磁極螺桿結構的同步電動機轉子支架強度分析

(中機科(北京)車輛檢測工程研究院有限公司，北京 102100)

0 引言

低速大扭矩同步電動機常采用凸極結構，其轉子支架是連接磁極和轉軸的中間部件，轉子支架采用導磁材料，其軛部充當轉子磁極的磁軛。轉子支架的主要作用是安裝磁極鐵心以及作為電機的轉子磁軛，由于磁極鐵心主要由“T”尾結構和磁極螺桿結構兩種，因此，轉子支架的結構也分為這兩種型式。采用“T”尾結構的轉子支架，其磁極鐵心的離心力作用在整個T形槽上，受力面積較大，可以承受較大的離心力，適用于轉子圓周方向線速度較大的電機，但是T形槽的加工困難、制造成本高、生產周期長。而采用磁極螺桿結構轉子支架加工簡單，因此對于轉子圓周方向線速度較小的電機常采用這種結構。磁極螺桿結構的磁極鐵心的離心力的全部通過磁極螺桿作用在轉子支架上，磁極螺桿的螺母與轉子支架的接觸面積較“T”形槽的接觸面積小很對，因此有必要對轉子支架的強度進行計算。本文以一臺1400kW-18P同步電動機為例，對磁極螺桿結構的轉子支架結構強度進行計算和分析。

1 采用傳統解析法對轉子支架強度計算

轉子支架采用鑄鋼ZG230-450材質，整體鑄造后金加工成所需要的尺寸，支架為單個的整體幅板結構，主要尺寸如圖1所示。支架強度計算如下。

圖1梳齒密封結構

電機基本參數

額定功率：PN=1400kW；額定轉速：nN=333r/min；過速(1.2倍超速)：np= 400r/min；過載倍數：Kp=3；彈性系數：E=1750000kg/cm2；鑄鋼材料屈服點：σs=2700kg/cm2；鑄鋼材料密度：ρ=0.0078kg/cm3；磁極重量：Gj=4000kg；支架重量：Ge=3000kg。

磁軛截面面積

Fe=0.5×L1×(D4-D3)

=0.5×63×(140.5-120)=645.75cm2

(1)

輪轂截面面積

Fg=0.5×Lg×(D2-D1)

=0.5×39×(56-40)=312cm2

(2)

輻板的截面積

Ff=h×(π×D)

=6×(3.14×88)=1658cm2

(3)

輪轂重心直徑

Dg=0.5×(D1×D2)

=0.5×(40×56)=48cm

(4)

磁軛重心半徑

Re=0.25×(D3×D4)

=0.25×(120×140.5)=65.125cm

(5)

磁極重心半徑：Rj=80.5cm

輪轂柔度

λg=Dg/2/π/E/Fg

=48/2/3.14/1750000/312

=1.4×10-8

(6)

磁軛柔度

λe=De/2/π/E/Fe

=130.25/2/3.14/1750000/645.75

=1.84×10-8

(7)

輻板柔度

λf=(D3-D2)/E/Ff

=(120-56)/1750000/1658

=2.2×10-8

(8)

磁極與磁軛的總離心力

C=11.2×(GjRj+GeRe)(np/1000)2

=11.2×(4000×80.5+3000×65.125)×

(400/1000)2

=927136kg

(9)

輻板上的拉力

P=C×λe/(λe+λg+λf)

=927136×1.84/(1.4+1.84+2.2)

=313590kg

(10)

過速時輻板的拉應力

σf=P/Ff=313590/1658=189kg/cm2

(11)

過速時輪轂的拉應力

σs=P/2/ π/Fg

=313590/2/3.14/312=160kg/cm2

(12)

輻板兩端的彎矩

Mf=0.5×KpMn(1-D2/D3)

=0.5×3×401140×(1-56/120)

=320912k g·cm

(13)

輻板的斷面系數

Wf=12×(πD/12)2h/6

=12×(3.14×88/12)2×6/6

=6360cm3

(14)

額定轉速時輻板的應力

σf′=σf(nn/np)2+Mf/Wf

=88×(333/400)2+320912/6360

=111.4kg/cm2

(15)

對于鑄鋼支架[σ]=0.6σs=0.6×2700=1620kg/cm2以上應力均小于[σ]，所以滿足要求。

2 采用有限元法對轉子支架強度分析

通過有限元軟件對轉子支架三維建模，根據實際受力情況對轉子支架模型添加夾具、應力及網格劃分，如圖2、圖3所示，并對其進行應力分析。

圖2轉子支架三維模型及約束條件

圖3轉子支架網格劃分

對轉子支架施加邊界條件，其中包括

(1)轉子支架內孔(與軸配合面)全約束。

(2)轉子支架自身離心力34.88rad/s。

(3)在轉子支架外表面施加磁極對轉子支架的靜摩擦力(即磁極所受的電磁轉矩，考慮工程裕量按額定轉矩的3倍進行核算)40114×3 N·m 。

(4)在轉子支架內表面(所有磁極螺母安裝平面)施加所有磁極的離心力4006300N。

額定轉速狀態下，當轉子出現3倍額定轉矩情況下轉子支架的最大應力如圖4所示，最大應力為30.5MPa，最大應力點在磁極固定螺母位置，轉子支架輻板處的應力在10MPa～13MPa范圍，最小安全系數為4.73，如圖6所示。

圖4轉子支架強度分析(額定轉速)

圖5轉子支架強度分析(1.2倍額定轉速)

圖6轉子支架安全系數(額定轉速)

1.2倍額定轉速的超速狀態下，當轉子出現3倍額定轉矩情況下轉子支架的最大應力如圖5所示，最大應力為32.3MPa，最大應力點在磁極固定螺母位置，轉子支架輻板處的應力在12MPa～15MPa范圍，最小安全系數為3.28，如圖7所示。

圖7轉子支架安全系數(1.2倍額定轉速)

3 結語

將解析法計算的轉子支架的應力與有限元法的分析結果進行對比，見表1。

表1 解析法與有限元法強度計算對比

對比以上數據可以看出，額定轉速時輻板應力、1.2倍額定轉速時輻板應力和1.2倍額定轉速時輪轂應力的計算分析結果非常接近，可以相互驗證。轉子支架強度計算的解析算法在工程應用中具有大量的工程經驗基礎，采用這種計算方法能夠快速的得出轉子支架強度計算結論。有限元分析的方法需要對轉子支架模型進行建模、邊界條件設定、網格劃分等軟件操作，需要分析人員具有一定的建模能力，優良的建模和邊界條件設定是得出正確結論的前提和基礎。采用有限元分析的方法可以找到轉子支架的最大應力位置，對于設計者而言，了解最大應力點可以更好的優化設計，在最大應力位置根據實際情況采用增加倒角等方式可以避免應力集中現象。