Vol.29No.30Oct.25,年10月.Soc..Eng.文章编号：0258-8013(2009)30-0104-06中图分类号：TM245文献标志码：A学科分类号：47040变频电机用电磁线击穿机制实验研究周力任，吴广宁，罗杨，曹开江(西南交通大学电气工程学院，四川省成都市)r--ren,-ning,,-jiang(,,,,China):-er-.ment,,,-(SEM)is,yzed..kdown,e.wn,...:-;;;摘要：变频牵引电机定子绝缘用电磁线的失效是导致电机绝缘破坏的主要原因。

该文以JD117变频牵引电机绝缘用电磁线为试验对象，进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿试验，结合扫描电镜和能谱分析研究了相应的击穿机制。试验结果表明，击穿点主体都是位于电磁线试样棱角和绝缘接缝处。电击穿过程中，炭化的程度非常大，介质发生了剧烈的化学反应。热击穿过程中，击穿主体外围温度很高，介质碳化严重；击穿主体内部炭化程度相对来说不是很大。发生的反应相对电击穿比较缓慢。电树枝化的击穿时间较长，电磁线试样的寿命为11h，经能谱分析测得铝元素含量最多。关键词：变频电机；电磁线；绝缘；击穿引言变频调速牵引电机是交流传动电力机车的关键部件之一，其性能直接影响到机车运行的稳定性和可靠性。然而，变频电机绝缘过早失效的情况屡有发生[1-2]。该问题已经引起了国内外学者的广泛关[3-18]，根据研究发现，变频电机绝缘的失效主要是由电磁线绝缘破坏引起的[19]。因此研究电磁线的失效机制，可以为变频电机绝缘结构设计提供理论基础，从而延长变频电机的使用寿命。固体介质的击穿是指在足够高的电场作用下，电流甚至在电场不再增加的情况下开始从稳定状态过渡到非稳态，在其中产生破坏性的导电路径，继而使绝缘体不可逆转的变成导电状态的物理现[20]。

对JD117型变频牵引电机用电磁线进行绝缘特性试验，在不同条件下对试样施加各种方式的破坏应力，得到表征各异的击穿试样。结合扫描电镜和能谱分析，对试验过程中出现的几种典型试样的击穿条件、击穿表征进行相应的电击穿、热击穿和电树枝化击穿的击穿机理分析。试样与试验1.1试样试样采用变频牵引电机中的电磁线，如图1示，电极周围采用杜邦公司基金项目：国家自然科学基金项目()；新世纪优秀人才支持计划项目(NCET-07-0718)；教育部技术研究重点项目()。()．第30变频电机用电磁线击穿机制实验研究1051/3叠包绕制，该膜为纳米复合聚酰亚胺薄膜，总厚度75mm，在两层膜的交界处采用纳米绝缘漆填充，外层采用云母和玻璃丝带绝缘包绕，整个电磁线在真空条件下浸漆以消除界面间的微小气泡。为了使试验数据不受试样参数离散性的影响，对试样做了预处理，包括烘干(温度为100蔽、防电晕等措施。膜绝缘漆外绝缘电极变频牵引电机绝缘用电磁线Fig.ter-据国际电工委员会标准-5进行矩形电磁线击穿电压试样的制作。

将长度为350mm电磁线一端20mm长度的绝缘皮拨掉，以固定直径50mm从电磁线的中部将其弯折成mm的钢珠。容器和钢珠的联合体作为地电极。试样在容器中与容器壁的距离要大于mm。容器的尺寸为.5mm，如图2所示。测试电压电极弯折电磁线填充直径小于矩形电磁线试样示意图Fig.ple1.2试验由测试电压电极对电磁线试样进行加压，当试样被击穿时，采用扫描电子显微镜观察电磁线包膜击穿点的表面形貌，并进行能谱分析。试验结果与分析讨论2.1电击穿电击穿强度被认为是反映固体介质耐受电场作用能力的一种度量，击穿电场强度与样品的大小和形状、电极材料和位形均无关，由于这个原因，可以作为材料的特性参数之一，通常称为耐电强度。本试验是在6007.03kV 时击穿。击穿点主体位于电磁线试样的 棱角接缝处，击穿点直径约为 mm，覆盖有黑色粉末，如图3 所示。放大100 倍后的击穿区域全貌 如图4 所示。 击穿点 试样击穿点Fig. short- area ( 100 times) 因电磁线试样绝缘结构为 1/3 叠包绕制，利用 扫描电镜观察，从击穿点边缘可以看到分层结构， 层间呈现絮状结构，其上面致密的分布有微小的颗 粒，并且击穿点周围烧熔部位有黑色粉末，如图5(a) 所示。

主要是由于在薄膜击穿的过程中，击穿点及 周围区域的温度非常高，使击穿部位的薄膜炭化。 由于有机物被烧蚀，其表面露出的内部絮状物，析 出清晰的纳米颗粒，并聚集形成尺寸不等的团簇， 如图5(b)所示。 击穿点主体覆盖黑色粉末，扫描电镜下可见致 密分布的微小颗粒，其粒径约1.5 m，如图6 所示。 对击穿点主体表面微粒进行能谱分析，如图7 所示。 106 击穿点附近析出的纳米颗粒(放大倍数20000 电磁线试样内部结构Fig. 击穿点主体表面(放大2000 body ( ) 1011 区间 击穿处中心部位颗粒的能谱分析图Fig. part 从电击穿主体表面上颗粒的能谱分析图上可 以看出，残留物中碳的含量非常高(相对于氧)，说 明在击穿试验的过程中，炭化的程度非常大，高聚 物发生了较剧烈的化学反应，电击穿的击穿时间很 短(本次试验用时 11 s)。试样在短时强电场的作用

漆包线是多种电机的主要生产原材料，作为电机生产企业，如何能有效、快捷的判定电磁线的质量状况非常重要。电磁线检验控制设定在进厂检验环节，必要的检测和控制手段至关重要。

电磁线尺寸检测控制

裸线直径公差

裸导线的允许公差是指裸导线直径的实际值与规定值之间的允许偏差。从使用的角度来说，希望公差越小越好，有利于设计时电阻、匝数等方面的计算。但制造时模具的模孔在拉伸过程中要磨损变形，如果公差要求过严，就要经常调换模具，造成工艺操作上和模具供应方面的困难。制订标准时应权衡使用要求和生产单位的控制能力，做到经济和适用。

截面不圆度

指导线同一截面直径最大测量值与最小测量值之差。不圆度超差会造成漆包线颜色发花，色感差，也不利于线的工艺排布。该项目不好检测，倾向于电磁线制造厂家控制。

最大外径

最大外径超差会使线圈尺寸加大，影响槽满率。

最小漆膜厚度

漆膜过薄，容易产生针孔，导致耐电压、耐刮、耐化学和耐老化等性能下降，导致电机存在严重的质量隐患。

漆包线机械性能检测控制

在电机线圈绕制、嵌线过程中，都有机械力作用于漆包线上，例如绕制时的拉伸力、摩擦力和弯曲力等；在嵌线工艺中有摩擦力；电机运转中有因振动而引起的匝间摩擦。如果漆包线的芯线或漆膜达不到要求，则上述这些机械力都会对漆包线带来不同程度的损伤。因此，在模拟使用要求的基础上，建立各项机械性能试验是十分必要的。

伸长率试验

伸长率是模拟漆包线绕线工艺而建立的，目的是控制导线对缠绕线圈的适应性，保证作业顺利进行。漆包线经过拉伸后，其附着力、耐刮性、弹性、热冲击、耐溶剂性能都会有不同程度的下降。

回弹角试验

漆包线的柔软度是使用中的一个重要指标。在线模上绕成的线圈，如漆包线因柔软度不好而回弹变形，会直接影响线圈绕组的加工质量和劳动生产率。

柔韧性及附着性

柔韧性及附着性试验包括卷绕、拉伸、急拉断、剥离扭绞试验。漆包线在绕制线圈时受到两种外力作用。（1）拉伸力，如果漆膜的弹性不足，漆膜受力后的伸长率跟不上导体的伸长，漆膜就会开裂。（2）弯曲力，弯曲后外缘的漆膜伸长，内缘的漆膜被压缩，如果弹性不好，漆膜也会开裂。细线容易被拉伸，用伸长法测试；粗线受弯曲影响大，用卷绕法测试。

耐刮性

在线圈绕制成型、嵌线以及电气产品运转中，都会有压力或摩擦力作用于漆包线上。漆膜的耐刮性能用漆膜在一定外力作用下的耐刮次数或刮破力来表示。

漆包线耐热性能检测

漆包线的耐热性能是一项重要的指标，特别是对电机及温升要求苛刻的组件或绕组来说具有较大的意义。它直接影响电气设备的设计和使用。电气设备的温升受到所使用的漆包线和其它绝缘材料的限制。如能使用耐热性能较高的漆包线和配套的材料，就可以在结构不变的条件下获得更好的可靠性，或在保持功率不变的条件下达到缩小外型尺寸、减轻重量、减少有色金属以及其它材料消耗的节能效果。

热老化试验

用热寿命评定的方法来测定漆包线的热性能需半年到一年的时间(UL试验)。老化试验缺乏应用上的模拟性，但在电磁线生产过程中控制漆料质量和漆膜的烘焙程度仍具有实用意义。

热冲击试验

耐热冲击试验就是研究漆包线的漆膜在机械应力作用下对热作用的忍受能力。

耐热软化击穿试验

在线圈中，下层漆包线受到上层漆包线张力而引起的压力，如果漆包线在浸渍的预烘或干燥过程中，或是在高温下运转时，漆膜受热软化，在压力作用下逐渐被挤薄，可能产生线圈的匝间短路。

漆包线电气性能检测控制

漆包线薄薄的一层漆膜要保证通过的电流在线圈内沿芯线环行，以保证电磁感应使电机电器得以发挥作用。如果漆膜的介电性能不够，便会造成线圈短路。

直流电阻

漆包线电阻值的过大或过小要引起绕成经线圈总阻值的变化。总阻值的变化范围超过了设计中的允许公差，将影响到电机三相电压的平衡和电机温升。

击穿电压

在强电场的作用下，高聚物内束缚的电子可以由电场内获得能量而变为自由电子，按电场方向运动。运动中自由电子碰撞其它被束缚的电子时，又激发它们成为自由电子，这样自由电子越来越多，提高了高聚物的导电性。当电场强度超过某一定的数值时，在高聚物内就形成了一个联过两个电极间的孔道，使正在增强的电流在其中通过，高聚物就失去了绝缘性能而被击穿。这时施加电压的强度称为击穿电压。在电压击穿时所带来的热量会使高聚物产生热破坏，而呈现熔化烧焦的现象。

影响击穿电压的因素：漆膜厚度及不圆度、固化程度、漆中外界杂质。影响击穿电压试验数据的因素：扭绞数、施加电压时间、升压速度、漆膜伸长、施压时温度。

漆膜连续性

漆包线绕制的线圈匝数多，缠绕紧，线与线接触面多，如果漆包线漆膜的针孔多，两匝间针孔可能重合，造成短路。

漆包线耐化学性能检测

漆包线耐化学性能包括耐酸、耐碱、耐盐雾、耐潮湿、耐油、耐溶剂、耐冷媒、耐辐射等方面的性能。该项性能由电磁线生产厂家进行控制。

在线圈浸渍过程中，漆包线不单单要经受热冲击和软化击穿的热性能考验，还要能忍受浸渍漆中甲苯、二甲苯、石油溶剂、油等溶剂的侵蚀。不同的漆膜对不同的溶剂有不同的忍受性，浸渍时应根据漆包线的特性选用只含有对漆包线相适应的溶剂的浸渍漆。

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,36(湘电股份有限公司,湖南湘潭过去绕制线圈时用的绕线拉紧装置会破坏绝缘层,介绍了一种新型绕线拉紧装置该装置可避免刮伤绝缘层,且线圈成型好,大大提高了线圈绕制质量,并改善了生产现场的环境。该装置适用于大、中型电机线圈的制造,值得推广绝缘层中图分类号TM305.2009)(1101,China):,,,,,.:;ating在电机线圈的制造工艺中,线圈的绕制工序是第一步。

线圈绕制时必须给电磁线适当的外拉,电磁线截面尺寸不同,线圈绕制所需的成型拉紧力也不同。拉紧力过大,电磁线外包绝缘刮伤严重,拉紧力过小,线圈成型不理想。因此一种规格的电磁线在绕制过程中应处于一种恒拉紧力的情况下,才有利于线圈的成型,其拉紧装置对线圈的制造质量有很大影响。该装置由线架1、夹板3、支架4、绕线机。线架为简单焊接结构,电磁线盘中心孔穿一根轴支承在线架上,可支承一个或多个电磁线盘。通过拉紧装置上下胶木布板即夹板压紧电磁线外表,电磁线在夹板中穿过,电磁线表面与夹板之间产生滑动磨擦(实属刮削。电磁线截面尺寸越大,刮伤越严重,对线圈绝缘质量的影响也越大。经调研在同行业中还没有一种合理、结构简单、操作方便的防电磁线绝缘刮伤和恒拉紧力的工艺装备自动张力控制仪2009,该新型拉紧装置采用磁粉制动技术的原理给电磁线盘产生一种制动力矩,磁粉制动器通过自动张力控制仪和传感器来控制,在绕线时使电磁线处于恒拉力状态10.绕线模电磁线盘制动机构、传感器机构、过线轮机构线机和绕线模。电磁线盘制动机构见图4,由螺母1、压圈底板3、支架4、磁粉制动器组装在同一轴线上,磁粉制动器用来给电磁线盘产生制动力矩,在底板上安装多组磁粉制器和电磁线盘可实现多线线圈的绕制。

传感器机构见图3,由支架A、导轮的制动力矩的自动控制,调整图中张力自动控制仪旋扭开关达到所需的制动力矩,一旦调整好,随着电磁线盘电磁线的减少(直径的变小型传感器的信号反馈给自动张力控制仪来控制磁粉制,从而实现恒拉紧力。过线轮机构见图6、三组上下导轮7、支架中的绕线模10效果分析该新型拉紧装置的设计方案及磁粉制动恒拉力绕线装置的实施和应用有以下优点、双线、四线、六线的线圈绕制)线圈绕制时处于恒拉紧力状态有利于线圈的成型)不同截面的电磁线拉紧力可以实现定量调整该新型拉紧装置的设计方案已在湘电股份有限公司全面推广应用,绕制的线圈电磁线表面的缘层无任何刮伤痕迹,线圈成型好、平整、美观大提高了线圈绕制质量,同时改善了生产现场,该装置结构简单、合理、可靠操作方便,并适用于大、中型电机线圈的制造现代电机制造行业必不可少的工艺装备(上接第20马永光,张晓东串级调速电机的动态模型与仿真2007,34机械工业出版社吴国祥.基于状态空间平均模型的全数字双闭环斩波内馈串级调速系统控制理论与应用2007,24魏泽国.可控硅串级调速的原理与应用.:ss,2001.59262.收稿日期