永磁同步电动机绝缘系统

李 伟， 顾伟光， 李 磊， 李 洁

（上海三菱电梯有限公司，上海200245）

近年来，随着变频器的广泛使用，国内外出现了越来越多采用变频器驱动的电动机因绝缘过早失效导致电动机工作寿命缩短的情况。作为电梯主机，以永磁同步电动机为主体的永磁同步无齿轮曳引机（Permanent Magnet Synchronous Gearless Trac－tion Machine，PM），以其高效节能、环保、运行噪音低、维护简单、节约机房建筑空间等优点，受到广大电梯用户的青睐［1－2］。PM曳引机中，永磁同步电动机非常紧凑地与其他零部件集成为一体，大大减小了曳引机整机外形尺寸和体积，节约了安装空间［3－4］，但是如果电动机发生绝缘烧毁，现场维修和更换则非常困难。PM曳引机中的永磁同步电动机采用变频器驱动，如何确保电动机的绝缘性能和质量满足其长时间可靠性运行的要求，是永磁同步电动机绝缘系统在设计及制造时需要着重研究的内容。

本文从永磁同步电动机绝缘系统的组成、绝缘系统的失效、绝缘系统的评价方法、造成永磁同步电动机绝缘系统失效的局部放电等方面进行叙述和分析，并对局部放电与电机线圈浸漆质量进行了进一步分析、研究和试验。

1 永磁同步电动机绝缘系统的组成

图1 永磁同步电机常用的绝缘结构

PM曳引机中的永磁同步电动机通常采用散嵌的绕组结构［5－6］，其绝缘系统的组成包括：电磁线自身的绝缘漆、槽绝缘、槽口绝缘、层间绝缘、线圈端部绝缘等，各部分的绝缘由多种绝缘材料组成，并经过浸渍绝缘漆的绝缘处理，将线圈和绝缘粘结成一个整体，构成完整的绝缘结构，如图1所示，除了具有绝缘性能外，还具有一定的力学性能、导热性能和防护性能。

2 永磁同步电动机绝缘系统的失效

电动机绝缘系统的主要作用是有效地将电动机中带电的或有不同电位的导体隔离开，使电流按指定的方向流动。绝缘系统的失效是指：电动机在运行中，绝缘系统受到热、电、光、氧、水、有害化学媒质及机械力等因素的多重作用，导致绝缘材料破坏而失去应有的功能。

绝缘失效的主要形式有电击穿、热击穿、放电击穿。与工频供电的电动机相比，在变频器的输出电压中，含有高频脉冲尖峰电压，容易引起局部放电。因此，与工频供电的电动机相比，PM曳引机中的永磁同步电动机绝缘系统的失效，主要是因为电动机内部发生局部放电，使得在绝缘材料表面产生电晕、火花放电，带电粒子冲击绝缘材料，使绝缘材料发生老化或高聚物分子主链裂解，导致放电击穿，电动机被烧毁，整个过程如图2所示。

图2 电机放电击穿过程的示意图

3 永磁同步电动机绝缘系统的评价方法

对永磁同步电动机绝缘系统的评价，可以通过一系列的绝缘试验来进行。包括对构成绝缘系统各种材料的材料本身进行单独试验、材料组合的相容性试验、绝缘系统整体试验。

3.1 绝缘材料的单独试验

永磁同步电动机采用的绝缘材料主要有电磁线上的绝缘漆、各种电工绝缘薄膜、绝缘纸及复合材料、各种纤维材料与浸渍纤维制品、层压制品、绝缘浸渍漆及树脂、成型绝缘件等。各种绝缘材料的单独试验评价可以按照相关的国家标准或行业标准进行，其中对于采用变频器供电驱动的永磁同步电动机，其采用的电磁线应该具有一定的耐高频脉冲电压冲击的能力和运行寿命。

3.2 绝缘材料的相容性试验

经过单独试验筛选出的绝缘材料用来组成绝缘系统，材料之间是否相容，应进行绝缘材料的相容性试验。

相容性试验的结果，不但反映了各组成材料在热因子作用下，自身发生的物理、化学变化及裂解产生的分解物、挥发物等对其他材料，尤其是对主绝缘材料的绝缘性能影响。相容性试验的结果同时也在一定程度上反映了主绝缘材料自身的耐热性能。虽然相容性试验标准规定，替换的绝缘组分状态相比原有基准绝缘结构的平均击穿电压下降率不超过50%即为合格，但如果击穿电压下降率偏大，对系统的热老化寿命也有一定的影响。

3.3 绝缘系统的试验

经材料的单独试验和相容性试验筛选后的绝缘材料，只是构成合格绝缘系统的必要条件，而非充分条件，合格绝缘系统还与绝缘的结构、制造工艺等因素有关，需要对绝缘系统进行相关试验来评价。

永磁同步电动机绝缘系统的试验包括绝缘电阻测试、匝间绝缘试验、对地耐电压试验、局部放电试验、热老化试验、电老化试验等，对于采用成型线圈的电动机绝缘系统还包括介质损耗试验和吸收比、极化指数试验等。这些试验评价可以按照相关的国家标准或行业标准进行。

由于与工频供电的电动机相比，PM曳引机中的永磁同步电动机绝缘系统更容易因内部发生局部放电而失效，因此需要对局部放电做进一步的分析。

4 永磁同步电动机绝缘系统的局部放电与电机线圈浸漆质量

4.1 多层电介质组合结构与局部放电

永磁同步电动机绝缘系统是由多层介电强度不同、介电常数不同的材料组合而成，如定子的槽部绝缘就由电磁线绝缘漆、绝缘薄膜、绝缘纸、槽楔、绝缘浸渍漆等材料组合而成，其中局部还可能存在空隙或气泡。由于各层材料的相对介电常数ε不同，故所承受的电场强度E也将不同。多层电介质组合结构的物理模型如图3所示［7］。

图3 多层电介质组合结构的物理模型

图3中，ε1，ε2，…，εn表示第1，2，…，n层电介质的相对介电常数，d1，d2，…，dn表示第1，2，…，n层电介质的绝缘厚度，U表示施加在多层电介质组合结构上的电压。

根据图3可得第p层电介质所承受的电场强度为

式中，εp为第p层电介质的相对介电常数；εi为第i层电介质的相对介电常数；di为第i层电介质的绝缘厚度。

由式（1）可知，第p层的电场强度Ep与该层材料的εp成反比。

若绝缘系统中存在空隙或气泡，由于空气的相对介电常数较小，故所承受的电场强度较大。而空气的击穿场强比其他材料小十几倍以上，当空气承受的电场强度达到空气的击穿场强时，就会出现放电。

局部放电虽然不形成贯穿施加电压的两导体之间的通道，即整个绝缘系统并没有击穿，仍然保持绝缘性能，但会逐渐腐蚀、损坏绝缘材料，使放电区域不断扩大，导致绝缘材料加速劣化变质，最终导致整个绝缘被击穿［8］。

4.2 电动机线圈浸漆质量与局部放电

PM曳引机中永磁同步电动机通常采用散嵌绕组结构，这种结构的电动机线圈浸渍绝缘漆，是绝缘制造中最重要的绝缘处理工艺过程，其主要作用如下：用绝缘漆填充线圈匝间的空隙，使线圈和绝缘粘结成一个整体，提高绝缘介电性能，提高电动机线圈的局部放电起始放电电压（Corona Start Voltage，CSV）值。当浸漆的渗透性和填充性差，浸漆后残留空隙、局部存在气泡等都会降低CSV值。因此，CSV值的高低可以作为反映电动机线圈浸漆质量以及电动机绝缘性能的一个重要评价指标［9－10］。

电动机线圈浸漆过程中，影响浸漆质量有的因素包括：绝缘漆的粘度、预热温度、预热时间、浸漆时线圈温度、浸漆时间、滴漆速度、滴漆时间、固化温度、固化时间等。

针对影响浸漆质量的各个环节和因素，利用CSV值的测量以及对测量结果数据的分析、研究，可以寻找影响浸漆质量的因素和水平，以提高电动机线圈浸漆质量。

4.3 试验及分析

4.3.1 试验及试验结果

按照田口方法进行试验设计［11－12］，选取浸漆过程中的3个因素：漆的粘度、浸漆时线圈温度、固化条件，作为试验因子进行试验，每个因子3个水平，其余试验条件相同。各试验因子和水平如表1所示。

表1 试验因子和水平

试验结果为电机线圈浸漆后的CSV值如表2所示。

表2 试验结果

4.3.2 试验结果分析

从试验结果看，浸漆过程中的3个因素对电机线圈浸漆质量均有较大影响，各个因素的不同水平组合导致不同的CSV值测试结果。第2组，即当漆的粘度为高水平、浸漆时线圈温度为中水平、固化条件为中水平时，是能产生最高CSV值的因子水平。

试验因子和水平对浸漆质量的影响，其实质是浸漆工艺参数、水平与电动机线圈绝缘结构如何能够做到最佳匹配。对各试验因子和水平影响浸漆质量的机理分析如下。

（1）漆的粘度

PM曳引机中的电动机线圈采用的是散嵌的绕组结构。若绝缘漆粘度太低，绝缘漆易从线圈缝隙中流失，填充性差；若粘度太高，绝缘漆不易渗透到线圈中去，渗透性差。从试验结果看，漆的粘度为高水平（85～95s）时为最佳值，说明对于采用的电动机线圈绝缘结构，当绝缘漆粘度偏低时，绝缘漆易从线圈缝隙中流失，填充性差。

（2）浸漆时线圈温度

若浸漆时线圈温度太低，绝缘漆不易渗透到线圈中去，渗透性差；若浸漆时线圈温度太高，绝缘漆易从线圈缝隙中流失，填充性差。从试验结果看，浸漆时线圈温度为中水平（50℃）时为最佳值，说明对于采用的电机线圈绝缘结构，线圈温度取中间值，能够取得最佳的渗透性和填充性。

（3）固化条件

固化的主要作用是，在高温下绝缘漆高分子材料相互交链，绝缘漆完全硬化，将线圈与绝缘固结成一个整体。温度低或时间短则不能完全固化，影响浸漆品质；而温度太高、时间太长又将严重影响生产效率。从试验结果看，固化条件为中水平时为最佳值，说明中水平（150℃，60min）条件，已经能够完成完全固化。低水平（130℃，120min）影响浸漆质量，高水平（150℃，120min）则不能兼顾生产效率和成本。

5 结 语

针对国内外出现的越来越多采用变频器驱动的电动机因绝缘过早失效导致电动机工作寿命缩短的情况，如何确保采用变频器驱动的PM曳引机中永磁同步电动机的绝缘性能和质量满足电动机长时间可靠性运行的要求。

值得说明的是，由于电动机及线圈绝缘结构的形式种类繁多［13］，不同形式的电动机线圈绝缘结构对应的绝缘系统不尽相同，相应的最佳浸漆工艺参数和水平也不尽相同，绝不能简单套用。本文仅针对PM曳引机中永磁同步电动机的散嵌绕组结构相对应的绝缘系统进行分析研究，并对这种绕组结构的电动机线圈浸漆质量与局部放电进行研究、试验，提供一种分析、探寻浸漆工艺参数和水平与电动机线圈绝缘结构如何能够做到最佳匹配的思路和方法，供相关的电动机设计及工艺制造人员参考。

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