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大型異步電機電磁噪聲是大中型電機主要噪聲源，它是由工作時電機的電磁力作用于電機的定子鐵芯部位使得電機發生徑向變形而產生的。精確地建立電機有限元模型，分析其在電磁力作用下的振動響應及輻射聲場是電機進行減振降噪優化設計的基礎。針對大型電機非線性部件難以建模的問題，采用基于德國標準VDI2230的螺栓結合面建模方法建立電機螺栓結合面、基于Hertz接觸理論建立電機滾動軸承模型、以等效模型處理電機定轉子繞組及硅鋼片，從而建立電機有限元模型；采用LMS測試系統測試電機模態，試驗驗證有限元模型的正確性；計算并加載電磁力，分析計算電機在電磁力作用下的振動響應；建立電機邊界元模型，分析電機的輻射聲場。
 

01、電機三維實體模型建立及簡化
 

以某200 kW大型異步電機為研究對象，根據圖紙采用Pro/E軟件建立其三維實體模型。本文只考慮電機定子機座部位的聲振特性，暫不考慮電機冷卻系統的影響，因此利用Pro/E建立了電機各部件的實體模型并進行簡化后，如圖1~圖4所示。

02、電機有限元模型的建立
 

精準地將電機三維實體模型轉換為有限元模型是電機進行振動響應分析的前提。電機的組成十分復雜，對整個電機定子機座結構進行有限元建模時要考慮螺栓結合面（端蓋和機座間、軸承和端蓋間等等）、滾動軸承（轉子軸由2個滾動軸承支撐）、定轉子鐵芯及繞組等部件的建模，精確的建模才能保證計算的精度。
 

2.1 螺栓結合面建模

螺栓結合面是廣泛應用的一種機械結構連接形式，其對機械結構的靜態特性和動態特性都有著很大影響。由作者前期的研究可知，不同螺栓預緊力對結構的模態影響不大，可以采用一種基于德國標準VDI2230的螺栓結合面建模方法對電機進行建模，建立好某螺栓結合面有限元模型如圖6所示（具體建模方法可參考前文“電機螺栓結合面有限元建模方法”）。

2.2 軸承建模

200 kW異步電機轉子兩端使用的軸承型號參數如表1所示，其中驅動端使用SKF滾柱軸承NU228EC/C3，非驅動端則使用SKF滾珠軸承6228/C3進行連接支撐。通過研究接觸理論，基于Hertz接觸理論給出一種將滾動軸承非線性接觸問題簡化等效為線性彈簧單元Combin14的建模方法。通過研究計算軸承在承受轉子載荷下的變形量，求解接觸剛度，再采用線性Combin14彈簧單元來等效模擬。

滾柱軸承在進行有限元建模時，采用彈簧單元Combin14模擬滾柱與內外圈的作用關系，通過建立徑向彈簧模擬徑向的接觸作用，軸向彈簧通過內外圈剛性單元rbe2進行連接，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模擬滾柱與內外圈的作用關系，通過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 電機定轉子建模

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

03

電機仿真模態分析及模態測試

3.1 電機仿真模態分析

根據上節方法在HyperMesh中建立電機機座（包括定、轉子）有限元模型，其中綠色網格為機座整體結構。利用ANSYS仿真計算該電機前20階自由模態，并與實驗結果進行對比分析，固有頻率對比結果如表3所示。

3.2  電機模態測試

對200 kW異步電機進行模態測試以驗證有限元模型的正確性，采用西門子公司LMS測試系統對電機進行試驗模態分析。本次試驗采用錘激法進行模態測試，以單點激勵多點測量的方式，分區對200 kW異步電機進行模態測試，測點布置如下圖所示。

3.3電機仿真模態以實驗模態對比