大型異步電機(jī)電磁噪聲是大中型電機(jī)主要噪聲源，它是由工作時(shí)電機(jī)的電磁力作用于電機(jī)的定子鐵芯部位使得電機(jī)發(fā)生徑向變形而產(chǎn)生的。精確地建立電機(jī)有限元模型，分析其在電磁力作用下的振動(dòng)響應(yīng)及輻射聲場(chǎng)是電機(jī)進(jìn)行減振降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。針對(duì)大型電機(jī)非線性部件難以建模的問(wèn)題，采用基于德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230的螺栓結(jié)合面建模方法建立電機(jī)螺栓結(jié)合面、基于Hertz接觸理論建立電機(jī)滾動(dòng)軸承模型、以等效模型處理電機(jī)定轉(zhuǎn)子繞組及硅鋼片，從而建立電機(jī)有限元模型；采用LMS測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試電機(jī)模態(tài)，試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的正確性；計(jì)算并加載電磁力，分析計(jì)算電機(jī)在電磁力作用下的振動(dòng)響應(yīng)；建立電機(jī)邊界元模型，分析電機(jī)的輻射聲場(chǎng)。
 

01、電機(jī)三維實(shí)體模型建立及簡(jiǎn)化
 

以某200 kW大型異步電機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)圖紙采用Pro/E軟件建立其三維實(shí)體模型。本文只考慮電機(jī)定子機(jī)座部位的聲振特性，暫不考慮電機(jī)冷卻系統(tǒng)的影響，因此利用Pro/E建立了電機(jī)各部件的實(shí)體模型并進(jìn)行簡(jiǎn)化后，如圖1~圖4所示。

02、電機(jī)有限元模型的建立
 

精準(zhǔn)地將電機(jī)三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為有限元模型是電機(jī)進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析的前提。電機(jī)的組成十分復(fù)雜，對(duì)整個(gè)電機(jī)定子機(jī)座結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模時(shí)要考慮螺栓結(jié)合面（端蓋和機(jī)座間、軸承和端蓋間等等）、滾動(dòng)軸承（轉(zhuǎn)子軸由2個(gè)滾動(dòng)軸承支撐）、定轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組等部件的建模，精確的建模才能保證計(jì)算的精度。
 

2.1 螺栓結(jié)合面建模

螺栓結(jié)合面是廣泛應(yīng)用的一種機(jī)械結(jié)構(gòu)連接形式，其對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性都有著很大影響。由作者前期的研究可知，不同螺栓預(yù)緊力對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)影響不大，可以采用一種基于德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)VDI2230的螺栓結(jié)合面建模方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模，建立好某螺栓結(jié)合面有限元模型如圖6所示（具體建模方法可參考前文“電機(jī)螺栓結(jié)合面有限元建模方法”）。

2.2 軸承建模

200 kW異步電機(jī)轉(zhuǎn)子兩端使用的軸承型號(hào)參數(shù)如表1所示，其中驅(qū)動(dòng)端使用SKF滾柱軸承NU228EC/C3，非驅(qū)動(dòng)端則使用SKF滾珠軸承6228/C3進(jìn)行連接支撐。通過(guò)研究接觸理論，基于Hertz接觸理論給出一種將滾動(dòng)軸承非線性接觸問(wèn)題簡(jiǎn)化等效為線性彈簧單元Combin14的建模方法。通過(guò)研究計(jì)算軸承在承受轉(zhuǎn)子載荷下的變形量，求解接觸剛度，再采用線性Combin14彈簧單元來(lái)等效模擬。

滾柱軸承在進(jìn)行有限元建模時(shí)，采用彈簧單元Combin14模擬滾柱與內(nèi)外圈的作用關(guān)系，通過(guò)建立徑向彈簧模擬徑向的接觸作用，軸向彈簧通過(guò)內(nèi)外圈剛性單元rbe2進(jìn)行連接，模擬軸向接觸剛度。建立好的SKF滾柱軸承NU228EC/C3等效有限元模型如圖7所示。相比于滾柱軸承，滾珠軸承無(wú)需考慮軸向載荷的影響，僅需建立等效的徑向彈簧Combin14。因此，采用彈簧單元Combin14模擬滾柱與內(nèi)外圈的作用關(guān)系，通過(guò)建立徑向彈簧模擬徑向的接觸作用，建立好的SKF滾珠軸承6228/C3等效有限元模型如圖8所示。

2.3 電機(jī)定轉(zhuǎn)子建模

為正確、簡(jiǎn)單處理定轉(zhuǎn)子非線性材料模型，將定、轉(zhuǎn)子鐵芯、繞組等非線性材料采用等效材料來(lái)模擬，建立等效的有限元模型。建立好的定、轉(zhuǎn)子等效有限元模型如圖9和圖10所示，單元類型為solid185單元。定轉(zhuǎn)子等效模型的材料參數(shù)，如表2所示。

03

電機(jī)仿真模態(tài)分析及模態(tài)測(cè)試

3.1 電機(jī)仿真模態(tài)分析

根據(jù)上節(jié)方法在HyperMesh中建立電機(jī)機(jī)座（包括定、轉(zhuǎn)子）有限元模型，其中綠色網(wǎng)格為機(jī)座整體結(jié)構(gòu)。利用ANSYS仿真計(jì)算該電機(jī)前20階自由模態(tài)，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，固有頻率對(duì)比結(jié)果如表3所示。

3.2  電機(jī)模態(tài)測(cè)試

對(duì)200 kW異步電機(jī)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試以驗(yàn)證有限元模型的正確性，采用西門子公司LMS測(cè)試系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。本次試驗(yàn)采用錘激法進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，以單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)測(cè)量的方式，分區(qū)對(duì)200 kW異步電機(jī)進(jìn)行模態(tài)測(cè)試，測(cè)點(diǎn)布置如下圖所示。

3.3電機(jī)仿真模態(tài)以實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)對(duì)比