大型立式电机建模及模态仿真.doc

1、 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。（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

2、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毕业论文撰写2014-5-16至2014-5-315准备毕业答辩ppt2014-6-1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

3、表各一份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、

4、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

5、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, 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 f

6、orce. Thus, the analysis and optimization of structure are an important part of motor designing. In this paper, motor structure 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

7、 experiment and strain testing are implied. Further, the motorsstructure is optimized. The main content includes:(1) The motors 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 defor

8、mation are obtained and proved；(3) Based on the integral 3D model，the natural frequencies and corresponding vibration modals 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

9、 motor structure is optimized to simplify polytechnic keeping constant of efficiency and magnetic options；The experiment results 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 couplin

10、g for rotor. And the connection reliability of foundation screws impacts the motors vibration characteristic.KEY WORDS:Heavy 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

11、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

12、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电机铁芯长度对振型的影响29结 论321.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

13、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

14、，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，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。