趙建武，劉紅偉

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州215004）

異步電動機籠型繞組結構及焊接

趙建武，劉紅偉

（蘇州熱工研究院有限公司，蘇州215004）

分析了異步電動機籠型繞組運行時可能產生的故障原因，介紹其常用結構及其要求，著重說明了焊接結構籠型繞組的特點，導條及端環(huán)所用的材料，以及火焰釬焊、感應釬焊工藝，并細致說明了鋁鎂硅合金繞組的熔化焊工藝。

籠型繞組；導條；端環(huán)；釬焊；熔化焊

異步電動機籠型轉子繞組自成閉合回路，是短路繞組，具有很大的起動電流（約3.5－6.5倍額定電流），籠型繞組除承受熱應力、電磁力和離心力外，還承受電機加速或制動時所產生的切向應力在導條伸出槽口部分產生的彎矩?；\型繞組各部分發(fā)熱不均勻所引起的熱應力使導條可能產生裂紋甚至斷裂。電磁力的作用將引起導條在槽內振動而疲勞損壞。有些籠型轉子電機運行過程有時出現導條斷裂、導條與鐵心打火脫出、端環(huán)裂開、轉子溫升高等問題，這些問題與籠型轉子的結構及焊接質量有直接關系。本文著重說明焊接結構的籠型轉子的結構特點及焊接方法。

1 籠型繞組結構

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

圖1 籠型轉子

1.1 籠型繞組結構要求

焊接的籠型繞組除承受熱應力、電磁力和離心力外，還承受電機加速或制動時所產生的切向應力在導條伸出槽口部分產生的彎矩。籠型繞組各部分發(fā)熱不均勻所引起的熱應力使導條可能產生裂紋甚至斷裂。電磁力的作用將引起導條在槽內振動面疲勞損壞。因此，籠型繞組在結構上應考慮以下幾點措施[1]：

（1）盡量減小導條與鐵心槽壁之間的間隙，在槽口或沿槽的長度分段擠壓脹緊。對大型高速電機應在槽的全長內擠緊或用斜楔在導條下部楔緊。

（2）雙籠轉子的上籠端環(huán)與鐵心之間應用適當距離，以減小起動時熱變形引起導條的彎曲應力。

（3）導條和端環(huán)尺寸應能滿足電機起動熱容量的要求。

（4）端環(huán)的圓周速度較高時應加護環(huán)。

對于小電機優(yōu)先采用鑄鋁轉子，其端環(huán)和風葉是鑄成一體的。對于不值得制造鑄鋁件的小型和中型電機，一般應用焊接鋁繞組。對于大型電機采用集膚效應銅轉子，和對起動困難時采用雙鼠籠。

1.2 繞組材料

對要求起動轉矩較高、起動電流較小的電機（如高轉差率電機、輥道電機等），可用電阻率較高的鋁合金；對轉子直徑較大的大中型電機或有特殊要求的電機，可用紫銅導條；對要求起動性能好的電機，可用雙籠結構，其上籠有電阻率很高的電機（如力矩電機），其導條和端環(huán)可用黃銅制造[2]。

1.3 典型焊接結構籠型繞組

典型焊接結構籠型繞組見圖2（a），其結構目前應用最廣泛，其端環(huán)端面加工5 mm～10 mm深環(huán)槽，導條垂直裝配在端環(huán)環(huán)槽中，釬料在環(huán)槽中熔化后將導條與端環(huán)釬焊在一起，有的在端環(huán)環(huán)槽的導條間增加銅墊塊，提高導電性能，減少釬料填充量。這種結構籠型繞組結構簡潔，加工簡單，焊接難度?。唬╞）圖為雙籠繞組結構，外籠為起動籠，導條較細，提高電機起動轉矩，內籠為工作繞組，內外籠導條可徑向致分布，也可交錯分布，內外端環(huán)端面可平齊，也可有一定距離；（c）圖籠型繞組與端環(huán)外圓對接釬焊，結構較為簡單：（d）圖端環(huán)圓周開通槽，導條嵌在端環(huán)通槽中，這種結構導條與端環(huán)接觸面積大，強度高，但端環(huán)加工難度大，焊接要求高，適于較高速度運轉電機；（e）圖籠型繞組導條與端環(huán)材料為鋁合金，端環(huán)徑向加工坡口及半開口盲槽，導條兩端先加工出相應形狀，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，提高強度[3]。

圖2 典型焊接結構籠型繞組

2 轉子導條及端環(huán)的制造

籠條由棒料制成。它通過軋制和拉伸得到公差很小的最后斷面和最大可能的硬度。制造過程包括：用鋸床或有特殊斷面的剪應將棒料切成所需長度的籠條，以便形成垂直的、無行刺的切割面，必要時用鋸、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，對口處進行氣焊或鎢極惰性氣體保護焊。也可用銅棒材直接鍛成圓環(huán)，也還有用銅鑄成的端環(huán)（帶有鑄出的風葉）。此后進行機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 籠型轉子的焊接

異步電動機導條與端環(huán)的釬焊接頭既起到導電作用，又起到強度作用。接頭處面積應足夠大，以保證在起動、運行情況下流過接頭的電流不會使該處過熱。籠條和端環(huán)的焊接必須保證焊透、焊牢，保持較大的過渡面，否則不僅影響繞組的機械強度，還會造成轉子電阻增大。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)和導條裝配間隙及加熱溫是保證釬焊質量的關鍵，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。根據繞組結構及端環(huán)尺寸，采用分段加熱或整體加熱。圖2（a）、（b）所示結構的籠型轉子焊接時，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，用氧乙炔焊炬對端環(huán)及導條加熱。

（1）圖2（a）結構，兩側端環(huán)用夾具夾緊，然后立放，先把φ2×2或φ3×3顆粒狀釬料預置到導條間的環(huán)槽中，分段釬焊時由于端環(huán)與籠條上需加熱的體積大，一般采用三把大號焊炬加熱，其中兩把加熱端環(huán)端面，待端環(huán)變?yōu)榘导t色時，釬料開始熔化合，第三把焊炬輔助加熱端環(huán)側面及導條，釬料熔化，使釬料與導條充分浸潤形成圓角。分段焊接一次焊接3～10根導，然后對再挪至對稱位置焊接。根據端環(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，同時點燃，端環(huán)整體加熱至釬焊溫度，釬料熔化后，與導條浸潤形成圓角?；鹧驸F焊時最下面一段鐵心用石棉環(huán)保護，以防火焰的直接作用。同時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溝內，以免疊片絕緣漆膜過熱。

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

（3）圖2（c）、（d）、（f）結構，這三種結構一般采用分段焊接，采用兩把大號焊加熱端環(huán)，待焊處端焊達到釬焊溫度后，用棒狀釬料刮擦釬縫，釬料熔化后進入釬縫。使熱量導入導條加速導條溫度上升，釬焊接頭都達到釬焊溫度后，釬料由于毛細作用，將釬縫填滿并排出釬縫中的氣體。

3.1.2 感應釬焊

（1）感應釬焊原理是在感應器通以交流電，端環(huán)在交變磁場作用下，感應出很強的電流，產生的電阻熱使端環(huán)達達到釬焊溫度。熱量由工件本身產生，加熱速度通過控制電源功率實現，可以使工件溫度均勻快速上升到釬焊溫度，并通過自動控溫裝置，保持端環(huán)的加熱溫度，使釬縫能夠充分被釬料浸潤，焊接質量優(yōu)于火焰釬焊。

（2）感應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)槽或釬縫的過程。圖3為感應器與端環(huán)安裝示意圖。感應釬焊加熱集中，不像火焰加熱面那么寬，因此不需對鐵心進行防護，感應加熱不會使有氧銅導條出現氫脆象。

圖3 感應器裝配示意圖

3.2 熔化焊

鋁元素是儲量最多的金屬元素，具有獨特的物理化學性能。在小型電機籠型繞組制造廣泛應用，由于在鑄造大截面端環(huán)時易出現氣孔、縮孔從而影響電機的性能，同時小批量生產時鑄鋁設備及模具昂貴，而銅條轉子用銅量很大，價格昂貴，因此使用鋁合金作為導條及端環(huán)，成為發(fā)展方向。鋁合金籠型轉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，導條鋁材冷擠壓成相應形狀，端環(huán)經鍛造并機加而成，鋁鎂硅合金具有良好的焊接性。

3.2.2 焊接工藝

繞組結構見圖2（e），端環(huán)與導條通過坡口內填充焊材熔焊在一起，由于坡口較深，因此填充量較大。

（1）導條與端環(huán)裝配好之后，夾在變位機上，使焊縫處于平焊位置，調整變位機使焊接速度達到600 mm/min左右。

（2）轉子和導條需全部預熱，預熱溫度至少達到100℃，焊接前的清理必須徹底，否則會有裂紋出現

（3）焊絲直徑：Φ1.2；焊絲型號ER5356氬氣流量：20 L/min；預熱溫度：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 結束語

異步電動機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籠型繞組由純鋁一次鑄成，結構緊湊，適合于大批量生產。大型電機及部份中型電機籠型繞組由銅及銅合金材質導條與端環(huán)釬焊而成，導條與鐵心盡量設計為小的配合間隙，并配合嵌緊方式進行固定，導條伸出鐵心的長度要經過嚴格計算校核，從而保證電機轉子運轉時導條不會因松動或強度不足而斷裂，導條與端環(huán)釬焊連接試為對接式及嵌入式，釬焊方法主要有火焰釬焊、感應釬焊兩種，感應釬焊質量好，是目前的發(fā)展方向。對于小批量及厚端環(huán)的高速電機籠型繞組可采用鋁合金導條及端環(huán)熔化焊接而成，焊接時方法采用熔化極氬弧焊，預熱后多層多道焊。異步電機籠型繞組通過合理的設計結構及工藝保障措施才能保長期可靠運行[4]。

[1]E·維德曼，W·克倫貝格.電機結構[M]..北京：機械工業(yè)出版社，1976.

[2]龔坰.電機制造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984.

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

[4]機械工程手冊、電機工程手冊編委會.電機工程手冊電機卷[M].2版.北京：機械工業(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，從事核電設備監(jiān)理工作；劉紅偉（1983－）男，湖北丹江口人，碩士研究生，設備監(jiān)理工程師，從事核電設備監(jiān)理工作。