电机定子绕组浸水试验率低原因分析及解决方法

电机定子绕组浸水试验率低原因分析及解决方法摘要：地铁车辆牵引电机长期在阴暗潮湿的环境下运行，因此对电机定子的绝 缘结构有较为苛刻的要求。因此需对电机联线结构和绝缘材料的使用进行分析， 再通过对电机的绝缘结构、焊接过程及绝缘包扎方法进行验证，并提出解决方法， 通过多次浸水试验进行测试验证，使该电机绕组绝缘结构的防水效果得到改善。关键词：电机；浸水；绝缘电阻；绝缘结构；防水 地铁车辆的牵引电机长期在地表以下运行，运行环境阴暗潮湿，特别是我国 南方的多雨城市，地铁牵引电机有时会涉水而行，而这样的运行环境很容易造成 电机表面甚至电机内潮湿或积水，若电机绕组的绝缘防护强度不足，电机运行中 会使绝缘性能快速下降甚至丧失，从而造成绕组接地或短路故障。我们通过浸漆 后的浸水试验过程及对试验结构分析发现，地铁电机定子绝缘薄弱部位，主要存 在于绕组联线端的小并头及各联线位置。因此通过试验，对改型地铁电机的并头 结构、焊接参数及防护方法、绝缘材料选用以及绝缘包扎方法进行验证，通过多 种方案的实验对比和不断改进，使电机联线结构及绝缘结构的防水效果得到明显 改善。1 改进前电机定子浸水试验情况2014年11月12月新制某型号地铁电机定子2台，浸漆后按要求进行浸水 试验，经测试，浸水试验一次通过率为0%；2015年1月共生产32台该型号电机 浸水试验一次通过率 25%30%，浸水试验一次通过率偏低，说明此时电机绕组和 并头联线的绝缘结构和绝缘强度无法满足地铁电机的运行条件。针对首批次该型地铁电机定子浸漆后浸水试验一次通过率偏低问题，协同新 技术部、设计部门和工艺部，在浸漆工序随机抽选一台某型号电机定子进行浸漆 后的浸水试验，试验方法为：浸水时间1小时；试验要求：浸水前及刚浸入水中 至1小时，每隔15分钟，用1000V兆欧表检测定子对地绝缘电阻并记录所测数 值。按试验要求在浸水前检测该台定子冷态对地绝缘电阻，测得对地电阻值为 10.8GQ；将定子卧式浸入水中，露出绕组三相引出线头（定子浸水试验绝缘电阻 测量原理如图1所示），绝缘电阻值即降至20MQ,浸水15分钟后，绝缘电阻值 降至10.2MQ,浸水30分钟后，绝缘电阻值降至0.18MQ；将定子吊出水面测量, 绝缘电阻值恢复至200MQ以上；将定子联线端朝上浸水，小并头及联接线部分 露出水面，测量绝缘电阻值仍为200MQ以上，浸水2小时后测量绝缘电阻值仍 保持不变。上述试验重复 2 次，与首次试验过程相同， 3 次试验结果相符。在试验过程 中，若绕组并头及联线部位浸入水中，对地绝缘电阻随浸水时间的延长而迅速下 降；仅将定子非联线端、直线部位浸水时检测绝缘电阻值未见明显下降。由此可 见，定子绕组直线及端部（斜线边）位置的绝缘防水性能优异，而小并头和极间 联线部位防水性能较差，是防水性绝缘结构的薄弱环节。图 1 定子浸水试验绝缘电阻测量示意图2 分析电机定子浸水试验通过率低的原因 通过以上三次浸水试验结果，对小并头联线结构、绝缘材料选用、焊接过程及绝缘包扎工艺方法进行了分析，确认影响电机定子浸水试验一次通过率的主要 原因有以下几点：2.1 焊接因素定子小并头和极间联线焊接时的高温，会对线圈引出线头原有的本体绝缘造 成烧灼损伤，同一部位的焊接时间过长，或同部位多次焊接，或焊接时对施焊部 位的绝缘防护不到位，导致焊接时的高温将引线头原有绝缘破坏；而绝缘包扎时 对此部位的绝缘修复又很难达到线圈原有的绝缘强度。2.2 并头、联线结构因素 小并头联线方式采用 V 型搭接结构（如图 2 所示），极间联线和零环采用 T 型联线结构（如图3 所示），焊接后每个并头和联线搭接部位的绝缘包扎均为分 段包扎，绝缘包扎困难，包扎后绝缘整体性较差，难以达到防水绝缘效果，故而 影响浸水试验通过率。图 3 联线 T 型结构2.3 绝缘材料因素 小并头及联线绝缘包扎材料应用不当，小并头绝缘包扎依次采用中胶粉云母 带、聚酰亚胺薄膜带和无碱玻璃丝带进行包扎；T型联线绝缘包扎依次采用中胶 粉云母带、聚酰亚胺簿膜带、无碱玻璃丝带进行包扎，加之小并头和联线搭接部 位的形状不规则，绝缘材料无法保证对这些位置的凹陷或凸出部位进行有效填充 浸漆对这些凹陷或凸出部位的绝缘漆填充效果变差。2.4 绝缘包扎工艺因素 联线并头绝缘包扎方法不完善，或未按绝缘包扎工艺要求的顺序包扎或材料 错误使用，也会影响浸漆后的绝缘防水性能。3 制定对策 针对上述浸水试验出现的绝缘防水能力缺陷，与新技术部、设计部门及工艺 部门共同制定了不同的改进方案，对定子绕组联线并头结构、焊接工艺、绝缘材 料的选用和绝缘包扎工艺进行优化。（1）在焊接工艺方面，调整焊接参数，缩短焊接时间，焊接时间控制在 58s，尽量一次焊接完成，减少二次返焊或长时间加热对导线及绝缘造成的损伤; 为减少焊接时的高温对焊接点附近引线原有绝缘的烧损，在施焊点附近使用浸湿 的陶瓷纤维布进行降温保护。（2）对于小并头的V型搭接结构、极间联线和零环的T型搭接联线部位， 使用砂带机对焊接后的小并头尖角、焊接的高点及尖棱进行打磨，保证小并头周 围没有损伤绝缘的尖角、毛刺，并使用白布蘸取无水乙醇，对打磨及焊接部位进 行擦拭，保证并头和焊接表面的清洁度;包扎前在小并头夹角内夹入美塔斯毡， 再使用手钳将小并头的V型搭接处5mm的并头夹角夹紧（如图4所示），并将 夹角外的美塔斯毡对小并头根部进行包裹，此绝缘结构在浸漆后可有效阻隔浸水 试验时水分浸入绝缘内。图4 V型小并头焊接夹紧绝缘包扎（3）绝缘材料选用：增加使用适形性优异的美塔斯毡和粘接包封性好的硅 橡胶填充泥。小并头部位绝缘包扎使用美塔斯毡*65*15、彷10云母套管50mm、 0.05*20聚酰亚胺簿膜带、0.1*30无碱玻璃纤维带；极间联线和零环的T型搭接 部位选用硅橡胶填充泥、硅橡胶自粘带， 0.05*20 聚酰亚胺簿膜带、 0.1*30 无碱 玻璃纤维带，提高其绝缘可靠性。（4）绝缘包扎方法：填加美塔斯毡和硅橡胶填充泥，对作为防水层的聚酰亚 胺薄膜带的包扎搭接匝数和包扎顺序进行规范，使所有的绝缘包扎紧凑、致密。其一，对小并头的绝缘包扎方法进行规范：先在小并头V型夹角内侧加垫美 塔斯毡垫，使用手钳将将V型夹角根部5mm捏紧，伸出夹角的美塔斯毡短的一 端向左折叠，长的一端沿着小并头顺时针包一圈，将裁剪好的长50mm的彷10云 母套管套入小并头，直至小并头根部；将顶端多余部分折回，用聚酰亚胺薄膜从 小并头根部穿入，从云母套管折后位置开始，纵向包扎34匝，再从小并头顶端 向下半叠包至伸出小并头根部，收头；聚酰亚胺薄膜不剪断，纵向穿入小并头两 夹角内两次，再分别对小并头根部两支引线进行包扎，一边各半叠包34匝后， 将引线根部分叉处交叉包扎 34 匝，再从根部两支引线之间直接到小并头端部偏 左、右各包一次，从头到尾再半叠包一次后，根部两支引线各包一次收头，共半 叠包 3 次；外包绝缘用玻璃丝带先从根部穿到端部，折回后，再从端部进行半叠 包到根部，拉紧收头，根部两支引线各包两次后，在并头内侧进行收头。其二，对于极间联线和零环的 T 型搭接部位：在直角及对接部位填加硅橡胶 填充泥（如图5所示），使搭接部位形成自然过渡，再使用硅橡胶自粘带十字交 叉包扎，与线圈引线头导线形成新的绝缘过渡，外包玻璃丝带，提高其绝缘可靠 性，避免直角部位形成空洞从而影响浸漆效果和浸水试验结果。图 5 极间联线、零环搭接处硅橡胶填充泥填充4 改进后的浸水试验验证2015年5月按照上述改进方案实施，持续跟踪后续生产的所有的某型号定子 浸水试验过程，浸漆工序后依照原要求进行卧式浸水试验，按试验要求，五次测 量对地绝缘电阻值（浸水前、浸水15min、30min、45min、1h）。从试验结果得 出结论：对电机定子小并头、焊接参数及防护方法、绝缘材料选用和绝缘包扎方 法进行改进后，电机定子浸漆后的浸水试验一次通过率得到显著提高（99%以 上），表现出良好的防水性能，满足了试验大纲及电机运行环境的要求。上述试验结果表明，通过对地铁电机定子并头结构、焊接参数及防护方法、 绝缘结构及绝缘包扎方法的改进和优化，可以有效提高地铁电机绝缘结构的防水 性能，满足地铁电机在电机长期在阴暗潮湿的环境下运行的使用要求，保证了电 机运行的安全性和可靠性。【参考文献】1. 电气绝缘技术基础；作者：曹晓珑、钟力生；机械工业出版社；2. 电机学；作者：闫志安，崔新艺，苏少平；西安交通大学出版 社。