CN101577465A - 大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种验证空心轴转子比整体实心轴转子结构更有优越性的大型直流电机电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，包括下列步骤：设定空心轴转子及实心轴转子上有关相同的参数步骤；分别测量空心轴转子及实心轴转子的结构参数步骤；计算步骤，包括分别计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度、由换向器重量产生的挠度及由单边磁拉力产生的挠度，并计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度、该总挠度占主极气隙的百分比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速；比较步骤，包括对空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处总挠度占主极气隙的百分比之间的对比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速之间的对比。

Description

大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法

技术领域

本发明涉及一种大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法。

背景技术

当前国内外各电机制造厂对大直径、大转矩的特大型电机均有采用空心轴转子结构的趋势。因为采用实心轴的转子重量大，转轴挠度大，因而转子的刚度不好，对电机的运行及轴承的冲击是不利的；且一般采用含镍、钼的特殊钢，成本大；在电机的嵌线、真空压力浸漆的过程中，实心轴转子由于其重量或尺寸可能会超出加工机床、浸漆罐的限值，因此设计时常常会将转子轴设计在嵌线、浸漆、车校全部结束后才进行套轴。而空心轴有三段轴构成，其中中间段为空心轴，空心轴两端连接的为实心轴，中间段的空心轴采用厚钢板滚圆焊接，因此具有重量轻、浸漆前可拆卸、结构强度好等特点和使用优越性，并且由于重量轻、成本低，可大大提高电机的市场竞争力。电机结构设计的好坏，除体现电机结构的美观、加工工艺流程的合理、电磁数据的正确配置外，还须正确地分析主要部件的受力情况和强度计算。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，它可以验证空心轴转子不仅机械强度好、结构刚度高，而且重量轻、分段锻造成本低、比整体实心轴转子结构更有优越性。

实现上述目的的技术方案是：一种大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，所述空心轴为分段锻造的三段式结构，它的中间段为中空轴，其余两段为连接在中空轴两端且直径小于中空轴直径的实心轴，所述实心轴为整体锻造且中部直径大于两头直径的整体实心轴，所述比较方法包括下列步骤：

设定空心轴转子及实心轴转子上有关相同的参数步骤，包括设定有效铁心长度、主极气隙、气隙磁通密度、转子外径、电机额定基速及电机额定高速；

分别测量空心轴转子及实心轴转子的结构参数步骤，包括电枢总重量、电枢重量、换向器重量及实心轴的重量；

计算步骤，包括分别计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度、由换向器重量产生的挠度及由单边磁拉力产生的挠度，并计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度、该总挠度占主极气隙的百分比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速；

比较步骤，包括对空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处总挠度占主极气隙的百分比之间的对比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速之间的对比。

上述的大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，其中，

所述空心轴转子的电枢重量包括中空轴的重量，不包括中空轴两端实心轴及换向器的重量；

所述实心轴转子的电枢重量不包括实心轴及换向器的重量。

上述的大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，其中，所述空心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度f₁通过计算式计算，该计算式为：f₁＝G₁α_bb；

所述空心轴转子上电枢中心点处由换向器重量产生的挠度f₂通过计算式计算，该计算式为：

所述空心轴转子上电枢中心点处由单边磁拉力产生的挠度f₃通过计算式计算，该计算式为： $f_3=\frac{f_0}{1-m},$

式中 $f_0=f_1\×\frac{p_0}{G_1},$ P₀＝K₀e₀， $K_0=\frac{{3D}_{a}L}{\mathrm{\δ}}{\left(\frac{B_{\mathrm{\δ}}}{7000}\right)}^2,$ e₀＝0.06δ， $m=\frac{f_0}{e_0};$

所述实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度f′₁通过计算式计算，该计算式为： $f_1^{\′}=(1+\frac{2}{3}\×\frac{Q}{G_1^{\′}+G_2})G_1^{\′}{a}_{\mathrm{bb}}^{\′};$

所述实心轴转子上电枢中心点处由换向器重量产生的挠度f′₂通过计算式计算，该计算式为：

所述实心轴转子上电枢中心点处由单边磁拉力产生的挠度f′₃通过计算式计算，该计算式为： $f_3^{\′}=\frac{f_0^{\′}}{1-m^{\′}};$

所述空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度f、f′通过计算式计算，该计算式为：f＝f₁+f₂+f₃，f′＝f′₁+f′₂+f′₃；

所述空心轴转子及实心轴转子的临界转速n_kp通过计算式计算，该计算式为：

$n_{\mathrm{kp}}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1+f_2}}$

$n_{\mathrm{kp}}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1^{\′}+f_2^{\′}}}$

上述各计算式中，α_bb为轴在电枢中心点处的柔度系数，

为挠度系数，e₀为气隙的额定偏心值，K₀为磁拉力刚度，P₀为初始单边磁拉力，f₀为与初始单边磁拉力P₀成比例的转轴挠度，Da为转子外径，B_δ为气隙磁通密度，L为有效铁心长度，δ为主极气隙，G₁为电枢重量，G₂为换向器重量，Q为实心轴重量。

由于采用了本发明的大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法的技术方案，验证了在大型直流电机采用空心轴转子不仅机械强度好，结构刚度高，而且重量轻，分段锻造成本低，比整体实心轴转子结构更有优越性。因此，空心轴转子结构应在大型直流电机中得到广泛的推广应用。

附图说明

图1大型直流电机空心轴转子的结构示意图；

图2为图1中空心轴转子的结构简化示意图；

图3大型直流电机实心轴转子的结构示意图；

图4为图3中实心轴转子的结构简化示意图；

图5为确定因换向器重力而产生的轴上的挠度的系数

的曲线图。

具体实施方式

为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体的实施例并结合附图进行详细地说明：

请参阅图1和图3，大型直流电机空心轴转子上包括空心轴1、转子铁心2及换向器3，空心轴1为分段锻造的三段式结构，它的中间段10为中空轴，其余两段11、12为连接在中空轴两端且直径小于中空轴直径的实心轴。型直流电机空心轴转子上包括空心轴1’、转子铁心2’及换向器3’，实心轴1’为整体锻造且中部直径大于两头直径的整体实心轴。

本发明的大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，包括下列步骤：

设定空心轴转子及实心轴转子上有关相同的参数步骤，包括设定有效铁心长度、主极气隙、气隙磁通密度、转子外径、电机额定基速及电机额定高速；

分别测量空心轴转子及实心轴转子的结构参数步骤，包括电枢总重量、电枢重量、换向器重量及实心轴的重量，其中，空心轴转子的电枢重量包括中空轴的重量，不包括中空轴两端实心轴及换向器的重量，实心轴转子的电枢重量不包括实心轴及换向器的重量；

计算步骤，包括分别计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度、由换向器重量产生的挠度及由单边磁拉力产生的挠度，并计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度、该总挠度占主极气隙的百分比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速；

所述空心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度f₁通过计算式计算，该计算式为：f₁＝G₁α_bb；

所述空心轴转子上电枢中心点处由换向器重量产生的挠度f₂通过计算式计算，该计算式为：

所述空心轴转子上电枢中心点处由单边磁拉力产生的挠度f₃通过计算式计算，该计算式为： $f_3=\frac{f_0}{1-m},$ 式中 $f_0=f_1\×\frac{p_0}{G_1},$ P₀＝K₀e₀， $K_0=\frac{{3D}_{a}L}{\mathrm{\δ}}{\left(\frac{B_{\mathrm{\δ}}}{7000}\right)}^2,$ e₀＝0.06δ， $m=\frac{f_0}{e_0};$

所述实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度f′₁通过计算式计算，该计算式为： $f_1^{\′}=(1+\frac{2}{3}\×\frac{Q}{G_1^{\′}+G_2})G_1^{\′}\×{\mathrm{\α}}_{\mathrm{bb}}^{\′};$

所述实心轴转子上电枢中心点处由换向器重量产生的挠度f′₂通过计算式计算，该计算式为：

所述实心轴转子上电枢中心点处由单边磁拉力产生的挠度f′₃通过计算式计算，该计算式为： $f_3^{\′}=\frac{f_0^{\′}}{1-m^{\′}};$

所述空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度f、f′通过计算式计算，该计算式为：f＝f₁+f₂+f₃，f′＝f′₁+f′₂+f′₃；

所述空心轴转子及实心轴转子的临界转速n_kp′通过计算式计算，该计算式为：

$n_{\mathrm{kp}}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1+f_2}}$

${n_{\mathrm{kp}}}^{\′}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1^{\′}+f_2^{\′}}}$

上述各计算式中，α_bb为轴在电枢中心点处的柔度系数，

为挠度系数，e₀为气隙的额定偏心值，K₀为磁拉力刚度，P₀为初始单边磁拉力，f₀为与初始单边磁拉力P₀成比例的转轴挠度，Da为转子外径，B_δ为气隙磁通密度，L为有效铁心长度，δ为主极气隙，G₁、G₂分别为空心轴的电枢重量和换向器重量，Q为实心轴重量，G₁’、G₂’分别为实心轴的电枢重量和换向器重量。

比较步骤，包括对空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处总挠度占主极气隙的百分比之间的对比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速之间的对比。

再请参阅图2和图4，在一个实施例中，设定5500kW直流电动机上采用的空心轴转子和实心轴转子上有关相同的参数：有效铁心长L＝1430mm，主极气隙δ＝10mm，气隙磁通密度B_δ＝0.95T，转子外径Da＝3150mm，电机额定基速n_N＝40r/min，电机额定高速n_M＝80r/min；

设定空心轴转子和实心轴转子上b点为电枢中心点，a、c两点为两轴承支承中心点。测量空心轴转子的结构参数：电枢总重量G＝75380kg，电枢重量G₁＝48825kg(包括中空轴部分，不包括两端实心轴及换向器)，换向器重量G₂＝3380+X＝4505kg(X为部分轴重)；测量实心轴转子的结构参数：电枢总重量G’＝85000kg，电枢重量G₁’＝47410kg(不包括实心轴及换向器)，换向器重量G₂’＝3480kg，实心轴重量Q＝34110kg。

(1)计算空心轴的有关数据如下表：

其中：D_i--第I段轴直径

J_i--第I段轴的惯性矩 $(J=\frac{{\mathrm{\πd}}^4}{64})$

X_i--第I段到支承点的距离

计算空心轴转子在b点的柔度系数：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{bb}}=\frac{1}{{3\mathrm{El}}^2}(l_2^2{K}_{\mathrm{ab}}+l_1^2{K}_{\mathrm{cb}})=1.185\×{10}^{-6}N/\mathrm{mm}$

磁拉力刚度：

$K_0=\frac{{3D}_{a}L}{\mathrm{\δ}}{\left(\frac{B_{\mathrm{\δ}}}{7000}\right)}^2=2.842\×{10}^{6}N/\mathrm{mm}$

初始单边磁拉力：

P₀＝K₀e₀＝1705043N

(对直流电机，气隙的额定偏心值e₀＝0.06δ＝0.6mm)

由电枢重G₁引起b点的挠度：

f₁＝G₁α_bb＝40430×0.175×10^-6＝0.071mm

由换向器重力G₂而产生的挠度：

上述公式中可由 $y=\frac{2790}{5465}=0.511$ $Z=\frac{1604}{5465}=0.294$ 在

曲线上查得，曲线见图5(摘自“大型电机机械计算公式电指(DZ)24-63”)

与初始单边磁拉力P₀成比例的转轴挠度：

$f_0=f_1\×\frac{p_0}{G_1}=0.02595\mathrm{mm}$

$m=\frac{f_0}{e_0}=0.04325$

单边磁拉力产生的挠度：

$f_3=\frac{f_0}{1-m}=0.027\mathrm{mm}$

轴在b点处总的挠度：

f＝f₁+f₂+f₃＝0.104mm

挠度占主极气隙的百分比：

$\frac{f}{\mathrm{\δ}}=1.04\%$

$n_{\mathrm{kp}}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1+f_2}}=3344r/\min$

转轴的临界转速(已考虑单边磁拉力的影响)：

(2)计算实心轴的有关数据如下表：

其中：D_i--第I段轴直径

J_i--第I段轴的惯性矩 $(J=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{64})$

X_i--第I段到支承点的距离

计算实心轴转子在b点的柔度系数：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{bb}}^{\′}=\frac{1}{3E{l}^2}\×(l_2^2{K}_{\mathrm{ab}}^{\′}+l_1^2{K}_{\mathrm{cb}}^{\′})=4.314\×{10}^{-6}\mathrm{mm}/N$

由电枢重G₁′引起b点的挠度： $f_1^{\′}=(1+\frac{2}{3}\×\frac{Q}{G_1^{\′}+G_2})G_1^{\′}\×{\mathrm{\α}}_{\mathrm{bb}}^{\′}=0.284\mathrm{mm}$

由换向器重力G₂’而产生的挠度：

与初始单边磁拉力P₀成比例的转轴挠度：

$f_0^{\′}=f_1^{\′}\×\frac{p_0}{G_1^{\′}}=0.1064\mathrm{cm}$

$m^{\′}=\frac{f_0^{\′}}{e_0}=0.1774$

单边磁拉力产生的挠度： $f_3^{\′}=\frac{f_0^{\′}}{1-m^{\′}}=0.129\mathrm{mm}$

轴在b点处总的挠度：f′＝f′₁+f′₂+f′₃＝0.434mm

挠度占主极气隙的百分比： $\frac{f^{\′}}{\mathrm{\δ}}=4.34\%$

转轴的临界转速(已考虑单边磁拉力的影响)：

${n_{\mathrm{kp}}}^{\′}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1^{\′}{+f}_2^{\′}}}=1558r/\min$

(3)从计算结果看，实心轴转子用于大直径电机时，由于电枢重量太重，导致轴的挠度0.434mm已接近国家标准所容许的最高限度，在实际操作中已无法很好的加以控制。轴所容许的临界转速均很大，但由于大直径电机一般均用于低速场合，因此轴的临界转速根本不需考虑，主要考虑的就是轴的挠度。因此，从上述空心轴、实心轴挠度上的区别就明显可以看出空心轴的结构要比实心轴结构优越。

从空心轴转子、实心轴转子的对比结果看，空心轴转子结构整个轴总的挠度只有0.1mm，仅占主极气隙的1.04％，几乎可以忽略不计，而实心轴转子的挠度占主极气隙则要达到4.34％，接近国家标准允许范围的边缘(电机行业国家标准规定容许直流电机的轴挠度为主极气隙的6％以下)，再从临界转速来看，空心轴转子(3344r/min)是实心轴转子(1558r/min)的一倍多(电机行业国家标准规定临界转速只须高于电机使用工况额定转速n_N＝40r/min的30％即可)。

(4)结论：根据对该5500kW直流电动机采用空心轴转子和实心轴转子挠度的计算结果比较，验证了采用空心轴转子不仅机械强度好、结构刚度高、而且重量轻、分段锻造成本低、比整体实心轴转子结构更有优越性。因此，空心轴转子结构应在大型直流电机中得到广泛的推广应用。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (3)

1.一种大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，所述空心轴为分段锻造的三段式结构，它的中间段为中空轴，其余两段为连接在中空轴两端且直径小于中空轴直径的实心轴，所述实心轴为整体锻造且中部直径大于两头直径的整体实心轴，其特征在于，所述比较方法包括下列步骤：

设定空心轴转子及实心轴转子上有关相同的参数步骤，包括设定有效铁心长度、主极气隙、气隙磁通密度、转子外径、电机额定基速及电机额定高速；

分别测量空心轴转子及实心轴转子的结构参数步骤，包括电枢总重量、电枢重量、换向器重量及实心轴的重量；

计算步骤，包括分别计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度、由换向器重量产生的挠度及由单边磁拉力产生的挠度，并计算空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度、该总挠度占主极气隙的百分比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速；

比较步骤，包括对空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处总挠度占主极气隙的百分比之间的对比及空心轴转子及实心轴转子的临界转速之间的对比。

2.根据权利要求1所述的大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，其特征在于，

所述空心轴转子的电枢重量包括中空轴的重量，不包括中空轴两端实心轴及换向器的重量；

所述实心轴转子的电枢重量不包括实心轴及换向器的重量。

3.根据权利要求1所述的大型直流电机空心轴转子与实心轴转子刚度的比较方法，其特征在于，

所述空心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度f₁通过计算式计算，该计算式为：f₁＝G₁α_bb；

所述空心轴转子上电枢中心点处由换向器重量产生的挠度f₂通过计算式计算，该计算式为：

所述空心轴转子上电枢中心点处由单边磁拉力产生的挠度f₃通过计算式计算，该计算式为： $f_3=\frac{f_0}{1-m},$ 式中 $f_0=f_1\×\frac{p_0}{G_1},$ P₀＝K₀e₀， $K_0=\frac{{2D}_{a}L}{\mathrm{\δ}}{\left(\frac{B_{\mathrm{\δ}}}{7000}\right)}^2,$ e₀＝0.06δ， $m=\frac{f_0}{e_0};$

所述实心轴转子上电枢中心点处由电枢重量产生的挠度f′₁通过计算式计算，该计算式为： $f_1^{\′}=(1+\frac{2}{3}\×\frac{Q}{G_1^{\′}+G_2})G_1^{\′}\×{\mathrm{\α}}_{\mathrm{bb}}^{\′};$

所述实心轴转子上电枢中心点处由换向器重量产生的挠度f′₂通过计算式计算，该计算式为：

所述实心轴转子上电枢中心点处由单边磁拉力产生的挠度f′₃通过计算式计算，该计算式为： $f_3^{\′}=\frac{f_0^{\′}}{1-m^{\′}};$

所述空心轴转子及实心轴转子上电枢中心点处的总挠度f、f′通过计算式计算，该计算式为：f＝f₁+f₂+f₃，f′＝f′₁+f′₂+f′₃；

所述空心轴转子及实心轴转子的临界转速n_kp通过计算式计算，该计算式为：

$n_{\mathrm{kp}}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1+f_2}}$

$n_{\mathrm{kp}}=300\sqrt{\frac{(1-m)\×10}{f_1^{\′}+f_2^{\′}}}$

上述各计算式中，α_bb为轴在电枢中心点处的柔度系数，为挠度系数，e₀为气隙的额定偏心值，K₀为磁拉力刚度，P₀为初始单边磁拉力，f₀为与初始单边磁拉力P₀成比例的转轴挠度，Da为转子外径，B_δ为气隙磁通密度，L为有效铁心长度，δ为主极气隙，G₁为电枢重量，G₂为换向器重量，Q为实心轴重量。

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