哈尔滨电气动力装备有限公司 150066
摘要：本文介绍了一种异步电动机转子鼠笼绕组结构设计，重点阐述了异步电动机转子鼠笼结构的设计方法和理念，结合理论分析，通过异步电动机鼠笼绕组制造实例，验证了异步电机鼠笼转子的结构功能，实现了验证异步鼠笼电机鼠笼转子运行安全性和稳定性的目标。该理论的分析和应用对异步电动机鼠笼转子运行可靠性具有实际意义。
关键词：异步电动机；鼠笼；蠕变；疲劳
一、背景技术
目前，异步电机中转子鼠笼结构采用两端带有坡口的硬铜母线为转子铜条，采用紫铜锻件加工转子联接环，在转子联接环上加工一个比转子铜条略宽的一个环形凹槽，将转子铜条伸到凹槽内进行焊接。传统的焊接形式容易浪费焊料，在整个凹槽内施焊不能保证每根铜条和端环联接处焊缝上的气孔、夹渣等焊接质量。本文中的异步电动机转子鼠笼绕组结构，包括转子铜条、转子联接环、转子弹簧销和转子保持环，转子铜条沿铁心轴向嵌入转子铁心槽内，转子两端的转子铜条用铜银合金钎焊以保持其导电性，将保持环热套在转子联接环的外圆来控制其径向膨胀。热套转子保持环后，在外圆周加工销孔，安装转子弹簧销以加强鼠笼转子的稳定性,同时能抵消转子铜条和转子端环在高温高压运行环境中的蠕变。
异步电动机转子鼠笼绕组设计时，考虑的质量、温升、蠕变及疲劳效应在传统的异步电动机转子绕组设计时考虑甚少。由于异步电动机转子与泵叶轮共用一根轴，并置于高温、高压的反应堆冷却剂中，并需要达其设计寿命，综合考虑质量、温升、蠕变及疲劳效应等因素，为了保证电动机转子鼠笼绕组的使用寿命并控制其在高温、高压的反应堆冷却剂中的径向膨胀，在转子联接环外圆上热套一个转子保持环，并在保持环外圆周安装弹簧销以加强其稳定性。
二、工作原理
本文设计并制造一种异步电动机转子鼠笼绕组结构。根据异步电机设计的转子铁心尺寸及其受力条件。转子鼠笼绕组设计为在转子保持环外圆周上安装弹簧销，在转子鼠笼上带转子保持环结构，并通过热套配合在转子联接环的外圆上，以控制转子联接环及转子铜条在电机运行中转子转动和高温、高压反应堆冷却剂水作用下引起的径向膨胀和运行稳定性。
三、技术优点
异步电动机转子鼠笼绕组是将转子铜条和转子联接环焊接在一起，在装置连接环圆周安装弹簧销以加强其稳定性。在转子鼠笼绕组结构中应用耐蠕变的银铜合金和联接环。对鼠笼绕组进行热分析、结构分析以及蠕变分析以确保其使用寿命。
鼠笼绕组结构是转子铁心装配形式中的一种，结构包含转子铜条、转子联接环、弹簧销、转子保持环。转子装配存在于反应堆冷却剂泵压力边界的内部，其部件为ANS的SC-3安全级别，并没有采用ASME规范。转子铁心装配的单件基本分为两类，即安全相关部件和非安全相关部件。转子轴、转子护环、压板和铁心被视为安全相关部件。压板键、转子联接环、转子保持环和转子铜条及转子异步套被视为非安全相关部件。为了保证电动机转子鼠笼绕组的使用寿命并控制其在高温、高压的反应堆冷却剂中的径向膨胀，在热套一个转子保持环并在转子保持环外圆安装弹簧销。
通过考虑为提高转子鼠笼绕组的导电性，将转子铜条和转子联接环材质选为银铜合金，为了限制转子鼠笼绕组在高温、高压冷却剂水中，并在运行旋转过程中由于温升导致的径向膨胀，在热套一个转子保持环并在转子保持环环外圆上安装弹簧销，转子保持环材质选为A286，具有很好的强度和耐疲劳性。转子鼠笼绕组的设计，能提高转子鼠笼绕组的导电性，有效地解决了转子铜条在高温、高压的运行工况下产生的裂缝、蠕变疲劳以及转子联接环与转子护环或转子铜条发生接触的技术难题，解决了异步电机转子鼠笼绕组免维护的技术难题。
四、具体实施方式
如图1所示为本文的转子鼠笼绕组结构，包括转子铜条、转子联接环和转子保持环及弹簧销。由于异步主泵电机运行环境的特殊性，为保证转子鼠笼运行的稳定性，控制其在高温、高压环境下转子鼠笼在旋转过程中的蠕变，在热套转子保持环后的鼠笼转子端部圆周上加工销孔，将弹簧销钉入转子鼠笼结构，将电机转子铜条、转子联接环、转子保持环加固连接在一起。该结构不但能够保证异步电机鼠笼转子在高温、高压下的运行特性，抵消转子铜条和转子联结环在运行过程中产生的蠕变，还能有效地控制转子联接环的径向膨胀。确保转子保持环始终与转子联接环紧密地过盈配合，不至于出现转子鼠笼在运行过程中出现局部部件失效。
异步电动机转子鼠笼绕组结构设计为包括转子铜条、转子联接环、弹簧销和转子保持环，铜银合金的转子铜条沿铁心轴向嵌入铁心槽内，转子两端的转子铜条用铜银合金钎焊以保持其导电性，转子鼠笼的连接环外圆周上钉入弹簧销，保持环热套在转子联接环的外圆来控制其径向膨胀。鼠笼绕组设计时，考虑的质量、温升、蠕变及疲劳效应在传统的异步电动机转子绕组设计时考虑甚少。异步电动机转子鼠笼绕组结构设计时还需要权衡一系列相互制约的规范，其中包括权衡较小的铜条、联接环的好处以及其带来的较高的运行温度之间的矛盾，较高的温度会加剧转子铜条和转子联接环的蠕变，可能导致铜条产生裂缝，蠕变疲劳失效以及联接环与转子上的护环或铜条发生接触。同样，需要权衡较大的转子铜条和转子联接环时的较低运行温度以及所带来的额外质量和尺寸。额外的质量会加剧蠕变、增大转子保持环力以及铁心齿部应力。额外的尺寸需要减小其他部件的尺寸，或增大它们之间的距离。
按照该转子鼠笼绕组结构及设计规范的要求，详细地设计了转子鼠笼绕组结构。利用应力分析计算和应力云图计算，选择了满足设计规范和使用要求的转子铜条、转子联接环、弹簧销及转子保持环材料，完成转子转子鼠笼绕组结构设计。在转子鼠笼绕组设计中，考核正常温度、额定转速和高频温度、额定转速两种工况下的蠕变性能。在转子鼠笼绕组设计中转子保持环或转子铜条与转子护环是否发生接触是主要担忧的问题。这种接触不会导致部件立即失效，但转子联接环与转子护环之间的紧密接触会限制铁心内转子铜条的自由膨胀，可能会导致转子铜条产生裂纹。同时考虑转子保持环在疲劳过程中各时间段的剩余过盈量，确保转子保持环始终与转子联接环紧密地过盈配合。通过应力分析和蠕变疲劳分析，采用铜银合金的转子鼠笼绕组，铜银合金的转子铜条沿铁心轴向嵌入铁心槽内，转子两端的转子铜条用铜银合金钎焊以保持其导电性，并按照设计规范要求对焊后的转子鼠笼绕组进行加工，以保证最优的转子铜条与转子联接环的质量和尺寸配合，并满足使用寿命的要求。通过在转子连接环外圆周上安装转子弹簧销，确保转子保持环始终与转子联接环紧密地过盈配合，通过在转子联接环外圆上热套一个高强度的转子保持环，最终确定转子鼠笼绕组的结构，实现转子鼠笼绕组结构功能设计。
五、结语
本文涉及转子鼠笼绕组的材料，结构和特殊的高强度转子保持环设计结构，属于电机领域。它利用了转子铜条、转子联接环银铜合金材料的高导电性和转子保持环结构的特殊性，以及在转子连接环外圆安装弹簧销，以确保转子保持环始终与转子联接环紧密地过盈配合，解决了异步电机中处于高温、高压反应堆冷却剂中转子铜条蠕变疲劳和转子铜条裂纹问题，并有效地实现消除转子铜条、转子保持环和转子护环发生接触的技术难题，为大功率异步电动机开发提供了条件。