微型高速起动发电机轴承系统设计分析

论文摘要

电作为人类社会发展的驱动力,人们的生活越来越离不开对电力的需求,在一些特殊场合或者电力无法输送的地方就需要有微型电站的支持。微型可移动电站主要由起动发电机,燃机,以及发电等配套设备组成。本课题源于哈工大-航天科技集团联合技术中心项目合作项目,具有很大的市场价值。本文主要研究高速电机轴承—转子轴系设计、分析以及相配套的润滑设计,并进行了试验验证。依据永磁电机转子设计要求,综合考虑电机的工作特性,确定了转子轴系结构形式、轴承的布置方式和加载方式、润滑结构和联轴器。采用高速轴承分析软件对轴承内部的重要参数和轴承预紧力进行优选与设计,并根据试验条件的限制和要求,设计了采用过盈配合方式的联轴器结构参数和传递设计扭矩所需要的最小过盈量参数。采用有限元分析软件ANSYS计算出在不同的轴承内部参数与外界参数对摩擦功耗的影响以及热量的传递与温度分部。这里面主要考虑的轴承内部结构参数有滚动体的材料、引导方式、套圈的沟曲率系数和初试接触角,轴承外部的工况参数有轴承转速、轴向载荷与径向载荷。根据轴承功率损耗和温度分部的影响,确定了轴承的设计参数,加工制造了角接触陶瓷球轴承。滚动轴承在高速旋转时必须要有相应的润滑与散热方式,针对高速电机而言,采用油气润滑能够有效地实现对轴承散热与润滑,并且可以简化电机的结构设计。采用经典CFD分析软件FLUENT,对轴承腔体建模分析,计算出采用油气润滑方式得到的轴承腔体流场分布,压强分布,速度分布与温度分布,在计算过程中考虑轴承自身发热和电机内部发热共同作用,通过对比不同的边界条件下的计算结果,获得合理的润滑参数。加工制造了永磁启动发电机,完成了电机单机旋转63000r/min和对拖形式33000r/min的实验验证,结果表明电机的加工装配精度、轴承预紧力、电机驱动器的参数对高速电机的正常工作影响很大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.1.1 课题背景
• 1.1.2 课题研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 高速轴系设计方面研究现状
• 1.2.2 高速轴承热分析研究现状
• 1.2.3 高速电机油气润滑研究现状
• 1.3 本课题主要研究内容
• 第2章 高速电机轴系结构设计与分析
• 2.1 引言
• 2.2 轴承的配置方式设计
• 2.3 轴承内部结构与参数设计分析
• 2.3.1 滚动体尺寸与数量的选取
• 2.3.2 轴承初始接触角的选择
• 2.3.3 套圈沟曲率系数的选择
• 2.3.4 引导方式的选择
• 2.4 轴承预紧力的设计
• 2.5 高速电机联轴器设计与分析
• 2.5.1 联轴器的使用工况
• 2.5.2 扭矩传递方式选择
• 2.5.3 过盈连接的设计计算
• 2.5.4 联轴器的结构设计
• 2.6 本章小结
• 第3章 高速电机轴承损耗分析
• 3.1 引言
• 3.2 高速轴承热分析边界条件
• 3.3 滚动体材料与转速的影响
• 3.4 轴向预紧力对轴承生热的影响
• 3.5 径向载荷对轴承生热的影响
• 3.6 引导方式的影响
• 3.7 套圈沟曲率系数的影响
• 3.8 本章小结
• 第4章 高速电机轴承油气润滑参数的设计
• 4.1 引言
• 4.2 油气润滑原理
• 4.2.1 油气润滑原理
• 4.2.2 油气润滑的特点
• 4.3 油气润滑最小供油量的预估
• 4.4 油气润滑流场分析
• 4.4.1 油气润滑模型的建立
• 4.4.2 油气润滑边界条件
• 4.4.3 fluent 求解器的设置及初始化
• 4.5 计算结果与后处理
• 4.5.1 结算结果收敛性
• 4.5.2 不同轴承转速对流场的影响
• 4.5.3 不同入口速度对流场的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 高速电机试验结果与分析
• 5.1 引言
• 5.2 试验准备
• 5.2.1 试验目的
• 5.2.2 试验系统组成
• 5.3 试验过程
• 5.4 结果分析
• 5.4.1 电机单机旋转实验
• 5.4.2 电机对拖试验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢