高速異步電機(jī)電磁分析及沖片強(qiáng)度計(jì)算

馮 龍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

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高速異步電機(jī)電磁分析及沖片強(qiáng)度計(jì)算

馮 龍

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002)

本文基于變頻供電與工頻供電下的高速異步電動(dòng)機(jī)電磁參數(shù)的變化規(guī)律，推導(dǎo)出高速異步電機(jī)的電磁結(jié)構(gòu)，并利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，校驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的合理性，進(jìn)而求得高性能的電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

高速異步電動(dòng)機(jī)；電磁結(jié)構(gòu)；轉(zhuǎn)子沖片；強(qiáng)度計(jì)算

1 高速異步電機(jī)電磁分析

電機(jī)的額定參數(shù)：額定電壓為6 000 V，額定功率為4 500 kW，額定轉(zhuǎn)速為4 000 r/min。電機(jī)由變頻器供電，根據(jù)上述額定參數(shù)進(jìn)行電磁分析計(jì)算，如下。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，做如下假設(shè)：第一，略去集膚效應(yīng)。第二，磁路是線性的。第三，略去同步附加轉(zhuǎn)矩。如若電源頻率發(fā)生一定的變化，那么相應(yīng)的等值電路中的相關(guān)參數(shù)也會(huì)隨之發(fā)生一定的變化。以下筆者即針對(duì)等值電路中相關(guān)參數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

1.1 勵(lì)磁電抗Xm和勵(lì)磁電阻Rm

將等值電路中的勵(lì)磁支路電抗用Xm表示，互感系數(shù)用M表示。當(dāng)磁路不飽和時(shí)，M為常數(shù)，也就使得Xm只和電源頻率f1之間呈現(xiàn)出正比關(guān)系，即

(1)

勵(lì)磁電流IFe=PFe/mE1，勵(lì)磁電阻

(2)

一定頻率f1下的電機(jī)鐵耗為：

(3)

CFe=PFeN/(E1N/f1N)2―鐵耗常數(shù)。額定頻率f1N時(shí)的量值均用下標(biāo)1N的數(shù)值予以表示。將公式(3)代入公式(2)得到：

(4)

1.2 定子每相漏電抗X1和有效電阻R1

等值電路中的定子每相漏電抗與有效電阻表示為：

(5)

R1=R1N

(6)

(7)

(8)

1.4 轉(zhuǎn)矩T公式

筆者在忽略了Rm的前提下，推導(dǎo)出更為簡(jiǎn)便的計(jì)算式，也是為了將U1、f1、f2三者之間的函數(shù)關(guān)系更好的反映出來(lái)。

(9)

以上公式分析了變頻供電與工頻供電下的電磁基本參數(shù)變化規(guī)律，根據(jù)以上變化規(guī)律，結(jié)合詳細(xì)電磁設(shè)計(jì)、優(yōu)化，可以確定出線規(guī)、匝數(shù)、定轉(zhuǎn)子三圓及槽型等具體結(jié)構(gòu)尺寸。電磁結(jié)構(gòu)確定后，采用有限元軟件對(duì)其進(jìn)行仿真分析，以再次校驗(yàn)其結(jié)構(gòu)的合理性。

圖1 電磁場(chǎng)分析Fig.1 Electromagnetic field analysis

通過(guò)電磁場(chǎng)分析(圖1)，對(duì)磁密的分布合理性進(jìn)行了校驗(yàn)，確定了各電磁部件的結(jié)構(gòu)尺寸。

2 轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度計(jì)算

電磁結(jié)構(gòu)確定后，由于此電機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，還需對(duì)轉(zhuǎn)子部分(對(duì)于電磁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，主要需校驗(yàn)的部分為轉(zhuǎn)子沖片)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

根據(jù)交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)公式進(jìn)行沖片強(qiáng)度計(jì)算(詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)1)，計(jì)算結(jié)果：計(jì)算應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)許用值。而近年來(lái)的材料較手冊(cè)發(fā)表時(shí)有了很大發(fā)展，所以手冊(cè)公式相比于現(xiàn)有材料來(lái)說(shuō)偏于保守。因此需采用其他方法對(duì)轉(zhuǎn)子沖片強(qiáng)度進(jìn)行校驗(yàn)。轉(zhuǎn)子沖片材料屬性如表1所示。

表1 沖片的材料屬性Tab.1 Material properties of the punch

運(yùn)用有限元分析：由于轉(zhuǎn)子沖片圖形比較復(fù)雜，普通計(jì)算公式不能考慮轉(zhuǎn)子槽、通風(fēng)孔等處所受應(yīng)力，故采用有限元軟件進(jìn)行應(yīng)力分析。建立有限元模型，考慮超速試驗(yàn)4 800r/min(即502.4rad/s)工況進(jìn)行計(jì)算，邊界條件按旋轉(zhuǎn)時(shí)沖片內(nèi)圓與軸沒(méi)有相互作用力考慮。對(duì)沖片模型賦予材料屬性，將沖片進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成386 174個(gè)節(jié)點(diǎn)。將沖片模型進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 沖片通風(fēng)孔處應(yīng)力分布Fig.2 Stress distribution at punch ventilation holes

圖3 沖片槽根處應(yīng)力分布Fig.3 Stress distribution at the root of the punching plate

分析結(jié)果：轉(zhuǎn)子沖片最大應(yīng)力發(fā)生在軸向通風(fēng)孔(超過(guò)材料屈服強(qiáng)度值)和齒根處，高應(yīng)力區(qū)域面積較小，其余部分應(yīng)力值較低。

通過(guò)計(jì)算分析得知，轉(zhuǎn)子沖片局部應(yīng)力集中(主要在軸向通風(fēng)孔處)，而應(yīng)力集中可能發(fā)生的情況為局部屈服或被附近區(qū)域分擔(dān)應(yīng)力。對(duì)于實(shí)際工程應(yīng)用，則主要擔(dān)心應(yīng)力集中處是否會(huì)發(fā)生裂紋，故沖片的材質(zhì)選擇上還要考慮一定的韌性(如面縮率、延伸率、沖擊吸收功等)。

由于此轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速較高，且分析結(jié)果局部應(yīng)力集中，故對(duì)轉(zhuǎn)子沖片結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)4 800r/min轉(zhuǎn)速(2min)后，轉(zhuǎn)子沖片應(yīng)力集中處進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果：無(wú)裂紋產(chǎn)生。

通過(guò)電磁計(jì)算、強(qiáng)度分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，高速異步電機(jī)最終的電磁結(jié)構(gòu)予以確定。

3 結(jié)語(yǔ)

本文筆者通過(guò)對(duì)高速異步電動(dòng)機(jī)電磁結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，利用有限元軟件進(jìn)行仿真分析，所得出最終的電磁結(jié)構(gòu)，正是理論設(shè)計(jì)與仿真取得的理想結(jié)果。也希望通過(guò)筆者的闡述，能夠?yàn)閺V大同行在今后高速異步電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)的研發(fā)上提供有益的理論依據(jù)，能夠更加熟練的掌握電磁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵技術(shù)，不斷提高我國(guó)高速異步電機(jī)的設(shè)計(jì)水平，使我國(guó)高速異步電機(jī)得到更好的發(fā)展。

[1] 湘潭電機(jī)廠.交流電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)·計(jì)算沖片[M].長(zhǎng)沙：湖南人民出版社，1978.

[2] 湯蘊(yùn)璆,史乃.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[3] 鄧先明.無(wú)刷雙饋電機(jī)的電磁分析與設(shè)計(jì)應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[4] 王愛(ài)龍，熊光煜.新型異步電機(jī)設(shè)計(jì)模型的研究[J].微特電機(jī)，2007，(08)：45-47.

Electromagnetic analysis and strength calculation of high speed asynchronous motor

FENG Long

(Jiamusi Electric Co., Ltd., Jiamusi 154002, China)

Based on the variation law of electromagnetic parameters of high speed asynchronous motor under variable frequency power supply, the electromagnetic structure of high speed asynchronous motor is deduced, and the finite element software is used to simulate and analyze the rationality of its structure, so as to obtain high performance electromagnetic structure design.

High speed asynchronous motor; Electromagnetic structure; Rotor punching; Strength calculation

2017-01-19

馮龍(1969-)，男，中級(jí)工程師，本科。

TM922

B

1674-8646(2017)08-0110-02