異步電動機轉子軸材質對電機性能影響及分析

李亞軍

（陜西美鑫陽極分公司，陜西 銅川 727100）

1 304合金不銹鋼材質制作的電機轉子軸使用效果

某單位石油焦煅燒生產線煙氣凈化處理系統采用水膜除塵裝置，其噴淋、吸塵、降溫處理后的水，需要經過沉降、循環再利用。由于石油焦中含有一定的硫、磷等礦物元素，在煅燒過程中，這些礦物燃燒生成SO2、P2O5等酸性氧化物，其遇水生成酸，造成循環系統水泵葉輪和固定軸頭的腐蝕（水泵葉輪固定在電機軸上）。故其循環水泵使用壽命很短，造成設備故障率極高，給正常生產帶來很大影響。對此，為減緩設備故障率，提高循環泵耐腐蝕能力，技術人員提出采用耐腐蝕的不銹鋼材質替代水泵轉子軸的想法，并進行了實踐應用。

在實際使用過程中，通過對運轉過程中循環泵的狀態監測及負載能力觀察研究，發現其耐腐蝕能力大大提高，但出現水泵電機發熱現象明顯，空載電流及負載電流均有大幅增加，電機工作參數嚴重變差，電機定子電流顯著增大，電機溫度迅速升高，負載能力明顯降低等現象。具體工作參數測定數據如表1所示。

表1 不同材質制作的電機軸實驗結果（電機Y3-200L2-4功率22kW）

根據電機實際運行參數數據，發現采用304合金不銹鋼加工制作的電機轉子軸，其電機空載電流顯著增大，是普通45#中碳鋼材質軸的2.5～3倍，即使在較小負載條件下，其運行電流明顯超過額定值，且抗負載能力明顯變差。由于空載狀態下電流幾乎接近額定值，因而導致電機定子、轉子軸升溫較快（與45#中碳鋼軸相比較）。

2 異常現象分析

2.1 電機工作原理

電動機工作是建立在電磁感應定律基礎上的。三相交流異步電動機工作原理：三相交流電源施加在電動機定子繞組上時，其定子氣隙空間內就形成旋轉的磁極，其磁極磁力線切割轉子繞組（或鼠籠條），則轉子繞組中就感應電動勢（電動勢方向可由右手定則判斷）。在感應電動勢的作用下，閉合的轉子繞組中就產生感應電流。該電流與旋轉磁極的磁場相互作用，使轉子繞組受到一定的電磁力作用（其方向可由左手定則判斷），轉子開始旋轉，其三相交流異步四極電動機定子磁場模型如圖1所示，當電動機定子磁場以n速順時針旋轉時，其轉子則以低于n速同向旋轉。

圖1 三相交流異步四極電動機定子磁場模型圖

三相異步電動機定子繞組通電后，流經定子繞組的電流產生磁場，其磁場通過電機定子鐵芯、轉子鐵芯（均為良好的導磁材料），形成閉合電磁通路。由于三相異步電動機定子繞組內流經的電流是變化的（交變的），其三相交流電產生的磁場以一定的速度（由三相交流電頻率、電機極數決定）勻速旋轉，而電機轉子由于慣性（保持原來靜止或以原來速度旋轉）作用，其轉子速度由于轉速差的原因始終小于定子磁場轉速，故轉子繞組（鼠籠式異步電動機為鼠籠條，繞線式異步電動機為轉子繞組）切割定子繞組電流產生的磁場磁力線，根據電磁感應原理，其閉合的導體切割磁力線時，其導體內必然產生感生電流，當感生電流流經轉子繞組時，就會受到一種電磁力（即通電導體在磁場中會受到磁場對它的作用力，其大小由磁場強度、流經導體電流大小、導體長度等參數決定）作用，也是電機啟動、運行過程中轉子加速的機械力。其次電機轉子內感生的電流同時也產生磁場，其感生的磁場作用總是與定子繞組電流產生的磁場磁勢變化相反（即總是阻礙原磁場變化）。當電機轉子的轉速與定子磁場同步旋轉速度差越大，則轉子繞組中感生的電流也就越高。其電機加速電磁力矩也就較大。隨著電機轉子轉速增大（即定子同步磁場轉速與轉子轉速差不斷地減小），其轉子繞組中感生電流也隨之減小，定子電流也相應地減小。當電機定、轉子轉差趨于零時（即轉子實際轉速與定子恒定磁場轉速接近或同步時），轉子繞組中感生電流非常小或趨于零。但在實際中，由于轉子旋轉時總會受到機械摩擦、風阻、負載等阻礙力矩，使電機轉子速度始終低于定子同步磁場速度，故電機空載時，定子繞組電流始終不會減小到零。

2.2 304合金不銹鋼材質轉子軸對電機運行參數影響分析

根據異步電機結構和磁場產生原理，定子繞組電流和轉子感生電流產生的電磁場中部分磁力線（轉子繞組電流產生的磁力線占較多部分）通過轉子軸體構成通路。由于電機轉子軸處于定轉子軸心位置，其定、轉子繞組電流形成的磁場都會在電機軸心處匯聚，由于轉子軸是采用很好的導磁性中碳鋼加工制作的。采用304合金鋼制作電機轉子軸，其抗酸腐蝕能力大大增強，但由于材質原因，其導磁率會大大降低，采用此類材質制作的轉子軸，在工作時會隔斷定子繞組電流產生的部分磁力線，致使定子繞組本身自感的反電勢降低，引起電機定子繞組電流大幅增加；同時電機轉子感生電流形成的部分磁力線也被隔斷，導致轉子感生電流強度降低，引起電機工作電磁轉矩大幅降低，電機要獲得足夠的啟動或運行轉矩，只能通過增大定子繞組電流才可實現。其次由于轉子軸阻斷了部分磁力線通過，見圖2所示，其等效于定子繞組產生的磁場強度被抵消，從而使定子繞組反電動勢降低，則引起定子繞組中電流增大。

圖2 交流異步電機定、轉子單槽繞組電流形成磁場原理及部分磁力線被阻斷圖

具體磁通及感應電動勢的影響關系如下式所示：

①定子繞組產生感應電動勢可用下式表達：

E1=keU1=4.44kdp1f1W1φ

式中：E1定子繞組產生感應電動勢；

ke降壓系數；U1外加電源電壓；kdp1定子的繞組系數；

f1電源頻率；W1定子繞組每相串聯線圈匝數；φ每極磁通。

②轉子產生的感應電動勢表達式：

E2=sE20=4.44 kdp2fW2φ

式中：E2為轉子每相繞組中產生的感應電動勢;

s為轉差率；E20為電動機接通電源轉子未轉動時電動勢；kdp2為轉子繞組系數；f2為轉子電動勢頻率；W2為轉子繞組一相的匝數；φ為每極磁通。

③磁通變化量可用下式表達：

φ=BpjS

式中：φ為每極磁通；Bpj氣隙中平均磁通密度；S每極下的氣隙面積。

通過上式可知，由于氣隙中的平均磁通密度受阻隔而減小，造成每極磁通量減少，從而影響到磁通量的變化，進而影響轉子感應電動勢的大小，定子感應電動勢隨之變化，電流升高，繞組發熱，而轉子的轉矩等也受到影響，從而導致電動機性能劣化。

普通三相異步交流電機定子、轉子鐵芯材質均由硅鋼片加工組成，具有很好的導磁性。其轉子軸一般采用45#中碳鋼加工制作，并與鐵芯通過機械固定安裝（軸與鐵芯有0.02的過盈量）。采用導磁率高的中碳鋼材質及精確的加工工藝，確保了最小的漏磁率，電機的工作參數得到有效保障。而采用耐腐蝕等材質替代中碳鋼，由于不同成分的不銹鋼耐蝕性取決于材質中所含的合金元素。鉻是不銹鋼耐蝕性基本元素，具有很好的抗腐蝕和自鈍化能力，但導磁率極低，另外由于304合金不銹鋼材質中含有鎳、錳、鉬、鈦、鈮、銅等元素的添加比例原因造成導磁性能較差，故在實際使用中因為導磁率下降而造成空載電流增加、帶載能力急劇下降的現象，故無法取代中碳鋼材質轉子軸，如想提高轉子耐酸堿腐蝕并保證機械及電磁性能，需要研究采用導磁率較高的金屬材質按照一定比例及工藝進行加工制作符合電機性能參數要求的轉子軸，從而保證電動機的性能參數不受影響。

3 結語

本文通過在實踐中改進異步電動機轉子軸材質的方法達到抗氧化、抗腐蝕的效果，通過改進后的使用效果反饋出電機性能劣化、溫度升高、力矩減小等問題，通過現場測量參數比對及對電動機動態性能及電磁學角度進行分析，得出影響電動機性能劣化的原因為轉子軸導磁性變差，進而造成電機性能劣化的原因，對于特殊應用場合電機轉子軸的選型設計起到了一定的借鑒作用。