鼠籠型電機轉子籠條斷裂分析研究

李彬華 孫佳和

摘 要：本文對鼠籠型電機轉子籠條斷裂故障進行分析，并提出預防措施，從而提高電機運行可靠性。

關鍵詞：鼠籠型;電機;轉子籠條;斷裂;預防措施

中圖分類號：TM3 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）08-0081-02

0 引言

異步電機是火電廠運行生產中最常見的電氣設備，其作用是把電動能轉換為機械能，其中使用最多的便是鼠籠型電機，其具有結構簡單，電機啟動方便，相對體積較小，工作可靠性高，堅固耐用，同時便于維護和檢修的優點，但也有轉子籠條在啟動或運行中容易斷裂，故障較多的缺點。

本文將結合實際生產和理論依據，對鼠籠型電機轉子籠條斷裂的原因進行分析，并提出相應預防措施。

1概況

某發電廠皮帶機電機屬于鼠籠型電機，共有17臺，自2004年投產以來，已發現10余臺次電機轉子籠條斷裂故障。鼠籠型電機轉子籠條斷裂屬于常見故障，但現階段對于電機運行時，維護人員缺乏有效監測手段，多數是在出現問題后才發現轉子籠條故障，因此籠條斷裂故障對電機安全穩定運行造成一定威脅，若能有可靠有效預防的措施，可以很大程度避免了電機運行中跳閘的風險[1]。

2轉子籠條斷裂電機基本特征

鼠籠型電機是一種轉子結構由銅條或鋁條與端環焊接或鑄造而成的三相異步電機，在各行各業應用非常廣泛，一般高壓鼠籠型電機轉子采用銅條與兩邊端環焊接而成，優點是結構簡單，維修方便，但也有轉子籠條在啟動或運行中容易斷裂，故障較多的缺點[2]。根據實際統計并分析，轉子籠條容易斷裂的電機均具有以下特征之一：

（1）電機一般全壓啟動，啟動時頻繁重載啟動，啟動時間長。在火電廠之中，輸煤系統中的皮帶機電機、碎煤機電機，因運行工況需要，需經常頻繁啟停。（2）已經投運3年以上的鼠籠型電機。（3）轉子籠條超出鐵芯部分過長，超出長度一般在40mm～70mm以上，較容易發生斷裂。（4）轉子籠條在鐵芯槽內存在一定的間隙，且間隙越大故障概率越高。（5）轉子籠條與端環焊接工藝太差。（6）絕大多數情況，籠條開裂或脫焊部位出現在籠條與端環焊接部位。（7）當只有1～2根籠條輕微斷裂，在電機啟動或運行中，此時故障往往難以發現，當籠條斷裂嚴重，甚至已經已經完全脫焊時，此時電機已經無法安全運行，并有以下一些故障特征：1）電機振動和噪聲增大，轉子籠條斷裂嚴重時，噪聲明顯可見，可能伴有咯噠咯噠異響。2）電機溫度異常上升，轉速異常下降，轉子籠條斷裂嚴重時，繞組溫度快速上升至報警或跳閘值。3）電機三相電流不平衡，并三相周期性波動不一致。4）當籠條斷裂部分脫落后，造成電機掃膛。

3鼠籠型電機轉子籠條斷裂原因分析

鼠籠型電機轉子籠條斷裂主要原因分為外因與內因，內因為電機在啟停和負載變化過程中，籠條處所受各種應力綜合影響，加上材料受溫度影響的強度變化;外因為實際需要的運行工況影響，和轉子制造中加工工藝的影響，具體分析如下：

3.1電機重載啟動頻繁

全壓重載啟動時，電機啟動電流理論上為電機額定電流5～7倍，且啟動時間高于空載啟動，這就造成轉子籠條快速升溫，籠條材質強度下降，若在轉子籠條溫度未下降至冷態并再次啟動時，由于熱量累積，造成材料逼近疲勞極限，加上轉子端部因發熱不均勻產生的徑向應力，以及受感應電流產生的電磁振動應力和轉子轉動產生的離心力，最終受各應力作用點大都集中于籠條與端環的焊口附近，而此處正是鼠籠結構的薄弱點，每次啟動便升溫受力一次，且這些應力破壞作用隨啟動次數和溫升次數累積而增大[3]。

鼠籠型電機冷態下第一次啟動，籠條和端環溫度一般能達到200℃～300℃，若運行操作人員未注意，在短時間內（2h內）二次啟動，籠條和端環處溫度就會上升到非常高的溫度，尤其是焊接處機械強度會顯著降低，同時在整個啟動過程中籠條和端環焊接處所承受的各種應力累積達到最大值，雖然啟動時間一般很短，但在這種情況下，尤其當電機負載較高或處于堵轉時，轉子籠條和端環焊接處溫度甚至高達400℃～500℃，造成焊接處開裂或脫焊[4]。因此電機頻繁重載啟動，很容易導致轉子籠條斷裂。

3.2設計結構不合理。

針對電機需頻繁啟動工況時，普通設計的電機，轉子籠條超出鐵芯部分長度一般在40mm～70mm以上，在各種應力，尤其是熱應力和電磁應力相互作用下，會使整個籠條在鐵芯伸出部分產生形變，極易引起籠條斷裂。同時普通設計的電機在端環尺寸設計上也偏小，強度較差，電流載流量不高，重載啟動時由于端環感應電流大溫度過高，造成端環處整體機械強度下降更多而容易發生變形，嚴重時發生斷裂故障，可見重載頻繁啟停并不是籠條斷裂的唯一原因，關鍵還是在籠條結構設計上是否合理。通過電機實際拆解，可以發現，鼠籠型電機中，雙鼠籠的結構，因內籠伸出鐵芯長度要比外籠短的多，基本沒有籠條斷裂的現象[5]。如圖1所示。

因此電機選型時需要考慮到運行工況，合理并有針對性的選擇電機。同時籠條在槽內是否安裝緊密，也是重要指標之一。如果籠條在槽內存在一定的間隙，會造成籠條在槽內熱傳導性能不同，使籠條間溫升不均勻，產生一定熱應力，加上轉子轉動的離心力和受感應電流產生的電磁振動應力，使籠條與端環產生形變，受力最大點仍是籠條與端環焊接處[6]。若籠條在槽內嵌裝緊密，則籠條上各應力可直接傳遞給轉子鐵芯，而與籠條和端環焊接處不發生力的關系。

3.3焊接工藝差

如果籠條與端環焊接質量不佳，焊接時間過長，溫度過高，焊接處虛焊、焊縫內有渣，焊接時溫度不符合標準，焊接附近材料因溫度過高而變形，并遺留熱應力，導致機械強度低。因此焊接工藝是否合格也是轉子籠條是否斷裂的關鍵因素之一。

4預防措施

4.1優化運行方式，加強巡檢

根據生產需要，合理安排電機運行方式，盡量減少電機啟動次數或延長電機啟停間隔時間。若第一次啟動不成功，按照電機運行規程規定應相隔30min后才能進行第二次啟動，避免連續熱啟動[7]。

同時加強巡檢和監測，對易發生轉子籠條斷裂的電機，巡檢時重點關注電機振動和溫度變化，發現問題及早匯報提早處理。

4.2選擇合適的轉子籠條結構

電機采購選型時需要考慮到運行工況，采購時因向電機廠告知電機可能遇到的運行工況，合理并有針對性的選擇合適電機轉子[8]。

若是已采購的電機，可選擇將轉子籠條更換為大尺寸或加固加粗處理。如籠條伸超出鐵芯的過長部分的電機，可在兩端過長部位補焊一短銅條，焊接在端環與鐵芯之間，相當于加粗。

若更換籠條，更換前需檢查籠條銅表面光滑平整無毛刺，不符合要求可將表面進行打磨處理。籠條安裝時應使用木錘，安裝要求籠條在鐵芯槽內緊密配合，無松動。在焊接時，應避免對籠條直接加熱，這會造成籠條過熱，機械強度降低，且籠條過熱變形會產生一定熱應力，造成隱患。

4.3提高檢修工藝

（1）因轉子籠條斷裂很少或輕微時，對電機運行影響很小而造成難以發現的隱患，當發現時，往往電機已經溫度過高，籠條部分斷裂后甩出，造成電機掃膛等嚴重情況，可見如果遇到轉子籠條故障，應及時修復，否則會造成嚴重后果[9]。因此針對已出現過轉子籠條斷裂的電機，或具有多項電機轉子籠條易斷裂的電機，因根據實際情況，合理安排電機檢修周期，大修時增加轉子籠條檢查項目，抽轉子后需仔細檢查每一根籠條的松緊程度，有無開裂或裂紋，特別是裝復前需檢查籠條在轉子槽內間隙并記錄數據。有經常出現轉子籠條斷裂，在檢修時卻難以發現籠條開裂或裂紋的，可以選擇用敲擊聽音法等。（2）籠條焊接時不應使用氧焊，焊料使用銀銅焊條，采用對稱交叉焊法。

5結語

本文主要介紹了基于某電廠鼠籠型電機轉子斷裂的基本特征，對此問題進行原因分析和預防措施，給同業人員提供參考。采用相應的預防措施后，降低了電機轉子故障率，保障了電機安全穩定運行。

參考文獻

[1] 李銀貴.高壓異步電機鼠籠斷條原因分析及防止措施[J].河南電力，1990（2）：33-38.

[2] 霍菲陽，李偉力，遲賀，等.不同轉子結構對復合籠條轉子感應電動機性能的影響[J].電機與控制學報，2015（8）：22-27.

[3] 李樹帶.基于轉子籠條形狀的異步電機設計與改造[J].輕工科技，2016（10）：42-43.

[4] 楊超，呂海新，王宇，等.銀銅硬釬焊法在鼠籠式高壓電機轉子籠條斷裂修復上的應用[J].萊鋼科技，2016（2）：7-8.

[5] 劉紅.雙鼠籠異步電機籠條斷裂分析與預防措施[J].貴州電力技術，2012（06）：7-8.

[6] 楊芳，徐鑫，沈稼豐.復合籠條轉子異步電機的參數辨識[J].防爆電機，2003（01）：15-18.

[7] 李樹生.復合籠條轉子異步電機起動性能的研究[J].自動化技術與應用，2003（3）：36-38.

[8] 喬建軍，王文元.電機轉子籠條焊接工藝的研究[J].煤礦機械，2003（11）：82-83.

[9] 盧獻國，趙勇.鼠籠式異步電動機斷條狀況和斷條檢測儀的研制[J].河南電力，1995（2）：28-31.