交流鼠籠式牽引電動機兩種典型故障分析與改進措施

王 鑫，李 廬，鄒曉璇，王丹萍

（中車永濟電機有限公司，山西永濟 044502）

無論高鐵、動車，還是城軌、地鐵，牽引均采用交流鼠籠式牽引電動機。隨著牽引電機運行里程數的增加，牽引電機在線運行后暴露故障問題也逐漸增多，其中最典型的故障是定子繞組槽口處接地和鼠籠轉子導條斷裂。定子繞組接地故障位置規律明顯，80%集中在槽口部位。鼠籠轉子導條斷裂部位也很有規律，主要集中在導條與端環焊接處。這兩種故障有3個特點：

（1）出現范圍廣，不僅在城軌、地鐵牽引電機常見，而且在高鐵動車和機車牽引電機中發生的頻率更高，因為高鐵牽引電機與城軌地鐵牽引電機相比較，運行速度更快、工況更惡劣。

（2）社會影響大，一旦發生，電機無法工作，直接影響列車運行，甚至影響列車正點率。

（3）經濟損失大，一旦定子繞組接地，則需要更換全部繞組，鼠籠轉子導條斷裂，則需更換全部導條。電機檢修部門對這兩種故障的常規處理方法是更換定子繞組、轉子更換斷裂導條，很少做出相應的預防性措施，可謂治標不治本。針對這兩種故障，在對某地鐵公司的某型國外交流鼠籠式牽引電動機修理過程中，成功進行了新材料應用和工藝結構改進，并經過運行驗證，有效的修復并預防這兩類故障。

1 定子繞組槽口接地

1.1 原因分析

交流牽引電機定子繞組接地是最常見的故障，定子繞組的中間部分在鐵芯中段，上面壓有槽楔，密封性強，經過真空壓力浸漆，一體化程度高，線圈與鐵芯不會發生相對位移產生摩擦，加上鐵芯中間部分沒有尖棱存在，一般不會接地。繞組的端部處于懸空狀態，與鐵芯不會直接接觸，更不會接地。定子繞組接地故障80%集中在槽口部位，如圖1所示，槽口接地主要原因有：

（1）繞組振動，鐵芯槽口存在尖棱，在振動的作用下，繞組與鐵芯長期摩擦導致線圈絕緣破損，引起線圈接地。繞組振動主要有3個原因，一是外部傳遞的振動，機車受運行線路坡度的影響會產生各種振動，牽引電機懸掛在機車轉向架下方，必然會受到機車振動的影響，定子繞組也隨之振動。二是電磁力作用下的振動，定子線圈端部主要承受線圈中的電流與漏磁通之間的作用力，會產生2倍于系統頻率的橢圓形振動。三是電機自身機械原因引起的振動，如軸承振動、轉子不平衡等。

（2）線圈在鐵芯槽口拐角區存在空隙，大量導電性灰塵堆積，使繞組的絕緣性能下降，絕緣電阻降低，絕緣擊穿導致接地。

（3）線圈與槽口鐵芯尖棱存在大量電荷，電場比較集中，線圈銅導線與鐵芯尖棱會產生局部放電，引起絕緣的電腐蝕，使絕緣產生微小氣孔和針孔，長時間的放電會使絕緣腐蝕孔加深，而其他部分的橋接又會使劣化規模擴大，直到絕緣破壞。

（4）牽引電機采用強迫通風對電機冷卻，冷卻空氣中的微小粉塵顆粒不斷沖擊繞組表面，導致繞組絕緣磨損接地。進風端繞組槽口損傷概率高于出風端槽口，因為電機進風端空氣流入，空氣中粉塵顆粒吸入電機內部，對繞組沖擊更強。出風端空氣流出，粉塵顆粒從電機內部向外流出，沖擊程度較小，雖然牽引電機大多數在進風口裝有空氣過濾網，但只能減緩粉塵顆粒的沖擊，并不能完全避免。

1.2 定子繞組槽口接地改進措施

圖1 定子繞組槽口接地燒損

針對定子繞組槽口頻繁接地問題，從槽口接地的原因入手，我們采用了某種新材料，對繞組槽口空隙部位進行灌封。

1.2.1槽口灌封的優勢

用該種灌封材料對電機進行槽口灌封時，兩種液體以一定比例混合到一起，初期呈液態，具有非常好的流動性，能夠迅速流滿繞組槽口與鐵芯之間的空隙，23 h固化，固化后呈彈性的硅橡膠狀，將槽口與鐵芯之間完全密封[1]。如圖2所示。

圖2 槽口灌封結構圖

電機槽口灌封后會在電機繞組兩端鐵芯槽口25 mm區域形成一個硅橡膠圓柱體。主要有4個作用，一是通過灌封膠使繞組與鐵芯一體化，減小繞組與鐵芯之間的相對運動，減小振動摩擦，避免繞組絕緣磨損接地。二是將線圈槽口拐角區域密封，消除空隙，使導電性灰塵無法進入，消除爬電路徑。三是灌封材料良好的電氣絕緣性能夠消除線圈與鐵芯的局部放電，避免絕緣體電腐蝕。四是硅橡膠灌封時具有良好的流動性，能夠填滿所有縫隙，固化后形成彈性硅橡膠層，將繞組伸出槽口的部分完全包裹保護，避免電機風道空氣中夾雜的風沙細微顆粒對繞組絕緣的直接沖擊，如圖3所示。

圖3 定子槽口改進前后對比圖

1.2.2灌封新材料的選用及性能參數

（1）灌封新材料的選用及特性

定子繞組槽口灌封材料選用，主要考慮2個因素，一是灌封材料需具有良好的流動性，主要灌封時能夠填充密封槽口所有縫隙，固化后有良好的彈性、絕緣性、耐高溫性、導熱性和介電性。二是灌封材料固化后能夠與繞組有足夠的黏接力，具有良好的彈性，保證電機長期運行不會脫落，避免對電機造成二次傷害。

經過不同材料的試驗、分析對比，最終確定選用德國瓦克RTV-2硅橡膠密封系列里的ELASTOSIL?RT 607 A/B雙組份硅橡膠。

該材料是室溫交聯雙組分硅橡膠，A/B雙組分，9：1混合比，低黏度，可以澆注、涂抹或捏合，并在加入固化劑后可固化為高彈性硅橡膠，可在室溫下進行交聯，硅橡膠固化而成的硫化膠大多可在高達200 ℃的情況下保持彈性，具有優異的熱穩定性，能夠短暫承受300 ℃的高溫。在低溫領域，可在-50 ℃保持柔韌性，短暫承受-90 ℃的低溫。

該導熱性普遍良好，可用來對電子器材進行絕緣，而不會蓄熱。在室溫條件下的透氣性比天然橡膠高出10倍。

該材料具有良好的介電性能，它既是密封膠，又是絕緣體，能夠阻斷繞組與鐵芯的放電路徑，提高繞組可靠性。

該材料具有優異的阻燃性能。

（2）灌封新材料ELASTOSIL? RT 607 A/B雙組份硅橡膠的性能參數[2]，如表1。

1.2.3實施工藝

（1）將機座豎直放置，用白布蘸酒精擦干凈灌封區域的繞組和鐵芯表面；

（2）在繞組伸出鐵芯槽口處，粘上一圈3 mm厚聚四氟乙烯板，將鐵芯內圈圍起來避免灌封膠流失，因為聚四氟乙烯板表面光滑，與灌封膠不會黏接，形成一個封閉的區域，由于槽楔略低于鐵芯，在聚四氟乙烯板與槽楔的縫隙處用硅橡膠填充泥密封。將雙組份A/B灌封膠以9：1在燒杯中充分攪拌，攪拌均勻后倒入漏斗，將漏斗內的灌封膠逐槽倒入，邊倒邊用小圓棍攪拌，便于反應產生的氣體溢出，等液面與聚四氟乙烯板平齊后停止灌注，機座放置23 h，灌封膠固化后將聚四氟乙烯板拆除，灌封完成。

表1 ELASTOSIL? RT 607 A/B雙組份硅橡膠的性能參數

1.2.4實施效果

2014年對10臺該型號電機進行槽口灌封，電機槽口接地故障率大幅降低。電機到目前為止已經運行5年，未出現一起定子繞組槽口接地故障，也未出現灌封膠脫落情況，定子繞組可靠性大幅提高，經過了長期運行考核驗證。

2 轉子導條斷裂故障

2.1 故障表現及原因分析

轉子導條斷裂是交流鼠籠轉子最常見的故障，80%的斷裂部位在導條與端環焊接部位，如圖4所示。

原因分析如下：

（1）導條斷裂的最主要原因是導條伸出部分存在大量應力集中。電機旋轉時，端環和導條高速旋轉，產生離心力。導條在鐵芯內部分由于受到鐵芯約束，鐵芯對導條的約束力能夠與導條旋轉產生的離心力平衡，因此導條內部應力較小，而導條伸出鐵芯部分由于不受約束，離心力對導條影響最大[3]，離心力作用在導條和端環的焊接部位，大量應力集中，時間長導條容易疲勞斷裂。從故障現象來看，導條斷裂部位主要集中在導條伸出鐵芯部分、導條與端環焊接處。

圖4 導條與端環焊接熱影響區裂紋

（2）導條熱脹冷縮頻繁。交流牽引電機啟動電流是額定電流的4～7倍。啟動時導條電流最大，熱變形最大，電機啟動以后，電流逐漸變小，導條熱變形逐漸變小。列車停止運行后，電機導條沒有電流，熱變形最小。而牽引電機頻繁起停又加劇了這種變形，例如地鐵牽引電機，5～8 min停靠一站。電機長時間運行，反復的熱脹冷縮使導條內部逐漸疲勞產生裂紋。最終導致導條斷裂。

（3）導條與端環焊接不良。焊接面積不夠，焊料沒有均勻分布，由于導條端面為平面，與端環接觸后縫隙很小，阻斷了導條之間焊料的相互融通。

2.2 導條斷裂改進措施

2.2.1導條伸出部分采用打無緯帶新工藝結構[4]

從導條斷裂的主要原因入手進行改進，導條斷裂最主要的原因是導條高速旋轉時產生的離心力，特別是導條伸出鐵芯的部分沒有約束，高轉速下的離心力使導條與端環焊接處產生大量應力，長時間導條疲勞斷裂，于是我們采用一種新的工藝結構：在導條與端環焊接處打無緯帶的方法抵消離心力，如圖5所示。

圖5 鼠籠轉子打無緯帶防止導條斷裂

以該型交流牽引電機為例，導條與端環焊接后，我們先在端環外圓周加工一個凸臺，凸臺的深度，大約高出導條1.5 mm，首先保證導條與端環的焊接結構不能破壞。然后在端環和導條上部打無緯帶，無緯帶厚度2 mm，軸向長度38 mm，分布以導條與端環的焊接面為邊界，導條側16 mm，端環側22 mm，如圖5所示，轉子改進前后對比如圖6所示。

圖6 鼠籠轉子改進前后對比圖

2.2.2無緯帶綁扎防止導條斷裂的技術優勢

（1）無緯帶綁扎預緊力對導條離心力的抵消。綁扎無緯帶時對導條施加一定的預緊力[5]，使得導條在高速旋轉時，離心力與預緊力相互平衡，大幅減小離心力對伸出部分導條截面的應力集中。

（2）無緯帶綁扎可靠性高。無緯帶的比重小，僅1.24 g/cm3，自身的離心力可以忽略不計，與導條加不銹鋼護環比，可以有效的避免護環離心力過大導致的導條沿旋轉方向彎曲現象，目前已廣泛使用的玻璃纖維網狀無緯帶，橫向拉開時呈網狀，拉伸強度為560 MPa，一些特殊要求制做的無緯帶可采用高強度玻璃纖維，其拉伸強度甚至可達900 MPa，確保無緯帶不會產生裂紋。

2.2.3防止導條斷裂的其他輔助措施

（1）導條加工后清根由直角改圓角，減少導條端部伸出部分加工后應力。直角、尖角是應力最集中的地方，容易產生疲勞裂紋，清根改成半徑足夠大的過渡圓角，隨著R角的增大，有效應力集中系數迅速減小，避免疲勞裂紋，如圖7所示。

（2）導條兩端面由平齊改為加工齒狀，導條端部平齊，導條與端環焊接面小，阻礙焊料流通互補。將導條端部改為鋸齒槽，當焊料溶解時，焊料可通過導條端部的鋸齒槽相互流通[6]，焊料分布均勻，焊接更加牢固。同時可以增加導條與端環的焊接面積，如圖7所示。

圖7 導條根部采用圓角過渡及端部開鋸齒槽

（3）不允許焊接處導條與導條之間添加銅塞塊。有些公司為了節省焊料，在導條與導條之間添加銅塞塊，然后將導條、端環、塞塊感應焊接在一起。實踐表明，添加賽塊的導條由于焊料減少，強度降低，很容易出現導條斷裂現象。

2.2.4實施效果

從2014年開始，對10臺該型號電機轉子采用打無緯帶工藝結構，導條斷裂故障率大幅降低。電機到目前為止已經運行5年，未出現一起導條斷裂故障，轉子可靠性大幅提高，經過了長期運行考核驗證。

3 結束語

定子繞組槽口接地和鼠籠轉子導條斷裂是交流牽引電動機最多發的兩種典型故障，在這兩種典型故障的預防性措施方面，用德國ELASTOSIL? RT 607 A/B雙組份硅橡膠，在定子槽口灌封形成硅橡膠圓柱體密封預防槽口接地，在鼠籠轉子導條伸出部分打無緯帶，新的工藝結構預防導條斷裂，效果良好并經過運行驗證，值得在牽引電機檢修領域推廣和應用，也可以供牽引電機設計人員參考，從設計源頭上杜絕問題發生。