直流電機(jī)繞組裝配質(zhì)量控制

徐正蓉，馮家奎

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)　618000)

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直流電機(jī)繞組裝配質(zhì)量控制

徐正蓉，馮家奎

(東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司，四川德陽(yáng)618000)

摘要：以電磁式直流電機(jī)為例，介紹直流電機(jī)定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組在半成品裝配過(guò)程重要工序的質(zhì)量控制點(diǎn)。詳細(xì)敘述這些質(zhì)量控制點(diǎn)常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目的檢測(cè)方法和目的，總結(jié)了產(chǎn)品在裝配過(guò)程出現(xiàn)故障時(shí)，如何準(zhǔn)確查找繞組故障位置，以便及時(shí)修復(fù)。這些檢測(cè)方法的總結(jié)值得類似質(zhì)量檢驗(yàn)工作借鑒。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)；定子繞組；轉(zhuǎn)子繞組；裝配過(guò)程；質(zhì)量控制

0引言

直流電機(jī)是電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)之一。主要包括直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩大類。

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和接線相對(duì)比較復(fù)雜，如果電機(jī)在整機(jī)裝配后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障隱患，一般很難檢查和處理，特別是作為關(guān)鍵零部件的定、轉(zhuǎn)子繞組，一旦發(fā)生故障，更加難以排除。因此，在電機(jī)生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)，必須加強(qiáng)質(zhì)量檢查，尤其是定、轉(zhuǎn)子繞組的裝配過(guò)程，更加需要嚴(yán)格開(kāi)展必要的檢查和試驗(yàn)，以保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量穩(wěn)定，避免返工，浪費(fèi)工時(shí)，影響生產(chǎn)。

電機(jī)定、轉(zhuǎn)子繞組在裝配過(guò)程中常見(jiàn)的故障主要有：短路、斷路、接地、接線錯(cuò)誤等。因此，電機(jī)繞組裝配常規(guī)檢驗(yàn)項(xiàng)目主要有：磁極極性及繞組接線正確性檢查、繞組直流電阻測(cè)量、繞組工頻交流耐電壓試驗(yàn)等，下面分別簡(jiǎn)要介紹。

1定子繞組裝配質(zhì)量控制

1.1磁極極性檢查

檢查磁極極性目的是為了確定各繞組的繞制、裝配、及相互間的連接是否正確，以確保磁極裝配和接線正確。

直流電機(jī)的磁極分為主磁極和換向極。主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙主磁場(chǎng)，在定子裝配時(shí)極性按N極和S極的順序依次排列。換向極的作用是改善換向，減小電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個(gè)相鄰主磁極之間。換向極繞組連接也必須使相鄰磁極的極性按n極和s極的順序依次排列。由于換向極是用來(lái)消弱或抵消電機(jī)工作時(shí)的電抗電勢(shì)和電樞反應(yīng)電勢(shì)，所以直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)中的換向極極性排列順序不同，具體如圖1所示。

極性檢查可采用觀察法、磁針?lè)?指南針?lè)?。

圖1　主磁極與換向極的位置

1.1.1觀察法

對(duì)串勵(lì)繞組、換向繞組等，由于匝數(shù)較少、導(dǎo)線截面大，可用肉眼直接觀察其繞制方向，并沿連接導(dǎo)線查出各繞組的走向。根據(jù)電機(jī)電流的方向，應(yīng)用右手定則可判斷出磁極的極性。

1.1.2磁針?lè)?/p>

首先檢查繞組連接、接線標(biāo)識(shí)與設(shè)計(jì)圖紙是否相符。

將直流電(約4～6 V左右)接到主磁極繞組引出線端頭，通入電流的方向與電機(jī)端子標(biāo)號(hào)一致，根據(jù)電流方向，應(yīng)用右手定則可判斷出主磁極的極性。用磁針接近主磁極內(nèi)表面，磁針S極指向的磁極為N極，反之則為S極。如圖2所示。

圖2　磁針檢測(cè)磁極極性

如果磁針沿定子圓周方向上主磁極表面移動(dòng)時(shí)交替改變方向，且顯示的磁極極性與用右手定則判斷出的磁極極性相符，說(shuō)明繞組繞制、裝配、相互連接均正確。如果磁針沿圓周主磁極表面移動(dòng)不是交替改變方向，或者磁針顯示的磁極極性與用右手定則判斷出磁極的極性不相符，說(shuō)明繞組連接存在錯(cuò)誤。

換向極極性檢查與主磁極極性檢查方法相同。根據(jù)電機(jī)類型(發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī))以及電樞的旋轉(zhuǎn)方向不同，主磁極與換向極極性排列的順序必須符合圖1要求。

1.2磁極繞組焊接或把合質(zhì)量檢查

磁極繞組之間的連接有焊接或把合等方法，一般采用焊接的方法，這樣可以減小接觸電阻，避免接頭松脫，消除銅線氧化或腐蝕對(duì)接觸電阻的影響，從而保證電機(jī)正常運(yùn)行。對(duì)于分瓣電機(jī)，合縫位置的連接線無(wú)法焊接，只能進(jìn)行把合組裝，要求把合位置的止動(dòng)墊片(圈)齊全、鎖緊，彎折整齊。如若焊接或把合質(zhì)量不良，則接觸電阻增加，在通過(guò)電流時(shí)，接頭發(fā)熱加劇，嚴(yán)重時(shí)可能造成焊接處斷開(kāi)而發(fā)生故障。

繞組焊接或把合質(zhì)量是否可靠，可以通過(guò)測(cè)量每個(gè)磁極下繞組的直流電壓降來(lái)判定。

在用磁針?lè)z查主磁極極性正確的同時(shí)，用直流毫伏表依次交替測(cè)量每個(gè)主磁極下繞組引出線之間的電壓降，要求各組電壓的差值應(yīng)不大于平均值5%。若某一極繞組電壓值偏小，則繞組內(nèi)可能存在短路問(wèn)題；若某一極繞組電壓值偏大，則可能存在繞組電纜接線不良問(wèn)題。

大容量電機(jī)和負(fù)載變化劇烈的直流電機(jī)中，僅靠換向極還不能達(dá)到改善換向的目的，還必須采用補(bǔ)償繞組，補(bǔ)償繞組直線部分嵌入主磁極鐵心表面的補(bǔ)償槽內(nèi)，補(bǔ)償繞組與換向極繞組串接在一起。

在用磁針?lè)z查換向極極性正確的同時(shí)，用直流毫伏表依次交替測(cè)量每個(gè)換向極下繞組與補(bǔ)償繞組串聯(lián)焊接后的電壓降，要求各組電壓的差值應(yīng)不大于平均值5%。若某一組電壓值偏大，多是換向極與補(bǔ)償繞組連接線焊接不良或補(bǔ)償繞組之間連接線焊接不良造成的。要確定具體位置，可以用直流毫伏表對(duì)換向極與每一根補(bǔ)償繞組相連接的焊接位置分別進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值與對(duì)應(yīng)位置的正常繞組測(cè)量值進(jìn)行比較，便能找到故障點(diǎn)。

1.3磁極繞組直流電阻測(cè)量

繞組在室溫狀態(tài)(冷態(tài))下的直流電阻是電機(jī)的主要參數(shù)之一，將繞組電阻的測(cè)定值按設(shè)計(jì)溫度折算，并將折算值與設(shè)計(jì)值比較，可檢查繞組匝數(shù)、線徑和接線是否正確，焊接是否良好。測(cè)量方法有電流電壓表法，平衡電橋法。

1.3.1電流電壓表法

電流電壓表法的測(cè)量原理，是在被測(cè)繞組中通入直流電流，測(cè)量繞組電阻產(chǎn)生的電壓降，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出繞組的直流電阻。接線方法如圖3所示，a)適用于1 Ω及以上的大電阻測(cè)量，b)適用于1 Ω以下的小電阻測(cè)量。

圖3　電流電壓表法測(cè)量直流電阻

測(cè)量時(shí)，應(yīng)先合開(kāi)關(guān)K1接通電流回路，待測(cè)量回路的電流穩(wěn)定后再合開(kāi)關(guān)K2接入電壓表。分閘時(shí)，先斷K2，后斷K1，以免感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)損壞電壓表。

測(cè)量用儀表應(yīng)不低于0.5級(jí)，電流表應(yīng)選內(nèi)阻小的，電壓表應(yīng)盡量選內(nèi)阻大的。電流表、電壓表的導(dǎo)線應(yīng)有足夠的截面，并應(yīng)盡量的短，導(dǎo)線與儀表接線柱之間接觸良好，以減小引線和接觸電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差。當(dāng)測(cè)量電感量大的電阻時(shí)，要有足夠的充電時(shí)間。

1.3.2平衡電橋法

常用的測(cè)量?jī)x器有直流單臂電橋(型號(hào)如QJ23)、直流雙臂電橋(型號(hào)如QJ44)。直流單臂電橋適用于測(cè)量電阻1～106Ω，直流雙臂電橋適用于測(cè)量電阻10-5～11 Ω。

在勵(lì)磁繞組中，并勵(lì)或他勵(lì)繞組的電阻值較大，一般用直流單臂電橋測(cè)量；串勵(lì)繞組、換補(bǔ)繞組的電阻值較小，一般用直流雙臂電橋測(cè)量。

要求繞組直流電阻最大(或最小)值與平均值之差不超過(guò)平均值的±2%為合格。

測(cè)量過(guò)程注意事項(xiàng)：

1) 用粗而短的連接導(dǎo)線將被測(cè)繞組接入并擰緊。用直流單臂電橋測(cè)量時(shí)，應(yīng)減去引線電阻。

2) 直流單臂電橋測(cè)量靈敏度隨電池好壞而變，所以要保證電池電量充足。用電橋測(cè)量時(shí)必須快速，以免發(fā)熱使電阻增加，產(chǎn)生測(cè)量誤差。

3) 測(cè)量時(shí)先接通電源，后接通檢流計(jì)；斷開(kāi)時(shí)先斷檢流計(jì)，后斷電源，不允許帶電測(cè)量。

4) 為了減小測(cè)量誤差，直流雙臂電橋測(cè)量時(shí)應(yīng)將電位接頭靠近被測(cè)電阻內(nèi)側(cè)，電流接頭靠外側(cè)。

5) 因?yàn)閷?dǎo)體的電阻值是隨溫度變化的，測(cè)量時(shí)應(yīng)記錄導(dǎo)體溫度。應(yīng)將不同溫度下測(cè)量的直流電阻換算到同一溫度后，才能和設(shè)計(jì)值或以前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。即

R1/R2 =(T+t1)/(T+t2 )

式中:R1為溫度為t1時(shí)測(cè)的電阻，單位Ω；R2為溫度為t2時(shí)測(cè)的電阻，單位Ω；T為系數(shù)，銅線為235，鋁線為225。

1.4磁極繞組工頻交流耐電壓試驗(yàn)

1.4.1絕緣電阻測(cè)量

磁極繞組在進(jìn)行工頻交流耐電壓試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，用兆歐表測(cè)量被試?yán)@組的絕緣電阻。測(cè)量絕緣電阻時(shí)，應(yīng)根據(jù)被試?yán)@組的額定電壓，選用不同電壓等級(jí)的兆歐表。若選用過(guò)低電壓的兆歐表，實(shí)測(cè)值偏高；若選用過(guò)高電壓的兆歐表，實(shí)測(cè)值偏低。因此，應(yīng)根據(jù)表1正確選擇兆歐表的電壓等級(jí)。

表1　兆歐表電壓等級(jí)的選擇　V

電壓施加于被試?yán)@組與機(jī)殼之間，此時(shí)不參與試驗(yàn)的繞組、測(cè)溫元件及鐵心等均應(yīng)與機(jī)殼連接并可靠接地。讀取測(cè)量1 min時(shí)的絕緣電阻值。

試驗(yàn)前測(cè)得的絕緣電阻值滿足要求后，才允許進(jìn)行工頻交流耐電壓試驗(yàn)。在冷態(tài)下測(cè)得的繞組絕緣電阻，按繞組的額定電壓計(jì)算應(yīng)不低于1 MΩ/kV。

1.4.2工頻交流耐電壓試驗(yàn)

工頻交流耐電壓試驗(yàn)是考驗(yàn)被試品絕緣承受各種過(guò)電壓能力的有效方法。試驗(yàn)時(shí)，絕緣的擊穿特性與電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)相似，各種隱形的局部缺陷一般都能發(fā)現(xiàn)。

試驗(yàn)電壓越高，發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的有效性越高，但被試品被擊穿的可能性越大，絕緣內(nèi)部劣化的累積效應(yīng)也越嚴(yán)重。反之，試驗(yàn)電壓低，又使設(shè)備在運(yùn)行中擊穿的可能性增加。絕緣的擊穿電壓值與加壓的持續(xù)時(shí)間有關(guān)，尤其是有機(jī)絕緣特別明顯，其擊穿電壓隨加壓時(shí)間的增加而逐漸下降。因此直流電機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)的工頻交流耐電壓試驗(yàn)電壓值及試驗(yàn)時(shí)間。試驗(yàn)電壓施加于被試?yán)@組與機(jī)殼之間，此時(shí)不參與試驗(yàn)的繞組、測(cè)溫元件及鐵心等均應(yīng)與機(jī)殼連接并可靠接地。在全值試驗(yàn)電壓下，試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)持續(xù)1 min，試驗(yàn)過(guò)程無(wú)破壞性放電現(xiàn)象或冒煙現(xiàn)象為合格。試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即停止試驗(yàn)，排除故障后方可繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)。

磁極繞組裝配過(guò)程各階段試驗(yàn)電壓值(適用于額定電壓在24 V以上的一般直流電機(jī))如表2所示。

表2　定子繞組工頻交流耐電壓試驗(yàn)電壓值

注：符號(hào)U，對(duì)于主極線圈是額定勵(lì)磁電壓，對(duì)于換向極線圈是額定電壓，單位為kV。

2轉(zhuǎn)子繞組裝配質(zhì)量控制

直流電機(jī)轉(zhuǎn)子也叫電樞，電樞繞組由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，每個(gè)線圈可以由單匝或多匝導(dǎo)線繞成，它的兩端分別通過(guò)升高片接到兩片換向片上。

2.1電樞繞組接線及焊接質(zhì)量檢查

電樞繞組接線是否正確，焊接質(zhì)量是否可靠，通過(guò)測(cè)量換向器片間所接繞組的電阻值便可以判斷。測(cè)量方法有電阻法，壓降法。

2.1.1電阻法

用微歐計(jì)直接測(cè)量換向器片間的電阻值。此方法因每次測(cè)量時(shí)的接觸電阻不一致，可能影響測(cè)量準(zhǔn)確性。

2.1.2壓降法

圖4　換向器片間壓降測(cè)量示意圖

換向器片間壓降的測(cè)量示意圖如圖4。電流回路和電壓測(cè)量回路，由兩對(duì)焊有探針的導(dǎo)線來(lái)連通，施加于被試?yán)@組的電流應(yīng)不大于電樞額定電流的5%～10%，用毫伏表依次測(cè)量相鄰兩換向片間壓降。根據(jù)繞組的連接方式，如圖5所示，(a)對(duì)于單波繞組，應(yīng)將直流電通入換向器相隔接近一個(gè)極距的兩換向片上；(b)對(duì)于單疊繞組，應(yīng)將直流電通入換向器相鄰兩換向片上。

圖5　換向器片間壓降的測(cè)量方法

試驗(yàn)時(shí)應(yīng)特別注意，電樞繞組是一個(gè)具有較大電感的線圈，必須保證先接通電流回路，待電流穩(wěn)定后，再接通毫伏表，在斷開(kāi)電流回路時(shí)必須先斷開(kāi)毫伏表；在電源未與換向片接通時(shí)，毫伏表不能與電源線相接，否則有可能因電壓過(guò)高損壞毫伏表。

由于電樞繞組是按一定規(guī)律連接起來(lái)而形成閉合回路，所以在正常情況下，測(cè)得電樞繞組各換向片間的壓降應(yīng)該基本相等，或是由均壓線引起的壓降成規(guī)律的重復(fù)變化。片間壓降最大值與最小值之差不大于平均值的5%為合格(均壓線引起有規(guī)律的變化除外)。

如果測(cè)得的壓降既不相等，也不呈一定規(guī)律變化，說(shuō)明繞組接線存在問(wèn)題。另外，通過(guò)測(cè)量換向片間電壓疊加，也可以判斷繞組接線是否正確。即將直流電接到換向器兩側(cè)，對(duì)換向器依次編號(hào)為1，2，3……，用直流毫伏表依次測(cè)量1～2，1～3，1～4，1～5，1～6，1～7等各組換向片之間的電壓。如果毫伏表讀數(shù)以第一個(gè)測(cè)量值a1為基數(shù)，后續(xù)測(cè)量結(jié)果基本上是依次以基數(shù)值的倍數(shù)顯示(考慮均壓線引起的差別)，即an=na1(其中n=1,2,3……)，說(shuō)明繞組接線正確；如果毫伏表讀數(shù)不呈規(guī)律增加，說(shuō)明繞組接線錯(cuò)誤。

2.2查找繞組故障位置的方法

2.2.1電樞繞組短路或斷路

電樞繞組短路的原因，往往是繞組絕緣層損壞，使同槽上下層線圈間短路，或一只線圈里面兩匝導(dǎo)線間短路，或某一只線圈與它相鄰的一只線圈之間短路。

電樞繞組斷路的原因，多數(shù)是由于線圈內(nèi)部導(dǎo)線斷線；或換向片與線圈接頭焊接不良。

要準(zhǔn)確找到短路線圈或斷路線圈位置，可以通過(guò)測(cè)量換向器片間的直流壓降來(lái)確定。

如果電樞繞組有匝間短路，則在和短路線圈相連的換向片上測(cè)得的壓降將比平均值顯著降低；如果換向片間短路或升高片間短路，則測(cè)得的壓降接近于零。

如果電樞繞組有斷路或換向片與線圈接頭焊接不良，則在和斷路線圈相連的換向片上測(cè)得的壓降將比平均值顯著增大。

另外，還可以按圖6所示的檢測(cè)方法來(lái)準(zhǔn)確找到斷路線圈位置。將6 V左右直流電源接到電樞換向器兩側(cè)，用直流毫伏表依次測(cè)量各相鄰的兩個(gè)換向片之間的電壓。由于線圈斷路，回路不會(huì)有電流，所以電壓都加到了斷路線圈兩端。當(dāng)毫伏表跨接在完好的線圈所接的換向片上時(shí)，將無(wú)讀數(shù)指示；當(dāng)毫伏表跨接在有斷路線圈所接的換向片上時(shí)，將有讀數(shù)指示，且指針劇烈跳動(dòng)(要防止損壞表頭)。

圖6　電樞繞組斷路的檢測(cè)方法

2.2.2電樞接地

電樞接地有兩種情況，一種是電樞繞組接地，另一種是換向器接地。電樞繞組接地的原因，多數(shù)是由于槽絕緣及繞組元件絕緣損壞，導(dǎo)體與硅鋼片碰接所致。

要確定是哪一槽的線圈接地，檢測(cè)方法如圖7所示。將6 V左右直流電源接到電樞換向器兩側(cè)，用直流毫伏表一端接軸，另一端與換向片依次接觸。當(dāng)毫伏表與完好的線圈所接的換向片接觸時(shí)，則指針要擺動(dòng)；當(dāng)毫伏表與接地線圈相連接的換向片接觸時(shí)，則指針不動(dòng)。

要判明是線圈接地還是換向片接地，可將接地線圈的接線頭從換向片上焊脫開(kāi)，分別檢測(cè)線圈與換向片，就能判斷出是哪種接地故障。

圖7　電樞繞組接地的檢測(cè)方法

2.3電樞繞組工頻交流耐電壓試驗(yàn)

電樞繞組在進(jìn)行工頻交流耐電壓試驗(yàn)前和試驗(yàn)后，要用兆歐表測(cè)量其絕緣電阻。試驗(yàn)前測(cè)得的絕緣電阻值也必須滿足要求(即在冷態(tài)下測(cè)得的繞組絕緣電阻，按繞組的額定電壓計(jì)算應(yīng)不低于1 MΩ/kV)后，才能進(jìn)行工頻交流耐電壓試驗(yàn)。

工頻交流耐電壓試驗(yàn)，電壓施加于電樞繞組與軸之間。在全值試驗(yàn)電壓下，試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)持續(xù)1 min，試驗(yàn)過(guò)程無(wú)破壞性放電現(xiàn)象或冒煙現(xiàn)象為合格。

電樞繞組裝配過(guò)程各階段試驗(yàn)電壓值(適用于額定電壓在24 V以上的一般直流電機(jī))如表3所示。

表3　電樞繞組工頻交流耐電壓試驗(yàn)電壓值

注：Un——額定電壓，kV。

3結(jié)語(yǔ)

作為電機(jī)的關(guān)鍵部件，定、轉(zhuǎn)子繞組質(zhì)量及裝配過(guò)程直接影響甚至是決定電機(jī)的制造質(zhì)量和工作性能。在定、轉(zhuǎn)子繞組的裝配過(guò)程中，可通過(guò)上述各項(xiàng)檢查和試驗(yàn)，能準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理，有效排除故障隱患，避免返工，確保電機(jī)核心部件的裝配質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

徐正蓉,1964年生，女，工程師，1989年畢業(yè)于四川廣播電視大學(xué)電機(jī)設(shè)計(jì)與制造專業(yè)，長(zhǎng)期從事發(fā)電設(shè)備制造檢驗(yàn)工作。

馮家奎，1981年生，男，中級(jí)工，2007年畢業(yè)于四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校數(shù)控設(shè)備及維修專業(yè)，2011年畢業(yè)于西南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化專業(yè)，從事發(fā)電設(shè)備制造檢驗(yàn)工作。

作者簡(jiǎn)介：