2022年高平稳发电机的结构设计方案-科技创新论文 .pdf

高平稳发电机的结构设计-科技创新论文高平稳发电机的结构设计熊园梅（江西清华泰豪三波电机有限公司，江西南昌 330096 ）【摘要】高平稳发电机采用2 个轴承，尾部加装飞轮盘，提升发电机的动平衡性能。花键套一端通过平键与转轴装配、固定，另一端与柴油机接口配合、装夹，从而将柴油机和发电机联接在一起、保持相同频率旋转；针对市场上发电机型式的多样，文章介绍了高平稳发电机的结构设计，重点介绍了发电机在平稳性方面的结构设计。关键词高平稳；发电机；结构设计作者简介：熊园梅 (1988.03 )，江西南昌人，本科，主要从事发电机结构设计研究。 0 前言发电机是将其他形式的能源转换成电能、为其他设备提供电源的机械设备。随着数控设备的广泛运用于机加行业，产品的加工精度有了极大的提升，产品的质量随之提高，用户对发电机性能的要求也越来越高；发电机与柴油机配合的精度愈发精密，从而要求转子的动平衡性能和配合精度越来越高。发电机旋转实际就是转子旋转，旋转时会产生巨大的离心力，使转子上的零、部件受到巨大的冲击，若转子的动平衡性能不好，旋转时会产生重心偏离，使转轴和柴油机配合不同轴、容易将花键套扭断，损坏发电机本体。 1 高平稳发电机的概述高平稳发电机主要由前端盖、风扇、主机定子、主机转子、励磁机定子、励精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 7 页磁机转子、轴承和稳速盘等组成，结构简图见图1。为了排除励磁系统与用电系统的相互干扰，进一步提高输出电压波形的品质，提升发电机电磁兼容性；以及励磁源本身的复励特性，提升动态性能，高平稳发电机（以下简称“发电机”）采用无刷正交凸极谐波励磁。发电机工作环境靠近海边，空气潮湿温度高，盐雾浓度高，空气对金属的腐蚀性比内陆强，发电机零、部件采用真空压力浸漆工艺，具有防霉菌生长的能力，提高了发电机的环境适应性和防护性能。零、部件大多采用钢板材料，后端盖为铸造成型、车工精加工保证装配尺寸；箱体总成则为钢板冲压、形成需要的形状，焊接在发电机机座上。由于文章主要介绍发电机工作时，如何更好的确保转子转速平稳升降，定子的结构设计没有转子的影响那么显著，故此次关于定子的结构设计不展开讲解，将转子的零、部件结构设计作为重点研究对象。 2 结构设计特点 2.1 转子支撑设计发电机可以简单的划分为转子和定子两部分，其中定子静止，转子旋转，在二者装配区域添加一个过渡支撑零件轴承。为了更好的与柴油机连接，保证装配精度，发电机采用双轴承支撑结构设计，轴承分别位于定子的前端盖和精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 7 页转子的转轴配合区域、定子的后端盖与转子的转轴配合区域，分布在发电机重心的左右两侧，有效平衡转轴的受力。与单轴承支撑结构相比，双轴承支撑结构设计更合理的将转子支撑起来，两个轴承支撑点将转子按水平方向支撑、放置，转子接口的高度与柴油机接口高度一致，处于同一水平高度，转轴永远与轴心平行；发电机工作时，前端盖和后端盖静止不动，确保与之装配的轴承外圈保持静止，轴承内圈与转轴一起旋转，转子接口高度不发生偏移；轴承装配简单，性能稳定，接口配合精度高。 2.2 高平稳设计发电机工作时转子处于高速旋转的状态，可靠性指标要求平均故障间隔时间MTBF 20000h ，转子的动平衡能力和旋转稳定性能有着极高的要求。转子动平衡校正程度直接影响到发电机的振动等性能指标，而发电机的振动性能又直接影响电机使用寿命及本身的噪声，为了提高动平衡校正精度，根据转子运行不平衡量计算公式其中mper ：允许不平衡量； M ：转子自身重量；r：转子的校正半径；n：转子的转速；G：精度等级；计算出转子不平衡量数值，在风扇、主机转子平衡环等处设置平衡块加载点，确保转子作动平衡实验时不平衡实测值低于公式计算的数字。同时，为了让转子运行的更平稳，在转子右端增加稳定档安装稳定盘，稳定盘可以增大发电机的转动惯量。发电机的转动惯量主要决定发电机的机械相应速度，转动惯量小，响应速度快，一般用于高速响应的场合；而转动惯量大有利于转子抗外界干扰，即转动惯量大，相应速度相对较慢，但是受外界扰动影响小，转子旋转更平稳。根据转动惯量计算公式I=mr2 ，稳定盘质量增加，转动惯量随之增加；但是稳定盘质量增加，转矩亦随之增大，转轴的剪切力也增大，根据精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 7 页转轴，一定要确保稳定盘增加后转子总质量在转轴可承受的范围内。 2.3 花键套结构设计花键套是发电机和柴油机联接的零件。花键套有效将发电机和柴油机转轴联接，保持二者同频率、同向旋转，花键套机加精度的等级决定了与二者的配合精度，特别是内花键的加工精度和硬度直接决定了花键套使用寿命。花键套设计初期，我们参考了很多齿轮配合案例，第一时间请工艺人员审图、提意见，为了提高台阶孔与发电机转轴的配合精度，增大受力能力，防止二者在工作中产生相对旋转，在转轴和台阶孔上增开了键槽，引入平键配合；内花键的规格为 DIN 5480/( N45 2 30 21 9g) ，不是国际通用标准，网上查询不到花键参数，客户只有一台配套的柴油机，通过走访、咨询多家制造厂家，决定采用投影制造法。通过一台高精度投影设备，投影与花键套配合的连接套，用设备采集连接套外花键的投影参数，推算出花键套内花键的参数，通过半精加工高频淬火精加工，并将精加工之后的花键套与连接套装夹、检验。在后期产品跟踪中，发电机噪音小，花键套的使用效果良好。 2.4 转子结构设计该发电机转子分为主机转子和励磁机转子，均是由冲片迭压、线圈绕制而成。此次冲片采用整体式冲片，取消转子支架，通过平键与转轴固定，提升转子冲片与转轴的配合精度，减少空间占有率。主机转子为了确保冲片间线圈之间不干涉，保持一定的形状和间距，待线圈绕制在冲片上结束后，在线圈之间安装 3 个撑块装置， 4 个冲片槽之间均需安装，通过撑块装置中的撑杆将两瓣撑块逐步撑开，保持一定的角度和距离，使线圈张开，导线不会相互接触。励精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 7 页磁机转子上设有通风孔，并且安装有旋转整流模块。主机转子和励磁机转子之间的导线通过 70 喉箍固定在转轴上，当转子高速旋转时，导线和转轴一起旋转，避免在离心力的作用下出现不规则的甩动，消除安全隐患。 2.5 防护罩防水设计发电机技术要求外壳防护等级为IP23 ，外壳需能防止手指或长度不超过80mm的类似物体触及或接近壳内带电或转动部件，能防止直径大于12mm的固体异物进入壳内，并与垂直线成60 角范围内的淋水应无有害影响，即垂直线成60 范围内防淋雨进入。发电机的钢板外壳除了防护罩有通孔，其余部位均为实体，所以外壳的防护等级依靠防护罩保证。为了防止异物进入，我们将防护罩上最小槽口设计为11 30 ，并通过专用模具冲压防护罩形成局部百叶窗，以防护罩安装在前端盖上为例，水平上方部位不开槽；水平方向下面百叶窗单侧形成夹角为70 ，其余部位均匀开小槽口，可以防止垂直线成60 范围内防淋雨进入电机内部，并经雨淋实验验证发电机外壳防护等级满足IP23 的要求。 2.6 风扇设计风扇放置在前端盖内，为了有效的提高发电机的散热速度，我们将风叶按一定角度摆放，这种设计不仅使发电机的结构紧凑，也有利于散热风道的流畅，有效提高散热速度。发电机中风扇最大的作用就是降低发电机的温度，最大流量 qvm=0.42A DN/60 ，风扇的尺寸越大，最大流量越大，散热速度越快；同理转子转速越快， 散热速 度 越快。 由于发电机技术要求明确了 转速为1500r/min,所以在转轴承受范围内，我们将风扇的尺寸设计偏大，并将叶片下部镂空，降低风扇重量，增大风扇散热效率。由于焊接风扇存在焊接应力，容精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 7 页易产生加工质量问题，并且长期工作后易出现开裂现象，故而发电机采用铸铝风扇。 3 结论通过上述方案的实施，我公司设计制造了30kW 三相无刷同步发电机，该发电机平稳性能明显优于同类型产品，噪声小，振动小，防雨淋效果好，与柴油机配合精度高，承受突加突减能力突出，各项电气性能指标良好，抗腐蚀性能好，环境适应性和防护性能强，市场应用领域广阔。参考文献陈世坤 . 电机设计 M. 北京：机械工业出版社，2004. 杨万青 ,陈兴卫 . 电机实用设计技术 M. 北京：机械工业出版社，2014. 黄国治 . 傅丰礼 . 中小型旋转电机手册S. 北京：中国电力出版社，2007. 责任编辑：曹明明精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 7 页精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 7 页