永磁磁阻電機(jī)匝間沖擊分析研究

王大號 周丹 黃忠雄 廖李平 李成龍

摘 要：電機(jī)匝間沖擊是引起電機(jī)售后故障的主要原因之一，現(xiàn)以永磁電機(jī)為例，建立匝間沖擊故障模型進(jìn)行計算，然后與正常情況進(jìn)行對比，最終得出額定負(fù)載下，正常情況和發(fā)生匝間短路時電機(jī)的輸出力矩、轉(zhuǎn)速、電流等參數(shù)的差異，分析匝間沖擊嚴(yán)重程度對電機(jī)的影響，以便及時發(fā)現(xiàn)故障并加以控制，為電機(jī)行業(yè)匝間分析提供理論和檢測依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電機(jī)匝間沖擊;仿真計算;故障檢測

0 ? ?引言

電機(jī)是空調(diào)用壓縮機(jī)的動力輸出，由電機(jī)帶動壓縮機(jī)泵體完成制冷劑的壓縮，參與空調(diào)制冷循環(huán)。在空調(diào)用壓縮機(jī)售后返修過程中，匝間沖擊導(dǎo)致的故障在電機(jī)故障中占較大比例，在電機(jī)生產(chǎn)階段如何有效地控制和減少匝間沖擊是行業(yè)面臨的難題。基于此，本文對電機(jī)匝間沖擊產(chǎn)生的原因進(jìn)行了理論和仿真分析，利用仿真軟件進(jìn)行了建模分析和故障診斷，并探討了匝間沖擊的檢測及判定方法，以及時檢測出故障定子，把故障率降到最低點，提高產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性。

1 ? ?匝間沖擊產(chǎn)生的原因

對于電機(jī)這類由漆包線繞制的產(chǎn)品來說，其絕緣性項目包括兩類：一類是繞組與鐵芯、繞組與繞組間的絕緣;另一類是繞組中線圈層與層、匝與匝之間的絕緣層。對于前者，可以使用絕緣耐壓儀進(jìn)行絕緣耐壓測試，很容易檢測。而對于后者，繞組首尾之間的直流電阻和工頻阻抗遠(yuǎn)小于它的層與層、匝與匝之間的絕緣電阻，檢測就不易實現(xiàn)[1]。

絕緣良好的漆包線可承受4 000 V的高壓，而匝間工作電壓很低，因此絕緣未受損的電機(jī)發(fā)生匝間短路的可能性非常小。但由于在生產(chǎn)和裝配過程中，需經(jīng)過繞制、嵌線、排線整形、多次搬運，每道環(huán)節(jié)都可能導(dǎo)致漆膜的劃傷或擦傷，因而造成成品電機(jī)的匝間短路。對于匝間絕緣破壞嚴(yán)重的電機(jī)，在瞬間的高壓沖擊下很容易檢測出來;而對于漆膜輕微受損的電機(jī)，則很難檢查出來。

當(dāng)絕緣惡劣到一定程度時，很容易發(fā)生匝間短路，原因如下：

（1）空調(diào)安裝時，抽真空不充分，系統(tǒng)管路中存在水分，在潮濕的環(huán)境中，壓縮機(jī)電機(jī)匝間絕緣電阻進(jìn)一步下降;

（2）電機(jī)在壓縮機(jī)中長期超負(fù)荷運行，繞組溫度明顯高于環(huán)境溫度;

（3）機(jī)械及電磁導(dǎo)致的振動，使繞組與繞組或繞組與絕緣紙之間發(fā)生摩擦，導(dǎo)致絕緣破壞加重;

（4）突然的加載或提速導(dǎo)致的過電壓造成匝間擊穿，受損部位絕緣下降。

2 ? ?匝間沖擊的建模及分析

2.1 ? ?匝間沖擊建模

以某款永磁磁阻電機(jī)為研究對象，對電機(jī)匝間故障進(jìn)行理論仿真計算，電機(jī)基本設(shè)計參數(shù)如表1所示。

建立電機(jī)匝間和故障等效模型，如圖1和圖2所示，為方便等效電路模型的建立，匝間故障設(shè)計為某一極下完全發(fā)生匝間沖擊（如本例設(shè)置A相繞組的1/3、2/3發(fā)生匝間短路）。

圖2中的電阻Rg為匝間短路時的接觸電阻，用以表示匝間沖擊的嚴(yán)重程度。電阻接近0時，表示完全接觸，故障最嚴(yán)重;當(dāng)電阻為無窮大時，說明無匝間沖擊，即正常狀態(tài)。經(jīng)過分析，電阻Rg≤5 Ω時開始出現(xiàn)短路電流，只有在Rg≤1 Ω時才出現(xiàn)較為明顯的故障現(xiàn)象。

2.2 ? ?匝間沖擊對電機(jī)的影響計算

2.2.1 ? ?匝間沖擊嚴(yán)重程度對輸出電磁力矩的影響

如圖3所示，匝間沖擊越嚴(yán)重，其輸出的力矩波動越大，力矩穩(wěn)定性越差，振動和機(jī)械噪聲越大，而且增大的幅度隨匝間嚴(yán)重程度呈幾倍的增長。

2.2.2 ? ?匝間沖擊嚴(yán)重程度對電機(jī)轉(zhuǎn)速波動的影響

如圖4所示，轉(zhuǎn)速的波動也隨著匝間沖擊的嚴(yán)重程度呈增大趨勢，轉(zhuǎn)速的平均值也有所上升。

2.2.3 ? ?短路電阻對電機(jī)負(fù)載的影響

隨著短路接觸電阻的減少，力矩輸出基本不變，但電機(jī)輸出的波形及波動變化很大，由圖5可知，在Rg=5 Ω時，其波形和大小與正常時基本一致，但在Rg=0.1 Ω或完全短路時，其力矩波動是正常的2倍，必然使得振動加劇，機(jī)械噪聲也隨之加大。

2.2.4 ? ?匝間沖擊對電流的影響

如圖6、圖7、圖8所示，發(fā)生匝間短路時，環(huán)路的電流很大且與相電流相位差180°，是正常的3～15倍，如此大的環(huán)路電流除了產(chǎn)生脈振磁場引起轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速脈動及噪聲外，還會使得銅線發(fā)熱，導(dǎo)致漆膜燒壞，也就是平常所見的漆包線局部起泡、燒黑等現(xiàn)象。

3 ? ?匝間沖擊的檢測及判定方法

目前國際上通用的匝間沖擊檢測辦法是直接浪涌電壓沖擊法[2]，該方法電路簡單，操作方便，同時具有對實驗對象直接加壓，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，試驗產(chǎn)品與標(biāo)準(zhǔn)品可比性強(qiáng)等優(yōu)點。

3.1 ? ?檢測的故障類型

電機(jī)匝間沖擊的故障類型如圖9所示。

（1）斷線：被測件開路，顯示波形為設(shè)備保護(hù)電路的波形。

（2）打火：被測件出現(xiàn)局部短路，線圈電感參數(shù)L降低，由上述分析可知，其衰減系數(shù)增大，振蕩頻率也增大，振幅也相應(yīng)減少。

（3）波形異常：該類故障實際是上述兩種情況的中間情況。

3.2 ? ?檢測相關(guān)參數(shù)及條件

當(dāng)檢測某臺電機(jī)時，通常將其與標(biāo)準(zhǔn)的波形進(jìn)行對比來判定是否絕緣良好，但檢測的條件（主要是充電電壓及真空度）不同也會導(dǎo)致檢測不出或誤判或繞組受到損害，所以其檢測的參數(shù)對檢出率影響很大，需結(jié)合實際綜合考慮。

4 ? ?結(jié)論

本文以永磁電機(jī)為例，建立匝間沖擊故障仿真模型進(jìn)行仿真計算，然后通過與正常情況進(jìn)行對比，最終得出額定負(fù)載下，正常情況和發(fā)生匝間短路情況時電機(jī)的輸出力矩、轉(zhuǎn)速、負(fù)載、相電流等各種影響電機(jī)性能的參數(shù)對比，分析匝間沖擊嚴(yán)重程度對電機(jī)的影響，以便及時發(fā)現(xiàn)故障并加以控制，為電機(jī)行業(yè)匝間分析提供理論和檢測依據(jù)?？偨Y(jié)如下：

（1）電機(jī)匝間沖擊主要與電機(jī)制造、使用環(huán)境相關(guān)，在生產(chǎn)時應(yīng)建立嚴(yán)格的工藝規(guī)范和質(zhì)控體系;

（2）電機(jī)出現(xiàn)匝間沖擊時對電機(jī)輸出力矩、轉(zhuǎn)速、電流均有比較大的影響，直接影響電機(jī)的性能和使用壽命;

（3）電機(jī)匝間沖擊主要通過直接浪涌電壓沖擊法檢測，不同故障形式表現(xiàn)不同，同時需規(guī)范檢測環(huán)境。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 電氣絕緣材料 耐熱性 第1部分：老化程序和試驗結(jié)果的評定：GB/T 11026.1—2003[S].

[2] 孫雪明.電機(jī)整機(jī)匝間絕緣檢測[J].電機(jī)技術(shù)，2002（1）：38-40.

收稿日期：2020-11-19

作者簡介：王大號（1987—），男，陜西咸陽人，工程師，實驗室主任，主要從事壓縮機(jī)、電機(jī)及智能裝備產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)工作。