CN110736925B - 一种电机转子结构强度验证系统 - Google Patents

Abstract

一种电机转子结构强度验证系统，其包括：电机转子试验平台，其用于装配待测试电机转子；陪试电机，其通过电机转子试验平台的联轴器与待测试电机转子连接；控制装置，其与陪试电机连接，用于控制陪试电机的运行状态，进而调节待测试电机转子的转动状态。本系统不再需要像现有系统那样对待测试电机进行整机试验，而是可以直接对电机转子进行试验，这样也就能够有效降低试验系统的成本。

Description

一种电机转子结构强度验证系统

技术领域

本发明涉及电机测试技术领域，具体地说，涉及一种电机转子结构强度验证系统。

背景技术

电机作为一种能量转换装置，在轨道交通、汽车、工业传动等领域广泛应用。电机转子是电机的核心部件，在电机中起着能量转换和动力传递的作用，其可靠性影响着整个电机的运行性能。

通常，电机转子在工作时，将承受多种载荷的耦合作用，如温度、转速、电磁力、振动冲击等。尤其对于高速永磁电机，由于高速永磁电机采用全封闭结构，这样也就会导致电机内部转子温度较高，并且承受的由高速产生的离心力也较大，从而很容易发生破坏失效。

另外，由于电机转子结构设计及工艺的复杂性，通过仿真的手段难以完全掌握电机转子结构的可靠性。因此，如何通过试验的方法来验证转子结构强度的可靠性，成为本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种电机转子结构强度验证系统，所述系统包括：

电机转子试验平台，其用于装配待测试电机转子；

陪试电机，其通过所述电机转子试验平台的联轴器与所述待测试电机转子连接；

控制装置，其与所述陪试电机连接，用于控制所述陪试电机的运行状态，进而调节所述待测试电机转子的转动状态。

根据本发明的一个实施例，所述电机转子试验平台包括：

非传动端支架，所述待测试电机转子的非传动端架设在所述非传动端支架上；

传动端支架，所述待测试电机转子的传动端架设在所述传动端支架上。

根据本发明的一个实施例，所述电机转子试验平台还包括：

非传动端轴承组件，其与所述非传动端支架固接，所述待测试电机转子的非传动端通过所述非传动端轴承组件架设在所述非传动端支架上；

传动端轴承组件，其与所述传动端支架固接，所述待测试电机转子的传动端通过所述传动端轴承组件架设在所述传动端支架上。

根据本发明的一个实施例，所述传动端轴承组件包括：

轴承，其与所述待测试电机转子的传动端连接；

油封，其用于对所述轴承进行密封，以防止油料泄漏；

轴承状态检测模块，其与所述轴承连接，用于检测所述轴承的运行状态。

根据本发明的一个实施例，所述轴承状态检测模块包括以下所列项中的任一项或几项：

加速度传感器、温度传感器和振动温度复合传感器。

根据本发明的一个实施例，所述传动端轴承组件内形成有油道，所述油道的一端与轴承室相连，另外一端形成在所述传动端轴承组件的外壁上，用于对所述轴承进行加油。

根据本发明的一个实施例，所述非传动端轴承组件的结构与所述传动端轴承组件的结构相同。

根据本发明的一个实施例，所述电机转子试验平台还包括：

温度控制箱，其设置在所述待测试电机转子外部并与所述控制装置连接，用于在所述控制装置的控制下调节所述待测试电机转子所处环境的温度。

根据本发明的一个实施例，在对所述待测试电机转子进行极限测试时，所述控制装置配置为控制所述陪试电机带动所述待测试电机转子旋转，并将所述待测试电机转子的转速逐渐升高至预设参考转速并持续预设时长，检测所述待测试电机转子是否存在损坏。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置配置为采用有限元仿真的方式确定所述待测试电机转子的转子铁芯结构达到材料抗拉极限时的转速，从而得到所述预设参考转速。

根据本发明的一个实施例，在对所述待测试电机转子进行疲劳寿命类测试时，所述控制装置配置为：

利用有限元仿真方法对所述待测试电机转子的结构进行分析，确定所述待测试电机转子的转子结构达到屈服极限的峰值等效应力的运行工况；

根据上述运行工况，结合实际工作载荷工况确定试验工况，基于所述试验工况对所述待测试电机转子进行疲劳寿命测试，得到测试时长；

根据所述测试时长、试验应力幅值以及所述待测试电机转子的实际运行应力幅值，确定所述待测试电机转子的实际疲劳寿命。

根据本发明的一个实施例，所述控制装置配置为根据如下表达式确定所述测试电机转子的实际疲劳寿命：

其中，T_s表示实际疲劳寿命，Δσ_s表示实际运行应力幅值，T_t表示测试时长，Δσ_t表示试验应力幅值。

本发明所提供的电机转子结构强度验证系统不再需要像现有系统那样对待测试电机进行整机试验，而是可以直接对电机转子进行试验，这样也就能够有效降低试验系统的成本。

同时，本系统采用可调控的温度控制箱来对转子铁芯进行温度调节，这样本系统也就可以同时对待测试电机转子施加温度载荷和离心力载荷，从而使得测试工况与电机转子的实际运行情况更加吻合，进而使得验证结果更加准确可靠。

此外，本系统的轴承组件采用了可润滑的轴承结构，用户可以通过油孔来根据实际需要随时向轴承注入润滑脂或补脂。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是根据本发明一个实施例的电机转子结构强度验证系统的结构示意图；

图2是根据本发明一个实施例的电机转子试验平台的部分结构示意图；

图3至图6是根据本发明一个实施例的传动端轴承组件和非传动端轴承组件的机械结构示意图

图7是根据本发明一个实施例的对待测试电机转子进行疲劳寿命类测试的实现流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

另外，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

现有电机转子结构强度的验证方案主要采用电机整机试验，并按照国家或者行业规定的标准进行电机可靠性试验。采用电机整体结构进行转子结构强度验证试验，需要配套的定子系统、端盖和轴承系统等做支撑，不仅制造成本高，而且组装工艺复杂，试验效率低。此外，如果需要考虑温度的影响，则还需要配套的逆变器来供电，这样也就使得整个试验系统十分复杂。

另外，现有的与电机可靠性相关的试验标准基本上只规定了转速载荷或者振动冲击载荷，并没有考虑温度载荷的影响。而对电机转子结构而言，转速载荷和温度载荷是影响其结构强度可靠性的主要因素。

针对现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种简单、经济的电机转子结构强度验证系统以及一种高效、全面的验证方法，其能够直接采用电机转子结构进行试验，并且能够有效、准确地控制转子温度和转动速度。

图1示出了本实施例所提供的电机转子结构强度验证系统的结构示意图。

如图1所示，本实施例所提供的电机转子结构强度验证系统优选地包括：电机转子试验平台101、陪试电机102以及控制装置103。其中，电机转子试验平台101用于装配待测试电机转子，而陪试电机102则优选地通过电机转子试验平台的联轴器来与待测试电机转子连接。控制装置103与配置电机连接，其能够控制陪试电机102的运行状态(例如控制陪试电机102的转速)，从进而利用陪试电机102带动待测试电机转子100转动来调节待测试电机转子100的转动状态。

本实施例中，由于电机转子试验平台101以及陪试电机102能够为待测试电机转子100提供所需要的测试环境(例如电机转子试验平台101能够为待测试电机转子100提供安装环境，而陪试电机102能够为待测试电机转子100提供转动所需要的动力)，因此对于电测试电机转子的验证也就不需要像现有验证方法那样采用整机验证的方式来进行，这样也就节约了验证成本。

图2示出了本实施例中电机转子试验平台的部分结构示意图。

如图2所示，本实施例所提供的电机转子试验平台101优选地包括非传动端支架201和传动端支架202。其中，待测试电机转子100的非传动端架设在非传动端支架201上，而待测试电机转子100的传动端则架设在传动端支架202上。

具体地，本实施例中，电机转子试验平台101优选地还包括非传动端轴承组件203以及传动端轴承组件204。非传动端轴承组件203与非传动端支架201固接，这样待测试电机转子100的非传动端也就可以通过非传动端轴承组件203架设在非传动端支架201上。与之类似地，传动端轴承组件204与传动端支架202固接，这样待测试电机转子100的传动端也就可以通过传动端轴承组件204架设在传动端支架202上。

本实施例中，待测试电机转子100包括转子铁芯100a以及转轴100b，转轴100b的传动端通过传动端轴承轴组件204架设在传动端支架202上。同时，转轴100b优选地通过联轴器205来与陪试电机102连接。具体地，如图2所示，本实施例中，转轴100b的传动端的端部优选的开设有键槽，这样转轴100b也就可以利用与键槽配合设置的键206来与联轴器连接。此外，键206的端部通过挡板207来顶在转轴100b和联轴器205的端面。

与现有的过盈连接方式相比，本实施例所采用的键连接的方式使得转轴100b更加容易拆卸，并且能够有效延长转轴100b以及法兰的工作寿命。

为了更加清楚地阐述本实施例所提供的电机转子试验平台的结构、功能以及优点，以下结合图3至图6所示的传动端轴承组件和非传动端轴承组件的机械结构示意图来对电机转子试验平台作进一步的说明。

如图3所示，本实施例中，传动端轴承组件优选地包括：传动端轴承301、传动端油封以及传动端轴承状态检测模块。其中，传动端轴承301与待测试电机转子100的传动端连接，传动端油封则用于对传动端轴承301进行密封，以防止油料泄漏，从而延长轴承的工作寿命。

具体地，如图3所示，本实施例中，传动端油封优选地包括传动端内油封302a以及传动端外油封302b。传动端内油封302a与传动端外油封302分别设置在轴承两侧，以实现对传动端轴承301的密封。

传动端轴承状态检测模块与传动端轴承301连接，其能够检测传动端轴承301的运行状态。例如，本实施例中，传动端轴承状态检测模块优选地包括加速度传感器303，加速度传感器303设置在传动端轴承301的下方，其能够通过检测传动端轴承301的转动加速度来实现对传动端轴承301运动状态的检测。

当然，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，轴承状态检测模块还可以包含其他合理设备，本发明不限于此。例如，在本发明的一个实施例中，轴承状态检测模块还可以包括温度传感器传感器或振动温度复合传感器，抑或是以上所列项中的任意组合。

同时，根据实际需要，传动端轴承状态检测模块还可以采用不同的合理方式来与传动端轴承301连接，本发明同样不限于此。例如，在本发明的不同实施例中，传动端轴承状态检测模块与传动端轴承301连接的连接既可以采用螺纹连接方式，也可以采用磁性吸附方式，还可以采用胶接方式。

如图3所示，本实施例中，传动端轴承组件204还形成有油道，油道的一端与轴承室连接，另一端形成在所述传动端轴承组件的外壁上，这样也就可以通过安装在油孔上的油杯和注油嘴帽304来对传动端轴承301进行加油。

结合图3和图4所示，本实施例中，传动端轴承组件204还包括传动端轴承外盖306，传动端轴承外盖306优选地通过传动端螺栓307来与传动端轴承座305固接。当然，在本发明的其他实施例中，传动端轴承外盖306与传动端轴承座305之间的连接方式还可以为其他合理方式，本发明不限于此。

如图5和图6所示，本实施例中，非传动端轴承组件203的结构与传动端轴承组件204的结构相同，故在此不再对非传动端轴承组件203的具体结构进行赘述。

再次如图2所示，本实施例中，电机转子试验平台101还包括温度控制箱208。温度控制器208设置在待测试电机转子100外部并与控制装置103连接，其能够在控制装置103的控制下调节自身内部的温度，进而调节待测试电机转子100所处环境的温度。

本实施例中，温度控制箱208布置在转子铁芯100a以及转轴100b的外部，其能够将转子铁芯100a和大部分转轴100b隔离在箱体内部，通过对箱体内部温度的调节来施加温度载荷。具体地，温度控制器208优选地为翻盖式结构，这样工作人员也就可以随时打开查看情况。同时，温度控制箱208的表面还设置有观察窗口，这样工作人员也就可以通过观察窗口来随时观察转子铁心100a和转轴100b的状态。

本实施例所提供的电机转子结构强度验证系统能够对电机转子进行多样化试验。例如，该系统所能够进行的试验优选地包括：超速试验、常温下转子静强度极限试验、高温下转子静强度极限试验、常温急加速转子强度极限试验、高温急加速转子强度极限试验、常温转子疲劳试验以及高温转子疲劳试验等。其中，不同温度下的极限试验以及疲劳试验可以通过温度控制箱提供不同的环境温度来实现。

本实施例中，在对待测试电机转子进行常规测试时，控制装置103只需要按照测试标准的规定要求，来控制陪试电机102带动待测试电机转子在指定转速(例如预设最大转速)下运行第一预设时长(例如2分钟)即可。

而在对待测试电机转子进行极限测试(例如常温下转子静强度极限试验、高温下转子静强度极限试验、常温急加速转子强度极限试验、高温急加速转子强度极限试验等为摸清转子强度极限的破坏性试验)时，控制装置103优选地会控制陪试电机102带动待测试电机转子旋转，将待测试电机转子的转速升高至预设参考转速并持续预设时长，并检测待测试转子是否存在损坏。

具体地，本实施例中上述预设参考转速优选地为0.7n_max，n_max表示预设最大转速。其中，控制装置103优选地配置为采用有限元仿真的方式确定待测试电机转子的转子铁芯达到材料抗拉极限时的转速，进而根据该转速得到上述预设参考转速。

例如，本实施例中，控制装置103优选地在考虑转速引起的离心力载荷和温度载荷的作用下，可以使用有限元仿真的方式来获得转子铁心结构达到材料抗拉强度极限σ_b时的峰值等效应力σ_max及位置所需的转速n_max。

此外，根据实际需要，控制装置103还可以采用有限元仿真的方式来确定待测试电机转子的转子铁芯结构达到材料抗拉极限时的温度，从而得到预设参考温度，进而根据该预设参考温度来对温度控制箱进行控制，实现对温度载荷的调节。

在对待测试电机转子进行极限测试时，陪试电机102优选地会逐渐将待测试电机转子103的转速升高至0.7n_max。需要指出的是，本实施例中，为了避免出现疲劳损伤，待测试电机转子103在每个转速点的运行时不宜过长(优选地小于或等于1分钟)。

当然，在本发明的其他实施例中，上述预设参考转速和/或每个转速点的运行时长根据实际需要还可以配置为其他合理值，本发明不限于此。

此外，由于转子铁芯包含转子冲片、永磁体和压圈等结构，不同的结构破坏的极限不同，故试验时优选地先进行极限试验，从而确定出关键结构的极限强度。

常温疲劳强度试验、高温疲劳强度试验均为疲劳寿命类试验，其目的是为了验证转子结构在工作载荷作用下的工作时长。按照正常的载荷工况，疲劳强度的考核时间较长，无法接受。因此，本实施例采用了加速疲劳寿命试验方法，试验方案制定的基本原则是峰值应力不得超过结构的弹性应力范围内，不得改变失效机理。

图7示出了本实施例中对待测试电机转子进行疲劳寿命类测试的实现流程示意图。

如图7所示，本实施例中，在对待测试电机转子进行疲劳寿命类测试时，控制装置103优选地会在步骤S701中利用有限元仿真方法对待测试电机转子的结构进行分析，从而确定出待测试电机转子的转子结构达到屈服极限的峰值等效应力σ_φmax的运行工况。其中，步骤S701优选地是在考虑转速引起的离心力载荷和/或温度载荷的作用下进行的。

随后，该方法会在步骤S702中根据步骤S701中所确定出的运行工况，结合实际工作载荷工况来确定试验工况，并基于该试验工况对待测试电机进行疲劳寿命测试，从而得到测试时长T_t。

在得到测试时长T_t后，控制装置103也就可以在步骤S703中根据测试时长T_t、试验应力幅值Δσ_t以及待测试电机转子的实际运行应力幅值Δσ_s，来确定待测试电机转子在该试验工况下的实际疲劳寿命T_s。

本实施例中，控制装置103优选地根据实际运行工况，采用有限元算法来得到一个循环工况内的最大应力值σ₁和最小应力值σ₂，进而得到一个循环的应力幅Δσ_s＝σ₁-σ₂(其中，最大应力σ₁既可以是等效应力，也可以是主应力或者其他应力)，这样也就得到了待测试电机转子的实际运行应力幅值Δσ_s。

为了避免超出弹性应力范围，本实施例中，试验工况的最大应力σ₁₁应当大于获得等于σ₁且小于峰值等效应力σ_φmax，而试验工况的最小应力σ₂₂则应当大于或等于σ₂。这样也就可以根据试验工况的最大应力σ₁₁和最小应力σ₂₂确定试验工况一个循环的应力幅(即试验应力幅值Δσ_t)，即存在：

Δσ_t＝σ₁₁-σ₂₂ (1)

基于结构材料的S-N曲线，假定损伤程度正比于应力幅的某个指数乘以循环次数。假定运行寿命和试验寿命具有相同的常数，则存在：

其中，m表示指数。对于金属，指数m的取值可以为4或者通过试验拟合确定。

本实施例中，在确定出了实际运行应力幅值Δσ_s、测试时长T_t以及试验应力幅值Δσ_t后，控制装置也就可以根据表达式(2)来确定出测试电机转子试验工况下的实际疲劳寿命T_s。

需要指出的是，上述疲劳试验方法是基于循环载荷工况制定的。如果工况载荷谱较为复杂，无法直接分辨得到循环载荷，那么控制装置则可以先对载荷谱进行计数(如雨流计数法等)来得到分级载荷谱，再按照上述方法进行等效得到试验载荷工况和实际试验时长。

当然，在本发明的其他实施例中，控制装置103还可以采用其他合理方式来对待测试电机转子进行极限实验和/或疲劳试验。

从上述描述中可以看出，本发明所提供的电机转子结构强度验证系统不再需要像现有系统那样对待测试电机进行整机试验，而是可以直接对电机转子进行试验，这样也就能够有效降低试验系统的成本。

同时，本系统采用可调控的温度控制箱来对转子铁芯进行温度调节，这样本系统也就可以同时对待测试电机转子施加温度载荷和离心力载荷，从而使得测试工况与电机转子的实际运行情况更加吻合，进而使得验证结果更加准确可靠。

此外，本系统的轴承组件采用了可润滑的轴承结构，用户可以通过油孔来根据实际需要随时向轴承注入润滑脂或补脂。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构或处理步骤，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (7)

1.一种电机转子结构强度验证系统，其特征在于，所述系统包括：

电机转子试验平台，其用于装配待测试电机转子；

陪试电机，其通过所述电机转子试验平台的联轴器与所述待测试电机转子连接；

控制装置，其与所述陪试电机连接，用于控制所述陪试电机的运行状态，进而调节所述待测试电机转子的转动状态，

温度控制箱，其设置在所述待测试电机转子外部并与所述控制装置连接，用于在所述控制装置的控制下调节所述待测试电机转子所处环境的温度，其中，所述温度控制箱能将所述待测试电机转子的转子铁芯和大部分转轴隔离在箱体内部，通过对箱体内部温度的调节来施加温度载荷；

在对所述待测试电机转子进行极限测试时，所述控制装置配置为控制所述陪试电机带动所述待测试电机转子旋转，并将所述待测试电机转子的转速逐渐升高至预设参考转速并持续预设时长，检测所述待测试电机转子是否存在损坏，其中，在考虑了转速引起的离心力载荷和温度载荷的作用下，采用有限元仿真的方式确定转子铁芯结构达到材料抗拉极限时的峰值等效应力及当前位置所需的转速，从而根据当前转速得到所述预设参考转速，以及采用有限元仿真的方式来确定所述待测试电机转子的转子铁芯结构达到材料抗拉极限时的温度，从而得到预设参考温度，进而根据该预设参考温度来对温度控制箱进行控制，实现对温度载荷的调节，

在对所述待测试电机转子进行疲劳寿命类测试时，所述控制装置配置为：利用有限元仿真方法对所述待测试电机转子的结构进行分析，确定所述待测试电机转子的转子结构达到屈服极限的峰值等效应力的运行工况，而后根据上述运行工况，结合实际工作载荷工况确定试验工况，基于所述试验工况对所述待测试电机转子进行疲劳寿命测试，得到测试时长，再根据所述测试时长、试验应力幅值以及所述待测试电机转子的实际运行应力幅值，确定所述待测试电机转子的实际疲劳寿命，其中，所述控制装置配置为根据如下表达式确定所述测试电机转子的实际疲劳寿命：

其中，T_s表示实际疲劳寿命，△σ_s表示实际运行应力幅值，T_t表示测试时长，△σ_t表示试验应力幅值，_m表示指数系数。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机转子试验平台包括：

非传动端支架，所述待测试电机转子的非传动端架设在所述非传动端支架上；

传动端支架，所述待测试电机转子的传动端架设在所述传动端支架上。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述电机转子试验平台还包括：

非传动端轴承组件，其与所述非传动端支架固接，所述待测试电机转子的非传动端通过所述非传动端轴承组件架设在所述非传动端支架上；

传动端轴承组件，其与所述传动端支架固接，所述待测试电机转子的传动端通过所述传动端轴承组件架设在所述传动端支架上。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述传动端轴承组件包括：

轴承，其与所述待测试电机转子的传动端连接；

油封，其用于对所述轴承进行密封，以防止油料泄漏；

轴承状态检测模块，其与所述轴承连接，用于检测所述轴承的运行状态。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述轴承状态检测模块包括以下所列项中的任一项或几项：

加速度传感器、温度传感器和振动温度复合传感器。

6.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述传动端轴承组件内形成有油道，所述油道的一端与轴承室相连，另外一端形成在所述传动端轴承组件的外壁上，用于对所述轴承进行加油。

7.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述非传动端轴承组件的结构与所述传动端轴承组件的结构相同。

Images