成玲燕，馬 麗

應(yīng)用研究

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部固緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核

成玲燕，馬 麗

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原 030027)

主要針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部的離心力進(jìn)行分析，針對(duì)性地設(shè)計(jì)了一種繞組端部的固緊結(jié)構(gòu)——護(hù)環(huán)、中心環(huán)固緊結(jié)構(gòu)，通過對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的受力分析，并根據(jù)相關(guān)零部件的脹量確定了護(hù)環(huán)和中心環(huán)尺寸及相應(yīng)位置的配合公差，最后進(jìn)行了靜態(tài)工況下的強(qiáng)度校核。結(jié)果表明可確保轉(zhuǎn)子繞組端部可靠固緊。通過本文計(jì)算校核，結(jié)果表明該型式的繞組端部固緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理可行，可為后續(xù)電機(jī)相似繞組端部固緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核提供借鑒。

離心力 受力分析 穩(wěn)態(tài) 靜態(tài) 配合公差 強(qiáng)度校核

0 引言

隨著市場對(duì)大功率發(fā)電設(shè)備的需求趨增，電機(jī)作為發(fā)電設(shè)備之一，設(shè)計(jì)容量也日益增大。但隨著電機(jī)功率的提高，轉(zhuǎn)子鐵心直徑也逐漸增大。在電機(jī)工作時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組端部離心力會(huì)因直徑、轉(zhuǎn)速的增大而成倍增大。因此，為了保證電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部不會(huì)因離心力作用而飛逸，轉(zhuǎn)子繞組端部固緊尤為重要。

1 端部固緊結(jié)構(gòu)

對(duì)轉(zhuǎn)速比較高的電機(jī)，隨著功率的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑也隨之增加，在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其轉(zhuǎn)子繞組端部由于自身質(zhì)量所產(chǎn)生的離心力會(huì)很大，為了滿足強(qiáng)度要求，我們采用護(hù)環(huán)、中心環(huán)的結(jié)構(gòu)形式固緊繞組端部。下面我們以5 MW、3000 r/min電機(jī)為例進(jìn)行分析計(jì)算，其繞組端部護(hù)環(huán)固緊結(jié)構(gòu)[1]簡化模型圖如圖1。

護(hù)環(huán)材料：50Mn18Cr5，σ0.2=760MPa，=7.85×103kg/m3、=206GPa、=0.3。

中心環(huán)材料：35SiMn-5，σs=735Mpa，=7.85×103kg/m3、=206GPa、=0.3。

2 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子繞組端部護(hù)環(huán)受力分析計(jì)算

圖1 繞組端部固緊結(jié)構(gòu)模型

電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，護(hù)環(huán)會(huì)受到來自轉(zhuǎn)子繞組端部離心力的作用與因自身質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力（其受力如圖2）。

式中：1-繞組端部離心力（N）；2-護(hù)環(huán)自身重量引起的離心力（N）；1-繞組端部質(zhì)量（375 kg）；-繞組端部重心作用半徑(245 mm)；m2-護(hù)環(huán)自身質(zhì)量(185 kg)；-護(hù)環(huán)重心作用半徑(306 mm)；n—電機(jī)超速速度（1.25 nN=3750 r/min）

則：1≈14153918 N、2≈8721124 N、1＝1/（2πL）、2＝2/（2πL）

式中：1、2—分別為繞組端部離心力與因本身質(zhì)量而產(chǎn)生的離心力作用于護(hù)環(huán)單位長度圓周上的均布載荷。

—護(hù)環(huán)長（382 mm）。

圖2 護(hù)環(huán)受力圖

則護(hù)環(huán)單位長圓環(huán)截面上受力為：

=19070799 N/m

其中-環(huán)厚30 mm。

結(jié)論：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，護(hù)環(huán)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是安全可行的。

3 護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體、中心環(huán)及中心環(huán)與軸 處配合尺寸的確定

電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，護(hù)環(huán)在圖2所示力的作用下產(chǎn)生徑向外伸，而與護(hù)環(huán)配合接觸處的轉(zhuǎn)子本體、中心環(huán)也會(huì)因自身離心力的作用產(chǎn)生徑向外伸。如果各零件配合接觸處徑向伸長量不一致，則在各配合面處就會(huì)有徑向間隙，這樣就有可能會(huì)造成電機(jī)在運(yùn)行到一定轉(zhuǎn)速時(shí)各零件在軸上竄動(dòng)的情況，使電機(jī)無法工作。

為了保證電機(jī)可靠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)應(yīng)考慮使各零部件之間增加裝配過盈量，以平衡因離心力而導(dǎo)致的徑向間隙?，F(xiàn)通過如下計(jì)算選定其配合尺寸（各配合面尺寸如圖3）：

圖3 護(hù)環(huán)各配合面處尺寸

3.1 各配合處的徑向伸長

1）轉(zhuǎn)子體與護(hù)環(huán)、中心環(huán)配合處，其在自身離心力的作用下產(chǎn)生的徑向外伸

[2]

與護(hù)環(huán)配合處的轉(zhuǎn)子本體1=297 mm，則：δ1=2.69x10-5m；

與中心環(huán)配合處的轉(zhuǎn)子軸2=180 mm，則：δ2=5.992x10-6m。

2）中心環(huán)在自身離心力的作用下內(nèi)緣和外緣處的徑向外伸。

中心環(huán)內(nèi)緣：

中心環(huán)外緣：

將2=180 mm，=278 mm代入得：

3=7.337x10-5m，4=6.57x10-5m

3）護(hù)環(huán)在自身離心力的作用下不同半徑處產(chǎn)生的徑向外伸：

與中心環(huán)配合處

將=278 mm,=320 mm代入得：5=1.60x10-4m；

與轉(zhuǎn)子本體配合處

將=287 mm，1=297 mm，=320 mm代入得：6=1.65x10-4m。

4）護(hù)環(huán)在轉(zhuǎn)子繞組端部離心力的作用下產(chǎn)生的徑向外伸：

將=287 mm，=320 mm代入得：7=2.72x10-4m

3.2 護(hù)環(huán)、轉(zhuǎn)子本體、中心環(huán)各相關(guān)配合面處的間隙

護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體之間間隙：

護(hù)環(huán)與中心環(huán)之間間隙

中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸之間間隙：

3.3 各配合面公差的確定

根據(jù)各配合面處可能會(huì)出現(xiàn)的間隙，并考慮零件加工時(shí)所需達(dá)到的光潔度要求，查相關(guān)手冊知：Ra 1.6相當(dāng)于zmax=10，Ra 3.2相當(dāng)于zmax=20。

因在裝配過程中，配合表面的微觀不平度的峰尖會(huì)被擦傷或壓平一部分，所以其實(shí)際有效過盈量應(yīng)增加配合表面的微觀不平度影響。

各配合面處光潔度均取Ra 1.6，則各處實(shí)際最小有效過盈量應(yīng)為：

護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體S1=s1+2δ1=0.844mm

護(hù)環(huán)與中心環(huán)S2=s2+2δ2=0.7566 mm

中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸S3=s3+2δ3=0.159 mm

綜合考慮，查相關(guān)資料選定各處直徑配合為：

4 靜態(tài)時(shí)，護(hù)環(huán)與中心環(huán)受力分析計(jì)算

由于護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子體、中心環(huán)及中心環(huán)與軸各處的結(jié)合面之間采用過盈配合，所以護(hù)環(huán)、中心環(huán)在靜態(tài)熱套過程中將在結(jié)合面處產(chǎn)生很大負(fù)荷，為了保證電機(jī)的可靠運(yùn)行，現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

1）護(hù)環(huán)受力分析計(jì)算（圖4）

根據(jù)已選定的護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體、中心環(huán)處的配合公差可知：

圖4 護(hù)環(huán)配合面受力尺寸圖

21max=1max=0.8 mm （1max護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體最大過盈量）

則護(hù)環(huán)與轉(zhuǎn)子本體配合處

[2]

2）中心環(huán)受力分析計(jì)算（圖5）

圖5 中心環(huán)配合面受力尺寸圖

根據(jù)已選定的中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸處的配合公差可知：2δ3max=S3max=0.3 mm （S3max中心環(huán)與軸最大過盈量）

則轉(zhuǎn)子體與軸配合處

將r2=278 mm，a=180 mm,代入上式得：

經(jīng)上述校核計(jì)算，中心環(huán)與轉(zhuǎn)子軸處所選配合是安全可行的。

5 結(jié)論

本文經(jīng)過對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下的轉(zhuǎn)子繞組端部護(hù)環(huán)、中心環(huán)等固緊結(jié)構(gòu)的受力和分析計(jì)算，首先確定了護(hù)環(huán)、中心環(huán)的具體尺寸及與相關(guān)配合面處的公差尺寸，同時(shí)在靜態(tài)工況下進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明該型式的繞組端部固緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且可行，可為后續(xù)電機(jī)相似繞組固緊結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)校核提供借鑒。

[1] E·維德曼, W·克倫貝格爾·電機(jī)結(jié)構(gòu)[M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1976.

[2] 劉鴻文. 材料力學(xué)(下冊)[M]. 高等教育出版社, 1992: 210-220.

The Check Calculation for Design of the Fastening Structure on Winding End of Generator Rotor

Cheng Lingyan, Ma Li

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, Shanxi, China)

TM341

A

1003-4862（2021）04-0009-03

2020-09-25

成玲燕（1971-），女，高級(jí)工程師。研究方向：電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。E-mail: 773627325@qq.com