两极铜排转子电动机结构及分析

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(泰豪沈阳电机股份有限公司，辽宁沈阳 110142)

两极铜排转子电动机结构及分析

王晓帆，高沛，富永俊

(泰豪沈阳电机股份有限公司，辽宁沈阳 110142)

重点介绍了两极铜排转子电动机转轴强度，转子导条、护环和端环的协同保障结构，以及转子轴流风扇的通风结构，通过机械计算和建立模型对主要部件的强度进行有限元分析，对结构进一步优化。

铜排转子；协同保障结构；有限元分析

0 引言

在电厂、钢铁厂、油田等企业中，作为拖动风机、水泵等机械所使用的高速高效异步电机数量比较多，随着国家对高效电气设备的重视和机组单机容量的增加，对于高效高速电机的容量需求也不断增加。大功率高效高速电动机由于其转速高，旋转半径大，转子各部件所受离心力很大，转轴、转子铜排、端环、护环和转子冲片都可能成为薄弱点，在以往的设计中经常可能出现振动速度超标，导条断裂的情况。此外两极高速电机通风系统的建立对电机的效率和冷却效果有很大的影响，空气动力噪声过大也是电机厂亟需解决的问题之一。该设计分析利用数据计算和仿真模拟分析，在设计之初直接就可以优化设计并预测强度，保证产品在结构最优最省材料的情况下，提高整体强度，降低有害振动和噪声，使电机的安全运行系数大大提升，提高产品的综合质量。本文主要介绍了如何优化设计，分析两极铜排转子电动机的转子结构关键部分以及试验结构的验证。

1 对转轴的强度分析

转轴参数示意图见图1。

图1转轴参数示意图

1.1 临界转速与挠度的分析

转子重量1350kg；两支承内轴的重量1069kg；轴上有其他的重量0kg；有效铁心长度68.9cm；转子外径59.9cm；单边气隙0.55cm；气隙磁密7636T(1GS=10-4T)；轴的弹性模量E=2.1×106。

a→b轴段

第i端轴的轴径

di=16，18.5，19，21，22，26.5，34(cm)

第i端轴的惯性矩

a到i段的距离

xi=8.3，27.8，41.5，49.5，58，89，126.5(cm)

c→b轴段

第i端轴的轴径

di=16，18.5，19，21，22，26.5，34(cm)

第i端轴的惯性矩

a到i段的距离

xi=8.3，27.8，45.5，53.5，62，93，130.5(cm)

1.1.2 轴在b点的柔度

=5.47×10-6(cm/kg)

1.1.3 磁拉力的刚度

1.1.4 初始单边磁拉力

P0=K0e0=453.6(kg)

式中,e0—额定偏心值，一般e0≈0.1δ(mm)

1.1.5 由重量G1引起b点的挠度

1.1.6 单边磁拉力引起轴在b点的挠度

1.1.7 轴在b点的总挠度

f=f1+f2=0.01536(cm)

占气隙百分比

根据西屋公司计算以及试验数据，占气隙百分数需小于4% 。

1.1.8 临界转速(考虑单边磁拉力影响在内)

一次临界转速的允许值

nkp≥1.3nNr/min(变速电机时nN为允许运行的最高转速)

nkp≤0.8nNr/min(变速电机时nN为允许运行的最低转速)

1.2 转轴强度的仿真分析

对转轴建立模型，将转子铁心产生的重力作用在转轴上，分别对转轴在静止状态和额定转速的状态下进行仿真分析，得出的应力及形变如图2、图3、图4、图5。

图2静止状态下转轴的应力情况

图3静止状态下转轴的形变情况

图4额定转速状态下转轴的应力情况

图5额定转速状态下转轴的形变情况

经过对转轴不同状态下的应力及形变分析，可以看出采用42CrMo材料的锻造转轴可以满足工况下的应力要求，而转轴的形变也不会对电机的安全运行产生不利影响。

2 对转子铜排、端环和护环协同关系的分析

为保证两极铜排转子电动机铜排、端环和护环结构的合理性，我们对该结构进行了大量的有限元计算分析，以便找出更合理的保护结构，使电动机整体运行更加安全稳定。针对主要变量护环与端环的过盈量和护环伸出端环长度进行调整，分别对形变和应力进行分析。见图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13，首先将导条根部设置一个R10的圆角。

图6大过盈量下护环伸出端环10mm的形变情况

图7大过盈量下护环伸出端环10mm的应力情况

通过分析可以看出在大过盈量的情况下，形变和应力的分配并不是很均匀，局部出现应力集中，在实际生产过程中护环可能出现偏心的情况，那么偏心点将会承受巨大的应力，以此尝试分析小过盈的情况。

图8小过盈量下护环伸出端环10mm的形变情况

图9小过盈量下护环伸出端环10mm的应力情况

根据以往试验结果，导条根部的大R角相比斜拉结构一般应力情况较差，改变变量R角为R=2mm，进行仿真分析。

图10小过盈量下护环伸出端环10mm的形变情况(R=2)

图11小过盈量下护环伸出端环10mm的应力情况(R=2)

根据分析结果可以看出，在导条根部应力较大，综合考虑取消伸出端环10mm的长度，将护环外延和端环对齐，得出以下分析结果。

图12小过盈量下护环对齐端环的形变情况(R=2)

图13小过盈量下护环对齐端环的应力情况(R=2)

分析结果显示，剪切应力和有害形变分配平均，各部件强度应能满足结构需求，有效规避了两极铜排电动机转子在高速运转时产生的有害形变，保证了电机不会产生振速和振幅超标的现象，能够满足机组长期安全稳定运行的需要。

3 对转子轴流风扇的分析

两极铜排大功率转子外径较大，转速达到3000r/min，转子上的轴流风扇对电机的综合性能有很大影响。设计过大会造成电机风路分配不合理，空气动力噪声增大，机械损耗增大，浪费能源。设计过小也会造成电机温升高，影响电机绝缘寿命，根据此种情况进行仿真分析，分析情况见表1。风扇仿真模拟分析图见图14。

表1 风扇仿真分析结果对比

图14风扇仿真模拟分析图

最终采用根部斜角为30°，顶部斜角为20°，在此种情况下风扇效率最大，设计最为合理。

4 结语

两极铜排转子电动机的设计充分考虑了负载运行的特点，在安全可靠性方面进行了大量的电气、机械计算及研究分析，特别是转子铜排、端环和护环的协同配合结构的应用，充分考虑了各主要受力部分的特性，反复优化设计，结合有限元分析计算，优化了过盈量和护环结构，保证主要结构部件在最安全稳定的受力范围内，使得整体运行性能得到更大的提升，样机在型式试验中最大振速在1.3mm/s以下，证明了该结构可以满足负载长期安全可靠运行的需要。

两极大功率铜排转子电动机是我公司自主设计的大型电动机，为今后设计制造更大功率和转速的铜排转子电动机提供了重要的实践经验。

[1] GB 755—2008 旋转电机 定额和性能.

[2] GB 10068 轴中心高为560mm及以上电机的机械振动 振动的测量、评定及限值.

[3] GB/T 4772.2旋转电机尺寸和输出功率等级 第2部分：机座号355～1000和凸缘号1180～2360.

[4] 杨万青，陈兴卫. 电机实用设计技术. 北京：机械工业出版社，2014.

[5] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

StructureandAnalysisof2-PoleMotorwithCopperBarRotor

WangXiaofan,GaoPei,andFuYongjun

(Tellhow Shenyang Electric Machine Co.,Ltd.,Shenyang 110142, China)

This paper chiefly introduces the shaft strength, the collaborative guarantee structure of rotor bar, retaining ring and end ring, and the ventilation structure of axial flow fan of 2-pole motor with copper bar rotor. Through mechanical calculation and modeling, the strength of main components is analyzed by finite-element method, and the structure is further optimized.

Copper bar rotor；collaborative guarantee structure；finite-element analysis

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2017.05.06

TM303.5

B

1008-7281(2017)05-0019-004

王晓帆男1988年生；毕业于沈阳工程学院电气工程及其自动化专业，现从事电机设计工作.

2017-04-20