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一種高效永磁同步電機主軸靜動態特性有限元分析方法

2020-4-18 來源：三一重能有限公司作者：趙軍郭望姚振宇袁軼彥

摘要:高效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，并計算出了極限工況時的應力應變值和主軸的臨界轉速。仿真結果表明高效永磁同步電機主軸的各項性能指標滿足設計需求，而且未在工作中構成中發生主軸共振。

關鍵詞:227TYZ－XF02B電機；主軸；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目光。對永磁同步電機的主要研究內容分為設計、控制、精確性能分析等方面。隨著有限元仿真技術的廣泛應用，利用有限元分析方法分析復雜工程計算問題是一種有效途徑。

在設計高效永磁同步電機時不僅需要在電磁結構設計上滿足需求，同時還要在電機的機械結構設計上滿足需求。因此本文通過力學角度仿真分析了電機的機械。通過有限元仿真軟件分析電機主軸的靜態特性，分析主軸設計結構的穩定性。根據分析結果還可以優化主軸結構，提高主軸的可靠性。由于篇幅所限，本文只對靜態特性進行分析，而進一步優化工作暫時不做考慮。

2.高效永磁同步電機主軸靜動態特性分析

永磁同步電機通常采用的基本結構為星形繞組，該聯接結構能夠有效抑制三次諧波，具有較好的雜散損耗抑制性能。為了提高電動機的性能可以利用改變繞組的方式使其氣隙磁密以及反電勢波形符合永磁電機的設計指標。如正弦波永磁電機的經典繞組方式為分布短距繞組，矩形波永磁電機的經典繞組方式為集中整距繞組。此外繞組方式還包括一些非常規繞組，比如正弦、單雙層以及混合等繞組方式，這些非常規方式能夠有效改善波形。對于永磁電動機轉子磁路結構的選取一般有兩種形式，疊片結構和實心結構，一般根據電動機的適用場景、制造工藝等選取，綜合考慮電動機的運行性能以及控制系統等相關指標。表面式和內置式兩種轉子磁路結構各自具有優缺點，在選擇時需要綜合考慮各種因素。表面式結構具有簡單、成本低的優勢，但是其缺點是不可以將起動繞組放置在轉子表面，這一缺點限制了該結構在異步起動永磁同步電動機上的應用。內置式結構能夠在異步起動和性能要求較高的電機中應用，其不對稱的特點能夠有效提高電動機的過載性能。

分析電機主軸的靜動態特性能夠保證復雜的電機結構設計滿足要求，這種分析方法也是對電機進一步優化的基礎。該結構的靜態特性主要從主軸靜態載荷的響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處所產生的應力的屈服極限，在超過該極限時會破壞主軸。因此，本文通過有限元分析法分析該屈服極限，評估電機主軸性能。動態特性主要分析電機工作過程中的動載作用產生的振動特性，通過對高效永磁電機主軸的動態特性分析可以獲得主軸的動態特征，如振型、固有頻率等。

圖1 電機主軸靜動態分析流程圖

電機主軸的有限元模型利用SolidWorks和ANSYS組合的方式建立，經過網格劃分和加載獲得主軸的靜態特性。為了合理的劃分網格密度以及確保分析結果的有效性，在其它分析條件不變的情況下，增大或減小網格劃分密度，重新對主軸進行二次分析，然后對比兩次結果，具體分析流程如圖1所示。

2.1 電機主軸的幾何模型與有限元模型

對于主軸有限元分析模型的建立，為了提高算法運算速度，節省分析時間，可以使用簡化模型來降低實際模型的復雜度。本文采用的簡化模型是在不影響最終分析結果的基礎上簡化實際模型的細

微結構，如倒角等結構。在分析模型中將轉子和主軸作為裝配體整體進行分析，其幾何模型如圖2所示，能夠精準模擬極限工況條件下主軸受力和形變情況。通過ANSYS生成的接觸對模擬實際工況下子和主軸的力與轉矩的傳遞。

將圖2所示的模型導入ANSYS獲得有限元模型，然后采用Solid185與Solid187進行網格劃分。初步完成網格劃分的有限元模型如圖3所示。

圖2 主軸裝配體幾何模型

圖3 網格劃分后的模型

2.2 靜態特性分析

對電機主軸的靜態特性分析采用結構靜力學分析方法，該方法定義為電機主軸受到n個載荷力（載荷力為緩慢變化）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應力等現象。因此，在對電機主軸進行有限元靜態特性分析時，載荷的變化以及慣性等不需要計算。在進行靜態特性分析時，需要對電機主軸進行離散化處理，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如式（1）。

2.3 動態特性分析

對電機主軸的動態特性分析如靜態分析一樣使用有限元分析方法，分析電機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。對于主軸的動態

特性如式（1）。

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

對電機主軸的動態特性分析主要分析主軸的低階固有頻率，這是因為無數階的固有頻率中即存在高頻振動又存在低頻振動，高頻振動在主軸的動態特性中貢獻低，對主軸影響較小，而低階振動成分較強，對主軸的結構影響較大。因此對于電機主軸的動態特性分析，只分析其低階振動，本文選用前5階作為分析對象。

在分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，而且在分析時忽略施加在有限元上的其它形式的載荷。在仿真中其它沒有設置約束的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的動態特性進行分析時，施加在主軸上的約束為軸承對主軸徑向零位移約束，和軸向零位移約束。

3.分析結果

在進行主軸靜力學分析中，本文僅以最大轉矩為代表工況進行分析。通過ANSYS軟件得到如下圖所示的結果，圖4為所設定工況下的應力云圖，圖5為應變云圖。

圖4 主軸應力云圖

圖5 主軸應變云圖

從分析結果可得，在最大轉矩下主軸產生的最大應力約為153Mpa，位于軸伸處的內花鍵鍵齒的內側邊緣處，而最大的應變約為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。而且主軸和轉子裝配體的最大形變量為6.45×10-5m，未超過定、轉子之間最小間隙7×10-4m的要求。由此可知，在未發生共振的情況下，電機的定、轉子不存在摩擦現象，因此永磁電機的主軸撓度設計也滿足要求。本文對電機振動特性分析通過子空間迭代法分析主軸的前5階振動特性，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