异步电动机转子轴材质对电机性能影响及分析

李亚军

（陕西美鑫阳极分公司，陕西 铜川 727100）

1 304合金不锈钢材质制作的电机转子轴使用效果

某单位石油焦煅烧生产线烟气净化处理系统采用水膜除尘装置，其喷淋、吸尘、降温处理后的水，需要经过沉降、循环再利用。由于石油焦中含有一定的硫、磷等矿物元素，在煅烧过程中，这些矿物燃烧生成SO2、P2O5等酸性氧化物，其遇水生成酸，造成循环系统水泵叶轮和固定轴头的腐蚀（水泵叶轮固定在电机轴上）。故其循环水泵使用寿命很短，造成设备故障率极高，给正常生产带来很大影响。对此，为减缓设备故障率，提高循环泵耐腐蚀能力，技术人员提出采用耐腐蚀的不锈钢材质替代水泵转子轴的想法，并进行了实践应用。

在实际使用过程中，通过对运转过程中循环泵的状态监测及负载能力观察研究，发现其耐腐蚀能力大大提高，但出现水泵电机发热现象明显，空载电流及负载电流均有大幅增加，电机工作参数严重变差，电机定子电流显著增大，电机温度迅速升高，负载能力明显降低等现象。具体工作参数测定数据如表1所示。

表1 不同材质制作的电机轴实验结果（电机Y3-200L2-4功率22kW）

根据电机实际运行参数数据，发现采用304合金不锈钢加工制作的电机转子轴，其电机空载电流显著增大，是普通45#中碳钢材质轴的2.5～3倍，即使在较小负载条件下，其运行电流明显超过额定值，且抗负载能力明显变差。由于空载状态下电流几乎接近额定值，因而导致电机定子、转子轴升温较快（与45#中碳钢轴相比较）。

2 异常现象分析

2.1 电机工作原理

电动机工作是建立在电磁感应定律基础上的。三相交流异步电动机工作原理：三相交流电源施加在电动机定子绕组上时，其定子气隙空间内就形成旋转的磁极，其磁极磁力线切割转子绕组（或鼠笼条），则转子绕组中就感应电动势（电动势方向可由右手定则判断）。在感应电动势的作用下，闭合的转子绕组中就产生感应电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，使转子绕组受到一定的电磁力作用（其方向可由左手定则判断），转子开始旋转，其三相交流异步四极电动机定子磁场模型如图1所示，当电动机定子磁场以n速顺时针旋转时，其转子则以低于n速同向旋转。

图1 三相交流异步四极电动机定子磁场模型图

三相异步电动机定子绕组通电后，流经定子绕组的电流产生磁场，其磁场通过电机定子铁芯、转子铁芯（均为良好的导磁材料），形成闭合电磁通路。由于三相异步电动机定子绕组内流经的电流是变化的（交变的），其三相交流电产生的磁场以一定的速度（由三相交流电频率、电机极数决定）匀速旋转，而电机转子由于惯性（保持原来静止或以原来速度旋转）作用，其转子速度由于转速差的原因始终小于定子磁场转速，故转子绕组（鼠笼式异步电动机为鼠笼条，绕线式异步电动机为转子绕组）切割定子绕组电流产生的磁场磁力线，根据电磁感应原理，其闭合的导体切割磁力线时，其导体内必然产生感生电流，当感生电流流经转子绕组时，就会受到一种电磁力（即通电导体在磁场中会受到磁场对它的作用力，其大小由磁场强度、流经导体电流大小、导体长度等参数决定）作用，也是电机启动、运行过程中转子加速的机械力。其次电机转子内感生的电流同时也产生磁场，其感生的磁场作用总是与定子绕组电流产生的磁场磁势变化相反（即总是阻碍原磁场变化）。当电机转子的转速与定子磁场同步旋转速度差越大，则转子绕组中感生的电流也就越高。其电机加速电磁力矩也就较大。随着电机转子转速增大（即定子同步磁场转速与转子转速差不断地减小），其转子绕组中感生电流也随之减小，定子电流也相应地减小。当电机定、转子转差趋于零时（即转子实际转速与定子恒定磁场转速接近或同步时），转子绕组中感生电流非常小或趋于零。但在实际中，由于转子旋转时总会受到机械摩擦、风阻、负载等阻碍力矩，使电机转子速度始终低于定子同步磁场速度，故电机空载时，定子绕组电流始终不会减小到零。

2.2 304合金不锈钢材质转子轴对电机运行参数影响分析

根据异步电机结构和磁场产生原理，定子绕组电流和转子感生电流产生的电磁场中部分磁力线（转子绕组电流产生的磁力线占较多部分）通过转子轴体构成通路。由于电机转子轴处于定转子轴心位置，其定、转子绕组电流形成的磁场都会在电机轴心处汇聚，由于转子轴是采用很好的导磁性中碳钢加工制作的。采用304合金钢制作电机转子轴，其抗酸腐蚀能力大大增强，但由于材质原因，其导磁率会大大降低，采用此类材质制作的转子轴，在工作时会隔断定子绕组电流产生的部分磁力线，致使定子绕组本身自感的反电势降低，引起电机定子绕组电流大幅增加；同时电机转子感生电流形成的部分磁力线也被隔断，导致转子感生电流强度降低，引起电机工作电磁转矩大幅降低，电机要获得足够的启动或运行转矩，只能通过增大定子绕组电流才可实现。其次由于转子轴阻断了部分磁力线通过，见图2所示，其等效于定子绕组产生的磁场强度被抵消，从而使定子绕组反电动势降低，则引起定子绕组中电流增大。

图2 交流异步电机定、转子单槽绕组电流形成磁场原理及部分磁力线被阻断图

具体磁通及感应电动势的影响关系如下式所示：

①定子绕组产生感应电动势可用下式表达：

E1=keU1=4.44kdp1f1W1φ

式中：E1定子绕组产生感应电动势；

ke降压系数；U1外加电源电压；kdp1定子的绕组系数；

f1电源频率；W1定子绕组每相串联线圈匝数；φ每极磁通。

②转子产生的感应电动势表达式：

E2=sE20=4.44 kdp2fW2φ

式中：E2为转子每相绕组中产生的感应电动势;

s为转差率；E20为电动机接通电源转子未转动时电动势；kdp2为转子绕组系数；f2为转子电动势频率；W2为转子绕组一相的匝数；φ为每极磁通。

③磁通变化量可用下式表达：

φ=BpjS

式中：φ为每极磁通；Bpj气隙中平均磁通密度；S每极下的气隙面积。

通过上式可知，由于气隙中的平均磁通密度受阻隔而减小，造成每极磁通量减少，从而影响到磁通量的变化，进而影响转子感应电动势的大小，定子感应电动势随之变化，电流升高，绕组发热，而转子的转矩等也受到影响，从而导致电动机性能劣化。

普通三相异步交流电机定子、转子铁芯材质均由硅钢片加工组成，具有很好的导磁性。其转子轴一般采用45#中碳钢加工制作，并与铁芯通过机械固定安装（轴与铁芯有0.02的过盈量）。采用导磁率高的中碳钢材质及精确的加工工艺，确保了最小的漏磁率，电机的工作参数得到有效保障。而采用耐腐蚀等材质替代中碳钢，由于不同成分的不锈钢耐蚀性取决于材质中所含的合金元素。铬是不锈钢耐蚀性基本元素，具有很好的抗腐蚀和自钝化能力，但导磁率极低，另外由于304合金不锈钢材质中含有镍、锰、钼、钛、铌、铜等元素的添加比例原因造成导磁性能较差，故在实际使用中因为导磁率下降而造成空载电流增加、带载能力急剧下降的现象，故无法取代中碳钢材质转子轴，如想提高转子耐酸碱腐蚀并保证机械及电磁性能，需要研究采用导磁率较高的金属材质按照一定比例及工艺进行加工制作符合电机性能参数要求的转子轴，从而保证电动机的性能参数不受影响。

3 结语

本文通过在实践中改进异步电动机转子轴材质的方法达到抗氧化、抗腐蚀的效果，通过改进后的使用效果反馈出电机性能劣化、温度升高、力矩减小等问题，通过现场测量参数比对及对电动机动态性能及电磁学角度进行分析，得出影响电动机性能劣化的原因为转子轴导磁性变差，进而造成电机性能劣化的原因，对于特殊应用场合电机转子轴的选型设计起到了一定的借鉴作用。