大型交流电动机定子振动的有限元分析

摘要

随着工业的发展，生活水平和环境保护呼声提高，人们对减少 噪声污染提出了越来越高的要求，对降低噪声的要求日益强烈。同 时现代电机设计正朝着采用大电流高磁密的方向发展，这常会使电 机产生比较大的电磁噪声。而电机的振动是造成电机噪声的主要原 因之一，并且电机振动给电机一负载系统的安全可靠运行也会带来 很大的危害。研究和控制电机的振动和噪声问题，已成为国内外电 机制造企业生存和发展的重要课题。要减小电机振动和噪声就必须 认真研究电机定子的固有频率、固有模态等机械振动的特性，以便 提出合理的结构设计。 长期以来，不少学者和研究人员对电机振动问题做了很多的研 究工作，并发表了不少专著、文献。但大多集中在分析计算水轮机、 汽轮机定子振动和一些中小型电机的振动分析，关于大型交流电机 定子振动方面的研究并不多。本文在全面总结国内外关于电机振动 的发展情况和现状的基础上，利用有限元法对大型交流电动机的定子振动进行了研究。 本文首先利用有限元分析软件ANSYS以一台 TDZBS-4 2450kW 交直交变频调速同步电动机为例，建立了该台电机的定子冲片的二 维有限元模型，选用分块Lanczos模态提取法，分析计算了其固有 频率和振型，并与传统计算方法进行了分析比较，同时对定子冲片 轭部，定子冲片叠片的其它几种有限元模型也进行了分析比较，验 证了用有限元来分析电机定子振动的可行性。接着分别建立了该台 电机的机座和定子系统振动的有限元模型，分析计算固有频率和振 型，并与试验结果进行了对比，提出了计算的修正模型，该修正模 型的计算结果与实测结果比较吻合。再用一台YCHl0000-4,18000kW 大型异步电动机为例，对其定子振动进行有限元研究，编制了电机 定子振动分析的命令流文件。同时还编制了YKK箱式系列电机定 子振动分析的参数化程序，得出的计算结果都符合实际工程设计经 验，与电机产品的实测值也比较吻合，说明该参数化程序能够适用 于各种功率、机座号、极对数、铁心长的YKK箱式系列电机的计算。 在运用上述研究结果的基础上，对一台电机定子振动超标的电机提出了修改方案，并取得了一定的效果。说明在电机振动分析中运用有限元法是有效的。本文提出的模型和计算方法，在电机的定子振动分析中具有重要的工程应用价值，是很有发展前途的。

目录

文摘

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上海交通大学学位论文答辩决议书

第一章　绪论

1.1　课题研究的意义

1.2　国、内外研究概况

1.2.1　近似模型法

1.2.2　能量法

1.2.3　机械阻抗法

1.2.4　试验模态分析

1.2.5　有限元法

1.3　论文的主要工作

第二章　结构动力学理论基础

2.1　结构动力学基本概念

2.1.1　结构概述

2.1.2　结构振动的原因

2.1.3　结构振动的衰减

2.1.4　结构振动的分析

2.1.5　动力结构的模拟

2.1.6　结构振动的自由度

2.2　运动方程的建立

2.2.1　应用达朗伯原理建立运动方程

2.2.2　拉格朗日方程

2.2.3　哈密顿原理

2.2.4　无阻尼自由振动

2.3　求解运动方程的方法

2.3.1　能量分析法

2.3.2　矩阵迭代法

2.3.3　瑞利能量法

2.3.4　振型叠加法

2.3.5　有限元法

2.3.6　消去法

第三章　电机定子振动理论基础

3.1　电机定子的振动特性及响应的分析和计算

3.1.1　径向力波的定义

3.1.2　电机定子的振动特性分析计算

3.1.3　电机定子的模态与固有频率

3.1.4　电机定子的其他特殊振动型式

3.2　电机定子振动特性分析的几种方法

3.2.1　电机定子振动分析中的机械阻抗法

3.2.2　电机定子振动特性的能量法计算

3.2.3　有限元法

3.2.4　试验模态分析法

3.3　电机定子的固有频率及其模态的测试

3.3.1　电机振动的测试

3.3.2　电机的振动测试标准

3.3.3　振动测量仪器简介

3.3.4　测试方法

3.3.5　模型试验

第四章　大型交流电动机定子振动分析的有限元计算

4.1　有限元分析软件ANSYS介绍

4.1.1　ANSYS与其它软件的接口

4.1.2　ANSYS软件功能简介

4.1.3　ANSYS软件的质量认证

4.2　模态分析的定义及方法介绍

4.2.1　模态分析中用到的命令

4.2.2　模态提取方法

4.2.3　模态提取方法总结

4.2.4　分块Lanczos法

4.3　交流电动机定子振动的有限元计算

4.3.1　定子铁心模型的模态分析

4.3.2　机座模型的模态分析

4.3.3　定子振动系统的模态分析

4.4　试验结果

4.4.1　定子结果

4.4.2　整台电机结果

4.5　有限元分析与试验的比较与修正

4.6　减小2450kW电机振动的措施

4.7　YCH电机的模态分析

4.7.1　定子冲片模型

4.7.2　机座模型

4.7.3　定子系统模型（机座+定子铁心）

4.8　Y系列箱式电机参数化程序的编制

4.8.1　参数化程序流程

4.8.2　利用参数化程序对Y系列箱式电机分析

第五章　结论

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间发表的论文