永磁同步電動機絕緣系統

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，隨著變頻器的廣泛使用，國內外出現了越來越多采用變頻器驅動的電動機因絕緣過早失效導致電動機工作壽命縮短的情況。作為電梯主機，以永磁同步電動機為主體的永磁同步無齒輪曳引機（Permanent Magnet Synchronous Gearless Trac－tion Machine，PM），以其高效節能、環保、運行噪音低、維護簡單、節約機房建筑空間等優點，受到廣大電梯用戶的青睞［1－2］。PM曳引機中，永磁同步電動機非常緊湊地與其他零部件集成為一體，大大減小了曳引機整機外形尺寸和體積，節約了安裝空間［3－4］，但是如果電動機發生絕緣燒毀，現場維修和更換則非常困難。PM曳引機中的永磁同步電動機采用變頻器驅動，如何確保電動機的絕緣性能和質量滿足其長時間可靠性運行的要求，是永磁同步電動機絕緣系統在設計及制造時需要著重研究的內容。

本文從永磁同步電動機絕緣系統的組成、絕緣系統的失效、絕緣系統的評價方法、造成永磁同步電動機絕緣系統失效的局部放電等方面進行敘述和分析，并對局部放電與電機線圈浸漆質量進行了進一步分析、研究和試驗。

1 永磁同步電動機絕緣系統的組成

圖1 永磁同步電機常用的絕緣結構

PM曳引機中的永磁同步電動機通常采用散嵌的繞組結構［5－6］，其絕緣系統的組成包括：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，并經過浸漬絕緣漆的絕緣處理，將線圈和絕緣粘結成一個整體，構成完整的絕緣結構，如圖1所示，除了具有絕緣性能外，還具有一定的力學性能、導熱性能和防護性能。

2 永磁同步電動機絕緣系統的失效

電動機絕緣系統的主要作用是有效地將電動機中帶電的或有不同電位的導體隔離開，使電流按指定的方向流動。絕緣系統的失效是指：電動機在運行中，絕緣系統受到熱、電、光、氧、水、有害化學媒質及機械力等因素的多重作用，導致絕緣材料破壞而失去應有的功能。

絕緣失效的主要形式有電擊穿、熱擊穿、放電擊穿。與工頻供電的電動機相比，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，與工頻供電的電動機相比，PM曳引機中的永磁同步電動機絕緣系統的失效，主要是因為電動機內部發生局部放電，使得在絕緣材料表面產生電暈、火花放電，帶電粒子沖擊絕緣材料，使絕緣材料發生老化或高聚物分子主鏈裂解，導致放電擊穿，電動機被燒毀，整個過程如圖2所示。

圖2 電機放電擊穿過程的示意圖

3 永磁同步電動機絕緣系統的評價方法

對永磁同步電動機絕緣系統的評價，可以通過一系列的絕緣試驗來進行。包括對構成絕緣系統各種材料的材料本身進行單獨試驗、材料組合的相容性試驗、絕緣系統整體試驗。

3.1 絕緣材料的單獨試驗

永磁同步電動機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、絕緣浸漬漆及樹脂、成型絕緣件等。各種絕緣材料的單獨試驗評價可以按照相關的國家標準或行業標準進行，其中對于采用變頻器供電驅動的永磁同步電動機，其采用的電磁線應該具有一定的耐高頻脈沖電壓沖擊的能力和運行壽命。

3.2 絕緣材料的相容性試驗

經過單獨試驗篩選出的絕緣材料用來組成絕緣系統，材料之間是否相容，應進行絕緣材料的相容性試驗。

相容性試驗的結果，不但反映了各組成材料在熱因子作用下，自身發生的物理、化學變化及裂解產生的分解物、揮發物等對其他材料，尤其是對主絕緣材料的絕緣性能影響。相容性試驗的結果同時也在一定程度上反映了主絕緣材料自身的耐熱性能。雖然相容性試驗標準規定，替換的絕緣組分狀態相比原有基準絕緣結構的平均擊穿電壓下降率不超過50%即為合格，但如果擊穿電壓下降率偏大，對系統的熱老化壽命也有一定的影響。

3.3 絕緣系統的試驗

經材料的單獨試驗和相容性試驗篩選后的絕緣材料，只是構成合格絕緣系統的必要條件，而非充分條件，合格絕緣系統還與絕緣的結構、制造工藝等因素有關，需要對絕緣系統進行相關試驗來評價。

永磁同步電動機絕緣系統的試驗包括絕緣電阻測試、匝間絕緣試驗、對地耐電壓試驗、局部放電試驗、熱老化試驗、電老化試驗等，對于采用成型線圈的電動機絕緣系統還包括介質損耗試驗和吸收比、極化指數試驗等。這些試驗評價可以按照相關的國家標準或行業標準進行。

由于與工頻供電的電動機相比，PM曳引機中的永磁同步電動機絕緣系統更容易因內部發生局部放電而失效，因此需要對局部放電做進一步的分析。

4 永磁同步電動機絕緣系統的局部放電與電機線圈浸漆質量

4.1 多層電介質組合結構與局部放電

永磁同步電動機絕緣系統是由多層介電強度不同、介電常數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介電常數ε不同，故所承受的電場強度E也將不同。多層電介質組合結構的物理模型如圖3所示［7］。

圖3 多層電介質組合結構的物理模型

圖3中，ε1，ε2，…，εn表示第1，2，…，n層電介質的相對介電常數，d1，d2，…，dn表示第1，2，…，n層電介質的絕緣厚度，U表示施加在多層電介質組合結構上的電壓。

根據圖3可得第p層電介質所承受的電場強度為

式中，εp為第p層電介質的相對介電常數；εi為第i層電介質的相對介電常數；di為第i層電介質的絕緣厚度。

由式（1）可知，第p層的電場強度Ep與該層材料的εp成反比。

若絕緣系統中存在空隙或氣泡，由于空氣的相對介電常數較小，故所承受的電場強度較大。而空氣的擊穿場強比其他材料小十幾倍以上，當空氣承受的電場強度達到空氣的擊穿場強時，就會出現放電。

局部放電雖然不形成貫穿施加電壓的兩導體之間的通道，即整個絕緣系統并沒有擊穿，仍然保持絕緣性能，但會逐漸腐蝕、損壞絕緣材料，使放電區域不斷擴大，導致絕緣材料加速劣化變質，最終導致整個絕緣被擊穿［8］。

4.2 電動機線圈浸漆質量與局部放電

PM曳引機中永磁同步電動機通常采用散嵌繞組結構，這種結構的電動機線圈浸漬絕緣漆，是絕緣制造中最重要的絕緣處理工藝過程，其主要作用如下：用絕緣漆填充線圈匝間的空隙，使線圈和絕緣粘結成一個整體，提高絕緣介電性能，提高電動機線圈的局部放電起始放電電壓（Corona Start Voltage，CSV）值。當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降低CSV值。因此，CSV值的高低可以作為反映電動機線圈浸漆質量以及電動機絕緣性能的一個重要評價指標［9－10］。

電動機線圈浸漆過程中，影響浸漆質量有的因素包括：絕緣漆的粘度、預熱溫度、預熱時間、浸漆時線圈溫度、浸漆時間、滴漆速度、滴漆時間、固化溫度、固化時間等。

針對影響浸漆質量的各個環節和因素，利用CSV值的測量以及對測量結果數據的分析、研究，可以尋找影響浸漆質量的因素和水平，以提高電動機線圈浸漆質量。

4.3 試驗及分析

4.3.1 試驗及試驗結果

按照田口方法進行試驗設計［11－12］，選取浸漆過程中的3個因素：漆的粘度、浸漆時線圈溫度、固化條件，作為試驗因子進行試驗，每個因子3個水平，其余試驗條件相同。各試驗因子和水平如表1所示。

表1 試驗因子和水平

試驗結果為電機線圈浸漆后的CSV值如表2所示。

表2 試驗結果

4.3.2 試驗結果分析

從試驗結果看，浸漆過程中的3個因素對電機線圈浸漆質量均有較大影響，各個因素的不同水平組合導致不同的CSV值測試結果。第2組，即當漆的粘度為高水平、浸漆時線圈溫度為中水平、固化條件為中水平時，是能產生最高CSV值的因子水平。

試驗因子和水平對浸漆質量的影響，其實質是浸漆工藝參數、水平與電動機線圈絕緣結構如何能夠做到最佳匹配。對各試驗因子和水平影響浸漆質量的機理分析如下。

（1）漆的粘度

PM曳引機中的電動機線圈采用的是散嵌的繞組結構。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。從試驗結果看，漆的粘度為高水平（85～95s）時為最佳值，說明對于采用的電動機線圈絕緣結構，當絕緣漆粘度偏低時，絕緣漆易從線圈縫隙中流失，填充性差。

（2）浸漆時線圈溫度

若浸漆時線圈溫度太低，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。從試驗結果看，浸漆時線圈溫度為中水平（50℃）時為最佳值，說明對于采用的電機線圈絕緣結構，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，將線圈與絕緣固結成一個整體。溫度低或時間短則不能完全固化，影響浸漆品質；而溫度太高、時間太長又將嚴重影響生產效率。從試驗結果看，固化條件為中水平時為最佳值，說明中水平（150℃，60min）條件，已經能夠完成完全固化。低水平（130℃，120min）影響浸漆質量，高水平（150℃，120min）則不能兼顧生產效率和成本。

5 結 語

針對國內外出現的越來越多采用變頻器驅動的電動機因絕緣過早失效導致電動機工作壽命縮短的情況，如何確保采用變頻器驅動的PM曳引機中永磁同步電動機的絕緣性能和質量滿足電動機長時間可靠性運行的要求。

值得說明的是，由于電動機及線圈絕緣結構的形式種類繁多［13］，不同形式的電動機線圈絕緣結構對應的絕緣系統不盡相同，相應的最佳浸漆工藝參數和水平也不盡相同，絕不能簡單套用。本文僅針對PM曳引機中永磁同步電動機的散嵌繞組結構相對應的絕緣系統進行分析研究，并對這種繞組結構的電動機線圈浸漆質量與局部放電進行研究、試驗，提供一種分析、探尋浸漆工藝參數和水平與電動機線圈絕緣結構如何能夠做到最佳匹配的思路和方法，供相關的電動機設計及工藝制造人員參考。

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