關(guān)于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)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(jī)技術(shù)》2002年第7期上
高速大容量鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條常常發(fā)生斷裂，嚴(yán)重地影響電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行，甚至造成電動(dòng)機(jī)的
報(bào)廢。有關(guān)這一****問(wèn)題各國(guó)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(jiàn)，各有自己的結(jié)構(gòu)問(wèn)題
形式，有些理論甚至互相矛盾，如有的主張導(dǎo)條在槽中緊固，又有的主張導(dǎo)條在槽中懸空等等，并無(wú)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(wèn)題，提出理想的結(jié)構(gòu)形式，具有十分重大的經(jīng)濟(jì)意義。
一、兩端剛性固定的梁
我們首先假定有一根細(xì)長(zhǎng)脆性桿兩端牢固地嵌入剛性板內(nèi)，如圖所示。若桿長(zhǎng)為l1時(shí)，將剛性板B向上移動(dòng)一
個(gè)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(zhǎng)從I1延長(zhǎng)至I2，
將剛性板C向上移動(dòng)相同的一個(gè)距離u。從圖中可見(jiàn)脆性桿在A端的受力狀態(tài)則將大大改善，由此可見(jiàn)細(xì)長(zhǎng)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(dòng)的距離u的增加而增加。然而圖中所示的情形恰好是一個(gè)
兩端剛性固定的梁，當(dāng)I=I 時(shí)，它的表達(dá)式為：M A =M B =6EJ/I1 2 .u P A =P B =12EJ/I 1 3 . U
我們一切問(wèn)題都從這里出發(fā)，我們把導(dǎo)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(dǎo)條在
鐵心出槽口處仍然存在一定的彈性可能，但為了使導(dǎo)條運(yùn)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(dǎo)條、端環(huán)和護(hù)環(huán)之間的關(guān)系就充分**露出來(lái)了，這實(shí)際上只不過(guò)是一個(gè)兩端剛性固定的
梁，掌握了這個(gè)****一切問(wèn)題迎刃而解。
二、三大因素的可調(diào)性
1、導(dǎo)條伸出鐵心長(zhǎng)度的影響因素。根據(jù)上節(jié)分析可見(jiàn)，MA MB和I2成反比，PA、PB和L3成反比，所以調(diào)整1的
長(zhǎng)短，直接影響A點(diǎn)B點(diǎn)導(dǎo)條的應(yīng)力，如果L過(guò)短，A點(diǎn)B點(diǎn)的應(yīng)力必將過(guò)大。譬如我們現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的L長(zhǎng)度只有40毫米
長(zhǎng)。通過(guò)種種運(yùn)算表明，A點(diǎn)B點(diǎn)的應(yīng)力如不考慮屈服影響，竟然多達(dá)4000公斤/c㎡ 以上所以必須加長(zhǎng)這一長(zhǎng)度
L方能解決這一問(wèn)題。但是這種加長(zhǎng)必須具有一定限度，因?yàn)閷?dǎo)條增加得太長(zhǎng)會(huì)占據(jù)空間位置，浪費(fèi)導(dǎo)條材料，但
更重要的是當(dāng)電機(jī)加速時(shí)導(dǎo)條未端加速應(yīng)力和導(dǎo)****的這一長(zhǎng)度L成正比。因此導(dǎo)條增加得太長(zhǎng)時(shí)，就要考慮導(dǎo)條
加速應(yīng)力的影響。
2、端環(huán)熱位移的影響因素。對(duì)于圖中的剛性板向上的移動(dòng)量，****個(gè)****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(dá)到這一目的。必須保證端環(huán)的導(dǎo)電面積，改
善通風(fēng)散熱條件。
3、護(hù)環(huán)緊量的影響。對(duì)于圖中的剛性板向上移動(dòng)量 U 的影響，再一個(gè)****因素就是護(hù)環(huán)的緊量。影響護(hù)環(huán)
緊量的因素有三種：
A、靜態(tài)緊配合的過(guò)盈量的影響因素。這一過(guò)盈量理應(yīng)越大越好，因?yàn)檫^(guò)盈量越大對(duì)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(huì)對(duì)端環(huán)產(chǎn)生過(guò)大的壓應(yīng)力。使其產(chǎn)生塑性變形，否則如果這一過(guò)盈量
太小或者沒(méi)有，那么它對(duì)于端環(huán)徑向位移的約束也就越小，因此端環(huán)將會(huì)產(chǎn)生較大的徑向位移，也就是使圖中的
U增加。給導(dǎo)條兩個(gè)未端的應(yīng)力帶來(lái)不良的影響。
B 、護(hù)環(huán)本身重量的影響因素。如果為了增加護(hù)環(huán)的約束力，而一味加大它的厚度，使得護(hù)環(huán)自身的重量增
加得相當(dāng)多，從而造成護(hù)環(huán)自身離心力太大，由于這一離心力作用，使護(hù)環(huán)產(chǎn)生自身的徑向位移太大，因此相應(yīng)
也是減少了對(duì)端環(huán)的約束，這實(shí)際上就是減少了護(hù)環(huán)的動(dòng)態(tài)緊量。
C 、護(hù)環(huán)采用不同材質(zhì)的影響。護(hù)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(hù)環(huán)。E=2.5×106,若采用玻璃鋼的護(hù)環(huán),E=0.7×106因此采用玻璃鋼護(hù)環(huán)比非磁性鋼護(hù)環(huán)的約束力要小。這也
就是等于減少了護(hù)環(huán)的緊量。現(xiàn)在把這三個(gè)因素聯(lián)合起來(lái)看，看看它們之間存在著怎樣的可調(diào)性。
•導(dǎo)條伸出鐵心的長(zhǎng)度影響因素；
•端環(huán)的熱位移影響因素；
•護(hù)環(huán)的緊量影響因素。
假如我們?cè)跅l件上受到某種限止，或者為了達(dá)到某種目的時(shí)，我們就可以調(diào)整它們?nèi)咧g的關(guān)系。
A、若將導(dǎo)條伸出鐵心的長(zhǎng)度因素保持不變，則應(yīng)心量控制端環(huán)的發(fā)熱溫度，增加護(hù)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(yīng)盡量增加導(dǎo)條的長(zhǎng)度，伸出鐵心，增加護(hù)環(huán)的約束力、溫度。
C、若將護(hù)環(huán)的緊量因素保持不變，則應(yīng)盡量增加導(dǎo)條的長(zhǎng)度
根據(jù)這一規(guī)律，我們對(duì)導(dǎo)條、端環(huán)、護(hù)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(jī)制造成
本，改善材料來(lái)源條件，我們就可以采用玻璃鋼護(hù)環(huán)。盡管它有不導(dǎo)熱、彈性系數(shù) E 值低等缺點(diǎn)，但我們可以用
增加導(dǎo)條的伸出鐵心長(zhǎng)度來(lái)改善，這樣就可以完美地使玻璃鋼護(hù)環(huán)得到應(yīng)用。不過(guò)把本來(lái)就很危險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)不經(jīng)過(guò)
任何的改進(jìn)，就把鋼護(hù)環(huán)改權(quán)威性玻璃鋼護(hù)環(huán)，這勢(shì)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(hù)環(huán)尺寸大大地減薄，甚至薄到使導(dǎo)條與端環(huán)的連接處不必過(guò)多就可以應(yīng)用了。正如前
面所述，導(dǎo)條伸出鐵心過(guò)長(zhǎng)是不允許的。于是我們就可以把導(dǎo)條向鐵心內(nèi)部發(fā)展，來(lái)滿足這一要求。這就是說(shuō)要
把導(dǎo)條在鐵心槽內(nèi)的槽中留有向上活動(dòng)的間隙，使導(dǎo)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(dǎo)條伸出鐵心的長(zhǎng)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(dǎo)條的材料消耗，使得導(dǎo)條的伸長(zhǎng)完全進(jìn)入鐵心內(nèi)部，這就是所謂的懸空導(dǎo)條了。
•關(guān)于懸空導(dǎo)條
但是懸空導(dǎo)條在槽中的受力狀態(tài)是很復(fù)雜的。這里主要受著三種力。****種力是電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)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(dòng)電流的平方成正比的。而起動(dòng)電流在起動(dòng)過(guò)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(gè)具有零值的近似于正弦的波形，電磁力是個(gè)很大的力。它總是
企圖把導(dǎo)條壓向槽底，并且隨著電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)結(jié)束而減至一個(gè)衡定的常值。
第二種力是電機(jī)動(dòng)過(guò)程中的離心力，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的離心力隨電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速的增加而增加，一直至電機(jī)起
動(dòng)結(jié)束后變成一個(gè)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(dǎo)條產(chǎn)生徑向振動(dòng)。因?yàn)楫?dāng)電磁力出現(xiàn)零值時(shí)，離心力把導(dǎo)條推向槽口方向，當(dāng)電磁力恢復(fù)
****值時(shí)，如能大于離心力，則電磁力又把導(dǎo)條壓向槽底，于是使導(dǎo)條產(chǎn)生了振動(dòng)。但這種振動(dòng)是有條件的。就
是說(shuō)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(guò)詳細(xì)證
明，電機(jī)在整個(gè)起動(dòng)過(guò)程中僅僅有一個(gè)很小的區(qū)間方能滿足這一 要求條件。在這個(gè)小區(qū)間內(nèi)唯有導(dǎo)條的振動(dòng)力才
能在導(dǎo)條的未端發(fā)揮作用，而單獨(dú)的電磁力是發(fā)揮不了作用的，起動(dòng)過(guò)程中的離心力小于起動(dòng)后的穩(wěn)定離心力，
所以起動(dòng)過(guò)程中單獨(dú)的離心力和電磁力不必考慮，但起動(dòng)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(yīng)的存在，導(dǎo)條在電機(jī)起動(dòng)過(guò)程中的電流是分布天均的，因此使導(dǎo)條產(chǎn)生熱彎曲變形，如果使變形受
到經(jīng)貿(mào)約束，導(dǎo)條就承受一個(gè)熱彎曲約束力。本來(lái)可以使導(dǎo)條受熱后能夠自由彎曲而不受約束，但這是不合算的
，因?yàn)檎駝?dòng)力、穩(wěn)定離心力和約束力在時(shí)間上產(chǎn)生的作用力，只要保證這三種力都不超過(guò)材料的許用應(yīng)力，就可
以滿足縣空導(dǎo)條的要求，所以應(yīng)當(dāng)使導(dǎo)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(lái)
降低導(dǎo)條的振動(dòng)力和穩(wěn)定的離心力。
•結(jié)論
因?yàn)楹芏嗳藢?duì)于轉(zhuǎn)子斷條的現(xiàn)象了解甚多，對(duì)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(dǎo)條、端環(huán)，護(hù)環(huán)之間的相互關(guān)系。同時(shí)為了使人一看即懂，
本文用了較多的物理概念來(lái)說(shuō)明，而完全沒(méi)有應(yīng)用公正推導(dǎo)。
通過(guò)本文的論述可以明確看出，高速大容量鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子斷條，只不過(guò)是電機(jī)轉(zhuǎn)子端部結(jié)構(gòu)相互
之間關(guān)系的下限，可以通過(guò)三大因素的調(diào)整。使其脫離這一危險(xiǎn)邊界。近而再通過(guò)調(diào)整還可以大大簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，以
及采用玻璃鋼護(hù)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(dǎo)過(guò)程，所涉及的圖表曲線和論證分析詳見(jiàn)參考文獻(xiàn)。
參考文獻(xiàn)“轉(zhuǎn)子斷條的理論分析和合理結(jié)構(gòu)”
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