曾　軍

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上?！?00240)

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超高速同步電機轉子J引線設計要點分析

曾軍

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海200240)

以西氣東輸項目20 MW超高速同步電機為例，綜合運用有限元法以及疲勞理論，分析J引線額定工況下的應力分布情況以及低周疲勞壽命，并根據(jù)分析結果指導設計，以保證其安全運行。

超高速同步電機；J引線；焊接；低周疲勞壽命

0　引言

超高速同步電機中轉子作為磁極提供旋轉磁場，J引線作為轉子中磁極繞組與外部勵磁電流之間的連接紐帶，是轉子電路中的一個關鍵部位，保持有效導通對于電機運轉至關重要。電機工作時由于轉子離心力作用，使護環(huán)外脹，同時由于溫度的上升，轉子本體繞組也會發(fā)生熱膨脹，這些將引起J引線的徑向和軸向位移，而停機后隨著離心力的消失和溫度的下降，護環(huán)和轉子銅導線收縮，這將使得J引線受到一定的交變載荷從而導致低周疲勞損傷。因此，為了避免J引線在期望服役壽命內發(fā)生疲勞破壞，有必要在設計制造階段對J引線的抗疲勞破壞能力進行研究。以西氣東輸項目超高速同步電機為例，分析其J引線的設計要點。

1　電機的基本數(shù)據(jù)

額定轉速：4 800 r/min調速范圍：3 120～5 040 r/min

負載類型：壓縮機轉子結構：隱極式

極數(shù)：2極

2　結構設計及應力分析

2.1初步設計

參考小型汽輪發(fā)電機J引線結構，初設J引線如圖1所示。該連接線由5層厚度為0.8 mm銅帶組成。在連接線頂部的圓弧處，相鄰銅帶的間距為0.25 mm。

在ANSYS中建立J引線的有限元模型，分析中在模型上所施加的邊界條件如圖2所示。

圖1　J引線外形尺寸

圖2　J引線有限元模型

靜止時引線所受外載為零。額定工作狀態(tài)下J引線主要承受4 800 r/min的額定轉速以及65.4 K的溫升作用。各工況下J引線的載荷和邊界條件如表1所示，分析中使用的材料屬性列于表2中。

表1　各工況下J引線的載荷和邊界條件

表2　J引線材料屬性

各工況下J引線應力及變形結果如圖3～6所示。從分析結果上可以看出，J引線的最大等效應力為331.931 MPa，最大第一主應力為310.96 MPa，最大應力產(chǎn)生于J引線上部R3圓弧處。這個位置在低周疲勞分析中需要重點考慮。

圖3　靜止時J引線等效應力圖(MPa)

圖4　額定轉速下J引線變形圖(mm)

圖5　額定轉速下J引線等效應力(MPa)

圖6　額定轉速下J引線第一主應力(MPa)

將ANSYS計算得到的應力結果導入到FE-SAFE中，并選擇最大主應變算法。通過FE-SAFE疲勞分析軟件對J引線進行壽命計算。分析得到的J引線疲勞壽命如圖7所示。從圖中可以看出，J引線的最小壽命為7 150次起停機，位于上部R3圓弧處。

圖7　J引線低周疲勞壽命分布

在額定轉速和靜止循環(huán)工況下，F(xiàn)E-SAFE算出的J引線低周疲勞壽命約為7 150次起停，考慮3倍安全系數(shù)，則該電機的設計起停機不超過2 383次，遠小于參考機型135 MW空冷汽輪發(fā)電機的J引線低周疲勞壽命38 310次起停機，不符合超高速電機旋轉部件疲勞壽命高于10 000次的設計要求。

原因主要是因為該電機額定轉速(4 800 r/min)大于汽輪發(fā)電機的額定轉速(3 000 r/min)，額定工況下其J引線所受離心力要高于汽輪發(fā)電機(3 000 r/min)J引線所受離心力，從而降低疲勞壽命。為提高J引線疲勞壽命，需改善額定工況下J引線受力情況，可從兩方面入手：J引線設計中采用大圓弧結構，避免出現(xiàn)R3處的小圓弧，以免引起應力集中；改進材料性能，采用機械強度及剛性更好的鋼帶與銅帶結合的結構。

2.2改進后的設計

J引線還是由5層厚度為0.8 mm銅帶組成，增加改進措施：

第一，采用大圓弧結構，其半徑為R25.5；

第二，在J引線主體部分銅帶上方及內圓弧處增加1.5 mm厚鋼帶，以增強整個J引線結構強度及剛度。

在J引線裝配時，圓弧與直線過渡處采用帶弧面的墊塊及槽楔壓住，使其緊貼J引線圓弧，保護J引線，見圖8。在ANSYS中建立改進后的有限元模型，考慮到結構對稱性，分析中只建立了裝配體的一半模型并在對稱面上施加對稱約束，見圖9。

圖8　改進后J引線裝配

圖9　改進后J引線有限元模型

改進后J引線在4 800 r/min轉速下的變形如圖10所示。結果顯示由于離心力和溫升作用J引線的最大變形發(fā)生在圓弧段，此外J引線在出槽口處也產(chǎn)生了較大的變形。J引線在4 800 r/min轉速下的等效應力如圖11所示，各工況下J引線的應力結果見表3。

圖10　4 800 r/min轉速下J引線形變(mm)

圖11　4 800 r/min下J引線等效應力 (MPa)

表3　各工況下J引線的應力結果

從表3結果可以看出， 3 120 r/min轉速下J引線的應力仍處在彈性范圍內，J引線未發(fā)生塑性變形。在4 800 r/min和5 040 r/min兩種轉速下J引線的應力已超過屈服強度，J引線內部將發(fā)生塑性變形。支撐鋼板在各工況下的最大等效應力列于表4中。

表4　各工況下支撐鋼板的應力結果

各轉速下J引線低周疲勞壽命和各工況下J引線的疲勞分析結果見表5。

通過分析結果可以看出：J引線在各工況下疲勞壽命還是偏小，最小壽命位置位于近徑向引線連接處。支撐鋼板在4 800 r/min和5 040 r/min轉速下鋼板的應力已超過屈服，但通過疲勞計算得到支撐鋼板最惡劣的0～5 040 r/min循環(huán)轉速下的壽命能夠達到79 268次，因此支撐鋼板的強度可以滿足設計要求。

為提高疲勞壽命，將支撐鋼板加長以加強J引線在出槽口處的剛度或減小J引線在出槽口和徑向引線之間的長度，可以減小J引線的塑性變形。現(xiàn)通過將J引線出槽口與徑向引線之間的部分縮短5 mm，同時將鋼板伸出出槽口，如圖12所示。

表5　各工況下J引線的疲勞分析結果(考慮3倍安全系數(shù))

圖12　優(yōu)化前后J引線在出槽口處的比較

優(yōu)化后，J引線出槽口位置在5 040 r/min轉速下的變形如圖13所示。從圖中可以看出，J引線的最大變形為0.56 mm，不到改進前的50%，說明支撐鋼板起到了很好的支撐保護作用。

圖13　優(yōu)化后J引線在出槽口處的變形(mm)

優(yōu)化后各轉速下J引線的低周疲勞壽命見圖14、15，優(yōu)化前后J引線的疲勞壽命分析結果綜合列于表6中。

圖14　3 120～5 040 r/min轉速下疲勞壽命

圖15　0～5 040 r/min轉速下疲勞壽命

循環(huán)轉速/(r·min-1)優(yōu)化前優(yōu)化后計算壽命最小壽命位置計算壽命最小壽命位置3120～50405104近徑向引線連接處37076轉子線圈焊接處0～48003337近徑向引線連接處25695轉子線圈焊接處0～50402518近徑向引線連接處23648轉子線圈焊接處

從計算結果可以看出優(yōu)化后， J引線的疲勞壽命有明顯地提高， 可以滿足設計使用壽命要求。

3　結語

在J引線的設計階段，通過先進的分析手段對結構進行受力及疲勞分析，指導設計改進并優(yōu)化結構尺寸，使其達到設計標準要求及符合使用要求；現(xiàn)代同步電機往大容量高轉速方向發(fā)展，其轉子結構設計必將成為整個電機設計中最關鍵環(huán)節(jié)，該項目J引線的設計過程及分析手段也為以后同類型產(chǎn)品的開發(fā)累積非常寶貴的經(jīng)驗。