ANSYS电机转子动力学分析：从理论到实践

1 引言

转子动力学的研究，最早可追溯到十九世纪六十年代。

一个多世纪以来，随着大工业的发展，转子系统被广泛地应用于包括燃气轮机、航空发动机、工业压缩机等机械装置中，在电力、航空、机械、化工、纺织等领域中起着非常重要的作用。

因而，转子动力学有着极强的工程应用背景，其相关的研究工作也越来越受到人们的重视。本文使用ansys研究了某电机转子的动力学问题，为转子动力学设计找到了一个新的途径。

2.模型的建立及计算

如图1所示，为电子转子的有限元模型，使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS21单元模拟转子，使用单元COMBI214模拟轴承。

图1 电机转子的有限元模型（不显示单元）

图2 电机转子的有限元模型（显示单元）

图3给出了Beam188 单元的几何简图。

Beam188单元适合于分析从细长到中等粗短的梁结构，该单元基于铁木辛哥梁结构理论，并考虑了剪切变形的影响。

Beam188 是三维线性（2 节点）或者二次梁单元。

每个节点有六个或者七个自由度，自由度的个数取决于KEYOPT(1)的值。

当KEYOPT(1)＝0（缺省）时，每个节点有六个自由度；节点坐标系的x、y、z 方向的平动和绕x、y、z 轴的转动。

当KEYOPT(1)=1 时，每个节点有七个自由度，这时引入了第七个自由度（横截面的翘曲）。

这个单元非常适合线性、大角度转动和/并非线性大应变问题。

当NLGEOM 打开的时候，beam188 的应力刚化，在任何分析中都是缺省项。

应力强化选项使本单元能分析弯曲、横向及扭转稳定问题（用弧长法）分析特征值屈曲和塌陷）。

Beam188可以采用sectype、secdata、secoffset、secwrite 及secread定义横截面。

本单元支持弹性、蠕变及素性模型（不考虑横截面子模型）。

这种单元类型的截面可以是不同材料组成的组和截面。

图4给出了COMBI214单元的几何简图。

COMBI214是专门用来模拟轴承力学性质的单元，可以考虑拉压，但不能考虑弯曲和扭转。

这个弹簧阻尼单元没有质量，如果需要质量则通过添加MASS21单元来实现。

图3 BEAM188单元的几何模型简图

图4 COMBI214单元的几何模型简图

表1到表3分别给出了转轴的计算参数和两个轴承的计算参数。转子外载荷为重力和扭矩。进行谐响应分析来找出电机转子的共振频率点。以便使转子的实际工作转速避开此点。

不考虑转子加工的所引起的质量偏心，而只考虑转轴因受到重力而产生的偏心。电机的驱动力矩的频率从0变化到400Hz间隔为0.5Hz。

图5 电机转子的考察点

图6 各考察点的位移与频率的关系

图7 162Hz时的转子的位移云图

图8 162Hz时的转子的等效应力云图

图9 240Hz时的转子的位移云图

图10 240Hz时的转子的位移云图

图6到图10给出了电机转子的计算结果：

图6给出了5个考察点的y方向的位移与激励频率的关系图，由图可知：

电机转子有两个共振点分别是162Hz和240Hz，且电机右端点处的振动幅度最大，电机转子左端点和中心转子处的振动幅度相当。

图7和图8给出一阶共振频率的位移等效云图和应力等效云图，由两图可知当外界的激励频率达到160Hz时，电机作摆振，且最大应力为7.8MPa。

图9和图10给出了二阶共振频率时的电机位移和等效应力云图。

由图可知：电机的二阶共振频率的位移和应力远小于一阶的值，因此对于本文的电机轴主要要避开一阶共振点。

3 结论

通过以上分析和计算可以得出以下结论：

1）本文提出的使用BEAM188单元模拟转子的轴，使用MASS21单元模拟转子，使用单元COMBI214模拟轴承，对于研究转子动力学操作简单，计算可靠，为转子动力学的数值计算提供了一个可行的方法。

2）通过计算本文的电机转子存在两个主要的共振点，分别是162Hz和240Hz。

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