3kW及以下異步電動(dòng)機(jī)定子繞組溫升性能研究

王憲安 王灝 陳劍

摘 要：溫升是反映電機(jī)性能最重要的指標(biāo)參數(shù)，直接影響著電機(jī)的故障概率和使用壽命。主要針對(duì)3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)定子繞組的溫升性能，對(duì)溫升的相關(guān)影響因素進(jìn)行了提取和分析，并對(duì)異步電動(dòng)機(jī)定子繞組溫升的檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)和重要性進(jìn)行了詳細(xì)的研究與闡述。

關(guān)鍵詞：異步電動(dòng)機(jī)；溫升；檢測(cè)

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.36.099

1 引言

目前，微小型異步電動(dòng)機(jī)特別是3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)常見故障一般可歸納為機(jī)械故障和電氣故障兩類，機(jī)械故障包括機(jī)械噪聲、機(jī)械變形、掃膛、外殼碎裂、漆膜脫落等，電氣故障包括繞組燒毀、電磁噪聲、外殼帶電等。一般來說，3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)最常見的故障為機(jī)械噪聲與繞組燒毀。其中，機(jī)械噪聲主要體現(xiàn)部件為電機(jī)軸承，產(chǎn)生原因?yàn)檩S承軸向間隔不當(dāng)、內(nèi)部進(jìn)水、軸承溫度過高、環(huán)境選型不當(dāng)?shù)纫蛩亍＠@組燒毀主要體現(xiàn)部件為定子繞組，產(chǎn)生原因?yàn)槿毕?、匝間短路、相間短路、過載、三相不平衡等因素，其中以缺相原因最多。而在3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用中，產(chǎn)生機(jī)械故障相對(duì)于電氣故障來說，機(jī)械故障受工藝及使用環(huán)境影響較大，占故障比例相對(duì)較小，因此，3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)故障主要仍以電氣故障為主。

電動(dòng)機(jī)性能最主要的評(píng)價(jià)指標(biāo)是電動(dòng)機(jī)的溫升，也就是說電動(dòng)機(jī)主要故障基本都與溫升有關(guān)，包括電動(dòng)機(jī)定子繞組溫升、鐵芯溫升、軸承溫升等。其中定子繞組溫升引起的電機(jī)故障最為常見（占故障比例最大）。以3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)為例，其定子繞組一般為星形連接，缺相（一般缺一相電）會(huì)造成定子繞組兩相溫升過高，匝間短路、相間短路及三相不平衡均會(huì)造成定子繞組局部溫升過高，過載會(huì)造成定子繞組整體溫升過高等等。因此，溫升是檢驗(yàn)電機(jī)性能最通用、最重要的指標(biāo)參數(shù)。

2 影響溫升的常見因素

2.1 負(fù)載影響

一是恒定功率負(fù)載，電動(dòng)機(jī)在額定電壓、頻率下工作，恒定功率負(fù)載過載會(huì)引起異步電動(dòng)機(jī)輸出功率增加，輸入電流過大，效率減少，定子繞組溫升較高。過載嚴(yán)重（或過載運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)）時(shí)，定子繞組溫升過高（或長(zhǎng)期在高于耐熱等級(jí)條件下運(yùn)行）會(huì)引起異步電動(dòng)機(jī)繞組燒毀。因此，在異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用時(shí)，應(yīng)避免異步電動(dòng)機(jī)過載運(yùn)行，即小馬拉大車。

二是可變負(fù)載，負(fù)載會(huì)隨著環(huán)境（如大氣壓力、溫度等）等因素變換而變化。因此，電動(dòng)機(jī)在額定電壓、頻率下工作，在不同環(huán)境內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)在有的環(huán)境是額定負(fù)載內(nèi)運(yùn)行，有的環(huán)境屬于過載運(yùn)行（有繞組燒毀的風(fēng)險(xiǎn)）。因此，對(duì)于可變負(fù)載來說，在異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用時(shí)，要考慮最殘酷環(huán)境條件下的異步電動(dòng)機(jī)的溫升，使其滿足異步電動(dòng)機(jī)部件及絕緣等級(jí)的要求。

2.2 電源影響

一是電源缺相，一般情況以斷一相電居多，又由于3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)一般定子繞組為星形連接，當(dāng)出現(xiàn)缺相（斷一相電）的情況時(shí)，會(huì)造成未斷電的兩相定子繞組中電流增大較多，從而使該兩相定子繞組溫升過高，導(dǎo)致其兩相對(duì)稱燒毀。缺相目前是異步電動(dòng)機(jī)溫升過高燒毀最多的原因。

二是電源電壓過低，在3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電壓過低會(huì)導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)的輸入電流過大，等同于異步電動(dòng)機(jī)的過載運(yùn)行，會(huì)造成異步電動(dòng)機(jī)定子繞組電流整體增大，從而使三相定子繞組溫升過高，導(dǎo)致其整體燒毀。

三是電源電壓三相不平衡，在3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行過程中，較小的電壓不平衡會(huì)造成較大的三相電流不平衡，致使異步電動(dòng)機(jī)個(gè)別相定子繞組電流過大，溫升過高，導(dǎo)致其繞組局部燒毀。

2.3 外殼影響

一是異步電動(dòng)機(jī)外殼材質(zhì)，其導(dǎo)熱性能對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的溫升也影響較大，目前，3kW及其以下異步電動(dòng)機(jī)外殼材質(zhì)常見為鋼板材質(zhì)、鋁材質(zhì)及鑄鐵材質(zhì)三種。材質(zhì)的導(dǎo)熱性能關(guān)系到電機(jī)外部的散熱性能及電機(jī)運(yùn)行時(shí)的溫升積累，導(dǎo)熱好的材料能夠使異步電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)的散熱性能完全滿足其本身運(yùn)行的生成熱量，避免溫升積累現(xiàn)象。

二是異步電動(dòng)機(jī)外殼形狀，其外殼形狀與異步電動(dòng)機(jī)表面的散熱面積息息相關(guān)，在外殼材質(zhì)確定，異步電動(dòng)機(jī)外殼的散熱面積直接影響其散熱性能，目前異步電動(dòng)機(jī)多采用加散熱筋的形式來增加其外殼的散熱面積。也就是說，在異步電動(dòng)機(jī)尺寸與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度允許的情況下，適當(dāng)?shù)卦黾赢惒诫妱?dòng)機(jī)外殼的散熱面積也能有效地抑制溫升積累。

2.4 絕緣影響

一是異步電動(dòng)機(jī)的絕緣材料，按照不同的絕緣材料和標(biāo)準(zhǔn)，一般分為A、E、B、F、H五個(gè)等級(jí)，其中A絕緣等級(jí)最低，H絕緣等級(jí)最高。不同絕緣等級(jí)絕緣材料的耐熱溫度也是不同的，絕緣等級(jí)越高，異步電機(jī)定子繞線繞組允許的溫升就越高，其本身的耐溫能力就越強(qiáng)。

二是異步電動(dòng)機(jī)絕緣性能，其絕緣層受環(huán)境和工藝的影響較大，絕緣層不均勻、局部被刮傷、局部被腐蝕以及局部被擊穿造成的絕緣局部薄弱，容易導(dǎo)致異步電動(dòng)機(jī)定子繞組匝間短路、相間短路以及外殼帶電，從而使異步電動(dòng)機(jī)定子繞組局部溫升過高，造成繞組局部燒毀。

3 溫升的檢測(cè)

目前微小型異步電動(dòng)機(jī)最常用的溫升測(cè)試方法為電阻法測(cè)試，異步電動(dòng)機(jī)電阻法溫升計(jì)算如公式（1）、公式（2）所示：

R熱態(tài)R初始=k+θ熱態(tài)k+θ初始（1）

θ=θ熱態(tài)-θ熱態(tài)環(huán)溫（2）

式中參數(shù)：

R熱態(tài)-熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的繞組電阻；

R初始-電機(jī)沒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的冷態(tài)繞組電阻；

θ熱態(tài)環(huán)溫-熱試驗(yàn)結(jié)束時(shí)的環(huán)境溫度；

θ初始-電機(jī)沒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)冷態(tài)的環(huán)境溫度；

k-導(dǎo)體材料在0℃時(shí)電阻溫度系數(shù)的倒數(shù)，銅材料k取235，鋁材料k取225；

θ-電機(jī)定子線圈的溫升。

考慮到試驗(yàn)溫度的要求，溫升測(cè)試應(yīng)盡量在類似恒溫的房間內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)，電阻法測(cè)試需要等效到熱試驗(yàn)結(jié)束0時(shí)刻的熱態(tài)電阻值，這就需要很短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量記錄，然后反推至熱試驗(yàn)結(jié)束0時(shí)刻的熱態(tài)電阻值，進(jìn)行溫升計(jì)算。然而，很多異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用方，一般沒有電動(dòng)機(jī)溫升測(cè)試專用設(shè)備，無法短時(shí)內(nèi)多點(diǎn)測(cè)量記錄。只能通過電阻測(cè)量?jī)x器，簡(jiǎn)單手動(dòng)地對(duì)斷電停轉(zhuǎn)短時(shí)內(nèi)的熱態(tài)電阻進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，這就導(dǎo)致了測(cè)量時(shí)間要超出熱試驗(yàn)結(jié)束0時(shí)刻幾秒乃至十幾秒的時(shí)間，導(dǎo)致熱態(tài)電阻測(cè)量值略低（短時(shí)間內(nèi)差距不大），但是，在斷電測(cè)量時(shí)間超出熱試驗(yàn)結(jié)束0時(shí)刻時(shí)間越久，熱態(tài)電阻測(cè)量值越偏低（最低為冷態(tài)電阻值），從而導(dǎo)致計(jì)算的溫升就越偏低。因此，對(duì)于單點(diǎn)測(cè)試時(shí)刻點(diǎn)離異步電動(dòng)機(jī)熱試驗(yàn)結(jié)束斷電停轉(zhuǎn)瞬間0時(shí)刻越近，測(cè)量的溫升越接近準(zhǔn)確值。

4 結(jié)束語

溫升可以檢驗(yàn)異步電動(dòng)機(jī)的帶載能力，同時(shí)也為異步電動(dòng)機(jī)的選型及應(yīng)用提供重要的參考依據(jù)。隨著異步電動(dòng)機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)其絕緣能力和溫升的要求也越來越高，即常見的B級(jí)絕緣等級(jí)逐漸向F級(jí)及以上絕緣等級(jí)趨勢(shì)發(fā)展，并且溫升要求也逐步嚴(yán)格，對(duì)于F級(jí)及以上絕緣等級(jí)的溫升，逐漸采用降級(jí)評(píng)判的方法，例如F-B、H-F法。因此，為保障異步電動(dòng)機(jī)的可靠性、可用性和安全性，必須要把溫升作為異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的重要著眼點(diǎn)去考慮，溫升才是減少異步電動(dòng)機(jī)應(yīng)用故障最基本的指標(biāo)。

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