碳纖維護(hù)套高強(qiáng)度利用率轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

張 杰，晏才松，曾 純

(湖南中車尚驅(qū)電氣有限公司，株洲 412000)

0 引 言

隨著新領(lǐng)域市場(chǎng)需求的出現(xiàn)和國(guó)產(chǎn)化替代需要，比如氫燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域、天然氣輸送領(lǐng)域、化工隔爆壓縮流體市場(chǎng)、生物醫(yī)藥制藥領(lǐng)域、造紙機(jī)械領(lǐng)域、污水處理領(lǐng)域，都需要高速直驅(qū)系統(tǒng)替代原有的電機(jī)加齒輪箱模式[1-6]。高速直驅(qū)系統(tǒng)的核心關(guān)鍵部件是高速永磁電機(jī)，隨著高速永磁電機(jī)朝著大電機(jī)高功率化和小電機(jī)超高轉(zhuǎn)速化發(fā)展，轉(zhuǎn)子的表面線速度也相應(yīng)逐步提高(≥200 m/s)，常見(jiàn)的內(nèi)嵌式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和合金套筒表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)因材料本身的比強(qiáng)度原因，在更高轉(zhuǎn)子表面線速度的應(yīng)用場(chǎng)景中受到限制[7-8]。比強(qiáng)度高的碳纖維復(fù)合材料可以應(yīng)用在表面線速度更高的轉(zhuǎn)子上，但是碳纖維復(fù)合材料屬于熱的不良導(dǎo)體，在滿足使用要求時(shí)需盡可能降低護(hù)套厚度[9]。

碳纖維護(hù)套表貼式轉(zhuǎn)子裝配方式一般是通過(guò)液氮冷卻轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷套裝配工藝，因此碳纖維護(hù)套與電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配時(shí)過(guò)盈量有限，僅利用了碳纖維護(hù)套很小的強(qiáng)度性能。通過(guò)轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冷套后再脹大空心轉(zhuǎn)軸，進(jìn)一步提高碳纖維護(hù)套與轉(zhuǎn)軸的過(guò)盈量，可以把碳纖維護(hù)套的強(qiáng)度使用率進(jìn)一步提高。同時(shí)考慮電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子給碳纖維護(hù)套的熱應(yīng)力，碳纖維護(hù)套的理論強(qiáng)度利用率會(huì)超過(guò)80%。但是在碳纖維護(hù)套高強(qiáng)度使用率的情況下，碳纖維護(hù)套實(shí)際應(yīng)用情況未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道，本論文就碳纖維護(hù)套高強(qiáng)度利用率進(jìn)行較系統(tǒng)的應(yīng)用探究。

1 有限元建模分析

在實(shí)際轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，為了確保碳纖維護(hù)套完全覆蓋磁鋼部分，碳纖維護(hù)套會(huì)長(zhǎng)于磁鋼長(zhǎng)度。模擬實(shí)際轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，我們?cè)O(shè)計(jì)了縮小版的與軸肩平齊結(jié)構(gòu)的超速試驗(yàn)轉(zhuǎn)子，如圖1示。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，在有限元軟件ANSYS經(jīng)典界面中建立30°模型進(jìn)行分析，如圖2所示。材料屬性設(shè)置如表1所示。

圖1 護(hù)套與軸肩平齊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子圖

圖2 護(hù)套與軸肩平齊結(jié)構(gòu)有限元分析30°模型

表1 材料屬性設(shè)置數(shù)據(jù)

轉(zhuǎn)速梯度設(shè)置為25 000 r/min、30 000 r/min、35 000 r/min。仿真結(jié)果如表2所示，不同轉(zhuǎn)速下的應(yīng)力云圖分布基本一致，只是數(shù)值上的差異。

表2 不同轉(zhuǎn)速下碳纖維護(hù)套的應(yīng)力值

從圖3 碳纖維護(hù)套環(huán)向應(yīng)力云圖可以看出，在35 000 r/min情況下，整個(gè)護(hù)套都呈現(xiàn)拉應(yīng)力，以抵消磁鋼產(chǎn)生的高速離心力。碳纖維護(hù)套環(huán)向最大應(yīng)力為1 650 MPa，低于其強(qiáng)度2 800 MPa，護(hù)套沒(méi)有被破壞的風(fēng)險(xiǎn)。碳纖維護(hù)套軸向強(qiáng)度主要由樹(shù)脂基體提供，其軸向強(qiáng)度為33.5 MPa，但是圖4、圖5顯示在軸肩與磁鋼交界處，存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，即使在相對(duì)低轉(zhuǎn)速情況下，也接近其強(qiáng)度的3倍，此工況下碳纖維護(hù)套存在被破壞的可能。分析發(fā)現(xiàn)，磁鋼與轉(zhuǎn)軸交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象是因?yàn)樽o(hù)套與轉(zhuǎn)軸是過(guò)盈配合，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，磁鋼因自身離心力的作用會(huì)逐漸抵消掉護(hù)套對(duì)其的預(yù)緊力，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，磁鋼開(kāi)始對(duì)護(hù)套產(chǎn)生壓應(yīng)力，而護(hù)套與軸肩接觸部分一直保持過(guò)盈壓緊狀態(tài)，碳纖維護(hù)套呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)，因此在磁鋼與轉(zhuǎn)軸交界處產(chǎn)生很大的剪切應(yīng)力。

圖3 35 000 r/min碳纖維護(hù)套環(huán)向應(yīng)力云圖

圖4 35 000 r/min碳纖維護(hù)套軸向內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖

圖5 35 000 r/min碳纖維護(hù)套軸向外側(cè)應(yīng)力云圖

2 護(hù)套與軸肩平齊結(jié)構(gòu)超速試驗(yàn)

有限元仿真對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有很大的指導(dǎo)作用，但是，材料屬性的設(shè)定、建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)定、工況的加載等與實(shí)際運(yùn)行時(shí)往往有一定的差異，有可能反應(yīng)不出實(shí)際運(yùn)行情況。針對(duì)仿真出現(xiàn)的磁鋼與轉(zhuǎn)軸軸肩交界處出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，我們按仿真建模尺寸制作了實(shí)際的轉(zhuǎn)子，采取與轉(zhuǎn)軸軸肩平齊結(jié)構(gòu)，通過(guò)液氮冷套好碳纖維護(hù)套，如圖6所示。

圖6 碳纖維護(hù)套

試驗(yàn)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升至25 000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行30 min，停機(jī)取出轉(zhuǎn)子，觀察護(hù)套外表面，發(fā)現(xiàn)磁鋼與軸肩交界處的護(hù)套外表面已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的裂縫，如圖所示7所示，這也印證了前面仿真的結(jié)果，碳纖維護(hù)套軸向損壞。

圖7 25 000 r/min轉(zhuǎn)速下碳纖維護(hù)套開(kāi)裂

試驗(yàn)轉(zhuǎn)子繼續(xù)加速到30 000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行30 min，停機(jī)取出轉(zhuǎn)子，觀察護(hù)套外表面，發(fā)現(xiàn)碳纖維護(hù)套裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大，如圖8所示，同時(shí)試驗(yàn)設(shè)備周邊發(fā)現(xiàn)脫落的碳纖維絲，此時(shí)護(hù)套整體還未被破壞。

圖8 30 000 r/min碳纖維護(hù)套開(kāi)裂程度加劇

試驗(yàn)轉(zhuǎn)子繼續(xù)進(jìn)行升速試驗(yàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到32 880 r/min時(shí)，整個(gè)轉(zhuǎn)子被破壞。破壞后的轉(zhuǎn)子如圖9、圖10所示。

圖9 32 880 r/min轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)子整體被破壞

圖10 破壞后轉(zhuǎn)子磁鋼粉末和碳纖維護(hù)套碎屑

通過(guò)前面仿真分析可知，在轉(zhuǎn)速32 880 r/min下碳纖維護(hù)套環(huán)向應(yīng)力并沒(méi)有超過(guò)護(hù)套環(huán)向的強(qiáng)度，但碳纖維護(hù)套開(kāi)裂處已有散落的纖維絲，碳纖維護(hù)套的結(jié)構(gòu)完整性已經(jīng)遭到破壞，護(hù)套整體性能被削弱了。在進(jìn)一步加速過(guò)程中，磁鋼施加給護(hù)套的離心力進(jìn)一步增大，護(hù)套喪失了結(jié)構(gòu)完整性，無(wú)法均勻地使磁鋼施加給護(hù)套的離心力分散到整個(gè)護(hù)套，即使離心力遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到護(hù)套的強(qiáng)度，護(hù)套也被破壞。

3 護(hù)套與磁鋼平齊結(jié)構(gòu)超速試驗(yàn)

鑒于護(hù)套與轉(zhuǎn)軸軸肩平齊結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中效應(yīng)的結(jié)構(gòu)缺陷，通過(guò)工裝軸向輔助定位碳纖維護(hù)套，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種護(hù)套結(jié)構(gòu)形式，即護(hù)套與磁鋼平齊結(jié)構(gòu)，如圖11和圖12所示。對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真，材料屬性和邊界條件等設(shè)置和前面仿真一樣，計(jì)算結(jié)果如表3所示，應(yīng)力云圖如圖13～圖15所示。從有限元仿真結(jié)果可以看出，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，碳纖維護(hù)套抵消磁鋼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力的面積少了，同樣轉(zhuǎn)速下環(huán)向應(yīng)力較優(yōu)化前上升明顯，但即使到最高轉(zhuǎn)速也沒(méi)有超過(guò)碳纖維護(hù)套的強(qiáng)度。同時(shí)，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，軸向沒(méi)有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，說(shuō)明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)可以更充分利用碳纖維護(hù)套的性能。

圖11 護(hù)套與磁鋼平齊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖

圖12 護(hù)套與磁鋼平齊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子實(shí)物

表3 不同轉(zhuǎn)速下碳纖維護(hù)套的應(yīng)力值

圖13 護(hù)套與磁鋼平齊35 000 r/min時(shí)環(huán)向應(yīng)力云圖

圖14 護(hù)套與磁鋼平齊35 000 r/min時(shí)軸向內(nèi)側(cè)應(yīng)力云圖

圖15 護(hù)套與磁鋼平齊35 000 r/min時(shí)軸向外側(cè)應(yīng)力云圖

用優(yōu)化設(shè)計(jì)后的試驗(yàn)轉(zhuǎn)子進(jìn)行和前面一樣的試驗(yàn)，驗(yàn)證優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)的合理性。額定試驗(yàn)速度25 000 r/min穩(wěn)定運(yùn)行30 min，停機(jī)取出轉(zhuǎn)子，護(hù)套邊緣無(wú)明顯異常，見(jiàn)圖16。轉(zhuǎn)速升到30 000 r/min,穩(wěn)定運(yùn)行30 min，停機(jī)觀察轉(zhuǎn)子護(hù)套邊緣，無(wú)明顯異常，見(jiàn)圖17。繼續(xù)升速至35 000 r/min，穩(wěn)定運(yùn)行30 min。停機(jī)取出轉(zhuǎn)子，護(hù)套邊緣以及整個(gè)護(hù)套都無(wú)明顯異常，見(jiàn)圖18。因此優(yōu)化設(shè)計(jì)后的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以更充分地利用碳纖維護(hù)套的性能。

圖17 護(hù)套與磁鋼平齊轉(zhuǎn)子30 000 r/min后狀態(tài)

圖16 護(hù)套與磁鋼平齊轉(zhuǎn)子25 000 r/min后狀態(tài)

圖18 護(hù)套與磁鋼平齊轉(zhuǎn)子35 000 r/min后狀態(tài)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文研究2種常見(jiàn)表貼式高速永磁電機(jī)碳纖維護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真分析和實(shí)際的超速試驗(yàn)相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)碳纖維護(hù)套與轉(zhuǎn)軸軸肩平齊結(jié)構(gòu)，碳纖維理論強(qiáng)度利用率較低，但在磁鋼與轉(zhuǎn)軸軸肩交界處存在嚴(yán)重的剪切應(yīng)力集中，致使護(hù)套開(kāi)裂，隨著轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，該裂紋會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大并造成碳纖維的脫落，削弱碳纖維護(hù)套整體性能，在沒(méi)有達(dá)到碳纖維護(hù)套強(qiáng)度時(shí)，碳纖維護(hù)套被破壞，進(jìn)而造成整個(gè)轉(zhuǎn)子被破壞。對(duì)碳纖維護(hù)套進(jìn)行優(yōu)化，使護(hù)套與磁鋼齊平，有限元仿真和實(shí)際超速試驗(yàn)都證明了優(yōu)化后轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的合理性。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)在軸向上的應(yīng)力很小，雖然因碳纖維整體用量的減少而使碳纖維護(hù)套環(huán)向應(yīng)力上升，但仍在碳纖維護(hù)套強(qiáng)度范圍內(nèi)。