高壓電機(jī)銅條轉(zhuǎn)子斷裂分析及改進(jìn)措施

張國(guó)強(qiáng)

（佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

引言

銅條轉(zhuǎn)子為高壓三相異步電動(dòng)機(jī)常用結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子銅條端部斷裂的情況，轉(zhuǎn)子斷條后會(huì)出現(xiàn)電流擺動(dòng)，振動(dòng)噪聲增大，出力減小，轉(zhuǎn)速下降，定子電流表左右擺動(dòng)，防爆電機(jī)甚至?xí)霈F(xiàn)打火等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響用戶的生產(chǎn)和安全。銅條轉(zhuǎn)子斷裂通常發(fā)生在銅條轉(zhuǎn)子截面突變處及端環(huán)和導(dǎo)條焊接處。

1 產(chǎn)生轉(zhuǎn)子銅條斷裂的原因

1）電機(jī)起動(dòng)頻繁。電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)靜止的轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度很大，在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出很大的電勢(shì)，因而導(dǎo)條中就有很大的電流通過(guò)，產(chǎn)生擠流效應(yīng)［1］，由于擠流效應(yīng)使較大的電流集中在導(dǎo)條上部，導(dǎo)條在槽中部分被約束的影響較小，但銅條伸出鐵心部分沒(méi)有約束將產(chǎn)生熱應(yīng)力變形，整個(gè)變形放大成“燈籠”形狀，加之電機(jī)起動(dòng)過(guò)程導(dǎo)條溫升升高，使導(dǎo)條的機(jī)械強(qiáng)度下降，電機(jī)的頻繁起動(dòng)加速了這種熱應(yīng)力的交變和溫升的積累，最終容易導(dǎo)致導(dǎo)條與端環(huán)的焊接處斷裂。

2）離心力的作用。由于端環(huán)是兩個(gè)厚壁圓環(huán)，通過(guò)電磁計(jì)算可知，電機(jī)極數(shù)越小、功率越大，端環(huán)在保證符合要求電密時(shí)的設(shè)計(jì)體積就越大，整個(gè)端環(huán)質(zhì)量就越大，在高轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生的離心力徑向增量與導(dǎo)條存在相對(duì)位移就越大，導(dǎo)條端部容易發(fā)生彎曲變形。

3）電機(jī)導(dǎo)條應(yīng)力集中。電機(jī)整個(gè)起動(dòng)過(guò)程和運(yùn)行過(guò)程總是存在應(yīng)力和機(jī)械力的復(fù)雜變化，而導(dǎo)條的加工處及焊接端環(huán)處很容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致出現(xiàn)斷裂。

4）導(dǎo)條在槽內(nèi)松動(dòng)。因?qū)l在槽內(nèi)存在間隙，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)條會(huì)在槽中發(fā)生振動(dòng)，導(dǎo)條的電磁力及離心力作用加速端環(huán)與導(dǎo)條聯(lián)接部位的疲勞。同時(shí)，因存在間隙，可能引起導(dǎo)條與沖片之間放電，導(dǎo)致槽口被“腐蝕”后導(dǎo)條甩出，加速了導(dǎo)條的斷裂。

5）導(dǎo)條與端環(huán)焊接問(wèn)題。銅條在焊接過(guò)程中會(huì)形成圖1所示的結(jié)構(gòu)，母材過(guò)熱區(qū)（Ⅰ區(qū)）結(jié)晶體變得粗大，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也因此降低，由于銅和焊料的膨脹系數(shù)很好，在自然條件下，焊接結(jié)構(gòu)溫度會(huì)急劇下降，由于銅及焊料的膨脹系數(shù)很大，當(dāng)焊接位置從液相向固相轉(zhuǎn)變過(guò)程中以及溫度降低的過(guò)程中，體積會(huì)減小很多，這會(huì)造成焊接結(jié)構(gòu)的內(nèi)應(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在焊接部分出現(xiàn)小裂紋。

2 解決措施

連續(xù)工作制高壓電機(jī)起動(dòng)時(shí)必須滿足以下規(guī)定：冷態(tài)起動(dòng)連續(xù)次數(shù)：2次；熱態(tài)起動(dòng)連續(xù)次數(shù)：1次；電機(jī)續(xù)I或Ⅱ狀態(tài)后再作起動(dòng)，至少需間隔4h。此項(xiàng)要求要明確注明在電機(jī)技術(shù)協(xié)議及電機(jī)的說(shuō)明書(shū)中。

電機(jī)拖動(dòng)較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載時(shí)，如風(fēng)機(jī)負(fù)載，必須要用戶提供負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及負(fù)載。

阻力距曲線并結(jié)合電機(jī)的參數(shù)對(duì)電機(jī)的導(dǎo)條及端環(huán)的起動(dòng)溫升進(jìn)行核算，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條溫升一般不超過(guò)200K，轉(zhuǎn)子端環(huán)溫升不超過(guò)75K，若計(jì)算起動(dòng)時(shí)導(dǎo)條或端環(huán)溫升過(guò)高，則應(yīng)適當(dāng)增加導(dǎo)條及端環(huán)的截面積。

對(duì)高速機(jī)特別是2極和4極高轉(zhuǎn)速的高壓三相異步電動(dòng)機(jī)需要加護(hù)環(huán)核算，以減小離心力的影響，下面以 YZYKS1000－4 17 000kW 高壓三相異步機(jī)為例，此電機(jī)中心高1 000m，4極，功率為17 000kW。護(hù)環(huán)計(jì)算具體如下：

已知條件：

端環(huán)密度，ρ／（g·cm－3）cm 8.9 1 500／角速度，ω（n／10）／（rad·s－1）重力加速度，g／（cm·s－2）端環(huán)外半徑，r1／cm端環(huán)內(nèi)半徑，r2／10 980 52.4 40.35

判定條件：對(duì)銅和銅合金的端環(huán)，當(dāng)超速時(shí)的平均徑向拉應(yīng)力δ超過(guò)4.2×105g／cm2時(shí)，應(yīng)該加護(hù)環(huán)。計(jì)算如下［2］：

結(jié)論：需要加護(hù)環(huán)。

安裝護(hù)環(huán)時(shí)，端環(huán)與護(hù)環(huán)配車(chē)應(yīng)保證0.2mm左右的過(guò)盈量。

減小應(yīng)力集中的措施：把導(dǎo)條端部伸出部分加工的清根直角改為圓角，見(jiàn)圖2，或斜角，見(jiàn)圖3，這樣有效減小了應(yīng)力集中的影響。

圖1 焊接后金相變化

圖2 圓角導(dǎo)條過(guò)渡角

端部第一個(gè)鐵心段的槽口與籠條之間留有一定的間隙。這種結(jié)構(gòu)可以使轉(zhuǎn)子導(dǎo)條有一定的變形空間，有助于降低導(dǎo)條伸出鐵心部分及導(dǎo)條與端環(huán)對(duì)接處的應(yīng)力。如圖4，靠近轉(zhuǎn)子鐵心兩端部沖片槽頂部與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條之間留有1.5mm的間隙。

圖3 斜角導(dǎo)條過(guò)渡角

圖4 YJX630－4 6 200kW電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條端部結(jié)構(gòu)

轉(zhuǎn)子槽型的設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計(jì)時(shí)，有時(shí)候把轉(zhuǎn)子槽型設(shè)計(jì)成上窄下寬，見(jiàn)圖5。這樣雖然可以依靠電機(jī)的擠流效應(yīng)改善電機(jī)的起動(dòng)性能，但是由于上部很窄起動(dòng)時(shí)溫度較高，而且與端環(huán)焊接時(shí)變形也較大，若設(shè)計(jì)不合理，長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中端環(huán)與導(dǎo)條焊接的上根部容易發(fā)生斷裂。所以在能滿足用戶起動(dòng)要求的情況下，電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)要盡量選用矩形槽和兩端為半圓形的平行槽，并要求槽型寬度盡可能大，這樣不僅銅排制造簡(jiǎn)單，而且焊接后強(qiáng)度好。特別是矩形槽，其上部槽肩對(duì)銅排的約束較大，可以有效防止銅排甩出。

防止銅條在槽內(nèi)松動(dòng)的措施：轉(zhuǎn)子銅排采用上面介紹的矩形結(jié)構(gòu)；提高轉(zhuǎn)子沖片的加工質(zhì)量，轉(zhuǎn)子銅排與槽形的間隙控制在0.3mm以內(nèi)；轉(zhuǎn)子加工后，使用專(zhuān)用工具對(duì)轉(zhuǎn)子鐵心分段嵌緊。

防止端環(huán)與導(dǎo)條開(kāi)焊的措施：導(dǎo)條兩端面部分加工鋸齒槽，以增加導(dǎo)條與端環(huán)的焊接面積，見(jiàn)圖6；選擇焊接效果好的焊料，如HL303顆粒狀焊料；焊前使用酒精擦洗焊縫，焊接部位清理到金屬光澤，導(dǎo)條銅屑清理干凈，不得有任何雜物。

圖5 上窄下寬槽型

圖6 鋸齒槽

采用中頻焊接機(jī)床進(jìn)行焊接，為使焊接時(shí)轉(zhuǎn)子放置穩(wěn)固，可以在軸上的輻板上加工高度8～12mm左右的工藝臺(tái)，如下頁(yè)圖7，用于把轉(zhuǎn)子坐在中頻焊機(jī)上。釬焊質(zhì)量通常以目測(cè)檢查，焊接外形應(yīng)成形美觀，觀察焊縫有無(wú)缺陷，端環(huán)與導(dǎo)條凹槽接觸之根部焊縫應(yīng)呈圓滑的浸潤(rùn)狀的圓角過(guò)渡。

圖7 工藝臺(tái)加工圖（mm）

3 結(jié)語(yǔ)

因鼠籠轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)在價(jià)格、性能及運(yùn)行維護(hù)等方面的優(yōu)勢(shì)，使其使用量逐年增加，但隨著工業(yè)發(fā)展，負(fù)載的特殊性（如往復(fù)式壓縮機(jī)，破碎機(jī)等波動(dòng)負(fù)載，風(fēng)機(jī)的大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等）對(duì)電機(jī)的性能要求越來(lái)越高，其對(duì)電機(jī)的本身強(qiáng)度影響越來(lái)越大，導(dǎo)致電機(jī)導(dǎo)條斷裂情況也不斷出現(xiàn)，本文提出的一些措施對(duì)大型鼠籠電機(jī)的設(shè)計(jì)及電機(jī)的運(yùn)行、檢修和維護(hù)都有一定的借鑒和幫助。

［1］ 李德成.三相異步電動(dòng)機(jī)原理設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［M］.北京：科學(xué)出版社，1979.

［2］ 哈爾濱大機(jī)電.美國(guó)西屋公司大中型電機(jī)技術(shù)資料譯文集培訓(xùn)講義（一）［M］.哈爾濱：哈爾濱大電機(jī)，1987.