異步電動(dòng)機(jī)籠型繞組結(jié)構(gòu)及焊接

趙建武，劉紅偉

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州215004）

異步電動(dòng)機(jī)籠型繞組結(jié)構(gòu)及焊接

趙建武，劉紅偉

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州215004）

分析了異步電動(dòng)機(jī)籠型繞組運(yùn)行時(shí)可能產(chǎn)生的故障原因，介紹其常用結(jié)構(gòu)及其要求，著重說(shuō)明了焊接結(jié)構(gòu)籠型繞組的特點(diǎn)，導(dǎo)條及端環(huán)所用的材料，以及火焰釬焊、感應(yīng)釬焊工藝，并細(xì)致說(shuō)明了鋁鎂硅合金繞組的熔化焊工藝。

籠型繞組；導(dǎo)條；端環(huán)；釬焊；熔化焊

異步電動(dòng)機(jī)籠型轉(zhuǎn)子繞組自成閉合回路，是短路繞組，具有很大的起動(dòng)電流（約3.5－6.5倍額定電流），籠型繞組除承受熱應(yīng)力、電磁力和離心力外，還承受電機(jī)加速或制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的切向應(yīng)力在導(dǎo)條伸出槽口部分產(chǎn)生的彎矩?；\型繞組各部分發(fā)熱不均勻所引起的熱應(yīng)力使導(dǎo)條可能產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。電磁力的作用將引起導(dǎo)條在槽內(nèi)振動(dòng)而疲勞損壞。有些籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)運(yùn)行過(guò)程有時(shí)出現(xiàn)導(dǎo)條斷裂、導(dǎo)條與鐵心打火脫出、端環(huán)裂開、轉(zhuǎn)子溫升高等問(wèn)題，這些問(wèn)題與籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)及焊接質(zhì)量有直接關(guān)系。本文著重說(shuō)明焊接結(jié)構(gòu)的籠型轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及焊接方法。

1 籠型繞組結(jié)構(gòu)

異步電機(jī)的籠型轉(zhuǎn)子繞組由置于鐵心槽中的導(dǎo)條及將導(dǎo)條短接的端環(huán)組成，如圖1所示，主要有鑄鋁籠和焊接銅（或鋁）籠。導(dǎo)條形狀有圓形、矩形、梯形、特殊形狀及雙籠導(dǎo)條。主要根據(jù)電機(jī)的啟動(dòng)性能要求選定。小型電機(jī)和部分中型電機(jī)，導(dǎo)條和端環(huán)通常用純度不低于99.5%的工業(yè)純鋁鑄成一體，大型電機(jī)和部分中型電機(jī)，導(dǎo)條為紫銅、青銅、黃銅或者相同形狀的鋁或鋁合金，導(dǎo)條插入鐵心槽內(nèi)后，兩端與端環(huán)焊接成一整體。

圖1 籠型轉(zhuǎn)子

1.1 籠型繞組結(jié)構(gòu)要求

焊接的籠型繞組除承受熱應(yīng)力、電磁力和離心力外，還承受電機(jī)加速或制動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的切向應(yīng)力在導(dǎo)條伸出槽口部分產(chǎn)生的彎矩?；\型繞組各部分發(fā)熱不均勻所引起的熱應(yīng)力使導(dǎo)條可能產(chǎn)生裂紋甚至斷裂。電磁力的作用將引起導(dǎo)條在槽內(nèi)振動(dòng)面疲勞損壞。因此，籠型繞組在結(jié)構(gòu)上應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)措施[1]：

（1）盡量減小導(dǎo)條與鐵心槽壁之間的間隙，在槽口或沿槽的長(zhǎng)度分段擠壓脹緊。對(duì)大型高速電機(jī)應(yīng)在槽的全長(zhǎng)內(nèi)擠緊或用斜楔在導(dǎo)條下部楔緊。

（2）雙籠轉(zhuǎn)子的上籠端環(huán)與鐵心之間應(yīng)用適當(dāng)距離，以減小起動(dòng)時(shí)熱變形引起導(dǎo)條的彎曲應(yīng)力。

（3）導(dǎo)條和端環(huán)尺寸應(yīng)能滿足電機(jī)起動(dòng)熱容量的要求。

（4）端環(huán)的圓周速度較高時(shí)應(yīng)加護(hù)環(huán)。

對(duì)于小電機(jī)優(yōu)先采用鑄鋁轉(zhuǎn)子，其端環(huán)和風(fēng)葉是鑄成一體的。對(duì)于不值得制造鑄鋁件的小型和中型電機(jī)，一般應(yīng)用焊接鋁繞組。對(duì)于大型電機(jī)采用集膚效應(yīng)銅轉(zhuǎn)子，和對(duì)起動(dòng)困難時(shí)采用雙鼠籠。

1.2 繞組材料

對(duì)要求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較高、起動(dòng)電流較小的電機(jī)（如高轉(zhuǎn)差率電機(jī)、輥道電機(jī)等），可用電阻率較高的鋁合金；對(duì)轉(zhuǎn)子直徑較大的大中型電機(jī)或有特殊要求的電機(jī)，可用紫銅導(dǎo)條；對(duì)要求起動(dòng)性能好的電機(jī)，可用雙籠結(jié)構(gòu)，其上籠有電阻率很高的電機(jī)（如力矩電機(jī)），其導(dǎo)條和端環(huán)可用黃銅制造[2]。

1.3 典型焊接結(jié)構(gòu)籠型繞組

典型焊接結(jié)構(gòu)籠型繞組見圖2（a），其結(jié)構(gòu)目前應(yīng)用最廣泛，其端環(huán)端面加工5 mm～10 mm深環(huán)槽，導(dǎo)條垂直裝配在端環(huán)環(huán)槽中，釬料在環(huán)槽中熔化后將導(dǎo)條與端環(huán)釬焊在一起，有的在端環(huán)環(huán)槽的導(dǎo)條間增加銅墊塊，提高導(dǎo)電性能，減少釬料填充量。這種結(jié)構(gòu)籠型繞組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，加工簡(jiǎn)單，焊接難度小；（b）圖為雙籠繞組結(jié)構(gòu)，外籠為起動(dòng)籠，導(dǎo)條較細(xì)，提高電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，內(nèi)籠為工作繞組，內(nèi)外籠導(dǎo)條可徑向致分布，也可交錯(cuò)分布，內(nèi)外端環(huán)端面可平齊，也可有一定距離；（c）圖籠型繞組與端環(huán)外圓對(duì)接釬焊，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單：（d）圖端環(huán)圓周開通槽，導(dǎo)條嵌在端環(huán)通槽中，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)條與端環(huán)接觸面積大，強(qiáng)度高，但端環(huán)加工難度大，焊接要求高，適于較高速度運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)；（e）圖籠型繞組導(dǎo)條與端環(huán)材料為鋁合金，端環(huán)徑向加工坡口及半開口盲槽，導(dǎo)條兩端先加工出相應(yīng)形狀，穿入鐵心后，嵌入到端環(huán)槽中，坡口用熔化焊方法填滿，將導(dǎo)條與端環(huán)連接。圖（f）采用折彎籠條，增加籠條與端環(huán)接觸面積，提高強(qiáng)度[3]。

圖2 典型焊接結(jié)構(gòu)籠型繞組

2 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條及端環(huán)的制造

籠條由棒料制成。它通過(guò)軋制和拉伸得到公差很小的最后斷面和最大可能的硬度。制造過(guò)程包括：用鋸床或有特殊斷面的剪應(yīng)將棒料切成所需長(zhǎng)度的籠條，以便形成垂直的、無(wú)行刺的切割面，必要時(shí)用鋸、銑刀或沖加工籠條的兩端。

端環(huán)可用矩形斷面的銅材煨圓后，對(duì)口處進(jìn)行氣焊或鎢極惰性氣體保護(hù)焊。也可用銅棒材直接鍛成圓環(huán)，也還有用銅鑄成的端環(huán)（帶有鑄出的風(fēng)葉）。此后進(jìn)行機(jī)械車削籠條焊接的表面，車削出作為釬焊熔池用的環(huán)槽、銑成溝槽或鉆孔。

3 籠型轉(zhuǎn)子的焊接

異步電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條與端環(huán)的釬焊接頭既起到導(dǎo)電作用，又起到強(qiáng)度作用。接頭處面積應(yīng)足夠大，以保證在起動(dòng)、運(yùn)行情況下流過(guò)接頭的電流不會(huì)使該處過(guò)熱。籠條和端環(huán)的焊接必須保證焊透、焊牢，保持較大的過(guò)渡面，否則不僅影響繞組的機(jī)械強(qiáng)度，還會(huì)造成轉(zhuǎn)子電阻增大。銅及銅合金繞組主要采用釬焊方法，鋁合金繞組采用熔化焊方法。

3.1 釬焊

端環(huán)和導(dǎo)條裝配間隙及加熱溫是保證釬焊質(zhì)量的關(guān)鍵，其裝配間隙控制為0.1 mm～0.5 mm，接頭釬焊溫度700℃～720℃，釬焊的方法有火焰釬焊和感應(yīng)釬焊，釬料主要采用銅磷釬料或銀釬料，銅磷釬料為自釬劑釬料，焊接時(shí)不必填加釬劑，銀釬料需要填加釬劑，釬料形狀有顆粒狀、棒狀及片狀。根據(jù)繞組結(jié)構(gòu)及端環(huán)尺寸，采用分段加熱或整體加熱。圖2（a）、（b）所示結(jié)構(gòu)的籠型轉(zhuǎn)子焊接時(shí)，軸向處于垂直狀態(tài)，使用顆?；蚱瑺钼F料焊接；圖2（c）、（d）軸向處于水平狀態(tài)，使用棒狀釬料焊接；圖2（f）既可立式也可臥式焊接，使用棒狀釬料焊接。繞組裝配前，所用釬焊面清理干凈無(wú)油污，露出金屬光澤[4]。

3.1.1 火焰釬焊

火焰釬焊是較為傳統(tǒng)的焊接方式，用氧乙炔焊炬對(duì)端環(huán)及導(dǎo)條加熱。

（1）圖2（a）結(jié)構(gòu)，兩側(cè)端環(huán)用夾具夾緊，然后立放，先把φ2×2或φ3×3顆粒狀釬料預(yù)置到導(dǎo)條間的環(huán)槽中，分段釬焊時(shí)由于端環(huán)與籠條上需加熱的體積大，一般采用三把大號(hào)焊炬加熱，其中兩把加熱端環(huán)端面，待端環(huán)變?yōu)榘导t色時(shí)，釬料開始熔化合，第三把焊炬輔助加熱端環(huán)側(cè)面及導(dǎo)條，釬料熔化，使釬料與導(dǎo)條充分浸潤(rùn)形成圓角。分段焊接一次焊接3～10根導(dǎo)，然后對(duì)再挪至對(duì)稱位置焊接。根據(jù)端環(huán)直徑分多次焊接完畢?；鹧驸F焊也可整體焊，多把焊炬圓周均勻分布在端環(huán)下方，同時(shí)點(diǎn)燃，端環(huán)整體加熱至釬焊溫度，釬料熔化后，與導(dǎo)條浸潤(rùn)形成圓角?；鹧驸F焊時(shí)最下面一段鐵心用石棉環(huán)保護(hù)，以防火焰的直接作用。同時(shí)將冷卻的壓縮空氣送入最下面的和相鄰的鐵心段間的徑向通風(fēng)溝內(nèi)，以免疊片絕緣漆膜過(guò)熱。

（2）圖2（b）結(jié)構(gòu)，為雙籠繞組，先裝配焊接工作籠繞組，再裝配焊接啟動(dòng)籠繞組，焊接方法與圖1（a）相同。

（3）圖2（c）、（d）、（f）結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)一般采用分段焊接，采用兩把大號(hào)焊加熱端環(huán)，待焊處端焊達(dá)到釬焊溫度后，用棒狀釬料刮擦釬縫，釬料熔化后進(jìn)入釬縫。使熱量導(dǎo)入導(dǎo)條加速導(dǎo)條溫度上升，釬焊接頭都達(dá)到釬焊溫度后，釬料由于毛細(xì)作用，將釬縫填滿并排出釬縫中的氣體。

3.1.2 感應(yīng)釬焊

（1）感應(yīng)釬焊原理是在感應(yīng)器通以交流電，端環(huán)在交變磁場(chǎng)作用下，感應(yīng)出很強(qiáng)的電流，產(chǎn)生的電阻熱使端環(huán)達(dá)達(dá)到釬焊溫度。熱量由工件本身產(chǎn)生，加熱速度通過(guò)控制電源功率實(shí)現(xiàn)，可以使工件溫度均勻快速上升到釬焊溫度，并通過(guò)自動(dòng)控溫裝置，保持端環(huán)的加熱溫度，使釬縫能夠充分被釬料浸潤(rùn)，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)于火焰釬焊。

（2）感應(yīng)釬焊的流程與火焰釬焊相似，都是將端環(huán)加熱到釬焊溫度，釬料熔化填充環(huán)槽或釬縫的過(guò)程。圖3為感應(yīng)器與端環(huán)安裝示意圖。感應(yīng)釬焊加熱集中，不像火焰加熱面那么寬，因此不需對(duì)鐵心進(jìn)行防護(hù)，感應(yīng)加熱不會(huì)使有氧銅導(dǎo)條出現(xiàn)氫脆象。

圖3 感應(yīng)器裝配示意圖

3.2 熔化焊

鋁元素是儲(chǔ)量最多的金屬元素，具有獨(dú)特的物理化學(xué)性能。在小型電機(jī)籠型繞組制造廣泛應(yīng)用，由于在鑄造大截面端環(huán)時(shí)易出現(xiàn)氣孔、縮孔從而影響電機(jī)的性能，同時(shí)小批量生產(chǎn)時(shí)鑄鋁設(shè)備及模具昂貴，而銅條轉(zhuǎn)子用銅量很大，價(jià)格昂貴，因此使用鋁合金作為導(dǎo)條及端環(huán)，成為發(fā)展方向。鋁合金籠型轉(zhuǎn)子目前主要的焊接方法采用熔化極氬弧。

3.2.1 繞組材料

鋁合金籠型繞組材料主要是鋁鎂硅合金，導(dǎo)條鋁材冷擠壓成相應(yīng)形狀，端環(huán)經(jīng)鍛造并機(jī)加而成，鋁鎂硅合金具有良好的焊接性。

3.2.2 焊接工藝

繞組結(jié)構(gòu)見圖2（e），端環(huán)與導(dǎo)條通過(guò)坡口內(nèi)填充焊材熔焊在一起，由于坡口較深，因此填充量較大。

（1）導(dǎo)條與端環(huán)裝配好之后，夾在變位機(jī)上，使焊縫處于平焊位置，調(diào)整變位機(jī)使焊接速度達(dá)到600 mm/min左右。

（2）轉(zhuǎn)子和導(dǎo)條需全部預(yù)熱，預(yù)熱溫度至少達(dá)到100℃，焊接前的清理必須徹底，否則會(huì)有裂紋出現(xiàn)

（3）焊絲直徑：Φ1.2；焊絲型號(hào)ER5356氬氣流量：20 L/min；預(yù)熱溫度：100℃；層間溫度：100℃～120℃；電流類型：直流反接；有脈沖；焊接電流250 A～300 A，焊接電壓25 V～26 V.多層多道焊。

4 結(jié)束語(yǔ)

異步電動(dòng)機(jī)籠型繞組材料為銅及銅合金、鋁及鋁合金，小型及部分中型電機(jī)籠型繞組由純鋁一次鑄成，結(jié)構(gòu)緊湊，適合于大批量生產(chǎn)。大型電機(jī)及部份中型電機(jī)籠型繞組由銅及銅合金材質(zhì)導(dǎo)條與端環(huán)釬焊而成，導(dǎo)條與鐵心盡量設(shè)計(jì)為小的配合間隙，并配合嵌緊方式進(jìn)行固定，導(dǎo)條伸出鐵心的長(zhǎng)度要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算校核，從而保證電機(jī)轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)條不會(huì)因松動(dòng)或強(qiáng)度不足而斷裂，導(dǎo)條與端環(huán)釬焊連接試為對(duì)接式及嵌入式，釬焊方法主要有火焰釬焊、感應(yīng)釬焊兩種，感應(yīng)釬焊質(zhì)量好，是目前的發(fā)展方向。對(duì)于小批量及厚端環(huán)的高速電機(jī)籠型繞組可采用鋁合金導(dǎo)條及端環(huán)熔化焊接而成，焊接時(shí)方法采用熔化極氬弧焊，預(yù)熱后多層多道焊。異步電機(jī)籠型繞組通過(guò)合理的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及工藝保障措施才能保長(zhǎng)期可靠運(yùn)行[4]。

[1]E·維德曼，W·克倫貝格.電機(jī)結(jié)構(gòu)[M]..北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1976.

[2]龔坰.電機(jī)制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

[3]H·澤昆茨.電機(jī)繞組制造[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1984.

[4]機(jī)械工程手冊(cè)、電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).電機(jī)工程手冊(cè)電機(jī)卷[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

Cage Winding Structure and Welding of Asynchronous Motor

ZHAO Jian-wu，LIU Hong-wei
（Suzhou Thermal Power Research Institute Co.，Ltd.，Suzhou 2150042，China）

Based on the analysis of the fault may cause the asynchronous motor cage type winding operation，introduces the common structure and requirements，focuses on the characteristics of welding structure of cage type winding，bars and end rings of the materials used，and the flame brazing，induction brazing and fusion welding process，careful to say that Al Mg Si alloy winding the.

cage winding；guide bar；end ring；brazing melting welding

TM343

A

1672-545X（2017）03-0149-04

2016-12-07

趙建武（1987-）男，甘肅天水人，本科，助理工程師，從事核電設(shè)備監(jiān)理工作；劉紅偉（1983－）男，湖北丹江口人，碩士研究生，設(shè)備監(jiān)理工程師，從事核電設(shè)備監(jiān)理工作。