什么是匝間絕緣？國(guó)際上有匝間絕緣這一概念嗎？匝間絕緣測(cè)試有什么意義？匝間絕緣該如何進(jìn)行測(cè)試？對(duì)于小功率電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣問(wèn)題，生產(chǎn)企業(yè)和3C認(rèn)證檢查員仍然存在著不少疑問(wèn)，本文試圖盡可能比較全面地做個(gè)回答。不足之處，還請(qǐng)批評(píng)指正。
一、什么是匝間絕緣？
“匝間絕緣 interturn insulation”是指“相鄰匝之間的絕緣”（GB/T 2900.25-2008《電工術(shù)語(yǔ) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)》411-39-04，IEC 60050-411:1996,IDT）。
這是等同采用IEC標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電工術(shù)語(yǔ) 旋轉(zhuǎn)電機(jī)》給出的定義。可見(jiàn)“匝間絕緣”是全球電機(jī)行業(yè)中的共同語(yǔ)言，并非中國(guó)僅有。
二、匝間絕緣的重要性
匝間絕緣是指同一線圈匝與匝之間的絕緣，其作用是將電機(jī)繞組中電位不同的導(dǎo)體相互隔開(kāi)，以免發(fā)生匝間短路。對(duì)于漆包線繞組，匝間絕緣主要依靠電磁線表面的絕緣漆。
匝間絕緣有什么重要意義呢？我們可以從匝間絕緣不良導(dǎo)致的后果來(lái)分析。
匝間絕緣不良，也就是匝間存在著短路危險(xiǎn)，匝間短路也就是在一個(gè)線圈繞組中存在著一個(gè)短路環(huán)。一個(gè)短路環(huán)，在變化的磁場(chǎng)中將在環(huán)中感生電勢(shì)，由于短路環(huán)電阻很小，因此在短路環(huán)中將產(chǎn)生較大的感生電流，這一感生電流將使得短路環(huán)急劇發(fā)熱，進(jìn)而破壞其周邊的絕緣，形成更大的短路環(huán)，最終燒毀電機(jī)。
早期在繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀不普及的時(shí)候，曾采用短時(shí)升高電壓試驗(yàn)來(lái)考核匝間絕緣。采用短時(shí)升高電壓試驗(yàn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)應(yīng)施加130％額定電壓，歷時(shí)3min，電動(dòng)機(jī)應(yīng)無(wú)冒煙等擊穿現(xiàn)象。由此，亦可見(jiàn)匝間絕緣不良的危害。
三、匝間絕緣試驗(yàn)方法
前文談到，短時(shí)升高電壓試驗(yàn)也是考核匝間絕緣，但電動(dòng)機(jī)施加130％額定電壓，歷時(shí)3min畢竟有一定的破壞性，不鼓勵(lì)首選采用。
實(shí)際上我國(guó)早就制定了一系列的電機(jī)的繞組匝間試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)主要有：
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標(biāo)準(zhǔn)編號(hào) |
標(biāo)準(zhǔn)名稱 |
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1 |
GB/T 22714-2008 |
交流低壓電機(jī)成型繞組匝間絕緣試驗(yàn)規(guī)范 |
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2 |
GB/T 22716-2008 |
直流電機(jī)電樞繞組匝間絕緣試驗(yàn)規(guī)范 |
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3 |
GB/T 22717-2008 |
電機(jī)磁極線圈及磁場(chǎng)繞組匝間絕緣試驗(yàn) |
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4 |
GB/T 22719.1-2008 |
交流低壓電機(jī)散嵌繞組匝間絕緣 第1部分：試驗(yàn)方法 |
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5 |
GB/T 22719.2-2008 |
交流低壓電機(jī)散嵌繞組匝間絕緣 第2部分：試驗(yàn)限值 |
由于小功率電動(dòng)機(jī)的繞組主要是低壓電機(jī)散嵌繞組，所以其匝間絕緣試驗(yàn)方法主要參考GB/T 22719.1-2008和GB/T 22719.2-2008。
GB/T 5171.21-2016《小功率電動(dòng)機(jī) 第21部分：通用試驗(yàn)方法》9.11“匝間絕緣電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”規(guī)定了小功率電動(dòng)機(jī)匝間絕緣試驗(yàn)方法要求：
多匝線圈或繞組應(yīng)進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)，以考核繞組匝間絕緣承受過(guò)電壓的能力。試驗(yàn)可采用匝間沖擊電氣強(qiáng)度試驗(yàn)或短時(shí)升高電壓試驗(yàn)。
a)匝間沖擊電氣強(qiáng)度試驗(yàn):
將具有規(guī)定峰值和波前時(shí)間的沖擊電壓波，交替（或同時(shí)）地直接施加于同一設(shè)計(jì)的被試品繞組或參照品繞組上，利用沖擊電壓在兩者中引起的衰減振蕩波形是否有差異來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組匝間絕緣是否良好。
對(duì)于380V,50Hz 三相交流電動(dòng)機(jī)，峰值電壓不小于2500V,波前時(shí)間為0.2μs。
對(duì)于220V,50Hz 單相交流電動(dòng)機(jī)，峰值電壓不小于2100V,波前時(shí)間為0.2μs。
對(duì)于換向器電動(dòng)機(jī)，沖擊電壓采用片間法或跨距法，試驗(yàn)電壓一般應(yīng)加在180度角的兩個(gè)換向片之間。額定電壓為220V的電動(dòng)機(jī)其試驗(yàn)峰值電壓不小于1100V，對(duì)其他額定電壓的電動(dòng)機(jī)沖擊電壓試驗(yàn)的峰值按確定5倍UN（UN為電動(dòng)機(jī)額定電壓），但最低為500 V。
電動(dòng)機(jī)的沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)方法按 GB/T 22719.1進(jìn)行。
b) 短時(shí)升高電壓試驗(yàn)
試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)在130% 額定電壓下空載運(yùn)行，歷時(shí)3 min(電容運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)為1min)。試驗(yàn)時(shí)允許將電源頻率提高到額定值的110%（電容運(yùn)轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)除外），但應(yīng)不超過(guò)超速試驗(yàn)中所規(guī)定的轉(zhuǎn)速。
試驗(yàn)過(guò)程中觀察電動(dòng)機(jī)是否出現(xiàn)冒煙等擊穿現(xiàn)象。
四、永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣試驗(yàn)方法
永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組實(shí)際上也是交流繞組，為了便于應(yīng)用，GB/T 5171.22-2017《小功率電動(dòng)機(jī) 第22部分：永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)方法》8.11“匝間絕緣電氣強(qiáng)度試驗(yàn)”規(guī)定了永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的匝間絕緣試驗(yàn)方法要求，考慮到繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀的普遍應(yīng)用，還明確規(guī)定不應(yīng)采用短時(shí)升高電壓試驗(yàn)方法：
電動(dòng)機(jī)繞組應(yīng)進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)，以考核繞組匝間絕緣承受過(guò)電壓的能力。試驗(yàn)應(yīng)采用匝間沖擊電氣強(qiáng)度試驗(yàn)方法，不應(yīng)采用短時(shí)升高電壓試驗(yàn)方法。
將具有規(guī)定峰值和波前時(shí)間的沖擊電壓波，交替（或同時(shí)）地直接施加于同一設(shè)計(jì)的被試品繞組或參照品繞組上，利用沖擊電壓在兩者中引起的衰減振蕩波形是否有差異來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)繞組匝間絕緣是否良好。
對(duì)于直流電壓為48V以上的電動(dòng)機(jī)，沖擊電壓波的峰值按式（1）計(jì)算，最低為2100V,波前時(shí)間為0.2μs。
對(duì)于直流電壓為48V及以下的電動(dòng)機(jī)，沖擊電壓波的峰值為800V,波前時(shí)間為0.2μs。
繞組匝間沖擊電氣強(qiáng)度試驗(yàn)的具體試驗(yàn)方法按 GB/T 22719.1進(jìn)行。
注：永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)繞組的匝間絕緣電氣強(qiáng)度試驗(yàn)宜在電動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中針對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組進(jìn)行。
其實(shí)，沖擊電壓波的峰值與繞組進(jìn)行電氣強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)電壓值是密切相關(guān)的，沖擊電壓波的峰值就是繞組進(jìn)行電氣強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)電壓（這時(shí)以有效值表示）的峰值。
五、匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果的判定
匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果的判定方法在GB/T 22719.1中有具體規(guī)定。
匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果的判定采用沖擊波形比較法，其原理是將具有規(guī)定峰值和波前時(shí)間的沖擊電壓波，交替地（或同時(shí)）直接施加于同一設(shè)計(jì)的被試?yán)@組和基準(zhǔn)繞組（或線圈）上，利用沖擊電壓在兩者中引起的衰減振蕩波形有否差異，來(lái)檢測(cè)電機(jī)繞組（或線圈）匝間絕緣是否良好。
這里有一個(gè)基準(zhǔn)繞組（或線圈）的概念?；鶞?zhǔn)繞組（或線圈）是指在用沖擊波形比較法檢測(cè)電機(jī)繞組（或線圈）匝間絕緣時(shí)，用以與被試?yán)@組（或線圈）進(jìn)行比較的電機(jī)繞組（或線圈）。
基準(zhǔn)繞組（或線圈）的各參數(shù)必須與被試?yán)@組（或線圈）相同。它可以在同一臺(tái)電機(jī)中任選，也可在同規(guī)格電機(jī)中任選。它可以是匝間絕緣確認(rèn)為正常的或假定為正常的繞組（或線圈）。
使用沖擊波形比較法對(duì)繞組（或線圈）進(jìn)行檢測(cè)，不僅能發(fā)現(xiàn)匝間絕緣故障，還能發(fā)現(xiàn)因材料與工藝波動(dòng)等因素造成的繞組（或線圈）差異，進(jìn)而提高工序的過(guò)程能力，保證產(chǎn)品性能指標(biāo)的一致性。
在用沖擊波形比較法檢測(cè)電機(jī)繞組（或線圈）匝間絕緣時(shí)，在被試?yán)@組（或線圈）和基準(zhǔn)繞組（或線圈）中，因匝間絕緣故障，或因材料與工藝波動(dòng)等非絕緣故障引起兩者中試驗(yàn)波形之間的差異量，通常以百分?jǐn)?shù)表示試驗(yàn)波形差異量。
對(duì)因匝間絕緣故障引起的試驗(yàn)波形差異量常稱有害差異量。
對(duì)非絕緣故障引起的試驗(yàn)波形差異量常稱無(wú)害差異量或允許差異量。
試驗(yàn)波形差異量的大小就是匝間絕緣試驗(yàn)結(jié)果的判定依據(jù)。
可以通過(guò)觀察試驗(yàn)波形來(lái)判斷試驗(yàn)波形差異。也可以設(shè)定試驗(yàn)波形差異量限值，當(dāng)被試電機(jī)繞組的試驗(yàn)波形差異量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，通過(guò)儀器報(bào)警和指示，自動(dòng)判別。
至于試驗(yàn)波形差異量限值的確定，應(yīng)根據(jù)具體產(chǎn)品以及工廠的過(guò)程能力來(lái)確定。過(guò)程能力越好，試驗(yàn)波形差異量限值可以定得越小，比如，對(duì)于自動(dòng)繞線的定子繞組，可以定得相對(duì)小些。
六、繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀
JB/T 7080-1993《繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀》規(guī)定了繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀的技術(shù)要求、試驗(yàn)方法及檢驗(yàn)規(guī)則，該標(biāo)準(zhǔn)已多年未修訂，目前仍為現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)，可結(jié)合GB/T 22719.1-2008和GB/T 22719.2-2008標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)要求對(duì)市場(chǎng)上的繞組匝間沖擊電壓試驗(yàn)儀進(jìn)行選購(gòu)和驗(yàn)收。
另外，有JJF 1691-2018《繞組匝間絕緣沖擊電壓試驗(yàn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》，適用于最高輸出電壓峰值不大于15 kV的模擬式和數(shù)字式繞組匝間絕緣沖擊電壓試驗(yàn)儀的校準(zhǔn)，可供參考。
七、工廠生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)的時(shí)機(jī)
工廠在組織生產(chǎn)的過(guò)程中，在什么時(shí)候進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)比較合適呢？
《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證實(shí)施細(xì)則 小功率電動(dòng)機(jī)》將匝間絕緣列為了小功率電動(dòng)機(jī)的例行檢驗(yàn)項(xiàng)目。
有些企業(yè)則在定子嵌線、浸漆、總裝三個(gè)工序均設(shè)置了匝間絕緣試驗(yàn)崗位，從質(zhì)量保證能力的角度來(lái)說(shuō)無(wú)疑是最好的。但，三次檢測(cè)，無(wú)形中也增加了制造成本。因此，究竟在什么時(shí)候進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)，應(yīng)從風(fēng)險(xiǎn)控制的角度，以及便于返工的角度去綜合考慮。
如果浸漆、總裝后進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)的合格率很高，從便于返工的角度，在嵌線后進(jìn)行匝間絕緣試驗(yàn)是比較合適的。
八、工廠生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品的防護(hù)
匝間絕緣主要靠電磁線本身所帶有的絕緣，如漆包線。在設(shè)計(jì)匝間絕緣時(shí)要注意選擇材料，在制造過(guò)程中注意導(dǎo)線應(yīng)光滑，不得有飛邊、毛刺等，不能因機(jī)械拉傷匝間絕緣。嵌線完成后，在后續(xù)的工序過(guò)程中，以及搬運(yùn)、貯存活動(dòng)中還應(yīng)做好相關(guān)防護(hù)工作，避免造成對(duì)繞組的偶然性損傷，進(jìn)而產(chǎn)生新的匝間絕緣故障。
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