大直径空心轴转子结构设计及机械强度计算-图文

２００５．Ｎｏ．１大直径空心轴转子结构设计及机械强度计算大直径空心轴转子结构设计及机械强度计算陈明镜谢宝昌上海交通大学摘要：针对大直径高转矩电机制造难度大且造价高的问题，本文介绍了用于钢铁厂轧机的大型电机空心轴转子结构设计和机械强度计算。与同功率实心轴转子相比较，结果显示空心轴具有明显的优越性。关键词：电机大型空心轴机械强度计算结构设计１．前言随着电机的单机容量及整机尺寸越来越大，但受电机制造工艺及装备的影响，较多地采用双电枢或双电机串联传动方式。这种结构方式由于存在电磁及负荷不平衡乃至不同步，且联接结构复杂、轴系较长、占地面积大、使用维护工作量增加，因而总体投资及后续费用与单电机相比也不经济合理。因此迫切需要直接传动的低速大直径、短铁心结构电动机，避免大直径高速电机加齿轮箱减速的方案，以减少电机的传动损耗和占地面积，还可以减少整个设备的成本和维护费用，提高运转的可靠性。对大直径、大转矩的电动机来说，电机制造难度、造价的增加主要还在于转子轴及转子支架。因为转轴要锻造、轴径要粗，还要有充分的冷却，转子铁心压装要求高，加工困难。因此如何改进电机的结构，特别是改进电机转子、转子轴的结构已成为电机行业的一大课题。上海电机厂于二十世纪六十年代末就对转子空心轴的结构在大型直流电机上的应用进行攻关研究，最近为国内钢铁厂热轧工程轧机生产的大型直流电机（ＺＤ３１５／１３４，４１００ｋＷ）上采用了国内外罕见的空心轴结构，获得了较为良好的制造和使用效果。本文就此结合直流电机空心轴转子制造实例对空心轴结构和机械强度设计计算进行探讨。２．电机的基本技术参数为了便于比较给出了两种型号大型直流电机ＺＤ３１５／１３４和ＺＤ３１５／１４２的基本技术参数，其中括号中的数据为型号ＺＤ３１５／１４２的参数；转子轴空心轴（实心轴）结构（如图１和２所示），额定功率４１００ｋｗ（５７５０ｋＷ），额定电压７５０Ｖ（１０００Ｖ）；基速４０ｒ／ｍｉｎ，基速及以下恒转矩调压调速，２．５倍额定电流过载，２．７５倍额定电流切断；高速８０ｒ／ｍｉｎ，基速至高速恒功率弱磁调速，１．８倍额定电流过载，２倍额定电流切断；他励３００Ｖ（１００Ｖ），绝缘等级为Ｆ级绝缘和Ｂ级温升考核，ｓ１工作制连续运行；总重量１３３３００ｋｇ（２１１０００ｋｇ），转子单件重量６１２２０ｋｇ（８９６００ｋｇ），转子直径口３１５０ｍｍ，转子铁心长度１３４０ｍｍ（１４２０ｍｍ），转子总长度６７８５ｍｍ（７４００ｍｍ）。中空轴部分图１电机转子轴的空心轴结构图２电机转子轴的实心轴结构由上述数据可看出，电机转子直径相同，总长及铁心本体长度相差不大（约６％），转子单件重相差２８３８０ｋｇ，空心轴与实心轴相比轻达３１．７％，因此采用空心轴结构即使不计其性能改善，仅节约材料及－－－——９・－－——万方数据上海大中型电机轴承承重性能改善也是很显著的。３．空心轴结构转子制造特点转子空心轴结构大致可分为二种：一是空心轴中间圆筒制成后，两端配法兰连接，然后用螺栓和圆柱销将两端实心轴配合紧固成一体，国外也有采用螺栓和圆柱销合二为一的锥形超级把合螺栓紧固的，这种空心轴结构简称为“组合式空心轴”（见图３和４）。图３组合式空心轴图４螺栓、销钉连接另一种转子空心轴结构是将空心轴的中间空心圆筒制成后直接和两端实心轴相焊接，这种空心轴结构称为“全焊接空心轴”。这种结构与组合式空心轴相比，结构较为简单，其中间空心轴部分其实就是一个空心薄壁圆筒，设计时只须在两侧加工好焊接用的坡口即可，但对焊接的技术要求很高。现代大型电机的制造均要求转子采用绝缘性能优越、能提高绝缘强度和机械强度、减小吊装、浸漆吨位及尺寸的真空压力整体浸漆工艺。上海电机厂拥有目前亚洲最大的０４８００ｍｍ真空压力整体浸漆罐，但该罐及其附属设备也只能浸漆５０吨以下，单体总长不超过５２００ｍｍ的电机转子。而ＺＤ３１５／１３４４１００ｋＷ电机若设计采用实心轴的话，其转子总重量将达８０吨，总长为６７８５ｒｒａｎ，为此只能采用空心轴结构。全焊接空心轴因为在浸漆前就已将两端的两段实心轴部分联接在一起，因此加大了转子浸漆的吨位及整体长一１０一度，该电机的制造只能采用组合式空心轴结构。组合式空心轴选用材料方便，容易找到两种焊接性能差别不大的材料来做空－１、５＇轴圆筒和空心轴法兰盘，且焊接时占地空间、面积小，对设备的要求不是很高。但是组合式空心轴结构要比全焊接空心轴结构多一次两侧实心轴的装、拆轴工艺。这种结构必须要有大量的高强度螺栓、圆柱销等配合连接零件，且金加工工序多、周期长、精度高、技术难度大，同时要严格控制转子轴系加工、连接及装配产生的误差。空心轴的中间部分圆筒加工由于大型滚圆机的应用变得非常简单，且只须根据机械强度和电机制造工艺的要求，选用一定厚度、规格、品种的厚钢板滚圆成一定的直径并焊接拼缝即可。这种结构的空心轴，与同直径的实心轴相比，飞轮转矩小，结构牢固和强度好，承受重负荷能力强。根据ＺＤ３１５／１３４，４１００ｋＷ，４０／８０ｒ／ｍｉｎ电机的实际工况，最终确定电机空心轴的本体是由三段两种不同材料组成，其中中间圆筒部分由９０ｍｍ厚的Ｑ２３５一Ａ普通厚钢板滚圆成内径为巧１７４０ｍｍ的圆筒。要求滚圆后圆度控制在２ｍｍ左右，否则将会影响到转子的动、静平衡校正及圆筒上的焊接和加工。而与空心轴圆筒相配的两端法兰材料则采用１６Ｍｎ优质合金锻钢。这种材料经过调质及回火处理，机械强度高，焊接性能好，便于与圆筒部分的焊接。以上三段材料分别经过端部坡口、定位止口加工后，采用自动埋弧焊的工艺焊接，焊接时的工艺流程同全焊接空心轴相类似。但由于两端法兰是平底圆盘结构且轴向尺寸较短，因此其对加热、旋转等所需设备要求相对较低，但焊接时同样要求保持工件加热、旋转。焊接结束后，还须经多次焊缝探伤检查，证实焊接良好，无砂孔、夹杂或虚焊。由于空心轴结构是一种大直径的薄壳圆筒结构，因此它与转子支架的配合就不宜采用热套过盈配合的结构。根据转子支架上需叠压的转子扇形冲片的结构，采用了在空心轴圆筒上焊接１５件“板凳”式支架筋的方式。且这些“板凳”式支架筋均是预先采用自动埋弧焊的方式焊接成形后再采用自动埋弧焊焊接到空心轴圆筒本体上去的（见图５和６）。１５件“板凳”式支架筋之间焊接有立筋，且在换向器端一侧焊接有一块整圆幅板，以使１５根支架筋相互连万方数据２００５．Ｎｏ．１大直径空心轴转子结构设计及机械强度计算成一体，增强结构强度。幅板的结构设计又起到根据电机总体设计需要在电机支架间挡风及调配风量、调节风路的作用。架筋图６Ｊ卜Ａ剖面图４．空心轴的机械强度计算电机结构设计优劣不仅体现电机结构美观、工艺流程合理、电磁数据正确配置，而且通过分析主要部件的受力情况和强度计算进行科学地定型和选材。下面对电机空心轴的结构强度进行分析计算。１．空心轴圆筒的受力计算根据图５和６电机的空心轴结构，且空心轴圆筒的两侧均焊接有两段法兰圆筒，因此该空心轴圆筒的受力状况可看作是一个圆环受对称集中扭矩的作用，见图７和８。图７电机转子的力矩图掺呜画图８空心轴圆筒的受力示意图表１给出了机械强度设计计算结果。从表中不难发现，对于同一材质的轴而言，断面系数可说明同样外形尺寸的电机，若设计成空心轴结构可用于传递２～４倍或更大的力矩。或换句话来说，空心轴材料选用的强度可大大低于实心轴材料。在某些特殊场合，电机实心轴通常须采用合金钢锻造，而空心轴则选用普遍钢板制作，可降低成本。表１ＺＤ３１５／１３４、４１００ｋＷ电机转子强度计算参数及结果比较项目空心轴实心轴项目空心轴实心轴电枢总重量６１２２０ｋｇ７０７２０ｋｇ空心轴内径１７４ｅｍ０ｃｍ电枢重量４０４３０ｋｇ（不包括两端实心轴及换向器）单边磁拉力１４４００ｋｇ（考虑最大偏心６％）换向器重量４１００ｋｇ轴中心点挠度０．０１０４ｃｍ０．０４０９ＣｔｑＯ．轴体重量２７２８０ｋｇ转轴的临界转速３３１０ｒ／ｒａｉｎ１５１３ｒ／ｍｉｎ非传动端３８８ｋＮ有效铁心长度１１７ｅｒａ１１７ｅｒａ轴承支撑力传动端３５３ｋＮ空心圆筒长度１７３ｃｍ总集中扭矩２９４０ｋＮｍ非传动端５５１ｋＮｍ主极气隙长度０．７ｅｒａ结合处弯矩传动端５１７ｋＮｍ气隙磁通密度１．０３１７丁断面系数０．１９９ｍ３０．０９８２ｍ３转子外径３１５ｅｍ圆筒扭矩４６１ｋＮｍ电机额定基速４０ｒ／ｍｉｎ圆筒弯矩９８ｋＮｍ电机额定高速８０ｒ／ｍｉｎ合成应力１１５５０ｋＮ／ｍ２转轴外径１９０ｅｍ１００ｃｍ扭转角３．４１ｅ一３度万方数据上海大中型电机从转子总的挠度对比结果看，空心轴结构整个轴总的挠度只有０．１０４ｍｍ，仅占主极气隙长度的１．４９％，几乎可以忽略不计。实心轴由于电枢重量太重，导致轴的挠度０．４０９ｍｍ已接近或达到国家标准所容许的最高限度６％，在实际操作中已无法很好的加以控制。从临界转速来看，空心轴的临界转速是实心轴的一倍多，更能适用于很高的转速。若不考虑电机所用的换向器、换向火花的话，则空心轴转子所能应用的转速范围是极广的。随着电机容量的放大，交一交变频同步电机或异步电机取代大直流电机，空心轴结构也能在交流电机中应用。由于交流电机没有换向器，因此更适合于采用空心轴的结构。在最大偏心气隙６％的假设下，单边磁拉力相同，空心轴转子完全能满足机械强度的要求，而且无论从断面系数、总挠度和临界转速还是节省材料来看空心轴比实心轴结构具有很大的优越陛。２螺钉及销钉的受力计算根据空心轴的结构特点，对全焊接空心轴来说，主要计算空心轴与两端实心轴的焊接工艺和强度计算，而对组合式空心轴而言，除了空心轴的中间圆筒与法兰盘焊接外，还要考虑螺钉、销钉连接的强度问题。若螺钉、销钉的强度不够，就可能会产生螺钉、销钉破碎飞出并落入电机内部。由于电机内部均是带电绝缘绕组或裸落铜排，金属杂物的进入极易导致绕组的短路乃至放炮烧毁。根据图４只要计算螺钉承受弯矩和圆柱销钉承受的剪切应力。考虑到设计制造时两端实心轴与空心轴法兰盘配合面直径ｅｌｌ５０处有１２ｍｍ的止口。进行整体设计布置时，在直径０１２５０ｍｍ的圆周上，每个结合面处各均匀分布有３５＃钢制成的２４只Ｍ３６×１６０镀锌钢六角螺栓。通常圆柱销钉都是采用轴向打人且所受的剪切力全部落在圆形截面上。由于电机所传递的较矩较大，因此所用销钉的直径也较大。若用这种轴向打人的销子，由于已有２４只Ｍ３６的螺钉圆周布置，再分布销钉空间就显得较为紧张。为此采用直径小、长度长且纵向矩形截面受力的圆柱销钉，在空心轴法兰与实心轴结合面处径向打人圆柱销钉。根据设计计算结果传动端侧共有２４只Ｍ５×１００的圆柱销钉，非传动端侧共有８只Ｍ５×１００的圆柱销钉。５结论本文介绍了用于大直径转子电机的空心轴结构及强度计算。大型直流电机的传动轴采用空心轴结构，不仅机械强度好，结构刚度高，而且重量轻，实心轴分段锻造成本低，比整体实心轴结构更有优越性。众所周知，同步电机转子是凸极式结构，空心轴结构直径大，适于人进入空腔内操作紧固同步电机磁极螺钉，因此同步电机更加适合于空心轴结构的应用。以合作制造的交流３３００Ｖ，额定功率７５００ｋＷ，转速４０～８０ｒ／ｍｉｎ，ＳＦＳ—ＥＣ７５００—１６交直交同步调速电机为例，该电机的转子直径尽管只有谚３０３０ｍｍ，但组合式空心轴结构的空心轴圆筒内径尺寸却达到０２１９０ｍｍ，电机总重达２４０吨。据测算，若该电机设计采用实心轴结构的话，电机总重量要达到２９９吨，比空心轴电机重２５％。与直流电机转子直径邸１５０ｍｍ，空心轴圆筒内径巧１７４０ｍｍ相比显得更为优越。因此，随着电机技术及电机传动控制技术的发展，交流和直流电机单机容量和转子尺寸不断增大，空心轴结构必将会得到更加广泛的应用。参考文献［１］陈明镜．空心轴结构在大型直流电机中的应用．上电科技情报，１９９９，（３）［２］陈明镜．（１９６３），男，上海交通大学硕士研究生，主要研究直流电机结构．运行控制和制造工艺等・信息点滴・德２００４年新装太阳能发电设备容量世界第一据德国太阳能业联合会公布的最新数据，德国２００４年新装置的太阳能发电设备容量首次超过日本，居世界第一位。去年，德国共装配１０万台新的太阳能设备，合一１２一计容量３００亿瓦，高于日本的２８０亿瓦和美国的９０亿瓦。德国去年太阳能业的总产值达到２０亿欧元，比前年增长６０％。该联合会主席预测，从长期看，全球市场的太阳能产业规模将超过１０