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高速电机典型转子轴系结构的建模及其动态特性研究

【摘要】:高速电机由于实现直驱,省去了传统的齿轮箱等增速环节,具有结构紧凑、传动效率高、振动噪声小等凸显的技术优势,在高速机床、离心式压缩机、飞轮储能、余热发电等领域具有独特而广泛的用途。但由于目前高速电机典型转子系统的动力学规律尚不明确,使得其轴系的设计缺乏科学依据,进一步制约了高速电机的推广应用,因此亟需研究高速电机典型转子轴系结构的建模及其动态特性。(1)运用Timoshenko梁单元理论和有限元建立了考虑电机转子与转轴过盈连接的高速电机转子轴系动力学模型。该模型电机转子与转轴过盈连接的接触刚度采用结合面接触理论进行计算。采用MATLAB编制了模型计算程序,实现了高速电机过盈连接转子轴系动态性能的定量分析。该模型充分考虑转子转轴过盈配合的影响,贴近工程实际,计算结果更准确。(2)建立了基于预应力的高速电机转子轴系动力学模型,实现了该类转子轴系动态特性的数值仿真。通过推导预应力转子轴系结构中被拉伸转轴的预应力梁单元附加刚度矩阵和“定位件”—“转子”—“压紧件”之间的结合面接触刚度,并与所建立的高速电机过盈连接转子轴系动力学模型实现融合,构建了高速电机预应力转子轴系动力学模型。该模型充分考虑了受拉转轴的刚性加强作用和抗弯弯矩作用的影响,使轴系刚度的计算趋于合理化。(3)采用零长度结合面单元思想和接触理论建立了高速电机三段拉杆式转子轴系动力学模型,实现了该类转子轴系动力学特性的定量仿真。该模型的建立将中心拉杆、转子转轴以及过盈钢管等效成双转子模型,使五个部件融合成一个整体轴系,使得计算模型更加完善;将转子与转轴的结合面等效成只有接触刚度而无质量的单元矩阵进行处理,通过组装融入系统整体矩阵,完成了各部件计算矩阵之间的衔接。采用NEWMARK-β法对模型进行数值迭代求解。(4)采用所建立的模型研究揭示了高速电机三种典型转子轴系结构的刚度、振型和临界转速以及动态响应随系统参数的变化规律,并对两款高速电机采用三种典型转子轴系结构方案的动力学特性进行了比较研究。研究表明:对于过盈连接转子,增大过盈配合量可提高轴系静刚度和临界转速,同时轴伸端长度对转子临界转速影响最大;对于预应力转子和三段拉杆式转子,随着轴向拉力增大轴系的静刚度和临界转速呈指数提升,但超过十吨时影响不明显。(5)搭建了高速电机实验台,对高速电机过盈连接转子轴系的静刚度和固有频率进行了测试。研究表明,实验值与理论计算结果较吻合,误差不超过6%,从而证实了理论分析的正确性。本文工作为高速电机转子轴系设计提供了重要理论方法和有效实现途径,具有工程参考价值。

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