变速电机转子临界转速问题分析Word文档格式.docx
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第一步刚度计算,主要是保证转轴的挠度必须在允许的范围内。
首先我们分别从转轴两端支承点的边界状态参数开始,根据连续性原理及相邻轴段在截面处的状态参数的约束条件,推出下一轴段的状态参数,直到转子铁心中心点,然后由转子本身质量和单边磁拉力引起的转轴挠度,来确定最终转子铁心中心处的总挠度;
第二步临界转速的计算,目的是为了与转子额定工作转速相比较,判断电机在正常工作情况下是否引起共振。
算例:
Y3-3553-2,450KW,380V电动机,铁心长度Lfe=630mm,转子外径ΦD2=Φ372.8mm,转子冲片通风孔底径Φdi2=Φ160mm,气隙δ=3.6mm,转轴尺寸图34:
图34
(1)轴的左边部分参数计算:
序号
Φdi(见图)
Xi(见图)
Xi3
Xi3-X3i-1
Ji(惯性矩)
(Xi3-X3i-1)/Ji
1
9.5
3.7
50.65
406.5
0.125
2
10.8
9.85
955.67
905.02
670.2
1.35
3
12
15.35
3616.81
2661.14
1020
2.61
4
13
35.35
44174.16
40557.345
1400
28.97
5
16
66.85
298747.47
254573.309
3220
79
S1=Σ(xi3-x3i-1)/Ji=112.12
(2)轴的右半部分参数计算:
2.1
9.26
0.02
8.2
551.37
542.11
0.81
20.15
8181.35
7629.98
7.48
13.8
35.15
43428.62
35247.27
1780
19.8
66.65
296074.13
252645.51
78.46
S2=Σ(xi3-x3i-1)/Ji=106.57
其中,JI为惯性矩,是一个圆整后的数值。
(3)转子重量G的估算:
轴
G1=πΦD22*Lfe*7.8*10-6
ΦD2-——转子外径,Lfe——铁心长度
G1=π*372.82*630*7.8*10-6=536kg
(4)由于转子重量产生的挠度fa:
fa=(L22*S1+L12*S2)
由于转轴采用的材料是45号钢,这样其弹性模量E取值为2.1*106kg/cm
fa=(66.652*112.12+66.852*106.57)
fa=0.00465cm
(5)确定转子的额定偏心矩e0,取10%的电机单边气隙值
e0=0.1*δ=0.1*0.36=0.036cm
(6)单边磁拉力Q0的估算:
Q0=0.3*ΦD2*Lfe
Q0=0.3*37.28*63=704.59kg
(7)计算与单边磁拉力成比例的转轴挠度f0:
f0=fa*
f0=0.00465*=0.0061cm
(8)确定因单边磁拉力在转轴上的最后挠度fm:
fm=f0/(1-m)
其中:
系数m为单边磁拉力挠度与转子额定偏心距比率
故:
fm=0.0061/(1-0.17)=0.0073cm
(9)转子铁心中心处的总挠度为:
f=fa+fm
f=0.00465+0.0073=0.0119cm
(10)求挠度与气隙的比值:
f/δ=0.0119/0.36=3.3%
(11)最后计算转轴的一阶临界转速为:
nk=300
nk=300=4008r/min
(12)临界转速与额定转速的比值:
假定2极电动机变频的最高频率为60HZ,
nk/n0=4008/3600=1.113<
1.3
由此我们判断:
该转轴的额定转速接近其一阶临界转速,易出现共振。
3计算结果分析
转轴的最大挠度与气隙的百分比f/δ按照一般感应电动机必须小于10%的要求,转轴的挠度是可行的。
按照变频时,2P电动机最高频率为60HZ,4P~10P电动机最高频率为100HZ,则一阶临界转速与同步转速的比值nk/n0见上表;
按照临界转速必须高出工作转速30%的要求,则除Y355-2,450KW一个规格外,其余规格都满足要求。
4解决方案
针对Y355-2,450KW的一阶临界转速不能满足要求的情况,我们提出具体3种具体解决方案,分别进行分析计算:
①降低功率等级,缩短机座长度的方案;
②加大转轴直径尺寸的方案;
③柔性轴设计方案。
(1)方案一:
降低功率等级,缩短机座长度。
a)在不改变原转轴设计尺寸的情况下,降低功率等级,对Y355-2,400KW,355KW两个规格进行核算,核算结果如下:
表7
型号规格
f/δ
nk(r/min)
nk/n0
Y355-2,400KW
3%
4122
1.145
Y355-2,355KW
4320
1.20
其一阶临界转速都不能满足要求。
b)将Y355-2,400KW转轴尺寸按450KW,400KW的铁心长度缩短△L=630-580=50mm来重新试算,结果如下:
表8
2.87%
4341
1.21
其一阶临界转速也不能满足要求。
c)再将Y355-2,355KW转轴尺寸按铁心长度缩短△L’=630-500=130mm来试算,结果如下:
表9
2.3%
4899
1.36
其一阶临界转速可以满足要求。
(2)方案二:
加大转轴直径尺寸的方案。
将铁心档轴径加大10mm计算,计算结果如下:
表10
2.4%
4763
1.32
Y355-2,450KW
2.5%
4664
1.29
(3)方案三:
柔性轴设计方案。
柔性轴一般在滑动轴承结构中使用,而滚动轴承结构无油膜阻尼和自动调心功能,所以在电机设计中H450机座号以下均采用滚动轴承和刚性轴结构设计。
故此方案不予考虑。
5建议与结论
(1)对于方案二,加大转轴直径后,转子冲片内径由Φ130mm加大到Φ140mm,重新对Y355-2,355KW,400KW,450KW三个规格进行电磁方案计算,核算其转子轭部磁密和电磁性能指标,见下表:
表11
转子内径ΦD02(mm)
转子轭部磁密Brc(GS)
空载电流Im(A)
功率因数Pf
Y355-2355KW
Φ130
10201
121.2
0.926
Φ140
10382
Y355-2
400KW
11646
163.0
0.814
11863
163.1
0.914
450KW
10166
151.0
0.931
10347
可见对电动机各参数和主要性能指标影响甚小,可以满足要求。
(2)对于方案一,Y355-2,450KW,400KW两个规格由于其一阶临界转速不能满足5~60HZ的调速要求,必须放入到H400机座。
Y355-2,355KW的机座长度必须在原Y3基本系列设计的基础上减短130mm,才能使其一阶临界转速满足要求。
方案比较:
对于方案二,可以保证系列型谱与基本系列一致,但必须重开H355-2转子冲片内圆落料模;
对于方案一,可以通用所有基本系列冲片模具,但必须更改H355-2机座铸造模,而且H355-2的功率等级降低2级。
对于目前国内大多数生产厂家来说,重开转子冲片内圆落料模比重开机座铸造模来说要容易做到,所以推荐方案二。