永磁磁阻電機匝間沖擊分析研究

王大號 周丹 黃忠雄 廖李平 李成龍

摘 要：電機匝間沖擊是引起電機售后故障的主要原因之一，現以永磁電機為例，建立匝間沖擊故障模型進行計算，然后與正常情況進行對比，最終得出額定負載下，正常情況和發生匝間短路時電機的輸出力矩、轉速、電流等參數的差異，分析匝間沖擊嚴重程度對電機的影響，以便及時發現故障并加以控制，為電機行業匝間分析提供理論和檢測依據。

關鍵詞：電機匝間沖擊;仿真計算;故障檢測

0 ? ?引言

電機是空調用壓縮機的動力輸出，由電機帶動壓縮機泵體完成制冷劑的壓縮，參與空調制冷循環。在空調用壓縮機售后返修過程中，匝間沖擊導致的故障在電機故障中占較大比例，在電機生產階段如何有效地控制和減少匝間沖擊是行業面臨的難題。基于此，本文對電機匝間沖擊產生的原因進行了理論和仿真分析，利用仿真軟件進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，提高產品質量及可靠性。

1 ? ?匝間沖擊產生的原因

對于電機這類由漆包線繞制的產品來說，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小于它的層與層、匝與匝之間的絕緣電阻，檢測就不易實現[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發生匝間短路的可能性非常小。但由于在生產和裝配過程中，需經過繞制、嵌線、排線整形、多次搬運，每道環節都可能導致漆膜的劃傷或擦傷，因而造成成品電機的匝間短路。對于匝間絕緣破壞嚴重的電機，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，則很難檢查出來。

當絕緣惡劣到一定程度時，很容易發生匝間短路，原因如下：

（1）空調安裝時，抽真空不充分，系統管路中存在水分，在潮濕的環境中，壓縮機電機匝間絕緣電阻進一步下降;

（2）電機在壓縮機中長期超負荷運行，繞組溫度明顯高于環境溫度;

（3）機械及電磁導致的振動，使繞組與繞組或繞組與絕緣紙之間發生摩擦，導致絕緣破壞加重;

（4）突然的加載或提速導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為研究對象，對電機匝間故障進行理論仿真計算，電機基本設計參數如表1所示。

建立電機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，匝間故障設計為某一極下完全發生匝間沖擊（如本例設置A相繞組的1/3、2/3發生匝間短路）。

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重程度。電阻接近0時，表示完全接觸，故障最嚴重;當電阻為無窮大時，說明無匝間沖擊，即正常狀態。經過分析，電阻Rg≤5 Ω時開始出現短路電流，只有在Rg≤1 Ω時才出現較為明顯的故障現象。

2.2 ? ?匝間沖擊對電機的影響計算

2.2.1 ? ?匝間沖擊嚴重程度對輸出電磁力矩的影響

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

2.2.2 ? ?匝間沖擊嚴重程度對電機轉速波動的影響

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

2.2.3 ? ?短路電阻對電機負載的影響

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，發生匝間短路時，環路的電流很大且與相電流相位差180°，是正常的3～15倍，如此大的環路電流除了產生脈振磁場引起轉矩、轉速脈動及噪聲外，還會使得銅線發熱，導致漆膜燒壞，也就是平常所見的漆包線局部起泡、燒黑等現象。

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，數據準確，試驗產品與標準品可比性強等優點。

3.1 ? ?檢測的故障類型

電機匝間沖擊的故障類型如圖9所示。

（1）斷線：被測件開路，顯示波形為設備保護電路的波形。

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

（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 ? ?檢測相關參數及條件

當檢測某臺電機時，通常將其與標準的波形進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）不同也會導致檢測不出或誤判或繞組受到損害，所以其檢測的參數對檢出率影響很大，需結合實際綜合考慮。

4 ? ?結論

本文以永磁電機為例，建立匝間沖擊故障仿真模型進行仿真計算，然后通過與正常情況進行對比，最終得出額定負載下，正常情況和發生匝間短路情況時電機的輸出力矩、轉速、負載、相電流等各種影響電機性能的參數對比，分析匝間沖擊嚴重程度對電機的影響，以便及時發現故障并加以控制，為電機行業匝間分析提供理論和檢測依據。總結如下：

（1）電機匝間沖擊主要與電機制造、使用環境相關，在生產時應建立嚴格的工藝規范和質控體系;

（2）電機出現匝間沖擊時對電機輸出力矩、轉速、電流均有比較大的影響，直接影響電機的性能和使用壽命;

（3）電機匝間沖擊主要通過直接浪涌電壓沖擊法檢測，不同故障形式表現不同，同時需規范檢測環境。

[參考文獻]

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

[2] 孫雪明.電機整機匝間絕緣檢測[J].電機技術，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、電機及智能裝備產品設計開發工作。