某船主推进电机偶发艏、艉枢电流异常偏差问题分析及修理

刁爱民，李海涛

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

某船主推进电机偶发艏、艉枢电流异常偏差问题分析及修理

刁爱民，李海涛

(海军工程大学，湖北 武汉 430033)

针对某船主推进电机偶发艏、艉枢电流异常偏差问题，理论上分析了电流偏差的原因，在全面分析、排查、勘验基础上，借助温升试验等技术手段，精确定位了故障点，确定了故障原因，采用合理修理方案及时排除了主动力装备存在的风险隐患。

船舶；主推进电机；电枢电流；温升试验；修理

主推进电机作为船舶的关键装备，属于动力核心，其可靠运行对船舶整体技术状态的发挥和功能实现具有重要意义。直流推进电机作为一种主要的推进电机形式，具有电机转速和转矩易于调控的优点，且调速系统的控制流程也相对简单，在船舶行业中仍得到广泛应用[1-2]。为了保证推进电机具有较高的输出功率，一些大型直流电机多采用双电枢结构[3]。

国内某特种船舶即采用双枢直流推进电机作为主动力装备。在正常使用几年后，该船主推进电机在双枢并联工况下偶发艏、艉枢励磁电流异常偏差现象，且近来呈严重化发展趋势，极大影响主动力系统的性能发挥和安全使用。本文较为详细的介绍了该船主推进电机偶发艏、艉枢电流异常偏差问题发生后的解决过程，包括故障理论分析，原因分析排查、处理措施制定及修理效果验证等内容，以期作为后续处理类似问题的经验参考。

1 主推进电机组成及特点

该型主推进电机由定子和转子2大部分组成：定子不仅用来支撑整个电机，还用于安装主磁极、换向极和电刷装置，其中主磁极包含主磁极绕组、补偿绕组和铁心，换向极包含换向极绕组和铁心；转子(又称电枢)主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等，其电枢绕组为双蛙绕组形式[4]。

该型主推进电机采用双电枢(艏、艉枢)、双换向器、双内机座的结构形式。艏、艉电枢功率相同，安装在同一根轴上，由电机两端的轴承支撑；艏、艉电枢可以同时正、反转。电机双枢励磁绕组采用并联和故障应急串联连接方式，可单枢或双枢串、并联运行；并联工作时，借助于均衡电阻平衡艏、艉枢励磁电流差及电枢电流差。正常运行工况下，艏、艉枢电流差通常不超过300 A。

2 故障现象

该船主推进电机投入使用的前几年，情况基本正常。但从近2年使用情况看，开始出现艏、艉枢励磁电流异常偏差现象，从前期的偶尔发生到近期的长时间持续，问题呈现严重化发展趋势。具体情况如下。

1)2014年9月，该主推进电机艏、艉枢励磁电流连续偏差28 h，后又恢复正常。

2)2015年4月，主推进电机空转时出现艏、艉枢励磁电流偏差现象，但后续航行期间电流偏差现象消失。

3)2015年5月上旬，航行状态下主推进电机艏、艉枢励磁电流偏差现象持续40多个小时，最大偏差8 A。

4)2015年5月下旬，航行状态下主推进电机艏、艉枢励磁电流偏差持续60多个小时，最大偏差6 A；其中艏、艉枢并联运行10 h，电枢电流持续偏差1 000～1 200 A。

3 推进电机电枢电流偏差理论分析

双电枢电机采用机械特性硬度较大的他励电动机，其复合机械特性硬度大，双电枢并联机械特性小的差异会造成2个电枢负荷电流不均匀。本质上电流由电枢端电压、电枢电路电阻和励磁磁通这些电磁参数不同所致。

从故障现象分析，排除电枢端电压、电枢电路电阻出现故障，唯一原因为励磁回路故障。

在任一电枢电路中，端电压U为反电势E与电枢电路电阻压降之和，即U=E+IR。式中IR一般为5%U，而反电势E约为95%U。磁通小的电枢，反电势也小，电枢电流大，而较小的磁通差别将引起较大的电枢电流差别。

因此我们重点排查励磁电流较小的励磁回路是否存故障。

4 原因排查

考虑主推进电机在艏、艉枢串、并联工况下，其励磁电流均存在不同程度偏差，故励磁回路成为主要排查对象，重点包括励磁控制板、励磁绕组等。

4.1 系统检查

首先采用静态检查的方法排查励磁回路系统。

1)接头接线检查。主推进电机艏、艉枢励磁绕组外接头检查，未发现异常；主推进电机励磁接线端(外部)连接紧固。

2)直流电阻值测量。在日常使用环境下，测量主推艏、艉枢励磁绕组的冷、热态直流电阻值，以及对地绝缘值。在室温27 ℃、湿度76%条件下，艏、艉枢冷态电阻相差0.129 Ω、热态电阻相差0.15 Ω，艉枢电阻值偏大；励磁绕组对地绝缘值25 MΩ。

3)励磁回路通电试验。在30 A、50 A、60 A、70 A、80 A电流下进行通电检查，记录艏、艉枢励磁分流器、励磁绕组的电压值，比较艏、艉枢励磁电流差异情况。随着励磁电流及通电时间的增加，艏、艉枢励磁电流的差值由1 A增加到5 A，艉枢励磁电流偏小；励磁转换开关压降基本正常。

4)主磁极气隙测量。在艏、艉枢主磁极极弧中部和电枢相应位置作好标记，用专用设备测量艏、艉枢主磁极气隙并记录；电枢盘车1圈，复测主磁极气隙。经测量，各主磁极气隙值基本在理论值范围内，未出现严重偏差。

4.2 温升试验

主磁极作为励磁回路的重要组成部分，其技术状态的好坏直接影响励磁系统的稳定性。前期已测量了各主磁极联网状态下的总直流电阻，但无法确定单个主磁极的技术状态。在尽量减少拆检工程范围的原则下，通过开展主磁极温升试验，可以分别确定各主磁极在通电环境下的温升特性，进而掌握其制造质量及使用稳定性。

4.2.1 试验准备

试验前，要求主推进电机及控制板、风机、励磁机组等工作状态正常，符合开机要求；主推轴系与主推进电机为脱开状态；船电供应正常。

为了准确测量通电条件下各主磁极的温升特性，使用美国FLUKE公司的2638 A/60全能型数据采集器进行温度数据采集，配套使用K型热电偶，其量程为-270～1 372 ℃、分辨率0.01 ℃、准确度0.60 ℃；温度数据采集系统精度为±1 ℃。

图1 主磁极励磁绕组内、外接头测点布置图

温升测点布置在主推进电机艏、艉枢主磁极励磁绕组外接头及内接头的延长线上，如图1所示，测点数目共56个(艏、艉枢各28个)；用3M耐温胶带将K型热电偶固定在被测点上，保证接线可靠。

试验前，测量艏、艉枢主磁极励磁回路冷态直流电阻值及对地绝缘电阻值并记录。

4.2.2 试验过程

在主推进电机不运转条件下，艏、艉枢并联，向励磁回路供直流电，主要电流值分别为：30 A、50 A、70 A(持续通电各2 h)和80 A(持续通电1 h)，其中励磁电流在50 A以上时按要求开启通风机。原则上0.5 h记录1次各测点温度值，视情调整各电流下的通电时间和温度值记录间隔。

现场观察发现，30 A和50 A电流工况下，艉枢2#主磁极内、外接头测点的温升明显较快，供电约90 min后，其测点温度相比于其他测点要高出约11～13 ℃。随着供电电流的增大，开启通风机后，各测点温升曲线发生变化，横向对比关系变得不明显。温升试验进行4.5 h后，将励磁电流降低为40 A，关闭通风机，此时2#主磁极内外接头测点温度在3 min内快速升高了近10 ℃。

4.2.3 数据分析

比较艏、艉枢主磁极励磁绕组内、外接头的温升测量数据可知：在各运行工况下，艏枢主磁极励磁绕组内、外接头的温升数据基本相当且在正常范围内，没有温升异常点，表明艏枢主磁极励磁绕组技术状态基本正常；除了艉枢2#主磁极励磁绕组内、外接头温升数据比较特殊外，艉枢其他主磁极励磁绕组接头温升数据也基本相当，属于正常范围。

图2 艉枢1#～3#主磁极励磁绕组外接头温升曲线对比(修前)

图2给出了艉枢2#主磁极励磁绕组外接头与其相邻2个主磁极励磁绕组外接头温升曲线的对比关系。图中过程Ⅰ～Ⅴ分别代表如下运行工况：①过程Ⅰ，励磁电流30 A，关闭通风机；②过程Ⅱ，励磁电流50 A，关闭通风机；③过程Ⅲ，励磁电流50 A，开启通风机；④过程Ⅳ，励磁电流70 A，开启通风机；⑤过程Ⅴ，励磁电流80 A，开启通风机；⑥过程Ⅴ以后，励磁电流40 A，关闭通风机，温度快速上升后重新开启通风机。

综合分析可知，在通风机未开启的过程Ⅰ、Ⅱ中，1#、3#主磁极励磁绕组外接头温度变化规律一致，温差也很小，而2#主磁极励磁绕组外接头温升明显更快，最大相差11 ℃；过程Ⅲ中，通风机开启不久，各接头温度迅速下降，表明通风机对主推进电机的冷却效果明显；过程Ⅳ、Ⅴ中，在通风机开启状态下，随着通电电流和时间的增加，各接头温度继续缓慢增长，同时各接头温度的横向对比关系也发生较大变化，例如1#、3#外接头开始出现明显温度差，表明通风机开启导致主推进电机内部温度场分布发生变化；过程Ⅴ以后，降低励磁电流、关闭通风机，各外接头温度快速上升，2#外接头在5 min内温度上升了25 ℃，表明原本被强制冷却的主磁极的热量得到快速释放，而再次开启通风机后，温度又开始迅速下降。

另外，在以上各运行工况，除了试验后期通风机关闭后的异常升温过程，2#主磁极内、外接头的温度差基本保持在1～3 ℃范围内，两者温升变化规律基本一致，此处不再赘述。

4.2.4 初步结论

主推进电机艉枢2#主磁极温升试验数据相对异常，其本身制造工艺可能存在原始缺陷，导致直流电阻偏大，建议出舱进一步拆检、鉴定。

5 修理措施

5.1 出舱拆检

为了准确定位问题原因，对艉枢2#主磁极拆卸出舱，进一步拆检、勘验。拆卸前，对艉枢2#主磁极气隙、与其相邻换向极的气隙、极间距离、紧固件的紧固力矩、垫板数量及厚度、电刷装置中性面位置等参数进行详细的标记和记录。

5.1.1 电阻测量

2013年该船在厂修期间，测得2#主磁极的直流电阻约为0.187 Ω，比理论值偏大；此次出舱时，测得其直流电阻约为0.124 Ω；拆卸进车间后，2#主磁极励磁绕组直流电阻不稳定，在0.121～0.144 Ω之内波动。

5.1.2 拆检勘验

外观检查发现，该2#主磁极励磁绕组浸漆不到位，线圈匝间缝隙油漆不紧致。

进一步拆检整个磁极发现：内接头励磁绕组并绕2根线间未焊牢，存在虚焊情况；并绕的2根线与包覆片也未焊牢，如图3所示；励磁绕组并绕2线中的1根存在搭接现象，导致线间接触不牢固，如图4所示；励磁绕组绝缘层存在搭接现象。

图3 并绕线圈包覆片焊接不牢靠

图4 并绕线圈中存在的搭接现象

5.2 主磁极重制

由于2#主磁极存在原始制造缺陷，为了恢复其技术状态，需要通过重新制作励磁线圈来解决。

采用保持与原主磁极技术状态一致的方案，利用原线圈铁芯，在保证线圈外形尺寸、绕制方式、固定方式等均一致的情况下重新制作2#主磁极励磁绕组，并注意在拆绕过程中保护好补偿绕组。

主磁极励磁绕组新制完成后，将主磁极整体采用真空压力浸渍、烘焙工艺进行绝缘处理(浸H级无溶剂漆，真空压力浸渍、烘焙2次)。浸渍烘焙后，分别进行匝间、对地绝缘耐压试验，检查合格后提交。新制主磁极直流电阻0.124 Ω。

6 修后试验

艉枢2#主磁极新制合格后，上船安装，恢复系统状态，通过系泊和航行试验验证故障排除情况。

6.1 系泊试验

系泊试验主要开展主推进电机励磁回路静态检查，包括励磁回路直流电阻测量、励磁电流供应一致性检查等，重点开展温升特性试验。

修后温升试验的工况、方法等均同前期一致。试验发现，各主磁极温度变化过程基本正常。为了对比修理效果，重点关注艉枢2#主磁极温升特性。图5给出了艉枢1#～3#主磁极励磁绕组外接头温升曲线对比情况。

图5 艉枢1#～3#主磁极励磁绕组外接头温升曲线对比(修后)

从图5可以看出：1#～3#主磁极的温升过程基本一致，未开启通风机前，三者最大温差不超过3 ℃；通风机开启后，各主磁极温度快速下降，随后开始缓慢升温，但3个测点间温差不大；试验后期，降低通电电流，关闭通风机后，3个测点温度快速回升，但最大温差不超过5 ℃。对比图2和图5可知，艉枢2#主磁极新制后，其温升曲线恢复正常。

静态检查及温升试验完成后，主推进电机开展了艏、艉枢串、并联工况空载动车试验，结果正常。

6.2 航行试验

在系泊试验基础上，按要求对修理后的主推进电机进行了航行试验，包括船舶前进、后退条件下常用运行工况的检验。试验结果表明，主推进电机各工况工作正常，艏、艉枢并联条件下电枢电流最大相差200 A，励磁电流最大相差1 A，满足使用技术要求。

7 结束语

针对某船主推进电机偶发艏艉枢电流异常偏差问题，通过理论分析，在全面分析、排查、勘验基础上，借助温升试验等技术手段，精确定位了故障点，确定了故障原因，采用合理措施及时排除了主动力设备存在的风险隐患。

主推进电机设备的制造工艺质量直接影响后期使用的可靠性和安全性。面对类似问题，除了加强生产质量监督外，也应加强日常使用过程中的观察、监测，持续掌握其技术状态演变规律，为后续故障排查、诊断提供第一手资料。

[1] 任修明，杨德望. 舰船推进电机设计发展展望[J]. 船电技术, 2002(5): 1-4.

[2] 宋义超，史振宇，张鹰. 潜艇推进电机技术特点与发展分析[J]. 船舶工程, 2013, 35(3): 55-58.

[3] 程钧谟，程英龙. 某型消磁船推进电动机换向器火花故障分析[J]. 中国修船, 2007, 20(4): 25-27.

[4] 辜承林，陈乔夫，熊永前. 电机学[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2005.

In order to eliminate the incidental deviation of armature current of marine main propulsion motor, the cause of the current deviation is analyzed in theory, based on the comprehensive analysis, investigation and inspection, repair technique and measures including temperature rise test were presented to pinpoint the fault, determine the cause, and finally exclude the potential risks of the propulsion motor.

marine；main propulsion motor；armature current；temperature rise test；repair

刁爱民(1966-)，男，江苏金坛人，高级工程师，硕士，主要从事船机电管理及保障研究工作。

U672

10.13352/j.issn.1001-8328.2016.01.006

2015-10-26