鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂的研究與新型防斷條結(jié)構(gòu)
哈爾濱通能電氣股份有限公司 王常春 王勝五
刊登在《大電機(jī)技術(shù)》2002年第7期上
[摘要]本文分析和計(jì)算了鼠籠型轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂，系因?qū)l在鐵心槽中不能固緊，導(dǎo)條伸曲長不準(zhǔn)確，護(hù)環(huán)
位置不合理，端環(huán)截面積偏小等所致。目前國內(nèi)以采取的措施均不能徹底予以解決。本文介紹的獨(dú)特的燈籠型和
組合型防斷條結(jié)構(gòu)，經(jīng)500余臺(tái)改造電機(jī)運(yùn)行證明是可靠的。
[關(guān)鍵詞]鼠籠型轉(zhuǎn)子 導(dǎo)條斷裂 防斷條結(jié)構(gòu)
前言
高壓大中型異步電動(dòng)機(jī)鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂問題是國內(nèi)外公認(rèn)的難題，目前國內(nèi)雖采取了一些方法，但均不能
徹底解決。哈爾濱通能電氣股份有限公司在鼠籠轉(zhuǎn)子防斷條方面獲得三項(xiàng)專利技術(shù)，實(shí)用于新老系列各種類型的
鼠籠轉(zhuǎn)子，并于1992年7月7日通過了黑龍江省科學(xué)技術(shù)委員會(huì)主持的技術(shù)鑒定。鑒定意見為：“該成果對(duì)重載且
頻繁起動(dòng)的各類鼠籠轉(zhuǎn)子大、中型異步電動(dòng)機(jī)（鑄鋁轉(zhuǎn)子除外）進(jìn)行改造經(jīng)500余臺(tái)改造后電機(jī)運(yùn)行實(shí)踐證明是可
靠的，且對(duì)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品采用此技術(shù)是可行的采用獨(dú)特的燈籠型和組合型防斷條結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)屬于首創(chuàng)，在國際上
尚未發(fā)現(xiàn)類似的防斷條結(jié)構(gòu)。該成果的施措具有顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，見意及早在全國推廣應(yīng)用�！北疚母攀鰢�
內(nèi)采用的幾種方法，探討斷條原因，介紹防斷條的專利技術(shù)。
•國內(nèi)采用的幾種方法
1.1高速鼠籠型轉(zhuǎn)子
1.1.1老系列，該型轉(zhuǎn)子使用梯形導(dǎo)條但端環(huán)開槽無法開成梯形，因此將導(dǎo)條兩端銑成近似于矩形的形狀，才
能嵌入端環(huán)的矩形槽內(nèi)，這使導(dǎo)條兩端根部的截面積大大減少，因而削弱了導(dǎo)條兩端根部的強(qiáng)度，并減少了導(dǎo)電
面積。將端環(huán)銑成平形四邊的槽，導(dǎo)條嵌入后另外加細(xì)楔焊牢。
1.1.2 新系列，該型轉(zhuǎn)子不但導(dǎo)條斷裂嚴(yán)重，且端環(huán)相對(duì)鐵心發(fā)生扭轉(zhuǎn)位移。為此在端環(huán)與軸之間加撐環(huán)，
其外圓以止口方式卡入端環(huán)，并且螺栓固定在端環(huán)上，考慮到導(dǎo)條受熱伸長，又在撐環(huán)內(nèi)徑與軸的接觸面上配以
導(dǎo)鍵，以保證撐環(huán)在軸上自由滑動(dòng)。又為使導(dǎo)條能在鐵心槽中固緊，在鐵心槽口處每隔一定間距，在導(dǎo)條上沖擊
深約1—2mm凹坑。
1.2 深槽鼠籠型轉(zhuǎn)子
凡是矩形條對(duì)矩形槽的轉(zhuǎn)子，有的廠家用圓盤滾子擠壓轉(zhuǎn)子鐵心槽口。對(duì)于新系列該型轉(zhuǎn)子端環(huán)相對(duì)鐵心產(chǎn)
生的扭轉(zhuǎn)位移，在端環(huán)與轉(zhuǎn)子支架之間加一支架，來限制端環(huán)的扭轉(zhuǎn)，為了提高導(dǎo)條根部的強(qiáng)度，也有采用將導(dǎo)
條根部的兩側(cè)附以加強(qiáng)襯，連同導(dǎo)條一并焊進(jìn)端環(huán)的槽內(nèi)。
1.3 雙鼠籠型轉(zhuǎn)子
有的發(fā)電廠對(duì)此型斷條的解決辦法如下。
1.3.1 導(dǎo)條無伸長，即端環(huán)直接靠至鐵心且上下導(dǎo)條共用同一個(gè)端環(huán)。然而，使用不同材質(zhì)的上下層導(dǎo)條共
用同一只端環(huán)，因它們的線膨脹系數(shù)不同，尤其是電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子電流絕大多數(shù)從上層導(dǎo)條通過，此時(shí)上層導(dǎo)條
的伸長要遠(yuǎn)大于下導(dǎo)條的伸長這必將造成下層導(dǎo)條受拉伸，上層導(dǎo)條受壓縮，因而更易引起導(dǎo)條的斷裂。
1.3.2 導(dǎo)條根部加護(hù)套，連同導(dǎo)條一并焊入端環(huán)孔內(nèi)的方法，雖然略緩解導(dǎo)條根部的應(yīng)力，但實(shí)際計(jì)算證明
這不能根本解決斷條。
1.3.3 采用不銹鋼環(huán)和固定支架的結(jié)構(gòu)，即在上下層端環(huán)間夾一只不銹鋼環(huán)，并使上層導(dǎo)條穿過不銹鋼后再
和上層端環(huán)焊接，這樣當(dāng)上層導(dǎo)條斷裂后，不致刮壞定子線圈。同時(shí)不銹鋼環(huán)還借助一固定支架和轉(zhuǎn)子支架連接
，以防止端環(huán)扭轉(zhuǎn)位移。這種結(jié)構(gòu)還把上層導(dǎo)條外伸部分套以不銹鋼套，以提高導(dǎo)條的強(qiáng)度。但這種套壁很薄，
基本作用不大，且套裝工藝很復(fù)雜，不適合批量生產(chǎn)。
1.14 采用上層導(dǎo)條穿過下層端環(huán)后，再與上層端環(huán)焊接的方法。這與轉(zhuǎn)子端部綁扎無緯帶的方法，即防止上
層導(dǎo)條斷裂后刮壞定子線圈。上述方法均是在何處斷裂就在何處采取措施，根本沒有觸及實(shí)質(zhì)，因此導(dǎo)條斷條也
不能徹底解決。
•導(dǎo)條斷裂的分析
2.1 導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中****固緊
高速電機(jī)的轉(zhuǎn)子端部具有護(hù)環(huán)，因此轉(zhuǎn)子端部受力很復(fù)雜，以此為例作理論分析，則對(duì)深槽型和雙鼠籠型電
機(jī)就可易于分析了。此分析的邊界條件是導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中****固緊，才能忽略導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子槽中所受的離心力
、電磁力、熱彎曲撓度力等。轉(zhuǎn)子運(yùn)行后的動(dòng)態(tài)狀態(tài)不同于靜止?fàn)顟B(tài)，即鐵心發(fā)生徑向變化位移，導(dǎo)條產(chǎn)生轉(zhuǎn)角
，端環(huán)與護(hù)環(huán)間的配合過盈量也會(huì)發(fā)生變化，依理論力學(xué)可描繪出如圖 3 所示的受力情況。 理論分析和導(dǎo)條斷
裂的實(shí)際表明：導(dǎo)條根部，即導(dǎo)條與端環(huán)接觸部位是危險(xiǎn)斷面，應(yīng)計(jì)算出一個(gè)斷面的應(yīng)力，并檢查是否小于銅的
允許應(yīng)力。
2.2 導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中存在間隙
上節(jié)所述的邊界條件是很難滿足的，目前國內(nèi)電機(jī)廠家生產(chǎn)的電機(jī)，均或大或小地存在間隙，斷條的轉(zhuǎn)子就
屬于間隙較大者。因此，凡導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中存有間隙時(shí)，均應(yīng)考慮所受的下列各力。
2.2.1 熱彎曲撓度力
轉(zhuǎn)子導(dǎo)條在電機(jī)起動(dòng)過程中存在擠流效應(yīng)，即轉(zhuǎn)子電流絕大部分在導(dǎo)條上層流過，使導(dǎo)條產(chǎn)生彎曲變形。設(shè)
把這一熱彎曲變形等同為撓度力Pf，但Pf 如何作用于導(dǎo)條的危險(xiǎn)斷面，即只有當(dāng)導(dǎo)條的熱彎曲變形受到半約束時(shí)
，此時(shí)其 P f 的反力總是以和導(dǎo)條彎曲方向相反的方向作用于導(dǎo)條。這一約束又分為分布載荷約束和集中載荷約
束。
2.3 導(dǎo)條和端環(huán)的起動(dòng)發(fā)熱計(jì)劃
為了計(jì)算 2.2 節(jié)中的導(dǎo)條上下層溫度，即T2-T1，則首先需要計(jì)算轉(zhuǎn)子的起動(dòng)發(fā)熱。電機(jī)在起動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子
所產(chǎn)生的電熱損耗Qr,與為加速整個(gè)轉(zhuǎn)子的飛輪力矩相等，按下式計(jì)算：Qr=1/730n 2 GD 2 (J) 式中：GD2——轉(zhuǎn)
子飛輪力矩，kg·m2；n——電機(jī)加速范圍，r/min。將此電熱損耗按導(dǎo)條和端環(huán)的電阻比值分配后，便可按下式
計(jì)算導(dǎo)條 T b 和端環(huán)Tk的起動(dòng)溫升。
2.4 導(dǎo)條的振動(dòng)原因
電動(dòng)機(jī)起動(dòng)過程中在導(dǎo)條上作用著一個(gè)徑向電磁力，根據(jù)式 (12) 可知，當(dāng) sin(ωt+φ)=1時(shí)，電磁力的幅
值增加一倍；當(dāng)sinωt+φ）=-1時(shí)，則電磁力的幅值變?yōu)榱悖布措姶帕ο�。然而電�?dòng)機(jī)在起動(dòng)過程逐漸增加
的導(dǎo)條自身的離心力和電磁力方向相反，當(dāng)離心力增加到一定程度后，在電磁力出現(xiàn)零值時(shí)，就把導(dǎo)條向槽口方
向推去；然而當(dāng)電磁力恢復(fù)到2倍幅值時(shí)，并且此幅值能夠大于離心力，于是又把導(dǎo)條吸向槽底，這樣往復(fù)下去，
就使導(dǎo)條產(chǎn)生振動(dòng)。然而在整個(gè)電機(jī)起動(dòng)過程中，并不是全部都能滿足這種振動(dòng)條件，振動(dòng)只能發(fā)生在一個(gè)很小
的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)。由此可見，導(dǎo)條在鐵心槽中必須固緊，否則不但受力復(fù)雜，而且還能引起振動(dòng)。這種振動(dòng)不但
能夠引起導(dǎo)條斷裂，還常常以電腐蝕的方式燒毀鐵心槽口。
•防止導(dǎo)條斷裂的專利結(jié)構(gòu)
3.1 深槽型籠型轉(zhuǎn)子防斷條結(jié)構(gòu)
一般深槽型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，是將具有矩形截面的紫銅導(dǎo)條直接打入轉(zhuǎn)子鐵心的矩形槽中，但這不能使導(dǎo)條在槽中
固緊，其導(dǎo)條在鐵心槽中的徑向間隙，造成導(dǎo)條在鐵心槽中受上述各種力的作用而斷條。因此，只需要控制導(dǎo)條
高度方向的固緊，即將現(xiàn)有導(dǎo)條按高度方向分解成具有斜鍵效果的兩個(gè)部分，即上導(dǎo)條和下導(dǎo)條，且上下導(dǎo)條均
具有一定斜度的配合面。當(dāng)向轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)組裝上下導(dǎo)條時(shí)，先將導(dǎo)條打入槽內(nèi)，然后再按配合面將下導(dǎo)條打入
槽內(nèi)，當(dāng)調(diào)整好導(dǎo)條和鐵心的對(duì)稱度后，再用力打下導(dǎo)條的大頭，直到使上下導(dǎo)條在鐵心槽中固緊為止。
3.2 老系列高速型鼠籠轉(zhuǎn)子防條結(jié)構(gòu)
原來老系列該型轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是，導(dǎo)條伸出太短，護(hù)環(huán)體積太大，護(hù)環(huán)不但沒有保護(hù)作用，反而
增加了慣性力。新的專利結(jié)構(gòu)是，增加導(dǎo)條的伸長，并將端環(huán)的內(nèi)外側(cè)互換，護(hù)環(huán)尺寸減少直接保護(hù)導(dǎo)條根部的
危險(xiǎn)斷面。
3.3 新系列高速型鼠籠轉(zhuǎn)子防斷條結(jié)構(gòu)
該型轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)是仿美國西屋公司設(shè)計(jì)的，主要缺點(diǎn)是護(hù)環(huán)沒有起到任何保護(hù)作用。由于導(dǎo)條在轉(zhuǎn)子槽中
無法固緊，護(hù)環(huán)不起作用，又由于導(dǎo)條和端環(huán)是對(duì)接，中頻焊的溫度控制不準(zhǔn)等原因，導(dǎo)條斷裂的事故率非常高
。為此，新專利結(jié)構(gòu)的改進(jìn)特點(diǎn)是，將導(dǎo)條壓彎嵌入端環(huán)的槽中，使護(hù)環(huán)探入并超過導(dǎo)條的根部，直接對(duì)導(dǎo)條的
危險(xiǎn)斷面實(shí)施保護(hù)。另外，導(dǎo)條的彎曲還可以分散在危險(xiǎn)斷面作用的應(yīng)力。這一結(jié)構(gòu)稱之為燈籠型轉(zhuǎn)子，也已被
鑒定為具有國際先進(jìn)水平。
4 、結(jié)束語
目前哈爾濱通能電氣股份有限公司燈籠型轉(zhuǎn)子和鼠籠型轉(zhuǎn)子等深槽型電機(jī)轉(zhuǎn)子防斷條專利結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用于各
類高速電動(dòng)機(jī)新系列和重載且頻繁起動(dòng)的深槽電動(dòng)機(jī)系列產(chǎn)品中，并且能夠自行設(shè)計(jì)和制造新型的具有防斷條結(jié)
構(gòu)的深槽型轉(zhuǎn)子，同時(shí)哈爾濱通能電氣股份有限公司將應(yīng)用于這一項(xiàng)專利技術(shù)為所有的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)條防斷條改
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