Modeling of rotor bar swaging process

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Solid Mechanics
Mcode
Degree programme
Master's Programme in Real Estate Economics (REC)
Language
en
Pages
99
Series
Abstract
This thesis studies the rotor bar swaging i.e. locking process in electric motor pro-duction. Main focus of the thesis was developing a model to analyse the rotor bar deformation and locking into the rotor core grooves with simulating dynamic strikes of a high frequency pneumatic hammer. Many previous swaging analyses have used static loading to simulate the hammer strikes, and statically modeling a dynamic impact can lead to unrealistic results. Rotor bars with proper locking greatly reduce the risk of rotor bar breakage due to motor vibrations and thermal bow of rotor. Tightly locked rotor bars can also help avoid permanent rotor residual unbalance changes, and therefore the better the locking, the more reliable the results. Ansys was used to create transient structural analysis models. The effectiveness of swaging was considered for different bar shapes, sizes, materials and swaging depths. Other swaging parameters investigated were non-centricity of swaging, different rotor core groove openings and comparison to a static swaging analysis. Main findings of the analyses were that most of the rotor bars do not lock into the bottom of the rotor core grooves and most of those that do, lock only with 3 mm swaging depths. 1 mm swages were found to provide insufficient locking and highly varied contact forces were seen at top corner of the rotor core grooves between 2 mm and 3 mm swages, some copper and aluminium bar 3 mm swages suggesting double as high contact forces. Contact forces at bottom of the rotor core groove vary massively between bars with bottom contact and no proper bottom contact, bars that locked into the bottom inflicted from 20 to up to 2000 times higher contact forces when inspecting 2 mm and 3 mm swages. The groove opening value was up to 3 times higher in 3 mm than 2 mm swages which results in tighter locking of subjacent bars. Other parameters including non-centricity of swaging and initial groove mouth width were found not to have a major effect on results of the swage. Based on the results of this thesis, swaging depth, groove shape, rotor bar material and bottom contact have the most significant role on success of the swaging. With the rotor bar locking models developed, bar shape designs of API-machines are suggested to be optimized and 3 mm swage depth set as the aim to reach the most reliable locking with bottom contact.

Tämä diplomityö käsittelee roottoritankojen tuukkausta eli lukitsemista sähkö-moottorin tuotannossa. Työn pääpaino oli mallin kehittämisessä roottoritankojen muodonmuutoksen analysointiin ja sen lukitsemiseen roottorin levypaketin uriin simuloimalla korkeataajuisen paineilmavasaran dynaamisia iskuja. Monet aiemmat tuukkausanalyysit ovat käyttäneet staattista kuormitusta simuloimaan vasaran iskuja, ja dynaamisen iskun staattinen mallinnus voi johtaa epärealistisiin tuloksiin. Kunnolla lukitut roottoritangot vähentävät merkittävästi roottoritankojen katkeamisen riskiä moottorin värähtelyjen ja lämpövoimien takia ja roottorin lämpö-taipumisen riskiä. Tiukasti lukitut roottoritangot voivat auttaa välttämään pysyviä roottorin jäännöstasapainomuutoksia. Mitä parempi lukitus on, sitä parempi laatu. Ansysiä käytettiin luomaan transientti tuukkauksen analyysimalli. Lukituksen tehokkuutta arvioitiin eri tankojen muodoille, koille, materiaaleille ja tuukkaussyvyyksille. Muita tutkittuja lukitusparametreja olivat tuukkauksen epäkeskeisyys, eri kokoiset roottorin levypaketin urien avaukset ja vertailu staattiseen analyysiin. Analyyseissä päädyttiin siihen, että suurin osa roottoritangoista ei lukitu roottorin levypaketin urien pohjaan, ja useimmat niistä, jotka lukittuvat, lukittuvat vain 3 mm:n tuukkaussyvyydellä. Kaikki 1 mm:n tuukkaukset havaittiin riittämättömiksi, ja erittäin vaihtelevia kosketusvoimia nähtiin roottorin levypaketin uran ylä-kulmassa 2 mm ja 3 mm:n tuukkauksissa, osissa 3 mm:n kupari- ja alumiinitankojen tuukkauksista havaittiin kaksinkertaiset voimat. Pohjakosketuksen saavuttaminen vaikutti merkittävästi levypaketin uran pohjan kosketusvoimiin. Pohjaan lukittuneet tangot aiheuttivat 20–2000 kertaiset kosketusvoimat uran pohjaan verratuna pohjaan kunnolla lukittumattomiin tankoihin, kun tarkasteltiin 2 mm ja 3 mm:n tuukkauksia. Ura-aukon levenemässä huomattiin 3 mm:n tuukkauksissa jopa kolminkertaiset arvot verrattuna 2 mm:n tuukkauksiin, mikä aiheuttaa tiukemman lukituksen vierekkäisiin tankoihin. Epä-keskisellä tuukkauksella ja ura-aukon nimellisleveydellä ei ollut suurta vaikutusta tuukkauksen tuloksiin. Tämän opinnäytetyön tulosten perusteella tuukkaussyvyys, uran muoto, roottoritankojen materiaali ja pohjakontakti vaikuttavat eniten tuukkauksen onnistumiseen. Kehitetyn roottoritangon tuukkausmallin perusteella API-koneiden tankojen ja urien profiileita ehdotetaan optimoitavaksi, ja tuukkaussyvyys asetettavaksi 3 mm, jotta luotettavin lukitus pohjakosketuksella saavutettaisiin.
Description
Supervisor
Lian, Junhe
Thesis advisor
Jokinen, Juha
Keywords
induction motors, rotor bar, swaging, FEM, transient structural, material model
Other note
Citation