某船主推進電機偶發艏、艉樞電流異常偏差問題分析及修理

刁愛民，李海濤

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

某船主推進電機偶發艏、艉樞電流異常偏差問題分析及修理

刁愛民，李海濤

(海軍工程大學，湖北 武漢 430033)

針對某船主推進電機偶發艏、艉樞電流異常偏差問題，理論上分析了電流偏差的原因，在全面分析、排查、勘驗基礎上，借助溫升試驗等技術手段，精確定位了故障點，確定了故障原因，采用合理修理方案及時排除了主動力裝備存在的風險隱患。

船舶；主推進電機；電樞電流；溫升試驗；修理

主推進電機作為船舶的關鍵裝備，屬于動力核心，其可靠運行對船舶整體技術狀態的發揮和功能實現具有重要意義。直流推進電機作為一種主要的推進電機形式，具有電機轉速和轉矩易于調控的優點，且調速系統的控制流程也相對簡單，在船舶行業中仍得到廣泛應用[1-2]。為了保證推進電機具有較高的輸出功率，一些大型直流電機多采用雙電樞結構[3]。

國內某特種船舶即采用雙樞直流推進電機作為主動力裝備。在正常使用幾年后，該船主推進電機在雙樞并聯工況下偶發艏、艉樞勵磁電流異常偏差現象，且近來呈嚴重化發展趨勢，極大影響主動力系統的性能發揮和安全使用。本文較為詳細的介紹了該船主推進電機偶發艏、艉樞電流異常偏差問題發生后的解決過程，包括故障理論分析，原因分析排查、處理措施制定及修理效果驗證等內容，以期作為后續處理類似問題的經驗參考。

1 主推進電機組成及特點

該型主推進電機由定子和轉子2大部分組成：定子不僅用來支撐整個電機，還用于安裝主磁極、換向極和電刷裝置，其中主磁極包含主磁極繞組、補償繞組和鐵心，換向極包含換向極繞組和鐵心；轉子(又稱電樞)主要包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器等，其電樞繞組為雙蛙繞組形式[4]。

該型主推進電機采用雙電樞(艏、艉樞)、雙換向器、雙內機座的結構形式。艏、艉電樞功率相同，安裝在同一根軸上，由電機兩端的軸承支撐；艏、艉電樞可以同時正、反轉。電機雙樞勵磁繞組采用并聯和故障應急串聯連接方式，可單樞或雙樞串、并聯運行；并聯工作時，借助于均衡電阻平衡艏、艉樞勵磁電流差及電樞電流差。正常運行工況下，艏、艉樞電流差通常不超過300 A。

2 故障現象

該船主推進電機投入使用的前幾年，情況基本正常。但從近2年使用情況看，開始出現艏、艉樞勵磁電流異常偏差現象，從前期的偶爾發生到近期的長時間持續，問題呈現嚴重化發展趨勢。具體情況如下。

1)2014年9月，該主推進電機艏、艉樞勵磁電流連續偏差28 h，后又恢復正常。

2)2015年4月，主推進電機空轉時出現艏、艉樞勵磁電流偏差現象，但后續航行期間電流偏差現象消失。

3)2015年5月上旬，航行狀態下主推進電機艏、艉樞勵磁電流偏差現象持續40多個小時，最大偏差8 A。

4)2015年5月下旬，航行狀態下主推進電機艏、艉樞勵磁電流偏差持續60多個小時，最大偏差6 A；其中艏、艉樞并聯運行10 h，電樞電流持續偏差1 000～1 200 A。

3 推進電機電樞電流偏差理論分析

雙電樞電機采用機械特性硬度較大的他勵電動機，其復合機械特性硬度大，雙電樞并聯機械特性小的差異會造成2個電樞負荷電流不均勻。本質上電流由電樞端電壓、電樞電路電阻和勵磁磁通這些電磁參數不同所致。

從故障現象分析，排除電樞端電壓、電樞電路電阻出現故障，唯一原因為勵磁回路故障。

在任一電樞電路中，端電壓U為反電勢E與電樞電路電阻壓降之和，即U=E+IR。式中IR一般為5%U，而反電勢E約為95%U。磁通小的電樞，反電勢也小，電樞電流大，而較小的磁通差別將引起較大的電樞電流差別。

因此我們重點排查勵磁電流較小的勵磁回路是否存故障。

4 原因排查

考慮主推進電機在艏、艉樞串、并聯工況下，其勵磁電流均存在不同程度偏差，故勵磁回路成為主要排查對象，重點包括勵磁控制板、勵磁繞組等。

4.1 系統檢查

首先采用靜態檢查的方法排查勵磁回路系統。

1)接頭接線檢查。主推進電機艏、艉樞勵磁繞組外接頭檢查，未發現異常；主推進電機勵磁接線端(外部)連接緊固。

2)直流電阻值測量。在日常使用環境下，測量主推艏、艉樞勵磁繞組的冷、熱態直流電阻值，以及對地絕緣值。在室溫27 ℃、濕度76%條件下，艏、艉樞冷態電阻相差0.129 Ω、熱態電阻相差0.15 Ω，艉樞電阻值偏大；勵磁繞組對地絕緣值25 MΩ。

3)勵磁回路通電試驗。在30 A、50 A、60 A、70 A、80 A電流下進行通電檢查，記錄艏、艉樞勵磁分流器、勵磁繞組的電壓值，比較艏、艉樞勵磁電流差異情況。隨著勵磁電流及通電時間的增加，艏、艉樞勵磁電流的差值由1 A增加到5 A，艉樞勵磁電流偏小；勵磁轉換開關壓降基本正常。

4)主磁極氣隙測量。在艏、艉樞主磁極極弧中部和電樞相應位置作好標記，用專用設備測量艏、艉樞主磁極氣隙并記錄；電樞盤車1圈，復測主磁極氣隙。經測量，各主磁極氣隙值基本在理論值范圍內，未出現嚴重偏差。

4.2 溫升試驗

主磁極作為勵磁回路的重要組成部分，其技術狀態的好壞直接影響勵磁系統的穩定性。前期已測量了各主磁極聯網狀態下的總直流電阻，但無法確定單個主磁極的技術狀態。在盡量減少拆檢工程范圍的原則下，通過開展主磁極溫升試驗，可以分別確定各主磁極在通電環境下的溫升特性，進而掌握其制造質量及使用穩定性。

4.2.1 試驗準備

試驗前，要求主推進電機及控制板、風機、勵磁機組等工作狀態正常，符合開機要求；主推軸系與主推進電機為脫開狀態；船電供應正常。

為了準確測量通電條件下各主磁極的溫升特性，使用美國FLUKE公司的2638 A/60全能型數據采集器進行溫度數據采集，配套使用K型熱電偶，其量程為-270～1 372 ℃、分辨率0.01 ℃、準確度0.60 ℃；溫度數據采集系統精度為±1 ℃。

圖1 主磁極勵磁繞組內、外接頭測點布置圖

溫升測點布置在主推進電機艏、艉樞主磁極勵磁繞組外接頭及內接頭的延長線上，如圖1所示，測點數目共56個(艏、艉樞各28個)；用3M耐溫膠帶將K型熱電偶固定在被測點上，保證接線可靠。

試驗前，測量艏、艉樞主磁極勵磁回路冷態直流電阻值及對地絕緣電阻值并記錄。

4.2.2 試驗過程

在主推進電機不運轉條件下，艏、艉樞并聯，向勵磁回路供直流電，主要電流值分別為：30 A、50 A、70 A(持續通電各2 h)和80 A(持續通電1 h)，其中勵磁電流在50 A以上時按要求開啟通風機。原則上0.5 h記錄1次各測點溫度值，視情調整各電流下的通電時間和溫度值記錄間隔。

現場觀察發現，30 A和50 A電流工況下，艉樞2#主磁極內、外接頭測點的溫升明顯較快，供電約90 min后，其測點溫度相比于其他測點要高出約11～13 ℃。隨著供電電流的增大，開啟通風機后，各測點溫升曲線發生變化，橫向對比關系變得不明顯。溫升試驗進行4.5 h后，將勵磁電流降低為40 A，關閉通風機，此時2#主磁極內外接頭測點溫度在3 min內快速升高了近10 ℃。

4.2.3 數據分析

比較艏、艉樞主磁極勵磁繞組內、外接頭的溫升測量數據可知：在各運行工況下，艏樞主磁極勵磁繞組內、外接頭的溫升數據基本相當且在正常范圍內，沒有溫升異常點，表明艏樞主磁極勵磁繞組技術狀態基本正常；除了艉樞2#主磁極勵磁繞組內、外接頭溫升數據比較特殊外，艉樞其他主磁極勵磁繞組接頭溫升數據也基本相當，屬于正常范圍。

圖2 艉樞1#～3#主磁極勵磁繞組外接頭溫升曲線對比(修前)

圖2給出了艉樞2#主磁極勵磁繞組外接頭與其相鄰2個主磁極勵磁繞組外接頭溫升曲線的對比關系。圖中過程Ⅰ～Ⅴ分別代表如下運行工況：①過程Ⅰ，勵磁電流30 A，關閉通風機；②過程Ⅱ，勵磁電流50 A，關閉通風機；③過程Ⅲ，勵磁電流50 A，開啟通風機；④過程Ⅳ，勵磁電流70 A，開啟通風機；⑤過程Ⅴ，勵磁電流80 A，開啟通風機；⑥過程Ⅴ以后，勵磁電流40 A，關閉通風機，溫度快速上升后重新開啟通風機。

綜合分析可知，在通風機未開啟的過程Ⅰ、Ⅱ中，1#、3#主磁極勵磁繞組外接頭溫度變化規律一致，溫差也很小，而2#主磁極勵磁繞組外接頭溫升明顯更快，最大相差11 ℃；過程Ⅲ中，通風機開啟不久，各接頭溫度迅速下降，表明通風機對主推進電機的冷卻效果明顯；過程Ⅳ、Ⅴ中，在通風機開啟狀態下，隨著通電電流和時間的增加，各接頭溫度繼續緩慢增長，同時各接頭溫度的橫向對比關系也發生較大變化，例如1#、3#外接頭開始出現明顯溫度差，表明通風機開啟導致主推進電機內部溫度場分布發生變化；過程Ⅴ以后，降低勵磁電流、關閉通風機，各外接頭溫度快速上升，2#外接頭在5 min內溫度上升了25 ℃，表明原本被強制冷卻的主磁極的熱量得到快速釋放，而再次開啟通風機后，溫度又開始迅速下降。

另外，在以上各運行工況，除了試驗后期通風機關閉后的異常升溫過程，2#主磁極內、外接頭的溫度差基本保持在1～3 ℃范圍內，兩者溫升變化規律基本一致，此處不再贅述。

4.2.4 初步結論

主推進電機艉樞2#主磁極溫升試驗數據相對異常，其本身制造工藝可能存在原始缺陷，導致直流電阻偏大，建議出艙進一步拆檢、鑒定。

5 修理措施

5.1 出艙拆檢

為了準確定位問題原因，對艉樞2#主磁極拆卸出艙，進一步拆檢、勘驗。拆卸前，對艉樞2#主磁極氣隙、與其相鄰換向極的氣隙、極間距離、緊固件的緊固力矩、墊板數量及厚度、電刷裝置中性面位置等參數進行詳細的標記和記錄。

5.1.1 電阻測量

2013年該船在廠修期間，測得2#主磁極的直流電阻約為0.187 Ω，比理論值偏大；此次出艙時，測得其直流電阻約為0.124 Ω；拆卸進車間后，2#主磁極勵磁繞組直流電阻不穩定，在0.121～0.144 Ω之內波動。

5.1.2 拆檢勘驗

外觀檢查發現，該2#主磁極勵磁繞組浸漆不到位，線圈匝間縫隙油漆不緊致。

進一步拆檢整個磁極發現：內接頭勵磁繞組并繞2根線間未焊牢，存在虛焊情況；并繞的2根線與包覆片也未焊牢，如圖3所示；勵磁繞組并繞2線中的1根存在搭接現象，導致線間接觸不牢固，如圖4所示；勵磁繞組絕緣層存在搭接現象。

圖3 并繞線圈包覆片焊接不牢靠

圖4 并繞線圈中存在的搭接現象

5.2 主磁極重制

由于2#主磁極存在原始制造缺陷，為了恢復其技術狀態，需要通過重新制作勵磁線圈來解決。

采用保持與原主磁極技術狀態一致的方案，利用原線圈鐵芯，在保證線圈外形尺寸、繞制方式、固定方式等均一致的情況下重新制作2#主磁極勵磁繞組，并注意在拆繞過程中保護好補償繞組。

主磁極勵磁繞組新制完成后，將主磁極整體采用真空壓力浸漬、烘焙工藝進行絕緣處理(浸H級無溶劑漆，真空壓力浸漬、烘焙2次)。浸漬烘焙后，分別進行匝間、對地絕緣耐壓試驗，檢查合格后提交。新制主磁極直流電阻0.124 Ω。

6 修后試驗

艉樞2#主磁極新制合格后，上船安裝，恢復系統狀態，通過系泊和航行試驗驗證故障排除情況。

6.1 系泊試驗

系泊試驗主要開展主推進電機勵磁回路靜態檢查，包括勵磁回路直流電阻測量、勵磁電流供應一致性檢查等，重點開展溫升特性試驗。

修后溫升試驗的工況、方法等均同前期一致。試驗發現，各主磁極溫度變化過程基本正常。為了對比修理效果，重點關注艉樞2#主磁極溫升特性。圖5給出了艉樞1#～3#主磁極勵磁繞組外接頭溫升曲線對比情況。

圖5 艉樞1#～3#主磁極勵磁繞組外接頭溫升曲線對比(修后)

從圖5可以看出：1#～3#主磁極的溫升過程基本一致，未開啟通風機前，三者最大溫差不超過3 ℃；通風機開啟后，各主磁極溫度快速下降，隨后開始緩慢升溫，但3個測點間溫差不大；試驗后期，降低通電電流，關閉通風機后，3個測點溫度快速回升，但最大溫差不超過5 ℃。對比圖2和圖5可知，艉樞2#主磁極新制后，其溫升曲線恢復正常。

靜態檢查及溫升試驗完成后，主推進電機開展了艏、艉樞串、并聯工況空載動車試驗，結果正常。

6.2 航行試驗

在系泊試驗基礎上，按要求對修理后的主推進電機進行了航行試驗，包括船舶前進、后退條件下常用運行工況的檢驗。試驗結果表明，主推進電機各工況工作正常，艏、艉樞并聯條件下電樞電流最大相差200 A，勵磁電流最大相差1 A，滿足使用技術要求。

7 結束語

針對某船主推進電機偶發艏艉樞電流異常偏差問題，通過理論分析，在全面分析、排查、勘驗基礎上，借助溫升試驗等技術手段，精確定位了故障點，確定了故障原因，采用合理措施及時排除了主動力設備存在的風險隱患。

主推進電機設備的制造工藝質量直接影響后期使用的可靠性和安全性。面對類似問題，除了加強生產質量監督外，也應加強日常使用過程中的觀察、監測，持續掌握其技術狀態演變規律，為后續故障排查、診斷提供第一手資料。

[1] 任修明，楊德望. 艦船推進電機設計發展展望[J]. 船電技術, 2002(5): 1-4.

[2] 宋義超，史振宇，張鷹. 潛艇推進電機技術特點與發展分析[J]. 船舶工程, 2013, 35(3): 55-58.

[3] 程鈞謨，程英龍. 某型消磁船推進電動機換向器火花故障分析[J]. 中國修船, 2007, 20(4): 25-27.

[4] 辜承林，陳喬夫，熊永前. 電機學[M]. 武漢：華中科技大學出版社，2005.

In order to eliminate the incidental deviation of armature current of marine main propulsion motor, the cause of the current deviation is analyzed in theory, based on the comprehensive analysis, investigation and inspection, repair technique and measures including temperature rise test were presented to pinpoint the fault, determine the cause, and finally exclude the potential risks of the propulsion motor.

marine；main propulsion motor；armature current；temperature rise test；repair

刁愛民(1966-)，男，江蘇金壇人，高級工程師，碩士，主要從事船機電管理及保障研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.006

2015-10-26