旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組開路故障的分析與處理

孫俊婷

(1.上海交通大學(xué)，上海 200030； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是一種信號類微電機(jī)，具備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、精度高、機(jī)械抗振性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、航空、航天、船舶、軍事等裝備的角度測量系統(tǒng)中。目前，為適應(yīng)整機(jī)系統(tǒng)小型化發(fā)展的需求，雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器在滿足高精度、高可靠性的同時，亦朝著輕、薄、微的方向發(fā)展[1]。

繞組是電機(jī)的關(guān)鍵部件，繞組的制造質(zhì)量對電機(jī)的性能、壽命和運(yùn)行可靠性有重要影響。按繞組在電機(jī)上的位置可分為定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。微電機(jī)受尺寸限制，結(jié)構(gòu)緊湊，鐵心槽口窄，繞組導(dǎo)線細(xì)，匝數(shù)多，槽滿率較高，繞組端部尺寸要求嚴(yán)格，定子繞組開路問題在雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器研制生產(chǎn)過程中時有發(fā)生。現(xiàn)運(yùn)用故障樹分析方法，對電機(jī)故障定子進(jìn)行故障排查與定位，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的工藝改進(jìn)，從而有效地降低繞組開路問題的發(fā)生，提高產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行可靠性。

1 雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器

1.1 工作原理

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器是一種電磁式高精度傳感元件。它可以使檢測角度位置精度從角分級提高到角秒級，其粗角度位置測量由單極旋轉(zhuǎn)變壓器(粗機(jī))完成，精角度位置測量由多極旋轉(zhuǎn)變壓器(精機(jī))完成，通過粗、精機(jī)兩者組合完成360°機(jī)械角度的高精度測量。在雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器中，為節(jié)省空間，一般均采用粗、精機(jī)共磁路結(jié)構(gòu)，原方和副方繞組分別被放置于兩個有多個齒的疊片鐵心上，一方靜止(定子)，另一方旋轉(zhuǎn)(轉(zhuǎn)子)[2]。當(dāng)轉(zhuǎn)子方施加交流電壓時，定子方輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角成正余弦函數(shù)關(guān)系的信號，其電路原理圖如圖1所示。

1.2 基本結(jié)構(gòu)及工藝路線

雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器多為分裝式扁平結(jié)構(gòu)，只有定子、轉(zhuǎn)子兩部分，主要由機(jī)殼、軸套、定/轉(zhuǎn)子鐵心、定/轉(zhuǎn)子繞組線圈組成，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。帶機(jī)殼的定子常用兩種加工工藝流程路線：一是鐵心下線→浸漆→壓裝；二是鐵心壓裝→下線→浸漆。兩種工藝過程示意圖對比如圖3所示。

圖2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

(a) 路線一

(b) 路線二

圖3(a)工藝路線中，鐵心下線整形后進(jìn)行浸漆，最后再將帶繞組鐵心壓入機(jī)殼。因此下線及整形時無機(jī)殼遮擋，繞組裸露在外，可視性好，便于操作人員進(jìn)行繞組綁扎和檢查，從而可以減少繞組飛線、過橋線外露現(xiàn)象的發(fā)生。但當(dāng)定子機(jī)殼為薄壁件，且端部繞組填充系數(shù)較高時，為更好地控制繞組端部尺寸，減少后序壓裝等過程中對繞組造成的壓傷、損傷和碰傷，一般采用圖3(b)的工藝路線，即先把鐵心壓入機(jī)殼后再下線整形，最后浸漆。

2 繞組開路故障樹分析

2.1 繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

旋轉(zhuǎn)變壓器的每相繞組中存有兩種并頭焊接點(diǎn)：首尾線圈分別與引出線相接的2個并頭焊接點(diǎn)；線圈之間相接的1個并頭焊接點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 旋轉(zhuǎn)變壓器繞組并頭示意圖

2.2 故障樹的建立

對旋轉(zhuǎn)變壓器繞組開路這一故障現(xiàn)象，基于故障樹分析方法和圖4的繞組內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以旋轉(zhuǎn)變壓器繞組開路為頂事件，建立故障樹如圖5所示。

圖5 產(chǎn)品故障樹

3 故障排查與定位

根據(jù)圖5的故障樹分析，造成旋轉(zhuǎn)變壓器繞組開路故障的底事件有以下幾點(diǎn)：X1引出線受機(jī)械外力開路、X2漆包線受機(jī)械外力開路、X3漆包線質(zhì)量問題、X4漆包線內(nèi)部開路、X5引出線與漆包線焊接失效、X6漆包線之間并頭焊接失效。在針對以上故障底事件進(jìn)行故障排查和定位時，一般通過以下三種方法綜合進(jìn)行。

3.1 觀察法

觀察法就是借用放大鏡、顯微鏡、內(nèi)窺鏡等設(shè)備，直接觀察故障定子外觀，判斷引出線絕緣層是否完好、有無壓傷痕跡、繞組漆包線是否有受損點(diǎn)等。若無，則可以排除X1引出線受機(jī)械外力開路、X2漆包線受機(jī)械外力開路的可能。

另外，有時為便于觀察漆包線，如故障定子繞組外部有機(jī)殼遮擋，需先通過精車將機(jī)殼車去，露出端部繞組。車之前，需注意首先檢測并記錄故障定子各相繞組直流電阻值；其次設(shè)計(jì)專用車用夾具(見圖6)，根據(jù)定子內(nèi)孔配車心軸，端部用壓板固定，精車過程控制進(jìn)刀量不大于0.1 mm，保證機(jī)殼外圓留有0.25 mm的余量，停止車削，在空擋處手動用尖刀縱向車外圓，注意每次進(jìn)刀量不大于0.05 mm，整個車加工過程不得損傷繞組，完成后確認(rèn)繞組情況與車加工前一致；最后從缺口處將鐵皮從繞組外圓小心剝離，剝離過程同步檢測故障定子直流電阻值，保證繞組情況與剝離前一致。

圖6 故障定子專用車機(jī)殼夾具

3.2 漆包線原材料復(fù)查

排查漆包線質(zhì)量問題，要針對同批次產(chǎn)品的定子漆包線進(jìn)行復(fù)查，復(fù)查內(nèi)容包括查看該批次漆包線入庫檢驗(yàn)記錄和按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6109.1—2008《漆包圓繞組線》對同批次剩余的漆包線進(jìn)行復(fù)檢，檢測項(xiàng)目包括電阻、導(dǎo)體直徑、軟化擊穿、伸長率、擊穿電壓(常溫)等。若檢測結(jié)論均為合格，可以排除X3漆包線質(zhì)量問題導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)變壓器繞組開路的可能。

3.3 測量法

按照工藝要求，為了提高產(chǎn)品抗振動、耐沖擊等環(huán)境適應(yīng)性，對繞組采取真空浸漆工藝進(jìn)行絕緣處理，繞組的漆包線固化為一體，無法將故障繞組完全分離。另外，因旋轉(zhuǎn)變壓器有鐵心金屬結(jié)構(gòu)件、繞組漆包線，X線或工業(yè)CT能量無法穿透進(jìn)行掃描判斷。為了分析故障定子漆包線和焊點(diǎn)的具體狀態(tài)，需先將故障定子繞組浸泡在去膠劑中溶解繞組所浸的絕緣漆，再進(jìn)行下一步檢查。

(1)漆包線內(nèi)部開路(X4)

待繞組浸泡去膠劑后，在顯微鏡下觀察繞組情況。找到斷點(diǎn)后(見圖7)，測量定子故障相直流電阻值，即斷點(diǎn)一端與引出線一端導(dǎo)通阻值和斷點(diǎn)另一端與引出線的另一端導(dǎo)通阻值。利用電阻串聯(lián)原理，若兩段阻值和等于故障相直流電阻值，并與另外一相阻值對稱，就可以證明找到的斷點(diǎn)是故障產(chǎn)品的唯一斷點(diǎn)。否則，斷點(diǎn)個數(shù)不唯一，繼續(xù)按該方法尋找斷點(diǎn)。

圖7 故障電機(jī)斷點(diǎn)示例

(2)引出線與漆包線焊接失效(X5，X6)

根據(jù)繞組展開圖，確定故障繞組各焊點(diǎn)位置：漆包線之間并頭所在槽和引出線與漆包線并頭所在槽。

在對應(yīng)鐵心槽內(nèi)取出漆包線的并頭，將兩側(cè)漆包線搪錫后用電阻測試儀測試時導(dǎo)通，測試方法如圖8所示。將并頭處套管去除后，焊接點(diǎn)完好，就可以排除X5漆包線之間并頭焊接失效的可能。

在對應(yīng)鐵心槽內(nèi)取出漆包線與引出線的并頭，檢查并頭焊接點(diǎn)是否完好。之后，將漆包線與引出線搪錫后用電阻測試儀測試時導(dǎo)通，測試方法如圖9所示。以此可以排除X6引出線與漆包線之間并頭焊接失效的可能。

圖8 漆包線之間并頭

圖9 引出線與漆包線并頭

4 斷點(diǎn)理化分析

繞組斷點(diǎn)找到以后，要對其斷口進(jìn)行理化試驗(yàn)分析，經(jīng)過宏觀分析、掃描電鏡及能譜分析可得出結(jié)果。

很多故障定子繞組開路問題都是產(chǎn)品在進(jìn)行高低溫、振動、溫度沖擊等試驗(yàn)后才表征出來，且原因多是漆包線內(nèi)部開路。例如，下線時漆包線焊點(diǎn)受力，經(jīng)試驗(yàn)疲勞累積應(yīng)力釋放導(dǎo)致繞組開路。又例如，有單根過橋線外露經(jīng)浸漆后與機(jī)殼金屬壁發(fā)生粘連，按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6109.1—2008《漆包圓繞組線》對同批次漆包線(線徑為0.08 mm)的伸長率進(jìn)行了對比測試，試驗(yàn)驗(yàn)證漆包線浸漆前伸縮率(長度增加值與原長度之比)為26.4%，浸漆后漆包線伸縮率僅為8.9%，降低了約70%。因漆包線浸漆后的韌性變差，所以在高低溫試驗(yàn)環(huán)境下機(jī)殼與繞組膨脹系數(shù)不一致，經(jīng)多次熱循環(huán)，漆包線在溫度應(yīng)力下被扯斷。上述情況下，斷口SEM形貌一般呈韌窩特征，屬塑性斷裂，如圖10所示。

圖10 端口SEM形貌示例

5 結(jié) 語

按照上述故障分析和處理方法，可以有效地對雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器故障定子進(jìn)行故障排查與定位，提高了工作效率。總結(jié)故障電機(jī)案例可以發(fā)現(xiàn)，微電機(jī)的核心是繞組，繞組的壽命即是微電機(jī)的壽命。微電機(jī)的制造過程中存在大量的手工操作，更是在繞組的繞制和下線過程中突出地體現(xiàn)出來，因此必須遵守合理的工藝規(guī)程和加強(qiáng)操作工人的技能培訓(xùn)，避免不合格產(chǎn)品流入下道工序，造成質(zhì)量問題。

特別地，針對雙通道旋轉(zhuǎn)變壓器定子繞組內(nèi)部開路問題，在故障分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的工藝改進(jìn)。以下方法經(jīng)過驗(yàn)證可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和運(yùn)行可靠性：

(1) 當(dāng)定子繞組下線及整形有機(jī)殼等結(jié)構(gòu)件遮擋時，下線前需在繞組與機(jī)殼徑向間隙處加貼聚酰亞胺膠帶(產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)號：Q/GHAE41-2009，廠家：上海合成樹脂研究所有限公司，型號規(guī)格：YMM)，可防止繞組漆包線與機(jī)殼直接接觸，避免高低溫下機(jī)殼和繞組過橋線粘連拉扯的可能。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6329—1996《膠粘劑對接接頭拉伸強(qiáng)度的測定》，采用鈦合金棒形試樣對漆的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)測試，試驗(yàn)驗(yàn)證在有聚酰亞胺膠帶保護(hù)的情況下，浸漆后拉伸強(qiáng)度降低了80%，聚酰亞胺膠帶可以起到有效的保護(hù)作用。

(2) 完善下線工藝要求，如要求絕緣處理后的焊點(diǎn)與引出線應(yīng)順著成形線圈圓弧外圓走，成松弛狀態(tài)，焊點(diǎn)不得受力。

(3) 增加檢查力度，如下線完成后借助視頻放大鏡檢查繞組端部，經(jīng)自檢、互檢、專檢后，直至確認(rèn)無繞組飛線、過橋線外露等現(xiàn)象。

(4) 嚴(yán)格試驗(yàn)條件加強(qiáng)篩選產(chǎn)品，如適當(dāng)延長旋轉(zhuǎn)變壓器高低溫試驗(yàn)的測量時間和熱循環(huán)次數(shù)等。