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(yōu)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(jù)，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(fā)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(fā)現(xiàn)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(xiàn)階段對于電機運行時，維護人員缺乏有效監(jiān)測手段，多數(shù)是在出現(xiàn)問題后才發(fā)現(xiàn)轉子籠條故障，因此籠條斷裂故障對電機安全穩(wěn)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(huán)焊接或鑄造而成的三相異步電機，在各行各業(yè)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(huán)焊接而成，優(yōu)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(jù)實際統(tǒng)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(tǒng)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(fā)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(huán)焊接工藝太差。（6）絕大多數(shù)情況，籠條開裂或脫焊部位出現(xiàn)在籠條與端環(huán)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(fā)現(xiàn)，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(tài)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(fā)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(huán)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(shù)和溫升次數(shù)累積而增大[3]。

鼠籠型電機冷態(tài)下第一次啟動，籠條和端環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)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(huán)感應電流大溫度過高，造成端環(huán)處整體機械強度下降更多而容易發(fā)生變形，嚴重時發(fā)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(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(huán)產生形變，受力最大點仍是籠條與端環(huán)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(huán)焊接處不發(fā)生力的關系。

3.3焊接工藝差

如果籠條與端環(huán)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(yōu)化運行方式，加強巡檢

根據(jù)生產需要，合理安排電機運行方式，盡量減少電機啟動次數(shù)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(guī)程規(guī)定應相隔30min后才能進行第二次啟動，避免連續(xù)熱啟動[7]。

同時加強巡檢和監(jiān)測，對易發(fā)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(fā)現(xiàn)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(huán)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?；\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(fā)現(xiàn)的隱患，當發(fā)現(xiàn)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(xiàn)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(jù)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(shù)據(jù)。有經常出現(xiàn)轉子籠條斷裂，在檢修時卻難以發(fā)現(xiàn)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(yè)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(wěn)定運行。

參考文獻

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