引言

發(fā)動機內(nèi)置式轉子在高速運轉情況下,受到很大的離心力作用,可能出現(xiàn)因轉子結構強度不足而導致電機掃膛或破裂,損傷發(fā)動機的情況。本文以某臺交流發(fā)電機轉子故障為例,對影響轉子結構強度的因素進行了分析和研究。該轉子在工作轉速為33000r/min時發(fā)生故障。本文采用有限元法對33000r/min轉速下的轉子強度進行了分析,并提出了改進措施。

1故障現(xiàn)象

該故障轉子軸(磁輒)采用導磁性能好的電工純鐵DT4材料制作,采用粘結膠將磁鋼粘接在磁輒上;磁輒兩端采用熱壓工藝制作兩塊擋板;形成的轉子組件外圓與護套內(nèi)圓配合加工,保證過盈量在0.01~0.02mm,然后熱壓護套;最后在護套與擋板、擋板與磁輒之間激光焊接形成一個整體結構。轉子各部分材料參數(shù)如表1所示。

發(fā)動機在32000r/min轉速下穩(wěn)定工作1min后,轉速信號電壓在轉速上升階段下降0.3V左右,然后再大幅下降直至信號消失。拆開發(fā)動機后,發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉子已破裂,如圖1所示。

圖1轉子及其故障照片

2轉子故障仿真分析

2.1轉子故障工況仿真

根據(jù)轉子實際工作環(huán)境溫度,對轉子施加120℃溫度載荷和33000r/min離心載荷。分析得出磁鋼的最大應力為11MPa,擋圈的最大應力為835MPa,護套的最大應力為514MPa,均未超過材料的屈服強度極限。而磁輒的旋轉應力約為224MPa,如圖2所示,已經(jīng)超過了磁輒材料的屈服強度極限。

圖2磁輒等效應力

2.2機理分析

根據(jù)有限元仿真結果可以推斷,轉子高速旋轉時磁輒發(fā)生塑性變形,當轉子停轉時,磁輒僅受到護套向內(nèi)的過盈裝配應力,大小僅有21MPa。該應力不足以將磁輒壓回原尺寸,導致轉子與發(fā)動機軸產(chǎn)生間隙,轉子變形為橢圓,經(jīng)過多次旋轉試驗,轉子外徑尺寸會逐漸增大,運轉氣隙逐漸減小,接近極限氣隙,最后在高速運轉時最終導致轉子的高點與發(fā)電機定子掃膛,發(fā)生故障。

2.3故障復現(xiàn)試驗

選取與故障轉子同一批次的轉子與定子裝配進行負載試驗,其定子、轉子的技術狀態(tài)與故障轉子的技術狀態(tài)一致。首先在26000r/min轉速下運行15min,發(fā)電機無異常。隨后增加轉速,每5s轉速上升1000r/min,在31000r/min轉速下運行5s,當轉速由31000r/min上升到32000r/min時,發(fā)生故障。拆開工裝檢查,發(fā)現(xiàn)定子、轉子發(fā)生了掃膛現(xiàn)象,如圖3所示。從發(fā)生掃膛到試驗停止時間在1s之內(nèi),從掃膛后護套的狀態(tài)可以看出,護套已經(jīng)磨破,若再繼續(xù)掃膛護套將會很快被磨掉,磁鋼破碎,該次掃膛現(xiàn)象復現(xiàn)了故障的初始階段,且與仿真分析結果基本一致。

圖3故障復現(xiàn)轉子狀態(tài)

3轉子結構改進及結構強度分析

通過對故障發(fā)電機轉子進行仿真分析,對轉子在設計和選材中存在的問題進行了相應改進,具體改進方案如下:

(1)過盈量由0.01~0.02mm增至0.05~0.06mm:

(2)將轉子磁輒材料由原來的DT4改為屈服強度達800MPa的40CrNiMoA:

(3)為保證護套強度的安全裕量,將護套厚度由1.25mm變?yōu)?.75mm。

對改進后的轉子進行結構力學仿真,在轉速為33000r/min時,護套及磁輒所受應力如圖4所示。

圖4磁輒所受應力

從圖4分析結果可以看出,轉子磁輒的應力約為267MPa,遠小于40CrNiMoA材料的屈服強度835MPa,所以磁輒不會發(fā)生塑性變形。

對改進后的轉子再次進行負載運行試驗,試驗過程順利,故障消除,說明改進措施合理有效。

4結論

本文利用仿真模型,對轉子故障原因進行了分析,并提出了有針對性的改進措施,該方法對高速轉子結構設計具有一定的參考價值。通過此次故障分析,可以得到以下結論:

（1）對于高速永磁發(fā)電機轉子必須考慮溫差對過盈量的影響,通過設計合理的過盈量,保證發(fā)電機在高速運轉時護套與磁鋼不會出現(xiàn)間隙:

（2）對于高速永磁發(fā)電機轉子結構強度設計來說,不僅要考慮護套強度,還需對磁輒、擋圈及磁鋼強度逐一進行校核。