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(泰豪沈陽電機股份有限公司，遼寧沈陽 110142)

兩極銅排轉子電動機結構及分析

王曉帆，高沛，富永俊

(泰豪沈陽電機股份有限公司，遼寧沈陽 110142)

重點介紹了兩極銅排轉子電動機轉軸強度，轉子導條、護環(huán)和端環(huán)的協(xié)同保障結構，以及轉子軸流風扇的通風結構，通過機械計算和建立模型對主要部件的強度進行有限元分析，對結構進一步優(yōu)化。

銅排轉子；協(xié)同保障結構；有限元分析

0 引言

在電廠、鋼鐵廠、油田等企業(yè)中，作為拖動風機、水泵等機械所使用的高速高效異步電機數(shù)量比較多，隨著國家對高效電氣設備的重視和機組單機容量的增加，對于高效高速電機的容量需求也不斷增加。大功率高效高速電動機由于其轉速高，旋轉半徑大，轉子各部件所受離心力很大，轉軸、轉子銅排、端環(huán)、護環(huán)和轉子沖片都可能成為薄弱點，在以往的設計中經(jīng)?？赡艹霈F(xiàn)振動速度超標，導條斷裂的情況。此外兩極高速電機通風系統(tǒng)的建立對電機的效率和冷卻效果有很大的影響，空氣動力噪聲過大也是電機廠亟需解決的問題之一。該設計分析利用數(shù)據(jù)計算和仿真模擬分析，在設計之初直接就可以優(yōu)化設計并預測強度，保證產(chǎn)品在結構最優(yōu)最省材料的情況下，提高整體強度，降低有害振動和噪聲，使電機的安全運行系數(shù)大大提升，提高產(chǎn)品的綜合質(zhì)量。本文主要介紹了如何優(yōu)化設計，分析兩極銅排轉子電動機的轉子結構關鍵部分以及試驗結構的驗證。

1 對轉軸的強度分析

轉軸參數(shù)示意圖見圖1。

圖1轉軸參數(shù)示意圖

1.1 臨界轉速與撓度的分析

轉子重量1350kg；兩支承內(nèi)軸的重量1069kg；軸上有其他的重量0kg；有效鐵心長度68.9cm；轉子外徑59.9cm；單邊氣隙0.55cm；氣隙磁密7636T(1GS=10-4T)；軸的彈性模量E=2.1×106。

a→b軸段

第i端軸的軸徑

di=16，18.5，19，21，22，26.5，34(cm)

第i端軸的慣性矩

a到i段的距離

xi=8.3，27.8，41.5，49.5，58，89，126.5(cm)

c→b軸段

第i端軸的軸徑

di=16，18.5，19，21，22，26.5，34(cm)

第i端軸的慣性矩

a到i段的距離

xi=8.3，27.8，45.5，53.5，62，93，130.5(cm)

1.1.2 軸在b點的柔度

=5.47×10-6(cm/kg)

1.1.3 磁拉力的剛度

1.1.4 初始單邊磁拉力

P0=K0e0=453.6(kg)

式中,e0—額定偏心值，一般e0≈0.1δ(mm)

1.1.5 由重量G1引起b點的撓度

1.1.6 單邊磁拉力引起軸在b點的撓度

1.1.7 軸在b點的總撓度

f=f1+f2=0.01536(cm)

占氣隙百分比

根據(jù)西屋公司計算以及試驗數(shù)據(jù)，占氣隙百分數(shù)需小于4% 。

1.1.8 臨界轉速(考慮單邊磁拉力影響在內(nèi))

一次臨界轉速的允許值

nkp≥1.3nNr/min(變速電機時nN為允許運行的最高轉速)

nkp≤0.8nNr/min(變速電機時nN為允許運行的最低轉速)

1.2 轉軸強度的仿真分析

對轉軸建立模型，將轉子鐵心產(chǎn)生的重力作用在轉軸上，分別對轉軸在靜止狀態(tài)和額定轉速的狀態(tài)下進行仿真分析，得出的應力及形變?nèi)鐖D2、圖3、圖4、圖5。

圖2靜止狀態(tài)下轉軸的應力情況

圖3靜止狀態(tài)下轉軸的形變情況

圖4額定轉速狀態(tài)下轉軸的應力情況

圖5額定轉速狀態(tài)下轉軸的形變情況

經(jīng)過對轉軸不同狀態(tài)下的應力及形變分析，可以看出采用42CrMo材料的鍛造轉軸可以滿足工況下的應力要求，而轉軸的形變也不會對電機的安全運行產(chǎn)生不利影響。

2 對轉子銅排、端環(huán)和護環(huán)協(xié)同關系的分析

為保證兩極銅排轉子電動機銅排、端環(huán)和護環(huán)結構的合理性，我們對該結構進行了大量的有限元計算分析，以便找出更合理的保護結構，使電動機整體運行更加安全穩(wěn)定。針對主要變量護環(huán)與端環(huán)的過盈量和護環(huán)伸出端環(huán)長度進行調(diào)整，分別對形變和應力進行分析。見圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13，首先將導條根部設置一個R10的圓角。

圖6大過盈量下護環(huán)伸出端環(huán)10mm的形變情況

圖7大過盈量下護環(huán)伸出端環(huán)10mm的應力情況

通過分析可以看出在大過盈量的情況下，形變和應力的分配并不是很均勻，局部出現(xiàn)應力集中，在實際生產(chǎn)過程中護環(huán)可能出現(xiàn)偏心的情況，那么偏心點將會承受巨大的應力，以此嘗試分析小過盈的情況。

圖8小過盈量下護環(huán)伸出端環(huán)10mm的形變情況

圖9小過盈量下護環(huán)伸出端環(huán)10mm的應力情況

根據(jù)以往試驗結果，導條根部的大R角相比斜拉結構一般應力情況較差，改變變量R角為R=2mm，進行仿真分析。

圖10小過盈量下護環(huán)伸出端環(huán)10mm的形變情況(R=2)

圖11小過盈量下護環(huán)伸出端環(huán)10mm的應力情況(R=2)

根據(jù)分析結果可以看出，在導條根部應力較大，綜合考慮取消伸出端環(huán)10mm的長度，將護環(huán)外延和端環(huán)對齊，得出以下分析結果。

圖12小過盈量下護環(huán)對齊端環(huán)的形變情況(R=2)

圖13小過盈量下護環(huán)對齊端環(huán)的應力情況(R=2)

分析結果顯示，剪切應力和有害形變分配平均，各部件強度應能滿足結構需求，有效規(guī)避了兩極銅排電動機轉子在高速運轉時產(chǎn)生的有害形變，保證了電機不會產(chǎn)生振速和振幅超標的現(xiàn)象，能夠滿足機組長期安全穩(wěn)定運行的需要。

3 對轉子軸流風扇的分析

兩極銅排大功率轉子外徑較大，轉速達到3000r/min，轉子上的軸流風扇對電機的綜合性能有很大影響。設計過大會造成電機風路分配不合理，空氣動力噪聲增大，機械損耗增大，浪費能源。設計過小也會造成電機溫升高，影響電機絕緣壽命，根據(jù)此種情況進行仿真分析，分析情況見表1。風扇仿真模擬分析圖見圖14。

表1 風扇仿真分析結果對比

圖14風扇仿真模擬分析圖

最終采用根部斜角為30°，頂部斜角為20°，在此種情況下風扇效率最大，設計最為合理。

4 結語

兩極銅排轉子電動機的設計充分考慮了負載運行的特點，在安全可靠性方面進行了大量的電氣、機械計算及研究分析，特別是轉子銅排、端環(huán)和護環(huán)的協(xié)同配合結構的應用，充分考慮了各主要受力部分的特性，反復優(yōu)化設計，結合有限元分析計算，優(yōu)化了過盈量和護環(huán)結構，保證主要結構部件在最安全穩(wěn)定的受力范圍內(nèi)，使得整體運行性能得到更大的提升，樣機在型式試驗中最大振速在1.3mm/s以下，證明了該結構可以滿足負載長期安全可靠運行的需要。

兩極大功率銅排轉子電動機是我公司自主設計的大型電動機，為今后設計制造更大功率和轉速的銅排轉子電動機提供了重要的實踐經(jīng)驗。

[1] GB 755—2008 旋轉電機 定額和性能.

[2] GB 10068 軸中心高為560mm及以上電機的機械振動 振動的測量、評定及限值.

[3] GB/T 4772.2旋轉電機尺寸和輸出功率等級 第2部分：機座號355～1000和凸緣號1180～2360.

[4] 楊萬青，陳興衛(wèi). 電機實用設計技術. 北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5] 陳世坤. 電機設計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2004.

StructureandAnalysisof2-PoleMotorwithCopperBarRotor

WangXiaofan,GaoPei,andFuYongjun

(Tellhow Shenyang Electric Machine Co.,Ltd.,Shenyang 110142, China)

This paper chiefly introduces the shaft strength, the collaborative guarantee structure of rotor bar, retaining ring and end ring, and the ventilation structure of axial flow fan of 2-pole motor with copper bar rotor. Through mechanical calculation and modeling, the strength of main components is analyzed by finite-element method, and the structure is further optimized.

Copper bar rotor；collaborative guarantee structure；finite-element analysis

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.06

TM303.5

B

1008-7281(2017)05-0019-004

王曉帆男1988年生；畢業(yè)于沈陽工程學院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設計工作.

2017-04-20