专利名称：非金属复合材料护环的装配方法
技术领域：
本发明涉及护环的装配方法，属于电机转子装配技术领域。
背景技术：
护环是电机中保护和固定转子绕组端部的零部件，是电机中承受应力最大的部件。在目前运行的电机中，常采用的护环结构形式有刚性护环和悬挂式护环，如图1所示。
刚性护环的特点是在电机的各种工况下，护环1与转子2、护环1与中心环4、中心环4与转子轴5始终保持接触，不能分离。目前采用的装配工艺是先将中心环4热套在转子轴5上，用环键或螺钉固定，再把护环1热套在转子2和中心环4上，在护环1与转子2、护环1与中心环4、中心环4与转子轴5之间的3个接触面形成三处过盈配合。
悬挂式护环的特点是护环1的一端热套在转子2上，另一端热套在中心环4上，而中心环4和转子轴5不是过盈配合，在护环1与转子2、护环1与中心环4之间的接触面形成两处过盈配合。这种结构的护环加工容易，装配简单，在当今国内外大容量汽轮发电机转子上应用最多。
无论是哪种结构的护环，装配时都需要用热套工艺来实现过盈配合，即利用金属材料热胀冷缩的特性，先将护环加热，使其膨胀，安装到位并冷却后，护环收缩，形成过盈配合。
发明内容
热套工艺适用于金属材料制成的护环。对于非金属复合材料制成的护环，由于复合材料的热胀系数很小，甚至小于0，而且复合材料不能高温加热，所以不能使用常用的热套工艺来安装护环。为此，本发明的目的是提出适用于非金属复合材料护环的装配工艺。
本发明提供的非金属复合材料护环的装配方法，需要借助一个特殊设计的中心环来实现，具体步骤如下1)利用等厚度圆盘模型，通过如下公式计算在电机旋转时刚性中心环的内圆半径的径向位移u1和外圆半径的径向位移u2u1=k(D12)3α[3+μ1-μ+α2]n2,u2=k(D22)3α[1+3+μ1-μα2]n2,]]>
其中，系数α＝D1/D2，系数k=ρE1-μ4g(π30)2,]]>D1表示中心环内圆直径，D2表示中心环外圆直径，μ表示泊松系数，n表示转速；ρ表示材料密度，E表示弹性系数，g表示重力加速度；2)根据护环的材料、尺寸及形状参数，按照现有的护环计算方法计算护环在与所述中心环连接处的径向位移l；3)通过选择合适的材料，改变式第1)步公式中材料密度与模量之比 使计算得出的中心环的外圆半径径向位移u2大于护环的径向位移l，用满足这一要求的材料制造中心环；4)适当调整中心环的内圆直径D1，使中心环内圆与转子轴之间的过盈配合量大于中心环内圆半径的径向位移u1，从而使得在各种工况下，中心环与转子轴之间始终保持过盈配合；调整中心环的外圆直径D2，使得在电机静止时，中心环的外圆与护环之间为过渡配合；5)用调整后的D1、D2数值，按照第1)步、第3)步所述方法重新计算中心环的外圆半径的径向位移u2，确保u2＞l，否则需要重新调整D1、D2，或重选满足上述条件的中心环材料；6)根据第4)步确定的过盈配合量，采用传统的热套工艺将中心环安装在电机转子轴上；然后，不采用热套工艺，直接手工将所述护环套在转子和中心环上，保证护环与转子、护环与中心环之间形成过渡配合，以使得在电机旋转时，护环和中心环形成过盈配合。
与现有的各种护环装配工艺相比，本发明提出的装配工艺的创新性在于，按照权利要求中的装配步骤来装配护环，可以实现如下效果1)当电机静止时，护环与转子、护环与中心环之间的接触面为两处过渡配合，中心环与转子轴之间的配合面为过盈配合。
2)当电机旋转时，中心环在自身离心力的作用下发生径向位移，该位移量大于护环发生的径向位移量，中心环与护环之间由过渡配合变成过盈配合。此时，护环与中心环、中心环与转子轴之间形成两处过盈配合。
从而解决了非金属复合材料护环的定位装配难题。
图1是护环及电机转子示意图；
图2是金属内衬复合材料护环在电机中的具体应用原理图；图3是刚性中心环受力分析模型；图4是简化后的护环分析模型。
具体实施例方式
如图2所示，护环1为金属内衬复合材料护环，外层为碳纤维、环氧树脂复合材料增强层，内层为钛金属内衬。电机为同步发电机，最高转速18000r/min。
1)本实施例中使用的是刚性中心环，利用等厚度圆盘模型，计算在电机旋转时的径向位移量，中心环计算模型如图3所示。计算时用到的符号D1-中心环内圆直径(cm)；D2-中心环外圆直径(cm)；n-转速(rpm)；ρ-材料密度(kg/cm3)；μ-泊松系数；E-弹性系数(kg/cm2)；g-重力加速度(cm/s2)；α＝D1/D2-比值；系数k=ρE1-μ4g(π30)2.---(1)]]>中心环内圆半径的径向位移为u1=k(D12)3α[3+μ1-μ+α2]n2,cm---(2)]]>中心环外圆半径的径向位移为u2=k(D22)3α[1+3+μ1-μα2]n2;cm---(3)]]>2)按照现有的护环计算方法，计算护环1在与中心环4连接处的径向位移l。护环的材料、尺寸、形状不同，径向位移量也不同。
将护环1等效为薄壁圆筒，简化的理论分析模型如图4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，温度变化范围为100℃。
当电机转速达到18000r/min时，对护环1的应力及变形情况进行分析。钛金属以及碳纤维、环氧树脂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
经过理论分析可知，护环1在自身、金属内衬以及绕组端部所产生的离心力作用下，最大位移l不超过0.5380mm。
3)选择合适的中心环制造材料，改变公式(1)中材料的密度与模量之比
当中心环的材料密度与弹性系数之比，是钢的密度与弹性系数之比的4.32倍，即ρE=4.32]]>(ρ钢/E钢)则k＝4.32×7.3×10-15＝31.536×10-15。将k带入(2)、(3)可得u1＝0.1348mmu2＝0.5383mm＞l＝0.5380mm。
根据中心环4的径向位移u2来确定中心环的制造材料。中心环制造材料的密度与弹性系数之比，应当大于或等于钢的密度与弹性系数之比的4.32倍。满足此条件时，可以保证在电机静止时，护环1与中心环4之间为过渡配合，当电机旋转时，中心环4的径向位移量大于护环1的最大径向位移量，护环1与中心环4之间保持过盈配合。
中心环4的材料可以是铂(Pt)等高密度、低模量的纯金属材料，也可以是其他高密度、低模量的合金材料。
4)调整中心环4内圆直径D1，中心环4与转子轴5之间采用过盈配合，当过盈量大于大于中心环内圆半径的径向位移量u1＝0.1348mm时，可以保证在电机的各种工况下，中心环与转子轴5之间始终保持过盈配合，中心环4与转子轴5始终不分离；调整中心环4的外圆直径D2，在电机静止时，使中心环4的外圆与护环1之间为过渡配合。
5)用调整后的D1、D2数值，按照第1)步、第3)步所述方法重新计算中心环的外圆半径的径向位移u2，计算结果证明u2＞l。如果不能保证u2＞l，则需要重新调整D1、D2，或重选中心环材料。
6)根据第4)步确定的中心环内圆过盈配合量，采用传统的热套工艺将中心环4安装在电机转子轴5上。中心环4可以用键、螺钉或安装在转子轴5上的环等零部件限制轴向位移。最后，不采用热套工艺，直接手工将护环1套在转子2和中心环4上，保证护环1与转子2、护环1与中心环4之间形成过渡配合。护环1与转子2之间可以用环键、齿等结构固定，限制轴向位移。当电机旋转时，中心环4在自身离心力的作用下发生径向位移，其位移量大于护环1在离心力的作用下发生的位移量，护环1与中心环4之间的配合变成过盈配合，在电机的各种工作状态下，护环1与中心环4始终不脱离。
根据碳纤维复合材料护环最大位移的计算公式可得l＝1.66×10-9n2mm (4)中心环4外圆半径的径向位移为u2＝4.32×3.8455×10-9n2＝1.6613×10-9n2mm(5)比较式(4)、(5)可知，中心环4的径向位移始终大于护环1的最大径向位移，因此电机旋转时，中心环4与护环1将始终保持过盈配合，转速越高，过盈量越大。
这种结构中，转子静止时，在护环1与转子2、护环1与中心环4之间的接触面是过渡配合，中心环4与转子轴5之间的接触面是过盈配合；当转子旋转时，护环1与中心环4之间出现间隙，在护环1与中心环4、中心环4与转子轴5之间的接触面形成两处过盈配合。
本发明所述的中心环为刚性中心环结构，但是对于弹性中心环结构，通过设计弹性中心环的形状，降低中心环的刚度，使其在旋转时，受到离心力作用发生的径向位移始终大于护环的最大位移，就可以使护环与中心环之间保持过盈配合。如果同时对弹性中心环的制造材料以及中心环的结构进行设计，也可以实现手工装配护环。
权利要求
1.非金属复合材料护环的装配方法，其特征在于，该装配方法需要借助一个特殊设计的中心环来实现，具体步骤如下1)利用等厚度圆盘模型，通过如下公式计算在电机旋转时刚性中心环的内圆半径的径向位移u1和外圆半径的径向位移u2u1=k(D12)3α[3+μ1-μ+α2]n2,u2=k(D22)3α[1+3+μ1-μα2]n2,]]>其中，系数α＝D1/D2，系数k=ρE1-μ4g(π30)2,]]>D1表示中心环内圆直径，D2表示中心环外圆直径，μ表示泊松系数，n表示转速；ρ表示材料密度，E表示弹性系数，g表示重力加速度；2)根据护环的材料、尺寸及形状参数，按照现有的护环计算方法计算护环在与所述中心环连接处的径向位移l；3)通过选择合适的材料，改变式第1)步公式中材料密度与模量之比 使计算得出的中心环的外圆半径径向位移u2大于护环的径向位移l，用满足这一要求的材料制造中心环；4)适当调整中心环的内圆直径D1，使中心环内圆与转子轴之间的过盈配合量大于中心环内圆半径的径向位移u1，从而使得在各种工况下，中心环与转子轴之间始终保持过盈配合；调整中心环的外圆直径D2，使得在电机静止时，中心环的外圆与护环之间为过渡配合；5)用调整后的D1、D2数值，按照第1)步、第3)步所述方法重新计算中心环的外圆半径的径向位移u2，确保u2＞l，否则需要重新调整D1、D2，或重选满足上述条件的中心环材料；6)根据第4)步确定的过盈配合量，采用传统的热套工艺将中心环安装在电机转子轴上；然后，不采用热套工艺，直接手工将所述护环套在转子和中心环上，保证护环与转子、护环与中心环之间形成过渡配合，以使得在电机旋转时，护环和中心环形成过盈配合。
全文摘要
非金属复合材料护环的装配方法，属于电机转子装配技术领域。为了解决非金属复合材料制成的护环，无法采用传统热套工艺来装配的技术难题，本发明公开了一种非金属复合材料护环的装配方法，步骤如下首先计算在电机旋转时刚性中心环的内圆半径的径向位移u
文档编号H02K3/50GK1588765SQ200410078319
公开日2005年3月2日 申请日期2004年9月24日 优先权日2004年9月24日
发明者杨国军, 孙卓, 孙卫东, 时振刚, 刁兴中, 周世新 申请人:清华大学