分马力电机的结构设计毕业设计.docx

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分马力电机的结构设计毕业设计

分马力电机的结构设计毕业设计

毕业设计

题目分马力电机的结构设计

诚信声明

本人声明:

1、本人所呈交的毕业设计（论文）是在老师指导下进行的研究工作及取得的研究成果;

2、据查证,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,毕业设计（论文）中不包含其他人已经公开发表过的研究成果,也不包含为获得其他教育机构的学位而使用过的材料;

3、我承诺,本人提交的毕业设计（论文）中的所有内容均真实、可信。

作者签名:

日期:

年月日

毕业设计（论文）任务书

设计（论文）题目:

分马力电机的结构设计姓名刘布亭系别电气信息学院专业电气工程及其自动化班级0503姓名刘金泽职称副教授教研室主任谢卫才

基本任务及要求:

了解分马力电机制造工艺与流程

了解分马力电机的现代制造方法和特点掌握分马力电机的主要结构特点

了解分马力电机结构设计要求、规范

掌握电机结构设计方法

完成分马力电机结构或零部件设计

完成电机结构分析编写报告。

进度安排及完成时间:

车间、试验室实习,了解电机制造流程,电机设计方法,电机测试方法

（1）第一周至第四周:

车间实习,了解电机制造流程,撰写毕业设计

（3）第五周至第六周:

试验室实习,了解电机相关测试,撰写毕业设计

（4）第七周至八周:

岗位实习,撰写毕业设计（7）第九周至第十五周:

撰写毕业论文;

（8）第十六周:

毕业设计答辩

摘要I

AbstractII

第1章概述1

1.1电机的总体结构的分类1

1.2结构设计的基本内容和原则2

第2章电机的结构设计4

2.1轴与轴承的设计4

2.1.1轴的设计步骤4

2.2端盖与机壳的设计10

2.2.1端盖的设计10

2.2.2机壳的设计15

2.3风扇与风罩的设计16

2.4机顶盒的设计17

2.5电机的总装线17

2.5.1电机装配尺寸链的计算17

2.5.2电机的总装工艺简要20

第3章电机的型式试验20

3.1ST曲线测试21

3.2空载实验21

3.3定转速测试22

3.48个点的堵转实验22

3.5热运行实验22

3.6过电流测试22

3.7堵转扭矩测试23

3.8最小转矩测试23

3.9堵转试验23

第4章电机的噪声与振动测试25

4.1噪声测试25

4.1.1空载测试25

4.1.2负载测试26

4.2电机的振动测试28

结束语30

致谢33

参考文献34

附录A转轴机械加工图

附录B轴与轴承的装配图

附录C传动端端盖图

附录D非传动端端盖图

附录E嵌线定子图

附录F机壳图

附录G风扇图

附录H端子板图

附录I风罩图

附录J电机总装图

分马力电机的结构设计

?

单相电容运行异步电动机

摘要:

单相电机的使用很广泛,在生活生产的应用中是很大的一方面。

在当今中国,单相电机的应用特别是在农村中非常之普遍,而中国农村的比重很大,因而对于单相电机的研究很有现实价值。

单相电容电机因具有结构简单,成本低廉,运行可靠,维修方便等一系列优点,已广泛应用于家用电器和各行各业的小功率驱动中。

本次主要以电机的结构设计为主,其中包括电机的转轴、轴承的设计与选择,以及二者之间的公差与配合,有关端盖的设计主要包括端盖的材料的选择以及端盖的厚度以及附加部件的设计。

机壳主要是采用拉伸件,可以在机壳的外表面设计成散热筋的形式,设计过程采用UL1004标准。

风叶和风罩的设计主要是材料的选择和形状的设计以及与电机的机壳和端盖的配合。

端子板的主要是便于引线的连接,本设计还主要包括电机的型式试验以及噪声与振动试验。

关键词:

单相电机,电容,结构,型式

Sub-structuredesignhorsepowermotor?

?

?

-Single-phasecapacitorrunasynchronousmotor

Abstract:

Theuseofsingle-phasemotorisawiderangeofapplicationsinthelifeoftheproductionisontheonehand,great.Intoday'sChina,theapplicationofsingle-phasemotors,particularlyinruralareasisverycommon,andalargeproportionofChina'sruralareas,thussingle-phasemotorforthepracticalvalueofresearch.Single-phasecapacitormotorshaveasimplestructure,low-costandreliableoperation,maintenanceandotheradvantagesofconvenience,hasbeenwidelyusedinhouseholdappliancesandallwalksoflifeinlow-powerdrive.Mainlyinthestructuraldesignofthemainmotor,includingthemotorshaft,bearingdesignandselection,aswellasthetolerancebetweenthetwoandcoordinationofthedesignonthecovermainlythechoiceofcovermaterialandcoverthethickness,aswellasthedesignofadditionalcomponents.Themainchassisisstretchedpiecesofthechassiscanbedesignedtoheattheoutersurfaceoftheformofbars,UL1004standardsfortheuseofthedesignprocess.Bladedesignandwindshieldisthechoiceofmaterialsandshapesaswellasthedesignofthechassisandmotorco-ordinationofendcaps.ThemainterminalboardistofacilitatetheconnectionleadKeyWords:

one-phasemotor;capacitor;Structure;type

第1章概述

结构设计和机械计算是电机设计的一个组成部分,它主要在电磁设计完成后进行,其目的是解决机械部分的设计问题,对它的要求是从结构上来保证电机性能、制造时的经济合理和运行可靠等。

1.1电机的总体结构的分类

影响电机总体结构的因素很多,例如电机的类别、运行条件、原动机或被传动机械的种类及传动方式、电机的容量与转速、冷却方式、防护类型、轴承型式和数目、安装方式等等。

总体结构应符合国家标准的有关规定。

1.按通风冷却系统分类

空冷有自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风、自由循环通风、封闭循环通风等多种型式,采用其它冷却介质时,从总体结构上看,通常都是封闭循环系统。

2.按防护类型分类

按防护型式的不同,可将电机分成许多类型,目前主要的防护类型有开启、防护、封闭、防爆、防水、水密、潜水、潜油等数种。

3.按安装结构型式分类

表1.1电机的基本安装结构

顺序号基本安装结构型式分类代号

1具有端盖式轴承,用底脚安装的电机IM1

2具有端盖式轴承,用底脚和凸缘安装的电机IM2

3具有端盖式轴承,其中一个端盖带凸缘,用凸缘安装的电机IM3

4具有端盖式轴承,机座带凸缘,用凸缘安装的电机IM4

5无轴承电机IM5

6具有端盖式轴承和座式轴承的电机IM6

7具有座式轴承的电机（无端盖）IM7

8除上述1至4以外的立式电机IM8

9特殊安装形式的电机IM9

1.2结构设计的基本内容和原则

结构设计的基本内容大致如下:

1.本次设计的电机为IP44防护类型的泵电机,IP44防护类型,即防止大于1.0mm的固体物侵入,防止直径或厚度大于1.0mm的工具、电线或类似的细节小外物侵入而接触到灯具内部的零件;防止飞溅的水侵入,防止个方向飞溅而来的水进入灯具造成损害。

电动机的绝缘等级指的是电动机所用绝缘材料的耐热等级,可分为A、E、B、F、H级。

允许温升是指电动机的温度与周围环境温度相比升高的限度。

本设计绝缘方式采用B级绝缘,最高允许温度为130℃,绕组温升限值80K,性能参考温度100℃

2.零部件的结构形式、材料、形状、尺寸、加工精度、形位公差、表面粗糙度和技术要求等如附图。

3.机壳与定子采用热套的方式,利用机壳的热胀冷缩原理使的定子牢牢地固定在机壳之内,转子和轴也是采用热套的方式,原理同机壳与定子。

机壳与端盖采用的是过渡配合的方式,使其紧固。

轴承采用一定的紧配合的方式,同时利用轴肩和挡圈来进行径向和轴向的配合。

风扇亦是利用过渡配合的方式进行紧固。

4.核算零部件的机械性能,本设计主要对轴与轴承进行了校核,因为这两个是电机的核心部分。

其余的零部件的机械性能均是参考同一类型的电机的尺寸,其主要的最小尺寸和配合方式则是由《机械设计手册》查得。

一般说来,结构设计时需要着重考虑一下原则:

1.应保证电机在规定期限内安全可靠运行。

其中最关键的部位是转轴和轴承。

设计时保证在力和转矩的作用下,强度和刚度应满足要求,带电部分和姐弟部分间应有足够的绝缘距离,轴承应有合理的寿命,转子上的紧固零件需加设锁紧装置（弹簧垫圈、制动垫圈等）,以防松动。

2.所用的结构型式一般应符合有关国家标准的规定,并满足客户和环保部门提出的要求。

例如电机的防护型式、轴承型式、中心高、外形尺寸、安装尺寸、轴伸型式和尺寸、出线盒位置等,此外在装配时也应该注意转子与机壳的同心度问题,要按照图纸上的技术要求来进行总装,否则电机的不平衡度将会产生很大的噪音问题,严重者,过大的单边磁拉力会使电机发生不安全的事故。

3.要尽量的使零部件符合“标准化、系列化、通用化”的要求,尽可能采用标准件和标准规格的材料,注意零部件间的通用。

4.具有良好的结构工艺性,也即要求结构简单、加工方便、生产周期短、制造成本低。

5.应考虑电机装拆和维修方便。

为了方便拆装,所设计的电机的端盖的固定螺孔处常做成凸耳,在凸耳与机座端面间留出一定的间隙。

6.适当注意电机的外表。

本次所设计电机的主要结构包括机壳、端盖、风罩、风扇、转轴、轴承、端子板等。

图1.1电机的外型图

电机的外型图是根据用户的基本的需求而考虑设计的,用户指定了电机的高度、长度、出轴的长度以及外观的要求。

机座是电机的主要的结构零件,对电机的互换性和气隙的均匀度影响很大。

本次设计采用铸铝机座,其上带有散热筋,可以在电机使用时更好的散热。

风扇采用自扇冷式,套在轴的后端。

转轴采用45#钢,经机加工及调质处理。

轴承采用6201和6202开式深沟球滚动轴承。

轴伸端依照客户要求,长度为65.6±0.04mm,攻螺纹。

因为电机的外形是按照用户的要求并结合已有的电机的形状进行的设计,下面将按照电机的总装图进行分解设计。

第2章电机的结构设计

2.1轴与轴承的设计

轴是组成机械的重要零件之一。

它用来安装各种传动零件,使之绕其轴线转动,传递转矩或回转运动,并通过轴承与机架或机座相联结。

轴与其上的零件组成一个组合体?

?

轴系部件,在轴的设计时,不能只考虑轴本身,必须和轴系零、部件的整个结构密切联系起来。

轴按受载情况分为:

1.转轴:

支承传动机件又传递转矩,即同时承受弯矩和扭矩的作用。

2.心轴:

只支承旋转机件而不传递转矩,即只承受弯矩作用。

心轴又可分为固定心轴（工作时轴不转动）和转动心轴（工作时轴转动）两种。

3.传动轴:

主要传递转矩,即主要承受扭矩,不承受或承受较小的弯矩。

本次设计主要是设计一个传动实心轴。

轴的设计应满足下列几方面的要求:

1.在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中。

2.足够的强度（静强度和疲劳强度）,必要的刚度,特殊情况下的耐腐蚀性和耐高温性。

3.高速轴的振动稳定性及良好的加工工艺性,并应使零件在轴上定位可靠、装配适当和拆装方便。

2.1.1轴的设计步骤

1.确定轴上零件装配方案:

轴的结构与轴上零件的位置及从轴的哪一端装配有关。

2.确定轴上零件定位方式:

根据具体工作情况,对轴上零件的轴向和周向的定位方式进行选择。

轴向定位通常是轴肩或轴环与套筒、螺母、挡圈等组合使用,周向定位多采用平键、花键或过盈配合联结。

3.确定各轴段直径:

轴的结构设计是在初步估算轴径的基础上进行的,为了零件在轴上定位的需要,通常轴设计为阶梯轴。

根据作用的不同,轴的轴肩可分为定位轴肩和工艺轴肩（为装配方便而设）,定位轴肩的高度值有一定的要求;工艺轴肩的高度值则较小,无特别要求。

所以直径的确定是在强度计算基础上,根据轴向定位的要求,定出各轴段的最终直径。

4.确定各轴段长度:

主要根据轴上配合零件毂孔长度、位置、轴承宽度、轴承端盖的厚度等因素确定。

5.确定轴的结构细节:

如倒角尺寸、过渡圆角半径、退刀槽尺寸、轴端螺纹孔尺寸;键槽尺寸等

6.确定轴的加工精度、尺寸公差、形位公差、配合、表面粗糙度及技术要求:

轴的精度根据配合要求和加工可能性而定。

精度越高,成本越高。

通用机器中轴的精度多为IT5~IT7。

轴应根据装配要求,定出合理的形位公差,主要有:

配合轴段的直径相对于轴颈（基准）的同轴度及它的圆度、圆柱度;定位轴肩的垂直度;键槽相对于轴心线的平行度和对称度等。

7.画出轴的工作图:

轴的结构设计常与轴的强度计算和刚度计算、轴承及联轴器尺寸的选择计算、键联结强度校核计算等交叉进行,反复修改,最后确定最佳结构方案,画出轴的结构图。

本设计初步预选电机为泵用分马力单相电容运行异步电动机,其主要的铭牌数据:

电压220V;频率50HZ;功率0.75HP;额定转速2850RPM

2.1.1.1选择轴的材料

选择轴的材料为45?

钢,调质处理,45#钢是很常用的优质碳素结构钢,它的强度较高,韧性一般,适合调质或正火状态下使用,还可以表面淬火（如高频淬火）,使零件全部或部分表面获得较高硬度（通常HRC45-50）。

查表可得:

抗拉强度σb650,屈服点σs360,弯曲疲劳极限σ-1270,扭转疲劳极限τ-1155。

2.1.1.2初步确定轴端直径

查阅参考资料如下表:

表2.1常用轴材料的τ及A值

轴的材料Q235-A、20Q275、35

（1Cr18Ni9Ti）4540Cr、35SiMn、42SiMn

40MnB、38SiMnMo、3Cr13

τ/MPa15-2520-3525-4535-55

A149-126135-112126-103112-97

按表2.1取值,初步取A126,则轴的最小直径

d?

17.2A1267.32mm,

d?

?

轴端直径,mm

T?

?

轴所传递的扭矩,N.M

T9550

P?

?

轴所传递的功率,kW

N?

?

轴的工作转速,在此本设计取电机的额定转速

τ?

?

许用扭转剪应力,MPa,按表一取值

A?

?

系数,按表2.1取值

即轴的最小直径部分应不小于7.32mm。

2.1.1.3轴的结构设计

以下均为从非轴伸端到轴伸端开始计算:

1.第一段轴的选择

由于第一段轴上装有标准件--轴承,本次设计之电机为水泵电机,故由其工作方式可知,电机的转轴主要承受径向力,轴向力非常的小,通常可以忽略,可选择开式深沟球轴承,预选轴承为:

深沟球轴承NSK6201,其主要尺寸为d12,D32,B10,与轴采用过渡配合。

由于该段通过压装装有散热风扇,所以其尺寸b1?

10。

图2.1NSK6201深沟球轴承结构图

为了防止轴承内圈与轴在机器运转时产生不应有的相对滑动,必须选择正确的配合。

通常轴与内圈采用适当的紧配合是防止轴与内圈相对滑动的最简单而有效的方法,特别是对于轴承的薄壁套圈,采用适当的紧配合可使轴承套圈在运转时受力均匀,以致轴承的承载能力得到充分的发挥。

但是轴承的配合又不能太紧,因内圈的弹性膨胀和外圈的收缩而使轴承径向游隙减小以至完全消除,从而影响正常运转。

有查表可得,《机械设计手册》表7-2-20,对于泵电机的轴与轴承的配合采用j5或js5。

根据所选轴承6201,故取轴第一段的直径为d112j5,b130。

2.第二段轴的选择

这段轴为非定位轴肩,非定位轴肩是为了加工和装配方便而设置的,其高度没有严格的规定。

根据电磁计算,转子叠厚为89mm,考虑到电机的安装尺寸以及散热,轴需要加长。

故取d212.70,b2120.64

3.第三段轴的设计

该段轴的轴肩为定位轴肩,一般取定位轴肩高度为h0.07?

0.1d,其中,d为与零件相配处的轴径,此处,dd212.70。

第三段轴的直径为

d3?

d2+20.07~0.1d212.70+2*0.09*12.7014.986

考虑到安全高度和安装尺寸,取b343

因此取d315,b343。

4.第四段轴的设计

该段轴上装有标准件--轴承,由于该段轴接近轴伸端,即承受载荷大,故预选轴承为:

深沟球轴承NSK6202,d15,D35,B11。

故选择d415j5,b411,轴与轴承之间采用过渡配合。

5.伸出轴的设计

该段根据客户需求而定,轴总长为280.7mm,本次设计取螺纹轴M12,L17;光轴通过尺寸链来计算。

6.确定轴上圆角和倒角尺寸

取轴端倒角为2*45°,各轴肩圆角半径见附图。

2.1.1.4求轴上的载荷

T9550P/n9550*559/28501873.14N

2.1.1.5轴的校核

1.精确强度校核

轴强度的精确校核是在轴的结构及尺寸确定后进行的,通常采用安全系数校核。

轴的安全系数校核计算包括两个方面:

疲劳强度安全系数和静强度安全系数校核

疲劳强度安全系数校核

轴的疲劳强度是根据长期作用在轴上的最大变载荷来计算的,危险截面应是受力较大、截面较小及应力集中较严重的即实际应力较大的若干个截面。

危险截面安全系数S的校核

S≥S

其中S,S

S?

?

只考虑弯矩作用时的安全系数

S?

?

按疲劳强度计算的许用安全系数,查表得S1.5

?

?

对称循环应力下的材料弯曲疲劳极限,MPa,查表得270

?

?

对称循环应力下的材料扭转疲劳极限,MPa,查表得155

、?

?

弯曲和扭转时的有效应力集中系数,2.6,1.9

β?

?

表面质量系数,查表得β0.54

S?

?

只考虑扭矩作用时的安全系数

ε、ε?

?

弯曲和扭转时的尺寸影响系数,ε0.91ε0.89

、?

?

材料拉伸和扭转的平均应力折算系数,0.430.29

、?

?

弯曲应力的应力幅和平均应力,MPa,66.566.5

、?

?

扭转应力的应力幅和平均应力,MPa,23.423.4

图2.2弯矩的计算示意图

有弯矩示意图可得

M2.661N.M

代入数据计算得:

S7.1

S1.56

S1.52

由于载荷较确定,故选择需用安全系数为1.5,计算可知S1.52≥1.5成立,即疲劳强度安全系数合格。

静强度安全系数

S

其中S,S

S?

?

只考虑弯曲时的安全系数

S?

?

只考虑扭转时的安全系数

Z、Z?

?

轴危险截面的抗弯和抗扭截面模数,Z0.02,Z0.04

S?

?

静强度的许用安全系数,S1.4

?

?

材料的拉伸屈服点,360

τ?

?

材料的扭转屈服点,τ216

M、T?

?

轴危险截面上的最大弯矩和最大扭矩,最大扭矩可由经验值取得为1.5?

2T

所使用值得选取见后表。

代入数据计算得:

S2.7

S2.88

S1.96≥1.4

即静强度安全系数符合安全规定。

2、轴的刚度校核

轴的扭转刚度校核是计算轴的在工作时的扭转变形量,是用每米轴长的扭转角度Φ来度量的。

本次设计的轴为阶梯实心轴,为一般的传动,按经验值取Фp0.5~1°/m。

Ф

T?

?

轴所传递的转矩,N?

m

?

?

轴受扭矩作用部分的长度,mm

、d?

?

第i段轴的长度、直径、空心轴内径,mm

T?

?

第i段轴所受扭矩,N?

m

分析各段轴可知,将轴分为

Ф26.19（0.0015+0.00049+0.002+0.000054+0.0016+0.0086+0.003）

0.45°

其刚度符合标准。

综上所述,该轴符合所需之要求。

式中的数据选择可参考如表2.2至表2.8所示,并结合实际之情况选择。

表2.2轴的常用材料及其主要力学性能

材料牌号热处理毛坯直径/mm硬度

HB抗拉强度屈服点弯曲疲劳极限扭转疲劳极限

MPa

45正火25≤241610360260150

正火

回火

≤100

>100~300

>300~500

>500~750170~217

162~217

156~217600

580

560

540300

290

280

270240

235

225

215140

135

130

125

调质≤200217~255650360270155

表2.3应力幅及平均应力计算公式

循环特性应力名称弯曲应力扭转应力

对称循环应力幅

平均应力

脉动循环应力幅

平均应力

说明M、T?

?

轴危险截面上的弯矩和扭矩,N?

m

Z、Z?

?

轴危险截面的抗弯和抗扭的截面系数,cm,对于实心轴有Z,Z

表2.4许用安全系数

条件S

材料的力学性能符合标准规定（或有实验数据）,加工质量能满足设计要求载荷确定精确,应力计算准确

载荷确定不够精确,应力计算较近似

载荷确定不精确,应力计算叫粗略或轴