，，

(泰豪沈陽電機股份有限公司，遼寧沈陽 110142)

兩極銅排轉(zhuǎn)子電動機結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子電動機轉(zhuǎn)軸強度，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條、護環(huán)和端環(huán)的協(xié)同保障結(jié)構(gòu)，以及轉(zhuǎn)子軸流風(fēng)扇的通風(fēng)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化。

銅排轉(zhuǎn)子；協(xié)同保障結(jié)構(gòu)；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(fēng)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(shè)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(zhuǎn)速高，旋轉(zhuǎn)半徑大，轉(zhuǎn)子各部件所受離心力很大，轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子銅排、端環(huán)、護環(huán)和轉(zhuǎn)子沖片都可能成為薄弱點，在以往的設(shè)計中經(jīng)常可能出現(xiàn)振動速度超標(biāo)，導(dǎo)條斷裂的情況。此外兩極高速電機通風(fēng)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(shè)計分析利用數(shù)據(jù)計算和仿真模擬分析，在設(shè)計之初直接就可以優(yōu)化設(shè)計并預(yù)測強度，保證產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)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(shè)計，分析兩極銅排轉(zhuǎn)子電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部分以及試驗結(jié)構(gòu)的驗證。

1 對轉(zhuǎn)軸的強度分析

轉(zhuǎn)軸參數(shù)示意圖見圖1。

圖1轉(zhuǎn)軸參數(shù)示意圖

1.1 臨界轉(zhuǎn)速與撓度的分析

轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速(考慮單邊磁拉力影響在內(nèi))

一次臨界轉(zhuǎn)速的允許值

nkp≥1.3nNr/min(變速電機時nN為允許運行的最高轉(zhuǎn)速)

nkp≤0.8nNr/min(變速電機時nN為允許運行的最低轉(zhuǎn)速)

1.2 轉(zhuǎn)軸強度的仿真分析

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

圖2靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力情況

圖3靜止?fàn)顟B(tài)下轉(zhuǎn)軸的形變情況

圖4額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸的應(yīng)力情況

圖5額定轉(zhuǎn)速狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸的形變情況

經(jīng)過對轉(zhuǎn)軸不同狀態(tài)下的應(yīng)力及形變分析，可以看出采用42CrMo材料的鍛造轉(zhuǎn)軸可以滿足工況下的應(yīng)力要求，而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子銅排、端環(huán)和護環(huán)協(xié)同關(guān)系的分析

為保證兩極銅排轉(zhuǎn)子電動機銅排、端環(huán)和護環(huán)結(jié)構(gòu)的合理性，我們對該結(jié)構(gòu)進行了大量的有限元計算分析，以便找出更合理的保護結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(dǎo)條根部設(shè)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(yīng)力情況

通過分析可以看出在大過盈量的情況下，形變和應(yīng)力的分配并不是很均勻，局部出現(xiàn)應(yīng)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(yīng)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(yīng)力情況

根據(jù)以往試驗結(jié)果，導(dǎo)條根部的大R角相比斜拉結(jié)構(gòu)一般應(yīng)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(yīng)力情況(R=2)

根據(jù)分析結(jié)果可以看出，在導(dǎo)條根部應(yīng)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(jié)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(yīng)力情況(R=2)

分析結(jié)果顯示，剪切應(yīng)力和有害形變分配平均，各部件強度應(yīng)能滿足結(jié)構(gòu)需求，有效規(guī)避了兩極銅排電動機轉(zhuǎn)子在高速運轉(zhuǎn)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(biāo)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(zhuǎn)子軸流風(fēng)扇的分析

兩極銅排大功率轉(zhuǎn)子外徑較大，轉(zhuǎn)速達到3000r/min，轉(zhuǎn)子上的軸流風(fēng)扇對電機的綜合性能有很大影響。設(shè)計過大會造成電機風(fēng)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(shè)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(fēng)扇仿真模擬分析圖見圖14。

表1 風(fēng)扇仿真分析結(jié)果對比

圖14風(fēng)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(fēng)扇效率最大，設(shè)計最為合理。

4 結(jié)語

兩極銅排轉(zhuǎn)子電動機的設(shè)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(zhuǎn)子銅排、端環(huán)和護環(huán)的協(xié)同配合結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，充分考慮了各主要受力部分的特性，反復(fù)優(yōu)化設(shè)計，結(jié)合有限元分析計算，優(yōu)化了過盈量和護環(huán)結(jié)構(gòu)，保證主要結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)子電動機是我公司自主設(shè)計的大型電動機，為今后設(shè)計制造更大功率和轉(zhuǎn)速的銅排轉(zhuǎn)子電動機提供了重要的實踐經(jīng)驗。

[1] GB 755—2008 旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計技術(shù). 北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[5] 陳世坤. 電機設(shè)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(xué)院電氣工程及其自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機設(shè)計工作.

2017-04-20