旧电机定子铁心老化检测和评价方法的研究

宗和刚，　白连平，　张　利

(北京信息科技大学 自动化学院，北京　100192)

旧电机定子铁心老化检测和评价方法的研究

宗和刚，白连平，张利

(北京信息科技大学 自动化学院，北京100192)

摘要：提出了一种检测方法，利用一个特制的铁心线圈测试定子铁心损耗，并提出电机铁心老化率LH的定义。通过对老化率的计算，分析判断铁心老化程度。其原理是基于电磁感应定律，建立一种电机定子铁心损耗的检测和分析方法；并设计以单片机为核心的铁心损耗检测装置，利用该装置可以对待修电机铁心进行检测。试验结果表明所提出的电机铁心老化检测方法具有可行性，实现了预期的效果。

关键词：电机铁心老化研究； 铁心损耗测试； 单片机检测装置

0引言

电机在运行过程中可能会出现过载、断相、短路等故障。这些故障常常会导致定子绕组烧毁。对于烧毁绕组的电机通常是直接送到电机修理厂更换绕组。一台电机在使用过程中，可能会反复多次更换定子绕组。每次拆卸旧绕组需要加热软化，有时甚至采用喷灯、炭火烘烤等方法。这些方法往往会造成电机定子铁心的绝缘损坏，引起局部短路，进而造成涡流增大，铁心局部或整体发热超标[1]。铁心发热又会促使绕组的温度升高，如此反复，加快了电机定子铁心的老化。铁心老化一方面影响电机的运行效率，造成电能浪费；另一方面，由于每次更换绕组前，没有对定子铁心老化程度进行判断，导致更换绕组后电机寿命一次比一次短。定子铁心老化还会引起铁心松动、变形等，损伤定子绕组，甚至发生重大事故。因此，对待修电机定子铁心老化的程度进行检测和判断非常必要。通过对铁心老化程度的判断来确定绕组烧毁的电机是否有必要进行维修。同样，该方法也可以用于检测和判断使用30年以上的大型电动机或大型发电机铁心老化程度。

目前，对铁心老化进行诊断的方法主要有两种[2]。第1种是电磁噪声测试法，即根据电磁噪声检测出铁心松动。由于与电机相连的其他设备振动和电机安装精度的不同，故电磁噪声的变化是不同的，没有统一的标准对铁心老化进行判断。这种方法不能判断出铁心变形和老化情况。第2种方法是振动测试法，即根据定子铁心外壳振动去判断铁心老化程度。这种方法不便于区分铁心振动量与轴承振动量的关系，因此这种方法测量误差比较大，也不适合铁心老化的判断。

电机定子铁心由硅钢片叠装组合而成，在制造和检修过程中，处理不当会造成质量下降，再加之经过多年的运行。在冷热和机械力的作用下，铁心片之间的绝缘将被损坏，造成铁心冲片之间绝缘变差，引起涡流损耗增大，故铁心损耗增大。

目前对硅钢片损耗测试研究比较多[3]，测试仪器也相对比较成熟，但是还没有一种设备可以对电机定子铁心损耗进行直接测量。因为电机定子铁心是由硅钢片压制叠装而成，其铁心齿部形状复杂，所以对电机定子铁心损耗测试难度较大[4]。基于上述分析，本文设计了一种铁心损耗测试装置，由测试铁心环、测试绕组、检测电路组成。然后对老化率进行了定义，通过对老化率的计算，分析判断铁心老化程度。

1电机定子铁心损耗检测装置设计

本文根据电机尺寸参数、电机定子铁心所用的硅钢片类型，以磁路最短为原则，设计了一个开口测试磁环。在设计过程中所用硅钢片型号和被测电机定子铁心所用硅钢片一致，开口磁环端部宽度与电机定子齿部宽度相同，端部缝隙宽度为电机定子两个齿部之间的宽度，以便在测试时使开口磁环和电机定子齿部、轭部构成一个闭合回路。在开口磁环上缠绕励磁线圈，线圈的匝数和线径的选择需要参考磁环的大小、励磁电源电压的大小以及激磁电流的大小来确定。励磁电源需要工频稳压交流电源，输出正弦波稳定性要好[5]。电机铁心损耗测试原理图如图1所示。图1中U1为一次侧电压、I1为一次侧电流、U2为二次侧电压。

图1　铁心损耗测试装置原理图

在进行测试前，需要先将定子铁心的绕组拆除，避免原绕组感应涡流，产生附加磁通，对测试结果造成影响。拆除之后，将开口磁环端部与电机定子铁心的齿部贴紧，使其构成一个闭合磁路。由安培环路定律可知

(1)

式中：N——一次侧线圈匝数；

Hk——第K段铁心的磁场强度；

lk——第K段磁路的等效长度。

由此可以得到励磁电流的i的值，即

(2)

励磁电压U由算式(3)确定。

U≈4.44fNφ=4.44fNBS

(3)

式中：φ——磁通；

B——磁通密度；

S——磁路截面积。

铁损测量时要保证B为正弦波，且取B=1T[6]。将频率f、磁路截面积S、线圈匝数N代入式(3)，即可求出励磁电压U。

如励磁电压U为已知，由式(3)可得磁通密度B，即

(4)

2电机定子铁心损耗的计算方法

调节励磁电压，根据式(4)，使磁通密度达到设定值(即1T)，测量出一次侧线圈的输入电压U1、电流I1和功率P1，将二次侧输出端串联两个几十千欧的电阻，电压经过衰减之后接入单片机A/D采集端口，A/D转换器采用10位逐次逼近的A/D转换方式，由电容耦合放大器构成。由此测得二次侧线圈输出电压U2。由于二次侧电流很小，只有几毫安，故二次侧的铜损可以忽略。于是一次侧输入功率P1等于线圈铜损耗、开口磁环铁损耗、定子铁心齿部和轭部铁损耗之和，即

P1=PCu1+PFe1+PFe2+PFe3

(5)

式中：PCu1——一次侧线圈铜损耗；

PFe1——开口磁环的铁损耗；

PFe2——定子铁心齿部铁损耗；

PFe3——定子铁心轭部铁损耗。

设PFe是与开口磁环接触部分定子铁心总损耗，则

PFe=PFe2+PFe3

(6)

由式(5)和(6)可得

PFe=P1-PCu1-PFe1

(7)

对于一次侧铜损的计算，可以测量出一次侧线圈的电阻R和电流I1，由式(8)得出。

PCu1=I12R

(8)

计算出开口磁环的铁心损耗PFe1的方法如下：将图2中开口部分用硅钢片铁心填充，如图阴影部分所示，使其构成一个闭环；再用相同的办法在一次侧缠绕线圈加励磁电压，在二次侧也缠绕线圈，当二次侧输出电压达到设定值时，此时的磁通密度B刚好是1T。根据以上测量，计算出开口磁环的铁心损耗PFe1。以上数据代入式(7)，即可得到PFe。

再计算出与开口磁环相接触部分定子铁心齿部和轭部的总质量m，就可以得到定子铁心单位质量铁损耗P0，即

图2　开口磁环

(9)

3电机定子铁心老化判定方法

根据定子铁心所用硅钢片的铁损耗和磁通密度的关系曲线，查出新硅钢片理论上磁通密度为1T时所对应的硅钢片单位质量损耗Pb。这里由于将定子铁心齿部和轭部的铁损耗分开计算，故需要查出齿部磁通密度为BT1时所对应的齿部单位质量铁耗PT1，轭部磁通密度为BC1时所对应的轭部单位质量铁耗PC1。根据文献[7]中定义电机定子铁心单位质量铁损值

PL=k1PT1+k2PC1

(10)

式中：对于半闭口槽齿部铁耗修正系数k1取2.5，对于轭部修正系数k2取2。

从电机设计角度，半闭口槽齿部修正系数k1=2.5，轭部修正系数k2=2，是在统计基础上得出的，是对大量电机进行试验分析的结果。对于个体电机而言可能会有一点误差，但是这种误差不会影响整体结果，因此式(10)具有参考价值。

通过查阅相关文献可知，目前对铁心老化程度还没有具体定义，很多都是停留在对老化现象的描述层面，为此本文对铁心老化程度提出如下定义，即铁心老化率LH为

(11)

通过对同一台旧电机未拆去绕组直接测量定子铁心损耗和拆去绕组之后利用开口磁环定子铁心损耗的结果分析，两种测量方法得到的结果很接近；另一方面，也对多台同型号老化程度不同的电机的测试数据进行分析。规定当0%≤LH<25%时，铁心为轻度老化，电机可以更换绕组继续使用；25%≤LH<50%时，铁心为中度老化，对于降低容量的电机还可以使用；LH≥50%时，铁心为严重老化，不能再使用了。

在检测过程中，需要检测较小的电压，在0～10V，而现有仪表仪器电压测试范围比较宽，为0～220V，因此低电压检测精度降低。另一个问题是同时检测一次侧电压、电流、有功功率和二次侧电压也不方便。故本文设计一个多功能检测电路，即定子铁心老化测试装置。该装置包括硬件和软件两个方面。硬件以电能采集芯片ADE7758和单片机为核心，实现一次侧输入电压、电流、功率和二次侧输出电压的同时测量；软件上主要包括AD采集、数据计算、显示等。检测系统框图如图3所示。利用ADE7758电能采集芯片的IAP和IAN两个端口采集一次侧线圈中的电流I1，端口VAP采集一次侧电压U1，端口VBP负责采集二次侧电压U2，通过采集计算，将结果通过串行口送给单片机，然后由单片机送到数码管进行显示，显示参数有U1、P0、B。

图3　铁心损耗检测系统框图

4铁心老化检测试验

本文对2台同型号(Y-100L- 4)的电机进行了测试试验，如图4所示。两台电机都曾经出现过绕组烧毁的情况。图4中右侧是一台较新的电机，使用了3年，称为1号电机；左侧的电机使用了10年，为2号电机，2台电机定子铁心所用的硅钢片型号均为热轧硅钢片DR510-50。

图4　两台试验电机

在测量过程中由于硅钢片间的绝缘损坏可能存在不均匀现象，于是对每台电机都做25次测量，测量时取不同的点，每5次测量作为一组，然后取平均值，得到5组数据。分别进行25次测量的过程中，2台电机的测量位置尽量保持一致，有利于提高测量数据的准确性。由于开口磁环和电机定子铁心所用硅钢片类型一样，忽略漏磁通影响，有

Φ=BS

(12)

式中：Φ——磁路主磁通；

B——磁通密度；

S——磁路截面积。

进一步有

(13)

式中：SC1——定子铁心轭部截面积；

ST1——定子铁心齿部截面积。

查阅Y-100L- 4电机参考资料，如图5和图6所示，得到电机定子槽相关尺寸。

电机定子齿部截面积

ST1=bT1h

(14)

图5　定子铁心硅钢片

图6　定子铁心冲片示意图

式中：bT1——定子齿宽度；

h——磁环的厚度。

定子轭部的截面积为

SC1=h(R1-R2)

(15)

计算得到SC1=2.5cm2，ST1=0.8cm2。当主磁路的磁密B=1T，即齿部磁密BT1=1T时，将以上数据代入式(13)得到轭部磁密BC1=0.32T。查询该类型的硅钢片损耗曲线和磁化曲线，当齿部磁通密度BT1=1T时，铁损PT1为1.961W/kg；当轭部磁通密度BC1=0.32T时，铁损PC1为0.293W/kg。根据式(10)计算可得PL=5.49W/kg。

4.1二次侧电压U2和总体铁损PFe的计算

现在利用精密可调的单相交流稳压电源(该电源的频率可调，输入电压为220V，输出电压为0～50V连续可调，电压畸变率≤1.5%)，作为励磁电源配上设计的铁损测试装置进行测量。测量时调节励磁电源，使二次侧电压U2等于1.776V，此时的磁通密度B为1T，对应一次侧的输入功率为P1、输入电流I1、输入电压U1，之后测出一次侧线圈电阻R1=1.907Ω，由此求出PCu1。

在以上条件下，分别对1号、2号电机进行测量。每台电机测量5组，测量结果如下。

表1　1号电机测试参数

表2　2号电机测试参数

4.2磁环铁损PFe1和定子铁心损耗PFe的计算

4.3与开口磁环相接触部分的定子铁心质量计算

对于与开口磁环接触的定子齿部及轭部的质量m计算方法如下：

与开口磁环相对应的定子齿部体积为VT，

VT=hbT1(D1-D2)

(16)

式中：D1——定子冲片的外径；

D2——定子冲片的内径。

与开口磁环相对应的定子轭部的体积为VC，

(17)

总体积为V=VT+VC，再根据m=Vρ，算出质量m，ρ取7.75g/cm3。按照以上计算方法，得出m=39.786g，最后由式(9)可以得到所测的定子铁心的单位质量铁心损耗。

表1和表2是分别对1号电机(新电机)和2号电机(旧电机)做了5组测量，每组包含5次测量，测量之后求平均值，每次都取定子铁心内部的不同位置进行测量，并且每次测量前都要经过退磁处理。最后对5组测量数据再求平均值得到的测量数据。根据表1和表2得到的平均值，可以计算出1号电机和2号电机的计算参数，如表3所示。从表3中可以看到2号电机的单位质量铁损耗明显比1号电机大。

表3　1号电机和2号电机计算参数对比

由表3中的数据可以看出：1号电机单位质量铁心损耗平均值P0=6.786W/kg，2号电机单位质量铁心损耗平均值P0=10.230W/kg。1号电机的老化率23.6%，为轻度老化，还可以更换绕组继续使用；2号电机的老化率是86.3%，超过了50%，属于严重老化，不能再维修使用了。

5结语

本文对待修电机铁心老化测试方法进行了研究，提出了电机铁心老化检测的方法，定义了有关老化程度的计算，并设计了一套测试装置对待修电机定子铁损进行测量，最后对铁心老化程度进行了评价。虽然由于开口磁环和电机定子铁心接触面之间存在气隙，接触面都经过打磨，还会产生一点误差，但对铁心老化的评价影响不大。

【参 考 文 献】

[1]程惠黎.中小型电机多次返修前的铁芯试验[J].中小型电机技术情报,1979(5)：47- 48.

[2]平田孝夫.发电机定子铁心老化判断[J].国外大电机，2005(2)：19-22.

[3]杭亮,顾伟驷,苏英俩.基于ARM7的硅钢片铁损测试仪[J].机电工程,2009,26(3)：47- 49.

[4]SCHMIDT N, GULDNER H. A simple method to determine dynamic hysteresis loops of soft magnetic materials[J]. Magnetics, IEEE Transactions on，1996，32(2)：489-496.

[5]郑赛军,黄进,牛发亮.铁心损耗测试装置电源的研制[J].中小型电机,2004(5)：67-69.

[6]梅文余.动态磁性测量[M].北京：机械工业出版社,1985.

[7]黄坚，郭中醒.实用电机设计计算手册[M].上海：上海科学技术出版社，2010.

Testing and Evaluating Methods Research to Stator Core Ageing of the Old Motor

ZONGHegang,BAILianping,ZHANGLi

(Institute of automation, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192, China)

Abstract：A detection method which testing the iron-core by a special iron core coil was proposed and the aging degree of core was analyzed. Then defining the aging rate LH which we could analysis and judge the aging condition of core by calculating it. The principle was based on the electromagnetic induction principle and established a measurement analysis method of stator core loss. Designing a core loss detection device whose core was CPU and used it to test the repair motor. The results of experiment show that the presented aging testing method is feasible. The detection device can achieve the desired effect.

Key words：the research of motor iron core aging; core loss test; single-chip microcomputer testing device

作者简介：宗和刚(1988—)，男，硕士研究生，研究方向为电机测试技术。 白连平(1956—)男，博士，教授，研究方向为电机节能与测试技术。

中图分类号：TM 306

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2016)05- 0079- 05

收稿日期：2015-10-10