电气工程论文
摘要：通过对不同批次电动机空载电流和空载损耗试验数据的对比分析,总结了电动机空载电流偏大的具体原因,并提出了解决措施。为同类问题提供了有利的理论依据和参考数据。
关键词：冲片材质,空载电流,空载损耗,型式试验
三相异步电动机(以下简称电机)空载运行时,定子三相绕组中所通过的电流即为电机的空载电流,绝大部分的空载电流用来产生旋转磁场,称为空载激磁电流,是空载电流的无功分量,约占电机空载电流的90%左右,其大小变化影响电机的功率因数。剩余的一小部分空载电流用于产生电机空载运行时的各项功率损耗(如摩擦损耗、通风损耗和铁心损耗等),是空载电流的有功分量,其值的大小影响电机的效率高低。
对于一台设计定型的电机,空载电流应该在规定的范围内,如果空载电流增大,将降低电机效率,引起负载能力的下降,严重的会引起电机发热,温升升高,甚至烧毁电动机。因此,电机空载电流和空载损耗测试是每台电机出厂试验的重要项目之一,是作为判定电机效率和功率因数合格与否的依据,同时也是检查电机气隙、绕组参数和铁心质量的有效手段。
1 电动机空载电流大的原因分析
对于批量生产的电机,由于其使用的原材料质量的不稳定性,生产工艺的波动性,装配质量的差异性等诸多因素的影响,使得电机的空载电流会出现很大的波动。因此,为保证出厂电机的效率和功率因数这两项性能指标符合产品技术条件的规定,电机的空载电流作为电机出厂试验的一项重要测试参数,应该控制在一定的范围内。
电机空载电流偏大的主要原因有以下8个方面。
(1) 电源电压偏高。
电机输入的电源电压高于额定值时,铁心中的磁通增多,磁阻将增大。当电机电源电压高到一定程度时造成铁心磁密饱和,导致电机空载电流过大。
(2) 电机转子运转不灵活或者扫膛,造成电机机械损耗增加。
如果电机配合尺寸误差过大或装配不当,尤其是对于长期未使用的电机,轴承存在锈蚀现象,造成电机转子运转不灵活或转子扫膛,机械损耗增加,从而使电机空载电流偏大。
(3) 接线错误。
电机接线错误分以下几种情况
① 星形接线的电机误接成三角形接线,使得电机相电压增加,空载电流增大。
② 电机的并联路数比设计值多,比如本该一路串联的接成了两路并联。使电机的有效匝数减少。导致空载电流变大。
③ 极相组线圈之间的连线头尾接反,造成个别相有效串联匝数减少,空载电流增大。
(4) 定、转子铁心错位。
电机定子压装尺寸或转子穿轴尺寸错误、两者正负公差积累严重,造成电机装配后定、转子铁心错位严重,使得铁心的有效长度减小,从而使励磁电流增加。
(5) 定子绕组匝数少于设计值。
(6) 定、转子气隙增加。
在转子外圆加工时将转子外径车小,使电机气隙变大,或者长期运行的电机轴承磨损严重,造成电机气隙不均匀,导致电机空载电流变大甚至不平衡。
(7) 铁心长度达不到设计值要求,使电机励磁电流增加。
(8) 铁心质量差。
铁心质量不良包括以下5个方面。
① 铁心叠压时压力小,铁心叠压系数降低,铁心松动,致使铁心实际有效长度不够。
② 铁心叠压时压力过大,导致片间绝缘损坏,铁心涡流损耗增加。
③ 冲片毛刺大,导致叠压系数降低,铁心实际有效长度不够。
④ 硅钢片腐蚀、老化造成磁场强度减弱或片间绝缘损坏,铁心内涡流损耗增加。
⑤ 硅钢片质量差,无论是硅钢片牌号不符合要求,以次充好,或者修理时认为损坏。还是硅钢片绝缘性能差,都将导致铁心内涡流损耗增加。
在实际生产中,如遇到电动机空载电流超出控制范围时,应根据以上情况从简到繁逐一排查。
2 案例分析及原因分析
我公司连续生产了三批出口电机,出厂试验时,发现空载电流值出现批量偏大现象,其中第一批YE2-112M-4电机10台,全部超出公司内控标准范围上限,平均超出14.27%,最大超出17.98%;第二批YE2-112M-4电机60台,有21台空载电流超出上限,平均超出13.47%,最大超出18.45%;第三批YE2-132M-4电机40台,有22台空载电流超标,最大超12.36%。
2.1 故障原因
问题出现后,首先检查测试设备,排除电源电压偏高问题,随后对这三批电机逐台进行了以下各项检查。
(1) 用手转动转子,转子转动灵活,无卡顿、阻滞现象,无定、转子扫膛情况,排除电机配合尺寸和装配质量问题。
(2) 检查电机的接法,符合图纸规定,不存在接法错误的情况。
(3) 目测并测量定、转子铁心的相对位置,无明显错位现象存在。
(4) 测量定、转子铁心长度,均符合图纸尺寸规定。
(5) 查询线圈绕制和测试记录,匝数和线规全部符合图纸规定。为进一步证明线圈数据的正确性及是否存在内部接线错误,两个型号电机各拿出两台对内部接线进行检查并将线圈剔除,对线圈匝数和线规进行核对和测量,全部符合图纸规定,排除了线圈数据错误和内部接线错误的可能。
(6) 测量转子铁心外径,符合图纸规定,排除因转子外圆加工造成气隙变大的因素。
(7) 检查铁心质量,无锈蚀,缺边,翘齿和变形情况。
根据以上各项检查和检测结果,初步怀疑造成这三批电机空载电流批量偏大的主要原因可能是电机铁心存在质量问题。
2.2 测试数据的对比分析
在第二批60台YE2-112M-4电机出现问题的同时,我公司又生产了一批YE2-112M-4国内销售的电机20台,出厂试验测试,空载电流全部在公司内控标准范围内,无一超标。鉴于这种情况,我们对出口电机和内销电机做了对比,发现两者的唯一区别就是铁心的来源不同,出口电机是外购铁心,内销电机是自制铁心,因此,为了验证铁心质量,我们采取下如下措施。
(1) 将出口电机中的两台YE2-112M-4电机换成自制铁心,其他零部件不变,重新装配试验,试验结果符合公司内控标准。随后将其他出口电机的铁心全部更换成自制铁心,出厂试验全部合格。
(2) 将YE2-112M-4和YE2-132M-4两种规格电机分别按外购铁心和自制铁心各一台进行型式试验,为排除干扰因素,电机试验时不装风扇和风罩,从试验所测得的空载电流和空载损耗数据来看,外购铁心的电机都高于自制铁心的电机。
(3) 对YE2-112M-4型号电机的外购铁心和自制铁心各两件分别进行了长度测量和重量称重,结果显示,两种铁心的长度符合规定尺寸,重量也基本一致,因此可以判定,外购铁心和自制铁心的叠压系数基本一致,应该不存在铁心叠压问题。
2.3 解决措施
电机的空载电流主要是由空载损耗所产生,与电机空载损耗成正比。空载损耗主要包括铁心损耗和机械损耗,铁心损耗是指铁心在交变磁场下磁化时所消耗的无效电能,简称铁损,包括磁滞损耗和涡流损耗。磁滞损耗是由于铁心在交变磁化时所引起的能量消耗,与材料的成分和晶粒的大小有关,可用磁滞回线的面积来表示;涡流损耗是由于铁心交变磁化时产生的涡流而引起的电阻损耗,与材料本身的电阻率和厚度有关。铁损作为考核硅钢板的性能指标,是划分硅钢片牌号的重要依据。
通过以上原因查找和测试数据的对比分析,最终我们判定造成这三批电机空载电流偏大的根本原因是外购铁心质量存在问题,而造成铁心质量差的原因应该是冲片材质不良,冲片材质的牌号达不到设计要求。我们将试验结果和分析报告及判定结论通报给供货方,经查验,确定是因为铁心质量而产生的故障,并对其进行了重新生产。
结语
由于绝大部分电机制造商无法对硅钢片进行性能检测,而且因冲片材质问题引起空载电流偏大的情况也比较少见,一旦电机出现空载电流偏大的情况,很少有人把重点放在冲片质量问题上来考虑,因此,本文对空载电流偏大的原因总结和案例分析判定,对识别和处理类似问题都具有较好的理论依据和参考价值。
参考文献
[1] 齐宝林,张焕,王斌.降低异步电动机过大空载电流的措施[J].农机化研究,2005,5:95-96.
[2] 李吉平.电动机空载电流变化的原因及实例分析[J].防爆电机,2001,2:10-11.
[3] 项克胜,郭新喜.Y系列三相异步电动机空载电流的判断[J].电机技术,2000,4:41-42.
[4] 上海电器科学研究所.中小型电机设计手册[M].北京:机械工业出版社,1994.16-17.
[5] 黄信,谭耿锐,杜晓斌.永磁同步电动机电磁振动噪声的分析与研究.防爆电机,2017.3.