大型直流電機空心軸與實心軸撓度的比較

金志芳

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

目前國內(nèi)外各電機制造廠對大直徑、大轉(zhuǎn)矩的特大型電機均有采用空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的趨勢。由于采用實心軸的轉(zhuǎn)子重量大，轉(zhuǎn)軸撓度大，如果轉(zhuǎn)子的剛度不好，對電機的運行及軸承的沖擊是不利的;且一般采用含鎳、鉬的特殊鋼，成本大;在電機的嵌線、真空壓力浸漆的過程中，實心軸轉(zhuǎn)子由于其重量或尺寸可能會超出加工機床、浸漆罐的限值，因此設計時常常會將轉(zhuǎn)子軸設計在嵌線、浸漆、車校全部結(jié)束后才進行套軸。而空心軸結(jié)構(gòu)只要采用厚鋼板滾圓焊接，具有重量輕、浸漆前可拆卸、結(jié)構(gòu)強度好等特點和使用優(yōu)越性，受到各大型電機制造廠家的重視;并且由于重量輕、成本低，可大大提高電機的市場競爭力。為了進一步優(yōu)化我公司特大型直流電機的結(jié)構(gòu)及簡化制造工藝，提高大型直流電機的運行性能及提高電機的市場競爭力，我公司也積極擴大空心軸結(jié)構(gòu)在大型直流電機中的應用。

在上海電機廠電機制造的歷史上，ZD315/1705500 kW直流電動機是最大的直流電機之一，已重復生產(chǎn)過3次，均采用實心軸結(jié)構(gòu)。本次設計，將實心軸改為空心軸結(jié)構(gòu)，特別對影響電機剛性的軸的撓度進行了重點的計算和比較。

1 電機的基本技術參數(shù)

電機型號:ZD315/170

電機額定功率:5500 kW

電機額定電壓:1000 V

電機額定轉(zhuǎn)速:基速40 r/min，高速80 r/min

電機額定勵磁:他勵110 V

電機絕緣等級:F級絕緣

電機運行方式:電機為S1工作制連續(xù)運行，基速及以下為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)壓調(diào)速運行，基速以上、高速以下為恒功率弱磁調(diào)速運行。

電機過載:基速及以下為2.5倍額定電流過載，2.75倍額定電流切斷;高速及以下為2.2倍額定電流過載，2.5倍額定電流切斷。

電機轉(zhuǎn)子直徑:φ3150 mm

轉(zhuǎn)子鐵心長:1700 mm

電機轉(zhuǎn)子總長:7700 mm

2 空心軸與實心軸撓度的比較

電機結(jié)構(gòu)設計的好壞，除體現(xiàn)電機結(jié)構(gòu)的美觀、加工工藝流程的合理、電磁數(shù)據(jù)的正確配置外，還須正確地分析主要部件的受力情況和強度計算。因此，軸的撓度計算非常關鍵?？招妮S轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)見圖1。

2.1 空心軸的撓度及臨界轉(zhuǎn)速的計算

圖1 空心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

為便于計算，我們將空心軸結(jié)構(gòu)圖簡化為圖2所示，圖中b點為電樞中心點，a、c兩點為兩軸承支承中心點。

2.1.1 基本數(shù)據(jù):

電樞總重:G=75380 kg

電樞重:G1=48825 kg(包括中空軸部分，不包括兩端實心軸及換向器)

換向器重:G2=3380+X=4505 kg(X為部分軸重)

有效鐵心長:L=1430 mm

主極氣隙δ=10 mm

氣隙磁通密度:Bδ=0.95 T

轉(zhuǎn)子外徑Da=3150 mm

電機額定基速nN=40 r/min

電機額定高速nM=80 r/min

2.1.2 計算數(shù)據(jù)表(見表1)

圖2 空心軸計算示意圖

表1 計算數(shù)據(jù)表

(續(xù)表)

圖3a為產(chǎn)品支架筋的實際形狀。為了計算方便，現(xiàn)按圖3b的簡便形狀計算，鴿尾部分不計算在內(nèi)，作為安全系數(shù)。

支架筋部分增加的慣性矩計算如下:

2.1.3 計算

軸在b點的柔度系數(shù):

磁拉力剛度:

初始單邊磁拉力:

(對直流電機，氣隙的額定偏心值e0=0.06 δ=0.6 mm)

由電樞重G1引起b點的撓度:

由換向器重力而產(chǎn)生的撓度:

圖3 轉(zhuǎn)軸支架筋的剖面示意圖

圖4 確定因換向器重力而產(chǎn)生的軸上的撓度的系數(shù)ψ的曲線

與P0成比例的轉(zhuǎn)軸撓度:

單邊磁拉力產(chǎn)生的撓度:

軸在b點處總的撓度:

撓度占主極氣隙的百分比:

(電機行業(yè)國家標準規(guī)定容許直流電機的軸撓度為主極氣隙的6%以下)

轉(zhuǎn)軸的臨界轉(zhuǎn)速(已考慮單邊磁拉力的影響):

(電機行業(yè)國家標準規(guī)定臨界轉(zhuǎn)速只須高于電機使用工況額定轉(zhuǎn)速的30%即可)。

2.2 與實心軸撓度的比較

相對于空心軸來說，實心軸在電樞支架上的結(jié)構(gòu)大大不同，采用實心軸套入熱套配合的支架中(見圖5)。因此整個軸系尺寸大，噸位重，且重量上升導致成本上升，相應的同一鋼號的鍛軸鍛造成本亦會成倍上升，另外機械強度亦比不上空心軸結(jié)構(gòu)(見圖6)。

圖5 實心軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 實心軸計算示意圖(單位:mm)

2.2.1 基本數(shù)據(jù):

電樞總重:G=85000 kg

電樞重:G1=47410 kg(不包括實心軸及換向器)

換向器重:G2=3480 kg

實心軸重:Q=34110 kg

有效鐵心長:L=1430 mm

主極氣隙δ=10 mm

氣隙磁通密度:Bδ=0.95 T

轉(zhuǎn)子外徑Da=3150 mm

電機額定基速nN=40 r/min

電機額定高速nM=80 r/min

2.2.2 計算數(shù)據(jù)表(見表2)

表2 計算數(shù)據(jù)表

2.2.3 計算

從計算結(jié)果看，實心軸用于大直徑電機時，由于電樞重量太重，導致軸的撓度已接近國家標準所容許的最高限度，在實際操作中已無法很好的加以控制。軸所容許的臨界轉(zhuǎn)速均很大，但由于大直徑電機一般均用于低速場合，因此軸的臨界轉(zhuǎn)速根本不需考慮，主要考慮的就是軸的撓度。因此，從上述空心軸、實心軸撓度上的區(qū)別就明顯可以看出空心軸的結(jié)構(gòu)要比實心軸結(jié)構(gòu)優(yōu)越。

從空心軸、實心軸的對比結(jié)果看，空心軸結(jié)構(gòu)整個軸總的撓度只有 0.1 mm，僅占主極氣隙的1.04%，幾乎可以忽略不計，而實心軸的撓度則要達到4.34%接近國家標準允許范圍的邊緣，再從臨界轉(zhuǎn)速來看，空心軸是實心軸的一倍多。

3 結(jié)語

根據(jù)對該5500 kW直流電動機采用空心軸和實心軸撓度的計算結(jié)果比較，驗證了采用空心軸不僅機械強度好、結(jié)構(gòu)剛度高、而且重量輕、分段鍛造成本低、比整體實心軸結(jié)構(gòu)更有優(yōu)越性。因此，空心軸結(jié)構(gòu)應在大型直流電機中得到廣泛的推廣應用。