鼠籠轉(zhuǎn)子導條斷裂的研究與新型防斷條結(jié)構(gòu)
本文分析和計算了鼠籠型轉(zhuǎn)子導條斷裂,系因?qū)l在鐵心槽中不能固緊,導條伸曲長不準確,護環(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。本文介紹的獨特的燈籠型和 組合型防斷條結(jié)構(gòu),經(jīng)500余臺改造電機運行證明是可靠的。 [關(guān)鍵詞]鼠籠型轉(zhuǎn)子 導條斷裂 防斷條結(jié)構(gòu)
高壓大中型異步電動機鼠籠轉(zhuǎn)子導條斷裂問題是國內(nèi)外公認的難題,目前國內(nèi)雖采取了一些方法,但均不能 徹底解決。湘潭電機修理廠在鼠籠轉(zhuǎn)子防斷條方面獲得三項專利技術(shù),實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技術(shù)委員會主持的技術(shù)鑒定。鑒定意見為:“該成果對重載且 頻繁起動的各類鼠籠轉(zhuǎn)子大、中型異步電動機(鑄鋁轉(zhuǎn)子除外)進行改造經(jīng)500余臺改造后電機運行實踐證明是可 靠的,且對設(shè)計新產(chǎn)品采用此技術(shù)是可行的采用獨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經(jīng)濟效益,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)子使用梯形導條但端環(huán)開槽無法開成梯形,因此將導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),這使導條兩端根部的截面積大大減少,因而削弱了導條兩端根部的強度,并減少了導電 面積。將端環(huán)銑成平形四邊的槽,導條嵌入后另外加細楔焊牢。
1.1.2新系列,該型轉(zhuǎn)子不但導條斷裂嚴重,且端環(huán)相對鐵心發(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,考慮到導條受熱伸長,又在撐環(huán)內(nèi)徑與軸的接觸面上配以導鍵,以保證撐環(huán)在軸上自由滑動。又為使導條能在鐵心槽中固緊,在鐵心槽口處每隔一定間距,在導條上沖擊 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。對于新系列該型轉(zhuǎn)子端環(huán)相對鐵心產(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),為了提高導條根部的強度,也有采用將導 條根部的兩側(cè)附以加強襯,連同導條一并焊進端環(huán)的槽內(nèi)。
1.3雙鼠籠型轉(zhuǎn)子 有的發(fā)電廠對此型斷條的解決辦法如下。
1.3.1導條無伸長,即端環(huán)直接靠至鐵心且上下導條共用同一個端環(huán)。然而,使用不同材質(zhì)的上下層導條共 用同一只端環(huán),因它們的線膨脹系數(shù)不同,尤其是電機起動時轉(zhuǎn)子電流絕大多數(shù)從上層導條通過,此時上層導條 的伸長要遠大于下導條的伸長這必將造成下層導條受拉伸,上層導條受壓縮,因而更易引起導條的斷裂。
1.3.2導條根部加護套,連同導條一并焊入端環(huán)孔內(nèi)的方法,雖然略緩解導條根部的應(yīng)力,但實際計算證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),并使上層導條穿過不銹鋼后再 和上層端環(huán)焊接,這樣當上層導條斷裂后,不致刮壞定子線圈。同時不銹鋼環(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)還把上層導條外伸部分套以不銹鋼套,以提高導條的強度。但這種套壁很薄, 基本作用不大,且套裝工藝很復雜,不適合批量生產(chǎn)。
1.14采用上層導條穿過下層端環(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,根本沒有觸及實質(zhì),因此導條斷條也 不能徹底解決。
?導條斷裂的分析
2.1導條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中絕對固緊
高速電機的轉(zhuǎn)子端部具有護環(huán),因此轉(zhuǎn)子端部受力很復雜,以此為例作理論分析,則對深槽型和雙鼠籠型電 機就可易于分析了。此分析的邊界條件是導條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中絕對固緊,才能忽略導條在轉(zhuǎn)子槽中所受的離心力 、電磁力、熱彎曲撓度力等。轉(zhuǎn)子運行后的動態(tài)狀態(tài)不同于靜止狀態(tài),即鐵心發(fā)生徑向變化位移,導條產(chǎn)生轉(zhuǎn)角 ,端環(huán)與護環(huán)間的配合過盈量也會發(fā)生變化,依理論力學可描繪出如圖3所示的受力情況。理論分析和導條斷 裂的實際表明:導條根部,即導條與端環(huán)接觸部位是危險斷面,應(yīng)計算出一個斷面的應(yīng)力,并檢查是否小于銅的
允許應(yīng)力。
2.2導條在轉(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)電機廠家生產(chǎn)的電機,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,凡導條在轉(zhuǎn)子鐵心槽中存有間隙時,均應(yīng)考慮所受的下列各力。
2.2.1熱彎曲撓度力
轉(zhuǎn)子導條在電機起動過程中存在擠流效應(yīng),即轉(zhuǎn)子電流絕大部分在導條上層流過,使導條產(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如何作用于導條的危險斷面,即只有當導條的熱彎曲變形受到半約束時 ,此時其Pf的反力總是以和導條彎曲方向相反的方向作用于導條。這一約束又分為分布載荷約束和集中載荷約 束。
2.3導條和端環(huán)的起動發(fā)熱計劃
為了計算2.2節(jié)中的導條上下層溫度,即T2-T1,則首先需要計算轉(zhuǎn)子的起動發(fā)熱。電機在起動過程中轉(zhuǎn)子 所產(chǎn)生的電熱損耗Qr,與為加速整個轉(zhuǎn)子的飛輪力矩相等,按下式計算:Qr=1/730n2GD2(J)式中:GD2——轉(zhuǎn)
子飛輪力矩,kg·m2;n——電機加速范圍,r/min。將此電熱損耗按導條和端環(huán)的電阻比值分配后,便可按下式 計算導條Tb和端環(huán)Tk的起動溫升。
2.4導條的振動原因
電動機起動過程中在導條上作用著一個徑向電磁力,根據(jù)式(12)可知,當sin(ωt+φ)=1時,電磁力的幅值增加一倍;當sinωt+φ)=-1時,則電磁力的幅值變?yōu)榱悖布措姶帕ο?。然而電動機在起動過程逐漸增加 的導條自身的離心力和電磁力方向相反,當離心力增加到一定程度后,在電磁力出現(xiàn)零值時,就把導條向槽口方 向推去;然而當電磁力恢復到2倍幅值時,并且此幅值能夠大于離心力,于是又把導條吸向槽底,這樣往復下去, 就使導條產(chǎn)生振動。然而在整個電機起動過程中,并不是全部都能滿足這種振動條件,振動只能發(fā)生在一個很小 的轉(zhuǎn)速范圍之內(nèi)。由此可見,導條在鐵心槽中必須固緊,否則不但受力復雜,而且還能引起振動。這種振動不但 能夠引起導條斷裂,還常常以電腐蝕的方式燒毀鐵心槽口。
?防止導條斷裂的專利結(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條直接打入轉(zhuǎn)子鐵心的矩形槽中,但這不能使導條在槽中 固緊,其導條在鐵心槽中的徑向間隙,造成導條在鐵心槽中受上述各種力的作用而斷條。因此,只需要控制導條高度方向的固緊,即將現(xiàn)有導條按高度方向分解成具有斜鍵效果的兩個部分,即上導條和下導條,且上下導條均 具有一定斜度的配合面。當向轉(zhuǎn)子鐵心槽內(nèi)組裝上下導條時,先將導條打入槽內(nèi),然后再按配合面將下導條打入 槽內(nèi),當調(diào)整好導條和鐵心的對稱度后,再用力打下導條的大頭,直到使上下導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)的主要缺點是,導條伸出太短,護環(huán)體積太大,護環(huán)不但沒有保護作用,反而 增加了慣性力。新的專利結(jié)構(gòu)是,增加導條的伸長,并將端環(huán)的內(nèi)外側(cè)互換,護環(huán)尺寸減少直接保護導條根部的 危險斷面。
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)計的,主要缺點是護環(huán)沒有起到任何保護作用。由于導條在轉(zhuǎn)子槽中 無法固緊,護環(huán)不起作用,又由于導條和端環(huán)是對接,中頻焊的溫度控制不準等原因,導條斷裂的事故率非常高 。為此,新專利結(jié)構(gòu)的改進特點是,將導條壓彎嵌入端環(huán)的槽中,使護環(huán)探入并超過導條的根部,直接對導條的 危險斷面實施保護。另外,導條的彎曲還可以分散在危險斷面作用的應(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水平。
4、結(jié)束語
目前湘潭電機修理廠燈籠型轉(zhuǎn)子和鼠籠型轉(zhuǎn)子等深槽型電機轉(zhuǎn)子防斷條專利結(jié)構(gòu)分別應(yīng)用于各
類高速電動機新系列和重載且頻繁起動的深槽電動機系列產(chǎn)品中,并且能夠自行設(shè)計和制造新型的具有防斷條結(jié) 構(gòu)的深槽型轉(zhuǎn)子,同時湘潭電機修理廠將應(yīng)用于這一項專利技術(shù)為所有的電動機轉(zhuǎn)子導條防斷條改 造提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
| 公司名稱: | 湘潭電機修理廠(湘潭電機維修中心) |
| 聯(lián) 系 人: | 胡經(jīng)理 |
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