基于接触非线性理论的高速电机转子过盈配合分析计算

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1、机机电工程技术电工程技术2009年第38卷第08期研究与开发基于接触非线性理论的高速电机转子过盈配合分析计算觹12李冬林，王强（1．湖北工业大学机械工程学院，湖北武汉430068；2．中国船舶重工集团公司712研究所，湖北武汉430064）摘要：根据接触非线性理论，建立了某高速电机转轴、套筒和转子铁芯之间的过盈配合计算模型，较为精确地计算了多个配合接触面之间的接触压力和相应构件的应力与变形情况及从静止到旋转的变化过程，得出了一些有益的结论，为以后的高速电机多个配合面之间过盈量的设计提供了很好的理论依据。关键词：高速转轴；接触非线性；过盈配合中图分类号：TM33文献标识

2、码：A文章编号：1009－9492(2009)08－0097－03PtP＇1引言ijPj＝和Pj＇＝。PnP＇n高速电机的研究是当前国际电工领域的研究热点。由ji于转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功物体A和B在接触点上的柔度方程分别为：m率相同的中低速电机，因此可以有效地节约材料。同时也（δ）＝ΣB］P＇iB［Cijj正是由于转速高，为了减少转子动不平衡对整个电机振动j＝1me带来的影响，转轴上的扭矩基本上都是通过过盈配合来传（δ）＝ΣA］P＋A］f（1）iA［CijjΣ［Cikk［1］递。j＝1k＝1传统的过盈配合的计算公式通常只能考虑单个过盈

3、配其中：j＝1，2…m，表示接触点的数目；（δi）A和（δ）是A和B的接触点i的位移；［CA］和［CB］分别合关系和静止状态下厚壁圆筒的配合关系，对于动态下、iBijij多个过盈配合的计算根本不能解决。本文基于接触非线性是物体A和B在节点i由节点j作用引起的柔度矩阵；fk理论的基础，采用有限元的计算方法，模拟计算出在高速是第k个载荷点的外力向量；e是外载荷点数。离心力的作用下多个接触对之间的关系，得出了更加接近假定接触区域上的接触点对是连续的，接触面上的兼真实的结果，反映了电机转子从静止到高速旋转的变化过容方程为：程，对以后的设计和优化起到很好的指导作用。（δi）A＝

4、（δi）B＋（δi）0（2）2接触非线性的数学模型其中：（δi）0是第i个接触点对的初始间隙向量。由于在接触点上，作用两个物体的接触力必须是大小对于两个弹相等方向相反，即：性接触体A和B，Pj＝－Pj（3）如图1所示，物将式（1）和式（3）代入到（2），可得连续状态点的相容体B上有固定的方程：边界，外力F作mm用在物体A上。Σ（［CijA］＋［CijB］）Pj＝－Σ［CikA］fk＋（δi）0（4）物体A的接触力j＝1k＝1对于滑动状态，假设满足Columb摩擦定律，则：是Pj，物体B上Pt＝μPn（5）的接触力是P＇，jjj这里μ是滑动摩擦系数，对于自由状态的点，在

5、式（4）对于二维情况，图1物体A和B的接触示意图中它们可以表示成：Pj＝0（6）觹湖北省教育厅中青年人才基金项目（编号：Q20081406）收稿日期：2009－04－2797研究与开发机机电工程技术电工程技术2009年第38卷第08期由于在式（4）中，［CA］和［CB］以及［CA］都是ijijik不变的，因此，每次迭代求解只需根据接触点的接触状态，用式（5）或式（6）替代式（4）即可［2］。3过盈配合分析计算3．1几何模型和工况描述高速异步电机的转速为6000r／min，转子几何模型如图2所示，其中转子铁芯套在薄壁套筒上，薄壁套筒再套在有锥度的转轴上。为了有效传递扭矩

6、及运行安全，转轴与薄壁套筒、薄壁套筒与转子铁芯及环之间必须有足够的过盈量，面和面之间有合适的压力。同时由于工艺要求是加热热套，因此转子的加热温度又不能太高，否则会破坏叠片之间的绝缘。按照工艺顺序，转子铁芯和薄壁套筒采用过渡配合先成为一个整体，再将薄壁套筒和转子铁芯、环同时加热使其内径加大0．2mm，然后热套进转轴内。图3有限元模型图4接触对示意图3．2［3～5］计算模型基于非线性接盈量为0；触理论，本文采用接触对3为转子铁芯与薄壁套筒间轴向接触，初始接大型有限元软件触过盈量为0；ANSYS建立物理模接触对4为转子铁芯与薄壁套筒间径向接触，初始接型来模拟这一过程触过盈量

7、为0；并校核设计的合理接触对5为转子铁芯与环间轴向接触，初始接触过盈性。显然，这是一量为0。个轴对称问题，采3．3计算结果及分析用高精度平面2次高速电机的转速达到最高转速时，主要两个传递扭矩单元来进行建模，的接触对1和4之间的正压力分布如图5所示。转轴与薄有限元模型如图3壁套筒径向之间的接触压力平均为16MPa，转子铁芯与薄图2几何模型所示，同时按照实壁套筒径向之间的接触压力平均为6MPa，由于转轴的轴际工况建立图4所向长度大于薄壁套筒的原因，两个接触对的两侧边界上的示的以下五个接触对：接触压力有较大的升高变化。电机在转速为零的情况下，接触对1为转轴