提升高转差率电机绕组可靠性的探讨

杜 业，葛利俊，徐 浩

（渤海石油装备（天津）新世纪机械制造有限公司，天津 300280）

0 引言

高转差率电机在驱动游梁式抽油机运行时，不仅实现了节能降耗，还能够降低抽油机悬点载荷、减速箱最大净扭矩降和光杆负荷，可以有效地减少作业维护费用，获得良好的综合效益。凭借其独特的软机械特性，高转差率电机在国内各大油田市场的游梁式抽油机上有广泛应用。近些年来，伴随着油田数字化的建设和抽油机大范围调冲的要求，油田开始大规模地应用变频器，但带来便利的同时，其产生的负面效应也不容忽视。一方面，高频脉冲电压会加快绕组的电老化速度，引起电机绝缘过早损坏；另一方面，在电机低转速运行时，冷却风量与转速的三次方成比例减小，致使电机的低速冷却状况急剧变差，温升急剧增加。这两个方面的影响是造成电机使用寿命缩短的最主要原因。

1 提升方案

通过优化高转差率电机设计、改进绕线工艺、嵌线工艺和转子压铸工艺，提升电机绕组的可靠性。通过设备改造，采用恒张力全自动绕线机和碳化硅坩埚化铝炉，提升绕组可靠性的同时，大大降低工人的劳动强度，提高生产效率。

1.1 优化设计

优化电磁设计，改善电机的低频特性，提高主电感，适当降低气隙磁密，以降低铁耗和防止磁路饱和。考虑到在电机运行中，变频器高次谐波的集肤效应使转子电阻增大。重新确定了转子的分段数和每段长，设计减小转子电阻值，避免高次谐波电流以较大的转差切割转子导条产生过大的转子损耗。为达到这一要求，将高转差率电机的转差率接近SY/T 5226《抽油机节能拖动装置》规定的下限值5.6%。这可以提高电机效率，降低温升，间接提升绕组绝缘性能，同时保留它独特的软特性和其他优良性能。

1.2 改进绕制工艺

电机绕线模大多为矩形菱状结构。在绕组绕制过程中，人工绕线机匀速带动模具旋转绕线，由于其菱状端部的线速度较快，矩形直边部的线速度较慢，周期性加减速变化产生的冲击，会导致绕制漆包线产生松紧程度不一，且易造成漆包线塑性变形，影响电机绕组的线圈质量。漆包线截面变化是绝缘较为薄弱的地方，在使用中可能会引起电机绕组的断路和短路故障，极大地影响了电机的可靠性。

针对上述问题，通过改造原有设备，采用具有恒张力控制及自动排线功能的数控绕线机，解决人工绕线机张力变化和冲击力大的问题，彻底消除了漆包线截面变形的问题。另外，全新设计了绕线模具，新绕线模具采用4 导柱+2 菱形头的模式。在绕制完成后，绕线模自动回缩，无需将模具卸下取线圈。经多次试验验证，该设备张力稳定可调节，漆包线无变形，表层绝缘漆无损伤。这保证了产品的标准化生产，使高转差率电机绕阻的性能指标得到了极大的提高。

1.3 改进嵌线工艺

新工艺通过选取高水平的工艺参数，增强绕组绝缘性能。工艺规范了嵌线过程中作业手法，特别是每组首支线圈的首匝线圈入槽，防止漆包线损伤，引起匝间绝缘破坏。在嵌线过程中，重点强调槽绝缘、层间绝缘、相间绝缘放置到位，放正。从分析绕组烧毁的情况得知，高转差率电机击穿部位多为绕组端部、相绝缘搭接部位及电机引接线出线部位击穿，因此调高了相绕组高度，规定相间绝缘应高出绝缘绕组79 mm，增强绕组相间绝缘的绝缘性能，提升绕组槽内层间及相间的抗击穿能力。受电磁力振动影响，电机应尽可能提高整体的机械强度。新工艺规定了端部绑扎绳受力点应均匀固定在相间绝缘处，且防止相间绝缘跑出或直接绑扎在绕组上。改进后绕组经匝间试验冲击电压2500 V，无闪络击穿现象。

1.4 改进转子压铸工艺

转子压铸中的化铝炉采用铸铁坩埚，这无形中在铝液熔炼中增加了铁元素，引起高转差率电机的转子阻值加大和阻值的较大波动，造成同型号不同批次转子差异较大，还会使得铸件机械性能尤其是韧性下降，甚至造成铸件开裂，致使产品质量很不稳定。同时铝液会长期慢性腐蚀坩埚，引起坩埚渗漏，损坏炉膛和炉丝，造成了炉膛的重新堆砌、炉丝的更换、电的浪费以及生产效率下降等多种浪费。

通过采用新型环保化铝炉，将铸铁坩埚改为碳化硅坩埚，不仅使得坩埚使用寿命提高了4 倍，还减少了铸铁坩埚所带来的熔炼铝液带来“增铁”的难题，熔炼铝液铁元素的含量由原来1.15%降到了0.37%，在很大程度上提升了铝液质量。

2 提升效果

在优化高转差率电机设计和工艺改进后，对其进行了试验应用和统计分析。绕组的月度耐压、匝间测试一次交检合格率由92.4%提升到99.6%，有较大改善，说明绕线工艺和嵌线工艺的改进措施切实有效。统计分析调整后的转子阻值发现，由于不受铁元素的影响，多种型号高转差率电机的转子电阻值与设计值相符，并服从标准的正态分布，且阻值变化平稳，说明转子压铸工艺的改进措施切实有效。高转差率电机型式试验结果表明，通过优化电磁设计和工艺改进，提高了电机效率，增强了电机散热能力，有效降低电机温升，平均约5 K；在30 Hz 满载低频运行时，电机温升不超过105 K，满足了F 级绝缘要求。

综合提升后的高转差率电机已大批量在大庆、大港、青海等油田应用。跟踪统计得知，全年电机维修费用直接降低100 多万元，同时也提升了用户满意度。