成玲燕，马 丽

应用研究

发电机转子绕组端部固紧结构的设计校核

成玲燕，马 丽

(中船重工电机科技股份有限公司，山西太原 030027)

主要针对发电机转子绕组端部的离心力进行分析，针对性地设计了一种绕组端部的固紧结构——护环、中心环固紧结构，通过对稳态运行工况下的受力分析，并根据相关零部件的胀量确定了护环和中心环尺寸及相应位置的配合公差，最后进行了静态工况下的强度校核。结果表明可确保转子绕组端部可靠固紧。通过本文计算校核，结果表明该型式的绕组端部固紧结构设计合理可行，可为后续电机相似绕组端部固紧结构的设计校核提供借鉴。

离心力 受力分析 稳态 静态 配合公差 强度校核

0 引言

随着市场对大功率发电设备的需求趋增，电机作为发电设备之一，设计容量也日益增大。但随着电机功率的提高，转子铁心直径也逐渐增大。在电机工作时，转子绕组端部离心力会因直径、转速的增大而成倍增大。因此，为了保证电机转子绕组端部不会因离心力作用而飞逸，转子绕组端部固紧尤为重要。

1 端部固紧结构

对转速比较高的电机，随着功率的增大，电机转子外径也随之增加，在电机正常运行时，其转子绕组端部由于自身质量所产生的离心力会很大，为了满足强度要求，我们采用护环、中心环的结构形式固紧绕组端部。下面我们以5 MW、3000 r/min电机为例进行分析计算，其绕组端部护环固紧结构[1]简化模型图如图1。

护环材料：50Mn18Cr5，σ0.2=760MPa，=7.85×103kg/m3、=206GPa、=0.3。

中心环材料：35SiMn-5，σs=735Mpa，=7.85×103kg/m3、=206GPa、=0.3。

2 稳态运行时，转子绕组端部护环受力分析计算

图1 绕组端部固紧结构模型

电机在稳态运行时，护环会受到来自转子绕组端部离心力的作用与因自身质量而产生的离心力（其受力如图2）。

式中：1-绕组端部离心力（N）；2-护环自身重量引起的离心力（N）；1-绕组端部质量（375 kg）；-绕组端部重心作用半径(245 mm)；m2-护环自身质量(185 kg)；-护环重心作用半径(306 mm)；n—电机超速速度（1.25 nN=3750 r/min）

则：1≈14153918 N、2≈8721124 N、1＝1/（2πL）、2＝2/（2πL）

式中：1、2—分别为绕组端部离心力与因本身质量而产生的离心力作用于护环单位长度圆周上的均布载荷。

—护环长（382 mm）。

图2 护环受力图

则护环单位长圆环截面上受力为：

=19070799 N/m

其中-环厚30 mm。

结论：稳态运行时，护环的设计强度是安全可行的。

3 护环与转子本体、中心环及中心环与轴 处配合尺寸的确定

电机稳态运行时，护环在图2所示力的作用下产生径向外伸，而与护环配合接触处的转子本体、中心环也会因自身离心力的作用产生径向外伸。如果各零件配合接触处径向伸长量不一致，则在各配合面处就会有径向间隙，这样就有可能会造成电机在运行到一定转速时各零件在轴上窜动的情况，使电机无法工作。

为了保证电机可靠稳态运行，在设计电机时应考虑使各零部件之间增加装配过盈量，以平衡因离心力而导致的径向间隙。现通过如下计算选定其配合尺寸（各配合面尺寸如图3）：

图3 护环各配合面处尺寸

3.1 各配合处的径向伸长

1）转子体与护环、中心环配合处，其在自身离心力的作用下产生的径向外伸

[2]

与护环配合处的转子本体1=297 mm，则：δ1=2.69x10-5m；

与中心环配合处的转子轴2=180 mm，则：δ2=5.992x10-6m。

2）中心环在自身离心力的作用下内缘和外缘处的径向外伸。

中心环内缘：

中心环外缘：

将2=180 mm，=278 mm代入得：

3=7.337x10-5m，4=6.57x10-5m

3）护环在自身离心力的作用下不同半径处产生的径向外伸：

与中心环配合处

将=278 mm,=320 mm代入得：5=1.60x10-4m；

与转子本体配合处

将=287 mm，1=297 mm，=320 mm代入得：6=1.65x10-4m。

4）护环在转子绕组端部离心力的作用下产生的径向外伸：

将=287 mm，=320 mm代入得：7=2.72x10-4m

3.2 护环、转子本体、中心环各相关配合面处的间隙

护环与转子本体之间间隙：

护环与中心环之间间隙

中心环与转子轴之间间隙：

3.3 各配合面公差的确定

根据各配合面处可能会出现的间隙，并考虑零件加工时所需达到的光洁度要求，查相关手册知：Ra 1.6相当于zmax=10，Ra 3.2相当于zmax=20。

因在装配过程中，配合表面的微观不平度的峰尖会被擦伤或压平一部分，所以其实际有效过盈量应增加配合表面的微观不平度影响。

各配合面处光洁度均取Ra 1.6，则各处实际最小有效过盈量应为：

护环与转子本体S1=s1+2δ1=0.844mm

护环与中心环S2=s2+2δ2=0.7566 mm

中心环与转子轴S3=s3+2δ3=0.159 mm

综合考虑，查相关资料选定各处直径配合为：

4 静态时，护环与中心环受力分析计算

由于护环与转子体、中心环及中心环与轴各处的结合面之间采用过盈配合，所以护环、中心环在静态热套过程中将在结合面处产生很大负荷，为了保证电机的可靠运行，现对其进行强度校核。

1）护环受力分析计算（图4）

根据已选定的护环与转子本体、中心环处的配合公差可知：

图4 护环配合面受力尺寸图

21max=1max=0.8 mm （1max护环与转子本体最大过盈量）

则护环与转子本体配合处

[2]

2）中心环受力分析计算（图5）

图5 中心环配合面受力尺寸图

根据已选定的中心环与转子轴处的配合公差可知：2δ3max=S3max=0.3 mm （S3max中心环与轴最大过盈量）

则转子体与轴配合处

将r2=278 mm，a=180 mm,代入上式得：

经上述校核计算，中心环与转子轴处所选配合是安全可行的。

5 结论

本文经过对稳态工况下的转子绕组端部护环、中心环等固紧结构的受力和分析计算，首先确定了护环、中心环的具体尺寸及与相关配合面处的公差尺寸，同时在静态工况下进行了强度校核，结果表明该型式的绕组端部固紧结构设计合理且可行，可为后续电机相似绕组固紧结构的设计校核提供借鉴。

[1] E·维德曼, W·克伦贝格尔·电机结构[M]. 机械工业出版社, 1976.

[2] 刘鸿文. 材料力学(下册)[M]. 高等教育出版社, 1992: 210-220.

The Check Calculation for Design of the Fastening Structure on Winding End of Generator Rotor

Cheng Lingyan, Ma Li

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology Co., Ltd., Taiyuan 030027, Shanxi, China)

TM341

A

1003-4862（2021）04-0009-03

2020-09-25

成玲燕（1971-），女，高级工程师。研究方向：电机结构设计。E-mail: 773627325@qq.com