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關于鼠籠型異步電動機斷籠條三大因素的可調性 (刊登在《大電機技術》2002年第7期上)

發布時間:2011-01-08

關于鼠籠型異步電動機斷籠條三大因素的可調性

    哈爾濱通能電氣股份有限公司 王常春

    刊登在《大電機技術》2002年第7期上

    高速大容量鼠籠型異步電動機的轉子導條常常發生斷裂,嚴重地影響電動機的正常運行,甚至造成電動機的
報廢。有關這一世界問題各國都十分予以重視,并且積極予以研究,但直至目前都是各持己見,各有自己的結構問題
形式,有些理論甚至互相矛盾,如有的主張導條在槽中緊固,又有的主張導條在槽中懸空等等,并無典型而又系
統的理論,典型而又****可靠的結構。因此解決這一理論問題,提出理想的結構形式,具有十分重大的經濟意義。

一、兩端剛性固定的梁

     我們首先假定有一根細長脆性桿兩端牢固地嵌入剛性板內,如圖所示。若桿長為l1時,將剛性板B向上移動一
個u的距離,就有可能使脆性桿在 A 板根處產生斷裂。但是如果情形是這樣的話。即脆性桿長從I1延長至I2,
將剛性板C向上移動相同的一個距離u。從圖中可見脆性桿在A端的受力狀態則將大大改善,由此可見細長脆性桿在
A端的受力狀態隨1的增加而改善,隨B、C剛性板向上移動的距離u的增加而增加。然而圖中所示的情形恰好是一個
兩端剛性固定的梁,當I=I 時,它的表達式為:M A =M B =6EJ/I1 2 .u     P A =P B =12EJ/I 1 3 . U

     我們一切問題都從這里出發,我們把導條看成圖中的梁,把鐵心看成圖中的剛性固定板A盡管固緊著的導條在
鐵心出槽口處仍然存在一定的彈性可能,但為了使導條運轉得更加可靠,仍然將其忽視;把端環看成圖中的剛性
板B和C。這樣,鐵心、導條、端環和護環之間的關系就充分**露出來了,這實際上只不過是一個兩端剛性固定的
梁,掌握了這個****一切問題迎刃而解。

二、三大因素的可調性

   1、導條伸出鐵心長度的影響因素。根據上節分析可見,MA MB和I2成反比,PA、PB和L3成反比,所以調整1的
長短,直接影響A點B點導條的應力,如果L過短,A點B點的應力必將過大。譬如我們現有結構的L長度只有40毫米
長。通過種種運算表明,A點B點的應力如不考慮屈服影響,竟然多達4000公斤/c㎡  以上所以必須加長這一長度
L方能解決這一問題。但是這種加長必須具有一定限度,因為導條增加得太長會占據空間位置,浪費導條材料,但
更重要的是當電機加速時導條未端加速應力和導****的這一長度L成正比。因此導條增加得太長時,就要考慮導條
加速應力的影響。

    2、端環熱位移的影響因素。對于圖中的剛性板向上的移動量,第一個****的影響因素就是端環的熱位移。因
此減少端環的發熱,降低端環的溫升,具有十分的重大意議。為了達到這一目的。必須保證端環的導電面積,改
善通風散熱條件。

    3、護環緊量的影響。對于圖中的剛性板向上移動量 U 的影響,再一個最大因素就是護環的緊量。影響護環
緊量的因素有三種:

    A、靜態緊配合的過盈量的影響因素。這一過盈量理應越大越好,因為過盈量越大對于端環的徑向位移的約束
也就越大。但是大到一定的程度之后,就會對端環產生過大的壓應力。使其產生塑性變形,否則如果這一過盈量
太小或者沒有,那么它對于端環徑向位移的約束也就越小,因此端環將會產生較大的徑向位移,也就是使圖中的
U增加。給導條兩個未端的應力帶來不良的影響。

    B 、護環本身重量的影響因素。如果為了增加護環的約束力,而一味加大它的厚度,使得護環自身的重量增
加得相當多,從而造成護環自身離心力太大,由于這一離心力作用,使護環產生自身的徑向位移太大,因此相應
也是減少了對端環的約束,這實際上就是減少了護環的動態緊量。

    C 、護環采用不同材質的影響?;せ凡捎貌煌鬧?,它的彈性系數 E 值也就不一樣。如果采用非磁性合金鋼
的護環。E=2.5×106,若采用玻璃鋼的護環,E=0.7×106因此采用玻璃鋼護環比非磁性鋼護環的約束力要小。這也
就是等于減少了護環的緊量。現在把這三個因素聯合起來看,看看它們之間存在著怎樣的可調性。

    •導條伸出鐵心的長度影響因素;

    •端環的熱位移影響因素;

    •護環的緊量影響因素。

    假如我們在條件上受到某種限止,或者為了達到某種目的時,我們就可以調整它們三者之間的關系。

    A、若將導條伸出鐵心的長度因素保持不變,則應心量控制端環的發熱溫度,增加護環的約束能力。

    B、若將端環的發熱溫度因素保持不變,則應盡量增加導條的長度,伸出鐵心,增加護環的約束力、溫度。

    C、若將護環的緊量因素保持不變,則應盡量增加導條的長度

     根據這一規律,我們對導條、端環、護環的三大構成要素,就可以靈活掌握了。譬如,為了降低電機制造成
本,改善材料來源條件,我們就可以采用玻璃鋼護環。盡管它有不導熱、彈性系數 E 值低等缺點,但我們可以用
增加導條的伸出鐵心長度來改善,這樣就可以完美地使玻璃鋼護環得到應用。不過把本來就很危險的結構不經過
任何的改進,就把鋼護環改權威性玻璃鋼護環,這勢必給原結構火上加油,斷條就更加容易發生了。

     根據同樣道理尚可使護環尺寸大大地減薄,甚至薄到使導條與端環的連接處不必過多就可以應用了。正如前
面所述,導條伸出鐵心過長是不允許的。于是我們就可以把導條向鐵心內部發展,來滿足這一要求。這就是說要
把導條在鐵心槽內的槽中留有向上活動的間隙,使導條在槽中能夠自由彎曲。只要這一間隙能夠滿足端環的徑向
位移,我們甚至可以取消導條伸出鐵心的長度,使端環靠至鐵心。這樣就可以大大地縮小轉子端部的體積,大大
地減少導條的材料消耗,使得導條的伸長完全進入鐵心內部,這就是所謂的懸空導條了。

•關于懸空導條

     但是懸空導條在槽中的受力狀態是很復雜的。這里主要受著三種力。第一種力是電動機在起動過程中導條所
承受的徑向電磁力,要知道這一徑向電磁力是和轉子起動電流的平方成正比的。而起動電流在起動過程中又逐漸
減至額定電流,它的方向指向槽底,它的力波是個具有零值的近似于正弦的波形,電磁力是個很大的力。它總是
企圖把導條壓向槽底,并且隨著電動機的起動結束而減至一個衡定的常值。

     第二種力是電機動過程中的離心力,轉子導條的離心力隨電機起動過程中轉速的增加而增加,一直至電機起
動結束后變成一個穩定的常值。這一離心力的方向是指向槽口方向的。恰好和徑向電磁力方向相反,因此它和電
磁力的相互作用,使導條產生徑向振動。因為當電磁力出現零值時,離心力把導條推向槽口方向,當電磁力恢復
****值時,如能大于離心力,則電磁力又把導條壓向槽底,于是使導條產生了振動。但這種振動是有條件的。就
是說徑向電磁力的極值必須得大于離心力,而離心力又得大于電磁力的平均值,方能滿足這一條件,經過詳細證
明,電機在整個起動過程中僅僅有一個很小的區間方能滿足這一 要求條件。在這個小區間內唯有導條的振動力才
能在導條的未端發揮作用,而單獨的電磁力是發揮不了作用的,起動過程中的離心力小于起動后的穩定離心力,
所以起動過程中單獨的離心力和電磁力不必考慮,但起動后的穩定離心力必須考慮。第三種力是熱彎曲約束力。
由于擠流效應的存在,導條在電機起動過程中的電流是分布天均的,因此使導條產生熱彎曲變形,如果使變形受
到經貿約束,導條就承受一個熱彎曲約束力。本來可以使導條受熱后能夠自由彎曲而不受約束,但這是不合算的
,因為振動力、穩定離心力和約束力在時間上產生的作用力,只要保證這三種力都不超過材料的許用應力,就可
以滿足縣空導條的要求,所以應當使導條的熱彎曲變形受到一定的約束,這就是用增加熱彎曲約束力的辦法,來
降低導條的振動力和穩定的離心力。

•結論

     因為很多人對于轉子斷條的現象了解甚多,對于原因則了解甚少,本文為了幫助大家深入研究,盡量避免使
用公式和圖解,以十分淺顯易懂的道理闡述了轉子導條、端環,護環之間的相互關系。同時為了使人一看即懂,
本文用了較多的物理概念來說明,而完全沒有應用公正推導。

     通過本文的論述可以明確看出,高速大容量鼠籠型異步電動機的轉子斷條,只不過是電機轉子端部結構相互
之間關系的下限,可以通過三大因素的調整。使其脫離這一危險邊界。近而再通過調整還可以大大簡化結構,以
及采用玻璃鋼護環等等。

    本文內容所涉及的全部公式,及部份公式的推導過程,所涉及的圖表曲線和論證分析詳見參考文獻。

    參考文獻“轉子斷條的理論分析和合理結構”

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