CN1588760A - 金属内衬复合材料护环 - Google Patents
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Abstract
金属内衬复合材料护环，属于电机转子绕组固定装置技术领域。本发明的目的是设计一种新型护环，解决现有金属护环和复合材料护环的不足，应用于高速电机当中，保护电机转子绕组端部；也可以用该新型护环保护、固定其他高速旋转的机械部件。本发明公开的金属内衬复合材料护环，包括内外两层结构，所述护环的内层为金属内衬，所述护环的外层为用非金属纤维增强的复合材料增强层；所述复合材料增强层通过将复合材料预浸料缠绕在所述金属内衬上，用固化、成型工艺与金属内衬固接在一起。本发明的密度比金属材料护环的密度小，强度超过金属护环，可满足高速电机对护环强度的要求，且便于装配，易于维护。
Description
技术领域
本发明属于电机转子绕组固定装置技术领域。
背景技术
电机转子在高速旋转时，转子绕组端部会受到很大的离心力的作用，如果不采取适当的措施，绕组端部会在离心力的作用下断裂，出现严重的故障。护环正是保护和固定绕组端部的重要零件。
通常情况下，电机的转速是3000r/min，由于转速较低，可以使用金属材料来制造护环，常用的金属材料主要有不导磁合金钢、钛等金属材料。由于金属材料的密度大，金属护环自身重量带来的离心力也非常大，因此，当转子直径或电机转速增加到一定程度时，转子、转子绕组端部以及护环受到的离心力都大大增加，无法通过增加护环厚度来提高护环强度。因此，金属材料护环的不足之处在于：强度低、重量大，无法满足高速电机对护环强度的要求。
玻璃纤维是一种强度高、密度低，而且价格低廉的非金属材料，玻璃纤维/环氧树脂复合材料被称为玻璃钢，在60年代曾经被用在飞机、火箭上。有部分电机制造企业尝试将玻璃纤维预浸料直接缠绕在转子以及绕组端部外，固化后形成玻璃钢护环。但玻璃纤维最大的缺点是弹性模量小，受力后易变形，在高速旋转时，玻璃钢护环的变形量大，不仅不能有效保护绕组端部，而且还影响转子的动平衡，因此目前没有使用玻璃钢制造护环，金属材料仍然是制造护环的唯一选择。由于受到金属材料强度的限制，不能生产出强度更高的护环，也就无法进一步增加电机转子直径或转速，因此无法进一步提高电机的功率密度。
碳纤维、凯芙拉(Kevlar)是新型非金属复合材料，力学性能优良，国外也有人研究用这两种用复合材料直接制造复合材料护环，加工方法是：将复合材料预浸料直接缠绕在转子以及绕组端部外，然后在特定的温度、压力条件下成形，制成复合材料护环。
已经研究过的复合材料护环具有如下缺点：
●先将复合材料预浸料缠绕在电机转子上，然后连同转子一起在一定的温度、压力条件下加工复合材料护环，护环的加工工艺可能会影响转子及其绕组的强度、绝缘等性能；
●复合材料和转子的加工单位有可能不同，生产过程的协调、产品的检验等环节比较复杂；
●护环与转子粘接为一个整体，护环的质量检验很困难；
●护环与转子粘接为一个整体，很难在不破坏电机转子绕组和护环的条件下拆换护环，因此检修、维护困难。
发明内容
本发明的目的是设计一种新型护环，解决现有金属护环和复合材料护环的不足，应用于高速电机当中，保护电机转子绕组端部；也可以用该新型护环保护、固定其他高速旋转的机械部件。
本发明公开了一种新型的金属内衬复合材料护环，其特征在于：所述护环包括内外两层结构，所述护环的内层为金属内衬，所述护环的外层为用非金属纤维增强的复合材料增强层；所述复合材料增强层通过将复合材料预浸料缠绕在所述金属内衬上，用固化、成型工艺与金属内衬固接在一起。
本发明所述复合材料增强层采用的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉或阿莫斯。
本发明所述金属内衬采用非磁性合金钢。本发明所述金属内衬也可采用钛或钛合金金属。
与金属材料护环及已经研究过的复合材料护环相比，金属内衬复合材料护环的创新性是：
(1)金属内衬复合材料护环的密度比金属材料护环的密度小，自身重量产生的离心力小，而强度超过金属护环，与已经研究过的复合材料护环的强度接近，可以满足高速电机对护环强度的要求；
(2)利用金属可以机加工的特性，可以在护环加工成型后，根据实际情况调节护环金属内衬的内径、形状，便于装配；
(3)金属内衬复合材料护环成为电机中的一个独立配件，其加工工艺、加工过程不影响转子；
(4)金属内衬复合材料护环成为电机中的一个独立配件，可以拆换，便于维护。
(5)可以采取各种常用的探伤、质量检测方法，对金属内衬复合材料护环进行质量检测。
附图说明
图1是金属内衬复合材料护环的基本结构图；
图2是金属内衬复合材料护环在高速电机中的应用原理图；
图3是简化的护环理论分析模型；
图4是护环的受力模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体说明本发明。
如图1所示，金属内衬复合材料护环分两层：
1)护环内层2为金属内衬，由金属材料制成。金属内衬主要起到便于安装的作用。可以使用的金属材料有：通常护环使用的非磁性合金钢或者钛、钛合金等。金属内衬的形状、尺寸根据装配方法、复合材料的加工方法、强度要求等条件确定，金属内衬各处的厚度可以不相同，可以有锥度，可以有台阶、槽等。
2)护环外层1为复合材料增强层，可以使用的复合材料有碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉(Kevlar)、阿莫斯(APMOC)等非金属纤维增强的复合材料。复合材料增强层起到提高强度、确保护环自身以及绕组端部安全的作用。复合材料增强层通过将复合材料预浸料缠绕在所述金属内衬上，用固化、成型工艺与金属内衬固接在一起。复合材料增强层的厚度可以根据强度要求调节，各处的厚度可以不相同，可以有锥度，可以有台阶、槽等。
本发明提出的金属内衬复合材料护环可应用于转速为18000r/min的高速同步发电机中，如图2所示。图中，标记1为护环的复合材料增强层，标记2为护环的金属内衬，标记3为转子，标记4为绕组端部，标记5为中心环，标记6为转子轴。在具体实施中，护环的金属内衬可用钛金属制造，护环的复合材料增强层可分别用碳纤维/环氧树脂和阿莫斯(APMOC)/环氧树脂复合材料制造。
当电机转速达到18000r/min时，对护环的应力及变形情况进行分析。钛以及复合材料的力学及温度特性表1所示：
表1钛金属材料与复合材料力学及温度特性
| 材料 | 密度g/cm3 | 抗张强度GPa | 弹性模量GPa | 热胀系数×10-6/℃ |
| 钛 | 4.5 | 0.942 | 112 | 16.6 |
| 碳纤维/环氧复合材料 | ≥1.75 | ≥2.45 | ≥190 | -0.8 |
| APMOC/环氧复合材料 | 1.45 | 1.9～2.3 | 85～100 | -1.5 |
将护环等效为薄壁圆筒，简化的理论分析模型如图3所示。
护环复合材料、Ti、绕组端部的内圈半径分别为：0.131m、0.13m、0.092m。
护环复合材料、Ti、绕组端部的重心半径分别为：0.144m、0.1305m、0.1125m。
护环复合材料、Ti、绕组端部的厚度分别为：0.025m、0.001m、0.038m。
护环复合材料、Ti、绕组端部的长分别为：0.235m、0.235m、0.195m。
绕组端部重量为45kg，假定温度变化范围为100℃。
护环的受力模型如图4所示，为一圆筒的纵截面。设内径为R，重心半径为R1，长为l，厚为h，m为质量，ρ为密度，θ为所分析的质点与护环轴心之间的夹角，ω为转速，A为横截面积，f为所受离心力，N为纵截面拉力，σ为应力，ε为应变，E为弹性模量。
护环受到的离心力为：
则圆筒截面的应力为：
由此可推得离心力引起的位移为：
钛金属常用来制造大功率发电机的护环，分析钛金属制成的护环，并分析采用钛金属内衬复合材料护环的应力情况，结果见表2。
表2钛制成的护环与钛金属内衬复合材料护环应力分析结果
| 材料 | 应力(σ)GPa | 位移mm | 屈服强度GPa | 极限强度GPa |
| 钛护环 | 0.959 | 8.5625 | 0.95 | 1.1 |
| 钛金属内衬复合材料护环(碳纤维/环氧复合材料) | 0.710 | 0.5380 | - | 2.45 |
| 钛金属内衬复合材料护环(APMOC/环氧复合材料) | 0.678 | 1.0853 | - | 2 |
从表2的分析结果可得出结论：用钛金属制成的金属护环，无法满足强度要求；而用钛作为内衬，用复合材料增强的金属内衬复合材料护环可以满足强度要求。
Claims (4)
1.金属内衬复合材料护环，其特征在于：所述护环包括内外两层结构，所述护环的内层为金属内衬，所述护环的外层为用非金属纤维增强的复合材料增强层；所述复合材料增强层通过将复合材料预浸料缠绕在所述金属内衬上，用固化、成型工艺与金属内衬固接在一起。
2.根据权利要求1所述的金属内衬复合材料护环，其特征在于：所述复合材料增强层采用的增强材料为碳纤维、玻璃纤维、凯芙拉或阿莫斯。
3.根据权利要求1所述的金属内衬复合材料护环，其特征在于：所述金属内衬采用非磁性合金钢。
4.根据权利要求1所述的金属内衬复合材料护环，其特征在于：所述金属内衬采用钛或钛合金金属。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN103554839A (zh) * | 2013-11-07 | 2014-02-05 | 哈尔滨工业大学 | 一种碳纤维复合材料电机护环 |
| CN103609001A (zh) * | 2011-06-21 | 2014-02-26 | 西门子公司 | 用于发电机的转子盖 |
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Cited By (4)
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