鼠籠式異步電動機是應用最廣泛的一種電動機，鼠籠式三相異步電動機鼠籠條斷裂故障是這類電動機的一種常見故障。華能汕頭海門發電有限責任公司的研究人員郭業凱、鄒炯斌，在2020年第8期《電氣技術》雜誌上撰文，針對某電廠循環泵電動機由於節能改造需求由單速電動機改造為雙速電動機，運行一段時間後，多臺電動機轉子鼠籠條出現斷條的現象，對此故障發生原因進行分析，並對電動機轉子進行工藝改進，取得一定的效果。
某電廠百萬機組海水冷卻循環水系統採用單元制直流供水方式，為凝汽器、閉冷器、真空泵冷卻器、脫硫系統等提供冷卻水。每臺機組配三臺海水循環水泵（下文簡稱循泵），兩運行一備用。為實現機組節能降耗目標，電廠將循泵電動機改造為雙速電動機，實現可變速運行。
改造後，三臺循泵電動機可選擇兩高一低或兩低一高的轉速組合運行，運行部門根據不同季節時海水水溫變化情況及時改變循泵運行轉速組合，並在每天負荷峰谷不同時段，靈活啟停不同轉速電動機來進一步優化能耗，通過合理調控，降低運行電流，提高效率，從而實現節能。
循泵電動機在實現雙速運行幾年後，普遍出現電磁噪聲增大、振動增大、電流波動等異常現象，檢修人員對電動機進行解體檢查，發現電動機轉子鼠籠條普遍存在斷條現象，影響電動機穩定運行，存在嚴重安全隱患。本文針對循泵電動機改造後出現的噪聲、振動增大、鼠籠條斷條問題進行研究分析，並予以解決。
1 故障現象
1.1 設備概況
循泵配套電動機為6kV立式鼠籠式異步電動機，湘潭電動機廠製造，原型號為YKSL2700- 16/2150-1W。2012年，電廠通過對電動機定子線圈改造，循泵電動機由原來16、單一轉速電動機改為具有16極和18極兩種轉速的雙速電動機，具體參數見表1，可在停電時通過變更線圈抽頭接法實現變速。
1.2 故障現象
循泵電動機雙速改造完運行了約3年後，檢修人員陸續發現部分循泵電動機在運行時存在電磁噪聲變大、振動變大、電流波動增大的現象。
例如在2016年11月，運行中1B循泵電動機聲音突然變大，振動明顯比其他電動機大，查看運行狀態曲線發現電動機運行電流也有明顯的波動現象，對比同樣運行工況下的4B電動機發現，1B循泵電動機電流在2min內的波動較大，範圍達到將近15A，而4B循泵電動機在2min內基本穩定在同一個電流值，比較平穩，如圖1所示。
當時對1B循泵進行更換備用電動機處理，更換後新電動機基本沒有噪聲，振動及電流波動現象也明顯減低，如圖2所示。
1.3 停機檢查
在隨後1B循泵電動機的解體檢修中發現：1B循泵電動機轉子大部分鼠籠條有明顯斷口或者裂紋的現象，均出現在端環處，如圖3所示，多達50條左右，在後續對其他循泵電動機的解體檢查中，也同樣發現有轉子鼠籠條不同程度的開斷現象，數據統計見表2，斷條位置同樣發生在鼠籠條根部。
2 原因分析
循泵電動機故障發生後，對電動機運行時出現的電磁噪聲[1]、振動增大和鼠籠條斷條等問題進行綜合分析，認為導致電動機出現大面積鼠籠條斷條的主要原因是：電動機雙速改造後可能存有電磁共振點，使噪聲變大，並產生共振，導致轉子鼠籠條內部一些薄弱的應力焊點脫焊；同時，電動機在全電壓下多次頻繁起動也可能造成電動機轉子鼠籠條的受應力部位損傷斷裂。
下面對此展開具體分析。
2.1 電磁共振
電動機定子有其固有的振動模態，當電動機氣隙中的電磁力波的空間階次與定子模態的空間階次相同，且電磁力波頻率與定子模態固有頻率相近時，會引起電動機定子共振。
共振大小與電磁力波幅值及階次有很大關係，電磁力波引起的機械振動振幅幾乎與電磁力波階次的4次方成反比。所以，隨著電磁共振的產生，會使定轉子上焊接部位出現應力疲勞，形成脫焊或者鼠籠條斷條等現象。
因此，通過以下對循泵電動機進行電磁力波及模態振型計算分析，可以分析判斷循泵電動機分別在16極和18極下的電磁共振情況。
根據原電動機製造廠對原電動機16極負載下進行電磁力波及模態振型計算分析，發現在定轉子槽配合168/204時存在4階、頻率1164Hz、1364Hz的電磁力波，而模態振型4階、1133Hz、1267 Hz，有共振風險，但由於電磁力波幅值都很小，不會產生明顯振動，也不會產生電磁噪聲，也就是說，原單速16極電動機在振動和噪聲上沒有問題。
本次節能改造，對電動機定子線圈進行了雙速改速，電動機更改為16極和18極後，電動機工作額定轉速分別為原來的372r/min（高速）和改造後的333r/min（低速），由於線圈都改動了，諧波會發生很大的變化，根據製造廠的試驗數據，對18極（低速）時作電磁力波分析，該電動機電磁力波及模態分析見表3，部分如圖4所示。
從表3看出，模態振型4階1133Hz（幅值1029帕），有一個完全對應的力波頻率也為1133Hz，存在共振現象，影響較大，並且不同階次中有一系列不同幅值的電磁力波1033Hz、1133Hz，模態中也有相同階次、相近頻率的振型與之對應，構成共振的條件。
雖然力波幅值較小，影響有限，但當整個電動機在共振條件下，電動機薄弱環節會由于振動而斷裂；或者隨著共振使得焊接部位越來越不牢固，由此分析：端部斷條一部分原因應該是電動機低速運行下產生的電磁力共振。此結論通過運行實踐中使用MDSP3型鼠籠式電動機故障儀檢測也得到一定的驗證。
在電動機正常運行時，電廠通過MDSP3型鼠籠式電動機故障測試系統對#3、#4號機循泵6臺電動機進行在線檢測，發現在低速狀態下，轉子鼠籠條斷裂故障症狀表現比高速狀態更為明顯，說明電動機在低速時可能產生的振動及斷條更明顯。
MDSP3型儀器是通過獲取故障電動機的電流分量進行頻譜分析，因為在理想情況下，異步電動機定子電流的頻率是單一的，即只含有50Hz的電源頻率，但是當轉子出現斷條時，定子電流發生畸變，產生了高次諧波分量，定子電流的頻譜圖將會發生變化，在與電源頻率相差2倍轉差率的頻率（±2sf1）處各出現一個帶。
檢測電動機電流信號中在電流頻率（50Hz）以及邊帶頻率（±2sf1）範圍內兩者間的平均幅值差（dB）可用作評估電動機轉子鼠籠條健康的狀態指標。
電廠對#3、#4號機循泵電動機進行電動機故障診斷後，檢測基本情況見表4。
檢測中發現高速運行的循泵電動機頻譜都比較正常，例如3A電動機，如圖5所示，低速運行的3C、4C循泵電動機頻譜均診斷出有不同程度的故障，例如4C電動機，如圖6所示。2臺電動機鼠籠繞組頻譜圖分別反映電動機可能存在不同程度的鼠籠條高阻接點或裂紋，嚴重時可造成鼠籠條斷裂，因此可驗證在低速狀態下，轉子鼠籠條斷裂故障症狀表現更為明顯，充分說明電動機低速時內部可能存有較大共振影響。
2.2 頻繁起動
為實現節能降耗，運行部門每天根據負荷及工況需求經常對循泵進行起停變換運行方式。根據運行系統數據採集，在某些月份，同一臺循泵電動機每月的起停能達到30次以上。
根據三相異步電動機起動原理，全壓起動時大電流在電動機定子線圈和轉子上產生很大的衝擊力，由於循泵電動機在全電壓下頻繁起停，會引起電動機內部電磁、機械及熱應力的變化，容易造成轉子鼠籠條疲勞損傷。
轉子在整個運轉過程中，會受到離心力、轉子加速過程中在端環和鼠籠條接觸面形成的剪切力、熱脹冷縮、鼠籠條在鐵心中鬆動而引起的振動力等影響，頻繁起停會使鼠籠條和端環接觸面反覆受力，疲勞損傷，乃至斷裂。
通過現場檢修檢查情況及起停數據比較，起停越頻繁的電動機，轉子鼠籠條的斷裂情況一般更為嚴重。雖然高壓電動機每天一兩次起動不能算多，但如果製造廠按照S1（連續運行）工作制設計，沒有充分考慮高壓電動機頻繁起停的需求，在轉子製造上沒有採用滿足頻繁起停的加強措施，對轉子鼠籠條斷裂有一定影響。
3 整改措施
根據以上分析，電磁共振和電動機在全電壓下的頻繁起停是導致循泵電動機轉子鼠籠條斷裂的重要因素，但考慮機組運行需求和實際成本，針對電磁共振帶來的影響對電動機定子結構進行加固改造的難度較大，同樣在當前電廠節能要求形勢下，減少電動機起停次數是不現實的。
所以，採用對轉子進行檢修改造、工藝改進等形式來防止轉子在運行中發生鼠籠條斷裂，滿足循泵電動機頻繁起停的工況要求，改進措施主要如下。
3.1 鼠籠條根部加強，提高鼠籠條的機械強度
由於端部斷條與電磁力共振相關，同時頻繁起停時，鼠籠條伸出鐵心段的質量會產生離心力，端環的慣量產生旋轉切線方向的力，鼠籠條反覆頻繁受力，易疲勞斷裂。
為降低這些因素共同對鼠籠條根部的影響需提高鼠籠條根部的機械強度。由於轉子鐵心槽形已定，增大鼠籠條截面來增大強度方法已基本不可能，因斷裂點在鼠籠條與端環的接觸部位，採用鼠籠條旁增加一塊與鼠籠條尺寸相同的短片一併焊成一體，等於該處的鼠籠條截面增加一倍，強度增強一倍，起到一個加強筋的作用，如圖7所示，同時可以減少電磁共振影響。
3.2 增加限位條，防止轉子籠下垂，造成鼠籠條根部鬆動
為防止轉子籠下垂移位，造成鼠籠條根部鬆動，在轉子鼠籠的兩端，端環與鐵心間距中均勻分布4～6塊限位條，保證端環與鐵心的間距尺寸，限位條也可增大鼠籠條強度功能，限位條一併焊入端環，如圖7所示。
3.3 增加鼠籠條壓坑，防止鼠籠條在槽內產生振動
鼠籠條在鐵心槽中存在間隙，原轉子雖採用了壓坑脹緊措施，但原壓坑點少且偏中部，槽兩端的鼠籠條由於電動力、動不平衡及其他多種原因，鼠籠條在鐵心槽中振動，振動幅值很小，但頻率較高，在鼠籠條根部表現為振動頻率較高的振動力。
因此，增加在轉子槽內的鼠籠條上壓坑，作用是讓鼠籠條向轉子鐵心槽二邊頂住槽壁，防止鼠籠條在槽內鬆動引起振動，壓坑由2個增加至6個，沿鐵心長度均勻分布。
3.4 增加端環厚度，減少端環溫升
轉子兩側端環厚度由原36mm增厚為40mm，增大端環熱容量及降低端環電流密度，有利降低端環與鼠籠條接觸面的起動過程溫升，間接增大了鼠籠條機械強度，端環截面增大，電阻減小，有利於轉子銅損減小。
3.5 提高端環的同心度，減小端環的晃動力
當存在端環的偏重、端環與軸中心的不同心等原因時，旋轉時端環產生動不平衡晃動，由於鼠籠條在鐵心槽中相對固定，晃動力就作用在鼠籠條根部，晃動力基本為徑向，動不平衡量越大，晃動力也越大。
立式電動機可能存在轉子籠下垂移位現象，造成端環與鐵心的間距上小下大，下端的晃動力會增大。因此，在端環焊接工藝完成後，原切削加工端環的外圓和外端面，改進增加端環內圓面切削，提高內圓同心度，相應降低了端環的動不平衡量，減小端環的晃動力。
3.6 改善鼠籠條焊接工藝，採用整體熔焊
焊接工藝質量會造成焊接內應力問題，鼠籠條與端環的焊接老工藝為逐根焊接，焊接過程端環各部溫度不均勻，金屬結晶組織發生變化，焊後又未進行熱相處理，致焊接部分存在無定向內應力。
因此改善焊接工藝，逐根焊改成整體熔焊，全部鼠籠條與端環一次焊成，為保證鼠籠條與端環的良好接觸，鼠籠條插入端環的深度不小於5mm；鼠籠條的端面加工成多齒形，增加接觸面積；焊料為銀銅焊條，整個端環整體加熱，全環加熱溫度均勻，如圖8所示。焊接完成後採用保溫工藝，使溫度緩慢下降，大幅降低殘餘內應力，增強鼠籠條的應力強度。
通過以上措施對轉子結構進行加強和改進後，目前電動機已正常運行了幾年時間，暫未再發生鼠籠斷條情況，改進後電動機運行工況也有明顯好轉。例如1A循泵電動機，修前工況是在泵出口壓力平穩的狀態電動機電流波動跳躍現象較嚴重，在電動機轉子改進修理後，在泵出口壓力平穩的狀態下電動機電流也趨於平緩，如圖9所示，說明本次對轉子的加工改造措施是有效的。
4 改造後運行狀況
通過以上措施對循環水泵電動機轉子進行工藝改進，根據運行4年來對電動機修後的狀態監測，未發現異常現象。
以#1機循泵A電動機運行狀況為例，採集其振動頻譜，分別如圖10、圖11所示，1A循泵電動機側驅動端水平振動0.723mm/s，軸向振動0.778mm/s，peakvue數值為0.739，水泵側振動為0.240mm/s，振動數值良好，振動頻譜無異常現象。
通過MDSP3型儀器對1A循泵電動機在低速時進行鼠籠條故障診斷，數據見表5，診斷頻譜如圖12所示，診斷結果無鼠籠條斷條現象。
根據對1A循泵電動機修後運行4年後的狀態監測和故障診斷，該電動機在振動頻譜、轉子鼠籠條繞組頻譜等多方面的分析，均未再次出現故障現象。
5 結論
電動機雙速節能改造，雖增加了經濟效益，但也帶來電動機可靠性的新問題。電動機雙速節能改造，不應只考慮定子線組改造，還需了解不同轉速下電動機固有共振頻率的不利影響，並採取措施避免。
對於有頻繁起停需求的高壓電動機在定貨時一定要有工作制說明，製造廠在轉子的製造工藝上應採取必要的加強措施，以確保滿足電動機頻繁起停的需求。同時要加強對起停頻繁電動機的監控，通過有效的軟體儀器採集電動機振動頻譜進行分析，可以提前發現電動機轉子斷條等隱性缺陷。