李 偉， 顧偉光， 李 磊， 李 潔

（上海三菱電梯有限公司，上海200245）

近年來(lái)，隨著變頻器的廣泛使用，國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)了越來(lái)越多采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)因絕緣過(guò)早失效導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)工作壽命縮短的情況。作為電梯主機(jī)，以永磁同步電動(dòng)機(jī)為主體的永磁同步無(wú)齒輪曳引機(jī)（Permanent Magnet Synchronous Gearless Trac－tion Machine，PM），以其高效節(jié)能、環(huán)保、運(yùn)行噪音低、維護(hù)簡(jiǎn)單、節(jié)約機(jī)房建筑空間等優(yōu)點(diǎn)，受到廣大電梯用戶的青睞［1－2］。PM曳引機(jī)中，永磁同步電動(dòng)機(jī)非常緊湊地與其他零部件集成為一體，大大減小了曳引機(jī)整機(jī)外形尺寸和體積，節(jié)約了安裝空間［3－4］，但是如果電動(dòng)機(jī)發(fā)生絕緣燒毀，現(xiàn)場(chǎng)維修和更換則非常困難。PM曳引機(jī)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)采用變頻器驅(qū)動(dòng)，如何確保電動(dòng)機(jī)的絕緣性能和質(zhì)量滿足其長(zhǎng)時(shí)間可靠性運(yùn)行的要求，是永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)在設(shè)計(jì)及制造時(shí)需要著重研究的內(nèi)容。

本文從永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的組成、絕緣系統(tǒng)的失效、絕緣系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法、造成永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)失效的局部放電等方面進(jìn)行敘述和分析，并對(duì)局部放電與電機(jī)線圈浸漆質(zhì)量進(jìn)行了進(jìn)一步分析、研究和試驗(yàn)。

1 永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的組成

圖1 永磁同步電機(jī)常用的絕緣結(jié)構(gòu)

PM曳引機(jī)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用散嵌的繞組結(jié)構(gòu)［5－6］，其絕緣系統(tǒng)的組成包括：電磁線自身的絕緣漆、槽絕緣、槽口絕緣、層間絕緣、線圈端部絕緣等，各部分的絕緣由多種絕緣材料組成，并經(jīng)過(guò)浸漬絕緣漆的絕緣處理，將線圈和絕緣粘結(jié)成一個(gè)整體，構(gòu)成完整的絕緣結(jié)構(gòu)，如圖1所示，除了具有絕緣性能外，還具有一定的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能和防護(hù)性能。

2 永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的失效

電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的主要作用是有效地將電動(dòng)機(jī)中帶電的或有不同電位的導(dǎo)體隔離開(kāi)，使電流按指定的方向流動(dòng)。絕緣系統(tǒng)的失效是指：電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行中，絕緣系統(tǒng)受到熱、電、光、氧、水、有害化學(xué)媒質(zhì)及機(jī)械力等因素的多重作用，導(dǎo)致絕緣材料破壞而失去應(yīng)有的功能。

絕緣失效的主要形式有電擊穿、熱擊穿、放電擊穿。與工頻供電的電動(dòng)機(jī)相比，在變頻器的輸出電壓中，含有高頻脈沖尖峰電壓，容易引起局部放電。因此，與工頻供電的電動(dòng)機(jī)相比，PM曳引機(jī)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的失效，主要是因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)內(nèi)部發(fā)生局部放電，使得在絕緣材料表面產(chǎn)生電暈、火花放電，帶電粒子沖擊絕緣材料，使絕緣材料發(fā)生老化或高聚物分子主鏈裂解，導(dǎo)致放電擊穿，電動(dòng)機(jī)被燒毀，整個(gè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 電機(jī)放電擊穿過(guò)程的示意圖

3 永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法

對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的評(píng)價(jià)，可以通過(guò)一系列的絕緣試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行。包括對(duì)構(gòu)成絕緣系統(tǒng)各種材料的材料本身進(jìn)行單獨(dú)試驗(yàn)、材料組合的相容性試驗(yàn)、絕緣系統(tǒng)整體試驗(yàn)。

3.1 絕緣材料的單獨(dú)試驗(yàn)

永磁同步電動(dòng)機(jī)采用的絕緣材料主要有電磁線上的絕緣漆、各種電工絕緣薄膜、絕緣紙及復(fù)合材料、各種纖維材料與浸漬纖維制品、層壓制品、絕緣浸漬漆及樹(shù)脂、成型絕緣件等。各種絕緣材料的單獨(dú)試驗(yàn)評(píng)價(jià)可以按照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，其中對(duì)于采用變頻器供電驅(qū)動(dòng)的永磁同步電動(dòng)機(jī)，其采用的電磁線應(yīng)該具有一定的耐高頻脈沖電壓沖擊的能力和運(yùn)行壽命。

3.2 絕緣材料的相容性試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)單獨(dú)試驗(yàn)篩選出的絕緣材料用來(lái)組成絕緣系統(tǒng)，材料之間是否相容，應(yīng)進(jìn)行絕緣材料的相容性試驗(yàn)。

相容性試驗(yàn)的結(jié)果，不但反映了各組成材料在熱因子作用下，自身發(fā)生的物理、化學(xué)變化及裂解產(chǎn)生的分解物、揮發(fā)物等對(duì)其他材料，尤其是對(duì)主絕緣材料的絕緣性能影響。相容性試驗(yàn)的結(jié)果同時(shí)也在一定程度上反映了主絕緣材料自身的耐熱性能。雖然相容性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，替換的絕緣組分狀態(tài)相比原有基準(zhǔn)絕緣結(jié)構(gòu)的平均擊穿電壓下降率不超過(guò)50%即為合格，但如果擊穿電壓下降率偏大，對(duì)系統(tǒng)的熱老化壽命也有一定的影響。

3.3 絕緣系統(tǒng)的試驗(yàn)

經(jīng)材料的單獨(dú)試驗(yàn)和相容性試驗(yàn)篩選后的絕緣材料，只是構(gòu)成合格絕緣系統(tǒng)的必要條件，而非充分條件，合格絕緣系統(tǒng)還與絕緣的結(jié)構(gòu)、制造工藝等因素有關(guān)，需要對(duì)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)。

永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的試驗(yàn)包括絕緣電阻測(cè)試、匝間絕緣試驗(yàn)、對(duì)地耐電壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)、熱老化試驗(yàn)、電老化試驗(yàn)等，對(duì)于采用成型線圈的電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)還包括介質(zhì)損耗試驗(yàn)和吸收比、極化指數(shù)試驗(yàn)等。這些試驗(yàn)評(píng)價(jià)可以按照相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

由于與工頻供電的電動(dòng)機(jī)相比，PM曳引機(jī)中的永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)更容易因內(nèi)部發(fā)生局部放電而失效，因此需要對(duì)局部放電做進(jìn)一步的分析。

4 永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)的局部放電與電機(jī)線圈浸漆質(zhì)量

4.1 多層電介質(zhì)組合結(jié)構(gòu)與局部放電

永磁同步電動(dòng)機(jī)絕緣系統(tǒng)是由多層介電強(qiáng)度不同、介電常數(shù)不同的材料組合而成，如定子的槽部絕緣就由電磁線絕緣漆、絕緣薄膜、絕緣紙、槽楔、絕緣浸漬漆等材料組合而成，其中局部還可能存在空隙或氣泡。由于各層材料的相對(duì)介電常數(shù)ε不同，故所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度E也將不同。多層電介質(zhì)組合結(jié)構(gòu)的物理模型如圖3所示［7］。

圖3 多層電介質(zhì)組合結(jié)構(gòu)的物理模型

圖3中，ε1，ε2，…，εn表示第1，2，…，n層電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，d1，d2，…，dn表示第1，2，…，n層電介質(zhì)的絕緣厚度，U表示施加在多層電介質(zhì)組合結(jié)構(gòu)上的電壓。

根據(jù)圖3可得第p層電介質(zhì)所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度為

式中，εp為第p層電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；εi為第i層電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；di為第i層電介質(zhì)的絕緣厚度。

由式（1）可知，第p層的電場(chǎng)強(qiáng)度Ep與該層材料的εp成反比。

若絕緣系統(tǒng)中存在空隙或氣泡，由于空氣的相對(duì)介電常數(shù)較小，故所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度較大。而空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)比其他材料小十幾倍以上，當(dāng)空氣承受的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到空氣的擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)放電。

局部放電雖然不形成貫穿施加電壓的兩導(dǎo)體之間的通道，即整個(gè)絕緣系統(tǒng)并沒(méi)有擊穿，仍然保持絕緣性能，但會(huì)逐漸腐蝕、損壞絕緣材料，使放電區(qū)域不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致絕緣材料加速劣化變質(zhì)，最終導(dǎo)致整個(gè)絕緣被擊穿［8］。

4.2 電動(dòng)機(jī)線圈浸漆質(zhì)量與局部放電

PM曳引機(jī)中永磁同步電動(dòng)機(jī)通常采用散嵌繞組結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)線圈浸漬絕緣漆，是絕緣制造中最重要的絕緣處理工藝過(guò)程，其主要作用如下：用絕緣漆填充線圈匝間的空隙，使線圈和絕緣粘結(jié)成一個(gè)整體，提高絕緣介電性能，提高電動(dòng)機(jī)線圈的局部放電起始放電電壓（Corona Start Voltage，CSV）值。當(dāng)浸漆的滲透性和填充性差，浸漆后殘留空隙、局部存在氣泡等都會(huì)降低CSV值。因此，CSV值的高低可以作為反映電動(dòng)機(jī)線圈浸漆質(zhì)量以及電動(dòng)機(jī)絕緣性能的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)［9－10］。

電動(dòng)機(jī)線圈浸漆過(guò)程中，影響浸漆質(zhì)量有的因素包括：絕緣漆的粘度、預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、浸漆時(shí)線圈溫度、浸漆時(shí)間、滴漆速度、滴漆時(shí)間、固化溫度、固化時(shí)間等。

針對(duì)影響浸漆質(zhì)量的各個(gè)環(huán)節(jié)和因素，利用CSV值的測(cè)量以及對(duì)測(cè)量結(jié)果數(shù)據(jù)的分析、研究，可以尋找影響浸漆質(zhì)量的因素和水平，以提高電動(dòng)機(jī)線圈浸漆質(zhì)量。

4.3 試驗(yàn)及分析

4.3.1 試驗(yàn)及試驗(yàn)結(jié)果

按照田口方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)［11－12］，選取浸漆過(guò)程中的3個(gè)因素：漆的粘度、浸漆時(shí)線圈溫度、固化條件，作為試驗(yàn)因子進(jìn)行試驗(yàn)，每個(gè)因子3個(gè)水平，其余試驗(yàn)條件相同。各試驗(yàn)因子和水平如表1所示。

表1 試驗(yàn)因子和水平

試驗(yàn)結(jié)果為電機(jī)線圈浸漆后的CSV值如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

4.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

從試驗(yàn)結(jié)果看，浸漆過(guò)程中的3個(gè)因素對(duì)電機(jī)線圈浸漆質(zhì)量均有較大影響，各個(gè)因素的不同水平組合導(dǎo)致不同的CSV值測(cè)試結(jié)果。第2組，即當(dāng)漆的粘度為高水平、浸漆時(shí)線圈溫度為中水平、固化條件為中水平時(shí)，是能產(chǎn)生最高CSV值的因子水平。

試驗(yàn)因子和水平對(duì)浸漆質(zhì)量的影響，其實(shí)質(zhì)是浸漆工藝參數(shù)、水平與電動(dòng)機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)如何能夠做到最佳匹配。對(duì)各試驗(yàn)因子和水平影響浸漆質(zhì)量的機(jī)理分析如下。

（1）漆的粘度

PM曳引機(jī)中的電動(dòng)機(jī)線圈采用的是散嵌的繞組結(jié)構(gòu)。若絕緣漆粘度太低，絕緣漆易從線圈縫隙中流失，填充性差；若粘度太高，絕緣漆不易滲透到線圈中去，滲透性差。從試驗(yàn)結(jié)果看，漆的粘度為高水平（85～95s）時(shí)為最佳值，說(shuō)明對(duì)于采用的電動(dòng)機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)，當(dāng)絕緣漆粘度偏低時(shí)，絕緣漆易從線圈縫隙中流失，填充性差。

（2）浸漆時(shí)線圈溫度

若浸漆時(shí)線圈溫度太低，絕緣漆不易滲透到線圈中去，滲透性差；若浸漆時(shí)線圈溫度太高，絕緣漆易從線圈縫隙中流失，填充性差。從試驗(yàn)結(jié)果看，浸漆時(shí)線圈溫度為中水平（50℃）時(shí)為最佳值，說(shuō)明對(duì)于采用的電機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)，線圈溫度取中間值，能夠取得最佳的滲透性和填充性。

（3）固化條件

固化的主要作用是，在高溫下絕緣漆高分子材料相互交鏈，絕緣漆完全硬化，將線圈與絕緣固結(jié)成一個(gè)整體。溫度低或時(shí)間短則不能完全固化，影響浸漆品質(zhì)；而溫度太高、時(shí)間太長(zhǎng)又將嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。從試驗(yàn)結(jié)果看，固化條件為中水平時(shí)為最佳值，說(shuō)明中水平（150℃，60min）條件，已經(jīng)能夠完成完全固化。低水平（130℃，120min）影響浸漆質(zhì)量，高水平（150℃，120min）則不能兼顧生產(chǎn)效率和成本。

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)國(guó)內(nèi)外出現(xiàn)的越來(lái)越多采用變頻器驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)因絕緣過(guò)早失效導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)工作壽命縮短的情況，如何確保采用變頻器驅(qū)動(dòng)的PM曳引機(jī)中永磁同步電動(dòng)機(jī)的絕緣性能和質(zhì)量滿足電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間可靠性運(yùn)行的要求。

值得說(shuō)明的是，由于電動(dòng)機(jī)及線圈絕緣結(jié)構(gòu)的形式種類繁多［13］，不同形式的電動(dòng)機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的絕緣系統(tǒng)不盡相同，相應(yīng)的最佳浸漆工藝參數(shù)和水平也不盡相同，絕不能簡(jiǎn)單套用。本文僅針對(duì)PM曳引機(jī)中永磁同步電動(dòng)機(jī)的散嵌繞組結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的絕緣系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，并對(duì)這種繞組結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)線圈浸漆質(zhì)量與局部放電進(jìn)行研究、試驗(yàn)，提供一種分析、探尋浸漆工藝參數(shù)和水平與電動(dòng)機(jī)線圈絕緣結(jié)構(gòu)如何能夠做到最佳匹配的思路和方法，供相關(guān)的電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)及工藝制造人員參考。

［1］丁毅敏.永磁同步無(wú)齒輪曳引技術(shù)的發(fā)展前景［J］.中國(guó)電梯，2002，13（6）：12－15.

［2］張炳義，徐廣人.稀土永磁電動(dòng)機(jī)曳引傳動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.中國(guó)電梯，2005，16（9）：23－26.

［3］楊蘭春.電梯曳引機(jī)設(shè)計(jì)·安裝·維修［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［4］井上健二，橋口直樹(shù).三菱新無(wú)機(jī)房電梯用薄形曳引機(jī)［J］.舒強(qiáng)華，譯.中國(guó)電梯，2003，14（3）：18－35.

［5］唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［6］葉金虎.現(xiàn)代無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的原理和設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［7］電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).電機(jī)工程手冊(cè)：電機(jī)卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［8］電機(jī)工程手冊(cè)編委會(huì).電機(jī)工程手冊(cè)：基礎(chǔ)卷［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

［9］邱昌容，曹曉瓏.電氣絕緣測(cè)試技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

［10］電氣電子絕緣技術(shù)手冊(cè)編委會(huì).電氣電子絕緣技術(shù)手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［11］凱克博特，阿迪博特.世界級(jí)質(zhì)量管理工具［M］.遇今，石 柱，譯.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2004.

［12］李勝?gòu)?qiáng)，李 華.田口管理365［M］.深圳：海天出版社，2005.

［13］陳世元，黃士鵬.交流電機(jī)的繞組理論［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.