淺談船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組加速老化試驗(yàn)和評(píng)估方法

王建軍

(海軍駐上海711所軍事代表室，上海 200011)

淺談船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組加速老化試驗(yàn)和評(píng)估方法

王建軍

(海軍駐上海711所軍事代表室，上海 200011)

介紹了船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的老化機(jī)理，在此基礎(chǔ)上給出了船用電動(dòng)機(jī)電氣絕緣系統(tǒng)加速老化試驗(yàn)程序和評(píng)估方法，并對(duì)某船用電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了加速老化試驗(yàn)，給出了試驗(yàn)評(píng)估結(jié)果。該加速老化試驗(yàn)和評(píng)估方法可用于指導(dǎo)船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的壽命評(píng)估。

電動(dòng)機(jī)； 絕緣繞組； 加速老化； 試驗(yàn)

0 引 言

船用三相異步電動(dòng)機(jī)是船舶輔機(jī)空壓機(jī)、通風(fēng)機(jī)、水泵、油泵等裝備的驅(qū)動(dòng)機(jī)械，是船舶重要的基本設(shè)備，其可靠性涉及動(dòng)力、電力和各種機(jī)電設(shè)備的可靠性問題。由電動(dòng)機(jī)的故障模式分析可知，絕緣繞組故障是導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)失效的致命故障。由此可見，絕緣繞組對(duì)電動(dòng)機(jī)的壽命和可靠性的影響在諸多因素中較為突出。隨著對(duì)船舶設(shè)備可靠性要求的逐步提高，要求船用三相異步電動(dòng)機(jī)具備至少20年甚至更長(zhǎng)的壽命指標(biāo)。為了確保船用電動(dòng)機(jī)滿足壽命要求，作為影響船用電動(dòng)機(jī)可靠性的重要因素之一的絕緣繞組，有必要對(duì)其壽命評(píng)估方法進(jìn)行研究。

較之常規(guī)電動(dòng)機(jī)，船用電動(dòng)機(jī)由于受船舶環(huán)境的影響，絕緣承受更加嚴(yán)酷的機(jī)械環(huán)境。工作環(huán)境對(duì)電動(dòng)機(jī)絕緣壽命的影響不可忽視。目前國內(nèi)對(duì)普通中小型三相異步電動(dòng)機(jī)的絕緣繞組系統(tǒng)均采用GB/T 17948.1—2000《旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)功能性評(píng)定 散繞繞組試驗(yàn)規(guī)程 熱評(píng)定與分級(jí)》。該功能性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)中，診斷因子中的機(jī)械性能試驗(yàn)和潮濕試驗(yàn)不適用于船用電動(dòng)機(jī)，已不能有效評(píng)估船用電動(dòng)機(jī)的絕緣性能。本文針對(duì)船用電動(dòng)機(jī)的特殊使用場(chǎng)合，對(duì)船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組加速老化試驗(yàn)方法和評(píng)估方法進(jìn)行研究，以期獲得指導(dǎo)船用電動(dòng)機(jī)可靠性評(píng)估的試驗(yàn)方法和評(píng)估方法。

1 絕緣繞組加速老化機(jī)理

船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的絕緣一般由聚酰亞胺薄膜等組成。它們都是高分子材料，在加工、儲(chǔ)存和使用過程中，由于受到內(nèi)外因素的綜合作用，性能逐漸變差，以致最后喪失絕緣性能。高分子材料的老化是由內(nèi)因和外因兩部分原因引起的。內(nèi)因主要是構(gòu)成材料的基本成分——高聚物本身的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和材料體系內(nèi)部各組分的性質(zhì)、比例等。外因是指外界的環(huán)境因素，包括物理因素、化學(xué)因素和生物因素等，其中太陽光、熱、空氣中的氧和濕度等是材料老化的重要因素。船用電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于船舶中，其受太陽光的影響比較小，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，其溫度升高的熱環(huán)境對(duì)電動(dòng)機(jī)的絕緣老化則起著決定性的作用，即熱老化作用。另船舶環(huán)境中的濕熱、鹽霧、振動(dòng)等環(huán)境對(duì)船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的老化也有著不可忽略的影響。

船用電動(dòng)機(jī)絕緣承受熱老化包括作為化學(xué)降解反應(yīng)、聚合、解聚、擴(kuò)散等的結(jié)果而進(jìn)行的化學(xué)和物理變化和由于熱膨脹和(或)熱收縮的力所引起的熱機(jī)械作用。人們?cè)跍囟葘?duì)絕緣材料的性能和壽命的不良影響方面做的大量研究工作表明，絕緣材料的熱老化遵循阿倫尼烏斯(Arrhenius)定律：

(1)

式中:L——壽命；a——常數(shù)；E——活化能；k——波爾茲曼常數(shù)；T——絕對(duì)溫度。

2 絕緣繞組加速老化試驗(yàn)分析

2.1 試驗(yàn)原理

阿倫尼烏斯(Arrhenius)理論是加速老化試驗(yàn)的理論基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行對(duì)數(shù)變換，可得壽命的對(duì)數(shù)與相對(duì)應(yīng)的絕緣溫度的倒數(shù)之間存在線性關(guān)系。

lgτ=A+B/T

(2)

式中：τ——熱壽命；T——熱力學(xué)(絕對(duì))溫度；A、B——常數(shù)。

因此為盡快得到絕緣材料的壽命值，可采用提高試驗(yàn)溫度的方式進(jìn)行老化試驗(yàn)，即加速熱老化試驗(yàn)。通過加速熱老化試驗(yàn)求取壽命與溫度的關(guān)系曲線，然后用外推法求取工作溫度下的壽命，或求取規(guī)定壽命下對(duì)應(yīng)的溫度指數(shù)。

電動(dòng)機(jī)的加速老化試驗(yàn)可采用模型線圈或整機(jī)試驗(yàn)進(jìn)行，當(dāng)電動(dòng)機(jī)功率較大時(shí)，一般采用模型線圈進(jìn)行加速老化試驗(yàn)。模型線圈的設(shè)計(jì)應(yīng)體現(xiàn)全部的基本單元，模擬完整的絕緣結(jié)構(gòu)。

本文中船用電動(dòng)機(jī)加速老化試驗(yàn)采用模型線圈開展加速熱老化試驗(yàn)研究，即采用能夠?qū)τ筛邷?、振?dòng)、濕熱等引起的失效模式進(jìn)行測(cè)試的絕緣繞組典型模型線圈，經(jīng)過篩選試驗(yàn)后，通過對(duì)線圈進(jìn)行高溫加速老化試驗(yàn)，以確定它們的功能壽命。

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 試驗(yàn)程序

(1) 樣品篩選試驗(yàn)。樣品在加速老化周期試驗(yàn)前，均應(yīng)進(jìn)行篩選試驗(yàn)，篩選試驗(yàn)程序?yàn)橄日駝?dòng)試驗(yàn)，再濕熱試驗(yàn)，然后介電性能試驗(yàn)。介電性能試驗(yàn)合格的樣品，可轉(zhuǎn)入下一步的周期試驗(yàn)，沒有通過篩選試驗(yàn)的樣品不再使用。

(2) 樣品加速老化周期試驗(yàn)。加速老化周期試驗(yàn)為周期循環(huán)試驗(yàn)，每一周期包含: 熱老化分周期和診斷分周期，依次進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)和介電性能試驗(yàn)。

2.2.2 試驗(yàn)樣品數(shù)量和標(biāo)號(hào)

試驗(yàn)樣品共計(jì)30個(gè)，分為3組參與試驗(yàn)，試驗(yàn)樣品應(yīng)有清晰的標(biāo)號(hào)，第一組1～10號(hào)，第二組11～20號(hào)，第三組21～30號(hào)。

2.2.3 試驗(yàn)應(yīng)力

(1) 熱老化。試品的熱老化溫度剖面根據(jù)電動(dòng)機(jī)絕緣繞組材料的耐受溫度進(jìn)行選取，溫度點(diǎn)之間溫度至少相差10℃，本文針對(duì)H級(jí)絕緣電動(dòng)機(jī)，選取三個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行,如表1所示。

表1 H級(jí)絕緣電動(dòng)機(jī)選取的3個(gè)溫度點(diǎn)

溫度的施加采用熱老化箱進(jìn)行加熱，加熱方法可以按GB/T 11026.4的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，最大溫度偏差溫度為2K。

(2) 振動(dòng)試驗(yàn)。船用電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)應(yīng)力剖面是根據(jù)其船用要求進(jìn)行規(guī)定，與普通電動(dòng)機(jī)加速老化試驗(yàn)中要求每一模型線圈須在振動(dòng)臺(tái)上經(jīng)受1h的機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)，取相當(dāng)于1.5g加速度的振幅值不同。船用電動(dòng)機(jī)的振動(dòng)為復(fù)雜的自然環(huán)境(海浪、風(fēng))激勵(lì)、強(qiáng)迫激勵(lì)(螺旋槳轉(zhuǎn)速、往復(fù)機(jī)械和其他裝備的運(yùn)行等)、船舶結(jié)構(gòu)、設(shè)備安裝結(jié)構(gòu)和設(shè)備響應(yīng)的復(fù)雜函數(shù)。船用電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)中對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行隨機(jī)試驗(yàn)和耐振試驗(yàn)，本文認(rèn)為船用電動(dòng)機(jī)的加速老化振動(dòng)應(yīng)力應(yīng)考慮其最惡劣的振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行。因此船用電動(dòng)機(jī)根據(jù)其特殊應(yīng)用場(chǎng)合，其振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)的振動(dòng)應(yīng)力剖面應(yīng)按GJB 899A—2009相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)樣品在安裝架上進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，在Z軸方向上進(jìn)行。

施加6h振動(dòng)應(yīng)力，并以3h為一個(gè)振動(dòng)循環(huán)。每一個(gè)3h的振動(dòng)循環(huán)中應(yīng)先施加戰(zhàn)斗損壞頻譜10min；然后在其余時(shí)間內(nèi)施加運(yùn)輸隨機(jī)頻譜，每振動(dòng)20min停機(jī)10min，并以此重復(fù)進(jìn)行。施加戰(zhàn)斗損壞頻譜時(shí)應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行對(duì)數(shù)正弦掃描： 頻率范圍為4～60Hz；振幅為0.76mm±0.15mm(4～15Hz)，7.5m/s2(15～60Hz)；持續(xù)時(shí)間為10min±2min(上5min，下5min)。施加運(yùn)輸隨機(jī)頻譜時(shí)應(yīng)按以下規(guī)定進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)，頻率范圍為10～200Hz；量級(jí)(總均方根值r.m.s)為10m/s2；持續(xù)時(shí)間為22min。

(3) 濕熱試驗(yàn)。船用電動(dòng)機(jī)的濕熱試驗(yàn)方法是根據(jù)其船用要求進(jìn)行規(guī)定，與普通電動(dòng)機(jī)加速老化試驗(yàn)中要求潮濕試驗(yàn)至少應(yīng)持續(xù)48h，溫度約為13～35℃的室溫不同。本船用電動(dòng)機(jī)根據(jù)其特殊應(yīng)用場(chǎng)合，采用的是交變濕熱方法，船用電動(dòng)機(jī)型式試驗(yàn)的濕熱試驗(yàn)為24h為一循環(huán)，共進(jìn)行10個(gè)周期的濕熱試驗(yàn)。分析船用電動(dòng)機(jī)加速老化試驗(yàn)失效周期一般為5～10老化周期，因此船用電動(dòng)機(jī)加速老化試驗(yàn)每個(gè)周期的交變濕熱試驗(yàn)采用48h，2個(gè)周期進(jìn)行。船用電動(dòng)機(jī)的濕熱試驗(yàn)方法應(yīng)按GJB 150.9A—2009相關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)前，試驗(yàn)樣品應(yīng)在正常大氣條件下放置24h以上，即試品在濕熱試驗(yàn)之前應(yīng)恢復(fù)到室溫。濕熱暴露持續(xù)時(shí)間為48h；以24h為一個(gè)循環(huán)周期，按GJB 150.9A—2009相關(guān)規(guī)定進(jìn)行濕熱循環(huán)控制。

(4) 介電性能試驗(yàn)。當(dāng)試品經(jīng)過上述試驗(yàn)后，需進(jìn)行介電性能試驗(yàn)，介電性能試驗(yàn)可從試驗(yàn)箱內(nèi)取出后進(jìn)行，但是介電性能試驗(yàn)時(shí)間不能超過30min。超過30min需參照GJB 150.9A—2009相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

船用電動(dòng)機(jī)的介電性能首先對(duì)并繞導(dǎo)體間，其次是線圈間，最后是對(duì)地施加試驗(yàn)電壓，每次歷時(shí)10min。

3 絕緣繞組加速老化試驗(yàn)評(píng)估方法

3.1 三點(diǎn)熱壽命法

三點(diǎn)熱壽命法是采用3個(gè)溫度點(diǎn)進(jìn)行加速老化試驗(yàn)，根據(jù)老化試驗(yàn)結(jié)果繪制溫度-失效時(shí)間曲線，即得熱壽命方程及回歸特性曲線。其統(tǒng)計(jì)方案是基于GB/T 21223—2007中所述的原理，其原理可以簡(jiǎn)述如下：

(1) 到達(dá)規(guī)定終點(diǎn)所需的時(shí)間(終點(diǎn)時(shí)間)的對(duì)數(shù)平均值與熱力學(xué)(絕對(duì))溫度的倒數(shù)之間呈線性關(guān)系。

(2) 終點(diǎn)時(shí)間的對(duì)數(shù)偏離線性關(guān)系通常呈正態(tài)分布，其反差與老化溫度無關(guān)。

熱老化方程的曲線繪制基于坐標(biāo)系中X-值和Y-值的選取與表示。

對(duì)于每一溫度組，X-值應(yīng)用式(2)計(jì)算：

X=1/(θ+Θ0)

(3)

式中:θ——以攝氏度表示的溫度；Θ0=273.15K。

對(duì)于每一溫度組內(nèi)的每一個(gè)試品，其失效時(shí)間按如下方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：

(1) 如果試品在老化周期的診斷試驗(yàn)中失效，那么計(jì)算其最接近終點(diǎn)之前的老化周期的中點(diǎn)時(shí)間并取該時(shí)間的對(duì)數(shù)作為Y-值；

(2) 如果試品在老化周期的診斷試驗(yàn)中未失效，但其所在溫度組中的樣品已超過50%的試樣失效(試驗(yàn)中某溫度組下5個(gè)模型線圈失效時(shí))，則終止該溫度組的老化試驗(yàn)。未失效的試品則認(rèn)為其在下個(gè)周期的診斷試驗(yàn)中發(fā)生失效，即取下個(gè)周期的中點(diǎn)時(shí)間作為終點(diǎn)時(shí)間并取對(duì)數(shù)作為Y-值。

將獲得的X-、Y-全部在坐標(biāo)系中描點(diǎn)，直接通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)軟件(Excel、Origin、MATLAB等)，利用最小二乘法進(jìn)行一次線性擬合，得到絕緣結(jié)構(gòu)的熱壽命方程及回歸特性曲線。根據(jù)壽命方程，可以計(jì)算出失效時(shí)間為20a(175200h)的溫度外推值。當(dāng)采用已完成的試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)失效時(shí)間為20a(175200h)溫度外推值大于電動(dòng)機(jī)的最熱點(diǎn)溫度時(shí)，可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的壽命滿足20a要求。

3.2 熱失重分析法

熱失重分析法是采用絕緣繞組材料的熱失重試驗(yàn)和絕緣繞組的單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)結(jié)合起來，求取絕緣繞組的熱壽命方程及回歸特性曲線。即由熱失重試驗(yàn)求得熱壽命方程的斜率，代入單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)溫度和時(shí)間，獲得熱壽命方程,進(jìn)而評(píng)估絕緣繞組的壽命。

式(2)中斜率B與活化能EP的關(guān)系：

B=EP/4.576

(4)

EP通過絕緣繞組的熱失重試驗(yàn)求得。

熱失重試驗(yàn)方法如下： 取適量絕緣結(jié)構(gòu)試樣，磨成粉末(粉末包括絕緣結(jié)構(gòu)中所有絕緣材料)，用熱重分析儀測(cè)試其失重過程，試驗(yàn)氣氛為常壓空氣，升溫速度為3℃/min。取絕緣粉末失重5%～50%(間隔5%)所對(duì)應(yīng)的10個(gè)溫度值，然后根據(jù)JB/T 1544—2015標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試樣的活化能計(jì)算，再由活化能計(jì)算熱壽命方程的斜率。

將斜率B和熱老化試驗(yàn)溫度和時(shí)間代入，即可獲得熱壽命平行線方程。通過熱壽命平行線方程可以計(jì)算出失效時(shí)間為20a(175200h)的溫度外推值。當(dāng)溫度外推值大于電動(dòng)機(jī)的最熱點(diǎn)溫度時(shí)，可認(rèn)為電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的壽命滿足20a要求。

4 絕緣繞組加速老化試驗(yàn)和評(píng)估

本文采用熱失重分析法進(jìn)行了某電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的加速老化試驗(yàn)和評(píng)估。

首先針對(duì)該電動(dòng)機(jī)絕緣繞組中的絕緣材料進(jìn)行熱失重試驗(yàn)，熱失重試驗(yàn)中失重5%～50%(間隔5%)所對(duì)應(yīng)的10個(gè)溫度值如表2所示。

表2 熱失重試驗(yàn)中失重5%～50%(間隔5%)所對(duì)應(yīng)的10個(gè)溫度值

失重/%溫度值/℃失重/%溫度值/℃5307103461536620377253853039135397404014540550409

根據(jù)JB/T 1544—2015標(biāo)準(zhǔn)可求得該電動(dòng)機(jī)絕緣繞組活化能EP為30254.2789，斜率B為6611.5120。

其次，對(duì)絕緣繞組進(jìn)行單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)，該電動(dòng)機(jī)絕緣繞組經(jīng)過了單點(diǎn)215℃的熱老化試驗(yàn)，絕緣結(jié)構(gòu)經(jīng)過總計(jì)2周期(288h)的熱老化試驗(yàn)后，可得到單點(diǎn)(215℃,288h)，代入單點(diǎn)熱老化試驗(yàn)結(jié)果，得到A值，可求得熱壽命平行線方程為

lg τ=-11.0846+6611.5120/T

在平行線方程上求出20a(175200h)對(duì)應(yīng)的溫度，即為壽命20a對(duì)應(yīng)的溫度外推值，可得溫度外推值為131.8℃。該電動(dòng)機(jī)正常工作的最高熱點(diǎn)溫度為105℃，低于溫度外推值。表明該船用電動(dòng)機(jī)絕緣壽命滿足20a指標(biāo)要求。

5 結(jié) 語

船用電動(dòng)機(jī)的絕緣繞組關(guān)系船舶的可靠運(yùn)行，通過分析船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的加速老化機(jī)理，根據(jù)阿倫尼烏斯(Arrhenius)理論，提出了船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的加速老化試驗(yàn)方法和評(píng)估方法，并采用熱失重分析法進(jìn)行了某船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的壽命評(píng)估。該試驗(yàn)方法和評(píng)估方法可用于指導(dǎo)船用電動(dòng)機(jī)絕緣繞組的壽命評(píng)估。

[1] 旋轉(zhuǎn)電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)功能性評(píng)定 散繞繞組試驗(yàn)規(guī)程 熱評(píng)定與分級(jí): GB/T 17948.1—2000[S].

[2] 電氣絕緣材料耐熱性第4部分： 老化烘箱單室： GB/T 11026.4—2012[S].

[3] 可靠性鑒定和驗(yàn)收試驗(yàn)： GJB 899A—2009[S].

[4] 老化試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析導(dǎo)則建立在正態(tài)分布的試驗(yàn)結(jié)果的平均值基礎(chǔ)上的方法： GB/T 21223—2007[S].

[5] 電氣絕緣浸漬漆和漆布快速熱老化試驗(yàn)方法—熱重點(diǎn)斜法: JB/T 1544—2015[S].

Brief Talk on the Method of Accelerated Aging Test and Evaluation for Marine Motor Insulation Winding

WANGJianjun

(Military Deputy Department in Shanghai 711 Institute, Shanghai 200011, China)

The aging mechanism of marine motor insulation winding was discussed. On this basis, the method of accelerated aging test and evaluation for marine motor electrical insulation system was given. The accelerated aging test was carried out on a marine motor with test results given. And this method was proved to be able to guide the life evaluation of the insulation winding of marine motor.

motor; insulation winding; accelerated aging; test

王建軍(1976— )，工程師，研究方向?yàn)榇皠?dòng)力裝置、電氣設(shè)備研究和監(jiān)造工作。

TM 305.2

A

1673-6540(2016)12- 0100- 04

2016-10-30