交流鼠籠式牽引電動(dòng)機(jī)兩種典型故障分析與改進(jìn)措施

王 鑫，李 廬，鄒曉璇，王丹萍

（中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，山西永濟(jì) 044502）

無(wú)論高鐵、動(dòng)車，還是城軌、地鐵，牽引均采用交流鼠籠式牽引電動(dòng)機(jī)。隨著牽引電機(jī)運(yùn)行里程數(shù)的增加，牽引電機(jī)在線運(yùn)行后暴露故障問(wèn)題也逐漸增多，其中最典型的故障是定子繞組槽口處接地和鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂。定子繞組接地故障位置規(guī)律明顯，80%集中在槽口部位。鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂部位也很有規(guī)律，主要集中在導(dǎo)條與端環(huán)焊接處。這兩種故障有3個(gè)特點(diǎn)：

（1）出現(xiàn)范圍廣，不僅在城軌、地鐵牽引電機(jī)常見(jiàn)，而且在高鐵動(dòng)車和機(jī)車牽引電機(jī)中發(fā)生的頻率更高，因?yàn)楦哞F牽引電機(jī)與城軌地鐵牽引電機(jī)相比較，運(yùn)行速度更快、工況更惡劣。

（2）社會(huì)影響大，一旦發(fā)生，電機(jī)無(wú)法工作，直接影響列車運(yùn)行，甚至影響列車正點(diǎn)率。

（3）經(jīng)濟(jì)損失大，一旦定子繞組接地，則需要更換全部繞組，鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂，則需更換全部導(dǎo)條。電機(jī)檢修部門對(duì)這兩種故障的常規(guī)處理方法是更換定子繞組、轉(zhuǎn)子更換斷裂導(dǎo)條，很少做出相應(yīng)的預(yù)防性措施，可謂治標(biāo)不治本。針對(duì)這兩種故障，在對(duì)某地鐵公司的某型國(guó)外交流鼠籠式牽引電動(dòng)機(jī)修理過(guò)程中，成功進(jìn)行了新材料應(yīng)用和工藝結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并經(jīng)過(guò)運(yùn)行驗(yàn)證，有效的修復(fù)并預(yù)防這兩類故障。

1 定子繞組槽口接地

1.1 原因分析

交流牽引電機(jī)定子繞組接地是最常見(jiàn)的故障，定子繞組的中間部分在鐵芯中段，上面壓有槽楔，密封性強(qiáng)，經(jīng)過(guò)真空壓力浸漆，一體化程度高，線圈與鐵芯不會(huì)發(fā)生相對(duì)位移產(chǎn)生摩擦，加上鐵芯中間部分沒(méi)有尖棱存在，一般不會(huì)接地。繞組的端部處于懸空狀態(tài)，與鐵芯不會(huì)直接接觸，更不會(huì)接地。定子繞組接地故障80%集中在槽口部位，如圖1所示，槽口接地主要原因有：

（1）繞組振動(dòng)，鐵芯槽口存在尖棱，在振動(dòng)的作用下，繞組與鐵芯長(zhǎng)期摩擦導(dǎo)致線圈絕緣破損，引起線圈接地。繞組振動(dòng)主要有3個(gè)原因，一是外部傳遞的振動(dòng)，機(jī)車受運(yùn)行線路坡度的影響會(huì)產(chǎn)生各種振動(dòng)，牽引電機(jī)懸掛在機(jī)車轉(zhuǎn)向架下方，必然會(huì)受到機(jī)車振動(dòng)的影響，定子繞組也隨之振動(dòng)。二是電磁力作用下的振動(dòng)，定子線圈端部主要承受線圈中的電流與漏磁通之間的作用力，會(huì)產(chǎn)生2倍于系統(tǒng)頻率的橢圓形振動(dòng)。三是電機(jī)自身機(jī)械原因引起的振動(dòng)，如軸承振動(dòng)、轉(zhuǎn)子不平衡等。

（2）線圈在鐵芯槽口拐角區(qū)存在空隙，大量導(dǎo)電性灰塵堆積，使繞組的絕緣性能下降，絕緣電阻降低，絕緣擊穿導(dǎo)致接地。

（3）線圈與槽口鐵芯尖棱存在大量電荷，電場(chǎng)比較集中，線圈銅導(dǎo)線與鐵芯尖棱會(huì)產(chǎn)生局部放電，引起絕緣的電腐蝕，使絕緣產(chǎn)生微小氣孔和針孔，長(zhǎng)時(shí)間的放電會(huì)使絕緣腐蝕孔加深，而其他部分的橋接又會(huì)使劣化規(guī)模擴(kuò)大，直到絕緣破壞。

（4）牽引電機(jī)采用強(qiáng)迫通風(fēng)對(duì)電機(jī)冷卻，冷卻空氣中的微小粉塵顆粒不斷沖擊繞組表面，導(dǎo)致繞組絕緣磨損接地。進(jìn)風(fēng)端繞組槽口損傷概率高于出風(fēng)端槽口，因?yàn)殡姍C(jī)進(jìn)風(fēng)端空氣流入，空氣中粉塵顆粒吸入電機(jī)內(nèi)部，對(duì)繞組沖擊更強(qiáng)。出風(fēng)端空氣流出，粉塵顆粒從電機(jī)內(nèi)部向外流出，沖擊程度較小，雖然牽引電機(jī)大多數(shù)在進(jìn)風(fēng)口裝有空氣過(guò)濾網(wǎng)，但只能減緩粉塵顆粒的沖擊，并不能完全避免。

1.2 定子繞組槽口接地改進(jìn)措施

圖1 定子繞組槽口接地?zé)龘p

針對(duì)定子繞組槽口頻繁接地問(wèn)題，從槽口接地的原因入手，我們采用了某種新材料，對(duì)繞組槽口空隙部位進(jìn)行灌封。

1.2.1槽口灌封的優(yōu)勢(shì)

用該種灌封材料對(duì)電機(jī)進(jìn)行槽口灌封時(shí)，兩種液體以一定比例混合到一起，初期呈液態(tài)，具有非常好的流動(dòng)性，能夠迅速流滿繞組槽口與鐵芯之間的空隙，23 h固化，固化后呈彈性的硅橡膠狀，將槽口與鐵芯之間完全密封[1]。如圖2所示。

圖2 槽口灌封結(jié)構(gòu)圖

電機(jī)槽口灌封后會(huì)在電機(jī)繞組兩端鐵芯槽口25 mm區(qū)域形成一個(gè)硅橡膠圓柱體。主要有4個(gè)作用，一是通過(guò)灌封膠使繞組與鐵芯一體化，減小繞組與鐵芯之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，減小振動(dòng)摩擦，避免繞組絕緣磨損接地。二是將線圈槽口拐角區(qū)域密封，消除空隙，使導(dǎo)電性灰塵無(wú)法進(jìn)入，消除爬電路徑。三是灌封材料良好的電氣絕緣性能夠消除線圈與鐵芯的局部放電，避免絕緣體電腐蝕。四是硅橡膠灌封時(shí)具有良好的流動(dòng)性，能夠填滿所有縫隙，固化后形成彈性硅橡膠層，將繞組伸出槽口的部分完全包裹保護(hù)，避免電機(jī)風(fēng)道空氣中夾雜的風(fēng)沙細(xì)微顆粒對(duì)繞組絕緣的直接沖擊，如圖3所示。

圖3 定子槽口改進(jìn)前后對(duì)比圖

1.2.2灌封新材料的選用及性能參數(shù)

（1）灌封新材料的選用及特性

定子繞組槽口灌封材料選用，主要考慮2個(gè)因素，一是灌封材料需具有良好的流動(dòng)性，主要灌封時(shí)能夠填充密封槽口所有縫隙，固化后有良好的彈性、絕緣性、耐高溫性、導(dǎo)熱性和介電性。二是灌封材料固化后能夠與繞組有足夠的黏接力，具有良好的彈性，保證電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行不會(huì)脫落，避免對(duì)電機(jī)造成二次傷害。

經(jīng)過(guò)不同材料的試驗(yàn)、分析對(duì)比，最終確定選用德國(guó)瓦克RTV-2硅橡膠密封系列里的ELASTOSIL?RT 607 A/B雙組份硅橡膠。

該材料是室溫交聯(lián)雙組分硅橡膠，A/B雙組分，9：1混合比，低黏度，可以澆注、涂抹或捏合，并在加入固化劑后可固化為高彈性硅橡膠，可在室溫下進(jìn)行交聯(lián)，硅橡膠固化而成的硫化膠大多可在高達(dá)200 ℃的情況下保持彈性，具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，能夠短暫承受300 ℃的高溫。在低溫領(lǐng)域，可在-50 ℃保持柔韌性，短暫承受-90 ℃的低溫。

該導(dǎo)熱性普遍良好，可用來(lái)對(duì)電子器材進(jìn)行絕緣，而不會(huì)蓄熱。在室溫條件下的透氣性比天然橡膠高出10倍。

該材料具有良好的介電性能，它既是密封膠，又是絕緣體，能夠阻斷繞組與鐵芯的放電路徑，提高繞組可靠性。

該材料具有優(yōu)異的阻燃性能。

（2）灌封新材料ELASTOSIL? RT 607 A/B雙組份硅橡膠的性能參數(shù)[2]，如表1。

1.2.3實(shí)施工藝

（1）將機(jī)座豎直放置，用白布蘸酒精擦干凈灌封區(qū)域的繞組和鐵芯表面；

（2）在繞組伸出鐵芯槽口處，粘上一圈3 mm厚聚四氟乙烯板，將鐵芯內(nèi)圈圍起來(lái)避免灌封膠流失，因?yàn)榫鬯姆蚁┌灞砻婀饣?，與灌封膠不會(huì)黏接，形成一個(gè)封閉的區(qū)域，由于槽楔略低于鐵芯，在聚四氟乙烯板與槽楔的縫隙處用硅橡膠填充泥密封。將雙組份A/B灌封膠以9：1在燒杯中充分?jǐn)嚢瑁瑪嚢杈鶆蚝蟮谷肼┒?，將漏斗?nèi)的灌封膠逐槽倒入，邊倒邊用小圓棍攪拌，便于反應(yīng)產(chǎn)生的氣體溢出，等液面與聚四氟乙烯板平齊后停止灌注，機(jī)座放置23 h，灌封膠固化后將聚四氟乙烯板拆除，灌封完成。

表1 ELASTOSIL? RT 607 A/B雙組份硅橡膠的性能參數(shù)

1.2.4實(shí)施效果

2014年對(duì)10臺(tái)該型號(hào)電機(jī)進(jìn)行槽口灌封，電機(jī)槽口接地故障率大幅降低。電機(jī)到目前為止已經(jīng)運(yùn)行5年，未出現(xiàn)一起定子繞組槽口接地故障，也未出現(xiàn)灌封膠脫落情況，定子繞組可靠性大幅提高，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期運(yùn)行考核驗(yàn)證。

2 轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂故障

2.1 故障表現(xiàn)及原因分析

轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂是交流鼠籠轉(zhuǎn)子最常見(jiàn)的故障，80%的斷裂部位在導(dǎo)條與端環(huán)焊接部位，如圖4所示。

原因分析如下：

（1）導(dǎo)條斷裂的最主要原因是導(dǎo)條伸出部分存在大量應(yīng)力集中。電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，端環(huán)和導(dǎo)條高速旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生離心力。導(dǎo)條在鐵芯內(nèi)部分由于受到鐵芯約束，鐵芯對(duì)導(dǎo)條的約束力能夠與導(dǎo)條旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力平衡，因此導(dǎo)條內(nèi)部應(yīng)力較小，而導(dǎo)條伸出鐵芯部分由于不受約束，離心力對(duì)導(dǎo)條影響最大[3]，離心力作用在導(dǎo)條和端環(huán)的焊接部位，大量應(yīng)力集中，時(shí)間長(zhǎng)導(dǎo)條容易疲勞斷裂。從故障現(xiàn)象來(lái)看，導(dǎo)條斷裂部位主要集中在導(dǎo)條伸出鐵芯部分、導(dǎo)條與端環(huán)焊接處。

圖4 導(dǎo)條與端環(huán)焊接熱影響區(qū)裂紋

（2）導(dǎo)條熱脹冷縮頻繁。交流牽引電機(jī)啟動(dòng)電流是額定電流的4～7倍。啟動(dòng)時(shí)導(dǎo)條電流最大，熱變形最大，電機(jī)啟動(dòng)以后，電流逐漸變小，導(dǎo)條熱變形逐漸變小。列車停止運(yùn)行后，電機(jī)導(dǎo)條沒(méi)有電流，熱變形最小。而牽引電機(jī)頻繁起停又加劇了這種變形，例如地鐵牽引電機(jī)，5～8 min?？恳徽?。電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，反復(fù)的熱脹冷縮使導(dǎo)條內(nèi)部逐漸疲勞產(chǎn)生裂紋。最終導(dǎo)致導(dǎo)條斷裂。

（3）導(dǎo)條與端環(huán)焊接不良。焊接面積不夠，焊料沒(méi)有均勻分布，由于導(dǎo)條端面為平面，與端環(huán)接觸后縫隙很小，阻斷了導(dǎo)條之間焊料的相互融通。

2.2 導(dǎo)條斷裂改進(jìn)措施

2.2.1導(dǎo)條伸出部分采用打無(wú)緯帶新工藝結(jié)構(gòu)[4]

從導(dǎo)條斷裂的主要原因入手進(jìn)行改進(jìn)，導(dǎo)條斷裂最主要的原因是導(dǎo)條高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，特別是導(dǎo)條伸出鐵芯的部分沒(méi)有約束，高轉(zhuǎn)速下的離心力使導(dǎo)條與端環(huán)焊接處產(chǎn)生大量應(yīng)力，長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)條疲勞斷裂，于是我們采用一種新的工藝結(jié)構(gòu)：在導(dǎo)條與端環(huán)焊接處打無(wú)緯帶的方法抵消離心力，如圖5所示。

圖5 鼠籠轉(zhuǎn)子打無(wú)緯帶防止導(dǎo)條斷裂

以該型交流牽引電機(jī)為例，導(dǎo)條與端環(huán)焊接后，我們先在端環(huán)外圓周加工一個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)的深度，大約高出導(dǎo)條1.5 mm，首先保證導(dǎo)條與端環(huán)的焊接結(jié)構(gòu)不能破壞。然后在端環(huán)和導(dǎo)條上部打無(wú)緯帶，無(wú)緯帶厚度2 mm，軸向長(zhǎng)度38 mm，分布以導(dǎo)條與端環(huán)的焊接面為邊界，導(dǎo)條側(cè)16 mm，端環(huán)側(cè)22 mm，如圖5所示，轉(zhuǎn)子改進(jìn)前后對(duì)比如圖6所示。

圖6 鼠籠轉(zhuǎn)子改進(jìn)前后對(duì)比圖

2.2.2無(wú)緯帶綁扎防止導(dǎo)條斷裂的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）無(wú)緯帶綁扎預(yù)緊力對(duì)導(dǎo)條離心力的抵消。綁扎無(wú)緯帶時(shí)對(duì)導(dǎo)條施加一定的預(yù)緊力[5]，使得導(dǎo)條在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，離心力與預(yù)緊力相互平衡，大幅減小離心力對(duì)伸出部分導(dǎo)條截面的應(yīng)力集中。

（2）無(wú)緯帶綁扎可靠性高。無(wú)緯帶的比重小，僅1.24 g/cm3，自身的離心力可以忽略不計(jì)，與導(dǎo)條加不銹鋼護(hù)環(huán)比，可以有效的避免護(hù)環(huán)離心力過(guò)大導(dǎo)致的導(dǎo)條沿旋轉(zhuǎn)方向彎曲現(xiàn)象，目前已廣泛使用的玻璃纖維網(wǎng)狀無(wú)緯帶，橫向拉開(kāi)時(shí)呈網(wǎng)狀，拉伸強(qiáng)度為560 MPa，一些特殊要求制做的無(wú)緯帶可采用高強(qiáng)度玻璃纖維，其拉伸強(qiáng)度甚至可達(dá)900 MPa，確保無(wú)緯帶不會(huì)產(chǎn)生裂紋。

2.2.3防止導(dǎo)條斷裂的其他輔助措施

（1）導(dǎo)條加工后清根由直角改圓角，減少導(dǎo)條端部伸出部分加工后應(yīng)力。直角、尖角是應(yīng)力最集中的地方，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，清根改成半徑足夠大的過(guò)渡圓角，隨著R角的增大，有效應(yīng)力集中系數(shù)迅速減小，避免疲勞裂紋，如圖7所示。

（2）導(dǎo)條兩端面由平齊改為加工齒狀，導(dǎo)條端部平齊，導(dǎo)條與端環(huán)焊接面小，阻礙焊料流通互補(bǔ)。將導(dǎo)條端部改為鋸齒槽，當(dāng)焊料溶解時(shí)，焊料可通過(guò)導(dǎo)條端部的鋸齒槽相互流通[6]，焊料分布均勻，焊接更加牢固。同時(shí)可以增加導(dǎo)條與端環(huán)的焊接面積，如圖7所示。

圖7 導(dǎo)條根部采用圓角過(guò)渡及端部開(kāi)鋸齒槽

（3）不允許焊接處導(dǎo)條與導(dǎo)條之間添加銅塞塊。有些公司為了節(jié)省焊料，在導(dǎo)條與導(dǎo)條之間添加銅塞塊，然后將導(dǎo)條、端環(huán)、塞塊感應(yīng)焊接在一起。實(shí)踐表明，添加賽塊的導(dǎo)條由于焊料減少，強(qiáng)度降低，很容易出現(xiàn)導(dǎo)條斷裂現(xiàn)象。

2.2.4實(shí)施效果

從2014年開(kāi)始，對(duì)10臺(tái)該型號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用打無(wú)緯帶工藝結(jié)構(gòu)，導(dǎo)條斷裂故障率大幅降低。電機(jī)到目前為止已經(jīng)運(yùn)行5年，未出現(xiàn)一起導(dǎo)條斷裂故障，轉(zhuǎn)子可靠性大幅提高，經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期運(yùn)行考核驗(yàn)證。

3 結(jié)束語(yǔ)

定子繞組槽口接地和鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條斷裂是交流牽引電動(dòng)機(jī)最多發(fā)的兩種典型故障，在這兩種典型故障的預(yù)防性措施方面，用德國(guó)ELASTOSIL? RT 607 A/B雙組份硅橡膠，在定子槽口灌封形成硅橡膠圓柱體密封預(yù)防槽口接地，在鼠籠轉(zhuǎn)子導(dǎo)條伸出部分打無(wú)緯帶，新的工藝結(jié)構(gòu)預(yù)防導(dǎo)條斷裂，效果良好并經(jīng)過(guò)運(yùn)行驗(yàn)證，值得在牽引電機(jī)檢修領(lǐng)域推廣和應(yīng)用，也可以供牽引電機(jī)設(shè)計(jì)人員參考，從設(shè)計(jì)源頭上杜絕問(wèn)題發(fā)生。