刘兆江,张贵滨,宋修奇
(哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨150040)
大功率高速电机用旋转整流盘结构设计
刘兆江,张贵滨,宋修奇
(哈尔滨电气动力装备有限公司,黑龙江哈尔滨150040)
通过对我公司研制的旋转整流盘结构进行介绍,并采用有限元法对旋转整流盘的关键部件进行了重点分析计算,结果表明,该结构完全可以满足用户的要求。
高速电机;整流盘;有限元;结构设计
高速大功率无刷励磁电机在矿山、石油、化工等防爆领域得到了广泛的应用。其运行可靠,维护方便,获得了越来越多用户的青睐,市场前景广阔。整流盘是此类电机的关键部件,与电机同轴安装。由于每种电气元件重量不一致,自体动平衡性较差,安装后会加剧电机的振动。电机转轴高速旋转时其上面安装的各种电气元件会产生强大的离心力nn=4800r/min,容易引起整流盘发生屈服或较大变形,从而破坏整流盘的整体结构,影响其运行的稳定性。为满足市场需要,我公司开发研制了额定转速的交流励磁电机用旋转整流盘产品,其具有结构紧凑、强度高、振动特性优及易于电气元件安装更换等优点。
旋转整流盘参照国外同类产品,用压敏电阻取代了传统的灭磁电阻,根据GB/T 7409.3—2007对整流电路并联路数要求,采用四路冗余三相桥式全波整流电路,提高了系统的安全性和整流稳定性。旋转整流盘结构如图1所示。
图1 旋转整流盘结构图
旋转整流盘以正负导电环为支撑支架,导电环与支撑板的外圆靠止口定位,确保导电环与主轴的同轴度。支撑板采用高机械强度和高绝缘性的特殊材料,通过绝缘螺杆、绝缘垫圈和防松螺母锁紧固定,同时结合加工精度和实际安装情况要求,绝缘螺杆与孔的单边间隙定为0.3mm。轴套与支撑板以止口径向定位。
使用高强度六角头螺栓压紧把牢,轴套内孔与无刷励磁机主轴通过过盈连接传递转矩,从而带动整流盘的旋转。每个导电环内径处均匀加工有凹槽,凹槽处先嵌置连接板,然后用高强度无纬带绑扎到导电环外圆上的环型凹槽内,防止电机高速旋转时离心力损伤整流盘。最后安装二极管和压敏电阻,利于电气元件的常规检查及更换。每个二极管固定到连接板上,安装空间相隔60°。二极管按照极性接到正负导电环上,相反极性的每两个二极管为一组,每组间用铜制导电杆连接,分别与励磁机电枢上的六根交流引线连接,导电杆和轴套间有3mm厚绝缘管,确保装置能够承受3000V的对地耐压。每个压敏电阻也按照正负极固定到相应导电环上的连接板上,位置与二极管相隔30°。每两个相反极性的压敏电阻为一组,他们之间用高强度铜制短接片连接。为使其结构对称,降低整流盘的形变不均匀性和应力不对称性。在导电环X轴处加两个与压敏电阻质量相同的配重体,配重体上装有导电片,导电片与主机转子绕组引线相连,使整流后获取的直流电在主机转子上建立旋转磁场。
正负导电环两外端面加工有叶片状的加强筋,旋转时可将整流元件产生的热量靠对流方式带走。零部件加工装配中产生的误差和元件更换后质量差异会引起质量分布的不均匀,在高速旋转时会引起振动,产生噪音,严重时甚至会发生破坏性事故。为解决这个问题,每个加强筋间开有M6的配重用螺孔,每侧30个,配重体为密度较大的铜质螺钉,利于增大动平衡的调整范围,安装后打洋冲锁紧,避免螺钉飞脱。
绝缘螺杆、导电环、无纬带、轴套和支撑板是整流盘的重要组成部分,决定运行的可靠性,根据标准GB/T 1032—2012的要求,按超速(1.2倍额定转速nn)状态下的强度进行计算。
2.1 计算基本数据
每个二极管、绝缘螺杆、压敏电阻和配重在导电环环上的面积分别为A1、A2、A3,单位mm,其余基本数据如表1所示。
表1 基本数据
2.2 绝缘螺杆预紧力及强度计算
启动过程角加速度按均加速考虑
启动时导电环惯性产生的扭矩
M=Ja=2.26×105N/mm
为使导电环与绝缘支撑板之间保持紧固,螺栓所需的最小预紧力
超速工况下,绝缘螺杆单位长度承受的离心载荷最大
绝缘螺杆承受的离心载荷会导致轴向拉应力增大,更重要的是,螺杆自身的抗弯刚度不足以承受此离心载荷的影响,因此必须考虑施加螺杆预紧力时螺杆的应力刚化效应,以保证分析的准确性和有效性。
通过建立螺杆简支梁模型,对螺杆两端轴向施加约束,施加单位长度离心载荷q和螺栓预紧力F,添加绝缘螺杆与孔的间隙为变形约束条件,进行有限元分析,调整螺栓预紧力F的值,反复计算,选取最优方案,最终选取预紧力F=10000N。预紧力能够产生的最大扭矩
T=μFrn=2.74×106N/mm
预紧力能保证的扭矩与启动惯性产生的扭矩之比T/M=12。
超速工况螺杆轴向应力分布如图2所示。
图2 超速工况螺杆轴向应力分布
计算结果可以看出,螺杆最大拉应力796MPa,为保证整流盘结构强度的可靠性,螺杆材料选用屈服极限σs=930MPa的优质合金钢,安全系数为1.17。
2.3 导电环、无纬带强度的计算
二极管作用在导电环单位面积上的压力(超速工况)
绝缘螺杆作用在导电环单位面积上的压力
P2=F/A2=25MPa
压敏电阻和配重作用在导电环单位面积上的压力(超速工况)
电机运行(尤其是超速运行)时,导电环受到自身离心力和二极管、压敏电阻及配重压力等作用,会产生较大的应力和变形,因此,导电环需要较大的径向约束力,该约束力是通过拉紧无纬带实现的,因此无纬带需要承受很大的拉应力,从可靠性角度考虑,无纬带采用固化后热态强度极限σs1为900MPa的高强度材料,无纬带预紧拉力为1500N,静止工况下的安全系数为4.79。同时,为降低离心载荷,导电环材料预选为密度较轻的铝合金材料。
无纬带预紧力通过降低温度施加,分别以螺栓预紧力、二极管、压敏电阻和配重离心力产生的单位压力为条件,对支撑板内圆环向和绝缘板轴向施加约束,其边界条件见图3,径向形变分析结果见图4,应力分布见图5。由计算结果可以看出,无纬带最大应力268.9MPa,无纬带安全系数3.35,满足设计要求;导电环最大应力为178MPa。为保证整流盘强度的可靠性,导电环采用高强度铝合金,屈服极限σs1为365MPa,安全系数2.06。
图3 旋转整流器边界条件
图4 超速工况导电环的径向变形(放大100 倍显示)
图5 超速工况应力分布
2.4 轴套、支撑板强度的计算
轴套和支撑板之间通过紧固螺栓连接,为克服导电环和绝缘板产生的启动惯性力矩,紧固螺栓所需的最小预紧力为
从可靠性角度考虑,选取M12螺栓,预紧力定为10000N。轴套与轴不需经常拆卸,采用定心性好的过盈配合,其结构简单,承载能力高,对轴的强度削弱小。根据整流环启动惯性力矩计算轴套径向过盈量,并通过运行时整流环在轴套内径的离心变形校核此过盈量,将轴套径向过盈量设定为0.10mm。热套温度为200℃,满足装配要求。
支撑板承受的径向载荷分为两部分:一部分为自身离心力;另一部分为导电环与支撑板之间的摩擦力。根据导电环压紧力对支撑板产生的径向压力(2.3节计算结果)、紧固螺栓预紧力、转速和轴套过盈量等建立边界条件,对转轴轴向和支撑板轴向施加约束,采用有限元分析,其边界条件详见图6,应力分析结果见图7。
图6 计算结构边界条件
图7 超速工况支撑板、轴套应力分布
根据计算结果,支撑板最大应力处109MPa,支撑板板材料屈服极限σs1为215MPa,安全系数1.97。轴套最大处应力283MPa,采用高强度合金钢,屈服极限σs1为355MPa,安全系数1.25。
大功率高转速无刷励磁电机需要结构强度大,可靠性高的旋转整流盘,我公司研制的旋转整流盘在结构上完全满足了用户的要求。目前该型整流盘及电机在现场运行状况良好,证明本文介绍的设计方法合理,对于同类整流盘的设计具有一定的参考价值和实用意义。
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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
刘兆江 男 1973年生;毕业于哈尔滨理工大学电机与电器专业,硕士研究生,现从事电机设计开发工作.
2016-08-01