摘要：采用力学简化模型和有限元模型，对一台新型补偿脉冲发电机转子部件进行了强度计算。结果表明，2种计算方法的结果吻合较好，各危险部位的应力小于材料的许用应力值。文中还计算了屏蔽筒与磁钢箍热套配合的最大与最小过盈量，据此设计的电机转子现场热套和安装成功，实际工作转速可达8000r/min以上。
关键词：补偿脉冲发电机；转子；强度；有限元；过盈量
1前言
补偿脉冲发电机是一种新型脉冲功率电源，集惯性储能、机电能量转换和脉冲成形于一体，具有“单元件”的综合优势，是未来最有潜力的小型化电源，也是未来国防武器系统的首选脉冲电源。CPA电枢绕组的瞬态电感对电机的性能影响很大，直接决定着输出电流是否满足要求，是CPA设计成功与否的关键因素。CPA电枢绕组的瞬态电感同绕组的形状、尺寸、周围介质的导磁率、饱和情况、补偿筒内的涡流、端部情况以及放电频率等有关系，因此要想精确计算电枢绕组的瞬态电感，十分困难。补偿脉冲发电机同时具有重量轻、体积小、效率高及发射频率高的优点，而且系统构造简单，具有较高的储能密度和功率密度，其转子转速可达10000r/min左右，峰值功率约为75MW。但是，高速电机的转动部分承受着极大的惯性力。众所周知，高速转动的电机转子失效后会造成灾难性事故国内外都时有发生。补偿脉冲发电机（CPA）作为一种惯性储能高功率脉冲电源，是借助电磁感应和磁通补偿原理，向负载提供大电流脉冲的旋转发电机。与其它储能形式的脉冲功率源相比，采用高强度密度比复合材料制成的空芯补偿脉冲发电机（Air-coreCPA）具有能量密度和功率密度高的综合优势，在电磁炮、电热化学炮、定向能炮等新概念武器的驱动电源中具有重要的应用，备受军方的关注。前期的空芯CPA的研究主要是以工程样机研制为主线，对其工作机理以及设计理论的细致分析还很不完善，一些核心关键技术我们还不掌握。为了研制下一代更紧凑、更轻巧的脉冲功率源，需要对空芯CPA的关键技术和基础理论进行系统细致地研究。本文主要就空芯CPA电磁与结构的设计和分析方法以及相应的关键技术展开研究，提出新型的拓扑结构方案，进行理论和实验研究，探索空芯CPA的电磁与结构设计规律。本文从电磁理论角度阐述了空芯CPA的补偿工作机理和电枢反应磁通的分布特点，以使得空芯CPA的电磁理论分析概念清楚，直接简单。提出了一种CPA等效电路模型，分析了影响CPA放电电流的因素，给出了空芯CPA成功建立自激需满足的条件，为空芯CPA的电磁设计提供参考。
2强度校核
强度校核公式（1）～（13）符号说明：
R2i———屏蔽筒的内半径，m；
R2o———屏蔽筒的外半径，m；
R1———磁钢箍的外半径，m；
R2———转轴的外半径，m；E1———磁钢箍弹性模量，MPa；
E2———屏蔽筒弹性模量，MPa；
ρ———转子的平均密度，kg/m3；
ρ1———磁钢箍的平均密度，kg/m3；
ρ2———屏蔽筒的密度，kg/m3；
υ1———磁钢箍泊松比；
υ2———屏蔽筒泊松比；
ω———转子转动角速度，s-1
n———转子转速，r/min；
σθ———屏蔽筒的切向应力；
R———屏蔽筒的平均半径；
2.1屏蔽筒在脱落状态下的最大应力
由于该电机属于实验型电机，许多不确定因素可能导致屏蔽筒的脱落，为了保证该电机即使在实验阶段出现屏蔽筒脱落，也不会发生屏蔽筒断裂损坏电机的内部和危及人生财产安全，所以，有必要校核需要屏蔽筒在脱落状态下的最大应力[2]。屏蔽筒在脱落状态下边缘完全自由，将其简化为薄壁圆环，则其最大应力由式（1）计算
σθ=ρ2ω2R2（1）
取转速n=10000r/min，计算得到：
σθ=114.59MPa<[σ]
需要说明的是：即使屏蔽筒非正常地出现脱落，该最大危险应力小于屏蔽筒材料的屈服极限，该应力保证屏蔽筒仍然可以重新安装使用。该应力只要小于屏蔽筒的强度极限，就可以保证屏蔽筒不会断裂。
2.2屏蔽筒与磁钢箍旋转动应力计算
假定转子轴向的变形不受到任何外加约束，将屏蔽筒与磁钢箍看作等厚度高速旋转圆盘，由于圆盘的几何形状及离心力均对称于圆盘中心轴，是属于与极角无关的轴对称平面应力问题。同时屏蔽筒边缘自由，则其变形与应力计算公式为（2）～（4）。
根据实际工况下测得的功率与转速，扭矩MT=p/ω=88463.84Nm，最大剪应力为τmax=MTR/Ip7.717MPa。则转轴的最大Mises应力见式（6）。
由式（6）表明：电机正常运转过程中可能出现的最大应力，小于许用应力[σ]，而且该许用应力取转轴各个部件许用应力中的最小值，即180MPa，即σ<[σ]。因而，电机转子各部件都符合强度要求。
2.3屏蔽筒与磁钢箍的最大和最小过盈量
屏蔽筒与磁钢箍是采用热套配合进行装配的。热套配合的关键在于选择屏蔽筒内径和磁钢箍外径之间的公差配合δ。设装配接触面的公共半径为RC，接触压力为pC。将磁钢箍看作边缘自由的高速旋转圆盘，则由旋转离心力产生的径向变形见式（7）。
不计自重，磁钢箍的结构形状与受力状态均对称于轴线，为轴对称问题，将磁钢箍看作承受均匀压力的圆筒，则由接触压力pC产生的径向变形见式（8）。
将屏蔽筒看作边缘自由的高速旋转圆盘，则由旋转离心力产生的径向变形见式（9）。
不计自重，屏蔽筒的结构形状与受力状态均对称于轴线，所以屏蔽筒的变形问题为轴对称问题，将屏蔽筒看作承受均匀内压力的厚壁圆筒，则由内压力pC产生的径向变形式见（10）。
当电机转子以一定的转速运转时，由于屏蔽筒的半径略大于磁钢箍的半径，其离心力也略大于磁钢箍的离心力，屏蔽筒内径扩大变形比磁钢箍外径扩大变形要大，转速越高，2种变形的差值越大。为了保证屏蔽筒与磁钢箍之间不松脱，屏蔽筒与磁钢箍之间的过盈量必须大于一个最小值。
3有限元分析
将转轴的转速效应转换为惯性负载，对转轴部件进行静态分析。假定转轴轴向变形不受任何约束，则可当作轴对称平面应力问题研究，分析时可只取径向横截面微段，采用plane82单元建立模型，如下图，x坐标轴向为转子部件横截面半径方向，AB为所取微段的宽度。从转子部件结构可知，模型边界条件为BH边与AG边y方向位移被约束，EF边y方向位移被约束，同时在磁钢箍与屏蔽筒的接触公共边EF受接触压力作用。经过ANSYS计算，在屏蔽筒脱落时，屏蔽筒在平均半径R处应力为148.74MPa。当接触压力时，磁钢箍径向变形为0.0709mm，屏蔽筒的径向变形为0.4447mm，则松脱时最小过盈量为0.3738mm。通过以上ANSYS的复算，进一步证实了以上以简化模型进行的强度分析和计算的可靠度。
4结束语
根据转子部件的强度计算和ANSYS的复算，为屏蔽筒等关键部件的设计尺寸提供了依据。考虑热套温度必须小于磁钢箍中永磁材料的退磁温度，再考虑到该电机生产厂家的实际情况，最终选取屏蔽筒与磁钢箍的设计过盈量为0.35mm。目前，该电机正在进行整机试验，实际工作转速达到8000r/min以上，没有出现强度或者安全问题。
参考文献：
[1]吴绍朋.空芯补偿脉冲发电机的设计方法与关键技术研究[D].哈尔滨工业大学，2011.
[2]东潘龙.空芯选择被动补偿脉冲发电机的结构设计与研究[D].西安工业大学，2014.
[3]罗成.混合励磁补偿脉冲发电机的基础研究[D].哈尔滨工业大学，2008.
[4]李国清，金刚，陈忠兵，刘克富.新型补偿脉冲发电机转子的强度计算[J].湖北电力，2006（05）：51-53.
论文作者:杨国昌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第25期
论文发表时间:2019/1/16
标签：屏蔽论文; 磁钢论文; 应力论文; 转子论文; 脉冲论文; 发电机论文; 电机论文; 《电力设备》2018年第25期论文;