旋轉變壓器定子繞組開路故障的分析與處理

孫俊婷

(1.上海交通大學，上海 200030； 2.中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海 200233)

0 引 言

雙通道旋轉變壓器是一種信號類微電機，具備環境適應性強、精度高、機械抗振性高等優點，被廣泛應用于機器人、航空、航天、船舶、軍事等裝備的角度測量系統中。目前，為適應整機系統小型化發展的需求，雙通道旋轉變壓器在滿足高精度、高可靠性的同時，亦朝著輕、薄、微的方向發展[1]。

繞組是電機的關鍵部件，繞組的制造質量對電機的性能、壽命和運行可靠性有重要影響。按繞組在電機上的位置可分為定子繞組和轉子繞組。微電機受尺寸限制，結構緊湊，鐵心槽口窄，繞組導線細，匝數多，槽滿率較高，繞組端部尺寸要求嚴格，定子繞組開路問題在雙通道旋轉變壓器研制生產過程中時有發生。現運用故障樹分析方法，對電機故障定子進行故障排查與定位，并在此基礎上進行產品的工藝改進，從而有效地降低繞組開路問題的發生，提高產品質量和運行可靠性。

1 雙通道旋轉變壓器

1.1 工作原理

雙通道旋轉變壓器是一種電磁式高精度傳感元件。它可以使檢測角度位置精度從角分級提高到角秒級，其粗角度位置測量由單極旋轉變壓器(粗機)完成，精角度位置測量由多極旋轉變壓器(精機)完成，通過粗、精機兩者組合完成360°機械角度的高精度測量。在雙通道旋轉變壓器中，為節省空間，一般均采用粗、精機共磁路結構，原方和副方繞組分別被放置于兩個有多個齒的疊片鐵心上，一方靜止(定子)，另一方旋轉(轉子)[2]。當轉子方施加交流電壓時，定子方輸出與轉子轉角成正余弦函數關系的信號，其電路原理圖如圖1所示。

1.2 基本結構及工藝路線

雙通道旋轉變壓器多為分裝式扁平結構，只有定子、轉子兩部分，主要由機殼、軸套、定/轉子鐵心、定/轉子繞組線圈組成，其結構圖如圖2所示。帶機殼的定子常用兩種加工工藝流程路線：一是鐵心下線→浸漆→壓裝；二是鐵心壓裝→下線→浸漆。兩種工藝過程示意圖對比如圖3所示。

圖2 產品結構圖

(a) 路線一

(b) 路線二

圖3(a)工藝路線中，鐵心下線整形后進行浸漆，最后再將帶繞組鐵心壓入機殼。因此下線及整形時無機殼遮擋，繞組裸露在外，可視性好，便于操作人員進行繞組綁扎和檢查，從而可以減少繞組飛線、過橋線外露現象的發生。但當定子機殼為薄壁件，且端部繞組填充系數較高時，為更好地控制繞組端部尺寸，減少后序壓裝等過程中對繞組造成的壓傷、損傷和碰傷，一般采用圖3(b)的工藝路線，即先把鐵心壓入機殼后再下線整形，最后浸漆。

2 繞組開路故障樹分析

2.1 繞組內部結構特點

旋轉變壓器的每相繞組中存有兩種并頭焊接點：首尾線圈分別與引出線相接的2個并頭焊接點；線圈之間相接的1個并頭焊接點，如圖4所示。

圖4 旋轉變壓器繞組并頭示意圖

2.2 故障樹的建立

對旋轉變壓器繞組開路這一故障現象，基于故障樹分析方法和圖4的繞組內部結構特點，以旋轉變壓器繞組開路為頂事件，建立故障樹如圖5所示。

圖5 產品故障樹

3 故障排查與定位

根據圖5的故障樹分析，造成旋轉變壓器繞組開路故障的底事件有以下幾點：X1引出線受機械外力開路、X2漆包線受機械外力開路、X3漆包線質量問題、X4漆包線內部開路、X5引出線與漆包線焊接失效、X6漆包線之間并頭焊接失效。在針對以上故障底事件進行故障排查和定位時，一般通過以下三種方法綜合進行。

3.1 觀察法

觀察法就是借用放大鏡、顯微鏡、內窺鏡等設備，直接觀察故障定子外觀，判斷引出線絕緣層是否完好、有無壓傷痕跡、繞組漆包線是否有受損點等。若無，則可以排除X1引出線受機械外力開路、X2漆包線受機械外力開路的可能。

另外，有時為便于觀察漆包線，如故障定子繞組外部有機殼遮擋，需先通過精車將機殼車去，露出端部繞組。車之前，需注意首先檢測并記錄故障定子各相繞組直流電阻值；其次設計專用車用夾具(見圖6)，根據定子內孔配車心軸，端部用壓板固定，精車過程控制進刀量不大于0.1 mm，保證機殼外圓留有0.25 mm的余量，停止車削，在空擋處手動用尖刀縱向車外圓，注意每次進刀量不大于0.05 mm，整個車加工過程不得損傷繞組，完成后確認繞組情況與車加工前一致；最后從缺口處將鐵皮從繞組外圓小心剝離，剝離過程同步檢測故障定子直流電阻值，保證繞組情況與剝離前一致。

圖6 故障定子專用車機殼夾具

3.2 漆包線原材料復查

排查漆包線質量問題，要針對同批次產品的定子漆包線進行復查，復查內容包括查看該批次漆包線入庫檢驗記錄和按照標準GB/T 6109.1—2008《漆包圓繞組線》對同批次剩余的漆包線進行復檢，檢測項目包括電阻、導體直徑、軟化擊穿、伸長率、擊穿電壓(常溫)等。若檢測結論均為合格，可以排除X3漆包線質量問題導致旋轉變壓器繞組開路的可能。

3.3 測量法

按照工藝要求，為了提高產品抗振動、耐沖擊等環境適應性，對繞組采取真空浸漆工藝進行絕緣處理，繞組的漆包線固化為一體，無法將故障繞組完全分離。另外，因旋轉變壓器有鐵心金屬結構件、繞組漆包線，X線或工業CT能量無法穿透進行掃描判斷。為了分析故障定子漆包線和焊點的具體狀態，需先將故障定子繞組浸泡在去膠劑中溶解繞組所浸的絕緣漆，再進行下一步檢查。

(1)漆包線內部開路(X4)

待繞組浸泡去膠劑后，在顯微鏡下觀察繞組情況。找到斷點后(見圖7)，測量定子故障相直流電阻值，即斷點一端與引出線一端導通阻值和斷點另一端與引出線的另一端導通阻值。利用電阻串聯原理，若兩段阻值和等于故障相直流電阻值，并與另外一相阻值對稱，就可以證明找到的斷點是故障產品的唯一斷點。否則，斷點個數不唯一，繼續按該方法尋找斷點。

圖7 故障電機斷點示例

(2)引出線與漆包線焊接失效(X5，X6)

根據繞組展開圖，確定故障繞組各焊點位置：漆包線之間并頭所在槽和引出線與漆包線并頭所在槽。

在對應鐵心槽內取出漆包線的并頭，將兩側漆包線搪錫后用電阻測試儀測試時導通，測試方法如圖8所示。將并頭處套管去除后，焊接點完好，就可以排除X5漆包線之間并頭焊接失效的可能。

在對應鐵心槽內取出漆包線與引出線的并頭，檢查并頭焊接點是否完好。之后，將漆包線與引出線搪錫后用電阻測試儀測試時導通，測試方法如圖9所示。以此可以排除X6引出線與漆包線之間并頭焊接失效的可能。

圖8 漆包線之間并頭

圖9 引出線與漆包線并頭

4 斷點理化分析

繞組斷點找到以后，要對其斷口進行理化試驗分析，經過宏觀分析、掃描電鏡及能譜分析可得出結果。

很多故障定子繞組開路問題都是產品在進行高低溫、振動、溫度沖擊等試驗后才表征出來，且原因多是漆包線內部開路。例如，下線時漆包線焊點受力，經試驗疲勞累積應力釋放導致繞組開路。又例如，有單根過橋線外露經浸漆后與機殼金屬壁發生粘連，按照標準GB/T 6109.1—2008《漆包圓繞組線》對同批次漆包線(線徑為0.08 mm)的伸長率進行了對比測試，試驗驗證漆包線浸漆前伸縮率(長度增加值與原長度之比)為26.4%，浸漆后漆包線伸縮率僅為8.9%，降低了約70%。因漆包線浸漆后的韌性變差，所以在高低溫試驗環境下機殼與繞組膨脹系數不一致，經多次熱循環，漆包線在溫度應力下被扯斷。上述情況下，斷口SEM形貌一般呈韌窩特征，屬塑性斷裂，如圖10所示。

圖10 端口SEM形貌示例

5 結 語

按照上述故障分析和處理方法，可以有效地對雙通道旋轉變壓器故障定子進行故障排查與定位，提高了工作效率。總結故障電機案例可以發現，微電機的核心是繞組，繞組的壽命即是微電機的壽命。微電機的制造過程中存在大量的手工操作，更是在繞組的繞制和下線過程中突出地體現出來，因此必須遵守合理的工藝規程和加強操作工人的技能培訓，避免不合格產品流入下道工序，造成質量問題。

特別地，針對雙通道旋轉變壓器定子繞組內部開路問題，在故障分析的基礎上進行產品的工藝改進。以下方法經過驗證可以提高產品的質量和運行可靠性：

(1) 當定子繞組下線及整形有機殼等結構件遮擋時，下線前需在繞組與機殼徑向間隙處加貼聚酰亞胺膠帶(產品標準號：Q/GHAE41-2009，廠家：上海合成樹脂研究所有限公司，型號規格：YMM)，可防止繞組漆包線與機殼直接接觸，避免高低溫下機殼和繞組過橋線粘連拉扯的可能。按照國家標準GB/T 6329—1996《膠粘劑對接接頭拉伸強度的測定》，采用鈦合金棒形試樣對漆的抗拉強度進行了試驗測試，試驗驗證在有聚酰亞胺膠帶保護的情況下，浸漆后拉伸強度降低了80%，聚酰亞胺膠帶可以起到有效的保護作用。

(2) 完善下線工藝要求，如要求絕緣處理后的焊點與引出線應順著成形線圈圓弧外圓走，成松弛狀態，焊點不得受力。

(3) 增加檢查力度，如下線完成后借助視頻放大鏡檢查繞組端部，經自檢、互檢、專檢后，直至確認無繞組飛線、過橋線外露等現象。

(4) 嚴格試驗條件加強篩選產品，如適當延長旋轉變壓器高低溫試驗的測量時間和熱循環次數等。