劉兆江,張貴濱,宋修奇

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

大功率高速電機(jī)用旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉兆江,張貴濱,宋修奇

(哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過對(duì)我公司研制的旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，并采用有限元法對(duì)旋轉(zhuǎn)整流盤的關(guān)鍵部件進(jìn)行了重點(diǎn)分析計(jì)算，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)完全可以滿足用戶的要求。

高速電機(jī)；整流盤；有限元；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

0 引言

高速大功率無刷勵(lì)磁電機(jī)在礦山、石油、化工等防爆領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，獲得了越來越多用戶的青睞，市場(chǎng)前景廣闊。整流盤是此類電機(jī)的關(guān)鍵部件，與電機(jī)同軸安裝。由于每種電氣元件重量不一致，自體動(dòng)平衡性較差，安裝后會(huì)加劇電機(jī)的振動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)其上面安裝的各種電氣元件會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力nn=4800r/min，容易引起整流盤發(fā)生屈服或較大變形，從而破壞整流盤的整體結(jié)構(gòu)，影響其運(yùn)行的穩(wěn)定性。為滿足市場(chǎng)需要，我公司開發(fā)研制了額定轉(zhuǎn)速的交流勵(lì)磁電機(jī)用旋轉(zhuǎn)整流盤產(chǎn)品，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、振動(dòng)特性優(yōu)及易于電氣元件安裝更換等優(yōu)點(diǎn)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)整流盤參照國外同類產(chǎn)品，用壓敏電阻取代了傳統(tǒng)的滅磁電阻，根據(jù)GB/T 7409.3—2007對(duì)整流電路并聯(lián)路數(shù)要求，采用四路冗余三相橋式全波整流電路，提高了系統(tǒng)的安全性和整流穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)整流盤以正負(fù)導(dǎo)電環(huán)為支撐支架，導(dǎo)電環(huán)與支撐板的外圓靠止口定位，確保導(dǎo)電環(huán)與主軸的同軸度。支撐板采用高機(jī)械強(qiáng)度和高絕緣性的特殊材料，通過絕緣螺桿、絕緣墊圈和防松螺母鎖緊固定，同時(shí)結(jié)合加工精度和實(shí)際安裝情況要求，絕緣螺桿與孔的單邊間隙定為0.3mm。軸套與支撐板以止口徑向定位。

使用高強(qiáng)度六角頭螺栓壓緊把牢，軸套內(nèi)孔與無刷勵(lì)磁機(jī)主軸通過過盈連接傳遞轉(zhuǎn)矩，從而帶動(dòng)整流盤的旋轉(zhuǎn)。每個(gè)導(dǎo)電環(huán)內(nèi)徑處均勻加工有凹槽，凹槽處先嵌置連接板，然后用高強(qiáng)度無緯帶綁扎到導(dǎo)電環(huán)外圓上的環(huán)型凹槽內(nèi)，防止電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力損傷整流盤。最后安裝二極管和壓敏電阻，利于電氣元件的常規(guī)檢查及更換。每個(gè)二極管固定到連接板上，安裝空間相隔60°。二極管按照極性接到正負(fù)導(dǎo)電環(huán)上，相反極性的每兩個(gè)二極管為一組，每組間用銅制導(dǎo)電桿連接，分別與勵(lì)磁機(jī)電樞上的六根交流引線連接，導(dǎo)電桿和軸套間有3mm厚絕緣管，確保裝置能夠承受3000V的對(duì)地耐壓。每個(gè)壓敏電阻也按照正負(fù)極固定到相應(yīng)導(dǎo)電環(huán)上的連接板上，位置與二極管相隔30°。每兩個(gè)相反極性的壓敏電阻為一組，他們之間用高強(qiáng)度銅制短接片連接。為使其結(jié)構(gòu)對(duì)稱，降低整流盤的形變不均勻性和應(yīng)力不對(duì)稱性。在導(dǎo)電環(huán)X軸處加兩個(gè)與壓敏電阻質(zhì)量相同的配重體，配重體上裝有導(dǎo)電片，導(dǎo)電片與主機(jī)轉(zhuǎn)子繞組引線相連，使整流后獲取的直流電在主機(jī)轉(zhuǎn)子上建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。

正負(fù)導(dǎo)電環(huán)兩外端面加工有葉片狀的加強(qiáng)筋，旋轉(zhuǎn)時(shí)可將整流元件產(chǎn)生的熱量靠對(duì)流方式帶走。零部件加工裝配中產(chǎn)生的誤差和元件更換后質(zhì)量差異會(huì)引起質(zhì)量分布的不均勻，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)引起振動(dòng)，產(chǎn)生噪音，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生破壞性事故。為解決這個(gè)問題，每個(gè)加強(qiáng)筋間開有M6的配重用螺孔，每側(cè)30個(gè)，配重體為密度較大的銅質(zhì)螺釘，利于增大動(dòng)平衡的調(diào)整范圍，安裝后打洋沖鎖緊，避免螺釘飛脫。

2 關(guān)鍵部件強(qiáng)度分析

絕緣螺桿、導(dǎo)電環(huán)、無緯帶、軸套和支撐板是整流盤的重要組成部分，決定運(yùn)行的可靠性，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1032—2012的要求，按超速(1.2倍額定轉(zhuǎn)速nn)狀態(tài)下的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算。

2.1 計(jì)算基本數(shù)據(jù)

每個(gè)二極管、絕緣螺桿、壓敏電阻和配重在導(dǎo)電環(huán)環(huán)上的面積分別為A1、A2、A3,單位mm，其余基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基本數(shù)據(jù)

2.2 絕緣螺桿預(yù)緊力及強(qiáng)度計(jì)算

啟動(dòng)過程角加速度按均加速考慮

啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)電環(huán)慣性產(chǎn)生的扭矩

M=Ja=2.26×105N/mm

為使導(dǎo)電環(huán)與絕緣支撐板之間保持緊固，螺栓所需的最小預(yù)緊力

超速工況下，絕緣螺桿單位長度承受的離心載荷最大

絕緣螺桿承受的離心載荷會(huì)導(dǎo)致軸向拉應(yīng)力增大，更重要的是，螺桿自身的抗彎剛度不足以承受此離心載荷的影響，因此必須考慮施加螺桿預(yù)緊力時(shí)螺桿的應(yīng)力剛化效應(yīng)，以保證分析的準(zhǔn)確性和有效性。

通過建立螺桿簡(jiǎn)支梁模型，對(duì)螺桿兩端軸向施加約束，施加單位長度離心載荷q和螺栓預(yù)緊力F，添加絕緣螺桿與孔的間隙為變形約束條件，進(jìn)行有限元分析，調(diào)整螺栓預(yù)緊力F的值，反復(fù)計(jì)算，選取最優(yōu)方案，最終選取預(yù)緊力F=10000N。預(yù)緊力能夠產(chǎn)生的最大扭矩

T=μFrn=2.74×106N/mm

預(yù)緊力能保證的扭矩與啟動(dòng)慣性產(chǎn)生的扭矩之比T/M=12。

超速工況螺桿軸向應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 超速工況螺桿軸向應(yīng)力分布

計(jì)算結(jié)果可以看出，螺桿最大拉應(yīng)力796MPa，為保證整流盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的可靠性，螺桿材料選用屈服極限σs=930MPa的優(yōu)質(zhì)合金鋼，安全系數(shù)為1.17。

2.3 導(dǎo)電環(huán)、無緯帶強(qiáng)度的計(jì)算

二極管作用在導(dǎo)電環(huán)單位面積上的壓力(超速工況)

絕緣螺桿作用在導(dǎo)電環(huán)單位面積上的壓力

P2=F/A2=25MPa

壓敏電阻和配重作用在導(dǎo)電環(huán)單位面積上的壓力(超速工況)

電機(jī)運(yùn)行(尤其是超速運(yùn)行)時(shí)，導(dǎo)電環(huán)受到自身離心力和二極管、壓敏電阻及配重壓力等作用，會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，因此，導(dǎo)電環(huán)需要較大的徑向約束力，該約束力是通過拉緊無緯帶實(shí)現(xiàn)的，因此無緯帶需要承受很大的拉應(yīng)力，從可靠性角度考慮，無緯帶采用固化后熱態(tài)強(qiáng)度極限σs1為900MPa的高強(qiáng)度材料，無緯帶預(yù)緊拉力為1500N，靜止工況下的安全系數(shù)為4.79。同時(shí)，為降低離心載荷，導(dǎo)電環(huán)材料預(yù)選為密度較輕的鋁合金材料。

無緯帶預(yù)緊力通過降低溫度施加，分別以螺栓預(yù)緊力、二極管、壓敏電阻和配重離心力產(chǎn)生的單位壓力為條件，對(duì)支撐板內(nèi)圓環(huán)向和絕緣板軸向施加約束，其邊界條件見圖3，徑向形變分析結(jié)果見圖4，應(yīng)力分布見圖5。由計(jì)算結(jié)果可以看出，無緯帶最大應(yīng)力268.9MPa，無緯帶安全系數(shù)3.35，滿足設(shè)計(jì)要求；導(dǎo)電環(huán)最大應(yīng)力為178MPa。為保證整流盤強(qiáng)度的可靠性，導(dǎo)電環(huán)采用高強(qiáng)度鋁合金，屈服極限σs1為365MPa，安全系數(shù)2.06。

圖3 旋轉(zhuǎn)整流器邊界條件

圖4 超速工況導(dǎo)電環(huán)的徑向變形(放大100 倍顯示)

圖5 超速工況應(yīng)力分布

2.4 軸套、支撐板強(qiáng)度的計(jì)算

軸套和支撐板之間通過緊固螺栓連接，為克服導(dǎo)電環(huán)和絕緣板產(chǎn)生的啟動(dòng)慣性力矩，緊固螺栓所需的最小預(yù)緊力為

從可靠性角度考慮，選取M12螺栓，預(yù)緊力定為10000N。軸套與軸不需經(jīng)常拆卸，采用定心性好的過盈配合，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力高，對(duì)軸的強(qiáng)度削弱小。根據(jù)整流環(huán)啟動(dòng)慣性力矩計(jì)算軸套徑向過盈量，并通過運(yùn)行時(shí)整流環(huán)在軸套內(nèi)徑的離心變形校核此過盈量，將軸套徑向過盈量設(shè)定為0.10mm。熱套溫度為200℃，滿足裝配要求。

支撐板承受的徑向載荷分為兩部分：一部分為自身離心力；另一部分為導(dǎo)電環(huán)與支撐板之間的摩擦力。根據(jù)導(dǎo)電環(huán)壓緊力對(duì)支撐板產(chǎn)生的徑向壓力(2.3節(jié)計(jì)算結(jié)果)、緊固螺栓預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速和軸套過盈量等建立邊界條件，對(duì)轉(zhuǎn)軸軸向和支撐板軸向施加約束，采用有限元分析，其邊界條件詳見圖6，應(yīng)力分析結(jié)果見圖7。

圖6 計(jì)算結(jié)構(gòu)邊界條件

圖7 超速工況支撐板、軸套應(yīng)力分布

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，支撐板最大應(yīng)力處109MPa，支撐板板材料屈服極限σs1為215MPa，安全系數(shù)1.97。軸套最大處應(yīng)力283MPa，采用高強(qiáng)度合金鋼，屈服極限σs1為355MPa，安全系數(shù)1.25。

3 結(jié)語

大功率高轉(zhuǎn)速無刷勵(lì)磁電機(jī)需要結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，可靠性高的旋轉(zhuǎn)整流盤，我公司研制的旋轉(zhuǎn)整流盤在結(jié)構(gòu)上完全滿足了用戶的要求。目前該型整流盤及電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀況良好，證明本文介紹的設(shè)計(jì)方法合理，對(duì)于同類整流盤的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和實(shí)用意義。

[1] 李幼倩，韓君強(qiáng).現(xiàn)代新型無刷勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.1.

[2] 王世斌，亢一瀾.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2008.1.

[3] 聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.1.

[4] 北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0結(jié)構(gòu)分析快速入門、進(jìn)階與精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

Structural Design of Rotating Rectifier Wheel for Large-Power High-Speed Motor

LiuZhaojiang,ZhangGuibin,andSongXiuqi

(Harbin Electric Power Equipment Co., Ltd., Harbin 150040, China)

This paper introduces structure of the rotating rectifier wheel developed by our company, and chiefly analyzes and calculates key parts of the rectifier wheel. The obtained result shows that this kind of structure can sufficiently meet requirements of customers.

High-speed motor；rectifier wheel；finite element；structural design

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.01.03

301.2

A

1008-7281(2017)01-0010-004

劉兆江 男 1973年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事電機(jī)設(shè)計(jì)開發(fā)工作.

2016-08-01