压缩机用永磁同步电机的电气绝缘性研究

魏会军,陈华杰,周 博,江胜军,张 辉

(1.珠海格力电器股份有限公司,珠海517907;2.空调设备及系统运行节能国家重点实验室,珠海517907)

0 引 言

永磁同步电机因其高效性和宽调速性被广泛应用于变频空调制冷压缩机领域,与传统的工业用电机不同,压缩机用永磁同步电机被压缩机内部的制冷剂所密封,由于受高温高压制冷剂的影响,永磁同步电机电气绝缘受到严峻考验[1-2],未考虑绝缘问题的永磁同步电机应用在压缩机领域,经常会出现绝缘失效的问题。

对于电机电气绝缘特性的研究,国内外有诸多文献[3-6],但几乎都是集中在空气密封状态下电机本体的绝缘特性研究,并指出绕组漆膜的电介质破坏引起的绕组局部放电是制约电机绝缘寿命的主要原因[7-8]。而制冷剂对电机绝缘特性的影响目前尚无任何报道。在对本司出现电气绝缘损坏的压缩机电机解剖后发现,绝缘失效主要是因绝缘槽纸的上下窜位和绕组漆膜的局部损伤。制冷剂的存在改变电机定子铁心和定子绕组之间的静电容量[9],缩短了电机绕组的绝缘寿命,进一步恶化电机槽绝缘系统,是造成压缩机用永磁同步电机绝缘失效的根本原因。

本文基于此,一方面研究制冷剂对压缩机用永磁同步电机的电气绝缘的影响规律,解析制冷剂缩短电机绝缘寿命的过程,为空调系统制冷剂的选择提供依据;另一方面对压缩机用永磁同步电机绝缘系统进行优化设计,抑制制冷剂造成的绝缘环境的恶化,提高压缩机及其系统的可靠性和安全性,满足空调系统的绝缘要求及保障电器设备的使用寿命。

1 电机的电气绝缘机理分析

电机绝缘特性主要是通过绝缘电阻、耐压漏电流和泄漏电流三个指标来衡量,此三者均采用大功率工频电压进行测试,该试验方法较易破坏绝缘性[10-11],相关原理在诸多文献有所介绍。为了确认制冷剂对电机定子及绝缘系统的影响,本文通过真空性能测试一体化设备来检测定子绝缘情况,进一步明确制冷剂仅仅是加速电机绕组的绝缘寿命,降低绝缘性能,并不会损伤电机绝缘系统。图1为真空性能测试一体化设备。在高压脉冲的激励下,利用高压充电之微小电容与待测线圈形成RLC并联谐振,由此形成自激衰减振荡波形,且该振荡波形曲线、衰减快慢、频率都与R,L,C相关。在高压下的一个振荡波形中,可以检出线圈自绝缘、相间绝缘、以及线圈铁心或金属外壳绝缘。线圈中出现断线、短路等都直接影响谐振电路参数,通过和标准件波形的对比,也可以检出电阻、电感不合格品。

图1 真空性能测试一体化设备

线圈振荡是电能和磁能不断交换的过程,标准波形如图2所示,整个过程分为Ⅰ～Ⅵ六个阶段。现就两种简单的不良情况进行说明。

图2 线圈振荡标准波形图

1)当被测线圈内部已出现断线,如图3所示,与标准件相比,Ⅰ～Ⅱ时段设备高压电容完成了充电,由于断线的原因,Ⅱ～Ⅲ时段高压电容不能与线圈形成闭合回路,线圈振荡不会出现,直接进入Ⅳ～Ⅴ时段,设备高压电容放电归零。

图3 断线不良情况

2)当线圈出现漆膜破损、槽楔、端部绝缘纸嵌入不良,会出现层间冲击,槽绝缘放入不到位,会引起线圈对铁心冲击,严重时会出现打火现象。打火可以直接造成线圈损伤,同时可以作为一个干扰源,给线圈引入高频信号,测试时电晕点将明显增加。同时互感现象也会变得非常明显,线圈表现的对外电感L会变得很小,因此,在Ⅱ～Ⅲ时段后,电气时间常数也很小,线圈电压衰减更快,比标准件更早过零点,如图4所示,整个波形出现一种超前趋势。

图4 线圈打火情况

2 电机的电气绝缘试验研究

压缩机用永磁同步电机通过外壳接线柱与系统管路相连,测试系统如图5所示,灌注不同种类和质量的制冷剂,可以通过调节压力值控制制冷剂存在的主要物理状态。图6为制冷剂灌注设备的操作界面,可以选择制冷剂种类、灌注量及充注压力等参数。制冷剂在系统静置一段时间,可能会有部分回流至压缩机本体,影响测试结果,测试中在管道上安装两个阀门来控制制冷剂的回流。

图5 测试系统

图6 设备界面

2.1 系统管路的影响

采用不同的系统测试情况如表1所示,由于系统管路的导电性,电机的绝缘电阻大幅度降低,电流大幅度增加。而不同的系统管路条件下,电机的绝缘电阻变化幅度很大,耐压电流和泄漏电流变化趋势一致,且基本保持不变。因此,相较于绝缘电阻,耐压电流和泄漏电流更能够反映出电机的绝缘水平。

表1 电机绝缘性测试数据

本司根据大量试验得出:在如表2所示的绝缘测试条件下[12-13],电机的绝缘电阻在100～240 MΩ,耐压漏电流在1.6～2.52 mA,泄漏电流在0～0.091 mA,真空波形系数良好,电机不会出现击穿或者绝缘不良的问题。相较于绝缘电阻,耐压电流和泄漏电流更能够反映出电机的绝缘情况。

表2 电机绝缘性测试条件

2.2 灌注R410A和R22的测试情况

制冷剂对电机绝缘性的影响主要从冷媒灌注量、物理状态和种类等方面进行研究。表3为其理化特性[14],表4和表5为试验数据。

表3 制冷剂R410A和R22的理化特性

在不同量制冷剂范围内,电机的波形面积差小于10%和电晕数小于500,电机没有绝缘损伤,但在3 kg及以上时出现耐压漏电流和泄漏电流超标的情况,这种无绝缘缺陷的电机表现出绝缘耐压不良的问题,正是由制冷剂引起的。制冷剂加速绝缘寿命,恶化绝缘环境。

表4 灌注R410A制冷剂部分测试数据

表5 灌注R22制冷剂部分测试数据

随着制冷剂灌注量的增加,电机的绝缘电阻会逐渐降低,而耐压漏电流和泄漏电流增加到一个饱和值后保持不变,制冷剂的影响不再明显。同时可以看到,液相状态的制冷剂较气相状态绝缘电阻更低,耐压漏电流和泄漏电流更高。这与制冷剂不同物理状态的理化特性吻合。不同制冷剂的理化特性可以反映出相同绝缘性能下不同制冷剂的最大灌注量。

通过试验研究可知,制冷剂灌注量越多,绝缘耐压性能越差,会进一步引起绝缘耐压不良,当制冷剂的灌注量达到一定值,绝缘水平会处于一个相对稳定的不良状态;相同灌注量情况下,制冷剂的物理状态对绝缘耐压有一定影响,液相状态较气相状态的绝缘耐压性差;耐压电流和泄漏电流能够反映出不同制冷剂的区别,且介电常数和击穿常数越大,耐压漏电流和泄漏电流越大,而绝缘电阻不能反映出这种区别。

3 电机绝缘系统的优化

由上述试验可知,电机绝缘性制约着制冷剂的最大灌注量,而制冷剂需求量是依托于能效水平的,因此电机绝缘系统的优化不仅能提高绝缘强度,保障用电安全,还能有益于能效提升[15]。针对本司量产压缩机电机,采用的优化技术:加大槽绝缘厚度设计;槽绝缘槽口处伸出长度加长并做弯折处理;定子浸漆处理;一体式绝缘骨架设计。优化前后情况如表6所示,其中,一体式绝缘骨架设计方案最优。

表6 电机绝缘系统优化前后数据对比

图7(a)为常规绝缘骨架,图7(b)为优化后的一体式绝缘骨架,其将槽绝缘集成在骨架上,采用外壁辅助定位柱的定位设计。一体式绝缘骨架的核心设计点是加厚槽绝缘、减少制冷剂与绝缘系统的接触面积,而不改变电机槽满率。

图7 优化前后绝缘骨架装配示意图

为验证优化效果,图8为实测优化后的方案在压缩机运行过程中泄漏电流情况。一体式绝缘骨架设计方案不仅能够降低泄漏电流,还能提升最大泄漏电流出现的频率点,并且降低开机时刻的泄漏电流。

图8 不同优化方案的泄漏电流

4 结 语

本文主要对空调系统中压缩机用永磁同步电机电气绝缘性进行研究,通过试验找出制冷剂对电机绝缘性的影响规律,得出制冷剂可引起未发生绝缘损伤的电机产生绝缘耐压不良的结论,同时为空调系统的制冷剂及系统管路的选择提供依据。进一步地,针对压缩机用永磁同步电机因制冷剂的存在而易发生绝缘不良的问题,对电机的绝缘系统进行优化设计,比较四种方案,采用一体化绝缘骨架设计的方法时,改善电机绝缘不良问题的效果最佳。