马文博
佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002
摘 要：大型立式同步电动机的轴与卡环配合直径尺寸较为重要，在设计及优化时，采用有限元软件参数化计算的方法，可以快速的得到最优解，权衡轴与卡环接触面压应力和轴的拉应力，选取最优方案。
关键词：立式电机、轴、卡环、参数化
0.引 言
立式同步电动机主要用于驱动各种立式水泵，在大型水利项目中起着关键作用。大中型泵站用立式同步电动机常采用悬式结构，上机架上设有推力轴承，整个转子重量及轴向水推力作用在推力头上，推力头与轴采用卡环固定。
立式同步电动机构驱动的轴流泵是利用叶轮的高速旋转所产生的推力提水，轴流泵叶片旋转时对水产生升力，可把水从下方推动上方。由于力的作用是相互的，轴流泵在提水的过程中，将产生向下的水推力，由于立式水泵悬挂在立式电机的下方，故水推力产生的较大的轴向力将传递到电机的轴上。
整个轴系中，轴与卡环的配合位置轴径最细，由于泵站提水时水推力较大，电机运行时轴与卡环承受较大的作用力，因此轴与卡环的配合直径设计非常关键。在设计轴与卡环配合直径时，配合处直径尺寸越大，则轴与卡板的接触面压应力越大，配合处直径尺寸越小，则轴的拉应力越大，因此，在设计轴与卡环配合位置尺寸时，应该权衡轴与卡环接触面压应力和轴的拉应力，选取最佳配合直径。
1.有限元软件建模及计算
首先初选轴与卡环的配合尺寸，使用三维软件SolidWorks进行建模，使用simulation对模型进行静力学计算。为了模拟实际工况中最大水推力时的轴向载荷，在模型中，对轴端法兰位置施加轴向力，对卡板进行固定约束，将转子重量最为分布质量添加在电机轴的相应位置，然后进行网格划分及计算。
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图1 初选尺寸后计算
在模型中划分网格时，虽然理论上网格划分的精度越密越好，但是受电脑性能限制，避免计算失败或等待时间过长，更适合采用的方法是首先使用电脑默认的网格精度初次计算后，保存计算结果，多次调整网格精度后重新计算，粗略绘制结构收敛曲线，当计算结果基本收敛时，可以认为网格划分精度可以满足此项目工程实际的需求，计算结果相对准确合理。
2.参数化设计并选取最佳方案
在三维模型中设施全局变量，将轴上与卡环配合处的直径设为模型的全局变量，再设置卡环模型中与轴配合的直径尺寸与全局变量相关联，使得三维模型可以通过全局变量将轴与卡环的配合尺寸产生联系，当更改全局变量时，零部件轴和零部件卡环的相应尺寸会同时更改，达到通过全局变量控制模型中轴与卡板配合尺寸的目的，驱动装配体模型直接改变。
利用参数化设计算例，将轴与卡环的配合直径设为变量。在变量参数表上将设定好的全局变量名称选中，在变量驱动选型上选择“带步长范围”，然后填入最小值、最大值以及步长。本设计算例初步考虑结构尺寸后，拟将轴径尺寸设计在Φ120mm到Φ150mm范围内，并在这个范围内选取最合理的尺寸。因此在参数化设计是，选择在最小Φ120mm到最大Φ150mm的范围，从Φ120mm开始，每增加2mm计算一次，直到Φ150mm，共计16个情形。
由于本算例主要考虑轴和开环的静应力问题，因此在参数化方案的目标选项里选择“应力”选项，并在设置中选取“最小化”，即将模型的最大应力值设为优化目标，所有参数化分析的模型中最大应力值最小的情形就是我们所需要的最优方案。
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图2 轴与卡环配合直径的参数化设置
参数化计算后，所有编辑好的16个情形均进行计算，通过结果视图可以查看各分析方案的最大应力计算结果并查看应力、应变分析结果图，模型上可以看出最大应力点的位置，在报告选项中可以将所有算例的分析结果制作打印报告，通过算例结果的报表可以更方便的查看结果并进行比对。
此分析算例中最优方案为轴与卡环配合直径为136mm的方案。最大应力为149.2MPa。
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图3 设计优化结果
3.结束语
由于立式电机轴与卡环配合直径的设计需要权衡轴与卡环接触面压应力和轴的拉应力，而采用有限元分析及参数化设计的方式可以快速的得到最优方案，因此轴与卡环配合尺寸的参数化设计方法在电机轴系优化设计方面较为有效。通过适当的选取参数化变量范围和步长增量，可以得到较为精确的计算结果。
本文以立式电机轴与卡环配合尺寸的参数化建模分析为例，对建模和参数化分析过程进行了简要阐述，采用全局变量关联模型尺寸、参数化仿真分析的方式，在其它工程项目中也同样适用，通过合理的建立三维模型，设置变量条件和目标选型，利用变量驱动模型使得计算机能够分析参数化模型下的所有算例方案，最后在所有分析结果中通过目标选型的比对赛选，获得最优方案，对结构优化、性能提升、降低成本等方面提供数据支撑和改进思路。
参考文献
[1] 湘潭电机厂.交流电机设计手册[M].长沙:湖南人民出版社, 1979.
[2] 陈世坤.电机设计[M].机械工业出版社,2000.
作者简介：马文博，男，1990年生，工程师，佳木斯电机股份有限公司工作，硕士学位（华中科技大学 电机与电器专业），本科学历（哈尔滨理工大学 电气工程及其自动化专业）