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鼠籠轉子導條斷裂的研究與新型防斷條結構 (刊登在《大電機技術》2002年第7期上)

發布時間:2011-01-08
鼠籠轉子導條斷裂的研究與新型防斷條結構

    哈爾濱通能電氣股份有限公司 王常春 王勝五

    刊登在《大電機技術》2002年第7期上

     [摘要]本文分析和計算了鼠籠型轉子導條斷裂,系因導條在鐵心槽中不能固緊,導條伸曲長不準確,護環
位置不合理,端環截面積偏小等所致。目前國內以采取的措施均不能徹底予以解決。本文介紹的獨特的燈籠型和
組合型防斷條結構,經500余臺改造電機運行證明是可靠的。

[關鍵詞]鼠籠型轉子 導條斷裂 防斷條結構

前言

     高壓大中型異步電動機鼠籠轉子導條斷裂問題是國內外公認的難題,目前國內雖采取了一些方法,但均不能
徹底解決。哈爾濱通能電氣股份有限公司在鼠籠轉子防斷條方面獲得三項專利技術,實用于新老系列各種類型的
鼠籠轉子,并于1992年7月7日通過了黑龍江省科學技術委員會主持的技術鑒定。鑒定意見為:“該成果對重載且
頻繁起動的各類鼠籠轉子大、中型異步電動機(鑄鋁轉子除外)進行改造經500余臺改造后電機運行實踐證明是可
靠的,且對設計新產品采用此技術是可行的采用獨特的燈籠型和組合型防斷條結構。在國內屬于首創,在國際上
尚未發現類似的防斷條結構。該成果的施措具有顯著的社會經濟效益,見意及早在全國推廣應用。”本文概述國
內采用的幾種方法,探討斷條原因,介紹防斷條的專利技術。

國內采用的幾種方法

1.1高速鼠籠型轉子

    1.1.1老系列,該型轉子使用梯形導條但端環開槽無法開成梯形,因此將導條兩端銑成近似于矩形的形狀,才
能嵌入端環的矩形槽內,這使導條兩端根部的截面積大大減少,因而削弱了導條兩端根部的強度,并減少了導電
面積。將端環銑成平形四邊的槽,導條嵌入后另外加細楔焊牢。

    1.1.2 新系列,該型轉子不但導條斷裂嚴重,且端環相對鐵心發生扭轉位移。為此在端環與軸之間加撐環,
其外圓以止口方式卡入端環,并且螺栓固定在端環上,考慮到導條受熱伸長,又在撐環內徑與軸的接觸面上配以
導鍵,以保證撐環在軸上自由滑動。又為使導條能在鐵心槽中固緊,在鐵心槽口處每隔一定間距,在導條上沖擊
深約1—2mm凹坑。

1.2 深槽鼠籠型轉子

     凡是矩形條對矩形槽的轉子,有的廠家用圓盤滾子擠壓轉子鐵心槽口。對于新系列該型轉子端環相對鐵心產
生的扭轉位移,在端環與轉子支架之間加一支架,來限制端環的扭轉,為了提高導條根部的強度,也有采用將導
條根部的兩側附以加強襯,連同導條一并焊進端環的槽內。

1.3 雙鼠籠型轉子

有的發電廠對此型斷條的解決辦法如下。

    1.3.1 導條無伸長,即端環直接靠至鐵心且上下導條共用同一個端環。然而,使用不同材質的上下層導條共
用同一只端環,因它們的線膨脹系數不同,尤其是電機起動時轉子電流絕大多數從上層導條通過,此時上層導條
的伸長要遠大于下導條的伸長這必將造成下層導條受拉伸,上層導條受壓縮,因而更易引起導條的斷裂。

    1.3.2 導條根部加護套,連同導條一并焊入端環孔內的方法,雖然略緩解導條根部的應力,但實際計算證明
這不能根本解決斷條。

    1.3.3 采用不銹鋼環和固定支架的結構,即在上下層端環間夾一只不銹鋼環,并使上層導條穿過不銹鋼后再
和上層端環焊接,這樣當上層導條斷裂后,不致刮壞定子線圈。同時不銹鋼環還借助一固定支架和轉子支架連接
,以防止端環扭轉位移。這種結構還把上層導條外伸部分套以不銹鋼套,以提高導條的強度。但這種套壁很薄,
基本作用不大,且套裝工藝很復雜,不適合批量生產。

    1.14 采用上層導條穿過下層端環后,再與上層端環焊接的方法。這與轉子端部綁扎無緯帶的方法,即防止上
層導條斷裂后刮壞定子線圈。上述方法均是在何處斷裂就在何處采取措施,根本沒有觸及實質,因此導條斷條也
不能徹底解決。

導條斷裂的分析

2.1 導條在轉子鐵心槽中****固緊

     高速電機的轉子端部具有護環,因此轉子端部受力很復雜,以此為例作理論分析,則對深槽型和雙鼠籠型電
機就可易于分析了。此分析的邊界條件是導條在轉子鐵心槽中絕對固緊,才能忽略導條在轉子槽中所受的離心力
、電磁力、熱彎曲撓度力等。轉子運行后的動態狀態不同于靜止狀態,即鐵心發生徑向變化位移,導條產生轉角
,端環與護環間的配合過盈量也會發生變化,依理論力學可描繪出如圖 3 所示的受力情況。 理論分析和導條斷
裂的實際表明:導條根部,即導條與端環接觸部位是危險斷面,應計算出一個斷面的應力,并檢查是否小于銅的
允許應力。

2.2 導條在轉子鐵心槽中存在間隙

     上節所述的邊界條件是很難滿足的,目前國內電機廠家生產的電機,均或大或小地存在間隙,斷條的轉子就
屬于間隙較大者。因此,凡導條在轉子鐵心槽中存有間隙時,均應考慮所受的下列各力。

2.2.1 熱彎曲撓度力

     轉子導條在電機起動過程中存在擠流效應,即轉子電流絕大部分在導條上層流過,使導條產生彎曲變形。設
把這一熱彎曲變形等同為撓度力Pf,但Pf 如何作用于導條的危險斷面,即只有當導條的熱彎曲變形受到半約束時
,此時其 P f 的反力總是以和導條彎曲方向相反的方向作用于導條。這一約束又分為分布載荷約束和集中載荷約
束。

2.3 導條和端環的起動發熱計劃

     為了計算 2.2 節中的導條上下層溫度,即T2-T1,則首先需要計算轉子的起動發熱。電機在起動過程中轉子
所產生的電熱損耗Qr,與為加速整個轉子的飛輪力矩相等,按下式計算:Qr=1/730n 2 GD 2 (J) 式中:GD2——轉
子飛輪力矩,kg·m2;n——電機加速范圍,r/min。將此電熱損耗按導條和端環的電阻比值分配后,便可按下式
計算導條 T b 和端環Tk的起動溫升。

2.4 導條的振動原因

     電動機起動過程中在導條上作用著一個徑向電磁力,根據式 (12) 可知,當 sin(ωt+φ)=1時,電磁力的幅
值增加一倍;當sinωt+φ)=-1時,則電磁力的幅值變為零,也即電磁力消失。然而電動機在起動過程逐漸增加
的導條自身的離心力和電磁力方向相反,當離心力增加到一定程度后,在電磁力出現零值時,就把導條向槽口方
向推去;然而當電磁力恢復到2倍幅值時,并且此幅值能夠大于離心力,于是又把導條吸向槽底,這樣往復下去,
就使導條產生振動。然而在整個電機起動過程中,并不是全部都能滿足這種振動條件,振動只能發生在一個很小
的轉速范圍之內。由此可見,導條在鐵心槽中必須固緊,否則不但受力復雜,而且還能引起振動。這種振動不但
能夠引起導條斷裂,還常常以電腐蝕的方式燒毀鐵心槽口。

防止導條斷裂的專利結構

3.1 深槽型籠型轉子防斷條結構

     一般深槽型轉子結構,是將具有矩形截面的紫銅導條直接打入轉子鐵心的矩形槽中,但這不能使導條在槽中
固緊,其導條在鐵心槽中的徑向間隙,造成導條在鐵心槽中受上述各種力的作用而斷條。因此,只需要控制導條
高度方向的固緊,即將現有導條按高度方向分解成具有斜鍵效果的兩個部分,即上導條和下導條,且上下導條均
具有一定斜度的配合面。當向轉子鐵心槽內組裝上下導條時,先將導條打入槽內,然后再按配合面將下導條打入
槽內,當調整好導條和鐵心的對稱度后,再用力打下導條的大頭,直到使上下導條在鐵心槽中固緊為止。

3.2 老系列高速型鼠籠轉子防條結構

     原來老系列該型轉子端部結構的主要缺點是,導條伸出太短,護環體積太大,護環不但沒有保護作用,反而
增加了慣性力。新的專利結構是,增加導條的伸長,并將端環的內外側互換,護環尺寸減少直接保護導條根部的
危險斷面。

3.3 新系列高速型鼠籠轉子防斷條結構

     該型轉子端部結構是仿美國西屋公司設計的,主要缺點是護環沒有起到任何保護作用。由于導條在轉子槽中
無法固緊,護環不起作用,又由于導條和端環是對接,中頻焊的溫度控制不準等原因,導條斷裂的事故率非常高
。為此,新專利結構的改進特點是,將導條壓彎嵌入端環的槽中,使護環探入并超過導條的根部,直接對導條的
危險斷面實施保護。另外,導條的彎曲還可以分散在危險斷面作用的應力。這一結構稱之為燈籠型轉子,也已被
鑒定為具有國際先進水平。

4 、結束語

     目前哈爾濱通能電氣股份有限公司燈籠型轉子和鼠籠型轉子等深槽型電機轉子防斷條專利結構分別應用于各
類高速電動機新系列和重載且頻繁起動的深槽電動機系列產品中,并且能夠自行設計和制造新型的具有防斷條結
構的深槽型轉子,同時哈爾濱通能電氣股份有限公司將應用于這一項專利技術為所有的電動機轉子導條防斷條改
造提供優質的服務。

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