王崙 吕娟娟 赵健
中车永济电机有限公司，永济 044500
摘要：地铁车辆牵引电机长期在阴暗潮湿的环境下运行，因此对电机定子的绝缘结构有较为苛刻的要求。因此需对电机联线结构和绝缘材料的使用进行分析，再通过对电机的绝缘结构、焊接过程及绝缘包扎方法进行验证，并提出解决方法，通过多次浸水试验进行测试验证，使该电机绕组绝缘结构的防水效果得到改善。
关键词：电机；浸水；绝缘电阻；绝缘结构；防水
地铁车辆的牵引电机长期在地表以下运行，运行环境阴暗潮湿，特别是我国南方的多雨城市，地铁牵引电机有时会涉水而行，而这样的运行环境很容易造成电机表面甚至电机内潮湿或积水，若电机绕组的绝缘防护强度不足，电机运行中会使绝缘性能快速下降甚至丧失，从而造成绕组接地或短路故障。我们通过浸漆后的浸水试验过程及对试验结构分析发现，地铁电机定子绝缘薄弱部位，主要存在于绕组联线端的小并头及各联线位置。因此通过试验，对改型地铁电机的并头结构、焊接参数及防护方法、绝缘材料选用以及绝缘包扎方法进行验证，通过多种方案的实验对比和不断改进，使电机联线结构及绝缘结构的防水效果得到明显改善。
1 改进前电机定子浸水试验情况
2014年11月～12月新制某型号地铁电机定子2台，浸漆后按要求进行浸水试验，经测试，浸水试验一次通过率为0%；2015年1月共生产32台该型号电机，浸水试验一次通过率25%~30%，浸水试验一次通过率偏低，说明此时电机绕组和并头联线的绝缘结构和绝缘强度无法满足地铁电机的运行条件。
针对首批次该型地铁电机定子浸漆后浸水试验一次通过率偏低问题，协同新技术部、设计部门和工艺部，在浸漆工序随机抽选一台某型号电机定子进行浸漆后的浸水试验，试验方法为：浸水时间1小时；试验要求：浸水前及刚浸入水中至1小时，每隔15分钟，用1000V兆欧表检测定子对地绝缘电阻并记录所测数值。按试验要求在浸水前检测该台定子冷态对地绝缘电阻，测得对地电阻值为10.8GΩ；将定子卧式浸入水中，露出绕组三相引出线头（定子浸水试验绝缘电阻测量原理如图1所示），绝缘电阻值即降至20MΩ，浸水15分钟后，绝缘电阻值降至10.2MΩ，浸水30分钟后，绝缘电阻值降至0.18MΩ；将定子吊出水面测量，绝缘电阻值恢复至200MΩ以上；将定子联线端朝上浸水，小并头及联接线部分露出水面，测量绝缘电阻值仍为200MΩ以上，浸水2小时后测量绝缘电阻值仍保持不变。
上述试验重复2次，与首次试验过程相同，3次试验结果相符。在试验过程中，若绕组并头及联线部位浸入水中，对地绝缘电阻随浸水时间的延长而迅速下降；仅将定子非联线端、直线部位浸水时检测绝缘电阻值未见明显下降。由此可见，定子绕组直线及端部（斜线边）位置的绝缘防水性能优异，而小并头和极间联线部位防水性能较差，是防水性绝缘结构的薄弱环节。
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图1 定子浸水试验绝缘电阻测量示意图
2 分析电机定子浸水试验通过率低的原因
通过以上三次浸水试验结果，对小并头联线结构、绝缘材料选用、焊接过程及绝缘包扎工艺方法进行了分析，确认影响电机定子浸水试验一次通过率的主要原因有以下几点：
2.1 焊接因素
定子小并头和极间联线焊接时的高温，会对线圈引出线头原有的本体绝缘造成烧灼损伤，同一部位的焊接时间过长，或同部位多次焊接，或焊接时对施焊部位的绝缘防护不到位，导致焊接时的高温将引线头原有绝缘破坏；而绝缘包扎时对此部位的绝缘修复又很难达到线圈原有的绝缘强度。
2.2 并头、联线结构因素
小并头联线方式采用V型搭接结构（如图2所示），极间联线和零环采用T型联线结构（如图3所示），焊接后每个并头和联线搭接部位的绝缘包扎均为分段包扎，绝缘包扎困难，包扎后绝缘整体性较差，难以达到防水绝缘效果，故而影响浸水试验通过率。
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图3 联线T型结构
2.3 绝缘材料因素
小并头及联线绝缘包扎材料应用不当，小并头绝缘包扎依次采用中胶粉云母带、聚酰亚胺薄膜带和无碱玻璃丝带进行包扎；T型联线绝缘包扎依次采用中胶粉云母带、聚酰亚胺簿膜带、无碱玻璃丝带进行包扎，加之小并头和联线搭接部位的形状不规则，绝缘材料无法保证对这些位置的凹陷或凸出部位进行有效填充，浸漆对这些凹陷或凸出部位的绝缘漆填充效果变差。
2.4 绝缘包扎工艺因素
联线并头绝缘包扎方法不完善，或未按绝缘包扎工艺要求的顺序包扎或材料错误使用，也会影响浸漆后的绝缘防水性能。
3 制定对策
针对上述浸水试验出现的绝缘防水能力缺陷，与新技术部、设计部门及工艺部门共同制定了不同的改进方案，对定子绕组联线并头结构、焊接工艺、绝缘材料的选用和绝缘包扎工艺进行优化。
（1） 在焊接工艺方面，调整焊接参数，缩短焊接时间，焊接时间控制在5~8s，尽量一次焊接完成，减少二次返焊或长时间加热对导线及绝缘造成的损伤；为减少焊接时的高温对焊接点附近引线原有绝缘的烧损，在施焊点附近使用浸湿的陶瓷纤维布进行降温保护。
（2） 对于小并头的V型搭接结构、极间联线和零环的T型搭接联线部位，使用砂带机对焊接后的小并头尖角、焊接的高点及尖棱进行打磨，保证小并头周围没有损伤绝缘的尖角、毛刺，并使用白布蘸取无水乙醇，对打磨及焊接部位进行擦拭，保证并头和焊接表面的清洁度；包扎前在小并头夹角内夹入美塔斯毡，再使用手钳将小并头的V型搭接处5mm的并头夹角夹紧（如图4所示），并将夹角外的美塔斯毡对小并头根部进行包裹，此绝缘结构在浸漆后可有效阻隔浸水试验时水分浸入绝缘内。
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图4 V型小并头焊接夹紧绝缘包扎
（3） 绝缘材料选用：增加使用适形性优异的美塔斯毡和粘接包封性好的硅橡胶填充泥。小并头部位绝缘包扎使用美塔斯毡*65*15、φ10云母套管50mm、0.05*20聚酰亚胺簿膜带、0.1*30无碱玻璃纤维带；极间联线和零环的T型搭接部位选用硅橡胶填充泥、硅橡胶自粘带，0.05*20聚酰亚胺簿膜带、0.1*30无碱玻璃纤维带，提高其绝缘可靠性。
（4） 绝缘包扎方法：填加美塔斯毡和硅橡胶填充泥，对作为防水层的聚酰亚胺薄膜带的包扎搭接匝数和包扎顺序进行规范，使所有的绝缘包扎紧凑、致密。
其一，对小并头的绝缘包扎方法进行规范：先在小并头V型夹角内侧加垫美塔斯毡垫，使用手钳将将V型夹角根部5mm捏紧，伸出夹角的美塔斯毡短的一端向左折叠，长的一端沿着小并头顺时针包一圈，将裁剪好的长50mm的φ10云母套管套入小并头，直至小并头根部；将顶端多余部分折回，用聚酰亚胺薄膜从小并头根部穿入，从云母套管折后位置开始，纵向包扎3~4匝，再从小并头顶端向下半叠包至伸出小并头根部，收头；聚酰亚胺薄膜不剪断，纵向穿入小并头两夹角内两次，再分别对小并头根部两支引线进行包扎，一边各半叠包3~4匝后，将引线根部分叉处交叉包扎3~4匝，再从根部两支引线之间直接到小并头端部偏左、右各包一次，从头到尾再半叠包一次后，根部两支引线各包一次收头，共半叠包3次；外包绝缘用玻璃丝带先从根部穿到端部，折回后，再从端部进行半叠包到根部，拉紧收头，根部两支引线各包两次后，在并头内侧进行收头。
其二，对于极间联线和零环的T型搭接部位：在直角及对接部位填加硅橡胶填充泥（如图5所示），使搭接部位形成自然过渡，再使用硅橡胶自粘带十字交叉包扎，与线圈引线头导线形成新的绝缘过渡，外包玻璃丝带，提高其绝缘可靠性，避免直角部位形成空洞从而影响浸漆效果和浸水试验结果。
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图5 极间联线、零环搭接处硅橡胶填充泥填充
4 改进后的浸水试验验证
2015年5月按照上述改进方案实施，持续跟踪后续生产的所有的某型号定子浸水试验过程，浸漆工序后依照原要求进行卧式浸水试验，按试验要求，五次测量对地绝缘电阻值（浸水前、浸水15min、30min、45min、1h）。从试验结果得出结论：对电机定子小并头、焊接参数及防护方法、绝缘材料选用和绝缘包扎方法进行改进后，电机定子浸漆后的浸水试验一次通过率得到显著提高（99%以上），表现出良好的防水性能，满足了试验大纲及电机运行环境的要求。
上述试验结果表明，通过对地铁电机定子并头结构、焊接参数及防护方法、绝缘结构及绝缘包扎方法的改进和优化，可以有效提高地铁电机绝缘结构的防水性能，满足地铁电机在电机长期在阴暗潮湿的环境下运行的使用要求，保证了电机运行的安全性和可靠性。
【参考文献】
1.《电气绝缘技术基础》；作者：曹晓珑、钟力生；机械工业出版社；
2.《电机学》；作者：闫志安，崔新艺，苏少平；西安交通大学出版社。