實心式永磁電機軸承載荷分析

武文虎，李有生，王志林，李樹龍

（山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

實心式永磁電機軸承載荷分析

武文虎，李有生，王志林，李樹龍

（山西北方機械制造有限責任公司，山西太原 030009）

研究實心式永磁電機軸承載荷的影響因素，提出載荷計算方法。以TYCKK3554-4（6kV 250 kW）電機為例進行分析計算。影響軸承載荷的主要因素有：單邊磁拉力、轉(zhuǎn)子偏心量旋轉(zhuǎn)慣性離心力、轉(zhuǎn)子自重及負載不平衡力的影響。研究為電機軸承選取提供依據(jù)，對提高電機可靠性和運行壽命有很大意義。

永磁電機；軸承；分析

0 引言

實心式永磁電機在交變磁場、沖擊載荷條件下工作，要求所選用的軸承具有較高的剛度。實心式永磁電機由于采取渦流啟動，在電機啟動及運行過程中對軸承的作用將不同于異步電機。為證明實心式永磁電機的工作正常、可靠，以TYCKK3554-4（6kV 250 kW）電機為例，選用軸承為6224，分析軸承載荷影響因素并對軸承進行合理的分析與計算，使其性能指標滿足使用要求。

1 影響因素分析

（1）永磁電機工作在交變磁場中，而軸具有自身的撓度，由此產(chǎn)生的單邊磁拉力對軸承具有交變沖擊載荷[1]。

（2）轉(zhuǎn)子在加工制造及安裝過程中將產(chǎn)生誤差，轉(zhuǎn)子將產(chǎn)生偏心，由于偏心帶來的離心力對軸承也將產(chǎn)生沖擊載荷。

電機負載的不對稱性對軸承也有一定的沖擊載荷。

2 軸承載荷計算

2.1 單邊磁拉力影響

若電機轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)偏心，則造成空間氣隙不對稱，產(chǎn)生定子對轉(zhuǎn)子的單邊磁拉力，其中定子與轉(zhuǎn)子的偏心主要由軸的撓度及單邊磁拉力共同影響。

2.1.1 軸承自重引起的撓度

軸伸處無作用力時，兩軸承由轉(zhuǎn)子自重引起撓度，其中軸的當量直徑為[2]：

其中：li為階梯軸i段的長度；

di為階梯軸i段的直徑；

L為兩支乘之間的長度。

解析獲得dm=123.612 6 mm。

通過撓度計算公式獲取軸的最大撓度為：

其中：F為階梯軸自重；

d為階梯軸的當量直徑；

b為軸伸端支撐到轉(zhuǎn)子質(zhì)心距離；

L為兩支撐之間的長度。

計算得ymax=0.114 2 mm。

2.1.2 單邊磁拉力引起的軸的撓度

單邊磁拉力一般認為集中在重力所作用的同一截面處，在單邊磁拉力的作用下，使轉(zhuǎn)子相對于定子在初始偏心的基礎(chǔ)上，再增加一個附加的偏心，后者又進一步引起附加的單邊磁拉力，這樣一直進行下去。但這些附加的單邊磁拉力和相應(yīng)的附加撓度都是逐漸減小的，因此最后將達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時，它與軸的彈性力向平衡，保證軸的平穩(wěn)運行。

根據(jù)單邊磁拉力撓度計算公式：

式（3）中，K0為磁拉力剛度；

K為軸的彎曲剛度；

fG為轉(zhuǎn)子的初始偏心，大小為0.114 2 mm。

可知，由單邊磁拉力引起的撓度與軸的彎曲剛度、磁拉力剛度及定子與轉(zhuǎn)子的初始偏心有關(guān)。

根據(jù)公式：

計算得軸的彎曲剛度為45.653 kN/mm。

式（4）中G為轉(zhuǎn)子總重；

fG為軸伸處無作用力時，兩軸承有轉(zhuǎn)子自重引起的撓度，大小為0.114 2 mm。

根據(jù)公式：

計算得磁拉力剛度為7.603 2 kN/mm。

式（5）中 β為經(jīng)驗系數(shù)，取值0.4；

D為定子內(nèi)徑，取值360 mm；

lef為鐵芯有效長，取值365.07 mm；

Bδ為氣隙磁密；

δ為單邊平均氣隙，取值6.75 mm。

為求解Bδ的大小，對電機進行模型仿真，得出氣隙磁密曲線如圖1所示。

圖1 氣隙磁密分布圖

根據(jù)圖1分析得出最大氣隙磁密均值為0.9 T。

因此，由公式（3）計算得出單邊磁拉力引起的軸的撓度為0.03 mm。

2.1.3 軸的總撓度

由上可知，在軸承中部處產(chǎn)生的總撓度為0.144 2 mm。為保證電機能安全可靠運行，電機總撓度應(yīng)不超過電機氣隙值的8%，計算得出總撓度滿足要求。

通過此時的總撓度計算得出單邊磁拉力為1.1 kN。

2.2 轉(zhuǎn)子偏離轉(zhuǎn)動中心的影響

影響轉(zhuǎn)子偏離轉(zhuǎn)動中心的因素主要有以下幾點。

（1）制造質(zhì)量問題。轉(zhuǎn)動件不均勻、幾何不對稱，質(zhì)心偏離幾何中心。

（2）安裝質(zhì)量問題。軸及葉輪安裝擺度使幾何中心偏離轉(zhuǎn)動中心。

（3）運行時，電機軸線、轉(zhuǎn)子溫度場不對稱，引起變形、彎曲，造成弓形旋轉(zhuǎn)，質(zhì)心偏心距變化。

軸線偏心主要是由于轉(zhuǎn)子在自重及單邊磁拉力的作用下產(chǎn)生的撓度，同時由于轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離轉(zhuǎn)動中心，二者共同作用產(chǎn)生離心力。

由公式：

得知離心力為1.469 kN。

式（6）中m為轉(zhuǎn)子重量；

ω為轉(zhuǎn)速；

r為轉(zhuǎn)動偏心距。

2.3 過盈裝配產(chǎn)生的應(yīng)力

采用Ansys接觸分析[3]獲取其過盈轉(zhuǎn)配時的接觸應(yīng)力，設(shè)置軸的軸徑為110 mm，同時設(shè)置過盈量為0.035 mm，分析結(jié)果見圖2所示。

分析得到此時加載到軸承上的載荷為43.12 kN。

圖2 接觸應(yīng)力圖

2.4 轉(zhuǎn)子自重影響

本電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量為521.36 kg，其自重為5.109 kN。

2.5 外部載荷影響[4]

考慮外部載荷對電機影響因素約為1.5倍轉(zhuǎn)子自重，即7.66 kN。

2.6 靜態(tài)分析計算

以破壞試驗為方法，通過上述分析得出后軸承承載力約為54.53 kN。

考慮力矩載荷的當量動載荷，采用力矩載荷系數(shù)2，軸承沖擊載荷系數(shù)1.2，得到后軸承的當量動載荷為130.87 kN。

通過機械設(shè)計手冊[5]得出該軸承的基本額定動載荷為312 kN。計算得出結(jié)果小于額定動載荷，軸承可以正常使用。

3 動態(tài)載荷分析計算

為驗證分析計算結(jié)果，建立轉(zhuǎn)軸與軸承的三維模型，迫使軸承承受周期載荷作用，獲取軸承在不同時間內(nèi)承受載荷情況見圖3所示。

由圖3分析得知，在循環(huán)載荷下，軸承承受載荷力為48.3 kN，與第二部分靜態(tài)分析結(jié)果基本一致，此分析方法結(jié)果可靠。

圖3 動載荷應(yīng)力圖

4 結(jié)論

通過上述分析獲得永磁電機軸承壽命影響因素主要為單邊磁拉力、轉(zhuǎn)子偏心量旋轉(zhuǎn)慣性離心力、轉(zhuǎn)子自重及負載不平衡力，通過這些影響因子的計算可以獲取永磁電機軸承壽命，為永磁電機合理選用軸承提供理論依據(jù)。

［1］武文虎，李有生，王志林.電機殼體側(cè)壁優(yōu)化設(shè)計［J］.機電工程技術(shù)，2014（09）：35-37.

［2］陳世坤.電機設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［3］蘇榮華，梁斌.結(jié)構(gòu)仿真分析-ANSYS應(yīng)用［M］.沈陽：東北大學出版社，2005.

［4］仇寶云.大型立式軸流泵導軸承載荷分析計算［J］.煤礦機電，2006（5）：92-93.

［5］聞邦椿.機械設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

Study of Bearing Load in Solid Type Permanent-Magnet Machine

WU Wen-hu，LI You-sheng，WANG Zhi-lin，LI Shu-long
（Shanxi North Machine-Building Co.，Ltd.，Taiyuan 030009，China）

This paper studies of bearing load’s effect factors in solid type permanent-magnet machine，proposes the load calculation method，analyzes and calculates by the example of the TYCKK3554-4(6kV 250 kW).The main factors affecting the bearing load are unilateral magnetic force，eccentricity of the rotor rotating inertial centrifugal force，gravity and load unbalance force.This study provides the basis for the selection of motor bearing，and has great significance to improve the reliability and service life of motor.

permanent-magnet machine；bearing；analysis

TM351

：A

：1009－9492(2014)10－0091－03

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.10.025

武文虎，男，1986年生，山西呂梁人，碩士，工程師。研究領(lǐng)域：高效高壓永磁同步電機。已發(fā)表論文3篇。

(編輯：王智圣)

2014－04－10