超高速同步电机转子J引线设计要点分析

曾　军

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海　200240)



超高速同步电机转子J引线设计要点分析

曾军

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海200240)

以西气东输项目20 MW超高速同步电机为例，综合运用有限元法以及疲劳理论，分析J引线额定工况下的应力分布情况以及低周疲劳寿命，并根据分析结果指导设计，以保证其安全运行。

超高速同步电机；J引线；焊接；低周疲劳寿命

0　引言

超高速同步电机中转子作为磁极提供旋转磁场，J引线作为转子中磁极绕组与外部励磁电流之间的连接纽带，是转子电路中的一个关键部位，保持有效导通对于电机运转至关重要。电机工作时由于转子离心力作用，使护环外胀，同时由于温度的上升，转子本体绕组也会发生热膨胀，这些将引起J引线的径向和轴向位移，而停机后随着离心力的消失和温度的下降，护环和转子铜导线收缩，这将使得J引线受到一定的交变载荷从而导致低周疲劳损伤。因此，为了避免J引线在期望服役寿命内发生疲劳破坏，有必要在设计制造阶段对J引线的抗疲劳破坏能力进行研究。以西气东输项目超高速同步电机为例，分析其J引线的设计要点。

1　电机的基本数据

额定转速：4 800 r/min调速范围：3 120～5 040 r/min

负载类型：压缩机转子结构：隐极式

极数：2极

2　结构设计及应力分析

2.1初步设计

参考小型汽轮发电机J引线结构，初设J引线如图1所示。该连接线由5层厚度为0.8 mm铜带组成。在连接线顶部的圆弧处，相邻铜带的间距为0.25 mm。

在ANSYS中建立J引线的有限元模型，分析中在模型上所施加的边界条件如图2所示。

图1　J引线外形尺寸

图2　J引线有限元模型

静止时引线所受外载为零。额定工作状态下J引线主要承受4 800 r/min的额定转速以及65.4 K的温升作用。各工况下J引线的载荷和边界条件如表1所示，分析中使用的材料属性列于表2中。

表1　各工况下J引线的载荷和边界条件

表2　J引线材料属性

各工况下J引线应力及变形结果如图3～6所示。从分析结果上可以看出，J引线的最大等效应力为331.931 MPa，最大第一主应力为310.96 MPa，最大应力产生于J引线上部R3圆弧处。这个位置在低周疲劳分析中需要重点考虑。

图3　静止时J引线等效应力图(MPa)

图4　额定转速下J引线变形图(mm)

图5　额定转速下J引线等效应力(MPa)

图6　额定转速下J引线第一主应力(MPa)

将ANSYS计算得到的应力结果导入到FE-SAFE中，并选择最大主应变算法。通过FE-SAFE疲劳分析软件对J引线进行寿命计算。分析得到的J引线疲劳寿命如图7所示。从图中可以看出，J引线的最小寿命为7 150次起停机，位于上部R3圆弧处。

图7　J引线低周疲劳寿命分布

在额定转速和静止循环工况下，FE-SAFE算出的J引线低周疲劳寿命约为7 150次起停，考虑3倍安全系数，则该电机的设计起停机不超过2 383次，远小于参考机型135 MW空冷汽轮发电机的J引线低周疲劳寿命38 310次起停机，不符合超高速电机旋转部件疲劳寿命高于10 000次的设计要求。

原因主要是因为该电机额定转速(4 800 r/min)大于汽轮发电机的额定转速(3 000 r/min)，额定工况下其J引线所受离心力要高于汽轮发电机(3 000 r/min)J引线所受离心力，从而降低疲劳寿命。为提高J引线疲劳寿命，需改善额定工况下J引线受力情况，可从两方面入手：J引线设计中采用大圆弧结构，避免出现R3处的小圆弧，以免引起应力集中；改进材料性能，采用机械强度及刚性更好的钢带与铜带结合的结构。

2.2改进后的设计

J引线还是由5层厚度为0.8 mm铜带组成，增加改进措施：

第一，采用大圆弧结构，其半径为R25.5；

第二，在J引线主体部分铜带上方及内圆弧处增加1.5 mm厚钢带，以增强整个J引线结构强度及刚度。

在J引线装配时，圆弧与直线过渡处采用带弧面的垫块及槽楔压住，使其紧贴J引线圆弧，保护J引线，见图8。在ANSYS中建立改进后的有限元模型，考虑到结构对称性，分析中只建立了装配体的一半模型并在对称面上施加对称约束，见图9。

图8　改进后J引线装配

图9　改进后J引线有限元模型

改进后J引线在4 800 r/min转速下的变形如图10所示。结果显示由于离心力和温升作用J引线的最大变形发生在圆弧段，此外J引线在出槽口处也产生了较大的变形。J引线在4 800 r/min转速下的等效应力如图11所示，各工况下J引线的应力结果见表3。

图10　4 800 r/min转速下J引线形变(mm)

图11　4 800 r/min下J引线等效应力 (MPa)

表3　各工况下J引线的应力结果

从表3结果可以看出， 3 120 r/min转速下J引线的应力仍处在弹性范围内，J引线未发生塑性变形。在4 800 r/min和5 040 r/min两种转速下J引线的应力已超过屈服强度，J引线内部将发生塑性变形。支撑钢板在各工况下的最大等效应力列于表4中。

表4　各工况下支撑钢板的应力结果

各转速下J引线低周疲劳寿命和各工况下J引线的疲劳分析结果见表5。

通过分析结果可以看出：J引线在各工况下疲劳寿命还是偏小，最小寿命位置位于近径向引线连接处。支撑钢板在4 800 r/min和5 040 r/min转速下钢板的应力已超过屈服，但通过疲劳计算得到支撑钢板最恶劣的0～5 040 r/min循环转速下的寿命能够达到79 268次，因此支撑钢板的强度可以满足设计要求。

为提高疲劳寿命，将支撑钢板加长以加强J引线在出槽口处的刚度或减小J引线在出槽口和径向引线之间的长度，可以减小J引线的塑性变形。现通过将J引线出槽口与径向引线之间的部分缩短5 mm，同时将钢板伸出出槽口，如图12所示。

表5　各工况下J引线的疲劳分析结果(考虑3倍安全系数)

图12　优化前后J引线在出槽口处的比较

优化后，J引线出槽口位置在5 040 r/min转速下的变形如图13所示。从图中可以看出，J引线的最大变形为0.56 mm，不到改进前的50%，说明支撑钢板起到了很好的支撑保护作用。

图13　优化后J引线在出槽口处的变形(mm)

优化后各转速下J引线的低周疲劳寿命见图14、15，优化前后J引线的疲劳寿命分析结果综合列于表6中。

图14　3 120～5 040 r/min转速下疲劳寿命

图15　0～5 040 r/min转速下疲劳寿命

循环转速/(r·min-1)优化前优化后计算寿命最小寿命位置计算寿命最小寿命位置3120～50405104近径向引线连接处37076转子线圈焊接处0～48003337近径向引线连接处25695转子线圈焊接处0～50402518近径向引线连接处23648转子线圈焊接处

从计算结果可以看出优化后， J引线的疲劳寿命有明显地提高， 可以满足设计使用寿命要求。

3　结语

在J引线的设计阶段，通过先进的分析手段对结构进行受力及疲劳分析，指导设计改进并优化结构尺寸，使其达到设计标准要求及符合使用要求；现代同步电机往大容量高转速方向发展，其转子结构设计必将成为整个电机设计中最关键环节，该项目J引线的设计过程及分析手段也为以后同类型产品的开发累积非常宝贵的经验。