浅谈电机转子综合测试仪的应用及校准方法

余佳

（ 上海电动工具研究所（集团）有限公司，上海 200233 ）

0 引言

电机是经济发展中应用最广泛的动力设备，应用于机械、化工、电力等行业。电机转子是电机重要运动部件之一，电机转子综合测试仪是确保电机转子正常运行的重要技术保障。本文以提高电机转子综合测试仪运行可靠性为目的，针对测试仪的校准方法进行简要分析。

1 概述

电机转子综合测试仪主要考核电机转子工频耐压、匝间冲击耐压、绝缘电阻、片间及焊接电阻等技术指标，由工控机、柜体、测试夹具等三大部分组成[1]，如图1所示。电机转子综合测试仪广泛应用于电动工具、汽车电机、家用电器和微电机行业，是电机专业生产不可缺少的测试设备。转子是各类电机的重要部件，其质量好坏直接影响电机及工具的性能和使用寿命。单相串励电机广泛应用于电动工具、家用电器及微特电机，高速电机对转子的性能提出了更高的要求。

图1 电机转子综合测试仪设备

电机转子综合测试仪工作原理，如图2所示。为保证测试数据的准确性，需要对其进行定期校准和调试，消除潜在故障及误差隐患[2]。实际操作中，应根据实际情况合理选择校准方法，提高校准结果的有效性。

图2 电机转子综合测试仪原理框图

2 计量特性

转子由转子铁心、转子绕组、换向器、转轴和各种绝缘材料组成。实际情况表明，电机转子故障是电机的主要故障之一，对电机转子进行综合测试包括工频交流耐压试验（含工频耐压和泄漏电流）、绕组匝间试验（含匝间峰值电压和波前时间）、绝缘试验（含绝缘电阻和开路电压）和绕组电阻的校准等多项试验。其计量特性如下：

1）工频电压

测量范围：0 kV～15 kV；最大允许误差：±3%。

2）击穿电流

测量范围：0 A～1 A；最大允许误差：±3%。

3）匝间峰值电压

测量范围：0 kV～40 kV；最大允许误差：±10%。

4）波前时间

测量值：1.2μs；最大允许误差：±30%。

5）绝缘电阻开路电压

测量范围：0 kV～5 kV；最大允许误差：±5%。

6）绝缘电阻

测量范围：0 GΩ～100 GΩ；最大允许误差：±10%。

7）绕组电阻

测量范围：0 kΩ～10 kΩ；最大允许误差：±0.5%；

8）测试时间

最大允许误差：±3%。

3 校准方法

3.1 绕组匝间试验

电机诸多故障中，匝间绝缘故障占大多数。电机转子综合测试仪的匝间功能可以有效识别转子的匝间故障（主要指线圈绕组与线之间及换向器片间是否短路和绝缘不良）。匝间耐压的检测方法是在相邻的换向器之间加载一定幅值、一定波形要求的冲击电压。匝间耐压功能接线，如图3所示。

图3 匝间耐压功能接线图

将测试仪的匝间功能输出脉冲峰值电压调至设定值作为检测点，在所选取的检测点上操作匝间耐压测试仪，使其输出脉冲峰值电压。测试仪匝间功能量程满度值为Um，在量程内选取包括10%、50%和100%（或最近刻度点）的3～5点分别进行校准。用示波器观察高压探棒上所受的脉冲峰值电压，重复测量2次，取其平均值作为测量值。

匝间耐压测试仪输出峰值电压的相对误差y

式中：yL为匝间电压相对误差，Vm为匝间耐压设定值，Vp为实测值。

3.2 不确定度评定

校准环境条件：温度：21℃，相对湿度：58% RH

匝间耐压功能计量特性，见表1。匝间耐压功能被校对象，见表2。

表1 匝间耐压功能计量特性

表2 匝间耐压功能被校对象

采用图3所示的接线方式，将高压探棒的信号线接入数字示波器，调节数字示波器为合适的测量状态，启动试验装置，读取综合测试仪匝间电压的读数UX及数字示波器测量的冲击电压波形的峰值U1，由于示波器连接高压探头，设置衰减比为1 000:1，则匝间峰值电压可由示波器直接读取，且单位为kV。

式中，K为高压探棒的衰减比,通常为1 000:1，U为示波器采集信号电压值。

其测量模型如下

式中，Δ为匝间电压示值误差，UX为输出匝间电压峰值，U1为数字示波器记录的波形峰值测量值。

3.2.1 电机综合测试仪输出匝间电压峰值的测量重复性引入的标准不确定度u1(U1)

在重复性条件下，对20 kV测量点进行10次连续测量，从数字示波器读出峰值数据，见表3。

表3 测量数据

3.2.2 数字示波器示值不准确引入的标准不确定度u2(U1)

依照数字示波器的技术指标，其幅值测量的最大允许误差为±1%，当测量20 kV时，则半宽度a1=0.2 kV在区间内可认为服从均匀分布。

则标准不确定度u2(U1)：

3.2.3 高压探棒不准确引入的标准不确定度u3(K)

依照高压探棒的技术指标，衰减比的最大允许误差为±1.0%，衰减比为1 000，当测量20 kV的匝间电压时，半宽度a2=0.2 kV。在区间内可认为服从均匀分布。

则标准不确定度u3(K)：

将以上不确定度分量合成:u23(U2)＝0.17 kV

3.3 合成标准不确定度uc(I1)的评定

不确定度汇总数据，见表4。

表4 不确定度汇总表

合成标准不确定度uc(I1)：

扩展不确定度U

取包含因子k=2 ,则扩展不确定度U=kuc(U)=394 V,相对扩展不确定度Urel=0.394/20×100%=2.0%。

3.4 测量不确定度的报告与表示

综合测试仪匝间功能在输出冲击电压为20 kV时的峰值测量结果相对扩展不确定度为：Urel=2.0%（k=2）

4 其他功能

1）外观及性能检查。仪器铭牌文字清楚，接线端子不应松动，无影响正常工作的机械损伤，有专用接地端。接通电源，仪器处于正常状态，数码管显示无缺损，指示灯工作正常。

2）工频耐电压和泄漏电流校准。将电机综合测试仪的高压输出端和地端分别与数显高压表的高低压端相连接，接通数显高压表的交流功能，对综合测试仪的工频耐压功能进行校准，如图4所示。

图4 工频耐压测试接线图

校准点的选取：测试仪的电压功能的量程满度值为Um，在20%Um～100%Um内，均匀选取校准点（或最近满度点），且不少于4点。校准点也可根据实际工作需要进行选取。

进行击穿电流校准时，将数字多用表置于与所测击穿电流大小相匹配的量程。按照被校仪器电流的标称值选择适当的可变电阻器阻值，电机综合测试仪的输出电压由低至高缓慢调节，由大至小缓慢调整可变电阻的阻值，在0 mA～20 mA内选取若干测量点进行测量，计算相对误差。测量点应覆盖满量程，在20%～100%范围内均匀选取至少3个校准点（或最近刻度点）。校准点也可根据实际工作需要进行选取。

3）电压持续（保持）时间的校准。测试仪电压持续（保持）时间的校准点选取：≤ 20 s内选择至少一个校准点。＞20 s内选择至少1个校准点，其中60 s为必选点。

将测试仪时间控制置于定时方式。调整输出电压至0.1 UH，但不低于500 V。按下启动键，当测试仪输出电压达到稳定时手动启动计时器，当发出切断信号时，终止计时。测量时间即为电压持续（保持）时间实际值。

4）绝缘电阻和开路电压校准。将电机转子综合测试仪绝缘功能的高压输出端和地端分别与数显高压表的高低压端相连接，接通数显高压表的直流档功能，对综合测试仪的绝缘电阻开路电压功能进行校准。开路电压的选取为测试仪额定电压设定值，常见为500 V、1 000 V、2 500 V和5 000 V。数显高压表测量的直流电压值即为开路电压实际值，绝缘电阻的校准则与标准电阻器接线，在量程范围内选择3～5个校准点，应包括量程10%、50%、90%的附近值，也可按需要选择校准点。

5）片间电阻校准。将综合测试仪的电阻功能测试线路与标准电阻器连接，调整标准电阻器的阻值，在量程范围内均匀选取3～5个测试点，进行电阻的校准。校准点也可根据实际工作需要进行选取。

5 结语

电机转子综合测试仪在工业生产中使用较多，在使用中也经常出现一些故障。因此，每年定期对电机转子综合测试仪进行性能的校准，及早发现其性能隐患显得非常重要。为保证电机转子综合测试仪运行可靠性，需要对其存在的问题进行分析，对存在的误差进行校准，提高其测量精度与正确性，以提高电机运行可靠性。