車用發(fā)電機軸強度設計

1、車用發(fā)電機軸強度計算車用發(fā)電機軸上一般有兩個軸承， 分別支撐在驅(qū)動端蓋和電動端蓋上， 驅(qū)動端帶有軸伸，通過其上裝配的皮帶輪來輸入動力。軸的強度計算主要進行以下三項：轉(zhuǎn)子鐵芯中心點的撓度、軸的臨界轉(zhuǎn)速和軸伸的疲勞強度。一、 撓度及臨界轉(zhuǎn)速計算圖 1 車用發(fā)電機軸結(jié)構(gòu)示意圖1、發(fā)電機在轉(zhuǎn)軸上的額定容量 P（kW ）。發(fā)電機轉(zhuǎn)軸傳遞的功率除了產(chǎn)生發(fā)電機輸出電功率以外，還包括各種摩擦損耗、鐵損耗和繞組銅損耗等，它等于發(fā)電機額定輸出功率與額定轉(zhuǎn)速時工作效率的比值，即發(fā)電機額定輸入功率。發(fā)電機工作效率隨設計水平的高低而變化，可以通過試驗手段測出。一般發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速時的效率在 40 55之間。2、發(fā)電機額定

2、轉(zhuǎn)速n（ r/min ）。3、轉(zhuǎn)子重量（包括所含轉(zhuǎn)軸部分重量）Gp（kg）。4、帶輪重量（包括所含軸伸部分重量）Gm（kg）。5、帶輪半徑 Rm（ cm）。6、轉(zhuǎn)子鐵芯外徑D（ cm）。7、轉(zhuǎn)子鐵芯長度l m（ cm）。8、單邊空氣隙（ cm），即定、轉(zhuǎn)子之間的主氣隙。9、額定負載時扭矩10、傳遞額定容量時皮帶兩側(cè)的拉力Ppem C M KP102 （N）Rm車用發(fā)電機一般歸于用V 型帶傳動的小型電機， C 取 1.8。11、轉(zhuǎn)軸數(shù)據(jù)，計算方法見表1。表 1 轉(zhuǎn)軸的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)軸分diJixi段號(cm)(cm4)(cm)左 121半 3部xi3xi31總和 S1Ji右1右 2半總和 S2xi3xi

3、31部J i注：表中 Ji 為第 i 段軸的斷面慣性矩，對于圓柱段J d 4 64 。12、轉(zhuǎn)子重力在鐵芯中心處產(chǎn)生的撓度f PG P 2 l 22 S1l 12 S2（cm）3El對于鋼制件，取 E 2.1 106 kg/cm。13、額定負載時，皮帶拉力在鐵芯中心處產(chǎn)生的撓度Ppembl 2 S1 （cm）f pem3El 2 1.5lS0S2 l 114、轉(zhuǎn)子的初次計算偏心15、單邊磁拉力e0（N）Q0 29.4Dl m16、與單邊磁拉力成比例的轉(zhuǎn)軸撓度f 0 f pQ0（cm）9.8Gp17、因單邊磁拉力產(chǎn)生的最后撓度f mf 0（cm）f0 e0118、總撓度ff pf pemf m（

4、cm）對于同步電機，其轉(zhuǎn)軸總撓度占空氣隙的比率（f/ ）應小于 8。19、臨界轉(zhuǎn)速（考慮單邊磁拉力的影響）式中f s9.8Gm f p e mPp e m二、 軸伸強度計算裝皮帶輪轉(zhuǎn)軸的危險截面，一般在軸伸的過渡截面或最大彎矩處，如圖 2 中 a 截面、 b 截面。在進行疲勞強度計算時，應考慮到發(fā)電機可能的過載倍數(shù)，對一般電機瞬時過載倍數(shù)K 取 2.0；疲勞計算過載倍數(shù)K p 取 1.5。2圖 2 帶傳動軸伸計算示意圖1、 發(fā)電機在轉(zhuǎn)軸上的額定容量P（ kW ）。2、 發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速 n（r/min ）。3、 皮帶輪半徑 Rm（cm）。4、 計算截面離皮帶輪中心的距離a、 b（ cm）。5、

5、額定負載時扭矩M KP 9550PN m 。n6、傳遞額定容量時皮帶兩側(cè)的拉力Ppem C M KP102 （N）；Rm車用發(fā)電機一般歸于用V 型帶傳動的小型電機， C 取 1.8。7、彎矩a 截面： M K p Ppem a10 2（Nm）b 截面： M K p Ppemb10 2（Nm）8、疲勞的計算扭矩： M nK p M kp（Nm）9、相當力矩： M xdM 22（Nm）M n式中對不逆轉(zhuǎn)的車用發(fā)電機而言，其值取0.40.6。10、抗彎截面系數(shù)純圓斷面： Wd 3；323帶鍵斷面：Wd 3bh0 dh0 20 為鍵槽的寬度和深度（ cm）。32d;b、h11、按疲勞計算的相當應力xd

6、10.2M xd（ kg/cm2）W計算值不得超過下表所列的數(shù)值。xd （kg/cm2 ）鍵槽或不傳力的緊配件傳力的緊配件鋼 35450390鋼 4550044012、屈服的計算扭矩： M nKM kp（Nm）。13、相當力矩： M xdM 20.75M n 2（Nm）。14、按屈服計算的相當應力10.2M xd2xd（ kg/cm ）Ws15、安全系數(shù)： ns1.7 ，式中s 為材料的屈服極限。xd16、鍵的擠壓應力j 2KM N （kg/cm2） dh0 l 0式中l(wèi) 0 為鍵槽的長度；采用鋼制鍵時，許用應力可取1600 kg/cm2。零件截面發(fā)生突然變化的地方， 都會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，

7、在進行軸結(jié)構(gòu)設計時，應盡量減少應力集中。因此對階梯軸來說，在截面尺寸變化處應采取圓角過渡，圓角半徑不宜過小，并盡量避免在軸上（特別是應力大的地方）開切口或凹槽。必須開橫孔時，孔邊要倒圓。還可采用卸載槽、 過渡肩環(huán)或凹切圓角增大軸肩圓角半徑，以減小局部應力。三、 螺紋強度計算發(fā)電機軸伸上的皮帶輪一般采用螺紋擰緊，這時螺紋聯(lián)接受到預緊力的作用。擰緊力矩過大會造成軸上的螺紋失效，包括滑絲、壓潰等。螺紋強度計算就是根據(jù)已知的擰緊力矩來驗算選擇的螺紋公稱直徑能否滿足要求。螺紋聯(lián)接的擰緊力矩 T，用來克服螺紋副相對轉(zhuǎn)動的阻力矩 T1 和螺母支承面上的摩擦阻力矩 T2，故式中Q0預緊力；d2螺紋中徑，查螺紋

8、尺寸表可得；螺紋升角， arctgP；d 24f，f 為螺紋副之間摩擦系數(shù)，為螺紋當量摩擦角，arctgcos牙型斜角，普通螺紋為 30 。f c螺母與被聯(lián)接件支承面之間的摩擦系數(shù)，鋼對鋼無潤滑時取0.15；rf支承面摩擦半徑， r fD1 d0，其中 D1、d0 為螺母支承面的外徑和4內(nèi)徑，見右圖所示。螺紋的危險截面（螺紋小徑處）除受到預緊力Q 產(chǎn)生的拉應力Q0外，還受到螺紋力矩 T1所引起的d124T1,當量應力扭切應力d1316e 2 3 2 （N/mm 2），其值應小于軸螺紋部分的許用應力。螺紋的許用應力等于軸螺紋所用材料的屈服極限s 與安全系數(shù)S 的比值，在控制擰緊力矩的情況下， S

9、 一般取 1.21.5。第二講發(fā)電機的電磁設計計算發(fā)電機的電磁設計主要是定子部件和轉(zhuǎn)子部件的設計，由于它是一種同步三相交流發(fā)電機， 故我們在普通的同步三相交流發(fā)電機計算程序基礎(chǔ)上，結(jié)合了一些實際設計過程中積累的經(jīng)驗，作出了如下所述的車用交流發(fā)電機電磁計算方法。由于車用發(fā)電機與普通的同步三相交流發(fā)電機存在較大差異，因此電磁設計有些部分（如激磁繞組和激磁勢）比較準確，而有些部分并不是很準確，需要通過樣機試驗和其它手段來進行修正。重要的是，我們可以從計算公式中知道發(fā)電機各種電磁參數(shù)之間的相互關(guān)系和變化趨勢，進而指導設計。與普通三相同步發(fā)電機相比，車用發(fā)電機有以下特點：51、轉(zhuǎn)子極數(shù)較多，因而定子直徑

10、較大，鐵芯長度較短；2、轉(zhuǎn)子為爪極磁極式，由一個線圈配置在轉(zhuǎn)子內(nèi)構(gòu)成多極激磁繞組；3、每極每相槽數(shù)q 很少，一般1；4、電機工作轉(zhuǎn)速范圍寬；5、使用壽命比普通型交流電機短，約為30005000 小時，因此其溫升可在一般電機標準要求基礎(chǔ)上適當增加；一主要尺寸的確定交流發(fā)電機的主要尺寸用D 12 L 表示（ D1 為定子鐵芯內(nèi)徑， L 為定子鐵芯長度），它的選擇關(guān)系到整個設計的水平。如選得過小，很可能造成設計失敗，電機性能達不到設計要求；如選得過大，則會造成材料的浪費。其計算方法有多種，這里介紹其中的一種方法。1. 電磁功率 P的計算P ,K e Pnic o s式中Pni：視在輸出功率；K e：

11、電磁增填系數(shù)，應在1.051.15 范圍內(nèi)選擇；cos ：功率因數(shù)，小于 1500W 時取 1；大于 1500W 時取 0.966；PniPnPd式中Pn：額定輸出功率；Pd ：整流二極管損耗功率Pn1.047 U n I nU n I f式中Un：額定輸出電壓；In：額定輸出電流；I f：勵磁電流；Pd2 U d I d max6式中Ud ：整流二極管壓降，約1.2V；Idmax：整流二極管最大電流；I d maxI nI f由得出：2. 電磁負荷的選擇在確定發(fā)電機主尺寸之前，首先應對線負荷A 和氣隙磁密 B 進行初步選擇。這兩個參數(shù)的選取對交流發(fā)電機性能和材料利用有較大影響，應綜合考慮。

12、A 在一定程度上反映發(fā)電機電路部分的利用情況，B在一定程度上反映發(fā)電機磁路部分的利用情況。2.1 線負荷 A ：表示沿定子圓周上單位長度的安培導體數(shù)式中W ：每相串聯(lián)匝數(shù)；m ：相數(shù)（三相交流發(fā)電機為 3）；I ：相電流（ A）；D1：定子內(nèi)徑；由于汽車電機采用強制抽風，散熱效果較好，故A 值可取較大，一般為 3550A/mm，雙風扇電機可取5055A/mm；2.2 氣隙磁密 BB 取值應考慮在爪極中安放勵磁線圈的空間及盡量減少漏磁，一般取較低數(shù)值 0.320.33T（特斯拉），使空載轉(zhuǎn)速盡可能小。式中 E ：滿載定子繞組每相電動勢 （V），一般取 E =(1 1.2)U（額定相電壓） ; U

13、 =Un /2.34；f ：頻率 =np/60 ；p 為極對數(shù)，通常取 6 ；S：每極氣隙面積（m2）；K dp ：繞組系數(shù)，有兩種取法。對整節(jié)距 q=1 時一般取 1 ；或單層繞組取 0.96 ，雙層繞組取 0.92 ；72.3極弧系數(shù) 的選擇 值越大，交流發(fā)電機體積越小，但轉(zhuǎn)子爪極間漏磁增大，使交流發(fā)電機最大輸出減小，空載轉(zhuǎn)速升高。對汽車發(fā)電機而言，一般取較小的 值，為 0.60.65 。 與爪極尺寸間的關(guān)系是：bmaxbmin 或2式中 b max ：最大極寬；bmin：最小極寬；bmaxbmin 42：極距 =D1/2p ；：定轉(zhuǎn)子間的主氣隙，一般為0.30.5mm ；2.4電磁負荷選

14、擇要點a. 電機輸出功率一定時，提高電磁負荷可縮小電機體積和節(jié)省有效材料；b. 選擇較高的 B時，一般會增加鐵芯損耗，而降低繞組電損耗；c. 選取較高的 A 值時，繞組電損耗將增加；d. 勵磁電流標幺值與 B /A 成正比，故選取較高的 B或較低的 A 時，勵磁電流一般要增大；3主要尺寸的確定先估算出 D12L ，然后選擇主要尺寸比 ，分別確定 D1 和 L ；的大小直接影響交流發(fā)電機的性能溫升及經(jīng)濟指標。對于爪極式交流發(fā)電機而言，由于爪極間間隙較小，轉(zhuǎn)子漏抗比值較大，小的可減少勵磁安匝，改善通風效果，使定子熱負荷AJ 選取較大的數(shù)值，從而減少用銅量，提高交流發(fā)電機的比功。通常 取 0.951

15、.15，即D12L=0.250.3 D13。根據(jù)安裝要求， 對大于 2000W 的發(fā)電機或同一定子外徑派生的產(chǎn)品，其 值可在 1.52.0 之間選擇。主要尺寸計算出后，一般要根據(jù)已有系列進行優(yōu)選，確定合適的數(shù)8值。二定子計算1. 定子繞組匝數(shù)計算1.1 每相串聯(lián)匝數(shù) W 式中E ：相電勢；：額定負載下每極磁通 WLB m m T ；b1.2 每槽導體數(shù) NsN s2a m W (取整 )Z式中a：定子繞組并聯(lián)路數(shù)；Z：定子槽數(shù)2 pmq ；2. 定子繞組線徑計算2.1導線截面積 Ao式中 I：交流相電流0.82I d ；Nt：線圈并繞根數(shù)；J：導線容許電流密度。 J 選大，可使導線截面積減小，

16、省銅；但定子內(nèi)阻Ro 增大，電機溫升增高，效率降低。汽車發(fā)電機一般取較高的 J 值，在 2025A/mm2，熱負荷 AJ 在 6001200109A 2/mm2；雙風扇發(fā)電機可取 2530A/mm2。2.2每根導線直徑 do求得的導線直徑須修正到標準值。3. 定子鐵芯槽形確定定子槽形尺寸時應考慮有足夠大的槽面積安放線圈和絕緣，齒部和軛部磁通密度大小適當，同時考慮齒部有一定的機械強度。3.1 齒寬 b t1式中Kc：鐵芯疊壓系數(shù)，取0.920.95；9Bt1：定子齒磁通密度，取22.5B；t1：定子齒距D1 Z ；3.2 軛高 hj1式中K1：取 0.3580.37；Bj1 ：軛磁通密度，取1.

17、52B；3.3 定子外徑一般取 1.31.37D1，再圓整，靠標準系列。二轉(zhuǎn)子計算1. 爪極形狀尺寸外徑D2 D1 2 ；計算極弧長度最大極弧長度最小極弧長度b；bmax4；bmin2bbmax ；極爪長 L pL (24)mm；磁軛長 L12L pL ；極爪端部厚度 a03 4mm；極爪根部厚度 aca0L ptg 0 ；0 取 10 15，大則端部太薄，剛性不足；小則極內(nèi)側(cè)漏磁增大。2. 極掌厚度和磁軛直徑極掌厚度 bmSm bmax ;極身截面積 SmmBm ; Bm 極身磁通密度，一般選為2.53B;轉(zhuǎn)子極軛部磁通m；磁軛直徑Dc4 pSm K ,K 取 1.1；為漏磁系數(shù)，是在所計算

18、的截面上的磁通和空氣隙磁通的比值，10一般先進行預估，后驗算。由于漏磁通計算相當繁復，實際中很難求得精確的漏磁系數(shù) 值。這里，提出另一簡易方法。此方法以各主要段磁路中的磁阻大致相等為原則，即各主要磁路段的截面積基本相等。定子齒部截面積bt1 Lmpq ;爪極掌部截面積bm p ;磁軛部截面積D c2kD4 2 ，k 取 0.30，D4 為磁軛內(nèi)孔徑。4根據(jù)上述原則，得出：bmbt1Lmq；D c2D 2bmkD4 2 ；3. 激磁繞組計算3.1 導線截面積 SfS f135L f FBH k ；U NU b式中FBH ：磁路總磁勢；系數(shù)k 取 1.1；U b：碳刷壓降 1.5V；L f ：繞組每匝平均長度h fDc2d s ， hf 為線圈厚度， ds 為線圈架厚度或絕緣紙厚度；由于 FBH 計算很復雜，一般采用另外的簡易方法：S fI fJ f ，其中 Jf 取 610A/mm2，優(yōu)先選取低值，保證熱態(tài)有足夠輸出；激磁電流 I f 20一般 14V 發(fā)電機取 34A ；28V 發(fā)電機取 2.53.5A；（）3.2 導線線徑 dfd f4Sf,求得的值應靠標準系列圓整（其值為裸徑）。選取定標準系列線徑的導線后，可反過來對電機所能產(chǎn)生的激磁磁勢進行驗算，其計算方法如下述。113.3