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鼠笼转子导条断裂的研究与新型防断条结构 (刊登在《大电机技术》2002年第7期上)

发布时间:2011-01-08
鼠笼转子导条断裂的研究与新型防断条结构

    哈尔滨通能电气股份有限公司 王常春 王胜五

    刊登在《大电机技术》2002年第7期上

     [摘要]本文分析和计算了鼠笼型转子导条断裂,系因导条在铁心槽中不能固紧,导条伸曲长不准确,护环
位置不合理,端环截面积偏小等所致。目前国内以采取的措施均不能彻?#23376;?#20197;解决。本文介绍的独特的灯笼型和
组合型防断条结构,经500余台改造电机运行证明是可靠的。

[关键词]鼠笼型转子 导条断裂 防断条结构

前言

     高压大中型异步电动机鼠笼转子导条断裂问题是国内外公?#31995;?#38590;题,目前国内虽采取了一些方法,但均不能
彻底解决。哈尔滨通能电气股份有限公司在鼠笼转子防断条方面获得三项专利技术,实用于新老系列各种类型的
鼠笼转子,并于1992年7月7日通过了黑龙江省科学技术委员会主持的技术鉴定。鉴定意见为:?#26696;?#25104;果对重载且
频繁起动的各类鼠笼转子大、中型异步电动机(铸铝转子除外)进行改造经500余台改造后电机运行?#23548;?#35777;明是可
靠的,且对设计新产品采用此技术是可行的采用独特的灯笼型和组合型防断条结构。在国内属于首创,在国际上
尚未发现类似的防断条结构。该成果的施措具有显著的社会经济效益,见意及早在全国推广应用。”本文概述国
内采用的几种方法,探讨断条原因,介绍防断条的专利技术。

国内采用的几种方法

1.1高速鼠笼型转子

    1.1.1老系列,该型转子使用梯形导条但端环开槽无法开成梯形,因此将导条两端铣成近似于矩形的形状,才
能嵌入端环的矩形槽内,这使导条两端根部的截面积大大减少,因而削弱了导条两端根部的强度,并减少了导电
面积。将端环铣成平形四边的槽,导条嵌入后另外加细楔焊牢。

    1.1.2 新系列,该型转子不但导条断裂严重,且端环相对铁心发生扭转位移。为此在端环与轴之间加撑环,
其外圆以止口方式卡入端环,并且螺栓固定在端环上,考虑到导条受热伸长,又在撑环内径与轴的接触面上配以
导键,以保证撑环在轴上自由滑动。又为使导条能在铁心槽中固紧,在铁心槽口处每隔一定间距,在导条上冲击
深约1—2mm凹坑。

1.2 深槽鼠笼型转子

     凡是矩形条对矩形槽的转子,有的厂家用?#25165;?#28378;子挤压转子铁心槽口。对于新系列该型转子端环相对铁心产
生的扭转位移,在端环与转子支架之间加一支架,来限制端环的扭转,为了提高导条根部的强度,也有采用将导
条根部的两侧附以加强衬,连同导条一并焊进端环的槽内。

1.3 双鼠笼型转子

有的发电厂对此型断条的解决办法如下。

    1.3.1 导条无伸长,即端?#20998;?#25509;靠至铁心且上下导条共用同一个端环。然而,使用不同材质的上下层导条共
用同一只端环,因它们的线膨胀系数不同,尤其是电机起动时转子电流绝大多数从上层导条通过,此时上层导条
的伸长要远大于下导条的伸长这必将造?#19978;?#23618;导条受拉伸,上层导条受压缩,因而更易引起导条的断裂。

    1.3.2 导条根部加护套,连同导条一并焊入端环孔内的方法,虽然略缓解导条根部的应力,但?#23548;?#35745;算证明
这不能根本解决断条。

    1.3.3 采用不锈钢环和固定支架的结构,即在上下层端环间夹一只不锈钢环,并?#32929;?#23618;导条穿过不锈钢后再
和上层端环焊接,这样当上层导条断裂后,不致?#20301;?#23450;子线圈。同时不锈钢环还借助一固定支架和转子支架连接
,以防止端环扭转位移。这种结构还把上层导条外伸部分套以不锈钢套,以提高导条的强?#21462;?#20294;这种套壁很薄,
基本作用不大,且套装工艺很复杂,不适合批量生产。

    1.14 采用上层导条穿过下层端环后,再与上层端环焊接的方法。这与转子端部绑扎无纬带的方法,即防?#32929;?BR>层导条断裂后?#20301;?#23450;子线圈。上述方法均是在?#26410;?#26029;裂就在?#26410;?#37319;取措施,根本没有触及实质,因此导条断条也
不能彻底解决。

导条断裂的分析

2.1 导条在转子铁心槽中****固紧

     高速电机的转子端部具有护环,因此转子端部受力很复杂,以此为例作理论分析,则对深槽型和双鼠笼型电
机就可?#23376;?#20998;析了。此分析的边界条件是导条在转子铁心槽中绝对固紧,才能忽略导条在转子槽中所受的离心力
、电磁力、热弯曲挠度力等。转子运行后的动态状态不同于静止状态,即铁心发生?#26029;?#21464;化位移,导条产生转角
,端环与护环间的配合过盈量?#19981;?#21457;生变化,依理论力学可描绘出如图 3 所示的受力情况。 理论分析和导条断
裂的?#23548;时?#26126;:导条根部,即导条与端环接触部位是危险断面,应计算出一个断面的应力,并检查是否小于铜的
允许应力。

2.2 导条在转子铁心槽中存在间隙

     上节所述的边界条件是很难满足的,目前国内电机厂家生产的电机,均或大或小地存在间隙,断条的转子就
属于间隙较大者。因此,凡导条在转子铁心槽中存有间隙?#20445;?#22343;应考虑所受的下列各力。

2.2.1 热弯曲挠度力

     转子导条在电机起动过程中存在挤流效应,即转子电流绝大部分在导条上层流过,使导条产生弯曲变形。设
把这一热弯曲变形等同为挠度力Pf,但Pf 如何作用于导条的危险断面,即只有当导条的热弯曲变?#38382;?#21040;半?#38469;?#26102;
,此时其 P f 的反力总是以和导条弯曲方向相反的方向作用于导条。这一?#38469;?#21448;分为分布载荷?#38469;?#21644;集中载荷约
束。

2.3 导条和端环的起动发热计划

     为了计算 2.2 节中的导条上下层温度,即T2-T1,则首先需要计算转子的起动发?#21462;?#30005;机在起动过程中转子
所产生的电热损耗Qr,与为加速整个转子的飞?#33267;?#30697;相等,按下式计算:Qr=1/730n 2 GD 2 (J) 式中:GD2——转
子飞?#33267;?#30697;,kg·m2;n——电机加速范围,r/min。将此电热损耗按导条和端环的电阻比值分配后,便可按下式
计算导条 T b 和端环Tk的起动温升。

2.4 导条的振动原因

     电动机起动过程中在导条上作用着一个?#26029;?#30005;磁力,根据式 (12) 可知,当 sin(ωt+φ)=1?#20445;?#30005;磁力的幅
值增加一倍;当sinωt+φ)=-1?#20445;?#21017;电磁力的幅?#24403;?#20026;零,?#24067;?#30005;磁力消失。然而电动机在起动过程逐渐增加
的导条自身的离心力和电磁力方向相反,当离心力增加到一定程度后,在电磁力出现零值?#20445;?#23601;把导条向槽口方
向推去;然而当电磁力恢复到2倍幅值?#20445;?#24182;且此幅值能够大于离心力,于是又把导条吸向槽底,这样往复下去,
就使导条产生振动。然而在整个电机起动过程中,并不是全部都能满足这种振动条件,振动只能发生在一个很小
的转速范围之内。由此可见,导条在铁心槽中必须固紧,否则不但受力复杂,而?#19968;?#33021;引起振动。这种振动不但
能够引起导条断裂,还常常以电腐蚀的方式烧毁铁心槽口。

防止导条断裂的专利结构

3.1 深槽型笼型转子防断条结构

     一般深槽型转子结构,是将具有矩形截面的紫铜导条直接打入转子铁心的矩形槽中,但这不能使导条在槽中
固紧,其导条在铁心槽中的?#26029;?#38388;隙,造成导条在铁心槽中受上述各种力的作用而断条。因此,只需要控制导条
高?#30830;?#21521;的固紧,即将现有导条按高?#30830;?#21521;分解成具有斜键效果的两个部分,即上导条和下导条,且上下导条均
具有一定斜度的配合面。当向转子铁心槽内组装上下导条?#20445;?#20808;将导条打入槽内,然后再按配合面将下导条打入
槽内,当调整好导条和铁心的对称度后,再用力打下导条的大头,直到?#32929;?#19979;导条在铁心槽中固紧为止。

3.2 老系列高速型鼠笼转子防条结构

     原来老系列该型转子端部结构的主要缺点是,导条伸出太短,护环体积太大,护环不但没有保护作用,反而
增加了惯性力。新的专利结构是,增加导条的伸长,并将端环的内外侧互换,护环尺寸减少直接保护导条根部的
危险断面。

3.3 新系列高速型鼠笼转子防断条结构

     该型转子端部结构是仿美国西屋公司设计的,主要缺点是护?#35775;?#26377;起到任何保护作用。由于导条在转子槽中
无法固紧,护环不起作用,又由于导条和端环是对接,中频焊的温度控制不准等原因,导条断裂的事?#20107;?#38750;常高
。为此,新专利结构的改进特点是,将导条压弯嵌入端环的槽中,使护环探入并超过导条的根部,直接对导条的
危险断面实施保护。另外,导条的弯曲还可以分散在危险断面作用的应力。这一结构称之为灯笼型转子,也已被
鉴定为具有国际先进水平。

4 、结束语

     目前哈尔滨通能电气股份有限公司灯笼型转子和鼠笼型转子等深槽型电机转子防断条专利结构分别应用于各
类高速电动机新系列和重载且频繁起动的深槽电动机系列产品中,并且能够自行设计和制造新型的具有防断条结
构的深槽型转子,同时哈尔滨通能电气股份有限公司将应用于这一项专利技术为所有的电动机转子导条防断条改
造提供优质的服务。

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