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关于鼠笼型异步电动机断笼条三大因素的可调性 (刊登在《大电机技术》2002年第7期上)

发布时间:2011-01-08

关于鼠笼型异步电动机断笼条三大因素的可调性

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    刊登在《大电机技术》2002年第7期上

    高速大容量鼠笼型异步电动机的转子导条常常发生断裂,严重地影响电动机的正常运行,甚至造成电动机的
报废。有关这一世界问题各国都十分予以重视,并且积极予以研究,但直至目前都是各持己见,各有自己的结构问题
形式,有些理论甚至互相矛盾,如有的主张导条在槽中紧固,又有的主张导条在槽中悬空等等,并无典型而又系
统的理论,典型而又****可靠的结构。因此解决这一理论问题,提出理想的结构形式,具有十分重大的经济意义。

一、两端刚性固定的梁

     我们首先假定有一根细长脆性杆两端牢固地嵌入刚性板内,如图所示。若杆长为l1时,将刚性板B向上移动一
个u的距离,就有可能使脆性杆在 A 板根处产生断裂。但是如果情形是这样的话。即脆性杆长从I1延长至I2,
将刚性板C向上移动相同的一个距离u。从图中可见脆性杆在A端的受力状态则将大大改善,由此可见细长脆性杆在
A端的受力状态随1的增加而改善,随B、C刚性板向上移动的距离u的增加而增加。然而图中所示的情形恰好是一个
两端刚性固定的梁,当I=I 时,它的表达式为:M A =M B =6EJ/I1 2 .u     P A =P B =12EJ/I 1 3 . U

     我们一切问题都从这里出发,我们把导条看成图中的梁,把铁心看成图中的刚性固定板A尽管固紧着的导条在
铁心出槽口处仍然存在一定的弹性可能,但为了使导条运转得更加可靠,仍然将其忽视;把端环看成图中的刚性
板B和C。这样,铁心、导条、端环和护环之间的关系就充分**露出来了,这实际上只不过是一个两端刚性固定的
梁,掌握了这个****一切问题迎刃而解。

二、三大因素的可调性

   1、导条伸出铁心长度的影响因素。根据上节分析可见,MA MB和I2成反比,PA、PB和L3成反比,所以调整1的
长短,直接影响A点B点导条的应力,如果L过短,A点B点的应力必将过大。譬如我们现有结构的L长度只有40毫米
长。通过种种运算表明,A点B点的应力如不考虑屈服影响,竟然多达4000公斤/c㎡  以上所以必须加长这一长度
L方能解决这一问题。但是这种加长必须具有一定限度,因为导条增加得太长会占据空间位置,浪费导条材料,但
更重要的是当电机加速时导条未端加速应力和导****的这一长度L成正比。因此导条增加得太长时,就要考虑导条
加速应力的影响。

    2、端环热位移的影响因素。对于图中的刚性板向上的移动量,第一个****的影响因素就是端环的热位移。因
此减少端环的发热,降低端环的温升,具有十分的重大意议。为了达到这一目的。必须保证端环的导电面积,改
善通风散热条件。

    3、护环紧量的影响。对于图中的刚性板向上移动量 U 的影响,再一个最大因素就是护环的紧量。影响护环
紧量的因素有三种:

    A、静态紧配合的过盈量的影响因素。这一过盈量理应越大越好,因为过盈量越大对于端环的径向位移的约束
也就越大。但是大到一定的程度之后,就会对端环产生过大的压应力。使其产生塑性变形,否则如果这一过盈量
太小或者没有,那么它对于端环径向位移的约束也就越小,因此端环将会产生较大的径向位移,也就是使图中的
U增加。给导条两个未端的应力带来不良的影响。

    B 、护环本身重量的影响因素。如果为了增加护环的约束力,而一味加大它的厚度,使得护环自身的重量增
加得相当多,从而造成护环自身离心力太大,由于这一离心力作用,使护环产生自身的径向位移太大,因此相应
也是减少了对端环的约束,这实际上就是减少了护环的动态紧量。

    C 、护环采用不同材质的影响。护环采用不同材质,它的弹性系数 E 值也就不一样。如果采用非磁性合金钢
的护环。E=2.5×106,若采用玻璃钢的护环,E=0.7×106因此采用玻璃钢护环比非磁性钢护环的约束力要小。这也
就是等于减少了护环的紧量。现在把这三个因素联合起来看,看看它们之间存在着怎样的可调性。

    •导条伸出铁心的长度影响因素;

    •端环的热位移影响因素;

    •护环的紧量影响因素。

    假如我们在条件上受到某种限止,或者为了达到某种目的时,我们就可以调整它们三者之间的关系。

    A、若将导条伸出铁心的长度因素保持不变,则应心量控制端环的发热温度,增加护环的约束能力。

    B、若将端环的发热温度因素保持不变,则应尽量增加导条的长度,伸出铁心,增加护环的约束力、温度。

    C、若将护环的紧量因素保持不变,则应尽量增加导条的长度

     根据这一规律,我们对导条、端环、护环的三大构成要素,就可以灵活掌握了。譬如,为了降低电机制造成
本,改善材料来源条件,我们就可以采用玻璃钢护环。尽管它有不导热、弹性系数 E 值低等缺点,但我们可以用
增加导条的伸出铁心长度来改善,这样就可以完美地使玻璃钢护环得到应用。不过把本来就很危险的结构不经过
任何的改进,就把钢护环改权威性玻璃钢护环,这势必给原结构火上加油,断条就更加容易发生了。

     根据同样道理尚可使护环尺寸大大地减薄,甚至薄到使导条与端环的连接处不必过多就可以应用了。正如前
面所述,导条伸出铁心过长是不允许的。于是我们就可以把导条向铁心内部发展,来满足这一要求。这就是说要
把导条在铁心槽内的槽中留有向上活动的间隙,使导条在槽中能够自由弯曲。只要这一间隙能够满足端环的径向
位移,我们甚至可以取消导条伸出铁心的长度,使端环靠至铁心。这样就可以大大地缩小转子端部的体积,大大
地减少导条的材料消耗,使得导条的伸长完全进入铁心内部,这就是所谓的悬空导条了。

•关于悬空导条

     但是悬空导条在槽中的受力状态是很复杂的。这里主要受着三种力。第一种力是电动机在起动过程中导条所
承受的径向电磁力,要知道这一径向电磁力是和转子起动电流的平方成正比的。而起动电流在起动过程中又逐渐
减至额定电流,它的方向指向槽底,它的力波是个具有零值的近似于正弦的波形,电磁力是个很大的力。它总是
企图把导条压向槽底,并且随着电动机的起动结束而减至一个衡定的常值。

     第二种力是电机动过程中的离心力,转子导条的离心力随电机起动过程中转速的增加而增加,一直至电机起
动结束后变成一个稳定的常值。这一离心力的方向是指向槽口方向的。恰好和径向电磁力方向相反,因此它和电
磁力的相互作用,使导条产生径向振动。因为当电磁力出现零值时,离心力把导条推向槽口方向,当电磁力恢复
****值时,如能大于离心力,则电磁力又把导条压向槽底,于是使导条产生了振动。但这种振动是有条件的。就
是说径向电磁力的极值必须得大于离心力,而离心力又得大于电磁力的平均值,方能满足这一条件,经过详细证
明,电机在整个起动过程中仅仅有一个很小的区间方能满足这一 要求条件。在这个小区间内唯有导条的振动力才
能在导条的未端发挥作用,而单独的电磁力是发挥不了作用的,起动过程中的离心力小于起动后的稳定离心力,
所以起动过程中单独的离心力和电磁力不必考虑,但起动后的稳定离心力必须考虑。第三种力是热弯曲约束力。
由于挤流效应的存在,导条在电机起动过程中的电流是分布天均的,因此使导条产生热弯曲变形,如果使变形受
到经贸约束,导条就承受一个热弯曲约束力。本来可以使导条受热后能够自由弯曲而不受约束,但这是不合算的
,因为振动力、稳定离心力和约束力在时间上产生的作用力,只要保证这三种力都不超过材料的许用应力,就可
以满足县空导条的要求,所以应当使导条的热弯曲变形受到一定的约束,这就是用增加热弯曲约束力的办法,来
降低导条的振动力和稳定的离心力。

•结论

     因为很多人对于转子断条的现象了解甚多,对于原因则了解甚少,本文为了帮助大家深入研究,尽量避免使
用公式和图解,以十分浅显易懂的道理阐述了转子导条、端环,护环之间的相互关系。同时为了使人一看即懂,
本文用了较多的物理概念来说明,而完全没有应用公正推导。

     通过本文的论述可以明确看出,高速大容量鼠笼型异步电动机的转子断条,只不过是电机转子端部结构相互
之间关系的下限,可以通过三大因素的调整。使其脱离这一危险边界。近而再通过调整还可以大大简化结构,以
及采用玻璃钢护环等等。

    本文内容所涉及的全部公式,及部份公式的推导过程,所涉及的图表曲线和论证分析详见参考文献。

    参考文献“转子断条的理论分析和合理结构”

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