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笼型三相异步电动机电磁力与电磁振动的计算分析
2017-05-15 20:36:51  作者:佚名  来源:互联网
  •   1 前言   对于感应电动机来讲,其振动主要为气隙磁场产生的电磁振动、轴承产生的机械振动、转子动不平衡引起的振动等。其中由气隙磁场空间谐波及时间谐波产生的径向电磁力波引起的振动,由于其机理复杂、 ...

  1 前言

  对于感应电动机来讲,其振动主要为气隙磁场产生的电磁振动、轴承产生的机械振动、转子动不平衡引起的振动等。其中由气隙磁场空间谐波及时间谐波产生的径向电磁力波引起的振动,由于其机理复杂、频率含量丰富等原因很难通过通用的方法来降低振动,必须通过对每个电磁方案进行详细分析计算的基础上才能保证。电机气隙中的磁场在电机定、转子产生的时空变化的电磁激振力,受到定转子开口、定子、转子槽数、电机运行状态等多种因素的影响,分布及规律十分复杂,故通过定量计算分析对研究电动机电磁振动的机理具有重要意义。

  本文采用场-路耦合二维非线性时步有限元法来计算分析一台三相笼型异步电动机的电磁力波及其产生的电磁振动。电动机电磁振动的计算属于多物理场耦合仿真计算,整个计算过程按以下几个步骤进行:

  (1) 电机电磁场仿真计算

  (a) 通过仿真计算,得到定子齿在气隙表面上的磁密分布;

  (b) 通过磁密值计算定子齿表面的电磁力波(麦克斯维尔力);

  (c) 对电磁力波进行FFT变换,得到各个频率下电磁力波在定子齿表面的分布。

  (2) 电机振动仿真计算

  (a) 使用模态验证后的能够准确模拟电动机复杂结构与复合材料的等效结构、材料模型建立电动机整机有限元计算等效模型;

  (b) 通过编写的电磁力波耦合程序,将电磁力波数据读入振动计算模型,并按频率依次进行加载;

  (c) 使用时谐场方法计算电机在各个频率电磁力下的振动。

  2 气隙电磁力波计算分析

  2.1 异步电动机电磁场计算数学模型

  本文电机电磁场计算,采用场路耦合二维非线性时步有限元法计算。场路耦合二维瞬态有限元法是将磁场方程与电路方程相耦合的方法来模拟电动机实际转动过程中的开槽、铁心饱和、涡流、供电电源等对磁场带来的影响。在设电机电磁场为似稳场等基本假设条件下,进行异步电动机有限元电磁场分析模型进行如下处理:

  (1) 定子绕组端部效应由电路方程中的端部漏电感计入;

  (2) 忽略定子绕组、定转子铁心中的涡流;

  (3) 考虑转子导条中的感应涡流,转子导条端环通过转子回路方程中的导条间的端部电感、电阻来计入;

  (4) 忽略电机轴向磁场的变化(即忽略斜槽影响)。

  电机内部二维时变场有限元偏微分方程:

  {Ω:∂/∂x(v*∂A/∂x)+∂/∂y(v*∂A/∂y)=−J

  s1:A=A0} (1)

  在非涡流区域(定转子铁心、空气):

  J=0 (2)

  在定子绕组区域:

  J=Js (3)

  在转子导条区域:

  J=−σ*∂A/∂t+σ*V/l (4)

  式(1)-(4)中,Ω为求解域,Js为源电流密度,A为矢量磁位,υ为铁心的磁阻率,S1为区域Ω的边界,在S1上给出A的第一类边界条件,σ为电导率,−σ*∂A/∂t

  为涡流电流密度,l为转子铁心长度,v为电位;

  2.2 电磁力波计算与分析

  本次分析采用一台Y-200L-4型异步电机进行有限元计算分析。有限元计算模型如图1所示。

  

图1  有限元计算模型

  图1 有限元计算模型

  

图2 仿真计算的2D磁通密度分布

  图2 仿真计算的2D磁通密度分布

  结合Matlab软件可得到径向磁通密度的分布特性如图3所示;径向电磁力波随空间位置变化如图4所示。由图3可见,有个别定子齿表面上径向磁通密度会存在突变,这是由于该位置存在转子槽口,而在定子槽位置处的径向磁通密度大大减小。

  

 图3  径向磁通密度随空间位置变化

  图3 径向磁通密度随空间位置变化

  

图4  径向电磁力随空间位置变化

  图4 径向电磁力随空间位置变化

  由图4可见,在径向磁通密度大的地方径向电磁力也大,有个别定子齿表面上径向电磁力存在突变,这是由于该位置存在转子槽口,它受转子旋转的影响;在定子槽位置的径向电磁力很小,即径向电磁力主要作用在定子齿表面上。

  径向电磁力不仅有空间特性,同时还具有时间特性。于是取定子齿上一点,计算得到定子齿上某点径向电磁力随时间变化如图5所示。

  

图5  定子齿上某点随时间变化的径向电磁力

  图5 定子齿上某点随时间变化的径向电磁力

  电动机谐波磁场属于时空变化的行波。对时间谐波或空间谐波进行一维傅里叶分析只能得到阶次—幅值或频率—幅值的关系,而无法获得阶次—频率—幅值三者之间的关系,因此无法分析出同一个阶次对应不同的频率的谐波。本文采用时-空二维傅里叶分析方法,对力波的阶次、频率、幅值进行二维傅里叶分析,得出了幅值—空间阶次—频率三者之间的关系。对气隙电磁力波的二维傅里叶分析结果如图6所示。

  

图6 电磁力波时-空二维傅里叶分析

  图6 电磁力波时-空二维傅里叶分析

  从图6可看出,容易引起振动的低阶次气隙谐波电磁力频率在1350Hz、1450Hz、1550Hz、2800Hz、2900Hz以及3000Hz处。这些力波的主要阶次为4、10、14、18、24、28、32、40、44、48等。在高阶力波中68及76处力波幅值较大,这是定子1阶齿谐波与基波相互作用产生的电磁力。低阶次的主要力波阶次-频率对应关系如表1所示(用极对数表示阶次)。

  表1 力波阶次-频率分析表

  

表1  力波阶次-频率分析表

  

表1  力波阶次-频率分析表

  本文测量分析了上述电动机机脚附近的振动加速度。对测得的加速度测量值进行FFT变换得到10~5000Hz的频谱如图7所示。

  

图7 机脚振动加速度频谱

  图7 机脚振动加速度频谱

  从图7可看出,本台电动机主要振动频率为1550Hz,结合表2中的电磁力波频率对比分析可值,该频率振动主要是由频率为1550Hz的2阶、10阶电磁力共同作用引起的振动,其中其主要作用的是低阶次的力波。同样如100Hz、1350Hz、1450Hz、2800Hz、2900Hz等频率的电磁力波对应的振动加速度值在图7中仍然可以看到。

  3 电动机电磁振动仿真计算

  经过对主要力波下的电磁振动仿真计算,分析了振动产生的主要原因。 使用校准后的电机有限元模型(如图8所示)建立振动计算模型,在定子齿上施加主要力波频率下的电磁力进行振动计算,参与计算的主要力波频率及其 幅值如表2所示。

  

图8  电机振动计算有限元模型

  图8 电机振动计算有限元模型

  表2 JYZC5-200L-4/6电动机72/58槽配合下的电磁力波表

  

表2   JYZC5-200L-4/6电动机72/58槽配合下的电磁力波表

  通过时谐场仿真计算,得到了各个力波频率激励下产生的振动结果(图9为仿真与试验的振动值随频率变化的曲线,计算和测量时都选取了电机底脚安装螺栓附近4个点)。可以看出,仿真与试验的振动结果随频率变化的规律是基本一致的,但在个别频率处数值偏差较大。主要原因为:计算时仅考虑了主要起作用的径向力波,如切向力、磁致伸缩力等附加力未考虑在内,除此之外材料阻尼会有所偏差导致计算误差。

  

图9 振动随频率变化曲线

  图9 振动随频率变化曲线

  表3 模态仿真与试验数据

  

表3模态仿真与试验数据

  振动最大值出现在1550Hz(及其附近的1450Hz),其次是7150Hz(及其附近的7250Hz),而在电磁力波最大频率处(即100H处)的振动并不大,结合模态仿真与试验数据(如表3所示)可以确定该振动较大的频率点存在共振现象。

  特别是1550Hz的力波频率与3阶模态非常接近(仿真值为1560Hz,试验值为1555Hz),其振型如图10所示,可以看出,定子的3阶模态被1550Hz的电磁力波激励起来了,并带动底脚产生了弯曲振动。

  

图10  主要模态振型及振动振

  图10 主要模态振型及振动振

  4 结论

  (1)本文采用电磁场有限元软件,采用场-路耦合二维瞬态电磁场分析方法计算分析了一台4极电动机的电磁场及气隙电磁力波。经过对其进行时-空二维傅里叶分析得出各个阶次及各个频率下的力波对应关系,并分析了该次力波组成部分及产生原因。

  (2)本文在电磁力波计算分析的基础上,采用谐响应有限元计算方法,计算分析了该台电动机的主要力波下的电磁振动。并将计算结果与试验数据进行对比分析,证明计算方法的合理性。

  (3)经过对该台电动机的电磁振动计算分析可知,本台电动机在振动最大值出现在1550Hz(及其附近的1450Hz),其次是7150Hz(及其附近的7250Hz),而在电磁力波最大频率处(即100H处)的振动并不大,结合模态仿真与试验数据可以确定,该台电动机的振动最大的频率点1550Hz处的振动主要是因为1550Hz的一阶齿谐波电磁力与3阶模态共振引起的。

  (4)经过电磁力波与电磁振动的计算分析为电机减振降噪优化设计提供了理论依据。



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