無刷電機轉(zhuǎn)子預(yù)應(yīng)力控制研究

秦 媛

（貴州航天林泉電機有限公司，貴陽550081）

0 前言

常規(guī)轉(zhuǎn)子護套材料有不銹鋼1Cr18Ni9Ti、C660和 GH4169［1－3］。 本 文 首 先 通 過 對 1Cr18Ni9Ti、GH4169兩種材料進行理論計算和有限元分析，得到這兩種材料在高溫下變形量的理論值。其次，將1Cr18Ni9Ti、C660和GH4169三種材料與轉(zhuǎn)子組件在不同過盈量配合下進行壓裝試驗，測試不同壓裝力對壓裝后護套外圓變形量的影響 （即不同點圓周跳動）。以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再將壓裝后的轉(zhuǎn)子經(jīng)過150℃高溫處理，復(fù)測其護套外圓變形情況 （即不同點圓周跳動）數(shù)據(jù)。

將理論計算結(jié)果與實際壓裝測量結(jié)果進行對比，找到不同材料的護套在受到不同程度外力作用下，經(jīng)過150℃高溫后，其產(chǎn)生的變形量是否超過0.01mm，以此找到使護套變形的臨界點。

1 理論計算

1.1 轉(zhuǎn)子護套受力分析

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時受到較強的離心力，由于護套與永磁體之間為過盈配合，護套內(nèi)表面受到壓力，永磁體將受到護套內(nèi)表面的壓力以及轉(zhuǎn)子軛外表面壓力，其受力示意圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子護套與磁鋼受力示意圖

其中，a表示永磁體內(nèi)半徑；b為護套和永磁體間的配合半徑；c為護套外半徑；r為永磁體外徑；p1永磁體受護套擠壓后的反作用力；p2為護套與永磁體過盈配合面處產(chǎn)生的靜壓力。

1.2 轉(zhuǎn)子護套材料成分及相關(guān)物理參數(shù)

表1和2分別列出了不銹鋼1Cr18Ni9Ti和高溫合金GH4169兩種材料的組成成分及參數(shù)［4］。

表1 1Cr18Ni9Ti材料參數(shù)

表2 合金GH4169參數(shù)

1.3 靜態(tài)時轉(zhuǎn)子護套與永磁體受力計算

由于轉(zhuǎn)子護套和永磁體均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，不考慮護套和永磁體結(jié)構(gòu)的軸向變形量，可利用彈性力學(xué)上厚壁圓筒理論分析，將二者簡化為兩個過盈配合的厚壁圓柱套筒。假設(shè)護套、永磁體皆受均勻內(nèi)壓作用，即在圖1中，p1＝p2＝ps，可得永磁體所受的徑向力與切向應(yīng)力大小為［2，5－6］：

式中，r為永磁體外徑，且a≤r≤b。

轉(zhuǎn)子護套所受徑向力與切向應(yīng)力大小為：

式中，r為護套內(nèi)徑（大小與永磁體外徑相同），且b≤ r≤ c。

在壓力ps下，轉(zhuǎn)子護套與永磁體之間的過盈量us為［6］：

式中，μm、μe分別為永磁體和轉(zhuǎn)子護套的泊松比；Em、Ee分別為永磁體和轉(zhuǎn)子護套的彈性模量。

計算時，針對同一轉(zhuǎn)子，永磁體使用材料相同，取不同轉(zhuǎn)子護套。假設(shè)壓裝后要求靜態(tài)過盈量均為uσ，則根據(jù)式 （3）可得裝配后不同護套所受的壓力。為方便計算，永磁體的各參數(shù)取值單位分別為Em＝1.0×1011Pa，密度 ρm＝7.4g／cm3，μm＝0.30。

1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護套，取泊松比μe＝0.30，Ee＝2.06×1011Pa，根據(jù)式 （3）可得：

GH4169轉(zhuǎn)子護套，取泊松比 μe＝0.30，Ee＝1.999×1011Pa，由式 （3）可得：

由式（4）和式（5）的計算結(jié)果可知，當過盈量相同時，1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護套比GH4169轉(zhuǎn)子護套所受壓力更大，即轉(zhuǎn)子護套材料為1Cr18Ni9Ti時，其在裝配后所受的靜態(tài)擠壓力較GH4169更大。

1.4 轉(zhuǎn)子護套靜態(tài)應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)子護套靜態(tài)應(yīng)力即過盈壓裝時產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，靜態(tài)預(yù)應(yīng)力過大會使裝配變得困難，甚至破壞轉(zhuǎn)子護套壓裝表面，因此在轉(zhuǎn)子護套壓裝前，需對其進行靜態(tài)預(yù)應(yīng)力計算分析［7，8］。

選取永磁轉(zhuǎn)子參數(shù)：永磁體內(nèi)表面半徑為5mm，外表面半徑為7.75mm，轉(zhuǎn)子護套內(nèi)半徑為7.75mm，外半徑為8.5mm。轉(zhuǎn)子護套壓裝前，按轉(zhuǎn)子護套尺寸參數(shù)配加工永磁體外圓，由于電機旋轉(zhuǎn)時，過盈量越小，護套保護預(yù)壓力就越?。?－11］，在保證過盈量加工可行的情況下，選取半徑方向過盈量為0.005～0.01mm進行分析，仿真中取靜態(tài)過盈量分別為0.005mm和0.01mm。采用接觸有限元法分別對不同轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力及永磁體靜態(tài)預(yù)應(yīng)力進行計算。

1.4.1 0.005mm過盈量時的靜態(tài)應(yīng)力分析

圖2所示為轉(zhuǎn)子護套的靜態(tài)應(yīng)力分析。由圖可知，選取1Cr18Ni9Ti作為轉(zhuǎn)子護套時，其在壓裝后所受的靜態(tài)應(yīng)力較GH4169大，這與理論分析結(jié)果吻合。無論護套取何種材料，其在內(nèi)表面的等效應(yīng)力均為最大，外表面最小。

圖2 0.005mm過盈量轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力分析

基于圖2轉(zhuǎn)子護套的仿真結(jié)果，結(jié)合理論計算分析，選取1Cr18Ni9Ti作為轉(zhuǎn)子護套材料時，永磁體應(yīng)力（切向應(yīng)力）最大，永磁體最小應(yīng)力均在其分段處，如圖3所示。

圖3 永磁體靜態(tài)應(yīng)力

結(jié)合圖2和圖3可知，在過盈量相等的情況下，將轉(zhuǎn)子護套壓裝后，1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護套比GH4169轉(zhuǎn)子護套所受壓力更大，即永磁體所受的力也更大。

1.4.2 0.01mm過盈量時的靜態(tài)應(yīng)力分析

圖4和5分別為0.01mm過盈量時轉(zhuǎn)子護套和永磁體的靜態(tài)應(yīng)力分析。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子護套、永磁體的等效應(yīng)力均有大幅度增加，其中轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力的增加幅度較高；盡管過盈量發(fā)生改變，但轉(zhuǎn)子護套選取1Cr18Ni9Ti時，其在壓裝后的等效應(yīng)力仍較GH4169大，相應(yīng)永磁體所受應(yīng)力也更大。

圖4 0.01mm過盈量轉(zhuǎn)子護套等效應(yīng)力分析

圖5 0.01mm過盈量時永磁體等效應(yīng)力分析

2 實例驗證

2.1 實例靜態(tài)變形驗證

以型號為 TY800的產(chǎn)品為例，下發(fā)不同材料GH4169、1Cr18Ni9Ti的轉(zhuǎn)子護套樣件30件，分別與轉(zhuǎn)子組件進行配合不同過盈量的壓裝力測試，并進行150℃高溫處理前、后轉(zhuǎn)子護套變形情況的測試驗證。TY800轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 TFY800轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

加工高溫合金GH4169材料轉(zhuǎn)子護套，其與轉(zhuǎn)子組件在不同過盈量下，壓裝力大小和壓裝后外圓徑向變形量測試參數(shù)見表3。

表3 GH4169護套壓裝參數(shù)表

使用高溫合金GH4169材料加工的轉(zhuǎn)子護套在最大過盈量（－0.015～－0.01mm）和過盈量為0～＋0.005mm時，其變形量為0～0.009mm，均小于標準小于0.01mm的要求。

加工不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料轉(zhuǎn)子護套，其與轉(zhuǎn)子組件在不同過盈量下，壓裝力大小和壓裝后外圓徑向變形量測試參數(shù)見表4。

表4 1Cr18Ni9Ti護套壓裝參數(shù)表

使用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料加工的轉(zhuǎn)子護套在最大過盈量（－0.015～－0.01mm）和過盈量為0～＋0.005mm時，變形量為0.002～0.017mm，不符合標準高溫后變形量小于0.01mm的要求。

從上述兩個表來看，兩種材料在相同的過盈量下需使用到的壓裝力基本相同，隨著過盈量的增加，其壓裝力也隨之增加，過盈量與壓裝力成正比。

兩種不同材料，在相同過盈或間隙下，經(jīng)過150℃高溫處理后，其變形量也會增加，且過盈量與變形量成正比。但在高溫（150℃）后轉(zhuǎn)子護套外圓變形量卻呈無規(guī)律變化。由表可知，采用高溫合金材料GH4169壓裝后，經(jīng)過150℃高溫，其過盈量均小于0.01mm，但不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti經(jīng)過高溫后，變形量大于高溫合金材料GH4169，這與前期計算結(jié)果相同。

2.2 實例應(yīng)力仿真計算

以產(chǎn)品TY800為例，轉(zhuǎn)子護套設(shè)計選用GH4169高溫合金材料，電機額定轉(zhuǎn)速為125000 r／min，護套厚度1.5mm，過盈量0.01mm。在此設(shè)計參數(shù)下仿真得到護套和磁鋼的應(yīng)力分布分別如圖7和8所示。

從圖7護套應(yīng)力分布圖可以看出，轉(zhuǎn)子護套在工裝轉(zhuǎn)速下，其應(yīng)力最大處集中在磁極隔板處，此處受磁鋼離心力拉伸作用，應(yīng)力較大，此處最大應(yīng)力值達到了357.21MPa，但遠小于高溫合金GH4169的屈服強度極限1200MPa，滿足要求。從圖8可以看出，在坐標系下，磁鋼最大徑向應(yīng)力均小于磁鋼的抗拉強度極限35MPa，也滿足使用要求。轉(zhuǎn)子的護套厚度及過盈量選擇合理。

圖7 護套等效應(yīng)力分布

圖8 永磁體徑向應(yīng)力分布

3 結(jié)論

通過計算、仿真和對樣件的壓裝后變形量測試，結(jié)果證明電機轉(zhuǎn)子護套采用高溫合金材料GH4169時，其穩(wěn)定性、經(jīng)過高溫后的變形量參數(shù)性能均優(yōu)于采用不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti。通過驗證測試，用高溫合金材料GH4169制作的轉(zhuǎn)子護套在與轉(zhuǎn)子組件的過盈量小于0.01mm的情況下，即使經(jīng)過高溫150℃處理后，轉(zhuǎn)子護套仍能滿足外圓變形小于0.01mm的要求。