舊電機定子鐵心老化檢測和評價方法的研究

宗和剛，　白連平，　張　利

(北京信息科技大學 自動化學院，北京　100192)

舊電機定子鐵心老化檢測和評價方法的研究

宗和剛，白連平，張利

(北京信息科技大學 自動化學院，北京100192)

摘要：提出了一種檢測方法，利用一個特制的鐵心線圈測試定子鐵心損耗，并提出電機鐵心老化率LH的定義。通過對老化率的計算，分析判斷鐵心老化程度。其原理是基于電磁感應定律，建立一種電機定子鐵心損耗的檢測和分析方法；并設計以單片機為核心的鐵心損耗檢測裝置，利用該裝置可以對待修電機鐵心進行檢測。試驗結果表明所提出的電機鐵心老化檢測方法具有可行性，實現了預期的效果。

關鍵詞：電機鐵心老化研究； 鐵心損耗測試； 單片機檢測裝置

0引言

電機在運行過程中可能會出現過載、斷相、短路等故障。這些故障常常會導致定子繞組燒毀。對于燒毀繞組的電機通常是直接送到電機修理廠更換繞組。一臺電機在使用過程中，可能會反復多次更換定子繞組。每次拆卸舊繞組需要加熱軟化，有時甚至采用噴燈、炭火烘烤等方法。這些方法往往會造成電機定子鐵心的絕緣損壞，引起局部短路，進而造成渦流增大，鐵心局部或整體發熱超標[1]。鐵心發熱又會促使繞組的溫度升高，如此反復，加快了電機定子鐵心的老化。鐵心老化一方面影響電機的運行效率，造成電能浪費；另一方面，由于每次更換繞組前，沒有對定子鐵心老化程度進行判斷，導致更換繞組后電機壽命一次比一次短。定子鐵心老化還會引起鐵心松動、變形等，損傷定子繞組，甚至發生重大事故。因此，對待修電機定子鐵心老化的程度進行檢測和判斷非常必要。通過對鐵心老化程度的判斷來確定繞組燒毀的電機是否有必要進行維修。同樣，該方法也可以用于檢測和判斷使用30年以上的大型電動機或大型發電機鐵心老化程度。

目前，對鐵心老化進行診斷的方法主要有兩種[2]。第1種是電磁噪聲測試法，即根據電磁噪聲檢測出鐵心松動。由于與電機相連的其他設備振動和電機安裝精度的不同，故電磁噪聲的變化是不同的，沒有統一的標準對鐵心老化進行判斷。這種方法不能判斷出鐵心變形和老化情況。第2種方法是振動測試法，即根據定子鐵心外殼振動去判斷鐵心老化程度。這種方法不便于區分鐵心振動量與軸承振動量的關系，因此這種方法測量誤差比較大，也不適合鐵心老化的判斷。

電機定子鐵心由硅鋼片疊裝組合而成，在制造和檢修過程中，處理不當會造成質量下降，再加之經過多年的運行。在冷熱和機械力的作用下，鐵心片之間的絕緣將被損壞，造成鐵心沖片之間絕緣變差，引起渦流損耗增大，故鐵心損耗增大。

目前對硅鋼片損耗測試研究比較多[3]，測試儀器也相對比較成熟，但是還沒有一種設備可以對電機定子鐵心損耗進行直接測量。因為電機定子鐵心是由硅鋼片壓制疊裝而成，其鐵心齒部形狀復雜，所以對電機定子鐵心損耗測試難度較大[4]?；谏鲜龇治?，本文設計了一種鐵心損耗測試裝置，由測試鐵心環、測試繞組、檢測電路組成。然后對老化率進行了定義，通過對老化率的計算，分析判斷鐵心老化程度。

1電機定子鐵心損耗檢測裝置設計

本文根據電機尺寸參數、電機定子鐵心所用的硅鋼片類型，以磁路最短為原則，設計了一個開口測試磁環。在設計過程中所用硅鋼片型號和被測電機定子鐵心所用硅鋼片一致，開口磁環端部寬度與電機定子齒部寬度相同，端部縫隙寬度為電機定子兩個齒部之間的寬度，以便在測試時使開口磁環和電機定子齒部、軛部構成一個閉合回路。在開口磁環上纏繞勵磁線圈，線圈的匝數和線徑的選擇需要參考磁環的大小、勵磁電源電壓的大小以及激磁電流的大小來確定。勵磁電源需要工頻穩壓交流電源，輸出正弦波穩定性要好[5]。電機鐵心損耗測試原理圖如圖1所示。圖1中U1為一次側電壓、I1為一次側電流、U2為二次側電壓。

圖1　鐵心損耗測試裝置原理圖

在進行測試前，需要先將定子鐵心的繞組拆除，避免原繞組感應渦流，產生附加磁通，對測試結果造成影響。拆除之后，將開口磁環端部與電機定子鐵心的齒部貼緊，使其構成一個閉合磁路。由安培環路定律可知

(1)

式中：N——一次側線圈匝數；

Hk——第K段鐵心的磁場強度；

lk——第K段磁路的等效長度。

由此可以得到勵磁電流的i的值，即

(2)

勵磁電壓U由算式(3)確定。

U≈4.44fNφ=4.44fNBS

(3)

式中：φ——磁通；

B——磁通密度；

S——磁路截面積。

鐵損測量時要保證B為正弦波，且取B=1T[6]。將頻率f、磁路截面積S、線圈匝數N代入式(3)，即可求出勵磁電壓U。

如勵磁電壓U為已知，由式(3)可得磁通密度B，即

(4)

2電機定子鐵心損耗的計算方法

調節勵磁電壓，根據式(4)，使磁通密度達到設定值(即1T)，測量出一次側線圈的輸入電壓U1、電流I1和功率P1，將二次側輸出端串聯兩個幾十千歐的電阻，電壓經過衰減之后接入單片機A/D采集端口，A/D轉換器采用10位逐次逼近的A/D轉換方式，由電容耦合放大器構成。由此測得二次側線圈輸出電壓U2。由于二次側電流很小，只有幾毫安，故二次側的銅損可以忽略。于是一次側輸入功率P1等于線圈銅損耗、開口磁環鐵損耗、定子鐵心齒部和軛部鐵損耗之和，即

P1=PCu1+PFe1+PFe2+PFe3

(5)

式中：PCu1——一次側線圈銅損耗；

PFe1——開口磁環的鐵損耗；

PFe2——定子鐵心齒部鐵損耗；

PFe3——定子鐵心軛部鐵損耗。

設PFe是與開口磁環接觸部分定子鐵心總損耗，則

PFe=PFe2+PFe3

(6)

由式(5)和(6)可得

PFe=P1-PCu1-PFe1

(7)

對于一次側銅損的計算，可以測量出一次側線圈的電阻R和電流I1，由式(8)得出。

PCu1=I12R

(8)

計算出開口磁環的鐵心損耗PFe1的方法如下：將圖2中開口部分用硅鋼片鐵心填充，如圖陰影部分所示，使其構成一個閉環；再用相同的辦法在一次側纏繞線圈加勵磁電壓，在二次側也纏繞線圈，當二次側輸出電壓達到設定值時，此時的磁通密度B剛好是1T。根據以上測量，計算出開口磁環的鐵心損耗PFe1。以上數據代入式(7)，即可得到PFe。

再計算出與開口磁環相接觸部分定子鐵心齒部和軛部的總質量m，就可以得到定子鐵心單位質量鐵損耗P0，即

圖2　開口磁環

(9)

3電機定子鐵心老化判定方法

根據定子鐵心所用硅鋼片的鐵損耗和磁通密度的關系曲線，查出新硅鋼片理論上磁通密度為1T時所對應的硅鋼片單位質量損耗Pb。這里由于將定子鐵心齒部和軛部的鐵損耗分開計算，故需要查出齒部磁通密度為BT1時所對應的齒部單位質量鐵耗PT1，軛部磁通密度為BC1時所對應的軛部單位質量鐵耗PC1。根據文獻[7]中定義電機定子鐵心單位質量鐵損值

PL=k1PT1+k2PC1

(10)

式中：對于半閉口槽齒部鐵耗修正系數k1取2.5，對于軛部修正系數k2取2。

從電機設計角度，半閉口槽齒部修正系數k1=2.5，軛部修正系數k2=2，是在統計基礎上得出的，是對大量電機進行試驗分析的結果。對于個體電機而言可能會有一點誤差，但是這種誤差不會影響整體結果，因此式(10)具有參考價值。

通過查閱相關文獻可知，目前對鐵心老化程度還沒有具體定義，很多都是停留在對老化現象的描述層面，為此本文對鐵心老化程度提出如下定義，即鐵心老化率LH為

(11)

通過對同一臺舊電機未拆去繞組直接測量定子鐵心損耗和拆去繞組之后利用開口磁環定子鐵心損耗的結果分析，兩種測量方法得到的結果很接近；另一方面，也對多臺同型號老化程度不同的電機的測試數據進行分析。規定當0%≤LH<25%時，鐵心為輕度老化，電機可以更換繞組繼續使用；25%≤LH<50%時，鐵心為中度老化，對于降低容量的電機還可以使用；LH≥50%時，鐵心為嚴重老化，不能再使用了。

在檢測過程中，需要檢測較小的電壓，在0～10V，而現有儀表儀器電壓測試范圍比較寬，為0～220V，因此低電壓檢測精度降低。另一個問題是同時檢測一次側電壓、電流、有功功率和二次側電壓也不方便。故本文設計一個多功能檢測電路，即定子鐵心老化測試裝置。該裝置包括硬件和軟件兩個方面。硬件以電能采集芯片ADE7758和單片機為核心，實現一次側輸入電壓、電流、功率和二次側輸出電壓的同時測量；軟件上主要包括AD采集、數據計算、顯示等。檢測系統框圖如圖3所示。利用ADE7758電能采集芯片的IAP和IAN兩個端口采集一次側線圈中的電流I1，端口VAP采集一次側電壓U1，端口VBP負責采集二次側電壓U2，通過采集計算，將結果通過串行口送給單片機，然后由單片機送到數碼管進行顯示，顯示參數有U1、P0、B。

圖3　鐵心損耗檢測系統框圖

4鐵心老化檢測試驗

本文對2臺同型號(Y-100L- 4)的電機進行了測試試驗，如圖4所示。兩臺電機都曾經出現過繞組燒毀的情況。圖4中右側是一臺較新的電機，使用了3年，稱為1號電機；左側的電機使用了10年，為2號電機，2臺電機定子鐵心所用的硅鋼片型號均為熱軋硅鋼片DR510-50。

圖4　兩臺試驗電機

在測量過程中由于硅鋼片間的絕緣損壞可能存在不均勻現象，于是對每臺電機都做25次測量，測量時取不同的點，每5次測量作為一組，然后取平均值，得到5組數據。分別進行25次測量的過程中，2臺電機的測量位置盡量保持一致，有利于提高測量數據的準確性。由于開口磁環和電機定子鐵心所用硅鋼片類型一樣，忽略漏磁通影響，有

Φ=BS

(12)

式中：Φ——磁路主磁通；

B——磁通密度；

S——磁路截面積。

進一步有

(13)

式中：SC1——定子鐵心軛部截面積；

ST1——定子鐵心齒部截面積。

查閱Y-100L- 4電機參考資料，如圖5和圖6所示，得到電機定子槽相關尺寸。

電機定子齒部截面積

ST1=bT1h

(14)

圖5　定子鐵心硅鋼片

圖6　定子鐵心沖片示意圖

式中：bT1——定子齒寬度；

h——磁環的厚度。

定子軛部的截面積為

SC1=h(R1-R2)

(15)

計算得到SC1=2.5cm2，ST1=0.8cm2。當主磁路的磁密B=1T，即齒部磁密BT1=1T時，將以上數據代入式(13)得到軛部磁密BC1=0.32T。查詢該類型的硅鋼片損耗曲線和磁化曲線，當齒部磁通密度BT1=1T時，鐵損PT1為1.961W/kg；當軛部磁通密度BC1=0.32T時，鐵損PC1為0.293W/kg。根據式(10)計算可得PL=5.49W/kg。

4.1二次側電壓U2和總體鐵損PFe的計算

現在利用精密可調的單相交流穩壓電源(該電源的頻率可調，輸入電壓為220V，輸出電壓為0～50V連續可調，電壓畸變率≤1.5%)，作為勵磁電源配上設計的鐵損測試裝置進行測量。測量時調節勵磁電源，使二次側電壓U2等于1.776V，此時的磁通密度B為1T，對應一次側的輸入功率為P1、輸入電流I1、輸入電壓U1，之后測出一次側線圈電阻R1=1.907Ω，由此求出PCu1。

在以上條件下，分別對1號、2號電機進行測量。每臺電機測量5組，測量結果如下。

表1　1號電機測試參數

表2　2號電機測試參數

4.2磁環鐵損PFe1和定子鐵心損耗PFe的計算

4.3與開口磁環相接觸部分的定子鐵心質量計算

對于與開口磁環接觸的定子齒部及軛部的質量m計算方法如下：

與開口磁環相對應的定子齒部體積為VT，

VT=hbT1(D1-D2)

(16)

式中：D1——定子沖片的外徑；

D2——定子沖片的內徑。

與開口磁環相對應的定子軛部的體積為VC，

(17)

總體積為V=VT+VC，再根據m=Vρ，算出質量m，ρ取7.75g/cm3。按照以上計算方法，得出m=39.786g，最后由式(9)可以得到所測的定子鐵心的單位質量鐵心損耗。

表1和表2是分別對1號電機(新電機)和2號電機(舊電機)做了5組測量，每組包含5次測量，測量之后求平均值，每次都取定子鐵心內部的不同位置進行測量，并且每次測量前都要經過退磁處理。最后對5組測量數據再求平均值得到的測量數據。根據表1和表2得到的平均值，可以計算出1號電機和2號電機的計算參數，如表3所示。從表3中可以看到2號電機的單位質量鐵損耗明顯比1號電機大。

表3　1號電機和2號電機計算參數對比

由表3中的數據可以看出：1號電機單位質量鐵心損耗平均值P0=6.786W/kg，2號電機單位質量鐵心損耗平均值P0=10.230W/kg。1號電機的老化率23.6%，為輕度老化，還可以更換繞組繼續使用；2號電機的老化率是86.3%，超過了50%，屬于嚴重老化，不能再維修使用了。

5結語

本文對待修電機鐵心老化測試方法進行了研究，提出了電機鐵心老化檢測的方法，定義了有關老化程度的計算，并設計了一套測試裝置對待修電機定子鐵損進行測量，最后對鐵心老化程度進行了評價。雖然由于開口磁環和電機定子鐵心接觸面之間存在氣隙，接觸面都經過打磨，還會產生一點誤差，但對鐵心老化的評價影響不大。

【參 考 文 獻】

[1]程惠黎.中小型電機多次返修前的鐵芯試驗[J].中小型電機技術情報,1979(5)：47- 48.

[2]平田孝夫.發電機定子鐵心老化判斷[J].國外大電機，2005(2)：19-22.

[3]杭亮,顧偉駟,蘇英倆.基于ARM7的硅鋼片鐵損測試儀[J].機電工程,2009,26(3)：47- 49.

[4]SCHMIDT N, GULDNER H. A simple method to determine dynamic hysteresis loops of soft magnetic materials[J]. Magnetics, IEEE Transactions on，1996，32(2)：489-496.

[5]鄭賽軍,黃進,牛發亮.鐵心損耗測試裝置電源的研制[J].中小型電機,2004(5)：67-69.

[6]梅文余.動態磁性測量[M].北京：機械工業出版社,1985.

[7]黃堅，郭中醒.實用電機設計計算手冊[M].上海：上?？茖W技術出版社，2010.

Testing and Evaluating Methods Research to Stator Core Ageing of the Old Motor

ZONGHegang,BAILianping,ZHANGLi

(Institute of automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Abstract：A detection method which testing the iron-core by a special iron core coil was proposed and the aging degree of core was analyzed. Then defining the aging rate LH which we could analysis and judge the aging condition of core by calculating it. The principle was based on the electromagnetic induction principle and established a measurement analysis method of stator core loss. Designing a core loss detection device whose core was CPU and used it to test the repair motor. The results of experiment show that the presented aging testing method is feasible. The detection device can achieve the desired effect.

Key words：the research of motor iron core aging; core loss test; single-chip microcomputer testing device

作者簡介：宗和剛(1988—)，男，碩士研究生，研究方向為電機測試技術。 白連平(1956—)男，博士，教授，研究方向為電機節能與測試技術。

中圖分類號：TM 306

文獻標志碼：A

文章編號：1673-6540(2016)05- 0079- 05

收稿日期：2015-10-10