（机械工程专业论文）特型电机的修复研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 本钢集团是一家大型的钢铁企业集团，其电机设备种类繁多，设计理念各不相同， 既有国内各大电机厂制造的，又有国外知名厂家生产的，尤其特型电机修复和改造任务 量大、难点多，是设备检修维护的重点问题和难点问题。由于有些进口电机已经无法寻 求原有生产厂家的技术支持，购置新的电机成本巨大，因此必须自主研究特型电机的修 复方法。 本文分析了国内外电机检修的不同特点，在对电机修复前后的使用环境、功率要求、 性能要求、安装空间要求等指标进行分析计算的基础上，形成了电机功能修复和改造的 一系列有效方法，重点研究了甩掉中间变压器由高压直接启动电机的改造、运用电磁计 算方法对没有原始数据的国外进口大电机功能的恢复、受狭小空间约束的低容量进口电 机增容、主轧机故障损毁后的现场分析和大修等特型电机修复等关键技术。 上述几项关键技术已经在企业的实际生产中得到应用，解决了国内知名大电机厂家 无法解决的技术难题，其中的特大型直流电机现场检修方法已经被确定为企业规范，证 明了所研究的方法和技术的可行性。 关键词：电机检修；绕组；改造：规范 特型电机的修复研究 t h er e s e a r c ho fs p e c i a lt y p ee l e c t r i cm a c h i n er e p a i r i n g a b s t r a c t b e n x ii r o n & s t e e lc o l t di sal a r g ec o o p e r a t i o no fi r o n & s t e e lm a n u f a c t u r i n g t h e r e a r em a n ye l e c t r i cm a c h i n e sw h i c hh a v eg r e a tv a r i e t yt y p e sa n dd i f f e r e n td e s i g ni d e a s t h e s e e l e c t r i cm a c h i n e sa r en o to n l ym a d eb ys o m el a r g e s c a l ee l e c t r i cm a c h i n em a n u f a c t u r e r si n o u rc o u n t r y ，b u ta l s om a d eb ys o m ef a m o u sc o m p a n i e sa b r o a d e s p e c i a l l ys p e c i a lt y p ee l e c t r i c m a c h i n er e p a i ra n dt l 锄s f b 肋h a v eg e n e r o u sw o r ka n dag r e a td e a lo fd i f f i c u l t s a tt h es a m e t i m ei ti sa l l i m p o r t a n ta n dd i f f i c u l ti s s u ei ne q u i p m e n tr e p a i ra n dp r e s e r v e b e c a u s es o m e f o r e i g ne l e c t r i cm a c h i n e sh a v en o tb e e ns u p p o r t e df r o mo r i g i n a lm a n u f a c t u r e r sa n dt h e yw i l l c o s tm u c ht op u r c h a s en e wo n e s ，s ow eh a v et or e s e a r c ht h en e ww a yt or e p a i rs p e c i a lt y p e e l e c t r i cm a c h i n eb yo u r s e l f t h ep a p e ra n a l y z e st h ed i f f e r e n tc h a r a c t e r so fe l e c t r i cm a c h i n er e p a i r i n gi no u rc o u n t r y a n da b r o a d b a s e do nt h ea n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n go fs o m et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s ，s u c ha s t h ee n v i r o n m e n t ，r a t e dp o w e r ，f u n c t i o nn e e d ，i n s t a l l a t i o ns p a c ea n ds oo n ，as e r i e so f e f f e c t i v em e t h o d st oe l e c t r i cm a c h i n er e p a i ra n dt r a n s f o r ma r es u m e du p t h ea l t e r a t i o no f e l e c t r i cm a c h i n ed i r e c t l yr u n n i n gw i t h o u tt h em i d d l et r a n s f o r m e r , r e p a i r i n go ff o r e i g n l a r g e - s c a l e de l e c t r i cm a c h i n ew h i c hl o s tt h eo r i g i n a ld a t ab ys e l e c t i n gt h ep a r a m e t e r sw i t h e l e c t r i c m a g n e t i cc a l c u l a t i n g ，p o w e re n l a r g e m e n to ff o r e i g ne l e c t r i cm a c h i n el i m i t e db y m o u n t i n gs p a c e ，i n f i e l da n a l y s i sa n da c t u a lm a i n t e n a n c eo ft h et h em a i nr o l l e r e l e c t r i c m a c h i n ea r et h ek e yc o n t e n t sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h e s ek e yt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nu s e di no u rc o m p a n y ；s o m ep r o b l e m sw h i c hc a l ln o t b es o l v e db ym a n ye l e c t r i cm a c h i n em a n u f a c t u r e r sh a v eb e e no v e r c o m eb yu s i n gt h e s e t e c h n o l o g i e s t h es u p e r - l a r g ed cm a c h i n eo n - s i t er e p a i r i n gm e t h o dh a sa l r e a d yb e e nt h e e n t e r p r i s ec r i t e r i o n t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d sa n dt e c h n o l o g yh a v eb e e np r o v e d k e yw o r d s ：e l e c t r i cm a c h i n er e p a i r i n g ：w i n d i n g ：t r a n s f o r m a t i o n ：c r i t e r i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：幺誓墨筵 日期：缝堡生：! 型丝 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 盘璺釜 霉：l 磁 型年上月盟日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究的目的与意义 各种电动机因其结构简单、坚固耐用，控制简单、使用方便以及能适应于各种复杂 的工作环境而广泛应用于人类社会的生产和生活中，是一种使用量最大、覆盖面最广的 电机。在工厂中除了少数发电机外，其余的辅助动力设备几乎全部由电动机组成，如送 粉机、磨煤机、给水泵、风机等。很多其它工业领域中，绝大多数的生产设备也是依靠 电动机驱动的，如钢厂的轧钢机是由电动机驱动的，矿井提升机是依靠电动机升降的等 等。人类社会的生产和生活已经离不开电动机，它影响着人们生活的各个方面。 电动机作为工业系统的主要传动元件和执行元件，其正常工作对保证生产制造过程 的安全、高效、敏捷、优质及低耗运行意义十分重大，其故障不仅会损坏电机本身，还 将会影响整个生产系统，甚至危及人身安全，造成巨大的经济损失和恶劣的社会影响。 长期以来，针对大型电动机的各种严重故障，国外主要采取了各种成熟可靠的继电保护 措施。这些保护措施主要包括过电流保护、过电压保护、欠电压保护、差动保护、负序 保护、逆电流保护、接地保护、过速保护、振动保护、过热保护、润滑油、冷却水、风 机联锁保护等。继电保护功能已很完善，但不意味着能够预防事故的发生，它只能在事 故发生后采取行动。而且当继电保护系统动作后，电动机被突然切断而使生产流程意外 中止，仍然可能导致重大的经济损失。为了将因电动机故障造成的损失降低到最小的程 度，国外突出了对电动机的初发故障进行检测的故障诊断技术，故障诊断技术日益获得 重视与发展的原因是，随着科学技术与生产的高度发展，各种设备的工作强度不断增大， 生产效率、自动化程度越来越高。同时设备更加复杂，各部分的关联愈加密切，往往某 处微小的故障就能导致整个设备的损坏，有些则造成了灾难性的后果。例如，1 9 8 8 年2 月，我国秦岭发电厂的一台2 0 0 m w 气轮机发电机组在进行超速实验时，发生了轴系断 裂的严重事故，造成的经济损失约3 0 0 0 万元左右。这些事故不仅造成了巨大的经济损 失，而且某些事故还造成了人员伤亡。由此可见诊断技术的意义及其重要性故障诊断 技术得以重视与发展的另一重要原因是带来了巨大的经济效益。 主要表现在： ( 1 ) 配置故障诊断系统能减少事故停机率，企业能获；寻较高的收益般资比。 ( 2 ) 针对以往的定时维修体制，配置故障诊断系统可以做到根据诊断结果来确定是 否需要维修，节省了无效的维修费用。 特型电机的修复研究 可见故障诊断技术的目的是保证设计、制造出符合用户要求的设备，并保证可靠、 有效的发挥设备的功能。这包含了四点： ( 1 ) 通过性能评价为设备的设计、制造提供有用的信息和数据。 ( 2 ) 保证设备无故障，工作可靠。 ( 3 ) 保证物尽其用，让设备发挥其最大效益。 ( 4 ) 能及时地、正确地对各种异常或故障做出诊断，正确地、有针对性地加以维修， 减少维修时间，节省维修费用。 1 2 国内外的研究概况与发展趋势 1 。2 1 国外研究概况 电机维修是一门综合的技术，涉及多门学科，如现代控制理论、信号处理、模式识 别、计算机工程、人工智能、电子技术、应用数学、数理统计以及相应的应用学科。其 任务是发现故障并分离出发生故障的部位、判别故障的种类、估计故障的大小及进行评 价与决策。 如果电机的行为可以由一个动态模型来描述，那么基于其动态模型就有可能对其故 障进行检测与诊断。诊断的原理是利用观测器或滤波器对电机的状态或参数进行重构， 并构成残差序列，然后采取措施来增强残差序列中所包含的故障信息，抑锘模型误差等 非故障信息，通过对残差序列的统计分析就可以检测出故障的发生并进行诊断。 常用的基于模型的诊断方法主要有：w a l d 于1 9 4 7 年提出的序列概率比方法：p o t t e 等于1 9 7 7 年提出的等价空间法；w m s k y 等于1 9 7 4 年提出的广义似然比法；f r i e d l a n d 于1 9 7 9 年提出的极大似然比法；b e a r d 于1 9 7 1 年提出的检测滤波器法；以及一系列基 于参数估计、马尔可夫链、及多种基于观测器滤波器的诊断方法。1 1 l 可见国外故障诊断技术的目的除了尽可能保证设备安全外，她还有一个作用是能及 时地、正确地对各种异常或故障做出诊断，正确地、有针对性地加以维修，减少维修时 间，节省维修费用。这反驳了以往对于国外电机使用是一次性的，不存在维修的误区。 当然国外主要指西方发达国家电机维修并不如国内发达是由其人力成本过高决定 的，实际上它的检测手段和精度往往高于国内。 1 2 2 国内研究概况 随着我国国民经济的飞速发展，对电能的需求和应用范围日趋广泛，由前几年同西 门子等跨国公司引进技术到我国已消化、吸收并制造出了完全自主知识产权的7 0 万k w 发电机，电机制造行业得到快速发展但与此同时，电机中低端制造市场与整个电机行业 大连理工大学专业学位硕士学位论文 配套部分还很薄弱，在世界资源日趋紧张的今天，不浪费每一点资源已成为大家的共识， 而设备管理也由以往多设备品逐渐过渡到充分发挥现有设备的作用。如企业规模扩大， 原有电机容量偏低，要利用现有设备对其改造，使其适应生产规模扩大后的现实要求。 为节约能源，能否对通过二次变压器变压供电的设备改为直接由电源供电，国外新型式、 新结构、新工艺电机损坏后，我们能否打破技术壁垒进行修复都有着很强意义。 电机应用领域广，使用的场合、环境，性能要求千差万别，难免会出现这样那样的故障， 所有电机的基本原理都相同，内部都有电路、磁路、绝缘、机械和通风散热等独立而相 关的系统 任何电机就其结构而言都有定子、转子、轴承、电刷装置等，直流机还有 换向器。在使用过程中，电机的任何部位都有可能发生故障，如绝缘结构破坏、转子断 条、绕组匝间短路、轴承振动、换向器环火等，这都将降低电机运行的可靠性或导致被 迫停机。目前己有不少故障检测方法，主要是杌械式的( 如振动、冲击、噪声、转速波 动) ，机电式的( 如电流、浪涌、局部放电和漏磁等) 。另外，还有温度、油尘、空气分析 以及性能和外观检查等方法。电机是一个复杂的电磁系统，故障及其原因都很复杂，所 以，必须采取多种方法综合，进行可靠的故障诊断。 高压电机使用非常广泛，其故障次数相对较多，且一旦发生故障其影响重大，对其 进行状态监测和故障诊断，并进行检修维护具有重大意义。设备诊断技术的出现，己在 各产业部门和技术领域发展并取得了很大成效：第一，它促进了设备维修体制的变革：第 二，它延长了设备服役寿命。从工业化大生产出现至今，设备维修大致经历了三种方式： 事后维修、预防维修、状态维修或预知维修。事后维修是最早的维修方式，因当时工业 生产规模不很大，设备简单，技术水平低，且设备利用率和维修费用不是突出问题，人 们对设备故障缺乏认识，设备管理意识较淡薄，故只在设备坏了之后才进行修理：随着社 会化大生产的发展，设备的技术先进性和复杂程度有了很大提高，机器运行节奏加快， 设备故障对生产造成的影响增加，为防事故发生，维修部门便预先制订计划，定期进行 检修和更换零部件，形成定期预防维修方式。：但预防维修只能减少维修并不能杜绝维修。 必须在设备故障损毁后，采用最经济有效的办法将其恢复。由于电机内存在几个相互关 联的工作系统，故障的起因和故障的征兆往往表现出多元性，这为电机故障诊断增加了 难度，一个故障常表现出多种征兆或一个故障征兆由几个故障引起，如笼型电动机转子 断条时会出现振动加剧、定子电流摆动、转速转矩波动等征兆，而直流电机因过载、机 械振动、换向变形等原因，会造成换向恶化故障而表现为火花加大的征兆由于观念的 原因我国普遍存在对设备维修不足的问题，造成设备突发故障很多，这时设备往往会有 重大损坏。给修复带来很大难度。 特型电机的修复研究 对于铁心崩损严重的电机修复，制造厂往往采用更换铁芯的方法，但这不符合实际 情况的要求，- - n 对修理单位而言如没有铁心冲片能力则周期太长，二则成本也太高。 作者在实际工作中总结出一套硝酸腐蚀法，对于绝大多数铁芯损毁的电机都有效。 对于中型高压电机跨度很大的升压，实际运行状况证明了适当提高电机线负荷，同 时提高电机绝缘等级，并在电机首尾两匝采取加强绝缘措施，以加强抵抗浪涌电压的能 力，完全可以实现需中间变压器降压的电机去掉变压器直接起动。这样会节约大量电能。 对进口体积小容量大的电机如何进一步增容，是一个难点问题，通过实例分析计算， 实现了这一目标。通过改善电机通风条件解决了电机发热问题，使得增容得以实现。 对于使用条件发生变化的大型同步电动机，按常规做法只能报废，但通过更改转子 结构，最终满足了生产需要。既克服了极身和转轴锻成一体的结构锻造困难的问题。又 克服了组合式组装和加工较费工时运行时易松动的缺点。 超大型直流电机如何省时省力现场大修问题，关键是现场如何卷无纬带和如何进行 干燥。在某大型电机厂无法解决只能返厂返修情况下，我们却通过我们巧妙的工艺措施 将其解决。 随着我国国民经济的飞速发展，电力及用电设备需求越来越大，我国经济实力的增 强，带动了企业规模的逐渐扩大，以本钢轧钢厂为例，原精轧主电机为2 x 3 2 0 0 k w 现 已增加到2 x 4 5 0 0 k w ，而其荒轧机更是由原来7 0 0 0 k w 增至1 0 0 0 0 k w ，而与此同时新 工艺、新技术的采用，电机体积和消耗铜、铁材料却大幅下降，我国电机制造产品品种、 规格不断增加，单机容量迅速增大，技术经济指标逐步提高，感应电机1 6 0 0 0 k w ，1 6 极笼型实心磁极同步电动机。6 3 0 0 k w 、2 极笼型转子感应电机，5 5 0 0 k w 、5 0 1 0 0 转， 分可逆直流轧钢电动机等。在小型电机方面现有y 系列电机与j 0 2 相比，效率提高 0 4 1 ，体积缩小1 5 ；y 2 系列效率更是又提高o 7 。【2 j 在材料的使用上，我国已基本完成了由e 级向b 级的过渡，并且在一些环境温度高， 可靠性要求好的使用地点，大量采用f 级甚至h 级绝缘，使电机烧毁大大减少；一些采 用铝壳、铝线、玻璃钢端盖新材料的电机已得到了广泛应用。 我国积极开展电机标准化、系列化工作使电机适用性大为提高，大大增加了电机使 用广度，对应用场合比较特殊的派生系列和专用系列我国也发展很快。 对电机绕组、附加损耗、转矩、电机冷却，大型电机的端部磁场，中型永磁电机研 究，电机测试技术以及超导电技术在电机中的应用等方面展开了一系列研究也取得了不 少成果，我国电机设计分析已实现了微机化。 一4 - 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 2 3 今后的发展趋势 我们传统的检修能力和手段与我国电机制造领域的发展息息相关，这些年随着国内 电机制造水平的提高，电机修理这块新工艺、新材料的应用也越来越广泛。目前，电机 行业状况是国外制造水平设计理念都超过国内，基本上处于国内追赶研究国外这样一种 状况，但电机类产品的最大也是最有前途的市场在中国，因此利用这个条件，双方合作 制造不少新型产品，中国消化、吸收国外许多先进的设计方法与理念，迅速提高了我们 的电机制造能力，但一旦制造工艺不完善或使用中发生问题，需要恢复时，国内维修能 力不足的问题便突出的显现出来了，同电机制造消化、吸收国外先进技术一样，电机修 理也要紧紧跟上这个步伐才能使整个生产链条“制造一使用一维修再使用”完整。提 高有效修理能力，要跟上电机制造发展动态，如新结构、新工艺、新技术、新材料的 应用，二要结合维修的特点，维修工作要求，要节约成本，不是采用的材料越高级越好， 在满足生产使用前提下要求降低成本，应该尽可能利用原有部件，特别是在生产紧张， 资源短缺情况下尤为如此；二要快捷可靠，维修一大优点就是使中断的生产能够尽早恢 复，如果维修比制造周期还长，想必即使便宜也不会有太多的市场，尽可能将制造时复 杂、严格工序简明化，它注重的是恢复设备的功能，而不是一个需要充分面对市场竞争 的产品，质量、包装等全方位的都要尽可能最优，同时要求维修必须是可靠的，即修复 后必须满足用户对功能的要求，在维修国外电机或国内参照国外理念设计的电机时常常 会出现国外电机参数超过了我们的允许值，遇到此情况必须慎重分析，是否属于国外新 工艺、新材料应用使应用区域得到扩大，如果是要大胆借鉴，必要时，可采取辅助措施 确保修复成功，总结后再逐渐规范。对于理论基础无误，限于国内制造工艺水平达不到 要求而导致的设备损坏，就要结合国内情况采用，采取也许稍麻烦但更可靠的措施，毕 竟满足使用要求才是最重要的。维修除了恢复以外，还要准确分析故障产生的原因，除 了上述原因外，如果属于电机应用领域有什么特点，如现场潮湿，那么就要采取防潮措 施，如粉尘大就要加强密封，对高压电压进出线端浪涌电压大特点，要在这两匝予以加 强等等。总之，修理技术必须随着制造技术的提高不断提高，同时它还要充分利用现有 装备条件来满足恢复生产的要求，在修理过程中，要结合理论，有所突破，才能满足日 益增长的修理要求。 通过对修理技术的探讨与总结，想必有些工艺方法对于制造商也有借鉴作用，设计 人员如何在消化引进的技术同时，充分考虑国内加工工艺条件，使产品尽可能提高可靠 性，低成本，这也是一个必须重视的。总之，修理技术随着制造技术提高而提高，二者 必须有机结合，这也是经济发展的要求。 特型电机的修复研究 1 3 本钢电机维修的现状 作为一个百年历史的老企业，本钢既拥有当今国际先进水平的冷轧、转炉、高炉， 又同时有一批落后的七、八十年代引进的设备，在生产与改造任务都很繁重的情况下， 对一些无法淘汰或从经济角度上不合适的设备，常常通过技术改造使之满足改造后的生 产线需要，对一些引进的设备，突发性的故障则别无它法。只有通过突破国内传统工艺 与思路进行尽可能短时间的恢复，在这个过程中，由于国内外设计思路不同，由于损坏 严重程度不同，一些损坏非常严重的要勉强为之修复，并在修复后满足修复前的技术参 数，其难度可想而知，当然对此类型设备的修复同时意昧着一次技术禁区的突破，意味 着实践中对检修能力的提高，意味着公司所制定的技术标准、工艺规范的提升，是有着 很大的经济价值的。论文总结了作者在检修工作中实际经验，通过对在技术管理工作中 遇到的几种典型工程技术研究与解决，为今后此类问题的解决提供了样本，对几种特殊 要求电机的维修与分析，既解决了企业的一些生产难题，又使得各种参考资料中对电机 的一些参数选择的余地增大了，同时对一些电机的改造采用的新工艺、新方法也为电机 设计思路的开阔起到了作用，在检修行业中，以往我们有很多问题只能求助于鞍钢电气， 可现在通过几次大型设备检修禁区的突破在这几个领域我们已走到了前面。 1 4 电机故障的分类 按照故障发生的部位进行分类，电动机的常见故障可以分为定子故障、转子故障及 其他故障。 ( 1 ) 定子铁芯故障 异步电机定子铁芯的结构是：从铁心背部将硅钢片夹紧，固定在定子的支架上。在 定子铁芯损伤时，形成片问短路而产生环路电流，当环路电流逐渐增加到一定程度时， 引起铁芯硅钢片熔化。产生的钢水流入定子槽内，烧毁绕组的绝缘。此时定子铁芯的故 障相当严重，线圈必须更换。这种故障的早期征兆是定子出现大的环路电流、高温，同 时绝缘材料出现高温分解现象 ( 2 ) 绕组绝缘故障 绕组绝缘故障主要是由于绝缘缺陷形成的。绝缘缺陷包括主绝缘中的空洞和杂质。 由绝缘老化或孤立的绝缘缺陷引起的绝缘故障征兆是电机活动性放电量增加。 ( 3 ) 定子端部线圈故障 电机运行时，定子端部绕组在力的作用下，会发生移动现象。当支撑结构发生松弛 时，端部绕组会发生故障。在某些情况下，定子端部绕组绝缘会出现裂纹、磨损或完全 损坏。进入电机的外来异物可以直接击伤定子的端部绕组，某些碎粒可能侵入端部绕组 一6 一 大连理工大学专业学位硕士学位论文 的绝缘层，引起端部绝缘故障。这种故障现象的早期征兆是端部绕组的振动增加，并可 能出现对地放电现象。 ( 钔转子绕组故障 鼠笼式异步电动机转子故障有：转子断条、端环破裂、高阻接头，铸铝转子中有铸 造间隙和气泡；绕线式转子中的不良铜焊头等。转子发生故障的原因是转子温度过高及 作用在鼠笼端环上的离心负荷过大，在制造过程中，也可以形成转子的某些缺陷，引起 电阻过高，导致过热现象的发生，继而引起鼠笼强度降低，鼠笼条出现裂纹，此类故障 常常发生在鼠笼的端环上。当鼠笼条与转子发生相对位移，或连续的高温运行或停车可 以引起鼠笼的端环与鼠笼条变形，最终导致鼠笼的端环与鼠笼条断裂。当电机改变运行 速度时，鼠笼条会向鼠笼的端环施加制动力或加速力；若存在由于负荷变化或正常负荷 的周期变化而引起的电机速度波动，会在鼠笼的端环与鼠笼条的连接处发生高频疲劳断 裂故障；若电机启动频繁，额外的启动力可能引起绕组元件发生疲劳断裂故障，笼条发 生断裂的早期征兆是电机速度、电源电流和杂散漏磁通等出现脉动现象。 对于绕线式异步电动机，由于离心力的作用，可能造成端部绕组交叉处或连接处的 匝间短路，若集电环与绕组连接的外部电阻相间不平衡，产生的过热现象会导致转子的 绝缘绕组的绝缘迅速老化。 ( 5 ) 转子本体故障 电机转子高速运行所承受的强大离心力可能引起转子的本体故障，此类故障一般表 现为不平衡、不对中、轴弯曲、轴裂纹和偏心等。转子不平衡时，转子质量偏心，转子 产生同频率的周期性激振力，增强振动。在频谱上主要表现为同转频的频率分量幅值增 加，若不平衡超标，应该进行动平衡处理。 转子偏心分为静偏心和动偏心。最小径向气隙位置在空间固定的偏心为静偏心。当 转子中线不在转子中心和最小气隙随转子一起旋转时，出现动偏心。动偏心一般由弯曲 轴、临界转速下的机械共振或轴承磨损和位移引起。 转子偏心会引起不平衡磁拉力，从而引起振动。当整个转子温度分布不均匀而使转 子发生热弯曲时，这种现象加重，甚至能使转子与定子之间发生摩擦，最终损坏电机。 ( 6 ) 电气不平衡故障 这种故障主要是由不对称性故障( 包括匝间短路、相间短路、单相接地等) 引起的 三相电源不平衡及断相等。这些电气不平衡故障共同特征是电机定子电流迅速增大，使 电机过热，绝缘老化，使用寿命缩短，甚至烧毁电机。 ( 7 ) 轴承故障电机转子的两端由轴承支撑。对于卧式电机，常采用球轴承，轴承主 要承受径向力；对于立式电机，常采用推力轴承，轴承主要承受轴向力。轴承内圈与转 特型电机的修复研究 子高速运转，承受较大的负荷，易发生故障。这种故障的形式通常表现为磨损、点蚀和 内外圈破裂等故障。轴承故障导致振动超标，是电机的常见振动源。 1 4 1 故障机理与技术、工作环境之间的关系 制定电机的技术规范时，必须保证它的设计符合其使用条件的要求：不但要考虑电 机的用途，而且考虑工作环境以及工作的、机械的、电气的条件。 电机各种故障的产生都是与运行条件相关联的，处于不同工作环境的同类电机，会 产生不同的故障。 从机械方面看，电机可能是间歇运行或频繁启动，这会引起绕组松动、绝缘老化、 轴承磨损及振动加剧的故障。从电气方面看，各种电机都可能存在电网各种暂态过程的 影响，给电机带来缓慢扰动或快速扰动。前者可引起三相不平衡导致的故障。后者会引 起绝缘破坏等故障。 从环境方面看，电机会遇到高温污染问题，会引起绝缘劣化、性能降低，冷却器堵 塞等故障。因此在选择监测和诊断参数时，也考虑电机的运行条件的影响。 1 5 电机修复的基本原则 关于电机修复的原则，各家有着各自不同的看法，但有几个基本原则是公认的： 电机修复的第一个基本原则是：有效性。 即电机修复要能有效的恢复电机的主要使用功能。满足生产需要。这也是最重要的 功能。如果修复后电机重要功能缺少，无法满足生产要求，那么这样的修复是没有意义 的。 电机修复的第二个原则是快捷性。 即电机修复要能迅速的恢复电机的使用功能。这也是很重要的一个原则。在现代工 业中，大规模、流水线、大容量作业。对设备可靠性要求很高，一旦发生故障，要求很 快恢复生产。如果不能很快恢复，那么这样的修复是要大打折扣的。 电机修复的第三个原则是：经济性。 即电机修复要在经济上可行，要比重新订购节约材料节约资金，否则这样的修复意 义不大，除了极端的情况，很难想象如果修复比制造还贵人们还去修复。 电机修复的第四个原则是：简化性。 修复的目的是恢复设备的主要使用功能，修后的一些次要的功能的缺少，在不影响 设备的整体使用的情况下是允许的，同时不要求修后的技术参数同出厂前完全一样。如 果那样的话，效能比太低，修复也就失去7 意义。同时电机修复成本应该尽可能的低。 电机修复还有一些其它原则，这些是最重要的。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 6 本文研究的主要问题 本文主要研究了凡类问题： ( 1 ) 铁芯崩损严重电机在不换铁芯情况下如何快速恢复； ( 2 ) 电机由较低电压大幅升高电压改造问题； ( 3 ) 对于因启动时间较长，电机发热而导致启动笼断裂的电机；固有结构不合理电 机转予结构改造问题： “) 进口电机数据丢失的恢复与进口电机增容改造问题： ( 5 ) 对于超大型直流电动机的现场修复。 可以说这几方面问题代表了电机检修中很重要很核心也很困难的几个方面，其中有 的问题如5 5 0 0 k w 直流电机现场大修甚至鞍钢，省内都没有解决，我充分运用电机学， 电机设计知识又有所突破最终将其攻克，这有着很强的现实意义。而此类维修中的突破 将对电机设计提供新的思路。 特型电机的修复研究 2 维修实例 2 1 本钢氧气厂2 5 0 0 h p 电机的修复 2 1 1 电机的故障情况 2 0 0 5 年5 月，我们本钢氧气厂2 5 0 0 h p 高压异步电动机突发故障，由于保护系统失 灵未动作，致使电动机转子发生堵转，造成定子放炮，定子铁芯崩损严重，如图2 1 2 5 0 0 h p 电动机所示。按以前常规定子铁芯需换铁或定子报废。可是新劁一台电动机需5 个月时间，换铁至少要2 个月，而此台电机是本钢3 5 万立方米制氧机的主电机，担负 给钢厂供氧任务。事故发生后，本钢集团果断决定对钢厂转炉提前进行年修改造，同时 要求本钢电气公司不惜一切代价对电机进行抢修，确保1 5 日内恢复。同时要保证该电 机能使用至少1 年，直到下次年修更换为止。当时集团公司设备部部长已准备将此电机 外委恢复，只是这家国内最大电机制造商要求最短工期1 个月，工期满足不了要求，最 后只能汇报给集团老总，老总决定由我们恢复，我们经过研究，认为结合以往一些高压 电机铁心崩损的情况，再采取一些措施，可以满足检修要求，如铁心局部过热问题彻底 解决之后，对此电机计算表明，此电机匝间电机很高，但如果采取非常措施，应该能满 足生产需要。 该铁芯具体故障有：一条铁芯表面被擦伤，由于冲片同线问产生的高温，造成局部 铁芯退火，表面呈暗兰色光泽，还有一处铁芯烧损区局部铁溶化成铁铜混合状，该处铁 芯崩损，铁燕尾缺失，大家知道如果铁芯连片处不处理，则冲压片被短路，电机运转时， 磁场在此形成电流，必然片问短路感应电势会产生很大的短路电流，烧损绝缘和烧融铁 芯。最终线圈极易从此处崩损，为确定铁芯损坏严重程度，对此擦伤部位进行了铁损试 验。 2 1 2 处理措施 经计算；按1 4 0 0 0 1 3 ( 1 g = 1 0 4 r ) 设计励磁线圈匝数通电4 5 分钟后，用测温计( 光 电感应式) 测铁芯表面温度，局部温升为3 4 c ，最大与最低温差为2 4 ，按照铁芯局 部温升 2 5 ，最大温差小于1 5 ( 2 标准，必须对铁芯局部过熟进行处理。 由于确定对此定子进行大修处理，因此先对线圈起一个较好的作为样子，同时将线 规线重，接线方式等原始记录记好对线圈进彳亍了拆除。 2 1 3 处理过程 ( 1 ) 首先对短路处的铁芯进行打磨，采用手砂轮顺铁芯纹路方向，间歇打磨，因为 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 1 2 5 0 0 h p 电动机 f i g 2 12 s 0 0 h pt n o t o t 连续打磨，产生的热量容量易损伤铁芯片问位缘，将短路深度扩大。打磨后的铁芯表面 要求能初步看清铁芯纹路，采用高压气体将要处理的铁芯部分吹扫干净，用毛刷配好的 4 0 左右硝酸溶液，涂刷在铁芯短路部位，这时铁芯处有深褐色的生成物，再用一毛刷 沾清水，将生成物刷掉，反复如此进行腐蚀，直至将冲片短路毛刺烧除，呈现出清晰的 片间纹路为止。若腐蚀效果不好，可适当提高硝酸浓度。 最后用毛刷沾清水反复将腐蚀过的部位刷洗干净，用干净抹布擦净，再用暖风将处 理部位吹干，用酒精浸湿的试纸贴在腐蚀的铁芯表面上，试纸不变红，表明酸已经被冲 洗干净了，否则，还要反复进行清洗。 用9 1 6 1 硅钢片漆涂在被处理的铁芯表面，一定要尽可能上绝缘漆流入到硅钢片缝 隙中，可选择的比线圈干燥更高一些的温度1 6 0 进行干燥，时间为8 - 1 2 小时。 ( 2 ) 对于槽内一处铁芯崩损并形成铜铁混合物的区域，首先将烧损区域的线圈起出， 然后用利刃扁铲清除烧熔硅钢片上的粘结块，再用手砂轮打磨铁芯伤疤和凸凹不平的表 特型电机的修复研究 面，要将铁芯纹路磨出来，铁芯清理干净后，用专用工具( 如刀片等) 将齿部冲片一片 片地撬开，用刮刀除毛刺，再涂入硅钢片绝缘漆，对于槽内硅钢片烧结区的清除，仍用 上述硝酸溶液腐蚀法，然后冲洗干净，并将绝缘烘干，在嵌线之前要做铁损耗试验，确 定无局部过热方能嵌线，对于铁芯烧损的熔坑部分或缺齿部分，用环氧树脂、滑石粉等 的混合物填充。 ( 3 ) 对于电气线圈的修复方案如下： 铭牌数据 容量：2 5 0 0 h p ，额定电压：1 0 0 0 0 v ，额定电流1 2 2 a 转速：2 9 7 0 r p m ，绝缘等级f ，接线y ，频率5 0 h z ， 生产厂家：w e s t i n g h o u s e 有关数据 定子的槽数为7 7 - 6 0 ，每级每相的槽数= 1 0 节距y = i 2 2 ，每个线圈匝数t ：= 1 3 匝，极 距2 p = 4 ，线规5 8 x 2 3 2 ，接线2 y ，槽型尺寸如图2 2 所示： 图2 2 槽形尺寸 f i g 2 2d i m e n s i o n o ft h eg r o o v e 由于聚酰噩胺薄膜绕包扁铜线具有耐热性好，其本身耐热级为h 级可耐1 8 0 c 高温， 高温时耐电后击穿性好，耐潮性优，考虑到电机一运转就是一年不允许出现问题，要求 高可靠性，而槽形尺寸证明有空问，同时选用玻璃丝包，考虑到振动大，为增强机械性 能故用三玻璃丝包线。 为方便嵌线，线规改为2 5 x 5 6 r a m 。 ( 4 ) 匝问处理 匝问浸1 0 4 0 环氧少溶剂绝缘漆，浸漆前线圈入干燥室预热2 3 小时，要求沉浸以 不冒气泡为止。 滴漆后入干燥室加热至半固化状态时( 4 小时) 出干燥。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 匝间采用热模压以利线圈固化成型。 半迭包聚四氟保护带一层，压服胎盖尺寸为5 6 x1 3 8 m m 压服温度为1 7 5 - c 5 0 ，压服时间为2 0 分钟。 对地绝缘：采用聚酰亚胺薄膜粉云带，规格为0 1 3 2 5 m m ，半迭包1 l 层要求捻紧， 注意缠绝缘层之前要首先将拢线圈的白布带扒掉。 防晕处理：用o 0 8 m m 低阻防晕带在之母带外半迭包一层，低阻防晕带包至出铁芯 5 0 r a m 处，高阻防晕带半迭包9 0 m m 长，与低阻带搭接2 0 m m 。 由于线圈缠后，槽内空间较少，为保证线圈规矩，用聚四氟薄膜半迭包一层，作为 保护，对线圈冷压1 0 分钟。压服尺寸为1 2 5 4 3 7 r a m 。 下线在槽底垫l m m 半导体玻璃丝布防晕板，层间垫条2 m m ，槽楔的紧度用楔下防 晕板垫条调整。下层端部中间用涤玻绳绑扎，要求打蝴蝶结勒紧，铡温元件采用1 2 点 测温，选用x m t x 智能调节器，p t l 0 0 ，其它按工艺规程执行。 要求绝缘漆用1 0 4 0 环氧少溶剂绝缘漆，排潮约4 5 小时，待绕组除潮气温度降至 8 0 c 左右时，将电机竖起来进行浇漆，要求浇透，然后调过来再浇另一端。 滴漆2 0 分钟后入干燥室烘焙1 2 小时后进行第二次浇漆，浇漆后入干燥室烘焙3 0 小时出干燥，测量绝缘电阻值( 2 0 mo 合格为止) ，待电机温度降到室温时喷9 1 0 3 环 氧少溶剂干红瓷漆。 ( 5 ) 其它未说明部分按工艺规程执行。 2 2 本钢余热处3 0 0 k w 电机改造 2 2 1 改造前基本情况 本钢余热处承担着本溪市4 0 供暖任务，由于其多年来直是3 0 0 0 v ，6 0 0 0 v 高压电 机通过变压器调压后才供给电机，在同一个泵站常常并存，3 0 0 0 7 ，6 0 0 0 v ，两种电压需 要至少两台变压器，空载损耗很大，常常在供暖时浪费大量的电力，特别是这几年电费 上升的情况下更是如此。为了节约电能损耗，本钢余热处准备对这两批1 2 台电机进行 改造。 改压前铭牌数据： 型号：j s l 3 6 4额定功率：3 0 0 k w频率：5 0 h z 额定电压：3 0 0 0 v额定电流：6 9 6a 接线：y 接 绝缘等级：b 级额定转数：1 4 7 0 r p m 重量：2 0 0 0 k g 制造商：沈阳电机厂 经测绘改压前有关数据： 特型电机的修复研究 每极每相槽数q ：5 ； 定子槽数z l = 6 0 ； 节距y = l 1 3 ： 每个线圈匝数t = 8 匝； 极数2 p = 4 ： 铁芯内径：o = 4 7 5 m m ； 铁芯长度：1 w = 2 5 5 m m ； 接线形式：y ： 线规：1 7 4 8 铁芯轭高：h o , = 7 8 m ： 槽形尺寸如图2 3 所示： 图2 3 槽形尺寸 f i g 2 3d i m e n s i o no ft h eg r o o v e 2 2 2 改造原则 改压原则要保持线圈的电流密度和每匝线圈的电压基本不变。因为这样可以保持电 磁负荷基本不变，而不会影响电机的性能。 低压改高压时，由于槽内的绝缘变厚，追使导线的截面积降低。往往减小了电机容 量。为了尽量保持原有容量，在绝缘材料的选取上应选用厚度较薄但耐温等级较高的材 料；同时还要考虑结构上的影响。 2 2 3 改造前的相关数据 改造前的有关基础数据的计算如下： ( 1 ) 极距t f!堕314x04740 3 7 加： 2口4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ( 2 ) l s 极弧系数，2 p = 4 ，一般取o 6 5 o 7 2 ；这里取l # 0 6 8 ； ( 3 ) l = 0 2 4 1 m ； ( 4 ) k 铁芯压装系数，一般取0 9 1 0 9 5 ；这里取l 【c = 0 9 2 ； ( 5 ) b 。气隙磁密，取b 。= o 6 5 t ：磁通矿一三，f 上t 玩一0 0 3 8 5 w b 锎串联匝数m 一糍2 2 。k ) 1 2 妒、彳日7 k ，；s i ( a 9 0 。) ：0 9 5 职1 6 叭b 西- 0 0 5 气隙密度e - 0 , 8 6 t 定子轭部密度： 皿- 。1 8 4 l x h 1 l 。1 椒 其中t 。一一定子轭的高度为0 0 7 6 m 上一一定子铁长：0 2 5 5 m 目t 一碗b 6 两 t t 一1 街 定子齿部磁密：其中定子齿距 ! l 生。o 0 2 5 定子齿的宽度一 一1 5 一也- 0 0 1 3 m 特型电机的修复研究 2 2 4 改造后有关参数 改造后各部的磁密： 西。生：! ! ! 型。0 0 4 9 2 2 2 x k , w i 其中h 一5 7 7 3 v 因为极数槽数未交 k - 0 9 5 改造后每槽匝数一5 2 7 m 一1 6 0 b 一l 。0 8 8 t 5 工，f l 女， b r l 1 8 4 x 生h e l l 2 1 钉 b ，塑l 。1 8 t “0 9 2 b - z 2 2 5 改造前后的负荷计算 ( 1 ) 改造前的负荷 电密： | 。l 5 x 1 0 6 c m 线负荷： a 。丝4 4 9 1 0 t l 7 ” 其中，每槽导体姚一1 6 相电湖。一6 9 6 齿距f l - 0 0 2 4 8 热负荷为彳j 一2 2 4 5 1 0 8 乡， ( 2 ) 改造后的负荷能力 综合考虑匝数、绝缘要求等，取线规为1 0 6 x 3 0 。则 电密，- - 6 5 7 1 0 6 s 大连理工大学专业学位硕士学位论文 其中j ；，三2 0 蚴 v 线负荷 爿= 华= 4 3 4 x 1 0 4 f 热负荷为彳，a2 8 5 1