秦 媛

（貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽(yáng)550081）

0 前言

常規(guī)轉(zhuǎn)子護(hù)套材料有不銹鋼1Cr18Ni9Ti、C660和 GH4169［1－3］。 本 文 首 先 通 過(guò) 對(duì) 1Cr18Ni9Ti、GH4169兩種材料進(jìn)行理論計(jì)算和有限元分析，得到這兩種材料在高溫下變形量的理論值。其次，將1Cr18Ni9Ti、C660和GH4169三種材料與轉(zhuǎn)子組件在不同過(guò)盈量配合下進(jìn)行壓裝試驗(yàn)，測(cè)試不同壓裝力對(duì)壓裝后護(hù)套外圓變形量的影響 （即不同點(diǎn)圓周跳動(dòng)）。以此作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，再將壓裝后的轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)150℃高溫處理，復(fù)測(cè)其護(hù)套外圓變形情況 （即不同點(diǎn)圓周跳動(dòng)）數(shù)據(jù)。

將理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際壓裝測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，找到不同材料的護(hù)套在受到不同程度外力作用下，經(jīng)過(guò)150℃高溫后，其產(chǎn)生的變形量是否超過(guò)0.01mm，以此找到使護(hù)套變形的臨界點(diǎn)。

1 理論計(jì)算

1.1 轉(zhuǎn)子護(hù)套受力分析

轉(zhuǎn)子在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)受到較強(qiáng)的離心力，由于護(hù)套與永磁體之間為過(guò)盈配合，護(hù)套內(nèi)表面受到壓力，永磁體將受到護(hù)套內(nèi)表面的壓力以及轉(zhuǎn)子軛外表面壓力，其受力示意圖如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子護(hù)套與磁鋼受力示意圖

其中，a表示永磁體內(nèi)半徑；b為護(hù)套和永磁體間的配合半徑；c為護(hù)套外半徑；r為永磁體外徑；p1永磁體受護(hù)套擠壓后的反作用力；p2為護(hù)套與永磁體過(guò)盈配合面處產(chǎn)生的靜壓力。

1.2 轉(zhuǎn)子護(hù)套材料成分及相關(guān)物理參數(shù)

表1和2分別列出了不銹鋼1Cr18Ni9Ti和高溫合金GH4169兩種材料的組成成分及參數(shù)［4］。

表1 1Cr18Ni9Ti材料參數(shù)

表2 合金GH4169參數(shù)

1.3 靜態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子護(hù)套與永磁體受力計(jì)算

由于轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁體均為環(huán)形結(jié)構(gòu)，不考慮護(hù)套和永磁體結(jié)構(gòu)的軸向變形量，可利用彈性力學(xué)上厚壁圓筒理論分析，將二者簡(jiǎn)化為兩個(gè)過(guò)盈配合的厚壁圓柱套筒。假設(shè)護(hù)套、永磁體皆受均勻內(nèi)壓作用，即在圖1中，p1＝p2＝ps，可得永磁體所受的徑向力與切向應(yīng)力大小為［2，5－6］：

式中，r為永磁體外徑，且a≤r≤b。

轉(zhuǎn)子護(hù)套所受徑向力與切向應(yīng)力大小為：

式中，r為護(hù)套內(nèi)徑（大小與永磁體外徑相同），且b≤ r≤ c。

在壓力ps下，轉(zhuǎn)子護(hù)套與永磁體之間的過(guò)盈量us為［6］：

式中，μm、μe分別為永磁體和轉(zhuǎn)子護(hù)套的泊松比；Em、Ee分別為永磁體和轉(zhuǎn)子護(hù)套的彈性模量。

計(jì)算時(shí)，針對(duì)同一轉(zhuǎn)子，永磁體使用材料相同，取不同轉(zhuǎn)子護(hù)套。假設(shè)壓裝后要求靜態(tài)過(guò)盈量均為uσ，則根據(jù)式 （3）可得裝配后不同護(hù)套所受的壓力。為方便計(jì)算，永磁體的各參數(shù)取值單位分別為Em＝1.0×1011Pa，密度 ρm＝7.4g／cm3，μm＝0.30。

1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護(hù)套，取泊松比μe＝0.30，Ee＝2.06×1011Pa，根據(jù)式 （3）可得：

GH4169轉(zhuǎn)子護(hù)套，取泊松比 μe＝0.30，Ee＝1.999×1011Pa，由式 （3）可得：

由式（4）和式（5）的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)過(guò)盈量相同時(shí)，1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護(hù)套比GH4169轉(zhuǎn)子護(hù)套所受壓力更大，即轉(zhuǎn)子護(hù)套材料為1Cr18Ni9Ti時(shí)，其在裝配后所受的靜態(tài)擠壓力較GH4169更大。

1.4 轉(zhuǎn)子護(hù)套靜態(tài)應(yīng)力分析

轉(zhuǎn)子護(hù)套靜態(tài)應(yīng)力即過(guò)盈壓裝時(shí)產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力，靜態(tài)預(yù)應(yīng)力過(guò)大會(huì)使裝配變得困難，甚至破壞轉(zhuǎn)子護(hù)套壓裝表面，因此在轉(zhuǎn)子護(hù)套壓裝前，需對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)預(yù)應(yīng)力計(jì)算分析［7，8］。

選取永磁轉(zhuǎn)子參數(shù)：永磁體內(nèi)表面半徑為5mm，外表面半徑為7.75mm，轉(zhuǎn)子護(hù)套內(nèi)半徑為7.75mm，外半徑為8.5mm。轉(zhuǎn)子護(hù)套壓裝前，按轉(zhuǎn)子護(hù)套尺寸參數(shù)配加工永磁體外圓，由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，過(guò)盈量越小，護(hù)套保護(hù)預(yù)壓力就越小［9－11］，在保證過(guò)盈量加工可行的情況下，選取半徑方向過(guò)盈量為0.005～0.01mm進(jìn)行分析，仿真中取靜態(tài)過(guò)盈量分別為0.005mm和0.01mm。采用接觸有限元法分別對(duì)不同轉(zhuǎn)子護(hù)套等效應(yīng)力及永磁體靜態(tài)預(yù)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

1.4.1 0.005mm過(guò)盈量時(shí)的靜態(tài)應(yīng)力分析

圖2所示為轉(zhuǎn)子護(hù)套的靜態(tài)應(yīng)力分析。由圖可知，選取1Cr18Ni9Ti作為轉(zhuǎn)子護(hù)套時(shí)，其在壓裝后所受的靜態(tài)應(yīng)力較GH4169大，這與理論分析結(jié)果吻合。無(wú)論護(hù)套取何種材料，其在內(nèi)表面的等效應(yīng)力均為最大，外表面最小。

圖2 0.005mm過(guò)盈量轉(zhuǎn)子護(hù)套等效應(yīng)力分析

基于圖2轉(zhuǎn)子護(hù)套的仿真結(jié)果，結(jié)合理論計(jì)算分析，選取1Cr18Ni9Ti作為轉(zhuǎn)子護(hù)套材料時(shí)，永磁體應(yīng)力（切向應(yīng)力）最大，永磁體最小應(yīng)力均在其分段處，如圖3所示。

圖3 永磁體靜態(tài)應(yīng)力

結(jié)合圖2和圖3可知，在過(guò)盈量相等的情況下，將轉(zhuǎn)子護(hù)套壓裝后，1Cr18Ni9Ti轉(zhuǎn)子護(hù)套比GH4169轉(zhuǎn)子護(hù)套所受壓力更大，即永磁體所受的力也更大。

1.4.2 0.01mm過(guò)盈量時(shí)的靜態(tài)應(yīng)力分析

圖4和5分別為0.01mm過(guò)盈量時(shí)轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁體的靜態(tài)應(yīng)力分析。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子護(hù)套、永磁體的等效應(yīng)力均有大幅度增加，其中轉(zhuǎn)子護(hù)套等效應(yīng)力的增加幅度較高；盡管過(guò)盈量發(fā)生改變，但轉(zhuǎn)子護(hù)套選取1Cr18Ni9Ti時(shí)，其在壓裝后的等效應(yīng)力仍較GH4169大，相應(yīng)永磁體所受應(yīng)力也更大。

圖4 0.01mm過(guò)盈量轉(zhuǎn)子護(hù)套等效應(yīng)力分析

圖5 0.01mm過(guò)盈量時(shí)永磁體等效應(yīng)力分析

2 實(shí)例驗(yàn)證

2.1 實(shí)例靜態(tài)變形驗(yàn)證

以型號(hào)為 TY800的產(chǎn)品為例，下發(fā)不同材料GH4169、1Cr18Ni9Ti的轉(zhuǎn)子護(hù)套樣件30件，分別與轉(zhuǎn)子組件進(jìn)行配合不同過(guò)盈量的壓裝力測(cè)試，并進(jìn)行150℃高溫處理前、后轉(zhuǎn)子護(hù)套變形情況的測(cè)試驗(yàn)證。TY800轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 TFY800轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

加工高溫合金GH4169材料轉(zhuǎn)子護(hù)套，其與轉(zhuǎn)子組件在不同過(guò)盈量下，壓裝力大小和壓裝后外圓徑向變形量測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 GH4169護(hù)套壓裝參數(shù)表

使用高溫合金GH4169材料加工的轉(zhuǎn)子護(hù)套在最大過(guò)盈量（－0.015～－0.01mm）和過(guò)盈量為0～＋0.005mm時(shí)，其變形量為0～0.009mm，均小于標(biāo)準(zhǔn)小于0.01mm的要求。

加工不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料轉(zhuǎn)子護(hù)套，其與轉(zhuǎn)子組件在不同過(guò)盈量下，壓裝力大小和壓裝后外圓徑向變形量測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 1Cr18Ni9Ti護(hù)套壓裝參數(shù)表

使用不銹鋼1Cr18Ni9Ti材料加工的轉(zhuǎn)子護(hù)套在最大過(guò)盈量（－0.015～－0.01mm）和過(guò)盈量為0～＋0.005mm時(shí)，變形量為0.002～0.017mm，不符合標(biāo)準(zhǔn)高溫后變形量小于0.01mm的要求。

從上述兩個(gè)表來(lái)看，兩種材料在相同的過(guò)盈量下需使用到的壓裝力基本相同，隨著過(guò)盈量的增加，其壓裝力也隨之增加，過(guò)盈量與壓裝力成正比。

兩種不同材料，在相同過(guò)盈或間隙下，經(jīng)過(guò)150℃高溫處理后，其變形量也會(huì)增加，且過(guò)盈量與變形量成正比。但在高溫（150℃）后轉(zhuǎn)子護(hù)套外圓變形量卻呈無(wú)規(guī)律變化。由表可知，采用高溫合金材料GH4169壓裝后，經(jīng)過(guò)150℃高溫，其過(guò)盈量均小于0.01mm，但不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti經(jīng)過(guò)高溫后，變形量大于高溫合金材料GH4169，這與前期計(jì)算結(jié)果相同。

2.2 實(shí)例應(yīng)力仿真計(jì)算

以產(chǎn)品TY800為例，轉(zhuǎn)子護(hù)套設(shè)計(jì)選用GH4169高溫合金材料，電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為125000 r／min，護(hù)套厚度1.5mm，過(guò)盈量0.01mm。在此設(shè)計(jì)參數(shù)下仿真得到護(hù)套和磁鋼的應(yīng)力分布分別如圖7和8所示。

從圖7護(hù)套應(yīng)力分布圖可以看出，轉(zhuǎn)子護(hù)套在工裝轉(zhuǎn)速下，其應(yīng)力最大處集中在磁極隔板處，此處受磁鋼離心力拉伸作用，應(yīng)力較大，此處最大應(yīng)力值達(dá)到了357.21MPa，但遠(yuǎn)小于高溫合金GH4169的屈服強(qiáng)度極限1200MPa，滿足要求。從圖8可以看出，在坐標(biāo)系下，磁鋼最大徑向應(yīng)力均小于磁鋼的抗拉強(qiáng)度極限35MPa，也滿足使用要求。轉(zhuǎn)子的護(hù)套厚度及過(guò)盈量選擇合理。

圖7 護(hù)套等效應(yīng)力分布

圖8 永磁體徑向應(yīng)力分布

3 結(jié)論

通過(guò)計(jì)算、仿真和對(duì)樣件的壓裝后變形量測(cè)試，結(jié)果證明電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套采用高溫合金材料GH4169時(shí)，其穩(wěn)定性、經(jīng)過(guò)高溫后的變形量參數(shù)性能均優(yōu)于采用不銹鋼材料1Cr18Ni9Ti。通過(guò)驗(yàn)證測(cè)試，用高溫合金材料GH4169制作的轉(zhuǎn)子護(hù)套在與轉(zhuǎn)子組件的過(guò)盈量小于0.01mm的情況下，即使經(jīng)過(guò)高溫150℃處理后，轉(zhuǎn)子護(hù)套仍能滿足外圓變形小于0.01mm的要求。