高速電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組端部固定環(huán)強(qiáng)度計(jì)算及檢驗(yàn)

張亞鴿，馮艷琴，魏雨谷

(中船重工電機(jī)科技股份有限公司，山西太原030027)

0 引言

文中所論述的高速電機(jī)是指小型電機(jī)轉(zhuǎn)速在10 000r/min 以上，包括轉(zhuǎn)子為鼠籠型繞組;大型電機(jī)是指轉(zhuǎn)速在3 000r/min 以上的電機(jī)。繞組端固定是必須認(rèn)真考慮的問題，否則在足夠大的離心力作用下，沒有可靠的固定，繞組端部極易損壞。繞組端部固定環(huán)強(qiáng)度計(jì)算應(yīng)簡(jiǎn)便實(shí)用，通過對(duì)試樣的檢驗(yàn)，證明該計(jì)算是準(zhǔn)確的、可行的。

1 轉(zhuǎn)子繞組端部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算

1.1 轉(zhuǎn)子繞組端部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

將轉(zhuǎn)子繞組端部進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化后，如圖1 所示。

圖1 轉(zhuǎn)子繞組端部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 轉(zhuǎn)子繞組端部力學(xué)模型建立

在發(fā)電機(jī)正常工作狀態(tài)下，繞組端部離心力F1的作用，繞組端部固定環(huán)的支持力F2作用，還有其他的作用力，可以忽略不計(jì)。如繞組端部自身重力，加速以慣量引起的切向力，鐵心對(duì)繞組位移的約束力等。

F1、F2進(jìn)行如下力學(xué)模型建立，根據(jù)兩種作用物體材料的力學(xué)性能和工作時(shí)的特性，可將端部固緊裝置簡(jiǎn)化為支撐剛性體，將繞組端部簡(jiǎn)化為不受軸向約束和自身約束的均勻分布離散質(zhì)量剛性體。

1.3 轉(zhuǎn)子繞組端部受力分析

1.3.1 繞組端部受力分析

繞組端部在靜止或工作狀態(tài)時(shí)受力總和為

繞組端部具體受力情況見圖2。

圖2 繞組端部受力簡(jiǎn)圖

由圖2 可知工作狀態(tài)時(shí)，繞組端部受到的自身離心力作用F1可簡(jiǎn)化為沿圓周均布的均布力。即F1=q1L1;同時(shí)受到線圈支架的徑向支持力F2，同理可簡(jiǎn)化F2=q2L2;其中，q1，q2為單位圓周長(zhǎng)載荷，L1、L2為載荷作用周長(zhǎng)。

式中，M—繞組端部質(zhì)量;r—繞組端部平均作用半徑;ω—超速轉(zhuǎn)速角速度。

將某個(gè)特定的電機(jī)相關(guān)參數(shù)代入式(2)，得F1=133.1kN

1.3.2 轉(zhuǎn)子繞組端部固定環(huán)受力分析

轉(zhuǎn)子繞組端部固定環(huán)受力分析見圖3。

圖3 端部固緊裝置受力簡(jiǎn)圖

由圖3 可知，端部固定環(huán)中A-A 截面為危險(xiǎn)截面，分析A-A 截面的剪切強(qiáng)度，則端部固定環(huán)所承受的剪切強(qiáng)度τ=F1/A=29.7MPa。其中A為A-A 截面的面積。固定環(huán)材料為Q235A 重材料手冊(cè)及相關(guān)資料

得τ-1=0.15(σb+σs)=92Mpa

安全系數(shù)Nca=92/29.7=3.1

此安全系數(shù)說明，繞組端部固定環(huán)的強(qiáng)度足以承受該特定電機(jī)離心力的作用而不損壞。

2 模擬試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備選用JAW-600 微機(jī)控制電液伺服鋼萬能試驗(yàn)機(jī)、WES-100 數(shù)顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)和WDAQ 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。為了觀察A-A 截面的變化情況，采用粘貼電阻應(yīng)變片方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，端部固定環(huán)長(zhǎng)板根部粘貼3 個(gè)應(yīng)變片，短板貼2 個(gè)應(yīng)變片見圖4。

圖4 端部固定環(huán)貼片位置示意圖

2.2 試驗(yàn)方法

試樣為兩件，在JAW-600 微機(jī)控制電液伺服鋼萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行加載，加載位置見圖5，為集中電荷。

圖5 端部固定環(huán)加載位置示意圖

其中一件試樣加85.2kN 恒定載荷檢測(cè)72h，每隔4h 記錄測(cè)試截面的數(shù)據(jù)。另一件以10kN 為增量最終加載到133.1kW，監(jiān)測(cè)各載荷下的截面數(shù)據(jù)。

端部固定環(huán)試件在規(guī)定載荷下85.2kN 作用時(shí)測(cè)試點(diǎn)(1、2、3)應(yīng)力均值為106.7MPa，測(cè)試點(diǎn)(4、5)應(yīng)力均值為129.6MPa;在133.1kN 作用時(shí)測(cè)試點(diǎn)(1、2、3)應(yīng)力均值為159.9MPa，測(cè)試點(diǎn)(4、5)應(yīng)力均值為193.3MPa。133.1kN 應(yīng)變曲線和位移曲線見圖6、圖7、圖8、圖9。從圖6 和圖7 可以看出此環(huán)試樣1 板和2 板均在200kN 前載荷-應(yīng)變呈線性規(guī)律。

圖6 1 板載荷-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7 2 板載荷-應(yīng)變關(guān)系曲線

圖8 和圖9 載荷-位移變化曲線中，測(cè)試點(diǎn)截面位移在40kN 以前受工裝影響，其變化規(guī)律1 板遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于2 板。此結(jié)構(gòu)1 板和2 板強(qiáng)度基本接近。從圖8、圖9 的曲線中可以分析出在85.2kN以及133.1kN 載荷的作用下，1 板和2 板位移變化量均在端部固定環(huán)所用材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)。

圖8 1 板載荷-位移關(guān)系曲線

圖9 2 板載荷-位移關(guān)系曲線

圖10、圖11 為85.2kN 恒載72h 應(yīng)變和位移變化曲線。

圖10 85.2kN 恒載72h 應(yīng)變變化曲線

圖11 85.2kN 恒載72h 位移變化曲線

通過對(duì)載荷應(yīng)變關(guān)系曲線、載荷位移變化曲線以及72h 恒載下曲線相結(jié)合的分析，固定環(huán)有足夠余度的。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，證明了本文所論述的繞組端部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、力學(xué)模型及受力分析準(zhǔn)確，計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。論證了該計(jì)算方法是切實(shí)可行的。

［1］ E·維德曼，W·克倫貝格爾.電機(jī)結(jié)構(gòu).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976.6.

［2］ 劉鴻文.材料力學(xué).北京:高等教育出版社，2004.

［3］ 許實(shí)章.電機(jī)學(xué).北京:高等教育出版社，1986.

［4］ 張磊，盧緒超，溫培艷，等.高速電機(jī)電磁振動(dòng)問題的分析及處理.防爆電機(jī)，2014.1.

［5］ 朱榮杰，李建剛.高壓高速大功率無火花型電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì).防爆電機(jī)，2012.5.