一款無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子引線端固定方案改進(jìn)

王 寧，高云霞

(成都南車電機(jī)有限公司,四川 成都 610051)

一款無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)定子引線端固定方案改進(jìn)

王 寧，高云霞

(成都南車電機(jī)有限公司,四川 成都 610051)

介紹了成都南車電機(jī)有限公司生產(chǎn)的3 300 kW機(jī)車配套無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)引線端固定的改進(jìn)方法。過去大部分的機(jī)車配套發(fā)電機(jī)引線端固定方法都是通過在定子鐵芯軸向固定一定數(shù)量的支承螺桿來固定整個(gè)引線端系統(tǒng)，然而由于發(fā)電機(jī)徑向的電磁振動(dòng)，使該支承螺桿發(fā)生了不同程度的斷裂。對(duì)該發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并提出了一種新的固定工藝方法，有效地解決了支承螺桿斷裂、斷裂后無法取出以及更換困難的缺點(diǎn)。

無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)；引線端固定；電磁振動(dòng)

1 故障現(xiàn)象和分析

成都南車電機(jī)有限公司生產(chǎn)的多種機(jī)車配套發(fā)電機(jī)中，都是采用在定子軛處伸出多根螺栓作為整個(gè)匯流環(huán)裝配的支承螺桿，然后用綁扎帶等固定繩與匯流環(huán)裝配綁緊的方法，固定定子引線端匯流環(huán)(見圖1)。

圖1 發(fā)電機(jī)引線端固定方式示意圖

支承螺桿的材料為冷拉圓鋼20-φ20(8.8級(jí))，長(zhǎng)度為287 mm，將其直接擰入定子鐵芯內(nèi)部，同時(shí)在支承螺桿端部通過固定塊固定U、V、W和N環(huán)。定子浸漆后，由于高溫和絕緣漆的作用，各個(gè)部分都固化并粘接為一體，起到了很好的固定和支承作用。然而，在發(fā)電機(jī)出廠后不久，發(fā)生了不同程度的支承螺桿斷裂，在維修過程中也遇到了很大的困難。

簡(jiǎn)要分析該結(jié)構(gòu)，可以將整個(gè)支承體系簡(jiǎn)化成為1根支承螺桿固定于定子鐵芯的懸臂梁結(jié)構(gòu)。由于支承螺桿的長(zhǎng)度相對(duì)較長(zhǎng)，而且其上所附重物(固定塊和匯流環(huán))在浸漆固化后質(zhì)量更大，因此結(jié)構(gòu)所受的靜力矩很大，加之受振動(dòng)的影響，導(dǎo)致螺栓斷裂，對(duì)發(fā)電機(jī)正常工作造成了很大影響。導(dǎo)致該支承螺桿發(fā)生斷裂的最主要原因是發(fā)電機(jī)的振動(dòng)，此時(shí)整個(gè)支承系統(tǒng)受到不同大小和方向的力，當(dāng)支承螺桿受到徑向的剪切力時(shí)最容易發(fā)生斷裂。

發(fā)電機(jī)的振動(dòng)主要分為機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和氣體通風(fēng)振動(dòng)[1]。本文以成都南車電機(jī)有限公司生產(chǎn)的3 300 kW無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)為對(duì)象進(jìn)行分析。發(fā)電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)見表1。

表1 發(fā)電機(jī)的電器參數(shù)

該發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，轉(zhuǎn)速相對(duì)不高，其氣體通風(fēng)振動(dòng)主要是由于氣體渦流使氣體受擾動(dòng)以及氣體壓力的周期性波動(dòng)引起，因此對(duì)于轉(zhuǎn)速不高的凸極發(fā)電機(jī)的氣體振動(dòng)的影響可以忽略不計(jì)。發(fā)電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)主要是由于發(fā)電機(jī)軸承的機(jī)械摩擦或者轉(zhuǎn)子不平衡所導(dǎo)致，在出廠時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)做了詳細(xì)的檢測(cè)，機(jī)械振動(dòng)量不高，各項(xiàng)指標(biāo)均符合要求，由此可知機(jī)械振動(dòng)也并非該發(fā)電機(jī)振動(dòng)的主要因素。發(fā)電機(jī)在試驗(yàn)時(shí)噪聲較大，由此可以判定，該發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)可能是造成該支承螺桿斷裂的最主要原因。

2 發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)的理論分析

發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)是由發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)作用于發(fā)電機(jī)鐵芯產(chǎn)生的電磁力所激發(fā)。定轉(zhuǎn)子之間的相互作用會(huì)在發(fā)電機(jī)的氣隙中產(chǎn)生很多幅值和頻率都不相同的電磁力波，電磁力波的方向?yàn)閺较?。發(fā)電機(jī)鐵芯受電磁力波所產(chǎn)生的形變不僅與其幅值有關(guān)，還和電磁力波的次數(shù)r有關(guān)，鐵芯振動(dòng)的形變量和電磁力波次數(shù)的4次方成反比[2]；由此可見，在分析發(fā)電機(jī)鐵芯所受的電磁力時(shí)，不僅要分析幅值大小，還要對(duì)電磁力波的次數(shù)進(jìn)行分析，r越小，發(fā)電機(jī)鐵芯的形變量就越大。凸極同步發(fā)電機(jī)鐵芯所受電磁力的形變示意圖如圖2所示。

圖2 電磁力波的徑向形變示意圖

根據(jù)麥克斯韋定律，發(fā)電機(jī)氣隙中單位面積的徑向力瞬時(shí)值公式為：

(1)

式中，b(θ,t)為氣隙磁密；μ0為空氣磁導(dǎo)率。

發(fā)電機(jī)電磁振動(dòng)所產(chǎn)生的徑向電磁力波主要包括發(fā)電機(jī)主波磁場(chǎng)在定子軛部單位圓周面積所產(chǎn)生的電磁力波和諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力波。

徑向電磁力波幅值公式為：

阿瑟·特雷斯（1940）。美國(guó)攝影師。從20世紀(jì)60年代開始，他用照片描繪夢(mèng)想和噩夢(mèng)，將現(xiàn)實(shí)變成了個(gè)人質(zhì)疑的幻想，在整個(gè)作品中散布了一種怪誕感，揭示出現(xiàn)在外表和娛樂領(lǐng)域的不愉快和特殊的幕后的社會(huì)。托恩·霍克斯，荷蘭藝術(shù)家。表演者、攝影師和畫家，他創(chuàng)作出既有表演、攝影和繪畫的圖像，同時(shí)具有戲劇化的布景及趣味性的故事片段。他在照片中扮演著，創(chuàng)造出與失敗、困惑和令人驚嘆的場(chǎng)景。他被認(rèn)為是Staged Photography的先驅(qū)之一。

(2)

式中，Bσ為氣隙磁密，Bσ=0.961 T；R1為定子內(nèi)圓半徑；Rj1為定子軛的平均半徑。

該螺栓的截面積S=πR2=0.031 4 m2，所受徑向剪切力F=PS=5 149.6 N。該電磁力波的頻率fr≈2fn=2×150=300 (Hz)。

本公司生產(chǎn)的發(fā)電機(jī)為凸極發(fā)電機(jī)，且q=整數(shù)(轉(zhuǎn)子無阻尼條)，由此可知，諧波電磁振動(dòng)是由定子和轉(zhuǎn)子的諧波磁場(chǎng)相互作用所產(chǎn)生的。定子和轉(zhuǎn)子繞組磁勢(shì)在氣隙中所建立的磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)為：

v=(6k1+1)pk1=±1、±2、±3、…

(3)

μ=(2k2+1)pk2=1、2、3、4、…

(4)

電磁力波次數(shù)為：

r=μ±v

(5)

r=μ+v=2p[(k2+3k1)+1]

(6)

r=μ-v=2p(k2-3k1)

(7)

(8)

(9)

(10)

由上述的分析和計(jì)算可以得出以下結(jié)論。

1)該無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)受到主磁場(chǎng)和諧波磁場(chǎng)的作用，定子軛會(huì)產(chǎn)生幅值較大的徑向剪切力，且諧波的電磁力波極對(duì)數(shù)r=0，使發(fā)電機(jī)的振動(dòng)形變較大。當(dāng)r=0時(shí)，定子軛圓環(huán)的振動(dòng)形式為一伸一縮的脈動(dòng)，如圖3所示。

圖3 r=0時(shí)發(fā)電機(jī)振動(dòng)示意圖

2)由于諧波磁場(chǎng)的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于主磁場(chǎng)的頻率，因此由諧波產(chǎn)生的電磁力波的頻率也非常大。

3)由于螺栓擰入發(fā)電機(jī)的定子軛部，所以支承螺桿受到幅值和頻率很大的徑向剪切力，因此發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)可能是導(dǎo)致其斷裂的最主要原因。

3 新的引線端固定改進(jìn)方案

由上述可知，無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的定子軛在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生很大振動(dòng)，可導(dǎo)致擰在定子軛部的支承螺桿的斷裂，以往解決該故障的方法是增加支承螺桿的數(shù)量。由于支承螺桿擰入定子軛內(nèi)部，當(dāng)其斷裂后，根部以內(nèi)無法從定子軛中取出，給發(fā)電機(jī)維修帶來了很大的困難。針對(duì)上述情況，本文研究了一種新的發(fā)電機(jī)引線端結(jié)構(gòu)，即將支承螺桿(長(zhǎng)度為130 mm)的位置由定子軛部改為定子機(jī)座(見圖4)，以降低支承螺桿在發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的振動(dòng)應(yīng)力。

圖4 改進(jìn)后引線端各支承螺桿的位置示意圖

采用新的徑向固定改進(jìn)方案有以下優(yōu)點(diǎn)。

1)減小了支承螺桿長(zhǎng)度，使得螺桿所受力矩降低，以防止其由于受力太大而斷裂。

2)發(fā)電機(jī)的齒和磁極產(chǎn)生的振動(dòng)幅值往往都小于發(fā)電機(jī)在定子軛部產(chǎn)生的振動(dòng)，由于發(fā)電機(jī)的機(jī)座在設(shè)計(jì)之初都盡量避開與發(fā)電機(jī)定子產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，機(jī)座有降低振動(dòng)的作用，因此把螺桿固定在機(jī)座上可以大大降低其振幅。

3)由于發(fā)電機(jī)振動(dòng)大多為徑向，將支承螺桿固定在機(jī)座上可使原來支承螺桿所受的剪切應(yīng)力變?yōu)閷?duì)支承螺桿的拉力，這樣大大增加了支承螺桿的使用壽命。

4)支承螺桿發(fā)生故障時(shí)可以直接從機(jī)座上取下，便于更換和檢修。

4 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)的理論計(jì)算分析可知，由于發(fā)電機(jī)的電磁振動(dòng)，導(dǎo)致擰在定子軛部的支承螺桿受到頻率和幅值較大的徑向剪切力，進(jìn)而發(fā)生斷裂。改進(jìn)后的方案大大增加了支承螺桿的使用壽命，可以為類似發(fā)電機(jī)故障處理提供一些借鑒。

[1] 王釘.基于有限元的異步電機(jī)電磁振動(dòng)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2012(2):140-144.

[2] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

責(zé)任編輯馬彤

ImprovingProjectoftheLeadTerminalsFasteningforaBrushlessSynchronousGenerator

WANG Ning, GAO Yunxia

(Chengdu CSR Electric Motor Co., Ltd.， Chengdu 610051, China)

The paper described a improving method of terminals fastening for a 3 300 kW brushless synchronous generator made in my company .In the past, most terminals fastening for the locomotive alternator is to fix some support rods in the axial to fasten the fixed system in the stator. Because of the radial electromagnetic vibration, the support rods always break in different degrees. The paper focused on analyzing the electromagnetic vibration in detail and come up with a new project. It can solve the problems effectively which the support rods often break but can not be taken out.

brushless synchronous generator, lead terminals fastening, electromagnetic vibration

TM 302

：A

王寧(1990-)，男，本科，助理工程師，主要從事電動(dòng)機(jī)制造等方面的研究。

2014-08-12