8超高速大功率同步電動機勵磁機聯軸器、勵磁機軸強度及疲勞計算

摘 要：對功率20MW，4800rpm同步電動機的勵磁機聯軸器進行強度計算；確定聯軸器配合緊量的安全系數；由于受到交變載荷，因此對勵磁機進行強度和疲勞分析。并對勵磁機結構給出修改建議。

關鍵詞： 強度；過盈；疲勞

超高速大功率同步電動機勵磁機的額定轉速達到4800 ，遠遠超過普通的大型汽輪發電機的額定轉速3000 。因此，在設計過程中，結構的強度校核工作顯得尤為重要，甚至必要的情況下，要由有限元的強度分析來指引結構設計，確保電動機結構安全，可靠。

1 模型描述

該勵磁機的聯軸器采用常用的熱套形式。采用熱套形式進行扭矩傳遞應該注意以下問題：1）靜止狀態時，結構的熱套緊量作用在轉子本體和勵磁機聯軸器上引起的應力應該在允許范圍之內。2）額定工況時，勵磁機聯軸器和轉子本體應該滿足強度要求。應該保有足夠的安全系數。同時，額定工況時，不能發生聯軸器與勵磁機之間的相對滑動，也就是保有足夠的剩余接觸緊量；同時，也要考慮機組的短路工況發生時，勵磁機聯軸器能夠承受短路發生時的短路扭矩。3）為了能確保電機的安全穩定運行，考慮機組可能出現非正常工況下的超速狀態，因此必須用同樣的要求來考核超速6260 的超速工況，同時還應考慮扭矩作用。4）機組在運行時，由于重力影響，發電機轉軸受到彎矩作用，會產生一個交變的豎直方向的載荷，該載荷可能造成結構疲勞，因此在對聯軸器進行強度校核時，要對結構進行疲勞分析，結構必須滿足疲勞要求。

2 材料力學基本原理

3 有限元原理

有限元分析基本思路就是采用采用剖分結構的單元的原理，得到單元的剛度矩陣和質量矩陣，利用材料力學的三個基本平衡條件和邊界條件，考慮結構的外部載荷，將各個單元按照一定的順序，考慮單元之間的公用節點信息，將單元重新組裝起來，形成整體的有限元方程：

其中，{F}為結構的載荷，包括作用在節點上的外部機械載荷、加速度載荷、溫度載荷、壓力載荷。

4 強度計算結果

首先，在三維建模軟件中建立勵磁機的實體模型，利用通用有限元分析軟件ANSYS的WORKBENCH模塊分別對各個狀態進行了強度計算。結果如下所示：

通過三個工況的靜強度計算，得到以下結論：勵磁機聯軸器滿足強度要求，同時，熱套的接觸面仍然保有較大的剩余緊量，接觸狀態良好，沒有發生接觸面松動失效。

但是該聯軸器結構存在局部高應力區域，對于高應力區域，建議結構形式進行修改：1）聯軸器軸孔內有臺階，導致應力高，建議改成圓角（圖1）。2）聯軸器軸孔與導電孔之間厚度較小，導致出現高應力區域，建議增加厚度（圖3）。

由于勵磁機直徑較小，因此，離心力的作用有限，接觸狀態很難被打破。從計算結果也可以看得出來。當施加轉速10000 時（圖5），熱套的兩個部件仍然保有接觸狀態。

彎矩和扭矩作用下，可以從圖6判斷出螺栓連接位置仍然有較大的接觸壓力，說明螺栓的預緊力能夠克服各種工況載荷。

5 疲勞計算結果

對這種臥式轉動部件，必須關注重力作用下引起的豎直方向應力循環，在該應力循環下，結構會產生疲勞損傷，這種疲勞損傷會造成結構的失效造成損失。因此經過靜強度計算后，還得考慮聯軸器的疲勞壽命在交變載荷下，利用疲勞分析軟件NCODE來進行分析，得到一下分析結果：

由于兩個部件的應力幅值非常低，因此計算的疲勞的結果為無限次數。

6 結論

該電動機的靜強度計算結果表明：在各種工況下，勵磁機聯軸器各個部分均滿足強度要求；在各個工況，聯軸器和轉軸之間都存在一定的剩余緊量，分離轉速遠遠高于運行的額定轉速；螺栓狀態良好，預緊狀態仍然能夠滿足各個工況的各種載荷要求；聯軸器和勵磁機軸的應力幅很小，沒有超過疲勞極限，可以達到無限壽命。

作者簡介：張恩佳，1985年出生，2008年畢業于哈爾濱工業大學電氣工程及其自動化專業，本科，現就職于哈爾濱電機廠有限責任公司。