金志芳

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

目前國內(nèi)外各電機(jī)制造廠對大直徑、大轉(zhuǎn)矩的特大型電機(jī)均有采用空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的趨勢。由于采用實(shí)心軸的轉(zhuǎn)子重量大，轉(zhuǎn)軸撓度大，如果轉(zhuǎn)子的剛度不好，對電機(jī)的運(yùn)行及軸承的沖擊是不利的;且一般采用含鎳、鉬的特殊鋼，成本大;在電機(jī)的嵌線、真空壓力浸漆的過程中，實(shí)心軸轉(zhuǎn)子由于其重量或尺寸可能會超出加工機(jī)床、浸漆罐的限值，因此設(shè)計(jì)時(shí)常常會將轉(zhuǎn)子軸設(shè)計(jì)在嵌線、浸漆、車校全部結(jié)束后才進(jìn)行套軸。而空心軸結(jié)構(gòu)只要采用厚鋼板滾圓焊接，具有重量輕、浸漆前可拆卸、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好等特點(diǎn)和使用優(yōu)越性，受到各大型電機(jī)制造廠家的重視;并且由于重量輕、成本低，可大大提高電機(jī)的市場競爭力。為了進(jìn)一步優(yōu)化我公司特大型直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及簡化制造工藝，提高大型直流電機(jī)的運(yùn)行性能及提高電機(jī)的市場競爭力，我公司也積極擴(kuò)大空心軸結(jié)構(gòu)在大型直流電機(jī)中的應(yīng)用。

在上海電機(jī)廠電機(jī)制造的歷史上，ZD315/1705500 kW直流電動機(jī)是最大的直流電機(jī)之一，已重復(fù)生產(chǎn)過3次，均采用實(shí)心軸結(jié)構(gòu)。本次設(shè)計(jì)，將實(shí)心軸改為空心軸結(jié)構(gòu)，特別對影響電機(jī)剛性的軸的撓度進(jìn)行了重點(diǎn)的計(jì)算和比較。

1 電機(jī)的基本技術(shù)參數(shù)

電機(jī)型號:ZD315/170

電機(jī)額定功率:5500 kW

電機(jī)額定電壓:1000 V

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速:基速40 r/min，高速80 r/min

電機(jī)額定勵(lì)磁:他勵(lì)110 V

電機(jī)絕緣等級:F級絕緣

電機(jī)運(yùn)行方式:電機(jī)為S1工作制連續(xù)運(yùn)行，基速及以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)壓調(diào)速運(yùn)行，基速以上、高速以下為恒功率弱磁調(diào)速運(yùn)行。

電機(jī)過載:基速及以下為2.5倍額定電流過載，2.75倍額定電流切斷;高速及以下為2.2倍額定電流過載，2.5倍額定電流切斷。

電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑:φ3150 mm

轉(zhuǎn)子鐵心長:1700 mm

電機(jī)轉(zhuǎn)子總長:7700 mm

2 空心軸與實(shí)心軸撓度的比較

電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞，除體現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的美觀、加工工藝流程的合理、電磁數(shù)據(jù)的正確配置外，還須正確地分析主要部件的受力情況和強(qiáng)度計(jì)算。因此，軸的撓度計(jì)算非常關(guān)鍵?？招妮S轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 空心軸的撓度及臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算

圖1 空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為便于計(jì)算，我們將空心軸結(jié)構(gòu)圖簡化為圖2所示，圖中b點(diǎn)為電樞中心點(diǎn)，a、c兩點(diǎn)為兩軸承支承中心點(diǎn)。

2.1.1 基本數(shù)據(jù):

電樞總重:G=75380 kg

電樞重:G1=48825 kg(包括中空軸部分，不包括兩端實(shí)心軸及換向器)

換向器重:G2=3380+X=4505 kg(X為部分軸重)

有效鐵心長:L=1430 mm

主極氣隙δ=10 mm

氣隙磁通密度:Bδ=0.95 T

轉(zhuǎn)子外徑Da=3150 mm

電機(jī)額定基速nN=40 r/min

電機(jī)額定高速nM=80 r/min

2.1.2 計(jì)算數(shù)據(jù)表(見表1)

圖2 空心軸計(jì)算示意圖

表1 計(jì)算數(shù)據(jù)表

(續(xù)表)

圖3a為產(chǎn)品支架筋的實(shí)際形狀。為了計(jì)算方便，現(xiàn)按圖3b的簡便形狀計(jì)算，鴿尾部分不計(jì)算在內(nèi)，作為安全系數(shù)。

支架筋部分增加的慣性矩計(jì)算如下:

2.1.3 計(jì)算

軸在b點(diǎn)的柔度系數(shù):

磁拉力剛度:

初始單邊磁拉力:

(對直流電機(jī)，氣隙的額定偏心值e0=0.06 δ=0.6 mm)

由電樞重G1引起b點(diǎn)的撓度:

由換向器重力而產(chǎn)生的撓度:

圖3 轉(zhuǎn)軸支架筋的剖面示意圖

圖4 確定因換向器重力而產(chǎn)生的軸上的撓度的系數(shù)ψ的曲線

與P0成比例的轉(zhuǎn)軸撓度:

單邊磁拉力產(chǎn)生的撓度:

軸在b點(diǎn)處總的撓度:

撓度占主極氣隙的百分比:

(電機(jī)行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定容許直流電機(jī)的軸撓度為主極氣隙的6%以下)

轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速(已考慮單邊磁拉力的影響):

(電機(jī)行業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定臨界轉(zhuǎn)速只須高于電機(jī)使用工況額定轉(zhuǎn)速的30%即可)。

2.2 與實(shí)心軸撓度的比較

相對于空心軸來說，實(shí)心軸在電樞支架上的結(jié)構(gòu)大大不同，采用實(shí)心軸套入熱套配合的支架中(見圖5)。因此整個(gè)軸系尺寸大，噸位重，且重量上升導(dǎo)致成本上升，相應(yīng)的同一鋼號的鍛軸鍛造成本亦會成倍上升，另外機(jī)械強(qiáng)度亦比不上空心軸結(jié)構(gòu)(見圖6)。

圖5 實(shí)心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 實(shí)心軸計(jì)算示意圖(單位:mm)

2.2.1 基本數(shù)據(jù):

電樞總重:G=85000 kg

電樞重:G1=47410 kg(不包括實(shí)心軸及換向器)

換向器重:G2=3480 kg

實(shí)心軸重:Q=34110 kg

有效鐵心長:L=1430 mm

主極氣隙δ=10 mm

氣隙磁通密度:Bδ=0.95 T

轉(zhuǎn)子外徑Da=3150 mm

電機(jī)額定基速nN=40 r/min

電機(jī)額定高速nM=80 r/min

2.2.2 計(jì)算數(shù)據(jù)表(見表2)

表2 計(jì)算數(shù)據(jù)表

2.2.3 計(jì)算

從計(jì)算結(jié)果看，實(shí)心軸用于大直徑電機(jī)時(shí)，由于電樞重量太重，導(dǎo)致軸的撓度已接近國家標(biāo)準(zhǔn)所容許的最高限度，在實(shí)際操作中已無法很好的加以控制。軸所容許的臨界轉(zhuǎn)速均很大，但由于大直徑電機(jī)一般均用于低速場合，因此軸的臨界轉(zhuǎn)速根本不需考慮，主要考慮的就是軸的撓度。因此，從上述空心軸、實(shí)心軸撓度上的區(qū)別就明顯可以看出空心軸的結(jié)構(gòu)要比實(shí)心軸結(jié)構(gòu)優(yōu)越。

從空心軸、實(shí)心軸的對比結(jié)果看，空心軸結(jié)構(gòu)整個(gè)軸總的撓度只有 0.1 mm，僅占主極氣隙的1.04%，幾乎可以忽略不計(jì)，而實(shí)心軸的撓度則要達(dá)到4.34%接近國家標(biāo)準(zhǔn)允許范圍的邊緣，再從臨界轉(zhuǎn)速來看，空心軸是實(shí)心軸的一倍多。

3 結(jié)語

根據(jù)對該5500 kW直流電動機(jī)采用空心軸和實(shí)心軸撓度的計(jì)算結(jié)果比較，驗(yàn)證了采用空心軸不僅機(jī)械強(qiáng)度好、結(jié)構(gòu)剛度高、而且重量輕、分段鍛造成本低、比整體實(shí)心軸結(jié)構(gòu)更有優(yōu)越性。因此，空心軸結(jié)構(gòu)應(yīng)在大型直流電機(jī)中得到廣泛的推廣應(yīng)用。