提升高轉差率電機繞組可靠性的探討

杜 業，葛利俊，徐 浩

（渤海石油裝備（天津）新世紀機械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

高轉差率電機在驅動游梁式抽油機運行時，不僅實現了節能降耗，還能夠降低抽油機懸點載荷、減速箱最大凈扭矩降和光桿負荷，可以有效地減少作業維護費用，獲得良好的綜合效益。憑借其獨特的軟機械特性，高轉差率電機在國內各大油田市場的游梁式抽油機上有廣泛應用。近些年來，伴隨著油田數字化的建設和抽油機大范圍調沖的要求，油田開始大規模地應用變頻器，但帶來便利的同時，其產生的負面效應也不容忽視。一方面，高頻脈沖電壓會加快繞組的電老化速度，引起電機絕緣過早損壞；另一方面，在電機低轉速運行時，冷卻風量與轉速的三次方成比例減小，致使電機的低速冷卻狀況急劇變差，溫升急劇增加。這兩個方面的影響是造成電機使用壽命縮短的最主要原因。

1 提升方案

通過優化高轉差率電機設計、改進繞線工藝、嵌線工藝和轉子壓鑄工藝，提升電機繞組的可靠性。通過設備改造，采用恒張力全自動繞線機和碳化硅坩堝化鋁爐，提升繞組可靠性的同時，大大降低工人的勞動強度，提高生產效率。

1.1 優化設計

優化電磁設計，改善電機的低頻特性，提高主電感，適當降低氣隙磁密，以降低鐵耗和防止磁路飽和。考慮到在電機運行中，變頻器高次諧波的集膚效應使轉子電阻增大。重新確定了轉子的分段數和每段長，設計減小轉子電阻值，避免高次諧波電流以較大的轉差切割轉子導條產生過大的轉子損耗。為達到這一要求，將高轉差率電機的轉差率接近SY/T 5226《抽油機節能拖動裝置》規定的下限值5.6%。這可以提高電機效率，降低溫升，間接提升繞組絕緣性能，同時保留它獨特的軟特性和其他優良性能。

1.2 改進繞制工藝

電機繞線模大多為矩形菱狀結構。在繞組繞制過程中，人工繞線機勻速帶動模具旋轉繞線，由于其菱狀端部的線速度較快，矩形直邊部的線速度較慢，周期性加減速變化產生的沖擊，會導致繞制漆包線產生松緊程度不一，且易造成漆包線塑性變形，影響電機繞組的線圈質量。漆包線截面變化是絕緣較為薄弱的地方，在使用中可能會引起電機繞組的斷路和短路故障，極大地影響了電機的可靠性。

針對上述問題，通過改造原有設備，采用具有恒張力控制及自動排線功能的數控繞線機，解決人工繞線機張力變化和沖擊力大的問題，徹底消除了漆包線截面變形的問題。另外，全新設計了繞線模具，新繞線模具采用4 導柱+2 菱形頭的模式。在繞制完成后，繞線模自動回縮，無需將模具卸下取線圈。經多次試驗驗證，該設備張力穩定可調節，漆包線無變形，表層絕緣漆無損傷。這保證了產品的標準化生產，使高轉差率電機繞阻的性能指標得到了極大的提高。

1.3 改進嵌線工藝

新工藝通過選取高水平的工藝參數，增強繞組絕緣性能。工藝規范了嵌線過程中作業手法，特別是每組首支線圈的首匝線圈入槽，防止漆包線損傷，引起匝間絕緣破壞。在嵌線過程中，重點強調槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣放置到位，放正。從分析繞組燒毀的情況得知，高轉差率電機擊穿部位多為繞組端部、相絕緣搭接部位及電機引接線出線部位擊穿，因此調高了相繞組高度，規定相間絕緣應高出絕緣繞組79 mm，增強繞組相間絕緣的絕緣性能，提升繞組槽內層間及相間的抗擊穿能力。受電磁力振動影響，電機應盡可能提高整體的機械強度。新工藝規定了端部綁扎繩受力點應均勻固定在相間絕緣處，且防止相間絕緣跑出或直接綁扎在繞組上。改進后繞組經匝間試驗沖擊電壓2500 V，無閃絡擊穿現象。

1.4 改進轉子壓鑄工藝

轉子壓鑄中的化鋁爐采用鑄鐵坩堝，這無形中在鋁液熔煉中增加了鐵元素，引起高轉差率電機的轉子阻值加大和阻值的較大波動，造成同型號不同批次轉子差異較大，還會使得鑄件機械性能尤其是韌性下降，甚至造成鑄件開裂，致使產品質量很不穩定。同時鋁液會長期慢性腐蝕坩堝，引起坩堝滲漏，損壞爐膛和爐絲，造成了爐膛的重新堆砌、爐絲的更換、電的浪費以及生產效率下降等多種浪費。

通過采用新型環保化鋁爐，將鑄鐵坩堝改為碳化硅坩堝，不僅使得坩堝使用壽命提高了4 倍，還減少了鑄鐵坩堝所帶來的熔煉鋁液帶來“增鐵”的難題，熔煉鋁液鐵元素的含量由原來1.15%降到了0.37%，在很大程度上提升了鋁液質量。

2 提升效果

在優化高轉差率電機設計和工藝改進后，對其進行了試驗應用和統計分析。繞組的月度耐壓、匝間測試一次交檢合格率由92.4%提升到99.6%，有較大改善，說明繞線工藝和嵌線工藝的改進措施切實有效。統計分析調整后的轉子阻值發現，由于不受鐵元素的影響，多種型號高轉差率電機的轉子電阻值與設計值相符，并服從標準的正態分布，且阻值變化平穩，說明轉子壓鑄工藝的改進措施切實有效。高轉差率電機型式試驗結果表明，通過優化電磁設計和工藝改進，提高了電機效率，增強了電機散熱能力，有效降低電機溫升，平均約5 K；在30 Hz 滿載低頻運行時，電機溫升不超過105 K，滿足了F 級絕緣要求。

綜合提升后的高轉差率電機已大批量在大慶、大港、青海等油田應用。跟蹤統計得知，全年電機維修費用直接降低100 多萬元，同時也提升了用戶滿意度。