高壓電機銅條轉子斷裂分析及改進措施

張國強

（佳木斯電機股份有限公司，黑龍江 佳木斯 154002）

引言

銅條轉子為高壓三相異步電動機常用結構，此結構時常會出現轉子銅條端部斷裂的情況，轉子斷條后會出現電流擺動，振動噪聲增大，出力減小，轉速下降，定子電流表左右擺動，防爆電機甚至會出現打火等現象，嚴重影響用戶的生產和安全。銅條轉子斷裂通常發生在銅條轉子截面突變處及端環和導條焊接處。

1 產生轉子銅條斷裂的原因

1）電機起動頻繁。電機在起動時，旋轉磁場對靜止的轉子的相對速度很大，在轉子繞組中感應出很大的電勢，因而導條中就有很大的電流通過，產生擠流效應［1］，由于擠流效應使較大的電流集中在導條上部，導條在槽中部分被約束的影響較小，但銅條伸出鐵心部分沒有約束將產生熱應力變形，整個變形放大成“燈籠”形狀，加之電機起動過程導條溫升升高，使導條的機械強度下降，電機的頻繁起動加速了這種熱應力的交變和溫升的積累，最終容易導致導條與端環的焊接處斷裂。

2）離心力的作用。由于端環是兩個厚壁圓環，通過電磁計算可知，電機極數越小、功率越大，端環在保證符合要求電密時的設計體積就越大，整個端環質量就越大，在高轉速時產生的離心力徑向增量與導條存在相對位移就越大，導條端部容易發生彎曲變形。

3）電機導條應力集中。電機整個起動過程和運行過程總是存在應力和機械力的復雜變化，而導條的加工處及焊接端環處很容易出現應力集中，從而導致出現斷裂。

4）導條在槽內松動。因導條在槽內存在間隙，當電機旋轉時，導條會在槽中發生振動，導條的電磁力及離心力作用加速端環與導條聯接部位的疲勞。同時，因存在間隙，可能引起導條與沖片之間放電，導致槽口被“腐蝕”后導條甩出，加速了導條的斷裂。

5）導條與端環焊接問題。銅條在焊接過程中會形成圖1所示的結構，母材過熱區（Ⅰ區）結晶體變得粗大，結構強度也因此降低，由于銅和焊料的膨脹系數很好，在自然條件下，焊接結構溫度會急劇下降，由于銅及焊料的膨脹系數很大，當焊接位置從液相向固相轉變過程中以及溫度降低的過程中，體積會減小很多，這會造成焊接結構的內應力，嚴重時會在焊接部分出現小裂紋。

2 解決措施

連續工作制高壓電機起動時必須滿足以下規定：冷態起動連續次數：2次；熱態起動連續次數：1次；電機續I或Ⅱ狀態后再作起動，至少需間隔4h。此項要求要明確注明在電機技術協議及電機的說明書中。

電機拖動較大轉動慣量的負載時，如風機負載，必須要用戶提供負載轉動慣量及負載。

阻力距曲線并結合電機的參數對電機的導條及端環的起動溫升進行核算，轉子導條溫升一般不超過200K，轉子端環溫升不超過75K，若計算起動時導條或端環溫升過高，則應適當增加導條及端環的截面積。

對高速機特別是2極和4極高轉速的高壓三相異步電動機需要加護環核算，以減小離心力的影響，下面以 YZYKS1000－4 17 000kW 高壓三相異步機為例，此電機中心高1 000m，4極，功率為17 000kW。護環計算具體如下：

已知條件：

端環密度，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）端環外半徑，r1／cm端環內半徑，r2／10 980 52.4 40.35

判定條件：對銅和銅合金的端環，當超速時的平均徑向拉應力δ超過4.2×105g／cm2時，應該加護環。計算如下［2］：

結論：需要加護環。

安裝護環時，端環與護環配車應保證0.2mm左右的過盈量。

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

圖1 焊接后金相變化

圖2 圓角導條過渡角

端部第一個鐵心段的槽口與籠條之間留有一定的間隙。這種結構可以使轉子導條有一定的變形空間，有助于降低導條伸出鐵心部分及導條與端環對接處的應力。如圖4，靠近轉子鐵心兩端部沖片槽頂部與轉子導條之間留有1.5mm的間隙。

圖3 斜角導條過渡角

圖4 YJX630－4 6 200kW電機轉子導條端部結構

轉子槽型的設計：轉子槽型設計時，有時候把轉子槽型設計成上窄下寬，見圖5。這樣雖然可以依靠電機的擠流效應改善電機的起動性能，但是由于上部很窄起動時溫度較高，而且與端環焊接時變形也較大，若設計不合理，長期運行過程中端環與導條焊接的上根部容易發生斷裂。所以在能滿足用戶起動要求的情況下，電機設計時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單，而且焊接后強度好。特別是矩形槽，其上部槽肩對銅排的約束較大，可以有效防止銅排甩出。

防止銅條在槽內松動的措施：轉子銅排采用上面介紹的矩形結構；提高轉子沖片的加工質量，轉子銅排與槽形的間隙控制在0.3mm以內；轉子加工后，使用專用工具對轉子鐵心分段嵌緊。

防止端環與導條開焊的措施：導條兩端面部分加工鋸齒槽，以增加導條與端環的焊接面積，見圖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

采用中頻焊接機床進行焊接，為使焊接時轉子放置穩固，可以在軸上的輻板上加工高度8～12mm左右的工藝臺，如下頁圖7，用于把轉子坐在中頻焊機上。釬焊質量通常以目測檢查，焊接外形應成形美觀，觀察焊縫有無缺陷，端環與導條凹槽接觸之根部焊縫應呈圓滑的浸潤狀的圓角過渡。

圖7 工藝臺加工圖（mm）

3 結語

因鼠籠轉子結構電機在價格、性能及運行維護等方面的優勢，使其使用量逐年增加，但隨著工業發展，負載的特殊性（如往復式壓縮機，破碎機等波動負載，風機的大轉動慣量等）對電機的性能要求越來越高，其對電機的本身強度影響越來越大，導致電機導條斷裂情況也不斷出現，本文提出的一些措施對大型鼠籠電機的設計及電機的運行、檢修和維護都有一定的借鑒和幫助。

［1］ 李德成.三相異步電動機原理設計與試驗［M］.北京：科學出版社，1979.

［2］ 哈爾濱大機電.美國西屋公司大中型電機技術資料譯文集培訓講義（一）［M］.哈爾濱：哈爾濱大電機，1987.