提升高轉(zhuǎn)差率電機(jī)繞組可靠性的探討

杜 業(yè)，葛利俊，徐 浩

（渤海石油裝備（天津）新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

高轉(zhuǎn)差率電機(jī)在驅(qū)動游梁式抽油機(jī)運(yùn)行時，不僅實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，還能夠降低抽油機(jī)懸點(diǎn)載荷、減速箱最大凈扭矩降和光桿負(fù)荷，可以有效地減少作業(yè)維護(hù)費(fèi)用，獲得良好的綜合效益。憑借其獨(dú)特的軟機(jī)械特性，高轉(zhuǎn)差率電機(jī)在國內(nèi)各大油田市場的游梁式抽油機(jī)上有廣泛應(yīng)用。近些年來，伴隨著油田數(shù)字化的建設(shè)和抽油機(jī)大范圍調(diào)沖的要求，油田開始大規(guī)模地應(yīng)用變頻器，但帶來便利的同時，其產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)也不容忽視。一方面，高頻脈沖電壓會加快繞組的電老化速度，引起電機(jī)絕緣過早損壞；另一方面，在電機(jī)低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時，冷卻風(fēng)量與轉(zhuǎn)速的三次方成比例減小，致使電機(jī)的低速冷卻狀況急劇變差，溫升急劇增加。這兩個方面的影響是造成電機(jī)使用壽命縮短的最主要原因。

1 提升方案

通過優(yōu)化高轉(zhuǎn)差率電機(jī)設(shè)計、改進(jìn)繞線工藝、嵌線工藝和轉(zhuǎn)子壓鑄工藝，提升電機(jī)繞組的可靠性。通過設(shè)備改造，采用恒張力全自動繞線機(jī)和碳化硅坩堝化鋁爐，提升繞組可靠性的同時，大大降低工人的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。

1.1 優(yōu)化設(shè)計

優(yōu)化電磁設(shè)計，改善電機(jī)的低頻特性，提高主電感，適當(dāng)降低氣隙磁密，以降低鐵耗和防止磁路飽和?？紤]到在電機(jī)運(yùn)行中，變頻器高次諧波的集膚效應(yīng)使轉(zhuǎn)子電阻增大。重新確定了轉(zhuǎn)子的分段數(shù)和每段長，設(shè)計減小轉(zhuǎn)子電阻值，避免高次諧波電流以較大的轉(zhuǎn)差切割轉(zhuǎn)子導(dǎo)條產(chǎn)生過大的轉(zhuǎn)子損耗。為達(dá)到這一要求，將高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的轉(zhuǎn)差率接近SY/T 5226《抽油機(jī)節(jié)能拖動裝置》規(guī)定的下限值5.6%。這可以提高電機(jī)效率，降低溫升，間接提升繞組絕緣性能，同時保留它獨(dú)特的軟特性和其他優(yōu)良性能。

1.2 改進(jìn)繞制工藝

電機(jī)繞線模大多為矩形菱狀結(jié)構(gòu)。在繞組繞制過程中，人工繞線機(jī)勻速帶動模具旋轉(zhuǎn)繞線，由于其菱狀端部的線速度較快，矩形直邊部的線速度較慢，周期性加減速變化產(chǎn)生的沖擊，會導(dǎo)致繞制漆包線產(chǎn)生松緊程度不一，且易造成漆包線塑性變形，影響電機(jī)繞組的線圈質(zhì)量。漆包線截面變化是絕緣較為薄弱的地方，在使用中可能會引起電機(jī)繞組的斷路和短路故障，極大地影響了電機(jī)的可靠性。

針對上述問題，通過改造原有設(shè)備，采用具有恒張力控制及自動排線功能的數(shù)控繞線機(jī)，解決人工繞線機(jī)張力變化和沖擊力大的問題，徹底消除了漆包線截面變形的問題。另外，全新設(shè)計了繞線模具，新繞線模具采用4 導(dǎo)柱+2 菱形頭的模式。在繞制完成后，繞線模自動回縮，無需將模具卸下取線圈。經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)備張力穩(wěn)定可調(diào)節(jié)，漆包線無變形，表層絕緣漆無損傷。這保證了產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，使高轉(zhuǎn)差率電機(jī)繞阻的性能指標(biāo)得到了極大的提高。

1.3 改進(jìn)嵌線工藝

新工藝通過選取高水平的工藝參數(shù)，增強(qiáng)繞組絕緣性能。工藝規(guī)范了嵌線過程中作業(yè)手法，特別是每組首支線圈的首匝線圈入槽，防止漆包線損傷，引起匝間絕緣破壞。在嵌線過程中，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)槽絕緣、層間絕緣、相間絕緣放置到位，放正。從分析繞組燒毀的情況得知，高轉(zhuǎn)差率電機(jī)擊穿部位多為繞組端部、相絕緣搭接部位及電機(jī)引接線出線部位擊穿，因此調(diào)高了相繞組高度，規(guī)定相間絕緣應(yīng)高出絕緣繞組79 mm，增強(qiáng)繞組相間絕緣的絕緣性能，提升繞組槽內(nèi)層間及相間的抗擊穿能力。受電磁力振動影響，電機(jī)應(yīng)盡可能提高整體的機(jī)械強(qiáng)度。新工藝規(guī)定了端部綁扎繩受力點(diǎn)應(yīng)均勻固定在相間絕緣處，且防止相間絕緣跑出或直接綁扎在繞組上。改進(jìn)后繞組經(jīng)匝間試驗(yàn)沖擊電壓2500 V，無閃絡(luò)擊穿現(xiàn)象。

1.4 改進(jìn)轉(zhuǎn)子壓鑄工藝

轉(zhuǎn)子壓鑄中的化鋁爐采用鑄鐵坩堝，這無形中在鋁液熔煉中增加了鐵元素，引起高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的轉(zhuǎn)子阻值加大和阻值的較大波動，造成同型號不同批次轉(zhuǎn)子差異較大，還會使得鑄件機(jī)械性能尤其是韌性下降，甚至造成鑄件開裂，致使產(chǎn)品質(zhì)量很不穩(wěn)定。同時鋁液會長期慢性腐蝕坩堝，引起坩堝滲漏，損壞爐膛和爐絲，造成了爐膛的重新堆砌、爐絲的更換、電的浪費(fèi)以及生產(chǎn)效率下降等多種浪費(fèi)。

通過采用新型環(huán)?；X爐，將鑄鐵坩堝改為碳化硅坩堝，不僅使得坩堝使用壽命提高了4 倍，還減少了鑄鐵坩堝所帶來的熔煉鋁液帶來“增鐵”的難題，熔煉鋁液鐵元素的含量由原來1.15%降到了0.37%，在很大程度上提升了鋁液質(zhì)量。

2 提升效果

在優(yōu)化高轉(zhuǎn)差率電機(jī)設(shè)計和工藝改進(jìn)后，對其進(jìn)行了試驗(yàn)應(yīng)用和統(tǒng)計分析。繞組的月度耐壓、匝間測試一次交檢合格率由92.4%提升到99.6%，有較大改善，說明繞線工藝和嵌線工藝的改進(jìn)措施切實(shí)有效。統(tǒng)計分析調(diào)整后的轉(zhuǎn)子阻值發(fā)現(xiàn)，由于不受鐵元素的影響，多種型號高轉(zhuǎn)差率電機(jī)的轉(zhuǎn)子電阻值與設(shè)計值相符，并服從標(biāo)準(zhǔn)的正態(tài)分布，且阻值變化平穩(wěn)，說明轉(zhuǎn)子壓鑄工藝的改進(jìn)措施切實(shí)有效。高轉(zhuǎn)差率電機(jī)型式試驗(yàn)結(jié)果表明，通過優(yōu)化電磁設(shè)計和工藝改進(jìn)，提高了電機(jī)效率，增強(qiáng)了電機(jī)散熱能力，有效降低電機(jī)溫升，平均約5 K；在30 Hz 滿載低頻運(yùn)行時，電機(jī)溫升不超過105 K，滿足了F 級絕緣要求。

綜合提升后的高轉(zhuǎn)差率電機(jī)已大批量在大慶、大港、青海等油田應(yīng)用。跟蹤統(tǒng)計得知，全年電機(jī)維修費(fèi)用直接降低100 多萬元，同時也提升了用戶滿意度。