壓縮機用永磁同步電機的電氣絕緣性研究

魏會軍,陳華杰,周 博,江勝軍,張 輝

(1.珠海格力電器股份有限公司,珠海517907;2.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室,珠海517907)

0 引 言

永磁同步電機因其高效性和寬調(diào)速性被廣泛應(yīng)用于變頻空調(diào)制冷壓縮機領(lǐng)域,與傳統(tǒng)的工業(yè)用電機不同,壓縮機用永磁同步電機被壓縮機內(nèi)部的制冷劑所密封,由于受高溫高壓制冷劑的影響,永磁同步電機電氣絕緣受到嚴(yán)峻考驗[1-2],未考慮絕緣問題的永磁同步電機應(yīng)用在壓縮機領(lǐng)域,經(jīng)常會出現(xiàn)絕緣失效的問題。

對于電機電氣絕緣特性的研究,國內(nèi)外有諸多文獻[3-6],但幾乎都是集中在空氣密封狀態(tài)下電機本體的絕緣特性研究,并指出繞組漆膜的電介質(zhì)破壞引起的繞組局部放電是制約電機絕緣壽命的主要原因[7-8]。而制冷劑對電機絕緣特性的影響目前尚無任何報道。在對本司出現(xiàn)電氣絕緣損壞的壓縮機電機解剖后發(fā)現(xiàn),絕緣失效主要是因絕緣槽紙的上下竄位和繞組漆膜的局部損傷。制冷劑的存在改變電機定子鐵心和定子繞組之間的靜電容量[9],縮短了電機繞組的絕緣壽命,進一步惡化電機槽絕緣系統(tǒng),是造成壓縮機用永磁同步電機絕緣失效的根本原因。

本文基于此,一方面研究制冷劑對壓縮機用永磁同步電機的電氣絕緣的影響規(guī)律,解析制冷劑縮短電機絕緣壽命的過程,為空調(diào)系統(tǒng)制冷劑的選擇提供依據(jù);另一方面對壓縮機用永磁同步電機絕緣系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,抑制制冷劑造成的絕緣環(huán)境的惡化,提高壓縮機及其系統(tǒng)的可靠性和安全性,滿足空調(diào)系統(tǒng)的絕緣要求及保障電器設(shè)備的使用壽命。

1 電機的電氣絕緣機理分析

電機絕緣特性主要是通過絕緣電阻、耐壓漏電流和泄漏電流三個指標(biāo)來衡量,此三者均采用大功率工頻電壓進行測試,該試驗方法較易破壞絕緣性[10-11],相關(guān)原理在諸多文獻有所介紹。為了確認(rèn)制冷劑對電機定子及絕緣系統(tǒng)的影響,本文通過真空性能測試一體化設(shè)備來檢測定子絕緣情況,進一步明確制冷劑僅僅是加速電機繞組的絕緣壽命,降低絕緣性能,并不會損傷電機絕緣系統(tǒng)。圖1為真空性能測試一體化設(shè)備。在高壓脈沖的激勵下,利用高壓充電之微小電容與待測線圈形成RLC并聯(lián)諧振,由此形成自激衰減振蕩波形,且該振蕩波形曲線、衰減快慢、頻率都與R,L,C相關(guān)。在高壓下的一個振蕩波形中,可以檢出線圈自絕緣、相間絕緣、以及線圈鐵心或金屬外殼絕緣。線圈中出現(xiàn)斷線、短路等都直接影響諧振電路參數(shù),通過和標(biāo)準(zhǔn)件波形的對比,也可以檢出電阻、電感不合格品。

圖1 真空性能測試一體化設(shè)備

線圈振蕩是電能和磁能不斷交換的過程,標(biāo)準(zhǔn)波形如圖2所示,整個過程分為Ⅰ～Ⅵ六個階段?，F(xiàn)就兩種簡單的不良情況進行說明。

圖2 線圈振蕩標(biāo)準(zhǔn)波形圖

1)當(dāng)被測線圈內(nèi)部已出現(xiàn)斷線,如圖3所示,與標(biāo)準(zhǔn)件相比,Ⅰ～Ⅱ時段設(shè)備高壓電容完成了充電,由于斷線的原因,Ⅱ～Ⅲ時段高壓電容不能與線圈形成閉合回路,線圈振蕩不會出現(xiàn),直接進入Ⅳ～Ⅴ時段,設(shè)備高壓電容放電歸零。

圖3 斷線不良情況

2)當(dāng)線圈出現(xiàn)漆膜破損、槽楔、端部絕緣紙嵌入不良,會出現(xiàn)層間沖擊,槽絕緣放入不到位,會引起線圈對鐵心沖擊,嚴(yán)重時會出現(xiàn)打火現(xiàn)象。打火可以直接造成線圈損傷,同時可以作為一個干擾源,給線圈引入高頻信號,測試時電暈點將明顯增加。同時互感現(xiàn)象也會變得非常明顯,線圈表現(xiàn)的對外電感L會變得很小,因此,在Ⅱ～Ⅲ時段后,電氣時間常數(shù)也很小,線圈電壓衰減更快,比標(biāo)準(zhǔn)件更早過零點,如圖4所示,整個波形出現(xiàn)一種超前趨勢。

圖4 線圈打火情況

2 電機的電氣絕緣試驗研究

壓縮機用永磁同步電機通過外殼接線柱與系統(tǒng)管路相連,測試系統(tǒng)如圖5所示,灌注不同種類和質(zhì)量的制冷劑,可以通過調(diào)節(jié)壓力值控制制冷劑存在的主要物理狀態(tài)。圖6為制冷劑灌注設(shè)備的操作界面,可以選擇制冷劑種類、灌注量及充注壓力等參數(shù)。制冷劑在系統(tǒng)靜置一段時間,可能會有部分回流至壓縮機本體,影響測試結(jié)果,測試中在管道上安裝兩個閥門來控制制冷劑的回流。

圖5 測試系統(tǒng)

圖6 設(shè)備界面

2.1 系統(tǒng)管路的影響

采用不同的系統(tǒng)測試情況如表1所示,由于系統(tǒng)管路的導(dǎo)電性,電機的絕緣電阻大幅度降低,電流大幅度增加。而不同的系統(tǒng)管路條件下,電機的絕緣電阻變化幅度很大,耐壓電流和泄漏電流變化趨勢一致,且基本保持不變。因此,相較于絕緣電阻,耐壓電流和泄漏電流更能夠反映出電機的絕緣水平。

表1 電機絕緣性測試數(shù)據(jù)

本司根據(jù)大量試驗得出:在如表2所示的絕緣測試條件下[12-13],電機的絕緣電阻在100～240 MΩ,耐壓漏電流在1.6～2.52 mA,泄漏電流在0～0.091 mA,真空波形系數(shù)良好,電機不會出現(xiàn)擊穿或者絕緣不良的問題。相較于絕緣電阻,耐壓電流和泄漏電流更能夠反映出電機的絕緣情況。

表2 電機絕緣性測試條件

2.2 灌注R410A和R22的測試情況

制冷劑對電機絕緣性的影響主要從冷媒灌注量、物理狀態(tài)和種類等方面進行研究。表3為其理化特性[14],表4和表5為試驗數(shù)據(jù)。

表3 制冷劑R410A和R22的理化特性

在不同量制冷劑范圍內(nèi),電機的波形面積差小于10%和電暈數(shù)小于500,電機沒有絕緣損傷,但在3 kg及以上時出現(xiàn)耐壓漏電流和泄漏電流超標(biāo)的情況,這種無絕緣缺陷的電機表現(xiàn)出絕緣耐壓不良的問題,正是由制冷劑引起的。制冷劑加速絕緣壽命,惡化絕緣環(huán)境。

表4 灌注R410A制冷劑部分測試數(shù)據(jù)

表5 灌注R22制冷劑部分測試數(shù)據(jù)

隨著制冷劑灌注量的增加,電機的絕緣電阻會逐漸降低,而耐壓漏電流和泄漏電流增加到一個飽和值后保持不變,制冷劑的影響不再明顯。同時可以看到,液相狀態(tài)的制冷劑較氣相狀態(tài)絕緣電阻更低,耐壓漏電流和泄漏電流更高。這與制冷劑不同物理狀態(tài)的理化特性吻合。不同制冷劑的理化特性可以反映出相同絕緣性能下不同制冷劑的最大灌注量。

通過試驗研究可知,制冷劑灌注量越多,絕緣耐壓性能越差,會進一步引起絕緣耐壓不良,當(dāng)制冷劑的灌注量達(dá)到一定值,絕緣水平會處于一個相對穩(wěn)定的不良狀態(tài);相同灌注量情況下,制冷劑的物理狀態(tài)對絕緣耐壓有一定影響,液相狀態(tài)較氣相狀態(tài)的絕緣耐壓性差;耐壓電流和泄漏電流能夠反映出不同制冷劑的區(qū)別,且介電常數(shù)和擊穿常數(shù)越大,耐壓漏電流和泄漏電流越大,而絕緣電阻不能反映出這種區(qū)別。

3 電機絕緣系統(tǒng)的優(yōu)化

由上述試驗可知,電機絕緣性制約著制冷劑的最大灌注量,而制冷劑需求量是依托于能效水平的,因此電機絕緣系統(tǒng)的優(yōu)化不僅能提高絕緣強度,保障用電安全,還能有益于能效提升[15]。針對本司量產(chǎn)壓縮機電機,采用的優(yōu)化技術(shù):加大槽絕緣厚度設(shè)計;槽絕緣槽口處伸出長度加長并做彎折處理;定子浸漆處理;一體式絕緣骨架設(shè)計。優(yōu)化前后情況如表6所示,其中,一體式絕緣骨架設(shè)計方案最優(yōu)。

表6 電機絕緣系統(tǒng)優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比

圖7(a)為常規(guī)絕緣骨架,圖7(b)為優(yōu)化后的一體式絕緣骨架,其將槽絕緣集成在骨架上,采用外壁輔助定位柱的定位設(shè)計。一體式絕緣骨架的核心設(shè)計點是加厚槽絕緣、減少制冷劑與絕緣系統(tǒng)的接觸面積,而不改變電機槽滿率。

圖7 優(yōu)化前后絕緣骨架裝配示意圖

為驗證優(yōu)化效果,圖8為實測優(yōu)化后的方案在壓縮機運行過程中泄漏電流情況。一體式絕緣骨架設(shè)計方案不僅能夠降低泄漏電流,還能提升最大泄漏電流出現(xiàn)的頻率點,并且降低開機時刻的泄漏電流。

圖8 不同優(yōu)化方案的泄漏電流

4 結(jié) 語

本文主要對空調(diào)系統(tǒng)中壓縮機用永磁同步電機電氣絕緣性進行研究,通過試驗找出制冷劑對電機絕緣性的影響規(guī)律,得出制冷劑可引起未發(fā)生絕緣損傷的電機產(chǎn)生絕緣耐壓不良的結(jié)論,同時為空調(diào)系統(tǒng)的制冷劑及系統(tǒng)管路的選擇提供依據(jù)。進一步地,針對壓縮機用永磁同步電機因制冷劑的存在而易發(fā)生絕緣不良的問題,對電機的絕緣系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,比較四種方案,采用一體化絕緣骨架設(shè)計的方法時,改善電機絕緣不良問題的效果最佳。