凸台高度评估与承载安全的方法范文

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《大电机技术杂志》2016年第4期

摘要：

转子导条端部断裂是鼠笼式电机的常见故障，前人已对断条的原因进行了大量的研究。但在电机检修阶段，如何评估导条承载的安全裕度，尚未见相关报道。作者在电机拆解过程中，发现断裂导条的顶部均存在明显的凸台，而凸台较浅的导条均未发生断裂，提示凸台高度与断条存在关联。文章建立了不同凸台高度的转子分析模型，在典型高转速2250r/min，温度由20℃升至180℃的工况下，定量分析了凸台高度与导条应力的关系。提出一种可在电机检修阶段,评估导条承载的安全裕度的新方法。

关键词：

鼠笼式电动机；导条断裂；导条凸台；有限元；应力

0引言

鼠笼式三相异步电动机广泛应用于当今社会的各个行业和领域。在铁路运输行业中，作为机车动力源的鼠笼式三相异步电动机，其断条问题是至今仍是困扰该行业的一大难题。断条现象如果不能及时发现并处理，将损坏转子铁芯结构、刮伤定子绕组，甚至导致事故发生。因此，若在电机检修过程中，能够评估导条的承载安全裕度，预防断条的产生，将具有一定的实用价值。

1断条原因分析及断条特征

通过理论研究和实践总结，科研人员目前将断条原因大体归纳为如下几个方面：（1）在电机启动过程中，导条在径向电磁力和离心力共同作用下产生受迫周期性振动，此周期性振动会导致导条与端环焊接区域形成疲劳损伤[1][2]（2）导条和端环不合理的焊接结构和不规范焊接工艺导致的缺陷[3][4]，成为断条的潜在发生点。（3）电机运行中，由于导条和端环受热不均匀，在热应力驱动下，导条和端环焊接区域产生疲劳损伤[2][5]。（4）电机启动过程中，导条中存在很大的感应电流，而导条与端环焊接区域电阻较大，因此发热严重。这将造成焊接区域材料损失和结构软化。若电机短时间内频繁启动和重载启动，可能导致断条的发生[2][3][5]。同时，亦有大量关于转子断条故障检测的研究工作见于报道[6][7]。但如何在电机服役期间评估导条承载的安全裕度,尚未见相关研究工作的报道。本文研究的鼠笼式三相异步电机在圆周相距120°三个位置，呈品字形楔紧三根导条的中部，其余导条在铁芯槽内呈自由状态。作者拆解图1.a所示发生断条的电机转子，发现了一个目前文献中尚未提及的现象。断裂导条的顶面普遍存在明显凸形台阶，如图1.b所示。观察对比楔紧导条和未楔紧的自由导条发现，楔紧导条的顶面虽然也有凸形台阶，但均较浅，未发现断条现象。断条全部都发生在未楔紧的自由导条中。自由导条的凸台高度明显大于楔紧导条，提示凸台高度与断条可能存在相关性。尽管凸台形成的原因尚待研究，下文将通过有限元模拟方法，分析凸台高度和导条承载应力水平的关系，从而探索通过凸台高度评估导条承载危险程度的方法。

2有限元模型的建立

导条与铁芯的装配关系图，如图2.a所示。在电机未转动时，导条底部与铁芯槽底部保持接触，导条顶部与铁芯槽顶部存在一间隙。合理的设计间隙既能允许导条热弯曲变形不受铁芯槽顶约束，又能在高转速时使导条顶部与铁芯槽顶部发生接触，抑制离心力导致的弯矩，改善导条的受力条件。当导条顶部出现凸台后，由于顶面的材料损失，导条顶面便嵌入铁芯槽口。需在更高转速下，导条才与铁芯槽顶面发生接触，这相当于增大了导条与铁芯槽顶部的间隙，参看图2.b。下面将应用有限元模拟手段，分析电机在高速运转和极限温升工况下，导条凸台高度分别为0mm、0.632mm、1.132mm和1.632mm时（对应导条与铁芯槽顶间隙分别为0.368mm、1mm、1.5mm和2mm），导条的凸台高度对导条应力水平的影响。本文根据某型电机转子设计图进行建模，模型包括导条、端环、铁芯、转动轴等主要部分。由于转子装配体是轴对称结构，可取其十二分之一建立轴对称模型。图3中的面1和面2为轴对称面，面3为横向对称面。有限元网格划分采用ANSYS软件中的Solid185三维8节点单元。有限元模型共包含88790个单元，117098个节点。考虑轴对称模型的特点以及电机转子的工况，在面1和面2上施加轴对称约束。面3上施加轴向位移为0的约束。模型各部件的材料参数如表1所示。转子转动时的离心力与转速直接相关，根据电机公司提供数据，该型电机在高转速工况中，2250r/min转速出现频率较多，因此有限元模型基于此转速进行分析。另外，转子通常在高温条件下工作，因此模拟中必须考虑温度效应。通常环境参考温度取20℃。转子工作时的最高温度，取电机公司依据测试数据给定的180℃。这样确定了转速和温差的最不利工况组合。

3临界凸台高度的确定及安全裕度评估

由于导条顶面的凸台是在电机运行过程中产生的，因此只有在导条与铁芯槽间隙设计合理的前提下，讨论凸台高度对承载安全的影响才有意义。按照电机设计图，文章首先计算了在设计间隙为0.368mm（即导条凸台高度为0mm），温度由20℃升至180℃时的温度应力。计算结果显示，在极限温升工况下，导条、铁芯和端环均发生膨胀，但径向膨胀效应略有不同，导条顶面与铁芯槽顶面的最小间隙缩小至0.2mm左右。尚存的间隙说明温升膨胀并未导致铁芯限制导条的弯曲变形。考虑装配公差，0.368mm的设计间隙基本合理。当转子装配体的温度由20℃升至180℃时，最大等效应力出现在导条与端环的焊接处，应力区间为22.6~25.4MPa，如图4所示。下面保持20℃至180℃的温升幅度不变，分析导条凸台高度从0mm，逐渐增加至0.632mm、1.132mm和1.632mm时，在2250r/min转速下，导条的应力分布状态和应力水平。模拟结果表明，四种工况的等效应力分布规律基本相同，但应力水平明显不同。这里仅列出凸台高度1.632mm工况下的等效应力分布图。由图4可见，转子转配体中，导条的应力明显高于端环、转动轴和铁芯。最大应力发生在导条两端与端环焊接的区域，而这正是导条断裂的位置。因此应着重分析此处应力水平与凸台高度的关联性。模拟得到的导条两端的最大等效应力以及导条与铁芯槽的接触力，列于表2，并绘制图5所示曲线。由图5可见，导条与铁芯的接触力随导条顶面凸台高度的增加而大致呈线性减小，导条端部的应力则大致呈线性增加。这是由于导条顶部出现凸台后，增大的凸台高度相当于增大了导条与铁芯槽顶部的间隙。由于设计间隙已经能够满足温升导致的导条弯曲变形，增大的间隙并无益于减小温度应力。相反，间隙增大减小了铁芯槽对离心力作用下弯曲效应的抑制作用，不仅使导条与铁芯槽的接触段长度减小，同时也减小了接触力，导致导条的弯曲应力增加。当导条凸台高度为0时（即出厂状态），导条与铁芯槽的接触力为6.57kN，导条两端的应力水平处于60.3MPa~67.7MPa区间。参照180℃时导条的屈服应力210MPa，此时导条尚有较大的安全裕度。当凸台高度为1.632mm时，导条两端的应力水平处于145MPa~162MPa区间。参考作者采用切割法测试获得的转子焊接装配残余应力，即使按照规范的焊接工艺，导条仍有约40MPa的焊接装配残余应力[8]。也就是说，当凸台高度达到1.632mm时，最大工作应力162MPa叠加焊接残余应力40MPa，已达到202MPa。对照180℃时导条的210MPa屈服应力，可以认为1.632mm就是临界凸台高度。鉴于凸台高度与导条最大应力呈大致的线性关系，在对本型号电机进行检修时，可通过测量导条顶面凸台高度的方式，评估导条的承载安全裕度。

4结论

在电机拆解过程中，发现电机断裂的导条顶部均存在较深的凸台，而凸台较浅的导条均未发生断裂，提示凸台高度与断条存在关联。文章建立了不同凸台高度的分析模型，在典型高转速2250r/min，温度由20℃升至180℃的工况下，分析对比了导条在不同凸台高度下的应力水平，发现导条端部应力随凸台高度大致呈线性增长。依据导条材料在高温下的屈服应力，结合导条、端环焊接装配的残余应力，便可通过有限元模拟确定临界凸台高度。对于不同型号的电机，由于导条铁芯设计间隙、典型高转速和最高工作温度的差异，可能会影响导条最大应力和凸台高度的关系曲线。但只要通过有限元模拟确定了临界凸台高度，便可通过测量导条顶面凸台高度，采用插值的方法评估导条的承载安全裕度。

参考文献：

[1]王常春.关于高速大容量笼型异步电机转子端部强度的探讨[J].大电机技术，1982,(3)：15-23.

[2]高明堂.鼠笼电机转子断条原因分析及测试方法探讨[J].山西电力，2007,(6):8-11.

[3]李靖宇.鼠笼异步电动机断条故障分析及处理[J].中国设备工程技术版，2011,33-34

[4]孟庆忠，常建军，胡永强，张树亭.高压鼠笼型电动机转子导条断裂的原因介析及新型防断条结构的应用[J].内蒙古电力技术，2007,25:29-30.

[5]赵英梅，王红艳.鼠笼电动机转子断条产生原因的分析测试及处理措施[J].机械管理开发，2008,23(4):55-57.

[6]沈标正.电机故障诊断技术[M].北京：机械工业出版社，1996.

[7]刘振兴，张哲，尹项根.异步电动机的状态监测与故障诊断技术综述[J].武汉科技大学学报（自然科学），2001,24(3):285-289.

[8]成志强，黄勇翔，等.预烘烤对牵引电机转子感应焊装配残余应变影响的试验评估[J].重庆理工大学学报（自然科学），2010,24（11）:30-33

作者:王凯一 成志强 王锡勇 王言聿 柳葆生 单位:西南交通大学力学与工程学院 成都中车电机有限公司