徐正蓉，馮家奎

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽　618000)

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直流電機繞組裝配質(zhì)量控制

徐正蓉，馮家奎

(東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽618000)

摘要：以電磁式直流電機為例，介紹直流電機定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組在半成品裝配過程重要工序的質(zhì)量控制點。詳細敘述這些質(zhì)量控制點常規(guī)檢驗項目的檢測方法和目的，總結(jié)了產(chǎn)品在裝配過程出現(xiàn)故障時，如何準(zhǔn)確查找繞組故障位置，以便及時修復(fù)。這些檢測方法的總結(jié)值得類似質(zhì)量檢驗工作借鑒。

關(guān)鍵詞：直流電機；定子繞組；轉(zhuǎn)子繞組；裝配過程；質(zhì)量控制

0引言

直流電機是電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機之一。主要包括直流電動機和直流發(fā)電機兩大類。

直流電機的結(jié)構(gòu)和接線相對比較復(fù)雜，如果電機在整機裝配后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部故障隱患，一般很難檢查和處理，特別是作為關(guān)鍵零部件的定、轉(zhuǎn)子繞組，一旦發(fā)生故障，更加難以排除。因此，在電機生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)，必須加強質(zhì)量檢查，尤其是定、轉(zhuǎn)子繞組的裝配過程，更加需要嚴(yán)格開展必要的檢查和試驗，以保證產(chǎn)品裝配質(zhì)量穩(wěn)定，避免返工，浪費工時，影響生產(chǎn)。

電機定、轉(zhuǎn)子繞組在裝配過程中常見的故障主要有：短路、斷路、接地、接線錯誤等。因此，電機繞組裝配常規(guī)檢驗項目主要有：磁極極性及繞組接線正確性檢查、繞組直流電阻測量、繞組工頻交流耐電壓試驗等，下面分別簡要介紹。

1定子繞組裝配質(zhì)量控制

1.1磁極極性檢查

檢查磁極極性目的是為了確定各繞組的繞制、裝配、及相互間的連接是否正確，以確保磁極裝配和接線正確。

直流電機的磁極分為主磁極和換向極。主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙主磁場，在定子裝配時極性按N極和S極的順序依次排列。換向極的作用是改善換向，減小電機運行時電刷與換向器之間可能產(chǎn)生的換向火花，一般裝在兩個相鄰主磁極之間。換向極繞組連接也必須使相鄰磁極的極性按n極和s極的順序依次排列。由于換向極是用來消弱或抵消電機工作時的電抗電勢和電樞反應(yīng)電勢，所以直流發(fā)電機和直流電動機中的換向極極性排列順序不同，具體如圖1所示。

極性檢查可采用觀察法、磁針法(指南針法)。

圖1　主磁極與換向極的位置

1.1.1觀察法

對串勵繞組、換向繞組等，由于匝數(shù)較少、導(dǎo)線截面大，可用肉眼直接觀察其繞制方向，并沿連接導(dǎo)線查出各繞組的走向。根據(jù)電機電流的方向，應(yīng)用右手定則可判斷出磁極的極性。

1.1.2磁針法

首先檢查繞組連接、接線標(biāo)識與設(shè)計圖紙是否相符。

將直流電(約4～6 V左右)接到主磁極繞組引出線端頭，通入電流的方向與電機端子標(biāo)號一致，根據(jù)電流方向，應(yīng)用右手定則可判斷出主磁極的極性。用磁針接近主磁極內(nèi)表面，磁針S極指向的磁極為N極，反之則為S極。如圖2所示。

圖2　磁針檢測磁極極性

如果磁針沿定子圓周方向上主磁極表面移動時交替改變方向，且顯示的磁極極性與用右手定則判斷出的磁極極性相符，說明繞組繞制、裝配、相互連接均正確。如果磁針沿圓周主磁極表面移動不是交替改變方向，或者磁針顯示的磁極極性與用右手定則判斷出磁極的極性不相符，說明繞組連接存在錯誤。

換向極極性檢查與主磁極極性檢查方法相同。根據(jù)電機類型(發(fā)電機還是電動機)以及電樞的旋轉(zhuǎn)方向不同，主磁極與換向極極性排列的順序必須符合圖1要求。

1.2磁極繞組焊接或把合質(zhì)量檢查

磁極繞組之間的連接有焊接或把合等方法，一般采用焊接的方法，這樣可以減小接觸電阻，避免接頭松脫，消除銅線氧化或腐蝕對接觸電阻的影響，從而保證電機正常運行。對于分瓣電機，合縫位置的連接線無法焊接，只能進行把合組裝，要求把合位置的止動墊片(圈)齊全、鎖緊，彎折整齊。如若焊接或把合質(zhì)量不良，則接觸電阻增加，在通過電流時，接頭發(fā)熱加劇，嚴(yán)重時可能造成焊接處斷開而發(fā)生故障。

繞組焊接或把合質(zhì)量是否可靠，可以通過測量每個磁極下繞組的直流電壓降來判定。

在用磁針法檢查主磁極極性正確的同時，用直流毫伏表依次交替測量每個主磁極下繞組引出線之間的電壓降，要求各組電壓的差值應(yīng)不大于平均值5%。若某一極繞組電壓值偏小，則繞組內(nèi)可能存在短路問題；若某一極繞組電壓值偏大，則可能存在繞組電纜接線不良問題。

大容量電機和負載變化劇烈的直流電機中，僅靠換向極還不能達到改善換向的目的，還必須采用補償繞組，補償繞組直線部分嵌入主磁極鐵心表面的補償槽內(nèi)，補償繞組與換向極繞組串接在一起。

在用磁針法檢查換向極極性正確的同時，用直流毫伏表依次交替測量每個換向極下繞組與補償繞組串聯(lián)焊接后的電壓降，要求各組電壓的差值應(yīng)不大于平均值5%。若某一組電壓值偏大，多是換向極與補償繞組連接線焊接不良或補償繞組之間連接線焊接不良造成的。要確定具體位置，可以用直流毫伏表對換向極與每一根補償繞組相連接的焊接位置分別進行測量，并將測量值與對應(yīng)位置的正常繞組測量值進行比較，便能找到故障點。

1.3磁極繞組直流電阻測量

繞組在室溫狀態(tài)(冷態(tài))下的直流電阻是電機的主要參數(shù)之一，將繞組電阻的測定值按設(shè)計溫度折算，并將折算值與設(shè)計值比較，可檢查繞組匝數(shù)、線徑和接線是否正確，焊接是否良好。測量方法有電流電壓表法，平衡電橋法。

1.3.1電流電壓表法

電流電壓表法的測量原理，是在被測繞組中通入直流電流，測量繞組電阻產(chǎn)生的電壓降，根據(jù)歐姆定律計算出繞組的直流電阻。接線方法如圖3所示，a)適用于1 Ω及以上的大電阻測量，b)適用于1 Ω以下的小電阻測量。

圖3　電流電壓表法測量直流電阻

測量時，應(yīng)先合開關(guān)K1接通電流回路，待測量回路的電流穩(wěn)定后再合開關(guān)K2接入電壓表。分閘時，先斷K2，后斷K1，以免感應(yīng)電動勢損壞電壓表。

測量用儀表應(yīng)不低于0.5級，電流表應(yīng)選內(nèi)阻小的，電壓表應(yīng)盡量選內(nèi)阻大的。電流表、電壓表的導(dǎo)線應(yīng)有足夠的截面，并應(yīng)盡量的短，導(dǎo)線與儀表接線柱之間接觸良好，以減小引線和接觸電阻帶來的測量誤差。當(dāng)測量電感量大的電阻時，要有足夠的充電時間。

1.3.2平衡電橋法

常用的測量儀器有直流單臂電橋(型號如QJ23)、直流雙臂電橋(型號如QJ44)。直流單臂電橋適用于測量電阻1～106Ω，直流雙臂電橋適用于測量電阻10-5～11 Ω。

在勵磁繞組中，并勵或他勵繞組的電阻值較大，一般用直流單臂電橋測量；串勵繞組、換補繞組的電阻值較小，一般用直流雙臂電橋測量。

要求繞組直流電阻最大(或最小)值與平均值之差不超過平均值的±2%為合格。

測量過程注意事項：

1) 用粗而短的連接導(dǎo)線將被測繞組接入并擰緊。用直流單臂電橋測量時，應(yīng)減去引線電阻。

2) 直流單臂電橋測量靈敏度隨電池好壞而變，所以要保證電池電量充足。用電橋測量時必須快速，以免發(fā)熱使電阻增加，產(chǎn)生測量誤差。

3) 測量時先接通電源，后接通檢流計；斷開時先斷檢流計，后斷電源，不允許帶電測量。

4) 為了減小測量誤差，直流雙臂電橋測量時應(yīng)將電位接頭靠近被測電阻內(nèi)側(cè)，電流接頭靠外側(cè)。

5) 因為導(dǎo)體的電阻值是隨溫度變化的，測量時應(yīng)記錄導(dǎo)體溫度。應(yīng)將不同溫度下測量的直流電阻換算到同一溫度后，才能和設(shè)計值或以前數(shù)據(jù)進行比較。即

R1/R2 =(T+t1)/(T+t2 )

式中:R1為溫度為t1時測的電阻，單位Ω；R2為溫度為t2時測的電阻，單位Ω；T為系數(shù)，銅線為235，鋁線為225。

1.4磁極繞組工頻交流耐電壓試驗

1.4.1絕緣電阻測量

磁極繞組在進行工頻交流耐電壓試驗前和試驗后，用兆歐表測量被試?yán)@組的絕緣電阻。測量絕緣電阻時，應(yīng)根據(jù)被試?yán)@組的額定電壓，選用不同電壓等級的兆歐表。若選用過低電壓的兆歐表，實測值偏高；若選用過高電壓的兆歐表，實測值偏低。因此，應(yīng)根據(jù)表1正確選擇兆歐表的電壓等級。

表1　兆歐表電壓等級的選擇　V

電壓施加于被試?yán)@組與機殼之間，此時不參與試驗的繞組、測溫元件及鐵心等均應(yīng)與機殼連接并可靠接地。讀取測量1 min時的絕緣電阻值。

試驗前測得的絕緣電阻值滿足要求后，才允許進行工頻交流耐電壓試驗。在冷態(tài)下測得的繞組絕緣電阻，按繞組的額定電壓計算應(yīng)不低于1 MΩ/kV。

1.4.2工頻交流耐電壓試驗

工頻交流耐電壓試驗是考驗被試品絕緣承受各種過電壓能力的有效方法。試驗時，絕緣的擊穿特性與電機實際運行時相似，各種隱形的局部缺陷一般都能發(fā)現(xiàn)。

試驗電壓越高，發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的有效性越高，但被試品被擊穿的可能性越大，絕緣內(nèi)部劣化的累積效應(yīng)也越嚴(yán)重。反之，試驗電壓低，又使設(shè)備在運行中擊穿的可能性增加。絕緣的擊穿電壓值與加壓的持續(xù)時間有關(guān)，尤其是有機絕緣特別明顯，其擊穿電壓隨加壓時間的增加而逐漸下降。因此直流電機產(chǎn)品質(zhì)量分等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)的工頻交流耐電壓試驗電壓值及試驗時間。試驗電壓施加于被試?yán)@組與機殼之間，此時不參與試驗的繞組、測溫元件及鐵心等均應(yīng)與機殼連接并可靠接地。在全值試驗電壓下，試驗時間應(yīng)持續(xù)1 min，試驗過程無破壞性放電現(xiàn)象或冒煙現(xiàn)象為合格。試驗過程中出現(xiàn)異常情況，應(yīng)立即停止試驗，排除故障后方可繼續(xù)進行試驗。

磁極繞組裝配過程各階段試驗電壓值(適用于額定電壓在24 V以上的一般直流電機)如表2所示。

表2　定子繞組工頻交流耐電壓試驗電壓值

注：符號U，對于主極線圈是額定勵磁電壓，對于換向極線圈是額定電壓，單位為kV。

2轉(zhuǎn)子繞組裝配質(zhì)量控制

直流電機轉(zhuǎn)子也叫電樞，電樞繞組由許多線圈按一定規(guī)律連接而成，每個線圈可以由單匝或多匝導(dǎo)線繞成，它的兩端分別通過升高片接到兩片換向片上。

2.1電樞繞組接線及焊接質(zhì)量檢查

電樞繞組接線是否正確，焊接質(zhì)量是否可靠，通過測量換向器片間所接繞組的電阻值便可以判斷。測量方法有電阻法，壓降法。

2.1.1電阻法

用微歐計直接測量換向器片間的電阻值。此方法因每次測量時的接觸電阻不一致，可能影響測量準(zhǔn)確性。

2.1.2壓降法

圖4　換向器片間壓降測量示意圖

換向器片間壓降的測量示意圖如圖4。電流回路和電壓測量回路，由兩對焊有探針的導(dǎo)線來連通，施加于被試?yán)@組的電流應(yīng)不大于電樞額定電流的5%～10%，用毫伏表依次測量相鄰兩換向片間壓降。根據(jù)繞組的連接方式，如圖5所示，(a)對于單波繞組，應(yīng)將直流電通入換向器相隔接近一個極距的兩換向片上；(b)對于單疊繞組，應(yīng)將直流電通入換向器相鄰兩換向片上。

圖5　換向器片間壓降的測量方法

試驗時應(yīng)特別注意，電樞繞組是一個具有較大電感的線圈，必須保證先接通電流回路，待電流穩(wěn)定后，再接通毫伏表，在斷開電流回路時必須先斷開毫伏表；在電源未與換向片接通時，毫伏表不能與電源線相接，否則有可能因電壓過高損壞毫伏表。

由于電樞繞組是按一定規(guī)律連接起來而形成閉合回路，所以在正常情況下，測得電樞繞組各換向片間的壓降應(yīng)該基本相等，或是由均壓線引起的壓降成規(guī)律的重復(fù)變化。片間壓降最大值與最小值之差不大于平均值的5%為合格(均壓線引起有規(guī)律的變化除外)。

如果測得的壓降既不相等，也不呈一定規(guī)律變化，說明繞組接線存在問題。另外，通過測量換向片間電壓疊加，也可以判斷繞組接線是否正確。即將直流電接到換向器兩側(cè)，對換向器依次編號為1，2，3……，用直流毫伏表依次測量1～2，1～3，1～4，1～5，1～6，1～7等各組換向片之間的電壓。如果毫伏表讀數(shù)以第一個測量值a1為基數(shù)，后續(xù)測量結(jié)果基本上是依次以基數(shù)值的倍數(shù)顯示(考慮均壓線引起的差別)，即an=na1(其中n=1,2,3……)，說明繞組接線正確；如果毫伏表讀數(shù)不呈規(guī)律增加，說明繞組接線錯誤。

2.2查找繞組故障位置的方法

2.2.1電樞繞組短路或斷路

電樞繞組短路的原因，往往是繞組絕緣層損壞，使同槽上下層線圈間短路，或一只線圈里面兩匝導(dǎo)線間短路，或某一只線圈與它相鄰的一只線圈之間短路。

電樞繞組斷路的原因，多數(shù)是由于線圈內(nèi)部導(dǎo)線斷線；或換向片與線圈接頭焊接不良。

要準(zhǔn)確找到短路線圈或斷路線圈位置，可以通過測量換向器片間的直流壓降來確定。

如果電樞繞組有匝間短路，則在和短路線圈相連的換向片上測得的壓降將比平均值顯著降低；如果換向片間短路或升高片間短路，則測得的壓降接近于零。

如果電樞繞組有斷路或換向片與線圈接頭焊接不良，則在和斷路線圈相連的換向片上測得的壓降將比平均值顯著增大。

另外，還可以按圖6所示的檢測方法來準(zhǔn)確找到斷路線圈位置。將6 V左右直流電源接到電樞換向器兩側(cè)，用直流毫伏表依次測量各相鄰的兩個換向片之間的電壓。由于線圈斷路，回路不會有電流，所以電壓都加到了斷路線圈兩端。當(dāng)毫伏表跨接在完好的線圈所接的換向片上時，將無讀數(shù)指示；當(dāng)毫伏表跨接在有斷路線圈所接的換向片上時，將有讀數(shù)指示，且指針劇烈跳動(要防止損壞表頭)。

圖6　電樞繞組斷路的檢測方法

2.2.2電樞接地

電樞接地有兩種情況，一種是電樞繞組接地，另一種是換向器接地。電樞繞組接地的原因，多數(shù)是由于槽絕緣及繞組元件絕緣損壞，導(dǎo)體與硅鋼片碰接所致。

要確定是哪一槽的線圈接地，檢測方法如圖7所示。將6 V左右直流電源接到電樞換向器兩側(cè)，用直流毫伏表一端接軸，另一端與換向片依次接觸。當(dāng)毫伏表與完好的線圈所接的換向片接觸時，則指針要擺動；當(dāng)毫伏表與接地線圈相連接的換向片接觸時，則指針不動。

要判明是線圈接地還是換向片接地，可將接地線圈的接線頭從換向片上焊脫開，分別檢測線圈與換向片，就能判斷出是哪種接地故障。

圖7　電樞繞組接地的檢測方法

2.3電樞繞組工頻交流耐電壓試驗

電樞繞組在進行工頻交流耐電壓試驗前和試驗后，要用兆歐表測量其絕緣電阻。試驗前測得的絕緣電阻值也必須滿足要求(即在冷態(tài)下測得的繞組絕緣電阻，按繞組的額定電壓計算應(yīng)不低于1 MΩ/kV)后，才能進行工頻交流耐電壓試驗。

工頻交流耐電壓試驗，電壓施加于電樞繞組與軸之間。在全值試驗電壓下，試驗時間應(yīng)持續(xù)1 min，試驗過程無破壞性放電現(xiàn)象或冒煙現(xiàn)象為合格。

電樞繞組裝配過程各階段試驗電壓值(適用于額定電壓在24 V以上的一般直流電機)如表3所示。

表3　電樞繞組工頻交流耐電壓試驗電壓值

注：Un——額定電壓，kV。

3結(jié)語

作為電機的關(guān)鍵部件，定、轉(zhuǎn)子繞組質(zhì)量及裝配過程直接影響甚至是決定電機的制造質(zhì)量和工作性能。在定、轉(zhuǎn)子繞組的裝配過程中，可通過上述各項檢查和試驗，能準(zhǔn)確的發(fā)現(xiàn)問題，及時處理，有效排除故障隱患，避免返工，確保電機核心部件的裝配質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

徐正蓉,1964年生，女，工程師，1989年畢業(yè)于四川廣播電視大學(xué)電機設(shè)計與制造專業(yè)，長期從事發(fā)電設(shè)備制造檢驗工作。

馮家奎，1981年生，男，中級工，2007年畢業(yè)于四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)校數(shù)控設(shè)備及維修專業(yè)，2011年畢業(yè)于西南科技大學(xué)機械設(shè)計及自動化專業(yè)，從事發(fā)電設(shè)備制造檢驗工作。

作者簡介：