Sähkömoottorin rakenteen analysointi tärisevässä käytössä

Abstract

Tämän työn tavoitteena oli suunnitella esimerkkirakenne vaikeisiin olosuhteisiin tarkoitetusta sähkömoottorista. Ensisijaisesti tarkasteltavia osia sähkömoottorin rakenteessa olivat roottoriakseli, laakerointi sekä laakerikilvet. Laakeroinnista tarkasteltiin laakerivaurioiden syntymistä, tarvittavaa esijännitysvoimaa sekä jälkivoitelua. Lisäksi momenttiakselista tarkasteltiin sen vääntövärähtelyominaisuuksia sekä rungosta ja laakerikilvistä niiden jännityksiä B5-kiinnitysasennossa, eli laippakiinnityksessä. Työstä pyrittiin tekemään suunnitteluohje vastaavanlaisiin suunnittelutehtäviin. Tämän työn kirjallisessa osassa tarkasteltiin oikosulkumoottorin rakennetta ja laakerointia, josta perehdyttiin erityisesti erilaisiin kuormitustilanteisiin, voiteluun sekä kestoiänlaskentaan. Lisäksi tarkasteltiin roottoridynamiikkaa ja ominaismuotojen laskentaa.

Kokonaisen roottorin, sisältäen roottoriakselin, –levypaketin, laakeroinnin ja ylikuormitussuojan, pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 62,1 Hz:ä, joka oli kuitenkin lähes kaksinkertainen verrattaessa roottorin käyntinopeuteen (33,3 Hz:ä). On siis varmaa, että roottorin kestoikä ei heikkene sen ominaistaajuuksien aiheuttamasta resonanssista. Pelkän roottoriakselin pienimmäksi ominaistaajuudeksi saatiin 448,0 Hz:ä. Verrattaessa tätä taajuutta roottorin käyntinopeuteen nähtiin, että roottoriakselin ominaistaajuuksien puolesta rakenne oli selvästi alikriittinen. Tarkasteltaessa roottoriakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 12,6 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa.

Koska todellisista sähkömoottorin käyttöolosuhteista ei ollut tarkkaa tietoa, tutkittiin laakeroinnin kestoikää kahdessa ääriolosuhteessa, joko moottoriin kohdistuva tärinä oli kokoajan suurin mahdollinen tunnettu tai tärinää ei ollut ollenkaan. Todellinen tilanne on jossakin näiden kahden ääriolosuhteen välissä. Oli kuitenkin varmaa, että tarkasteltava rakenne kestää halutun kestoiän eli 10000 tuntia laakeroinnin puolesta.

Laakerikilpien ominaistaajuudet olivat korkeita eikä niillä ollut vaikutusta rakenteen kestoikään. Laakerikilpien korkeat ominaistaajuudet johtuivat niiden jäykästä rakenteesta ja suuresta materiaalipaksuudesta.

Tarkasteltaessa momenttiakselin vääntövärähtelyn ominaistaajuutta 7,2 Hz:ä nähtiin, että se oli pienempi kuin moottorin pyörimisnopeus. Tämä ei kuitenkaan ollut moottorin kestoiän kannalta vakavaa, jos ominaistaajuus ja sen kerrannaiset ohitettaisiin sähkömoottorin käytössä hetkellisesti eikä moottoria käytettäisi vääntövärähtelyn taajuudella.

Tarkasteltaessa B5-asennon jännityksiä nähdään, että ne kasvoivat rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa yllättävän suuriksi. Normaalin ruuvin murtoraja on 640 MPa:a, kun jännitys rungon ja laakerikilven välisissä kiinnitysruuveissa oli suurimmillaan 400 MPa:a. Rakenne oli kuitenkin varmalla puolella kestävyyden suhteen, koska keskimääräinen vetojännitys ruuveissa oli noin 200 MPa:a. Ruuvien jännityksiä voidaan pienentää lisäämällä kiinnitys-ruuvien lukumäärää tai kasvattamalla niiden kokoa. Koko moottorin kiinnitysruuveissa jännitys oli vain 4 MPa:a, koska osan kuormituksesta kantoi laakerikilven olakkeet.

The aim of this master of science thesis was to design an example structure of an electrical motor for vibrating environment. The primary components of the electrical motor under consideration were rotor shaft, bearings, and end shields. Damages, needed preload, and lubrication were examined in the bearings. In addition to this, torsion vibration properties were examined from the moment shaft and stresses of both body and end shield in position B5, i.e., in flange attachment. The aim was to make a design instruction to similar situations. In the literature part of this work, the structure of electrical motor and bearings were examined. From the bearings, especially different kinds of vibrating environments, lubrication, and life expectation calculation were discussed. Also rotor dynamics and eigenmodes were examined.

The smallest natural frequency of the whole rotor was 62.1 Hz which, however, was doubled as compared to rotation speed of the rotor (33.3 Hz). For this reason, it is probably that the life time of rotor does not weaken due to resonance caused by its natural frequencies. The smallest natural frequency for rotor shaft was 448.0 Hz. Comparing this frequency to rotation speed of the rotor it was seen that the structure was clearly sub-critical. Studying the natural frequency of torsion vibration of rotor shaft (12.6 Hz) it was noticed that the frequency was smaller than rotation speed of rotor. This was not, however, a serious risk for the life expectation of rotor.

Because there was not exact information of actual operating conditions of the electrical motor under examination, bearings life expectation was studied in two extreme conditions; either vibration was the highest known or there was no vibration at all. The actual situation is somewhere between these two extreme conditions. It was, however, probably that the examined structure will work the wanted life expectation that is 10000 hours on behalf of the bearings.

Natural frequencies of the end shields were high and they had no effect on life expectation of the structure. The high natural frequencies of the end shields were due to their solid structure and large material thickness.

Study of the natural frequency of torsion vibration of the moment shaft (7.2 Hz) shows that the frequency was smaller than rotation speed of the rotor. This was not, however, a serious risk for the life expectation of motor.

Studying stresses for position B5 it was noticed that they increased unexpectedly high in the fixing screws between body and end shield. Normally, the screw breaking point is 640 MPa. The structure was, however, on safe side with regard to the life expectation studies. In fixing screws of the whole motor the largest stresses were only 4 MPa, which was due to collars of end shields carried the parts of the loads.