（电机与电器专业论文）长定子直线同步电动机的测试方法研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c ho b j e c ti sl o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r i no r d e r t om a k em e a s u r e m e n t so fl o n gs t a t o rl i n e a r s y n c h r o n o u sm o t o rb e c o m e c o m p l e t ea n dn o r m a t i v e 。t h ep a p e rp r e s e n t s ac o m p l e t ea n ds y s t e m i c m e a s u r e m e n t so fl o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r n o w a d a y s t h e r ei sn o c o m p l e t e m e a s u r e m e n t so fl i n e a rm o t o ri n c h i n a ，s o t h es e r i e so f m e a s u r e m e n t si nt h i sp a p e rs e t t l et h eb a s eo ft h i sa s p e c t a c c o r d i n gt ot h e c o n d i t i o no ft h ei a b t h ed i s s e r t a t i o na l s od os o m ev a l i d a t e de x p e r i m e n t s f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e rp r e s e n t sam e a s u r e m e n ts y s t e mw h i c ha i m sa tt h e m o v e m e n tp a r a m e t e r s a ti a s t 。i tf o u n d sa ne m im e a s u r e m e n tm o d e io fi i n e a n t h i sm o d e lw i l lm a k eap o s i t i v ee f f e c it op r e v e n ta n ds u p p r e s se m i t h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ， 1 t h i sd i s s e r t a t i o nd e s c n b e sas e r i e so fg e n e r a lm e a s u r e m e n t s i n c l u d i n gm o t o rr e s i s t a n c em e a s u r e m e n t c h a r a c t e d s t i cc u r v em e a s u r e m e n to f l i n e a rm o t o r , t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，e f f i c i e n c ym e a s u r e m e n ta n ds oo n 2 t h i sd i s s e r t a t i o na l s oa n a l y z e st h em o v e m e n tm e a s u r e m e n to fl o n g s t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o rb a s e do nt h ec h a r a c t e ro fi t i nt h i sp a r t ，t h e d i s s e r t a t i o nd e s c r i b e st h em e a s u r e m e n tt h e o wo fs p e e d ，a c c e l e r a t i o na n d t h r u s t a n dt h ed i s s e r t a t i o na l s od os o m ev a l i d a t e de x p e r i m e n t s 3 t h ee m im e a s u r e m e n tm o d e ii sp r o p o s e di nt h i st h e s i s b a s e do nt h e e m im o d e l ，c o m m o na n dd i f f e r e n t i a lm o d eh fc u r r e n tc o m p o n e n t sw e r e m e a s u r e d k e yw o r d ：l o n gs t a t o rl i n e a rs y n c h r o n o u sm o t o r , m e a s u r e m e n t ，s p e e d ，t h r u s t ， e m im e a s u r e m e n t 浙江大学硕士学位论文正文 第一章绪论 1 1 直线电机的发展历史 在我们的日常生活中，很多直线驱动装置或者系统都是采用旋转电机通过中 间转换装置转换为直线运动的。因为这些装置或系统中有转换传动机构，所以这 些系统存在着体积大、效率低、精度低等问题。 直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中问转换 机构的传动装置。这种电机是2 0 世纪下半叶电工领域中出现的具有新原理、新 理论的崭新技术。 直线电机的发展历史，最早可以追溯到1 8 4 0 年w h e a t s t o n e 提出和试制了第 一台直线电动机，但并没有获得成功。1 8 9 1 年，法国的m l e b r a n c 明确提出了 直线电机的名称，美国的b r a d l y 完成了利用移动磁场的直线电机。1 8 9 2 年，美 国的l e f f l e r 提出了多相交流直线电机的建议。1 8 9 5 年，美国的j a c q u a r d 、 w e a v e r e 1 e c t s h u t t l ec o 提出了关于直线电机驱动织梭的专利。1 9 0 5 年，德国 的z e h d e n 完成了单边的三相直线电动机，英国的h w i l s o n 提出了直线电机驱动 电气机车的建议。1 9 0 8 年，美国的j o h n s o n 提出了直线电机用于单轨铁路的建 议。1 9 1 4 年，美国的b a c h e l e t 在直线电机用于织梭的开关技术上受挫。1 9 1 5 年，苏联的齐亚夫用直线电磁泵完成了最早的水银用电磁泵。1 9 1 7 年， g r a d e n w i t z 完成了第一台直流圆筒型直线电机。1 9 2 3 年，研究人员提出并试制 了用扁平直线感应电动机驱动连续运行的站台系统，但是没有获得成功。1 9 3 4 年，美国的h a s e 完成了直线电磁炮。1 9 4 5 年，美国的w e s t i n g h o u s e 公司将直 线电机成功运用于航空母舰载飞机中用来驱动电射器，该电机次级长1 6 0 0 m ，功 率1 0 0 0 0 h p ，将4 5 3 5 k g 的飞机从静止状态升速到1 8 7 k m h 仅用4 2 s 。1 9 5 2 年， 直线电机进入了能源应用领域，研究人员研制了原子反应堆用的直线电机 n a k 直线感应泵。1 9 5 4 年，苏联的秋金等建立了熔融金属直线感应泵的理论， 同时英国皇家飞机制造公司开始试用双边扁平型直线电动机发射导弹，实速为 1 6 0 0 k m h 。 1 8 4 0 年到1 9 5 5 年期间是直线电机探索实验和部分实验应用阶段。直线电机 从设想到实验到部分实验性应用，经历了一个不断探索、屡遭失败的过程。这一 阶段，在直线电机和旋转电机的相互比较、相互竞争中，由于直线电机的成本和 效率方面不具备旋转电机的优势，以及直线电机在设计方面没有突破性的成功， 浙江大学硕士学位论文 所以，直线电机在这一时期未能得到真正的应用。 从1 9 5 5 年以后，直线电机进入了全新的开发应用阶段。特别是这个时期的 控制技术和材料的飞速发展，更加促进了直线电机的发展。1 9 5 6 年，英国的 l a i t h w a i t e 等开始公开发表有关直线电机理论及分折的文章，苏联的科研人员 进行了熔体直线感应泵的研究，并进入运行试验阶段。1 9 6 0 年，同步振荡直线 电机开始出现。1 9 6 2 年，w e s t & j a y a w a n t 设计了铁磁谐振器的单相直线电动机， 英国的科研人员完成了直线电机驱动列车用模型表演，日本的国铁、宇佐美等研 究不粘着驱动、不接触支撑等直线驱动技术。1 9 6 3 年，日本的钟通完成双边型 直线电机驱动转台。1 9 6 5 年，苏联的v e l t e 著作的熔融金属的电磁输送出 版，美国的s k i n n e rp r e c i c o 出售圆柱形直线电机。1 9 6 6 年，英国的 e r l a i t h w a i t e 著作的特殊用途感应电机、i n d u c t i o nm a c h i n e sf o rs p e c i a l p u r p o s e s 出版。1 9 6 8 年，s a w y e r 原理和直线步进电机出现，并且出现了采用 直线步进电机的自动绘图仪，同时高速铁路国际讨论会研讨了直线电机在铁路中 的应用。1 9 6 9 年，中国开始研究直线电机。1 9 7 0 年，法国和口本完成直线电机 空压机，同时美国的h pc o 完成采用直线直流电机的钢笔记录仪和应用单边型直 线电机的磁性选矿机。 1 9 5 6 年到1 9 7 0 年是直线电机的开发应用阶段，也可以说是直线电机的“文 艺复兴阶段”。随着控制技术和材料性能的显著提高，应用直线电机的实用设备 被逐步开发出来。 从1 9 7 1 年开始到目前的阶段，直线电机进入了独立的应用阶段。1 9 7 2 年， 美国完成了超导磁浮实验，其长度为1 5 0 m ，推力为2 7 0 0 n 。与此同时，中国浙江 大学研制了直线电机驱动吊装用桥式起重机，日本神钢电机完成了有直线电机驱 动的自动门。1 9 7 3 年，美国的研究人员研制了运用直线电机的磁头驱动装置， 同时也有科研人员进行了超高速直线驱动及储电装置的实验。1 9 7 4 年，英国电 工学会举办了“直线电机国际会议”，日本的宇佐美吉雄出版了直线电动机 一书。在中国国内，上海工大、上海电机厂，研制成压力机用直线电机机械手。 1 9 7 5 年，日本的松下电器、英国的m a t e 公司实现直线电机在电唱机方面的应用， 苏联实现了直线电机应用于垂直升降驱动装置中。1 9 7 8 年，中国上海工大、上 海铁路医院实现直线电机用于z s r 血沉仪。1 9 7 9 年，日本的磁浮列车最高速已 经达到5 1 7 k m h ，中国上海微电机研究所实现了直线平面步进电机在数控平面绘 图仪中的应用，同时研制成功直线测速发电机。从以上材料可以看出，各类直线 2 浙江大学硕士学位论文正文 电机的应用得到了迅速地推广，制成了许多具有实用价值的装置和产品，比如直 线电机驱动的钢管输送机、起重机、冲压机、各种电动门、电动窗、电动编织机 等。 我国的直线电机的研究和发展是从7 0 年代初开始的。国内开展直线电机研 究的研究所和大学主要有中国科学院电工所、西安交通大学、浙江大学、上海大 学、太原工业大学、焦作矿业学院等。目前，我们国内关于直线电机方面的研究 跟国外的相比，在应用研究方面还有一定的差距。但不少研究单位已经越来越注 意到这点的重要性。所以国内很多研究机构已经成立了专门的直线电机研究所， 并且取得了很多成果。其中不少已经在社会上推广应用，取得了可喜的经济效益 和社会效益。 1 2 直线电机的分类 直线电机的分类在不同的场合下有不同的分类形式。例如在考虑外形结构 时，往往以结构型式对其进行分类；当考虑功能用途时，则常以其功能用途进行 分类；而在分析或阐述电机的性能或机理时，则是以其工作原理进行分类。以下 就几种主要分类型式予以简要介绍。 1 按结构型式分类 直线电机按其结构型式主要可分为扁平型、圆筒型( 或称管型) 、圆弧型和 圆盘型四种。 所谓扁平型直线电机，即是一种扁平的矩形结构的直线电机，它有单边型和 双边型，每种型式下又分别有短初级、长次级或长初级、短次级，具体结构型式 如图卜1 所示。 次级 曲短初级 次级 芒刍 b 1 短次级 浙江大学硕士学位论文 正文 初级初级 图1 - 1 扁平型直线电机示意图 所谓圆筒型( 管型) 直线电机，为一种外形如旋转电机的圆柱形的直线电机， 如图卜2 所示。这类直线电机一般均为短初级、长次级型式。在需要的场合，我 们还将这种电机做成既有旋转运动又有直线运动的旋转直线电机，至于旋转直线 的运动体既可以是初级，也可以是次级。 图1 - 2 一种圆筒型( 管璋! ) 直线电机 1 - - 厚壁铁管2 铜皮或铝皮3 滑动轴承 4 端盖5 - - 圆环铁心6 饼式绕组7 川l 栓 图1 - 2 圆筒型直线电机示意图 所谓圆弧型直线电机，就是将平板型直线电机的初级沿运动方向改变成弧 形，并安放于圆柱形次级的柱面外侧，如图1 - 3 所示。 4 玎( 图l - 4 圆弧型直线电机 1 一次级( 飞轮)2 一弧形初级3 一气隙 图卜3 圆弧型直线电机示意图 浙江大学硕士学位论文正文 所谓圆盘型直线电机，是指将该电机的次级制作成一个圆盘，初级放置在次 级圆盘靠近外缘的平面上。圆盘型直线电机的初级可以是双面的，也可以是单面 的，具体结构如图卜4 所示。 的圆盘 图卜4 圆盘型直线电机示意图 圆弧型直线电机和圆盘型直线电机的运动实际上是一个圆周运动，如图中的 箭头所示，但是由于它们的运行原理和设计方法与扁平型直线电机结构相似，所 以仍然归入直线电机的范畴。 2 按功能用途分类 直线电机，特别是直线感应电机，按其功能用途主要可分为力电机、功电机 和能电机。 力电机主要是用于在静止的物体上或低速的设备上施加一定的推力的直线 电机，主要的参数是指单位输入功率所能产生的推力，或单位体积所能产生的推 力。它以短时运行、低速运行为主，例如门窗的移动、机械手的操作等等。 功电机主要作为长期连续运行的直线电机，它主要的性能衡量指标是效率及 功率因素等。例如高速磁浮列车所用的直线电机，各种高速运行的输送线等。 能电机是指运动构件在短时间内所能产生的极高能量的驱动电机，它主要的 功能是能在短时间、短距离内提供巨大的直线运动动能，例如导弹、鱼雷的发射、 飞机的起飞以及冲击等试验机的驱动装置等。这类电机的主要性能衡量指标是能 效率( 能效率= 输出的动能电源所提供的电能) 。 5 浙江大学硕士学位论文正文 3 按照工作原理分类 在基本原理上，每种旋转电机都有与之相对应的直线电机，然而从使用角度 来看，直线电动机得到了更为广泛的应用。直线电机按其工作原理大体可分为两 个方面，即直线电动机和直线驱动器。直线电动机包括交流直线异步电动机 ( l i n e a ri n d u c t i o nm o t o r s ，简称l i m ) 、交流直线同步电动机( l i n e a rs y n c h r o n o u s m o t o r s ，简称l s m ) 、直线直流电动机( l i n e a rd cm o t o r s ，简称l d m ) 、直线 步进( 脉冲) 电动机( l i n e a rs t e p p e r p u l s em o t o r s ，简称l p m ) 以及混合式直 线电动机( l i n e a rh y b r i dm o t o r s ，简称l h m ) 等。直线驱动器则包括直线振荡 电机( l i n e 盯o s c i l l a t i n gm o t o r s ，简称l o m ) 、直线电磁螺线管电机( l i n e a re l e c t r i c s o l e n o i d ，简称l e s ) 、直线电磁泵( l i n e a re l e c t r o m a g n e t i cp u m p ，简称l e p ) 、 直线超声波电动机( l i n e a r u l t r a s o n i cm o t o r s ，简称l u m ) 等。并且，以上所述 这些直线电机又可分成诸多不同的类型。 1 3 长定子直线同步电机的应用场合 长定子直线同步电机由于自身的特殊机构及性能特点，在很多场合得到了运 用，并且取得了良好的效果。 长定子直线同步电机在交通运输业中的运用。交通运输是国民经济的重要基 础，随着社会与经济的不断发展，我们对交通运输不断提出新的要求，速度和安 全成了我们最关心的问题。磁浮列车改变了传统轨道车辆靠轮轨摩擦力推进的方 式，采用磁力悬浮车体，用长定子直线同步电机作为磁悬浮技术的核心驱动单元， 承担了列车悬浮和驱动的双重功能。这个技术使得列车在轨道上浮起滑行，在交 通技术上是一个重大突破。 6 导向磁铁 直线同步电机定子 悬浮磁铁 图卜5 常导吸浮型磁浮列车示意图 浙江大学硕士学位论文正文 目前，磁浮列车的速度可达5 0 0 k m h 以上。同时，磁浮列车还具有安全、无 污染、乘坐舒适、无轮轨接触的噪声和振动、占地小、适应性强、爬坡能力强等 众多优点。目前在中国上海施工建造、并投入试验运行的就是引进德国磁浮技术 的常导吸浮型磁悬浮列车系统。这类磁浮列车是利用异性磁极相吸的原理进行设 计的，如图1 5 所示。 1 4 课题的研究背景和意义 高速磁悬浮列车系统集成了当今科技发展的成果，长定子直线电机作为磁悬 浮技术的核心驱动单元，承担了列车悬浮和驱动的双重功能。长定子直线电机的 性能直接影响了磁浮列车的工作性能，长定子直线电机的性能跟电机的制造工艺 及各项参数有密切的关系，这些都需要通过对长定子直线电机进行系统的测试来 测定。目前，关于旋转电机的测试已经比较成熟，但涉及长定子直线电机的测试 方法的研究并不是很多。国内外针对直线电机的各项指标及参数的测试方法研究 多是基于某一方面进行的，系统及全面的方法还没有很成熟，本课题在前人研究 的基础上针对直线电机的测试进行挖掘，同时关注电机e m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e 电磁干扰) 的测试方法。 e m i 也是一个越来越受大家关注的一个问题。在电机本体和电机驱动控制中 同样也存在这个问题。目前，电机的控制系统都是运用p w m 波来实现各种各样的 电机控制方式，由于p w m 波的存在，导致高次谐波的存在，这都会产生e m i 效应， 对电机及控制系统造成影响。不仅自身产生的谐波会产生e m i 效应，外界的干扰 也会产生影响。从另一个角度看，自身产生的谐波也会对外界的人或物产生影响。 e m i 的负面作用有不稳定的抖动、信号干扰等等。目前，关于e m i 方面的研究也 很多，但多是关于电路设计优化、进行e m i 滤波等等，很少关于电机e m i 测试方 面。 电机测试包括电机型式测试与电机出厂测试。电机型式测试是电机的制造厂 家或有关计量部门对某种型号的电机所做的项全面的性能测试，其目的是为了 确保所生产电机的电气和机械性能均达到国家规定的技术标准。这种测试一般只 对各种类型电机中的第一台或首批中的几台进行，电机只有通过型式测试才能投 产或继续生产。当电机的结构有所改变，或所采用的材料有变更，或制造工艺有 变化，或出厂测试结果与原来型式测试结果发生严重偏差时，就应该进行型式测 试。一般厂家为保证电机质量，还定期进行型式测试，因此电机型式测试是产品 7 浙江大学硕士学位论文正文 质量保证体系中的重要环节。电机出厂测试是对将要出厂的电机所做的测试( 抽 检或全检) ，它的测试要求没有型式测试严格，测试项目也没有型式测试多，符 合一般的性能要求即可以认为是合格的。 电机测试随电机种类的不同会有比较大的差别，对于长定子直线同步电机而 言，在测试方法上跟旋转电机还是有不同之处的。现在，国内外对于长定子直线 电机的测试的研究也不少，但很多是基于应用的场合测试某些参数值，并没有一 个系统的全面的测试方法来对长定子直线电机进行全方位的测试。同时，除了一 般的测试项目外，这里进行了长定子直线电机e m i 模型测试方面的一些研究， 主要针对于在高次谐波下，电机参数及驱动电路参数的一些变化的测试。通过这 些研究可以让我们清楚地了解到e m i 对直线电机的影响，以及直线电机产生e m i 的问题。 1 5 本文的主要内容 本文针对长定子直线同步电机的测试方法进行了研究，同时结合目前较为引 人注意的e m i 效应，分析了长定子直线同步电机的e m i 模型，并根据模型研究了 长定子直线同步电机的e m i 参数测定。全文共分为章。 第一章绪论，论述了课题的研究背景和意义，叙述了本文的主要工作， 同时对直线电机的发展历史和分类方法、长定子直线同步电机的应用场合作了必 要的介绍。 第二章长定子直线同步电机绕组参数的测定，首先说明长定子直线同步 电机的绕组分布方式，之后具体阐明了绝缘电阻、直流电阻、励磁绕组阻抗的测 定方法。 第三章长定子直线同步电机运行状态特性的测试方法，这一部分的测试 项目较多，这里介绍了长定子直线同步电机的泄漏直流电流和直流耐压的测定、 空载试验、稳态短路特性的测定、超速试验、堵动试验、短时升高电压试验、耐 电压试验、过电流和机械强度试验等等。 第四章长定子直线同步电机效率及损耗的测定，首先介绍了效率测定的 两种方法，即效率的直接测定法和效率的间接测定法。然后进一步研究了长定子 直线同步电机各个部分损耗的测定。 第五章温度测量，首先介绍了温度测量的必要性，然后进一步提出了长 定子直线同步电机温度测定的几种不同方法，并且研究了测量过程中的具体实施 8 浙江大学硕士学位论文 正文 方案。 第六章运动量测量，首先介绍了针对长定子直线同步电机区别于旋转电 机的特殊运动量的测量，其中包括推力的测定以及速度、加速度的测量。 第七章电机参数的测定，这一章主要介绍了长定子直线同步电机各项参 数的具体测定方法，包括直接测量参数的试验介绍和作图法获得参数的方法介 绍。 第八章长定子直线同步电机的e m i 模型分析，首先介绍了e m i 的基本 常识及其影响，进而研究了长定子直线同步电机的e m i 模型及其e m i 效应测试。 第九章长定子直线同步电机的验证性试验，根据试验设备和条件允许的 情况下，选择长定子直线同步电机的推力测试、悬浮力测试等试验进行验证试验。 第十章总结和展望，对全文内容进行了总结，点出本文的主要内容，并 对本文内容对今后直线电机的应用的作用进行了展望。 1 6 本章小结 本章绪论介绍了直线电机的发展历史及其不同的分类方法，着重阐述了长定 子直线同步电机的应用场合和本课题的研究背景和意义，提出了本文的主要研究 内容长定子直线同步电机的测试方法及直线电机的e m i 模型分析及仿真测 试。 9 浙江大学硕士学位论文 正文 第二章长定子直线同步电机绕组参数测定 2 1 长定子直线同步电机的绕组分布 本课题研究对象是磁浮列车所用的长定子直线同步电机，在进行此类长定子 直线同步电机试验研究之前，有必要先介绍一下电机绕组的分布形式。磁悬浮列 车主要由悬浮系统、推进系统和导向系统三大部分组成，如图2 _ 1 所示。 图2 - i磁浮列车基本结构示意图 这里我们主要研究的是组成悬浮系统和推进系统的长定子直线同步电机。目 前，磁浮系统的设计可以分为两个方向，分别是德国采用的常导型和日本所采用 的超导型。从磁浮技术上讲就是电磁磁浮系统( e m s ) 和电力磁浮系统( e d s ) 。 两种系统结构的差别如图2 - 2 所示。 图2 - 2e m s 和e d s 的比较 目前，我们国内的磁浮试验线就是上海的试运行线，它采用的是德国的电磁 悬浮系统，所以我们这里针对这种类型的直线电机进行试验方法的研究。电磁悬 浮系统( e m s ) 是一种吸力悬浮系统，是结合在机车上的电磁铁和导轨上的铁磁 轨道相互吸引产生悬浮。常导磁悬浮列车工作时，首先调整车辆下部的悬浮和导 向电磁铁的电磁吸力，与地面轨道两侧的绕组发生磁铁吸力作用将列车浮起。长 l o 浙江大学硕士学位论文 正文 定子直线同步电机作为磁浮列车悬浮和推进系统的核心机构，绕组结构中主要包 括了定子绕组、发电机绕组和励磁绕组。 2 1 1 定子绕组 长定子直线同步电机的定子绕组是全程铺设在列车轨道上的，三相排列方 式、绕组连接方式以及绕组的安放跟旋转同步电机没有太大的区别。由于铺设线 路很长，为了避免较大的能量损耗，定子绕组采用分段供电方式。长定子直线同 步电机的定子绕组的具体分布及安装如图2 3 所示。 2 1 2 发电机绕组 在磁浮列车中，车厢及设备的供电只有在一开始的时候是靠外界电源，当列 车稳定运行时，其所有设备的供电依靠安装在车底的直线发电机完成。直线发电 机绕组通过与定子绕组产生的磁场的相互作用，产生电流。发电机绕组的具体分 布方式如图2 3 所示。 2 1 3 励磁绕组 一 励磁绕组和定子绕组的相互配合实现了磁浮列车的基本功能，在定子绕组磁 场和励磁绕组磁场的相互作用下，磁浮列车实现驱动和悬浮。励磁绕组的具体分 布方式如图扣3 所示。 图2 - 3 长定子直线同步电机绕组分布示意图 定予叠片 定子绕组 盥线发电机绕组 励磁绕组 2 2 绕组绝缘测定 绕组的绝缘测定在实际的应用过程中非常有必要，如果绕组的绝缘电阻不能 达到标准，则当全电压加于电动机内的线圈时，很容易引起绕组线圈击穿而烧毁 电动机。对于磁浮列车所用的长定子直线同步电机而言，这个测定就显得很重要， 因为一旦不合格，可能会造成对乘客生命安全的威胁。 浙江大学硕士学位论文 正文 绝缘电阻，是指电气绝缘材料上所施加的直流电压u 和通过它总的电导电 流，的比值，即r = u i 。本文首先介绍一下直线长定子直线电机绝缘电阻的测 试方法。 2 2 1 影响绝缘电阻测量的因素 电机的绝缘绕组测量主要分为以下两部分内容： 1 电机各相绕组对机壳的绝缘电阻的测量 2 电机各相绕组相互之间的绝缘电阻的测量 影响电机绝缘电阻的因素有：温度、湿度、测试电压值、作用时间、绕组残 存电荷以及绝缘表面状况等。 温度对电机绝缘电阻的影响较大，温度上升，许多绝缘材料的绝缘电阻都会 明显下降，因为温度升高使绝缘材料的原子、分子运动加剧，原来的分子结构变 得松散，带电的离子在电场的作用下产生移动进而传递电子，由此导致绝缘材料 的绝缘能力下降。电机绝缘电阻随绕组温度的上升而呈指数规律下降： 尼= r , e ”( t j - t 2 ) ( 2 - 1 ) 式中：且环境温度( 4 0 。c ) 时的绝缘电阻； 尼温度为厶时的绝缘电阻； 口与绝缘材料有关的常数； 测量电机绕组的绝缘电阻时应分别在电机实际冷状态和热状态( 或温升试验 后) 下进行。电机每一部分的温度与周围空气平均温度之差不超过5 k 时，称为 实际冷状态。电机的绝缘电阻测量时所要求的热状态跟我们平时认为的电机发热 状态有很大的区别。这里所指的热状态是指：在工厂的生产过程中，在电机浸漆 后，在烘箱内烘干的整个过程中的电机状态。在这整个过程中检测电机绕组的绝 缘电阻值，确保电机产品的安全和可靠性。 在检查试验时，如果没有特殊要求的规定，则电机绕组对机壳及绕组相互问 的绝缘电阻只要在冷状态下测量即可。 在测量绝缘电阻时应测量电机绕组的实际温度，根据实际温度对电机绕组的 绝缘电阻值进行修正。如果试验是在实际冷状态下进行的，可以取周围介质温度 作为绕组温度。 当电机在湿度较大的环境中时，其表面会吸收潮气形成水膜，导致其表面电 导电流增加，使绝缘电阻显著下降。因此电机的绕组需要浸漆来避免电机受潮而 损坏。 浙江大学硕士学位论文正文 测试时间对绝缘电阻也会产生影响，重复测量时，由于残余电荷的存在，使 重复测量时所得到的充电电流和吸收电流比前一次小，造成绝缘电阻增加的假 象。因此，我们在每测一次绝缘电阻后，应将电机充分放电，做到放电时间大于 充电时间，以利于残余电荷放尽。 电机表面的污秽对绝缘电阻的测量造成影响，电机表面容易附着灰尘或油污 等污秽物质，这些物质大多能够导电，导致绝缘电阻降低，但这个不代表绝缘的 真实情况。因此，我们需要清扫这些污秽，减少其对电机绝缘的影响。 当然，在测量绝缘电阻时，测量方法不当和兆欧表使用不正确也会造成得到 的数据不准确，因此在兆欧表的选择和使用时也要遵循正确的操作守则。 2 2 2 兆欧表的选择 2 2 2 1 兆欧表的规格 a 兆欧表按照额定电压分为9 种：5 0 v ，l o o v ，2 5 0 v ，5 0 0 v ，1 0 0 0 v ， 2 0 0 0 v ，2 5 0 0 v ，5 0 0 0 v ，1 0 0 0 0 v 。 b 兆欧表按照准确度等级分为5 级：1 0 ，2 0 ，5 0 ，1 0 0 ，2 0 0 。 c 兆欧表的额定温度为2 3 。c 。 d 兆欧表的主要组成部分是直流电源装置和指示仪表，其原理图如图 2 4 所示。 e l g 图2 - 4 兆欧表原理示意图 e 直流电源装置按照不同的原理可分为三种类型：内附手摇发电机； 化学电源( 如干电池) ；交流电网和整流电路配合装置。图2 4 所示的直流 电源装置就属于第三种类型。 2 2 2 2 兆欧表的正确使用方法 a 测量前，应将兆欧表保持水平位置，左手按住表身，右手摇动兆欧 表摇柄，转速约1 2 0 r m i n ，在兆欧表短路时指针应指向“o ”，开路时应指向 1 3 浙江大学硕士学位论文 正文 “。o ”，否则说明兆欧表有故障。 b 测量前，应切断被测电机的电源，并对相关元件进行i 临时接地放电， 以保证人身与兆欧表的安全和测量结果准确。 c 测量时必须正确接线。兆欧表共有3 个接线端( l 、e 、g ) 。测量回 路对地电阻时，l 端与回路的裸露导体连接，e 端连接地线或机壳，测量回 路的绝缘电阻时，回路的首端与尾端分别与l 、e 连接。 d 兆欧表接线柱引出的测量软线绝缘应良好，两根导线之间和导线与 地之间应保持适当的距离，以免影响测量的精度。 e 摇动兆欧表时，不能用手接触兆欧表的接线柱和被测回路，以防触 电。 f 摇动兆欧表后，各接线柱之间不能短接，以免损坏。 2 2 2 3 兆欧表的正确选择 测量绕组对机壳及绕组相互问的绝缘电阻时应根据被测绕组的额定电 压按表2 1 选择兆欧表，这里特别要注意的是，埋置检温计的绝缘电阻测定 要用不高于2 5 0 v 的兆欧表测量。 表2 1 兆欧表的选用参照表 被测绕组额定电压 兆欧表规格 3 3 0 02 5 0 0 不同额定电压的长定子直线同步电机应根据上表选用相应的兆欧表，从 而保证较高的测量精度和准确度。 2 2 3 绕组绝缘电阻的测量方法 2 2 3 1 电机在实际冷状态下绝缘电阻的测定 长定子直线同步电机在测量绕组绝缘电阻时，如果各绕组的始末端单独 引出，则应分别测量各绕组对机壳以及绕组相互间的绝缘电阻。此时，所有 其他绕组应同机壳作电气连接，当中性点连在一起不易分开时，则应测量所 有连在一起的绕组对机壳的绝缘电阻值。 兆欧表上一般有3 个接线柱：“l ”为线接线柱；“e ”为地接线柱；“g ” 为保护和屏蔽接线柱。在测量的时候，“l ”与被测绕组的导体部分相连接， “e ”与被测电机的外壳或其他绕组的导体部分连接。在测量时，我们一般 1 4 浙江大学硕士学位论文正文 用“l ”和“e ”两个接线柱就可以完成测试，但当被测电机表面漏电严重并 对测量结果影响较大而又不易消除的情况下，我们就需要连接“g ”接线柱 来消除表面漏电流对测试结果的影响。下面以定子绕组为例，其连接示意图 如图2 5 和图2 - 6 所示。 发电机绕组及 励磁绕组 图2 5 长定子直线同步电机各相绕组间绝缘电阻测量连接示意图 l 机壳( 在磁浮列车中为轨道底座或外车厢壳) 图2 - 6 长定子直线同步电机各相绕组对机壳绝缘电阻测量连接示意图 在测量过程中应该注意的事项： a 绝缘电阻测量结束后，每个回路应对接地的机壳作电气连接使其放 电。放电时间不能太短，以免放电不完全，造成人身伤害。 b 在测试前，应将不能承受兆欧表高压冲击的电器元件( 如半导体整 流器、半导体管以及电容器等) 从电路中拆除或短接，以免造成损坏。 c 测量时，应在指针达到稳定后再读取数据，并记录绕组的温度。 2 2 3 2 电机在热状态下绕组绝缘电阻的测定 热状态，本文在前面已经介绍过，是指在工厂的生产过程中，在电机浸 漆后，在烘箱内烘干的整个过程中的电机状态。在这个过程中，我们需要不 浙江大学硕士学位论文 1 6 断检测电机绕组的绝缘电阻，确保电机的质量。在热状态不断监测电机绝缘 电阻，对于常规的测试方法来说有一定的难度，在这里我们可以采用自动检 测系统来实现测量，具体实现方法如图2 - 7 所示。 机壳( 在磁淳列车中为轨道底座或外车厢壳) 图2 - 7 热状态自动检测绝缘电阻测量系统示意图 图中保护电阻的作用是防止电机绕组击穿后，流过绕组的电流过大。从 图中可以得出： 矿： 型 r 2( 2 2 ) r l + r 2 + r 因此被测电机的绝缘电阻为： r ：5 0 0 r _ _ 咝2 一r 1 一r 2( 2 3 ) v y 经过a d 转换后送到单片机进行运算就可以得到电机的绝缘绕组值。 2 2 3 3 吸收比、极化指数的概念及其测量 绝缘体在直流电压作用下，其电流有三部分组成：充电电流、吸收电流 和泄漏电流。三个电流之和为总电流，总电流曲线称为吸收曲线。 总电流经过一定的时间后趋于泄漏电流，因此为保证绝缘电阻的测试结 果正确，必须经过一定的加压时间，让充电电流和吸收电流分量衰减完毕， 只在介质中剩下泄漏电流，工程上一般取1 分钟作为加压时间。 当电机受潮或绝缘有缺陷时，泄漏电流明显增加，吸收曲线也随之发生 变化。良好的绝缘特性的厶 比值一般大于较差绝缘特性的厶比值，因 此我们一般用初始电流与稳定电流之比厶来表示电机绝缘的吸收特性。 这个比值可以换算到绝缘电阻的比值来表示： 浙江大学硕士学位论文正文 量：型生：墨( 2 - 4 ) i iu f r 。氏 式中：r 加压初瞬间的绝缘电阻值： 比加压时间无限长时的绝缘电阻值。 由于实际测r ，心比较困难，因此工程上将1 分钟时的绝缘电阻值与 1 5 秒时的绝缘电阻值之比定义为吸收比，即： k ：篮 墨r ( 2 - 5 ) 吸收比的测试方法很简单，在测量绕组绝缘电阻的基础上，依次记录1 5 秒和6 0 秒时的绝缘电阻值就可以获得吸收比的数值。 极化指数是取测量时间较长的绝缘电阻比值，即： 尸：r , o o ( 2 6 ) 墨。 、。 极化指数是试验持续时间较长的绝缘电阻测量值，受被测电机几何电容 的影响小，受介质初始极化状况差异影响小。 2 3 电机绕组在实际冷状态下直流电阻的测定 2 3 1 实际冷状态下绕组温度测定的注意事项 将生产完成的长定子直线同步电机在室内放置一段时间，用温度计( 或埋置 检温计) 测量电机初级绕组、次级绕组和环境温度，所测温度与冷却介质温度之 差不应超过2 k 。 对于磁浮列车所用的长定子直线同步电机属于大型电机，温度计应有与外界 隔热的措施，且放置温度计的时间应该不少于1 5 分钟。 测量长定子直线同步电机的初级绕组温度时应根据电机的大小，在不同的部 位测量绕组端部和绕组槽部的温度，取平均值作为绕组的冷态温度。 2 3 2 电机绕组直流电阻的测定 参考文献 4 0 ，长定子直线同步电机绕组直流电阻的测量可以用电桥法、微 欧计法、电压表电流表法等方法，也可以通过自动检测装置、数字式微欧计等仪 器测量。采用后者方法时要注意：通过被测绕组的试验电流不超过其额定电流的 1 0 ，通电时间不超过1 分钟。 自动检测装置根据不同的场合和需求会有比较大的变化，这里采用的是最根 1 7 浙江大学硕士学位论文正文 本的电桥法和电压表电流表法来测量电机绕组的直流电阻。 2 1 3 2 1 电桥法 直流电桥法是常用的测量电阻的方法。直流电桥分为单臂电桥和双臂电 桥，单臂电桥又称为惠斯顿电桥，双臂电桥又称为凯尔文电桥。其中单臂电 桥主要用来测量中值电阻( 1 1 0 7 q ) ，双臂电桥用来测定低电阻( 1 q 以下) 。 a 单臂电桥 单臂电桥的电路如图2 8 所示，被测电阻和标准电阻及电阻构成电桥的 四个臂，在c d 端加上直流电压，a b 间串接检流计g ，用来检测其间有无电 流，也即检查a 、b 两点间有无电位差。 1 8 c a d k i f 图2 - 8 单臂电桥测直流电阻电路示意图 这里的“桥”是指a b 这段线路，它的作用是将a 、b 两点电位直接进行 比较，当a 、b 两点电位相等时，检流计中无电流通过，此时电桥达到了平 衡，电桥四个臂上的电阻关系为： 鲁= 鲁 墨恐 、 7 或者可以将上式表达为： r x = 叁如( 2 - 8 ) 上式两式称为电桥的平衡条件，若马的阻值和置、是的阻值( 或蜀是 的比值) 已知，即可由上述两式求出如。 电桥平衡的方法有两种：一种是保持b 不变，调节马，是的比值；另一 种是保持焉是不变，调节电阻玛。因此在试验过程中，我们在这三个位置 安置可调变阻器，并且变阻器的调节精度较高，数值可读，从而测得未知电 浙江大学硕士学位论文正文 阻的电阻值。 b 双臂电桥 当被测电阻较小时，测量电路中所用的连接导线电阻和各接线端钮的接 触电阻的影响不能忽略。双臂电桥的设计克服了附加电阻对结果的影响，能 测量l q 以下的低值电阻，其原理图如图2 - 9 所示。 k 1 e 图2 - 9 双臂电桥电路连接示意图 在双臂电桥中我们运用的是待测电阻的四端接法。如上图所示，在待测 电阻四端，c l ，c 2 称为电流接头，电流由c 1 流入，c 2 流出，在p l ，p 2 间产 生压降送到测量机构中去，p l ，p 2 称为电压接头，待测电阻处于p l ，p 2 之间。 图中，r l 一为各桥臂的附加电阻，桥路设计r l 一 r l 一，其影响可忽 略不计。r 为p l ，p 2 之外电流回路的附加电阻，在电桥的外电路上，显然与 电桥平衡无关。 按图中所示，调节r 1 ，r 2 ，( r 3 ，r4 同步变化) ，r s 使检流计g 的指数 逐渐趋于零。当指数为零时，电桥达到平衡，有如下关系式： = ( 2 - 9 ) =2(2-10) 3 = l( 2 一1 1 ) 从上述关系式并结合电路图，可以推得下列关系式： i r x + i ；r 3 = i l c 1 2 ) 1 9 浙江大学硕士学位论文 正文 2 0 埘+ 厶蜀= 恐 ( 2 - 1 3 ) 厶( 恐+ r ) = ( ，一l ) r( 2 - 1 4 ) 联立上述方程式求解，即可得到待测电阻值： 如= 每玛+ 番暑唼一奢 在实际应用过程中为测量方便，桥路设计为最= 马，是= 心，故电桥 平衡方程为： 如= 妻足= c r s( c = 叁) ( 2 - 1 6 ) 从以上方法就可以方便地测得待测电阻的电阻值。 采用电桥测量时，每一绕组的直流电阻应测量三次，每次应该在电桥平 衡破坏之后重新进行测量，每次读数与三次读取数据的平均值之差应在平均 值的o 5 范围内，取其平均值作为电阻的实际测量值。如果绕组的直流 电阻在1q 以下时，如上所述，应采用有效数不低于4 位的双臂电桥测量。 2 3 2 2 电压表电流表法 电压表电流表法是最简单易行的测量方法，这种方法主要分为两种类 型：低电流法和全电流法。 a 低电流法 低电流测量绕组直流电阻的接线图如图2 一l o 所示。图中( a ) 的接线适 用于测量电压表内阻与被测电阻之比大于2 0 0 时绕组的电阻，( b ) 的接线适 用于测量电压表内阻与被测电阻之比小于2 0 0 时绕组的电阻，通过不同的接 线方式来减小测量的误差。 ( a )( b ) 图2 1 0 低电流法测定绕组直流电阻原理示意图 浙江大学硕士学位论文正文 低电流法测绕组直流电阻时应注意以下事项： 1 试验时，所加的电流不应超过绕组额定电流的1 0 ，通电时间不 超过1 分钟； 2 测量时应同时读取电流及电压值； 3 每一相绕组的直流电阻至少应在三种不同的电流值下进行测量， 每个测量值与平均值相差应在o 5 范围内，取其平均值作为电阻的实 际测量值。 b 全电流法 全电流法适用于中小型电机，试验时被测绕组通入额定电流，并保持不 变，在3 s m i n 内均匀地测取5 7 点绕组电阻，然后作电阻与时间的关系 曲线r = f ( t ) ，如图2 1 1 所示。测得曲线后再将其外推到时间为零( 即与 纵轴相交) ，该点即为绕组实际冷状态下的直流电阻。这里需要注意的是， 测量时从电源开关合上到电流值调节至额定值的时间不得超过3 0 s 。 ( t 图2 1 l 全电流测得的电阻与时间关系曲线 2 4 励磁绕组阻抗测定 根据参考文献 4 0 ，励磁绕组阻抗测量的电路图如图2 - 1 2 所示。 在进行励磁绕组阻抗测量的过程中应注意的事项： 1 在被试励磁绕组上试加5 0 h z 正弦交流电压； 2 对于额定励磁电压在4 0 0 v 及以下的绕组，施加的电压一般为额定励磁电 压，大于4 0 0 v - 时，电压可适当降低： 3 试验时，应同时读取电压、电流和功率； 2 1 浙江大学硕士学位论文 正文 4 图中t 2 为加强试验安全而采用的隔离变压器，z 为励磁绕