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    CAE咨询 / Data Area

    12年的专业CAE咨询服务经验,超过1000个项目的丰富经验积累。

    电机结构分析与优化概述

    发布时间:2013-12-17

    浏览次数:

    • 四、电机结构仿真分析
      建立电机有限元模型,通过有限元仿真,获得电机的模态参数和应力应变参数,可得出:
      1) 电机的稳定运行中,存在的局部薄弱区域;
      2) 考察机座的结构是否满足动态强度和刚度要求;
      3) 通过优化,可简化电机定子、转子的结构尺寸和结果形式,进而简化电机的生产工艺,降低电机重量和生产成本。
       
      4.1 电机结构有限元模型建立
      模型的修复与简化,网格的划分与质量控制,以及求解文件的定义将耗费工程技术人员大量的时间,而真正的求解工作是计算机自动完成.因此,从有限元前后处理工作入手,采用方便快捷的前后处理工具,将工程技术人员从繁重的非技术性劳动中解脱出来, 使得他们有更多的时间用于研究分析问题的本质。
      ANSA是一款高性能的有限元前处理器,它具有强大的有限元网格前处理功能,支持结构和流体网格。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面,ANSA具有很好的速度、适应性和可定制性,并且模型规模没有软件限制,而其他很多有限元前处理软件在读取复杂的大规模模型数据时需要很长时间,而且很多情况下并不能够成功导入模型,致使后续的CAE分析工作无法进行。ANSA强大的几何处理能力使其可以很快读取那些结构非常复杂、规模非常庞大的模型数据,从而大大提高了CAE分析工程师的工作效率,也使得很多应用其他前后处理软件很难解决甚至根本不能解决的问题迎刃而解。
      4.2 电机定子模态、刚度仿真分析
      大中型电动机的噪声比较高,目前仍然是电机设计的一大难题。电磁噪声与激振电磁力和机械振动模态均息息相关,当电磁力波和定子模态的阶次一致且频率相接近时,会导致定子共振从而引起大的电磁噪声。为了避免共振以降低电磁噪声需要详细地研究激振电磁力和机械振动模态,模态一般和刚度是相关联的。
      ABAQUS被广泛地认为是功能最强的有限元软件,可以分析复杂的固体力学结构力学系统,特别是能够驾驭非常庞大复杂的问题和模拟高度非线性问题。ABAQUS不但可以做单一零件的力学和多物理场的分析,同时还可以做系统级的分析和研究。在动态分析时,Abaqus软件可进行电机结构模态分析、振动响应分析、频率响应、瞬态响应等,采用振型叠加法和直接解法。
      定子周向振动模态的阶次和振型
      定子铁心完整有限元模型                                             定子铁心模态振型图
      定子装配体有限元模型               转子76槽时实测空载噪声频谱
      定子模态振型图
      磁轴承—转子系统3D有限元模型磁轴承转子振动模态
       
      有限元法计算固有频率与转子运行振动频率比较                                          转子实际运行振动频谱图    
                         
      4.3 电机强度计算
      大型电机在运转过程中,当电机处于某种工作环境或激励状态时,在其自身惯性力和外部激励的共同作用下,电机可能会产生严重的振动现象,从而严重地影响电机的工作稳定性,使得电机在运行过程中产生严重的过热现象,甚至导致电机损坏。对于振动问题,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运动学和动力学特征,确定影响电机动力学性能的敏感因素和规律,解决电机静、动力学与结构优化等问题,ABAQUS/Standard是一个通用分析模块,它能够求解广泛的线性和非线性问题,包括结构的静态、动态、热和电反应等。对于通常同时发生作用的几何、材料和接触非线性采用自动控制技术处理。ABAQUS拥有CAE工业领域最为广泛的材料模型,它可以模拟绝大部分工程材料的线性和非线性行为,而且任何一种材料都可以和任何一种单元或复合材料的层一起用于任何合适的分析类型。
      ABAQUS/Standard使各种线性和非线性工程模拟能够有效、精确、可靠地实现。广泛的分析能力、优越的性能、完备的用户指南、高质量一流的技术支持使ABAQUS/Standard成为分析许多工程问题的有效工具。此外, ABAQUS/CAE建模环境支持ABAQUS/Standard的所有常用的前、后处理需求。此外,许多常见的建模前后处理软件都支持ABAQUS/Standard。  
      机壳强度分析应力图
      滚子轴承应力分析
       
      4.4 电机转子临界转速计算
      高速电机转子的转速高达每分钟数万转,甚至十几万转,定子绕组电流和铁心中磁通频率一般在1000 Hz 以上,由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。高速电机转子系统在设计阶段应精确预知其动态特性,包括临界转速位置及振动模态分析,为提供适合的支承刚度和阻尼,采用合理的磁力轴承控制系统设计方法提供依据。
      转子结构示意图
      转子轴伸直径一定时,轴伸长度对转子弯曲模态临界转速有很大影响,随着轴伸长度增大,转子临界转速降低。
      对于工作转速高于1 阶振动模态的转子临界转速,应使实际转速N 满足下列条件
       
      4.5 电机优化
      根据企业其它类型电机的结构,为简化电机制造工艺,降低生产成本,对电机定子、转子结构进行优化。
      Tosca软件由德国Fe Design公司完成开发设计,Tosca是标准的无参结构优化系统。使用该软件可以对具有任意载荷情况的有限元模型进行拓扑、外形和条纹优化。由于采用无参结构优化系统,不需要对模型参数化,因此减小了建模工作而且结构的优化更具弹性。该软件的优化标准是建立在最优标准基础上的优化算法,过程快捷灵敏。目前,已有德国奥迪公司和宝马公司等众多工业企业采用Tosca作为产品虚拟开发软件。
      采用Tosca进行的结构优化是一个重复迭代过程。每一重复过程中元件的结构响应在外部求解器中进行求解。Tosca采用的外部求解器为工业认可的标准求解器,既保证了计算结果的高精度,又避免了不必要的重复投资,而且用户可以在自己熟悉的求解器环境和前后处理环境下工作,而不用培训来熟悉另外一个新的求解器。在优化过程中,可以直接使用已经存在的有限元模型。通过Tosca内部各程序的相互作用完成了结构在CAD系统中从概念到最优形状的优化设计闭环过程。
      采用Tosca软件进行优化设计
      在定子结构中,去掉骨架,两端压圈改为8根焊筋相连接,把转子的幅板改为6根焊筋. 优化后的定子、转子模型。
      定子、转子的优化结构
       
      4.6 电机疲劳分析
      FE-SAFE是一款高级疲劳耐久性分析和信号处理的软件,它是多轴疲劳分析解决方案的领导者,算法先进,功能全面细致,是世界公认精度最高的疲劳分析软件之一。 
      FE-SAFE既支持基于疲劳试验测试应力和应变信号的疲劳分析技术,也支持基于有限元分析计算的疲劳仿真设计技术。 软件具有完整的材料库、灵活多变的载荷谱定义方法、实用的疲劳信号采集与分析处理功能以及丰富先进的疲劳算法,完整的输出疲劳结果。
      FE-SAFE由用户界面、材料数据库管理系统、疲劳分析程序和信号处理程序组成。FE-SAFE读取有限元分析计算出的单位载荷或实际工作载荷下的弹性应力,然后根据实际载荷工况和交变载荷形式将结果比例迭加以产生工作应力时间历程;也可换算成特定类型载荷作用下的弹塑性应力。
      各接触角与仿真数据的关系图
      轴承疲劳寿命云图
       
       

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