高压电机铜条转子断裂分析及改进措施

张国强

（佳木斯电机股份有限公司，黑龙江 佳木斯 154002）

引言

铜条转子为高压三相异步电动机常用结构，此结构时常会出现转子铜条端部断裂的情况，转子断条后会出现电流摆动，振动噪声增大，出力减小，转速下降，定子电流表左右摆动，防爆电机甚至会出现打火等现象，严重影响用户的生产和安全。铜条转子断裂通常发生在铜条转子截面突变处及端环和导条焊接处。

1 产生转子铜条断裂的原因

1）电机起动频繁。电机在起动时，旋转磁场对静止的转子的相对速度很大，在转子绕组中感应出很大的电势，因而导条中就有很大的电流通过，产生挤流效应［1］，由于挤流效应使较大的电流集中在导条上部，导条在槽中部分被约束的影响较小，但铜条伸出铁心部分没有约束将产生热应力变形，整个变形放大成“灯笼”形状，加之电机起动过程导条温升升高，使导条的机械强度下降，电机的频繁起动加速了这种热应力的交变和温升的积累，最终容易导致导条与端环的焊接处断裂。

2）离心力的作用。由于端环是两个厚壁圆环，通过电磁计算可知，电机极数越小、功率越大，端环在保证符合要求电密时的设计体积就越大，整个端环质量就越大，在高转速时产生的离心力径向增量与导条存在相对位移就越大，导条端部容易发生弯曲变形。

3）电机导条应力集中。电机整个起动过程和运行过程总是存在应力和机械力的复杂变化，而导条的加工处及焊接端环处很容易出现应力集中，从而导致出现断裂。

4）导条在槽内松动。因导条在槽内存在间隙，当电机旋转时，导条会在槽中发生振动，导条的电磁力及离心力作用加速端环与导条联接部位的疲劳。同时，因存在间隙，可能引起导条与冲片之间放电，导致槽口被“腐蚀”后导条甩出，加速了导条的断裂。

5）导条与端环焊接问题。铜条在焊接过程中会形成图1所示的结构，母材过热区（Ⅰ区）结晶体变得粗大，结构强度也因此降低，由于铜和焊料的膨胀系数很好，在自然条件下，焊接结构温度会急剧下降，由于铜及焊料的膨胀系数很大，当焊接位置从液相向固相转变过程中以及温度降低的过程中，体积会减小很多，这会造成焊接结构的内应力，严重时会在焊接部分出现小裂纹。

2 解决措施

连续工作制高压电机起动时必须满足以下规定：冷态起动连续次数：2次；热态起动连续次数：1次；电机续I或Ⅱ状态后再作起动，至少需间隔4h。此项要求要明确注明在电机技术协议及电机的说明书中。

电机拖动较大转动惯量的负载时，如风机负载，必须要用户提供负载转动惯量及负载。

阻力距曲线并结合电机的参数对电机的导条及端环的起动温升进行核算，转子导条温升一般不超过200K，转子端环温升不超过75K，若计算起动时导条或端环温升过高，则应适当增加导条及端环的截面积。

对高速机特别是2极和4极高转速的高压三相异步电动机需要加护环核算，以减小离心力的影响，下面以 YZYKS1000－4 17 000kW 高压三相异步机为例，此电机中心高1 000m，4极，功率为17 000kW。护环计算具体如下：

已知条件：

端环密度，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）端环外半径，r1／cm端环内半径，r2／10 980 52.4 40.35

判定条件：对铜和铜合金的端环，当超速时的平均径向拉应力δ超过4.2×105g／cm2时，应该加护环。计算如下［2］：

结论：需要加护环。

安装护环时，端环与护环配车应保证0.2mm左右的过盈量。

减小应力集中的措施：把导条端部伸出部分加工的清根直角改为圆角，见图2，或斜角，见图3，这样有效减小了应力集中的影响。

图1 焊接后金相变化

图2 圆角导条过渡角

端部第一个铁心段的槽口与笼条之间留有一定的间隙。这种结构可以使转子导条有一定的变形空间，有助于降低导条伸出铁心部分及导条与端环对接处的应力。如图4，靠近转子铁心两端部冲片槽顶部与转子导条之间留有1.5mm的间隙。

图3 斜角导条过渡角

图4 YJX630－4 6 200kW电机转子导条端部结构

转子槽型的设计：转子槽型设计时，有时候把转子槽型设计成上窄下宽，见图5。这样虽然可以依靠电机的挤流效应改善电机的起动性能，但是由于上部很窄起动时温度较高，而且与端环焊接时变形也较大，若设计不合理，长期运行过程中端环与导条焊接的上根部容易发生断裂。所以在能满足用户起动要求的情况下，电机设计时要尽量选用矩形槽和两端为半圆形的平行槽，并要求槽型宽度尽可能大，这样不仅铜排制造简单，而且焊接后强度好。特别是矩形槽，其上部槽肩对铜排的约束较大，可以有效防止铜排甩出。

防止铜条在槽内松动的措施：转子铜排采用上面介绍的矩形结构；提高转子冲片的加工质量，转子铜排与槽形的间隙控制在0.3mm以内；转子加工后，使用专用工具对转子铁心分段嵌紧。

防止端环与导条开焊的措施：导条两端面部分加工锯齿槽，以增加导条与端环的焊接面积，见图6；选择焊接效果好的焊料，如HL303颗粒状焊料；焊前使用酒精擦洗焊缝，焊接部位清理到金属光泽，导条铜屑清理干净，不得有任何杂物。

图5 上窄下宽槽型

图6 锯齿槽

采用中频焊接机床进行焊接，为使焊接时转子放置稳固，可以在轴上的辐板上加工高度8～12mm左右的工艺台，如下页图7，用于把转子坐在中频焊机上。钎焊质量通常以目测检查，焊接外形应成形美观，观察焊缝有无缺陷，端环与导条凹槽接触之根部焊缝应呈圆滑的浸润状的圆角过渡。

图7 工艺台加工图（mm）

3 结语

因鼠笼转子结构电机在价格、性能及运行维护等方面的优势，使其使用量逐年增加，但随着工业发展，负载的特殊性（如往复式压缩机，破碎机等波动负载，风机的大转动惯量等）对电机的性能要求越来越高，其对电机的本身强度影响越来越大，导致电机导条断裂情况也不断出现，本文提出的一些措施对大型鼠笼电机的设计及电机的运行、检修和维护都有一定的借鉴和帮助。

［1］ 李德成.三相异步电动机原理设计与试验［M］.北京：科学出版社，1979.

［2］ 哈尔滨大机电.美国西屋公司大中型电机技术资料译文集培训讲义（一）［M］.哈尔滨：哈尔滨大电机，1987.