永磁磁阻电机匝间冲击分析研究

王大号 周丹 黄忠雄 廖李平 李成龙

摘 要：电机匝间冲击是引起电机售后故障的主要原因之一，现以永磁电机为例，建立匝间冲击故障模型进行计算，然后与正常情况进行对比，最终得出额定负载下，正常情况和发生匝间短路时电机的输出力矩、转速、电流等参数的差异，分析匝间冲击严重程度对电机的影响，以便及时发现故障并加以控制，为电机行业匝间分析提供理论和检测依据。

关键词：电机匝间冲击;仿真计算;故障检测

0    引言

电机是空调用压缩机的动力输出，由电机带动压缩机泵体完成制冷剂的压缩，参与空调制冷循环。在空调用压缩机售后返修过程中，匝间冲击导致的故障在电机故障中占较大比例，在电机生产阶段如何有效地控制和减少匝间冲击是行业面临的难题。基于此，本文对电机匝间冲击產生的原因进行了理论和仿真分析，利用仿真软件进行了建模分析和故障诊断，并探讨了匝间冲击的检测及判定方法，以及时检测出故障定子，把故障率降到最低点，提高产品质量及可靠性。

1    匝间冲击产生的原因

对于电机这类由漆包线绕制的产品来说，其绝缘性项目包括两类：一类是绕组与铁芯、绕组与绕组间的绝缘;另一类是绕组中线圈层与层、匝与匝之间的绝缘层。对于前者，可以使用绝缘耐压仪进行绝缘耐压测试，很容易检测。而对于后者，绕组首尾之间的直流电阻和工频阻抗远小于它的层与层、匝与匝之间的绝缘电阻，检测就不易实现[1]。

绝缘良好的漆包线可承受4 000 V的高压，而匝间工作电压很低，因此绝缘未受损的电机发生匝间短路的可能性非常小。但由于在生产和装配过程中，需经过绕制、嵌线、排线整形、多次搬运，每道环节都可能导致漆膜的划伤或擦伤，因而造成成品电机的匝间短路。对于匝间绝缘破坏严重的电机，在瞬间的高压冲击下很容易检测出来;而对于漆膜轻微受损的电机，则很难检查出来。

当绝缘恶劣到一定程度时，很容易发生匝间短路，原因如下：

（1）空调安装时，抽真空不充分，系统管路中存在水分，在潮湿的环境中，压缩机电机匝间绝缘电阻进一步下降;

（2）电机在压缩机中长期超负荷运行，绕组温度明显高于环境温度;

（3）机械及电磁导致的振动，使绕组与绕组或绕组与绝缘纸之间发生摩擦，导致绝缘破坏加重;

（4）突然的加载或提速导致的过电压造成匝间击穿，受损部位绝缘下降。

2    匝间冲击的建模及分析

2.1    匝间冲击建模

以某款永磁磁阻电机为研究对象，对电机匝间故障进行理论仿真计算，电机基本设计参数如表1所示。

建立电机匝间和故障等效模型，如图1和图2所示，为方便等效电路模型的建立，匝间故障设计为某一极下完全发生匝间冲击（如本例设置A相绕组的1/3、2/3发生匝间短路）。

图2中的电阻Rg为匝间短路时的接触电阻，用以表示匝间冲击的严重程度。电阻接近0时，表示完全接触，故障最严重;当电阻为无穷大时，说明无匝间冲击，即正常状态。经过分析，电阻Rg≤5 Ω时开始出现短路电流，只有在Rg≤1 Ω时才出现较为明显的故障现象。

2.2    匝间冲击对电机的影响计算

2.2.1    匝间冲击严重程度对输出电磁力矩的影响

如图3所示，匝间冲击越严重，其输出的力矩波动越大，力矩稳定性越差，振动和机械噪声越大，而且增大的幅度随匝间严重程度呈几倍的增长。

2.2.2    匝间冲击严重程度对电机转速波动的影响

如图4所示，转速的波动也随着匝间冲击的严重程度呈增大趋势，转速的平均值也有所上升。

2.2.3    短路电阻对电机负载的影响

随着短路接触电阻的减少，力矩输出基本不变，但电机输出的波形及波动变化很大，由图5可知，在Rg=5 Ω时，其波形和大小与正常时基本一致，但在Rg=0.1 Ω或完全短路时，其力矩波动是正常的2倍，必然使得振动加剧，机械噪声也随之加大。

2.2.4    匝间冲击对电流的影响

如图6、图7、图8所示，发生匝间短路时，环路的电流很大且与相电流相位差180°，是正常的3～15倍，如此大的环路电流除了产生脉振磁场引起转矩、转速脉动及噪声外，还会使得铜线发热，导致漆膜烧坏，也就是平常所见的漆包线局部起泡、烧黑等现象。

3    匝间冲击的检测及判定方法

目前国际上通用的匝间冲击检测办法是直接浪涌电压冲击法[2]，该方法电路简单，操作方便，同时具有对实验对象直接加压，数据准确，试验产品与标准品可比性强等优点。

3.1    检测的故障类型

电机匝间冲击的故障类型如图9所示。

（1）断线：被测件开路，显示波形为设备保护电路的波形。

（2）打火：被测件出现局部短路，线圈电感参数L降低，由上述分析可知，其衰减系数增大，振荡频率也增大，振幅也相应减少。

（3）波形异常：该类故障实际是上述两种情况的中间情况。

3.2    检测相关参数及条件

当检测某台电机时，通常将其与标准的波形进行对比来判定是否绝缘良好，但检测的条件（主要是充电电压及真空度）不同也会导致检测不出或误判或绕组受到损害，所以其检测的参数对检出率影响很大，需结合实际综合考虑。

4    结论

本文以永磁电机为例，建立匝间冲击故障仿真模型进行仿真计算，然后通过与正常情况进行对比，最终得出额定负载下，正常情况和发生匝间短路情况时电机的输出力矩、转速、负载、相电流等各种影响电机性能的参数对比，分析匝间冲击严重程度对电机的影响，以便及时发现故障并加以控制，为电机行业匝间分析提供理论和检测依据。总结如下：

（1）电机匝间冲击主要与电机制造、使用环境相关，在生产时应建立严格的工艺规范和质控体系;

（2）电机出现匝间冲击时对电机输出力矩、转速、电流均有比较大的影响，直接影响电机的性能和使用寿命;

（3）电机匝间冲击主要通过直接浪涌电压冲击法检测，不同故障形式表现不同，同时需规范检测环境。

[参考文献]

[1] 电气绝缘材料 耐热性 第1部分：老化程序和试验结果的评定：GB/T 11026.1—2003[S].

[2] 孙雪明.电机整机匝间绝缘检测[J].电机技术，2002（1）：38-40.

收稿日期：2020-11-19

作者简介：王大号（1987—），男，陕西咸阳人，工程师，实验室主任，主要从事压缩机、电机及智能装备产品设计开发工作。