基于转子笼条形状的异步电动机设计与改造

【摘要】异步电动机广泛应用于各个领域。目前笼型异步电动机转子笼条在使用过程中经常发生断裂、断条并从转子铁芯槽中脱出等故障，致使发电机停止运行，给生产造成很大影响。对此，基于转子笼条的形状对电动机进行重新设计与改造，从而大大减少此类故障的发生，提高生产效益和安全。1前言异步电动机特别是笼型异步电动机具有结构简单、维修成本较低、运行可靠性较高等优点，因此，在日常生活、工厂设备、港口码头、油田煤矿等各个领域中应用非常广泛，担负着很重要的任务。在发电厂中，使用着各种不同电压等级、不同功率的笼型异步电动机，一旦异步电动机发生故障，将会造成发电机无法正常运行，影响电力生产，给社会生产、生活带来损失和不便。因此，笼型异步电动机是发电厂的重要辅助设备，提高笼型异步电动机的质量，维护好这些设备，让它们一直处于正常的工作状态是一项非常重要的工作，是提高生产效益和安全的关键。2异步电动机转子笼条的一般形状及在使用过程中的状况异步电动机按照转子结构分类，可分为鼠笼型和绕线型两种。绕线型异步电动机转子上具有绕线型的绕组，鼠笼型异步电动机转子上没有绕线型的绕组，而是以插入转子铁芯外圆槽内的导条与转子两端的导电环焊接成的闭合导体取代绕线型绕组。所有导条（即笼条）与两导电端环焊接在一起，如果将整个铁芯拿掉，导条与端环组成的形状就象一个鼠笼，因此叫鼠笼型异步电动机，导条称作笼条。一般鼠笼型异步电动机转子上的导条（即转子笼条）形状一般截面为长方形的条状，相应地插放此形状的导条的转子铁芯外圆上所开的槽也是截面为长方形的条状。如YKK3554-4、6.6KV、250KW异步电动机的转子笼条的截面为宽3.1mm、长38mm的长方形，这一形状的笼条和铁芯槽很容易加工，制造工艺简单，容易组装、节约导体材料、检修方便，而且笼条伸出铁芯槽外的部分较长，因此大大降低了鼠笼型异步电动机的生产成本，但这一形状笼条的机械强度不够高，在电机运行过程中容易发生断裂、断条并从铁芯槽中脱出的故障，从而导致定子电气接地故障而停止运行。某年某火力发电厂的10台6.6KV、250KW鼠笼型异步电动机先后有6台转子笼条严重断条，并且甩出转子铁芯槽外引起定子发生接地，导致电气故障而停运，造成较大范围停电事故，给电厂维修人员增加了很大的工作量和麻烦，给电厂造成了相当大的经济损失。从异步电动机的工作原理中可找出造成鼠笼型异步电动机转子笼条频繁发生断裂、断条和从铁芯槽内脱出故障的原因。3异步电动机的工作原理在说明异步电动机的工作原理前，先了解鼠笼型异步电动机的基本结构及电磁感应定律、电磁力定律等基本电磁定律。3.1基本结构鼠笼型异步电动机的主要结构与一般异步电动机的主要结构基本一致，都由定子、转子、端盖、气隙等主要部件构成。如以下三相异步电动机的主要结构及工作原理示意图1所示。图1三相异步电动机的主要结构及工作原理示意图（1） 定子。定子上有以硅钢片为材料叠压成的可构成磁路的铁芯、铁芯内圆上开有均匀且对称分布的槽，在铁芯槽内放有三相对称的导体绕组和用于固定与支撑铁芯的机座。如图2所示：（a）、（b）图为定子铁芯，其内表面开有很多槽，（c）图为嵌有绕组的定子铁芯。图2定子、（2）转子。如图3所示。从异步电动机的工作原理中可知，转子导条（即转子笼条）在电动机运行过程中将会受到笼条内的感应电流与定子旋转磁场相互作用产生的径向电磁力、转子旋转与定子旋转磁场相互作用产生旋转电磁力、转子旋转产生的离心力、感应电流和铁芯涡流产生的热量使笼条发热变软容易弯曲而产生的热弯曲挠度力等力的作用。4改造后异步电动机的转子笼条形状及在使用过程中的状况目前的鼠笼型异步电动机转子笼条在运行过程中常常发生发断裂、断条并甩出转子铁芯槽等故障的原因是：目前鼠笼型异步电动机转子笼条形状为截面为长方形的铜条，用于安装笼条的转子铁芯槽的形状相应地也加工成截面为长方形，笼条虽然大部分安装在铁芯槽内，但伸出槽外的部分仍比较长，这种状况下的笼条在电机运行过程中又同时受到径向电磁力、旋转电磁力、离心力和热弯曲挠度力等力的作用，从而导致笼条容易发生断裂、断条并从铁芯槽内甩出的故障。针对故障原因，对目前的鼠笼型异步电动机转子笼条形状进行了重新设计与改造，将长方形的转子笼条设计改造成梯形的转子笼条，相应地将安装笼条的转子铁芯槽由长方形设计改造为截面为梯形，同时增加了铁芯槽的长度以缩短笼条伸出槽外部分的长度，使笼条的机械强度得到增强。改造后的转子笼条形状的截面和铁芯槽形状的截面如图5所示。图5改造后的鼠笼型异步电动机转子笼条及铁芯槽截面示意图从上图中可知，转子上梯形铁芯槽的较宽底边靠近转子轴心，较窄的底边转子铁芯的外圆边上，即距离铁芯的轴心较远处；截面为梯形的笼条装入铁芯槽时，相应地较宽的底边靠近转子轴心，较窄的底边处在转子铁芯的外圆边上，这样，不管笼条断成几段、受到多大离心力、电磁力等力的作用，都不可能脱出铁芯槽了。截面为梯形的笼条在铁芯槽的长度增加后，其伸出槽外的部分就缩短了，因此，笼条对弯曲挠度力等力的抵抗性增强了，发生断裂、断条的情况就大大减少甚至没有了。某年某将火力发电厂输煤系统中的3台6.6KV、250KW的鼠笼型异步电动机的长方形的转子笼条及转子铁芯槽重新设计改造为梯形，投入运行1年半后，对这3台电机进行解体检查时，发现梯形转子笼条完好无损，没有任何异常迹象。于是，又对2台同类型的电动机进行同样的改造，投入运行将近2年后，对它们进行解体检查，均无任何异常情况。最后，对电厂所有同类型的电动机进行了同样的改造，所有改造后的电动机全部安全运行至今，解体检查均无任何异常情况。这些事实证明了基于转子笼条形状的异步电动机设计与改造方案是成功的。5异步电动机转子笼条形状改造后带来的效益5.1提高了电机运行效率、质量和社会效益以某电厂为例，进行转子笼条形状条改造的鼠笼型异步电动机，后投入运行至今，没有发生过转子笼条断裂、断条并甩出铁芯槽的故障，使电动机能长时间无故障地运行，从而确保发电机能长时间不间断地进行电能生产，提高了电能生产效率和供电质量，提高了社会效益。5.2大大减少了维修工作量及时间修理好一台6.6KV、250KW鼠笼型异步电动机至少花费一个月时间。对同类型电动机进行转子笼条形状改造后，电动机运行过程中转子笼条断裂、断条并甩出铁芯槽的故障再也没有发生过了，大大减少了维修工作量、维修时间。5.3减少了维修费用，降低生产成本修理一台6.6KV、250KW的鼠笼型异步电动机的笼条断裂或断条故障，需要1个月的维修时间，维修费用为510万元。如果每个月有一台6.6KV、250KW的鼠笼型异步电动机转子笼条发生断裂或断条并甩出铁芯槽的故障，每年的维修费用就要至少60120万元