-水冷却器全封闭2式鼠笼转子三相立式异步电动机，2150定子铁芯外径2150mm） ，可用于驱动立式安装的水泵及其他负载设备。该电动机采用国际上流行的箱式结构，其方型机座由钢板焊接制成，具有刚度好，
16、重量轻的优点，其机械结构如图1.1所示，主要包括以下几部分：图1.1 电机结构图（1）定子。是输入电功率，产生磁场的静止部件。对交流电机来说，在通常结构形式下，定子磁场是旋转的；对直流电机来说，定子磁场是静止的。定子通常是由机座固定在底板上；（2）转子。是产生一个定子磁场相对运动的磁场，轴上输出功率的重要部件，其上各部件往往要承受较大机械应力和电磁力，转子通常是依靠转轴支撑在轴承上；（3）轴承装置。是保证转子正常旋转并保持定、转子相对位置不变或处于所限定的范围之内的机械结构。中、小型电机一般采用滚动轴承，固定在电机两侧端盘上；对大型电机来说一般采用滑动轴承，用轴承座固定在底板上；（4）底板。单
17、台的中、小型电机没有底板，定、转子、机座、端盖装配成一个整体，依靠与机座为一体的底脚板，直接固定到基础上；3大型电机因为其自身的结构特征和负载特性，在工作时容易产生极大的振动和噪声，成为噪声的重要声源之一。然而电机在家庭、商业、办公室以及工农医等行业广泛而大量地应用着，与人民的生活密切相关。随着社会的进步，人们对污染环境的噪声提出了越来越高的要求与限制，尤其对与人们密切接触的家用电器更是如此。这方面，先进国家尤其重视。我国政府历来重视人民的健康，对限制噪声不遗余力。因此，尽量降低电机的噪声，生产低噪声的电机，给人们创造一个舒适、安静的环境是每个设计者与生产者的职责。根据电机噪声产生的不同方式，
18、大致可把其噪声分为三大类：电磁噪声；机械噪声；空气动力噪声。从产生噪声的原理来看，振动引起的噪声最为普遍。因而，研究电动机的振动问题，对降低噪声污染、改善生活环境也具有十分重要的意义。电磁噪声主要是由气隙磁场作用于定子铁芯的径向分量所产生的。它通过磁轭向外传播，使电机铁芯产生振动变形。其次是气隙磁场的切向分量，它与电磁转矩相反，使铁芯局部变形振动。当径向电磁力波动与电机的固有频率相等或接近时，就会引起共振，使振动与噪声大大增强，甚至危及电机的安全。由此可见，铁芯长度的选择对于研究电机的振动和噪音有着重要的意义。1.2.2 电机的主要参数电机的主要参数如表1.1所示：表1.1 电机主要参数额定功
19、率(kw) 3000额定转速(r/min) 490相数 3极对数 16转差率 0.01定子内径(mm) 1782定子外径(mm) 2150气隙量(mm) 2.5定子槽数 108转子槽数 1324轭部长度(mm) 700主要材料 45 钢总重量(kg) 318501.3 国内外电机的研究现状及发展前景目前电机性能提高的研究都主要集中在电磁振动产生的原因、定子、转子结构结对振动的影响、转子动力学等方面。电机振动是近年来电机研究的热点和难点之一。一直以来，人们认为由于电机运行时的定、转子磁极间存在脉动的切向和径向磁吸力而产生的脉动电磁转矩是造成电机振动的主要原因，但是 1992 年，Derrick
20、E. Cameron, JefreyH. LangStephenD . Umans 基于频域的研究和一系列实验表明，电机振动的主要根源是由于定子受到径向磁拉力而产生的振动和变形，当径向磁拉力的谐波频率和定子的固有频率一致时噪音明显增大。1995 年，Chi-Tao Wu 和Charles Pollock 基于时域的研究也表明开关磁阻电机噪声的主要根源不是转矩脉动，而是定子的振动变形。在如何减小开关磁阻电机振动方面，Derrick E.Cameron 提出：可以通过控制开通角和关断角以分散噪声激励频谱，降低与定子机械共振。Chi-Yao Wu 得出结论：开关磁阻电机相绕组外施相电压的阶跃变化，导
21、致相电流、径向力变化率跃变是引起电机振动大的主要原因。因相电流关断时，相电压产生大幅度负跃变，加之径向磁拉力变化，会引起电机振动，应用解析方法可预测电机噪声，并分析定转子极对数对电机振动的影响。在此基础上，Chi-Tao Wu 提出了“两步换相法” ，即将不对称半桥主功率电路中的相电流的关断过程分成两步进行，以使两次关断激发的冲击振动相位相反，相互抵消，从而达到抑制振动减小噪声的目的。2000 年和2003 年，S.A1ong 提出了计算开关磁阻电机径向磁拉力和预测电机噪声的解析方法，并分析了定转子极对数对电机振动的影响。2002 年，W.Cai 和 P.Pillay 等研究了定子绕组和端盖对固有频率的影响，得出绕组减小固有频率而端盖增加固有频率的结论，因此，绕组和端盖对固有频率的影响在相当程度上是相互抵消的 3。近年来国内也有部分学者在研究电机的振动，研究领域主要集中在电机定子固有频率的计算、定子参数设计对电机振动特性的影响、换向方法的进一步研究以及
