關于鼠籠型異步電動機斷籠條三大因素的可調(diào)性
哈爾濱通能電氣股份有限公司 王常春
刊登在《大電機技術(shù)》2002年第7期上
高速大容量鼠籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子導條常常發(fā)生斷裂，嚴重地影響電動機的正常運行，甚至造成電動機的
報廢。有關這一****問題各國都十分予以重視，并且積極予以研究，但直至目前都是各持己見，各有自己的結(jié)構(gòu)問題
形式，有些理論甚至互相矛盾，如有的主張導條在槽中緊固，又有的主張導條在槽中懸空等等，并無典型而又系
統(tǒng)的理論，典型而又****可靠的結(jié)構(gòu)。因此解決這一理論問題，提出理想的結(jié)構(gòu)形式，具有十分重大的經(jīng)濟意義。
一、兩端剛性固定的梁
我們首先假定有一根細長脆性桿兩端牢固地嵌入剛性板內(nèi)，如圖所示。若桿長為l1時，將剛性板B向上移動一
個u的距離，就有可能使脆性桿在 A 板根處產(chǎn)生斷裂。但是如果情形是這樣的話。即脆性桿長從I1延長至I2，
將剛性板C向上移動相同的一個距離u。從圖中可見脆性桿在A端的受力狀態(tài)則將大大改善，由此可見細長脆性桿在
A端的受力狀態(tài)隨1的增加而改善，隨B、C剛性板向上移動的距離u的增加而增加。然而圖中所示的情形恰好是一個
兩端剛性固定的梁，當I=I 時，它的表達式為：M A =M B =6EJ/I1 2 .u P A =P B =12EJ/I 1 3 . U
我們一切問題都從這里出發(fā)，我們把導條看成圖中的梁，把鐵心看成圖中的剛性固定板A盡管固緊著的導條在
鐵心出槽口處仍然存在一定的彈性可能，但為了使導條運轉(zhuǎn)得更加可靠，仍然將其忽視；把端環(huán)看成圖中的剛性
板B和C。這樣，鐵心、導條、端環(huán)和護環(huán)之間的關系就充分**露出來了，這實際上只不過是一個兩端剛性固定的
梁，掌握了這個****一切問題迎刃而解。
二、三大因素的可調(diào)性
1、導條伸出鐵心長度的影響因素。根據(jù)上節(jié)分析可見，MA MB和I2成反比，PA、PB和L3成反比，所以調(diào)整1的
長短，直接影響A點B點導條的應力，如果L過短，A點B點的應力必將過大。譬如我們現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的L長度只有40毫米
長。通過種種運算表明，A點B點的應力如不考慮屈服影響，竟然多達4000公斤/c㎡ 以上所以必須加長這一長度
L方能解決這一問題。但是這種加長必須具有一定限度，因為導條增加得太長會占據(jù)空間位置，浪費導條材料，但
更重要的是當電機加速時導條未端加速應力和導****的這一長度L成正比。因此導條增加得太長時，就要考慮導條
加速應力的影響。
2、端環(huán)熱位移的影響因素。對于圖中的剛性板向上的移動量，****個****的影響因素就是端環(huán)的熱位移。因
此減少端環(huán)的發(fā)熱，降低端環(huán)的溫升，具有十分的重大意議。為了達到這一目的。必須保證端環(huán)的導電面積，改
善通風散熱條件。
3、護環(huán)緊量的影響。對于圖中的剛性板向上移動量 U 的影響，再一個****因素就是護環(huán)的緊量。影響護環(huán)
緊量的因素有三種：
A、靜態(tài)緊配合的過盈量的影響因素。這一過盈量理應越大越好，因為過盈量越大對于端環(huán)的徑向位移的約束
也就越大。但是大到一定的程度之后，就會對端環(huán)產(chǎn)生過大的壓應力。使其產(chǎn)生塑性變形，否則如果這一過盈量
太小或者沒有，那么它對于端環(huán)徑向位移的約束也就越小，因此端環(huán)將會產(chǎn)生較大的徑向位移，也就是使圖中的
U增加。給導條兩個未端的應力帶來不良的影響。
B 、護環(huán)本身重量的影響因素。如果為了增加護環(huán)的約束力，而一味加大它的厚度，使得護環(huán)自身的重量增
加得相當多，從而造成護環(huán)自身離心力太大，由于這一離心力作用，使護環(huán)產(chǎn)生自身的徑向位移太大，因此相應
也是減少了對端環(huán)的約束，這實際上就是減少了護環(huán)的動態(tài)緊量。
C 、護環(huán)采用不同材質(zhì)的影響。護環(huán)采用不同材質(zhì)，它的彈性系數(shù) E 值也就不一樣。如果采用非磁性合金鋼
的護環(huán)。E=2.5×106,若采用玻璃鋼的護環(huán),E=0.7×106因此采用玻璃鋼護環(huán)比非磁性鋼護環(huán)的約束力要小。這也
就是等于減少了護環(huán)的緊量�，F(xiàn)在把這三個因素聯(lián)合起來看，看看它們之間存在著怎樣的可調(diào)性。
•導條伸出鐵心的長度影響因素；
•端環(huán)的熱位移影響因素；
•護環(huán)的緊量影響因素。
假如我們在條件上受到某種限止，或者為了達到某種目的時，我們就可以調(diào)整它們?nèi)咧g的關系。
A、若將導條伸出鐵心的長度因素保持不變，則應心量控制端環(huán)的發(fā)熱溫度，增加護環(huán)的約束能力。
B、若將端環(huán)的發(fā)熱溫度因素保持不變，則應盡量增加導條的長度，伸出鐵心，增加護環(huán)的約束力、溫度。
C、若將護環(huán)的緊量因素保持不變，則應盡量增加導條的長度
根據(jù)這一規(guī)律，我們對導條、端環(huán)、護環(huán)的三大構(gòu)成要素，就可以靈活掌握了。譬如，為了降低電機制造成
本，改善材料來源條件，我們就可以采用玻璃鋼護環(huán)。盡管它有不導熱、彈性系數(shù) E 值低等缺點，但我們可以用
增加導條的伸出鐵心長度來改善，這樣就可以完美地使玻璃鋼護環(huán)得到應用。不過把本來就很危險的結(jié)構(gòu)不經(jīng)過
任何的改進，就把鋼護環(huán)改權(quán)威性玻璃鋼護環(huán)，這勢必給原結(jié)構(gòu)火上加油，斷條就更加容易發(fā)生了。
根據(jù)同樣道理尚可使護環(huán)尺寸大大地減薄，甚至薄到使導條與端環(huán)的連接處不必過多就可以應用了。正如前
面所述，導條伸出鐵心過長是不允許的。于是我們就可以把導條向鐵心內(nèi)部發(fā)展，來滿足這一要求。這就是說要
把導條在鐵心槽內(nèi)的槽中留有向上活動的間隙，使導條在槽中能夠自由彎曲。只要這一間隙能夠滿足端環(huán)的徑向
位移，我們甚至可以取消導條伸出鐵心的長度，使端環(huán)靠至鐵心。這樣就可以大大地縮小轉(zhuǎn)子端部的體積，大大
地減少導條的材料消耗，使得導條的伸長完全進入鐵心內(nèi)部，這就是所謂的懸空導條了。
•關于懸空導條
但是懸空導條在槽中的受力狀態(tài)是很復雜的。這里主要受著三種力。****種力是電動機在起動過程中導條所
承受的徑向電磁力，要知道這一徑向電磁力是和轉(zhuǎn)子起動電流的平方成正比的。而起動電流在起動過程中又逐漸
減至額定電流，它的方向指向槽底，它的力波是個具有零值的近似于正弦的波形，電磁力是個很大的力。它總是
企圖把導條壓向槽底，并且隨著電動機的起動結(jié)束而減至一個衡定的常值。
第二種力是電機動過程中的離心力，轉(zhuǎn)子導條的離心力隨電機起動過程中轉(zhuǎn)速的增加而增加，一直至電機起
動結(jié)束后變成一個穩(wěn)定的常值。這一離心力的方向是指向槽口方向的。恰好和徑向電磁力方向相反，因此它和電
磁力的相互作用，使導條產(chǎn)生徑向振動。因為當電磁力出現(xiàn)零值時，離心力把導條推向槽口方向，當電磁力恢復
****值時，如能大于離心力，則電磁力又把導條壓向槽底，于是使導條產(chǎn)生了振動。但這種振動是有條件的。就
是說徑向電磁力的極值必須得大于離心力，而離心力又得大于電磁力的平均值，方能滿足這一條件，經(jīng)過詳細證
明，電機在整個起動過程中僅僅有一個很小的區(qū)間方能滿足這一 要求條件。在這個小區(qū)間內(nèi)唯有導條的振動力才
能在導條的未端發(fā)揮作用，而單獨的電磁力是發(fā)揮不了作用的，起動過程中的離心力小于起動后的穩(wěn)定離心力，
所以起動過程中單獨的離心力和電磁力不必考慮，但起動后的穩(wěn)定離心力必須考慮。第三種力是熱彎曲約束力。
由于擠流效應的存在，導條在電機起動過程中的電流是分布天均的，因此使導條產(chǎn)生熱彎曲變形，如果使變形受
到經(jīng)貿(mào)約束，導條就承受一個熱彎曲約束力。本來可以使導條受熱后能夠自由彎曲而不受約束，但這是不合算的
，因為振動力、穩(wěn)定離心力和約束力在時間上產(chǎn)生的作用力，只要保證這三種力都不超過材料的許用應力，就可
以滿足縣空導條的要求，所以應當使導條的熱彎曲變形受到一定的約束，這就是用增加熱彎曲約束力的辦法，來
降低導條的振動力和穩(wěn)定的離心力。
•結(jié)論
因為很多人對于轉(zhuǎn)子斷條的現(xiàn)象了解甚多，對于原因則了解甚少，本文為了幫助大家深入研究，盡量避免使
用公式和圖解，以十分淺顯易懂的道理闡述了轉(zhuǎn)子導條、端環(huán)，護環(huán)之間的相互關系。同時為了使人一看即懂，
本文用了較多的物理概念來說明，而完全沒有應用公正推導。
通過本文的論述可以明確看出，高速大容量鼠籠型異步電動機的轉(zhuǎn)子斷條，只不過是電機轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)相互
之間關系的下限，可以通過三大因素的調(diào)整。使其脫離這一危險邊界。近而再通過調(diào)整還可以大大簡化結(jié)構(gòu)，以
及采用玻璃鋼護環(huán)等等。
本文內(nèi)容所涉及的全部公式，及部份公式的推導過程，所涉及的圖表曲線和論證分析詳見參考文獻。
參考文獻“轉(zhuǎn)子斷條的理論分析和合理結(jié)構(gòu)”
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