基于ANSYS动车组用异步牵引电机转子的有限元分析

王纯

摘要：复杂的动车组用异步牵引电机转子实际工作时，为保证其转速能限制在安全界限内，有必要研究该电机转子的振型及临界转速，以便于实际生产的合理控制。鉴于ANSYS有求解精度高、分析速度快等优点，本文采用基于软件ANSYS的有限元分析法，建立有限元模型计算电机转子的固有频率及相应的临界转速，并把这些数据和DyRoBeS仿真结果做一个对比，以验证ANSYS分析结果的实效性。最后把電机转子的固有频率、临界转速和其相应的工作频率、工作转速加以比较，得出电机在实际运行中，一般不会发生共振情况的振型。

关键词：异步牵引电机转子;ANSY有限元分析;振型及临界转速;避免共振

中图分类号：TM922.71                                  文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）01-0041-02

0  引言

转子是电机旋转运动的核心，转子的振动决定了电机噪音强弱，也关乎电机寿命，更会使电机产生共振，从而破坏整个电机性能。为避免共振，需确保电机转子临界转速与工作转速存在一定差距，所以分析动车组用异步牵引电机转子的振动特性意义重大。本文基于软件ANSYS建立有限元模型，对异步牵引电机转子的固有频率及相应的临界转速做出准确的计算，并将其与实际工作频率、工作转速进行对比，确保二者差值充分大，以防止共振的发生。

1  电机转子的结构

异步牵引电机转子的构成部件主要为：转子铁心、转子棒、铜导条和端环，两个端环具有固定电机转子两头的功能，转子棒和铜导条衔接固定好之后再与端环焊接在一起，几个转子铁心片与相互隔开的内外隔片构成转子铁心，它嵌在两个转子棒之间，两头由转子夹环与螺栓来定位。键与自攻螺栓把转子定位在转轴上，经过磁感应产生的吸引力，带动转子旋转，进而转轴产生转动。具有定位功能的滑动轴承分布在转子的F与L两侧，具体如图1所示。

2  构造有限元模型

依照电机转子的结构，基于ANSYS软件构建对应三维模型，设置BEAM4、MASS21与MATRIX27为模型的三个单元，模拟转子附加质量时，把质量节点单元MASS21设定于转子轴段头部和轴承中心位置，采用定义4个矩阵单元MATRIX27实数常量的办法[2]，为F、L两侧的滑动轴承设定刚度与阻尼系数，两个轴承水平与垂直的刚度都是23.99×107N/m，阻尼系数是0。对钢质的电机转子，设定其模量为2.1×105 MPa，泊松比为0.3，密度为7.86t/m3。把SmartSize设成5，网格自动划分，得到5927个结点，28911个单元。两端轴承对电机转子起关键支撑作用，故对其建立零位移约束。具体如图2所示。

根据以上构造的三维模型，得到计算固有频率与振型的方程式[3]：

方程（1）中，[Q]是转子结构质量，[D]是阻尼矩阵，[R]是刚度矩阵，{a″}{a′}{a}分别代表加速度、速度、位移三个矢量，{F（t）}是作用力矢量，t指时间。鉴于结构阻尼与固有频率、振型的关系不大，此处将其忽略，得到无阻尼自由振动方程如下[3]：

其中，w为自由振动的固有频率，单位是Hz。则它对应的特征方程如下[3]：

特征方程的根就是固有频率，解出对应的特征向量，即为固有频率的振型。

3  基于ANSYS的有限元分析

3.1 模型分析与计算

对比ANSYS的所有提取方法，Block Lanczos法分析计算更快，结果准确性更高，因此本研究采用Block Lanczos法[4]。将提取与扩展的阶数分别设成5和10，设定电机转子频率范围是0到10000。电机转子的其他分析因素已设置好，可自动求解，求出前5阶固有频率。考虑到本研究的对象为异步牵引电机转子，是复杂的动力系统，且电机制造时最注重前三阶临界转速，所以为了更好地分析电机转子的共振特性，本文仅拿出前三阶固有频率，分析相应的振型并计算临界转速。分析可得，电机转子的前三阶振型分别如图3到图5所示。

图3-图5的FREQ就是电机转子的固有频率，而临界转速和固有频率存在以下关系：

其中，np指临界转速（r/min），f指固有频率。

由关系式（4）分析计算出前三阶固有频率及相应临界转速，具体如表1所示。

3.2 模型结果验证

本文选用DyRoBeS 对电机转子三个阶次的固有频率与临界转速进行仿真分析[5]，并将其与ANSYS软件计算结果对比，以验证结果的合理性，具体见表2。

经表2对比，DyRoBeS仿真分析结果和ANSYS软件计算结果差距很小，故基于ANSYS软件的动车组用异步牵引电机转子有限元分析结果是合理、准确的，有一定的实效性。

3.3 模型结果分析

由分析结果得到异步牵引电机转子的振动特性：在振型上，转子第一阶次呈现出弯曲振动，第二阶次呈现出扭转振动，第三阶次呈现出轴向伸缩振动;三个阶次的固有频率差距较为均匀，这取决于转子对称结构;转子第一阶次固有频率是1276.9Hz，临界转速是76614r/min;转子工作转速是3600r/min，工作频率只有60Hz。显然，转子工作转速和临界转速差距较大，其工作频率和共振频率也相距甚远，因此该电机转子实际工况下可避免共振。

参考文献：

[1]丁浩，柴国钟，郝伟娜.林业机械用大型感应电机转子的振动分析及临界转速计算[J].浙江林业科技，2009，29（01）：15-19.

[2]张萌，韩雪岩，杨毅.基于ANSYS的高速表贴式永磁电机转子强度分析[J].电工技术，2019（09）：8-11.

[3]时方敏，张卫，唐杨.基于Ansys的永磁同步电机转子振动分析[J].电机与控制应用，2017，44（05）：116-120.

[4]杨桃月，张贤信.基于ANSYS的高速永磁电机转子模态分析[J].机电技术，2015（05）：36-38.

[5]陈起旭，张国平，石婷婷.基于ANSYS的永磁电机转子接触有限元分析[J].船电技术，2011，31（10）：29-31.