鼠笼型电机转子笼条断裂分析研究

李彬华 孙佳和

摘 要：本文对鼠笼型电机转子笼条断裂故障进行分析，并提出预防措施，从而提高电机运行可靠性。

关键词：鼠笼型;电机;转子笼条;断裂;预防措施

中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）08-0081-02

0 引言

异步电机是火电厂运行生产中最常见的电气设备，其作用是把电动能转换为机械能，其中使用最多的便是鼠笼型电机，其具有结构简单，电机启动方便，相对体积较小，工作可靠性高，坚固耐用，同时便于维护和检修的优点，但也有转子笼条在启动或运行中容易断裂，故障较多的缺点。

本文将结合实际生产和理论依据，对鼠笼型电机转子笼条断裂的原因进行分析，并提出相应预防措施。

1概况

某发电厂皮带机电机属于鼠笼型电机，共有17台，自2004年投产以来，已发现10余台次电机转子笼条断裂故障。鼠笼型电机转子笼条断裂属于常见故障，但现阶段对于电机运行时，维护人员缺乏有效监测手段，多数是在出现问题后才发现转子笼条故障，因此笼条断裂故障对电机安全稳定运行造成一定威胁，若能有可靠有效预防的措施，可以很大程度避免了电机运行中跳闸的风险[1]。

2转子笼条断裂电机基本特征

鼠笼型电机是一种转子结构由铜条或铝条与端环焊接或铸造而成的三相异步电机，在各行各业应用非常广泛，一般高压鼠笼型电机转子采用铜条与两边端环焊接而成，优点是结构简单，维修方便，但也有转子笼条在启动或运行中容易断裂，故障较多的缺点[2]。根据实际统计并分析，转子笼条容易断裂的电机均具有以下特征之一：

（1）电机一般全压启动，启动时频繁重载启动，启动时间长。在火电厂之中，输煤系统中的皮带机电机、碎煤机电机，因运行工况需要，需经常频繁启停。（2）已经投运3年以上的鼠笼型电机。（3）转子笼条超出铁芯部分过长，超出长度一般在40mm～70mm以上，较容易发生断裂。（4）转子笼条在铁芯槽内存在一定的间隙，且间隙越大故障概率越高。（5）转子笼条与端环焊接工艺太差。（6）绝大多数情况，笼条开裂或脱焊部位出现在笼条与端环焊接部位。（7）当只有1～2根笼条轻微断裂，在电机启动或运行中，此时故障往往难以发现，当笼条断裂严重，甚至已经已经完全脱焊时，此时电机已经无法安全运行，并有以下一些故障特征：1）电机振动和噪声增大，转子笼条断裂严重时，噪声明显可见，可能伴有咯哒咯哒异响。2）电机温度异常上升，转速异常下降，转子笼条断裂严重时，绕组温度快速上升至报警或跳闸值。3）电机三相电流不平衡，并三相周期性波动不一致。4）当笼条断裂部分脱落后，造成电机扫膛。

3鼠笼型电机转子笼条断裂原因分析

鼠笼型电机转子笼条断裂主要原因分为外因与内因，内因为电机在启停和负载变化过程中，笼条处所受各种应力综合影响，加上材料受温度影响的强度变化;外因为实际需要的运行工况影响，和转子制造中加工工艺的影响，具体分析如下：

3.1电机重载启动频繁

全压重载启动时，电机启动电流理论上为电机额定电流5～7倍，且启动时间高于空载启动，这就造成转子笼条快速升温，笼条材质强度下降，若在转子笼条温度未下降至冷态并再次启动时，由于热量累积，造成材料逼近疲劳极限，加上转子端部因发热不均匀产生的径向应力，以及受感应电流产生的电磁振动应力和转子转动产生的离心力，最终受各应力作用点大都集中于笼条与端环的焊口附近，而此处正是鼠笼结构的薄弱点，每次启动便升温受力一次，且这些应力破坏作用随启动次数和温升次数累积而增大[3]。

鼠笼型电机冷态下第一次启动，笼条和端环温度一般能达到200℃～300℃，若运行操作人员未注意，在短时间内（2h内）二次启动，笼条和端环处温度就会上升到非常高的温度，尤其是焊接处机械强度会显著降低，同时在整个启动过程中笼条和端环焊接处所承受的各种应力累积达到最大值，虽然启动时间一般很短，但在这种情况下，尤其当电机负载较高或处于堵转时，转子笼条和端环焊接处温度甚至高达400℃～500℃，造成焊接处开裂或脱焊[4]。因此电机频繁重载启动，很容易导致转子笼条断裂。

3.2设计结构不合理。

针对电机需频繁启动工况时，普通设计的电机，转子笼条超出铁芯部分长度一般在40mm～70mm以上，在各种应力，尤其是热应力和电磁应力相互作用下，会使整个笼条在铁芯伸出部分产生形变，极易引起笼条断裂。同时普通设计的电机在端环尺寸设计上也偏小，强度较差，电流载流量不高，重载启动时由于端环感应电流大温度过高，造成端环处整体机械强度下降更多而容易发生变形，严重时发生断裂故障，可见重载频繁启停并不是笼条断裂的唯一原因，关键还是在笼条结构设计上是否合理。通过电机实际拆解，可以发现，鼠笼型电机中，双鼠笼的结构，因内笼伸出铁芯长度要比外笼短的多，基本没有笼条断裂的现象[5]。如图1所示。

因此电机选型时需要考虑到运行工況，合理并有针对性的选择电机。同时笼条在槽内是否安装紧密，也是重要指标之一。如果笼条在槽内存在一定的间隙，会造成笼条在槽内热传导性能不同，使笼条间温升不均匀，产生一定热应力，加上转子转动的离心力和受感应电流产生的电磁振动应力，使笼条与端环产生形变，受力最大点仍是笼条与端环焊接处[6]。若笼条在槽内嵌装紧密，则笼条上各应力可直接传递给转子铁芯，而与笼条和端环焊接处不发生力的关系。

3.3焊接工艺差

如果笼条与端环焊接质量不佳，焊接时间过长，温度过高，焊接处虚焊、焊缝内有渣，焊接时温度不符合标准，焊接附近材料因温度过高而变形，并遗留热应力，导致机械强度低。因此焊接工艺是否合格也是转子笼条是否断裂的关键因素之一。

4预防措施

4.1优化运行方式，加强巡检

根据生产需要，合理安排电机运行方式，尽量减少电机启动次数或延长电机启停间隔时间。若第一次启动不成功，按照电机运行规程规定应相隔30min后才能进行第二次启动，避免连续热启动[7]。

同时加强巡检和监测，对易发生转子笼条断裂的电机，巡检时重点关注电机振动和温度变化，发现问题及早汇报提早处理。

4.2选择合适的转子笼条结构

电机采购选型时需要考虑到运行工况，采购时因向电机厂告知电机可能遇到的运行工况，合理并有针对性的选择合适电机转子[8]。

若是已采购的电机，可选择将转子笼条更换为大尺寸或加固加粗处理。如笼条伸超出铁芯的过长部分的电机，可在两端过长部位补焊一短铜条，焊接在端环与铁芯之间，相当于加粗。

若更换笼条，更换前需检查笼条铜表面光滑平整无毛刺，不符合要求可将表面进行打磨处理。笼条安装时应使用木锤，安装要求笼条在铁芯槽内紧密配合，无松动。在焊接时，应避免对笼条直接加热，这会造成笼条过热，机械强度降低，且笼条过热变形会产生一定热应力，造成隐患。

4.3提高检修工艺

（1）因转子笼条断裂很少或轻微时，对电机运行影响很小而造成难以发现的隐患，当发现时，往往电机已经温度过高，笼条部分断裂后甩出，造成电机扫膛等严重情况，可见如果遇到转子笼条故障，应及时修复，否则会造成严重后果[9]。因此针对已出现过转子笼条断裂的电机，或具有多项电机转子笼条易断裂的电机，因根据实际情况，合理安排电机检修周期，大修时增加转子笼条检查项目，抽转子后需仔细检查每一根笼条的松紧程度，有无开裂或裂纹，特别是装复前需检查笼条在转子槽内间隙并记录数据。有经常出现转子笼条断裂，在检修时却难以发现笼条开裂或裂纹的，可以选择用敲击听音法等。（2）笼条焊接时不应使用氧焊，焊料使用银铜焊条，采用对称交叉焊法。

5结语

本文主要介绍了基于某电厂鼠笼型电机转子断裂的基本特征，对此问题进行原因分析和预防措施，给同业人员提供参考。采用相应的预防措施后，降低了电机转子故障率，保障了电机安全稳定运行。

参考文献

[1] 李银贵.高压异步电机鼠笼断条原因分析及防止措施[J].河南电力，1990（2）：33-38.

[2] 霍菲阳，李伟力，迟贺，等.不同转子结构对复合笼条转子感应电动机性能的影响[J].电机与控制学报，2015（8）：22-27.

[3] 李树带.基于转子笼条形状的异步电机设计与改造[J].轻工科技，2016（10）：42-43.

[4] 杨超，吕海新，王宇，等.银铜硬钎焊法在鼠笼式高压电机转子笼条断裂修复上的应用[J].莱钢科技，2016（2）：7-8.

[5] 刘红.双鼠笼异步电机笼条断裂分析与预防措施[J].贵州电力技术，2012（06）：7-8.

[6] 楊芳，徐鑫，沈稼丰.复合笼条转子异步电机的参数辨识[J].防爆电机，2003（01）：15-18.

[7] 李树生.复合笼条转子异步电机起动性能的研究[J].自动化技术与应用，2003（3）：36-38.

[8] 乔建军，王文元.电机转子笼条焊接工艺的研究[J].煤矿机械，2003（11）：82-83.

[9] 卢献国，赵勇.鼠笼式异步电动机断条状况和断条检测仪的研制[J].河南电力，1995（2）：28-31.