高速滑动轴承电机的优化设计及仿真.pdf

收稿日期：2023-05-06作者简介：谢强强（1989），男，江苏南通人，万高（南通）电机制造有限公司工程师，研究方向为大型高速异步电机的设计与制造。江苏工程职业技术学院学报Journal of Jiangsu College of Engineering and Technology第23卷 第 3 期2 0 2 3 年 9 月DOI：10.19315/j.issn.2096-0425.2023.03.005Vol.23，No.3Sept.2 0 2 3摘要：两极大功率电机具有高转速、大载荷特征，一般优先选用滑动轴承进行设计，但因电机轴较长，部分轴会呈现柔性特征，影响电机的安全运行。鉴于此，运用霍尔泽传递矩阵法计算转子临界转速，并在Ansys Modal 2022 R1软件中导入转子的三维模型并进行模态仿真分析，进而优化电机设计。实测验证了设计的可行性，可为后续高速滑动轴承电机设计提供借鉴。关键词：滑动轴承；柔性轴；临界频率；霍尔泽传递矩阵；有限元分析中图分类号：TH128文献标志码：A文章编号：2096-0425（2023）03-0020-04滑动轴承具有使用寿命长、耐冲击性强、承载能力大及应用噪声低等优点，目前已成为高速大功率电机的重要零部件。转子工作于临界转速附近时，电机的安全可靠运行会受到影响，为避免这种情况发生，本文分析了滑动轴承刚度对转子临界频率的影响，根据霍尔泽传递矩阵法，给出轴承刚度与转子临界频率关系的数学表达式，得出优化方案，并采用有限元法对该优化方案进行了校验。通过测试电机的振动水平，验证了优化方案的可行性。该方案可为后续电机设计提供一定的参考，以减少电机故障的发生。1转子临界转速的分析与计算转子临界转速也称为共振转速，转子运转在各阶的临界转速下会激发对应的振动模态，从而引起共振现象。1转子的临界转速取决于转子结构，即转子质量和刚度分布，若增加支承刚度，则临界转速必然会提高。2转子的同步激励线与蜗动（正进动）模态频率曲线的交点就是该转子的临界转速点，如图 1所示。实际上，转子有多阶模态频率，因此也会有多个临界转速点。1为得到转子临界转速，对转子及其支承系统做了必要简化，以更好地理解正进动模态频率曲线的含义，研究滑动轴承刚度与电机转子临界频率的关系。3将滑动轴承简化为同时具有刚度和阻尼的支承系统，把轴承座简化为弹簧刚度，4其中阻尼主要影响转子系统的模态阻尼，而刚度则直接影响转子模态频率，甚至振型。1在许多情况下，由于油膜提供了阻尼，转子在临界转速时的振幅得到有效抑制，5但这种情况在设计中应尽可能避免。转子可以看作由数个圆盘和具有扭转刚度的无质量轴段集成的简化模型。对于支承多圆盘转子系统，通过特征值或建立运动微分方程式来求解临界转速和不平衡响应，计算工作量太大。6因此，运用霍尔泽传递矩阵法来简化计算，从而得到高速滑动轴承电机的优化设计及仿真高速滑动轴承电机的优化设计及仿真谢 强 强1，陈 益 飞2，孙 艳 秋1，张娣1，许 海 峰1（1.万高（南通）电机制造有限公司，南通 226010；2.江苏工程职业技术学院，南通 226006）100908070605040302010001 2002 4003 6004 8006 000转速/（rmin-1）频率/Hz一阶临界转速点二阶临界转速点同步激励线图 1转子的坎贝尔图及临界转速转子的临界转速。通过分析转子在任何一固定平面内的横向振动可以求得转子自转角速度 与涡轮频率 在给定比值（/）情况下系统的涡动频率及模态振型。当/=1时，即可求得系统的临界角速度及对应的振型。1)转子在设定的平面内，对于第个部件该截面的状态向量z表达式见式（1）。z=y，M，QT(1)式（1）中 y为该轴段挠度，为轴段斜率，M为轴段截面弯矩，Q为轴段剪切力。2)整个转子轴可分为数个等截面的弹性轴段，对某一特定轴段两端截面的状态向量满足式（2）。z+1=Bz(2)式（2）中 B为该轴段惯量的传递矩阵，与轴段长度、材料弹性模量、轴段截面惯性矩及剪切影响系数有关。3)当转子自转角速度为 时，刚性薄圆盘两端截面状态向量间的关系满足式（3）。zR=DzL(3)式（3）中zR为刚性薄圆盘右端截面的状态向量，D为圆盘质量和惯量的传递矩阵，该传递矩阵与该轴段总体刚度系数、转动惯量及涡动角速度有关；zL为刚性薄圆盘左端截面的状态向量。4)将圆盘和各轴段组合，相对应的传递矩阵见式（4）。T=BD(4)式（4）中传递矩阵 B只与轴段的长度 L及截面惯性矩 I有关，而传递矩阵D是各段圆盘之间惯量 J及涡动频率 的复数传递关系式，即D与（-m 2-S），J2及 J有关，其中 m 为圆盘质量，S为轴段位移，为转子自转角速度，为复数，计算式见式（5）。=+(5)式（5）中 为阻尼系数，为对应转子自转角速度，为涡动频率。当 =时，的值就是有阻尼情况下的临界转速。是利用上一次试算结果来指导下一次的取值，设定初始剩余量为 0，按照递推的方法得到新的 值及剩余量 （），详见式（6）、式（7）。=0-0(dd)=0-010-i-1(6)（）=0+（-0)(dd)=0(7)计算出新的 值后，可重新计算剩余量 （），迭代计算，最后 收敛于一个特征值，即 （）=0的一个根。据此可以在特定自转角速度 内推导出 随 的变化规律，由此分析系统的稳定性并求出临界转速。2样机转子的仿真与优化2.1不平衡响应分析计算本文研究的 W60 450两极三相异步电机的主要性能参数为：电压 4 000V、额定功率 1 490 kW、额定转矩 3 985 Nm、基频 60 Hz、绝缘等级 F级、温升等级（电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度）B级、振动速度 1.4 mm/s、最大转速 3 576 r/min。该电机的应用场合是离心式压缩机，该种类的配套压缩机与电机采用法兰对接的连接形式，底座结构较为简单，电机运行平稳、操作可靠、结构紧凑。设计时，首先分析计算电机转子临界频率和挠度，本文采用霍尔泽传递矩阵算法，在 Ibiege软件（万高公司自主开发软件）中输入电机轴各段的长度和轴承直径，设定轴承的位置及刚度阻尼参数，添加风扇、转子、动平衡位置以及电磁拉力等信息，可得到转子的简化分析结构示意图，详见图 2。目前电机前后轴承采用的是型号为“9-100”的中心法兰滑动轴承，与边缘法兰相比，该轴承结构较为紧凑，轴承中心距离小，支承可靠。但考虑到其安装位图 2转子临界频率结构分析示意图谢强强，等：高速滑动轴承电机的优化设计及仿真第 3期2121置的特殊性，前后端盖需要增加安装窗口，以便安装上轴承座。经转子不平衡响应模拟计算发现，目前该电机转子的运行转速非常接近一阶临界转速。通过改变滑动轴承轴瓦内径，改变轴承支承刚度和阻尼，从而调整转子一阶水平方向的临界转速。Ibiege软件计算的一阶水平临界转速由之前的 3 610 r/min增大至 3 900 r/min。故该优化设计在不改变整个转子结构和轴承整体方案的基础上，仅改变轴瓦和对应轴段的外径来满足设计要求，在理论上是完全可行的，计算对比结果如图 3所示。2.2转子模态分析为了更好地验证计算结果的准确性和合理性，在 Ansys Modal 2022 R1仿真软件中构建简化的成品转子三维仿真模型。对轴、风扇及转子材料属性进行定义，设定各部件的弹性模量、泊松比、密度等参数；进行分析网格划分，划分网格要综合考虑网格密度和计算成本之间的关系，在可靠的计算精度内，该项目考虑的是常规四面体网格，如图 4所示。设置模型的边界条件，对三维模型进行约束和施加载荷，并定义轴上各零部件的约束关系，对滑动轴承定义为远程点约束。设定这两个约束在额定转速区域范围内对应速度 4个方向的阻尼和刚度系数，7这些系数可以在 Ibiege的软件数据库中获得。转子的轴承约束定义如图5所示。定义模态求解的阶数并进行求解，考虑到本设计关注的是低阶模态的固有频率，故只对前两阶的固有频率进行分析。根据分析的一阶模态结果，优化的转子呈现明显刚性特征。求得转子一阶临界频率为 64.53 Hz，即转速为 3 872 r/min，如图 6 所示。因建模方式和参数定义不同，Ibiege 的计算结果和 AnsysModal 2022 R1软件的模态分析结果存在一定的差异，但可以看出：通过改变轴瓦内径增加支承刚度的方法，理论上可以优化电机的设计，后期还需要通过实际测试来进一步验证。3样机的试制与测试依据优化后的设计方案，进行样机各零部件的生产与装配，并在测试平台上完成了样机的性能测试。测试结果如表 1所示。a优化前01 2002 4003 6004 8006 000转速/(r/min)0.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.0013 610 r/min振幅/mmb优化后01 2002 4003 6004 8006 000转速/(r/min)0.0100.0090.0080.0070.0060.0050.0040.0030.0020.001振幅/mm3 900 r/min图 3转子不平衡响应分析对比示意图图 4转子模态分析网格划分示意图图 5转子滑动轴承约束定义示意图图 6转子一阶模态结果示意图0.00450.00900.00（mm）225.00675.00ZXY0.00400.00800.00（mm）200.00600.00ZYX2222江苏工程职业技术学院学报2023年一般情况下，电机热态振动测试结果满足客户要求时，电机即可通过测试，但为了进一步验证测试的准确性，又进行了电机的停机测试，即在电机超额定转速状态下自然停机，以确定电机在各个转速下的相位与振动情况。样机从超额定转速点至停机后没有明显的相位和振幅变化，如图 7 所示。测试结果表明，优化后的 W60 450 高速异步电机有着运行平稳、振动低的优点，电机额定转速运行时的振动测试结果高于考核标准。4结语本文以 W60 450 2P 电机的转子结构为研究对象，为避免电机在额定转速下产生较大的振动，提出了减小轴瓦内径来增大滑动轴承支承刚度的优化方案，并利用有限元仿真软件进行了验证，通过了样机振动测试。该方案关键点在于：基于滑动轴承电机转子的特性，采用霍尔泽传递矩阵法推导得到临界转速的数学表达式，并通过有限元法验证了该表达式的准确性；轴承支承刚度增大后，转子的临界转速明显提高，但还需要进一步分析轴段的机械强度，因此在满足要求的前提下应尽量考虑小一号轴瓦内径的滑动轴承；当电机是变频电机，且变频转速处于临界转速范围内时，应尽量将电机轴设计为刚性，从而避免宽频电机的共振问题。参考文献：1王正.转动机械的转子动力学设计M.北京：清华大学出版社，2015，11（1）：3-13.2闻邦春，顾家柳，夏松波，等.高等转子动力学理论、技术与应用M.北京：机械工业出版社，1999，8（1）：5-17.3李鸿梅，张洪信，赵清海.支承方式对转子动力学特性影响研究J.机械制造与自动化，2021（2）：47-50.4张直明，谢友柏，陈兆雄，等.滑动轴承的流体动力润滑理论M.北京：高等教育出版社，1986，11（1）：65-71.5虞烈，刘恒，谢友柏.轴承转子系统动力学J.中国机械工程，1999，10（11）：1-5.6钟一谔，何衍宗，王正，等.转子动力学M.北京：清华大学出版社，1987，11（1）：41-67.7张明根，郝小龙，王学，等.转子动力学建模方法研究J.机械工程师，2022（4）：64-66.（责任编辑：王晓燕）The Optimization of High-speed Motors with Sleeve Bearings and Its SimulationXIE Qiangqiang1，CHEN Yifei2，SUN Yanqiu1，ZHANG Di1，XU Haifeng1（1.WEG（Nantong）Electric Motor Manufacturing Co.，Ltd.，Nantong 226010，China；2.Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong 226006，China）Abstract：As for the design of two-pole high-powered motors that are characterized by high-speed rotation andheavy load，sleeve bearing is generally preferred.However，part of the shaft will become flexible due to the longmotor shaft，impairing the safe operation of the motor.In view of this，the critical speed of the rotor was calculatedby using Holzer Method for Transfer Matrix and the simulation analysis was carried out by importing the three-dimensional rotor model into Ansys Modal 2022R1 so as to optimize the design of the motor.The feasibility of thedesign has been verified by actual measurement，which can be used for reference by similar designs in the future.Keywords：sleeve bearing；flexible shaft；critical frequency；Holzer；Ansys102030405060频率/Hz102030405060频率/Hz相位角1000-1000.40.20.0振动速度/（mm/s）图 7样机停机测试波德图表 1样机振动测试结果测试状态冷态热态各测量位置的振动速度/（mm/s）前水平0.20.4前垂直0.30.5前轴向0.61.1后水平0.30.5后垂直0.30.5后轴向0.20.7谢强强，等：高速滑动轴承电机的优化设计及仿真第 3期2323