舊電機(jī)定子鐵心老化檢測和評價(jià)方法的研究

宗和剛，　白連平，　張　利

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京　100192)

舊電機(jī)定子鐵心老化檢測和評價(jià)方法的研究

宗和剛，白連平，張利

(北京信息科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京100192)

摘要：提出了一種檢測方法，利用一個(gè)特制的鐵心線圈測試定子鐵心損耗，并提出電機(jī)鐵心老化率LH的定義。通過對老化率的計(jì)算，分析判斷鐵心老化程度。其原理是基于電磁感應(yīng)定律，建立一種電機(jī)定子鐵心損耗的檢測和分析方法；并設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的鐵心損耗檢測裝置，利用該裝置可以對待修電機(jī)鐵心進(jìn)行檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明所提出的電機(jī)鐵心老化檢測方法具有可行性，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：電機(jī)鐵心老化研究； 鐵心損耗測試； 單片機(jī)檢測裝置

0引言

電機(jī)在運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)過載、斷相、短路等故障。這些故障常常會導(dǎo)致定子繞組燒毀。對于燒毀繞組的電機(jī)通常是直接送到電機(jī)修理廠更換繞組。一臺電機(jī)在使用過程中，可能會反復(fù)多次更換定子繞組。每次拆卸舊繞組需要加熱軟化，有時(shí)甚至采用噴燈、炭火烘烤等方法。這些方法往往會造成電機(jī)定子鐵心的絕緣損壞，引起局部短路，進(jìn)而造成渦流增大，鐵心局部或整體發(fā)熱超標(biāo)[1]。鐵心發(fā)熱又會促使繞組的溫度升高，如此反復(fù)，加快了電機(jī)定子鐵心的老化。鐵心老化一方面影響電機(jī)的運(yùn)行效率，造成電能浪費(fèi)；另一方面，由于每次更換繞組前，沒有對定子鐵心老化程度進(jìn)行判斷，導(dǎo)致更換繞組后電機(jī)壽命一次比一次短。定子鐵心老化還會引起鐵心松動、變形等，損傷定子繞組，甚至發(fā)生重大事故。因此，對待修電機(jī)定子鐵心老化的程度進(jìn)行檢測和判斷非常必要。通過對鐵心老化程度的判斷來確定繞組燒毀的電機(jī)是否有必要進(jìn)行維修。同樣，該方法也可以用于檢測和判斷使用30年以上的大型電動機(jī)或大型發(fā)電機(jī)鐵心老化程度。

目前，對鐵心老化進(jìn)行診斷的方法主要有兩種[2]。第1種是電磁噪聲測試法，即根據(jù)電磁噪聲檢測出鐵心松動。由于與電機(jī)相連的其他設(shè)備振動和電機(jī)安裝精度的不同，故電磁噪聲的變化是不同的，沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)對鐵心老化進(jìn)行判斷。這種方法不能判斷出鐵心變形和老化情況。第2種方法是振動測試法，即根據(jù)定子鐵心外殼振動去判斷鐵心老化程度。這種方法不便于區(qū)分鐵心振動量與軸承振動量的關(guān)系，因此這種方法測量誤差比較大，也不適合鐵心老化的判斷。

電機(jī)定子鐵心由硅鋼片疊裝組合而成，在制造和檢修過程中，處理不當(dāng)會造成質(zhì)量下降，再加之經(jīng)過多年的運(yùn)行。在冷熱和機(jī)械力的作用下，鐵心片之間的絕緣將被損壞，造成鐵心沖片之間絕緣變差，引起渦流損耗增大，故鐵心損耗增大。

目前對硅鋼片損耗測試研究比較多[3]，測試儀器也相對比較成熟，但是還沒有一種設(shè)備可以對電機(jī)定子鐵心損耗進(jìn)行直接測量。因?yàn)殡姍C(jī)定子鐵心是由硅鋼片壓制疊裝而成，其鐵心齒部形狀復(fù)雜，所以對電機(jī)定子鐵心損耗測試難度較大[4]?；谏鲜龇治觯疚脑O(shè)計(jì)了一種鐵心損耗測試裝置，由測試鐵心環(huán)、測試?yán)@組、檢測電路組成。然后對老化率進(jìn)行了定義，通過對老化率的計(jì)算，分析判斷鐵心老化程度。

1電機(jī)定子鐵心損耗檢測裝置設(shè)計(jì)

本文根據(jù)電機(jī)尺寸參數(shù)、電機(jī)定子鐵心所用的硅鋼片類型，以磁路最短為原則，設(shè)計(jì)了一個(gè)開口測試磁環(huán)。在設(shè)計(jì)過程中所用硅鋼片型號和被測電機(jī)定子鐵心所用硅鋼片一致，開口磁環(huán)端部寬度與電機(jī)定子齒部寬度相同，端部縫隙寬度為電機(jī)定子兩個(gè)齒部之間的寬度，以便在測試時(shí)使開口磁環(huán)和電機(jī)定子齒部、軛部構(gòu)成一個(gè)閉合回路。在開口磁環(huán)上纏繞勵磁線圈，線圈的匝數(shù)和線徑的選擇需要參考磁環(huán)的大小、勵磁電源電壓的大小以及激磁電流的大小來確定。勵磁電源需要工頻穩(wěn)壓交流電源，輸出正弦波穩(wěn)定性要好[5]。電機(jī)鐵心損耗測試原理圖如圖1所示。圖1中U1為一次側(cè)電壓、I1為一次側(cè)電流、U2為二次側(cè)電壓。

圖1　鐵心損耗測試裝置原理圖

在進(jìn)行測試前，需要先將定子鐵心的繞組拆除，避免原繞組感應(yīng)渦流，產(chǎn)生附加磁通，對測試結(jié)果造成影響。拆除之后，將開口磁環(huán)端部與電機(jī)定子鐵心的齒部貼緊，使其構(gòu)成一個(gè)閉合磁路。由安培環(huán)路定律可知

(1)

式中：N——一次側(cè)線圈匝數(shù)；

Hk——第K段鐵心的磁場強(qiáng)度；

lk——第K段磁路的等效長度。

由此可以得到勵磁電流的i的值，即

(2)

勵磁電壓U由算式(3)確定。

U≈4.44fNφ=4.44fNBS

(3)

式中：φ——磁通；

B——磁通密度；

S——磁路截面積。

鐵損測量時(shí)要保證B為正弦波，且取B=1T[6]。將頻率f、磁路截面積S、線圈匝數(shù)N代入式(3)，即可求出勵磁電壓U。

如勵磁電壓U為已知，由式(3)可得磁通密度B，即

(4)

2電機(jī)定子鐵心損耗的計(jì)算方法

調(diào)節(jié)勵磁電壓，根據(jù)式(4)，使磁通密度達(dá)到設(shè)定值(即1T)，測量出一次側(cè)線圈的輸入電壓U1、電流I1和功率P1，將二次側(cè)輸出端串聯(lián)兩個(gè)幾十千歐的電阻，電壓經(jīng)過衰減之后接入單片機(jī)A/D采集端口，A/D轉(zhuǎn)換器采用10位逐次逼近的A/D轉(zhuǎn)換方式，由電容耦合放大器構(gòu)成。由此測得二次側(cè)線圈輸出電壓U2。由于二次側(cè)電流很小，只有幾毫安，故二次側(cè)的銅損可以忽略。于是一次側(cè)輸入功率P1等于線圈銅損耗、開口磁環(huán)鐵損耗、定子鐵心齒部和軛部鐵損耗之和，即

P1=PCu1+PFe1+PFe2+PFe3

(5)

式中：PCu1——一次側(cè)線圈銅損耗；

PFe1——開口磁環(huán)的鐵損耗；

PFe2——定子鐵心齒部鐵損耗；

PFe3——定子鐵心軛部鐵損耗。

設(shè)PFe是與開口磁環(huán)接觸部分定子鐵心總損耗，則

PFe=PFe2+PFe3

(6)

由式(5)和(6)可得

PFe=P1-PCu1-PFe1

(7)

對于一次側(cè)銅損的計(jì)算，可以測量出一次側(cè)線圈的電阻R和電流I1，由式(8)得出。

PCu1=I12R

(8)

計(jì)算出開口磁環(huán)的鐵心損耗PFe1的方法如下：將圖2中開口部分用硅鋼片鐵心填充，如圖陰影部分所示，使其構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)；再用相同的辦法在一次側(cè)纏繞線圈加勵磁電壓，在二次側(cè)也纏繞線圈，當(dāng)二次側(cè)輸出電壓達(dá)到設(shè)定值時(shí)，此時(shí)的磁通密度B剛好是1T。根據(jù)以上測量，計(jì)算出開口磁環(huán)的鐵心損耗PFe1。以上數(shù)據(jù)代入式(7)，即可得到PFe。

再計(jì)算出與開口磁環(huán)相接觸部分定子鐵心齒部和軛部的總質(zhì)量m，就可以得到定子鐵心單位質(zhì)量鐵損耗P0，即

圖2　開口磁環(huán)

(9)

3電機(jī)定子鐵心老化判定方法

根據(jù)定子鐵心所用硅鋼片的鐵損耗和磁通密度的關(guān)系曲線，查出新硅鋼片理論上磁通密度為1T時(shí)所對應(yīng)的硅鋼片單位質(zhì)量損耗Pb。這里由于將定子鐵心齒部和軛部的鐵損耗分開計(jì)算，故需要查出齒部磁通密度為BT1時(shí)所對應(yīng)的齒部單位質(zhì)量鐵耗PT1，軛部磁通密度為BC1時(shí)所對應(yīng)的軛部單位質(zhì)量鐵耗PC1。根據(jù)文獻(xiàn)[7]中定義電機(jī)定子鐵心單位質(zhì)量鐵損值

PL=k1PT1+k2PC1

(10)

式中：對于半閉口槽齒部鐵耗修正系數(shù)k1取2.5，對于軛部修正系數(shù)k2取2。

從電機(jī)設(shè)計(jì)角度，半閉口槽齒部修正系數(shù)k1=2.5，軛部修正系數(shù)k2=2，是在統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上得出的，是對大量電機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)分析的結(jié)果。對于個(gè)體電機(jī)而言可能會有一點(diǎn)誤差，但是這種誤差不會影響整體結(jié)果，因此式(10)具有參考價(jià)值。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，目前對鐵心老化程度還沒有具體定義，很多都是停留在對老化現(xiàn)象的描述層面，為此本文對鐵心老化程度提出如下定義，即鐵心老化率LH為

(11)

通過對同一臺舊電機(jī)未拆去繞組直接測量定子鐵心損耗和拆去繞組之后利用開口磁環(huán)定子鐵心損耗的結(jié)果分析，兩種測量方法得到的結(jié)果很接近；另一方面，也對多臺同型號老化程度不同的電機(jī)的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。規(guī)定當(dāng)0%≤LH<25%時(shí)，鐵心為輕度老化，電機(jī)可以更換繞組繼續(xù)使用；25%≤LH<50%時(shí)，鐵心為中度老化，對于降低容量的電機(jī)還可以使用；LH≥50%時(shí)，鐵心為嚴(yán)重老化，不能再使用了。

在檢測過程中，需要檢測較小的電壓，在0～10V，而現(xiàn)有儀表儀器電壓測試范圍比較寬，為0～220V，因此低電壓檢測精度降低。另一個(gè)問題是同時(shí)檢測一次側(cè)電壓、電流、有功功率和二次側(cè)電壓也不方便。故本文設(shè)計(jì)一個(gè)多功能檢測電路，即定子鐵心老化測試裝置。該裝置包括硬件和軟件兩個(gè)方面。硬件以電能采集芯片ADE7758和單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)一次側(cè)輸入電壓、電流、功率和二次側(cè)輸出電壓的同時(shí)測量；軟件上主要包括AD采集、數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示等。檢測系統(tǒng)框圖如圖3所示。利用ADE7758電能采集芯片的IAP和IAN兩個(gè)端口采集一次側(cè)線圈中的電流I1，端口VAP采集一次側(cè)電壓U1，端口VBP負(fù)責(zé)采集二次側(cè)電壓U2，通過采集計(jì)算，將結(jié)果通過串行口送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)送到數(shù)碼管進(jìn)行顯示，顯示參數(shù)有U1、P0、B。

圖3　鐵心損耗檢測系統(tǒng)框圖

4鐵心老化檢測試驗(yàn)

本文對2臺同型號(Y-100L- 4)的電機(jī)進(jìn)行了測試試驗(yàn)，如圖4所示。兩臺電機(jī)都曾經(jīng)出現(xiàn)過繞組燒毀的情況。圖4中右側(cè)是一臺較新的電機(jī)，使用了3年，稱為1號電機(jī)；左側(cè)的電機(jī)使用了10年，為2號電機(jī)，2臺電機(jī)定子鐵心所用的硅鋼片型號均為熱軋硅鋼片DR510-50。

圖4　兩臺試驗(yàn)電機(jī)

在測量過程中由于硅鋼片間的絕緣損壞可能存在不均勻現(xiàn)象，于是對每臺電機(jī)都做25次測量，測量時(shí)取不同的點(diǎn)，每5次測量作為一組，然后取平均值，得到5組數(shù)據(jù)。分別進(jìn)行25次測量的過程中，2臺電機(jī)的測量位置盡量保持一致，有利于提高測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。由于開口磁環(huán)和電機(jī)定子鐵心所用硅鋼片類型一樣，忽略漏磁通影響，有

Φ=BS

(12)

式中：Φ——磁路主磁通；

B——磁通密度；

S——磁路截面積。

進(jìn)一步有

(13)

式中：SC1——定子鐵心軛部截面積；

ST1——定子鐵心齒部截面積。

查閱Y-100L- 4電機(jī)參考資料，如圖5和圖6所示，得到電機(jī)定子槽相關(guān)尺寸。

電機(jī)定子齒部截面積

ST1=bT1h

(14)

圖5　定子鐵心硅鋼片

圖6　定子鐵心沖片示意圖

式中：bT1——定子齒寬度；

h——磁環(huán)的厚度。

定子軛部的截面積為

SC1=h(R1-R2)

(15)

計(jì)算得到SC1=2.5cm2，ST1=0.8cm2。當(dāng)主磁路的磁密B=1T，即齒部磁密BT1=1T時(shí)，將以上數(shù)據(jù)代入式(13)得到軛部磁密BC1=0.32T。查詢該類型的硅鋼片損耗曲線和磁化曲線，當(dāng)齒部磁通密度BT1=1T時(shí)，鐵損PT1為1.961W/kg；當(dāng)軛部磁通密度BC1=0.32T時(shí)，鐵損PC1為0.293W/kg。根據(jù)式(10)計(jì)算可得PL=5.49W/kg。

4.1二次側(cè)電壓U2和總體鐵損PFe的計(jì)算

現(xiàn)在利用精密可調(diào)的單相交流穩(wěn)壓電源(該電源的頻率可調(diào)，輸入電壓為220V，輸出電壓為0～50V連續(xù)可調(diào)，電壓畸變率≤1.5%)，作為勵磁電源配上設(shè)計(jì)的鐵損測試裝置進(jìn)行測量。測量時(shí)調(diào)節(jié)勵磁電源，使二次側(cè)電壓U2等于1.776V，此時(shí)的磁通密度B為1T，對應(yīng)一次側(cè)的輸入功率為P1、輸入電流I1、輸入電壓U1，之后測出一次側(cè)線圈電阻R1=1.907Ω，由此求出PCu1。

在以上條件下，分別對1號、2號電機(jī)進(jìn)行測量。每臺電機(jī)測量5組，測量結(jié)果如下。

表1　1號電機(jī)測試參數(shù)

表2　2號電機(jī)測試參數(shù)

4.2磁環(huán)鐵損PFe1和定子鐵心損耗PFe的計(jì)算

4.3與開口磁環(huán)相接觸部分的定子鐵心質(zhì)量計(jì)算

對于與開口磁環(huán)接觸的定子齒部及軛部的質(zhì)量m計(jì)算方法如下：

與開口磁環(huán)相對應(yīng)的定子齒部體積為VT，

VT=hbT1(D1-D2)

(16)

式中：D1——定子沖片的外徑；

D2——定子沖片的內(nèi)徑。

與開口磁環(huán)相對應(yīng)的定子軛部的體積為VC，

(17)

總體積為V=VT+VC，再根據(jù)m=Vρ，算出質(zhì)量m，ρ取7.75g/cm3。按照以上計(jì)算方法，得出m=39.786g，最后由式(9)可以得到所測的定子鐵心的單位質(zhì)量鐵心損耗。

表1和表2是分別對1號電機(jī)(新電機(jī))和2號電機(jī)(舊電機(jī))做了5組測量，每組包含5次測量，測量之后求平均值，每次都取定子鐵心內(nèi)部的不同位置進(jìn)行測量，并且每次測量前都要經(jīng)過退磁處理。最后對5組測量數(shù)據(jù)再求平均值得到的測量數(shù)據(jù)。根據(jù)表1和表2得到的平均值，可以計(jì)算出1號電機(jī)和2號電機(jī)的計(jì)算參數(shù)，如表3所示。從表3中可以看到2號電機(jī)的單位質(zhì)量鐵損耗明顯比1號電機(jī)大。

表3　1號電機(jī)和2號電機(jī)計(jì)算參數(shù)對比

由表3中的數(shù)據(jù)可以看出：1號電機(jī)單位質(zhì)量鐵心損耗平均值P0=6.786W/kg，2號電機(jī)單位質(zhì)量鐵心損耗平均值P0=10.230W/kg。1號電機(jī)的老化率23.6%，為輕度老化，還可以更換繞組繼續(xù)使用；2號電機(jī)的老化率是86.3%，超過了50%，屬于嚴(yán)重老化，不能再維修使用了。

5結(jié)語

本文對待修電機(jī)鐵心老化測試方法進(jìn)行了研究，提出了電機(jī)鐵心老化檢測的方法，定義了有關(guān)老化程度的計(jì)算，并設(shè)計(jì)了一套測試裝置對待修電機(jī)定子鐵損進(jìn)行測量，最后對鐵心老化程度進(jìn)行了評價(jià)。雖然由于開口磁環(huán)和電機(jī)定子鐵心接觸面之間存在氣隙，接觸面都經(jīng)過打磨，還會產(chǎn)生一點(diǎn)誤差，但對鐵心老化的評價(jià)影響不大。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]程惠黎.中小型電機(jī)多次返修前的鐵芯試驗(yàn)[J].中小型電機(jī)技術(shù)情報(bào),1979(5)：47- 48.

[2]平田孝夫.發(fā)電機(jī)定子鐵心老化判斷[J].國外大電機(jī)，2005(2)：19-22.

[3]杭亮,顧偉駟,蘇英倆.基于ARM7的硅鋼片鐵損測試儀[J].機(jī)電工程,2009,26(3)：47- 49.

[4]SCHMIDT N, GULDNER H. A simple method to determine dynamic hysteresis loops of soft magnetic materials[J]. Magnetics, IEEE Transactions on，1996，32(2)：489-496.

[5]鄭賽軍,黃進(jìn),牛發(fā)亮.鐵心損耗測試裝置電源的研制[J].中小型電機(jī),2004(5)：67-69.

[6]梅文余.動態(tài)磁性測量[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[7]黃堅(jiān)，郭中醒.實(shí)用電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算手冊[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，2010.

Testing and Evaluating Methods Research to Stator Core Ageing of the Old Motor

ZONGHegang,BAILianping,ZHANGLi

(Institute of automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Abstract：A detection method which testing the iron-core by a special iron core coil was proposed and the aging degree of core was analyzed. Then defining the aging rate LH which we could analysis and judge the aging condition of core by calculating it. The principle was based on the electromagnetic induction principle and established a measurement analysis method of stator core loss. Designing a core loss detection device whose core was CPU and used it to test the repair motor. The results of experiment show that the presented aging testing method is feasible. The detection device can achieve the desired effect.

Key words：the research of motor iron core aging; core loss test; single-chip microcomputer testing device

作者簡介：宗和剛(1988—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)測試技術(shù)。 白連平(1956—)男，博士，教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)節(jié)能與測試技術(shù)。

中圖分類號：TM 306

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)05- 0079- 05

收稿日期：2015-10-10