大功率高速電機用旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉兆江,張貴濱,宋修奇

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

大功率高速電機用旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉兆江,張貴濱,宋修奇

(哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江哈爾濱150040)

通過對我公司研制的旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)進行介紹，并采用有限元法對旋轉(zhuǎn)整流盤的關(guān)鍵部件進行了重點分析計算，結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)完全可以滿足用戶的要求。

高速電機；整流盤；有限元；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

高速大功率無刷勵磁電機在礦山、石油、化工等防爆領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。其運行可靠，維護方便，獲得了越來越多用戶的青睞，市場前景廣闊。整流盤是此類電機的關(guān)鍵部件，與電機同軸安裝。由于每種電氣元件重量不一致，自體動平衡性較差，安裝后會加劇電機的振動。電機轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)時其上面安裝的各種電氣元件會產(chǎn)生強大的離心力nn=4800r/min，容易引起整流盤發(fā)生屈服或較大變形，從而破壞整流盤的整體結(jié)構(gòu)，影響其運行的穩(wěn)定性。為滿足市場需要，我公司開發(fā)研制了額定轉(zhuǎn)速的交流勵磁電機用旋轉(zhuǎn)整流盤產(chǎn)品，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、強度高、振動特性優(yōu)及易于電氣元件安裝更換等優(yōu)點。

1 結(jié)構(gòu)特點

旋轉(zhuǎn)整流盤參照國外同類產(chǎn)品，用壓敏電阻取代了傳統(tǒng)的滅磁電阻，根據(jù)GB/T 7409.3—2007對整流電路并聯(lián)路數(shù)要求，采用四路冗余三相橋式全波整流電路，提高了系統(tǒng)的安全性和整流穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)整流盤結(jié)構(gòu)圖

旋轉(zhuǎn)整流盤以正負導電環(huán)為支撐支架，導電環(huán)與支撐板的外圓靠止口定位，確保導電環(huán)與主軸的同軸度。支撐板采用高機械強度和高絕緣性的特殊材料，通過絕緣螺桿、絕緣墊圈和防松螺母鎖緊固定，同時結(jié)合加工精度和實際安裝情況要求，絕緣螺桿與孔的單邊間隙定為0.3mm。軸套與支撐板以止口徑向定位。

使用高強度六角頭螺栓壓緊把牢，軸套內(nèi)孔與無刷勵磁機主軸通過過盈連接傳遞轉(zhuǎn)矩，從而帶動整流盤的旋轉(zhuǎn)。每個導電環(huán)內(nèi)徑處均勻加工有凹槽，凹槽處先嵌置連接板，然后用高強度無緯帶綁扎到導電環(huán)外圓上的環(huán)型凹槽內(nèi)，防止電機高速旋轉(zhuǎn)時離心力損傷整流盤。最后安裝二極管和壓敏電阻，利于電氣元件的常規(guī)檢查及更換。每個二極管固定到連接板上，安裝空間相隔60°。二極管按照極性接到正負導電環(huán)上，相反極性的每兩個二極管為一組，每組間用銅制導電桿連接，分別與勵磁機電樞上的六根交流引線連接，導電桿和軸套間有3mm厚絕緣管，確保裝置能夠承受3000V的對地耐壓。每個壓敏電阻也按照正負極固定到相應(yīng)導電環(huán)上的連接板上，位置與二極管相隔30°。每兩個相反極性的壓敏電阻為一組，他們之間用高強度銅制短接片連接。為使其結(jié)構(gòu)對稱，降低整流盤的形變不均勻性和應(yīng)力不對稱性。在導電環(huán)X軸處加兩個與壓敏電阻質(zhì)量相同的配重體，配重體上裝有導電片，導電片與主機轉(zhuǎn)子繞組引線相連，使整流后獲取的直流電在主機轉(zhuǎn)子上建立旋轉(zhuǎn)磁場。

正負導電環(huán)兩外端面加工有葉片狀的加強筋，旋轉(zhuǎn)時可將整流元件產(chǎn)生的熱量靠對流方式帶走。零部件加工裝配中產(chǎn)生的誤差和元件更換后質(zhì)量差異會引起質(zhì)量分布的不均勻，在高速旋轉(zhuǎn)時會引起振動，產(chǎn)生噪音，嚴重時甚至會發(fā)生破壞性事故。為解決這個問題，每個加強筋間開有M6的配重用螺孔，每側(cè)30個，配重體為密度較大的銅質(zhì)螺釘，利于增大動平衡的調(diào)整范圍，安裝后打洋沖鎖緊，避免螺釘飛脫。

2 關(guān)鍵部件強度分析

絕緣螺桿、導電環(huán)、無緯帶、軸套和支撐板是整流盤的重要組成部分，決定運行的可靠性，根據(jù)標準GB/T 1032—2012的要求，按超速(1.2倍額定轉(zhuǎn)速nn)狀態(tài)下的強度進行計算。

2.1 計算基本數(shù)據(jù)

每個二極管、絕緣螺桿、壓敏電阻和配重在導電環(huán)環(huán)上的面積分別為A1、A2、A3,單位mm，其余基本數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基本數(shù)據(jù)

2.2 絕緣螺桿預緊力及強度計算

啟動過程角加速度按均加速考慮

啟動時導電環(huán)慣性產(chǎn)生的扭矩

M=Ja=2.26×105N/mm

為使導電環(huán)與絕緣支撐板之間保持緊固，螺栓所需的最小預緊力

超速工況下，絕緣螺桿單位長度承受的離心載荷最大

絕緣螺桿承受的離心載荷會導致軸向拉應(yīng)力增大，更重要的是，螺桿自身的抗彎剛度不足以承受此離心載荷的影響，因此必須考慮施加螺桿預緊力時螺桿的應(yīng)力剛化效應(yīng)，以保證分析的準確性和有效性。

通過建立螺桿簡支梁模型，對螺桿兩端軸向施加約束，施加單位長度離心載荷q和螺栓預緊力F，添加絕緣螺桿與孔的間隙為變形約束條件，進行有限元分析，調(diào)整螺栓預緊力F的值，反復計算，選取最優(yōu)方案，最終選取預緊力F=10000N。預緊力能夠產(chǎn)生的最大扭矩

T=μFrn=2.74×106N/mm

預緊力能保證的扭矩與啟動慣性產(chǎn)生的扭矩之比T/M=12。

超速工況螺桿軸向應(yīng)力分布如圖2所示。

圖2 超速工況螺桿軸向應(yīng)力分布

計算結(jié)果可以看出，螺桿最大拉應(yīng)力796MPa，為保證整流盤結(jié)構(gòu)強度的可靠性，螺桿材料選用屈服極限σs=930MPa的優(yōu)質(zhì)合金鋼，安全系數(shù)為1.17。

2.3 導電環(huán)、無緯帶強度的計算

二極管作用在導電環(huán)單位面積上的壓力(超速工況)

絕緣螺桿作用在導電環(huán)單位面積上的壓力

P2=F/A2=25MPa

壓敏電阻和配重作用在導電環(huán)單位面積上的壓力(超速工況)

電機運行(尤其是超速運行)時，導電環(huán)受到自身離心力和二極管、壓敏電阻及配重壓力等作用，會產(chǎn)生較大的應(yīng)力和變形，因此，導電環(huán)需要較大的徑向約束力，該約束力是通過拉緊無緯帶實現(xiàn)的，因此無緯帶需要承受很大的拉應(yīng)力，從可靠性角度考慮，無緯帶采用固化后熱態(tài)強度極限σs1為900MPa的高強度材料，無緯帶預緊拉力為1500N，靜止工況下的安全系數(shù)為4.79。同時，為降低離心載荷，導電環(huán)材料預選為密度較輕的鋁合金材料。

無緯帶預緊力通過降低溫度施加，分別以螺栓預緊力、二極管、壓敏電阻和配重離心力產(chǎn)生的單位壓力為條件，對支撐板內(nèi)圓環(huán)向和絕緣板軸向施加約束，其邊界條件見圖3，徑向形變分析結(jié)果見圖4，應(yīng)力分布見圖5。由計算結(jié)果可以看出，無緯帶最大應(yīng)力268.9MPa，無緯帶安全系數(shù)3.35，滿足設(shè)計要求；導電環(huán)最大應(yīng)力為178MPa。為保證整流盤強度的可靠性，導電環(huán)采用高強度鋁合金，屈服極限σs1為365MPa，安全系數(shù)2.06。

圖3 旋轉(zhuǎn)整流器邊界條件

圖4 超速工況導電環(huán)的徑向變形(放大100 倍顯示)

圖5 超速工況應(yīng)力分布

2.4 軸套、支撐板強度的計算

軸套和支撐板之間通過緊固螺栓連接，為克服導電環(huán)和絕緣板產(chǎn)生的啟動慣性力矩，緊固螺栓所需的最小預緊力為

從可靠性角度考慮，選取M12螺栓，預緊力定為10000N。軸套與軸不需經(jīng)常拆卸，采用定心性好的過盈配合，其結(jié)構(gòu)簡單，承載能力高，對軸的強度削弱小。根據(jù)整流環(huán)啟動慣性力矩計算軸套徑向過盈量，并通過運行時整流環(huán)在軸套內(nèi)徑的離心變形校核此過盈量，將軸套徑向過盈量設(shè)定為0.10mm。熱套溫度為200℃，滿足裝配要求。

支撐板承受的徑向載荷分為兩部分：一部分為自身離心力；另一部分為導電環(huán)與支撐板之間的摩擦力。根據(jù)導電環(huán)壓緊力對支撐板產(chǎn)生的徑向壓力(2.3節(jié)計算結(jié)果)、緊固螺栓預緊力、轉(zhuǎn)速和軸套過盈量等建立邊界條件，對轉(zhuǎn)軸軸向和支撐板軸向施加約束，采用有限元分析，其邊界條件詳見圖6，應(yīng)力分析結(jié)果見圖7。

圖6 計算結(jié)構(gòu)邊界條件

圖7 超速工況支撐板、軸套應(yīng)力分布

根據(jù)計算結(jié)果，支撐板最大應(yīng)力處109MPa，支撐板板材料屈服極限σs1為215MPa，安全系數(shù)1.97。軸套最大處應(yīng)力283MPa，采用高強度合金鋼，屈服極限σs1為355MPa，安全系數(shù)1.25。

3 結(jié)語

大功率高轉(zhuǎn)速無刷勵磁電機需要結(jié)構(gòu)強度大，可靠性高的旋轉(zhuǎn)整流盤，我公司研制的旋轉(zhuǎn)整流盤在結(jié)構(gòu)上完全滿足了用戶的要求。目前該型整流盤及電機在現(xiàn)場運行狀況良好，證明本文介紹的設(shè)計方法合理，對于同類整流盤的設(shè)計具有一定的參考價值和實用意義。

[1] 李幼倩，韓君強.現(xiàn)代新型無刷勵磁同步電動機的設(shè)計及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.1.

[2] 王世斌，亢一瀾.材料力學[M].北京：高等教育出版社，2008.1.

[3] 聞邦椿.機械設(shè)計手冊.北京：機械工業(yè)出版社，2010.1.

[4] 北京兆迪科技有限公司.ANSYS Workbench 14.0結(jié)構(gòu)分析快速入門、進階與精通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.

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

劉兆江 男 1973年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學電機與電器專業(yè)，碩士研究生，現(xiàn)從事電機設(shè)計開發(fā)工作.

2016-08-01