異步電動機轉(zhuǎn)子軸材質(zhì)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(zhì)制作的電機轉(zhuǎn)子軸使用效果

某單位石油焦煅燒生產(chǎn)線煙氣凈化處理系統(tǒng)采用水膜除塵裝置，其噴淋、吸塵、降溫處理后的水，需要經(jīng)過沉降、循環(huán)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(huán)系統(tǒng)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(huán)水泵使用壽命很短，造成設(shè)備故障率極高，給正常生產(chǎn)帶來很大影響。對此，為減緩設(shè)備故障率，提高循環(huán)泵耐腐蝕能力，技術(shù)人員提出采用耐腐蝕的不銹鋼材質(zhì)替代水泵轉(zhuǎn)子軸的想法，并進行了實踐應(yīng)用。

在實際使用過程中，通過對運轉(zhuǎn)過程中循環(huán)泵的狀態(tài)監(jiān)測及負載能力觀察研究，發(fā)現(xiàn)其耐腐蝕能力大大提高，但出現(xiàn)水泵電機發(fā)熱現(xiàn)象明顯，空載電流及負載電流均有大幅增加，電機工作參數(shù)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(xiàn)象。具體工作參數(shù)測定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同材質(zhì)制作的電機軸實驗結(jié)果（電機Y3-200L2-4功率22kW）

根據(jù)電機實際運行參數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)采用304合金不銹鋼加工制作的電機轉(zhuǎn)子軸，其電機空載電流顯著增大，是普通45#中碳鋼材質(zhì)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(tài)下電流幾乎接近額定值，因而導(dǎo)致電機定子、轉(zhuǎn)子軸升溫較快（與45#中碳鋼軸相比較）。

2 異?，F(xiàn)象分析

2.1 電機工作原理

電動機工作是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)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(nèi)就形成旋轉(zhuǎn)的磁極，其磁極磁力線切割轉(zhuǎn)子繞組（或鼠籠條），則轉(zhuǎn)子繞組中就感應(yīng)電動勢（電動勢方向可由右手定則判斷）。在感應(yīng)電動勢的作用下，閉合的轉(zhuǎn)子繞組中就產(chǎn)生感應(yīng)電流。該電流與旋轉(zhuǎn)磁極的磁場相互作用，使轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，其三相交流異步四極電動機定子磁場模型如圖1所示，當(dāng)電動機定子磁場以n速順時針旋轉(zhuǎn)時，其轉(zhuǎn)子則以低于n速同向旋轉(zhuǎn)。

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(jīng)定子繞組的電流產(chǎn)生磁場，其磁場通過電機定子鐵芯、轉(zhuǎn)子鐵芯（均為良好的導(dǎo)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(nèi)流經(jīng)的電流是變化的（交變的），其三相交流電產(chǎn)生的磁場以一定的速度（由三相交流電頻率、電機極數(shù)決定）勻速旋轉(zhuǎn)，而電機轉(zhuǎn)子由于慣性（保持原來靜止或以原來速度旋轉(zhuǎn)）作用，其轉(zhuǎn)子速度由于轉(zhuǎn)速差的原因始終小于定子磁場轉(zhuǎn)速，故轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子繞組）切割定子繞組電流產(chǎn)生的磁場磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，其閉合的導(dǎo)體切割磁力線時，其導(dǎo)體內(nèi)必然產(chǎn)生感生電流，當(dāng)感生電流流經(jīng)轉(zhuǎn)子繞組時，就會受到一種電磁力（即通電導(dǎo)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(jīng)導(dǎo)體電流大小、導(dǎo)體長度等參數(shù)決定）作用，也是電機啟動、運行過程中轉(zhuǎn)子加速的機械力。其次電機轉(zhuǎn)子內(nèi)感生的電流同時也產(chǎn)生磁場，其感生的磁場作用總是與定子繞組電流產(chǎn)生的磁場磁勢變化相反（即總是阻礙原磁場變化）。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)速度差越大，則轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增大（即定子同步磁場轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速差不斷地減?。滢D(zhuǎn)子繞組中感生電流也隨之減小，定子電流也相應(yīng)地減小。當(dāng)電機定、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差趨于零時（即轉(zhuǎn)子實際轉(zhuǎn)速與定子恒定磁場轉(zhuǎn)速接近或同步時），轉(zhuǎn)子繞組中感生電流非常小或趨于零。但在實際中，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時總會受到機械摩擦、風(fēng)阻、負載等阻礙力矩，使電機轉(zhuǎn)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(zhì)轉(zhuǎn)子軸對電機運行參數(shù)影響分析

根據(jù)異步電機結(jié)構(gòu)和磁場產(chǎn)生原理，定子繞組電流和轉(zhuǎn)子感生電流產(chǎn)生的電磁場中部分磁力線（轉(zhuǎn)子繞組電流產(chǎn)生的磁力線占較多部分）通過轉(zhuǎn)子軸體構(gòu)成通路。由于電機轉(zhuǎn)子軸處于定轉(zhuǎn)子軸心位置，其定、轉(zhuǎn)子繞組電流形成的磁場都會在電機軸心處匯聚，由于轉(zhuǎn)子軸是采用很好的導(dǎo)磁性中碳鋼加工制作的。采用304合金鋼制作電機轉(zhuǎn)子軸，其抗酸腐蝕能力大大增強，但由于材質(zhì)原因，其導(dǎo)磁率會大大降低，采用此類材質(zhì)制作的轉(zhuǎn)子軸，在工作時會隔斷定子繞組電流產(chǎn)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(zhuǎn)子感生電流形成的部分磁力線也被隔斷，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子感生電流強度降低，引起電機工作電磁轉(zhuǎn)矩大幅降低，電機要獲得足夠的啟動或運行轉(zhuǎn)矩，只能通過增大定子繞組電流才可實現(xiàn)。其次由于轉(zhuǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(yīng)電動勢的影響關(guān)系如下式所示：

①定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢可用下式表達：

E1=keU1=4.44kdp1f1W1φ

式中：E1定子繞組產(chǎn)生感應(yīng)電動勢；

ke降壓系數(shù)；U1外加電源電壓；kdp1定子的繞組系數(shù)；

f1電源頻率；W1定子繞組每相串聯(lián)線圈匝數(shù)；φ每極磁通。

②轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢表達式：

E2=sE20=4.44 kdp2fW2φ

式中：E2為轉(zhuǎn)子每相繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢;

s為轉(zhuǎn)差率；E20為電動機接通電源轉(zhuǎn)子未轉(zhuǎn)動時電動勢；kdp2為轉(zhuǎn)子繞組系數(shù)；f2為轉(zhuǎn)子電動勢頻率；W2為轉(zhuǎn)子繞組一相的匝數(shù)；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(zhuǎn)子感應(yīng)電動勢的大小，定子感應(yīng)電動勢隨之變化，電流升高，繞組發(fā)熱，而轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)矩等也受到影響，從而導(dǎo)致電動機性能劣化。

普通三相異步交流電機定子、轉(zhuǎn)子鐵芯材質(zhì)均由硅鋼片加工組成，具有很好的導(dǎo)磁性。其轉(zhuǎn)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(dǎo)磁率高的中碳鋼材質(zhì)及精確的加工工藝，確保了最小的漏磁率，電機的工作參數(shù)得到有效保障。而采用耐腐蝕等材質(zhì)替代中碳鋼，由于不同成分的不銹鋼耐蝕性取決于材質(zhì)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(dǎo)磁率極低，另外由于304合金不銹鋼材質(zhì)中含有鎳、錳、鉬、鈦、鈮、銅等元素的添加比例原因造成導(dǎo)磁性能較差，故在實際使用中因為導(dǎo)磁率下降而造成空載電流增加、帶載能力急劇下降的現(xiàn)象，故無法取代中碳鋼材質(zhì)轉(zhuǎn)子軸，如想提高轉(zhuǎn)子耐酸堿腐蝕并保證機械及電磁性能，需要研究采用導(dǎo)磁率較高的金屬材質(zhì)按照一定比例及工藝進行加工制作符合電機性能參數(shù)要求的轉(zhuǎn)子軸，從而保證電動機的性能參數(shù)不受影響。

3 結(jié)語

本文通過在實踐中改進異步電動機轉(zhuǎn)子軸材質(zhì)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(xiàn)場測量參數(shù)比對及對電動機動態(tài)性能及電磁學(xué)角度進行分析，得出影響電動機性能劣化的原因為轉(zhuǎn)子軸導(dǎo)磁性變差，進而造成電機性能劣化的原因，對于特殊應(yīng)用場合電機轉(zhuǎn)子軸的選型設(shè)計起到了一定的借鑒作用。