编辑：江苏矿用变压器厂家 日期：2019-01-11 人气：319
电动工具用串励江苏矿用变压器B级绝缘结构及其寿命评定 核心提示： 由热和机械应力综合作用引起的设想；研究了评定寿命的试验方法。选择确定的绝缘结构，可用作电动工具用串励江苏矿用变压器的B级绝缘结构，对提高产品性能水平有明显效益。 叙词电动工具串励江苏矿用变压器B级绝缘结构寿命评由热和机械应力综合作用引起的设想；研究了评定寿命的试验方法。选择确定的绝缘结构，可用作电动工具用串励江苏矿用变压器的B级绝缘结构，对提高产品性能水平有明显效益。
叙词电动工具串励江苏矿用变压器B级绝缘结构寿命评价1刖目我国已成为世界电动工具的生产大国和出口大国。但电动工具的性能、水平与国外先进水平相比差距较大，属中低档产品。档次低的一个重要原因，是体积大、重量重、寿命短。以电钻为例，国产电钻用串励江苏矿用变压器寿命大都在30（>h以下，国外有的公司寿命为5dl5（M>h.此外，发达国家电动工具用串励江苏矿用变压器普遍采用B级绝缘结构，而我国为E级绝缘结构。由于我国没有B级绝缘结构，出口到美国的电动工具只能作为A级结构，严重影响了出口附加值的提高。为提高电动工具性能，提高出口创汇能力，原机械工业部技术发展基金委员会于1W8年6月下达了电钻、角向磨光机等电动工具用串励江苏矿用变压器B级绝缘结构研究项目，由上海电动工具研究所、上海日立电动工具有限公司承担。其主要指标如下提高到B级（），其温升从WK提高到95K以上；绝缘结构寿命，电钻从目前的300h以下。提高到5Oh以上，角向磨光机从目前的12h以下提高到200h以上。
根据项目要求，从下述两方面开展研究：研究和选择电钻、角向磨光机两类电动工具的B级绝缘结构；研究和确定选择绝缘结构和评定绝结构寿命的试验方法和试验没备。―.试验方法的确定2，1电动工具运行特点电动工具在使用时起动频繁，转速在突加负载、卡住，甚至堵转。因此，电动工具用串励江苏矿用变压器绝缘结构瞬时温度可达200t以上。
同时，在使用时经常会遇到剧烈振动。这种在高温、高速下产生的高离心力、剧烈振动及瞬时热冲击，促使绝缘结构过早损坏，寿命一般都在几百小时。由于绝缘结钩的损坏机理是受高温、高机械应力综合作用引起的，而不象一般旋转电机绝缘结构老化是由热老化引起的，因而不能沿用IEOWfm-lS-l《旋转电机绝缘结构功能评定总则》来评定，应根据电动工具实际运行特点来选择绝缘结构和评定其寿命。
2.2国外情况国外迄今没有一个统一的评定绝缘结构寿命的方法。国外电动工具公司在选择绝缘结构和评定其寿命时，采用了各种不同的试验方法，但都是模拟电动工具实际运行情况。主要有下述两种试验方法：一种是美国Sfcil公司提出的制动试验方法，是模拟电钻使用过程中最严酷的情况，以额定电压下制动、然后在额定电压T空栽运转、停转为二个周期，如通过再增加is制动，相应空转减少Is，直到绝缘结构损坏为止。一种是曰本和美国ANSI中提出的过载试直到烧坏为止。在评定绝缘结构寿命方法方面，美国BD公司曾在20世纪70年代参照美国IEEE评定电机绝缘试验规范，采用热老化法较接近，但机械应力比热老化法严酷，由于这种模拟方法与电动工具的实际运行条件差异较大，得出的寿命比实际运行寿命要长得多，因此德国和日本一些电动工具公司认为采用模拟试验不能真实反映电动工具实际运行工况，提出直接在工件上打孔，如电钻在钢板上打孔，电锤在混凝土上打孔，角向磨光机在工件上砂磨。该试验方法能真实反映实际运行中对绝缘结构的影响，但耗材太大，。数据重复性差。* 2.3制动试验方法的确定制动试验方法是模拟电钻在正常运行中遇到突然卡死和空载高速运转的一种试验，考核绝缘结构的过载能力。其特点是在一定温度范围下，绝缘结构受到一定次数的机械应力和热、电综合作用，来考察滴浸漆的热粘结能力与漆包线的耐热冲击能力，考察绝缘材料在高温状态时介电性能及机械性能之变化。高速空转促使绝缘结构在高温介电及机械应力作用下的性能变化“加速"地反映出来，因此可以在较短时间内比较几种绝缘结构的优劣程度。
高温是利用电钻在额定电压下制动而使绕组的温升迅速上升达到的，而高机械应力是利用电磁离合器释放后电钻高速空转而产生的高离心应力。
试验控制程序为：额定电压下制动――额定电压高速空载运转一停止运转。每一制动、空转、停止称为一个周期，每个周期为3s.6<介周期为一个循环。如通过6（>个周期试验绝缘结构未损坏，则依此增加Is制动时间，相应依此减少Is空转时间，继续试验，直到绝缘结构损坏。
评价串励江苏矿用变压器绝缘结构的优劣，以秒级次数为准。
本方法是采用逐步增加其严酷程度考核绝缘结构的，每增加Is制动时间，江苏矿用变压器温升要比原先增加一个等级。在此温度范围内，虽然机械应力不变，但因温度增加了，对绝缘结构的严酷程度相应增加。如此逐步增加制动时间，直到绝缘结构损坏为止。因是逐步增加温升，故又称为度定为不同的等级，分为I、n、ni、iv.v五个等级，具体试验周期见表1.表1制动试验周期表严酷等级每等级赀期数每次制动时间空载运转停转为了确定具体的制动试验方法，进行了下述两个试验。
⑴制动试验每个严酷等级周期数的确定每个循环周期数的确定，根据某一制动试验时温升趋于稳定的次数来决定。
根据电钻在实际运行时发生卡死的时间，一般为2~5s，因此先拟定5s制动、1US空转、15s停转为一个周期进行试验。在刚开始的3（介周期内转子温升是随着制动次数增加而增加的，当制动次数在3次以上转子温升不再上升，基本上稳定在110-1洲t内，见。这时江苏矿用变压器发热和散热达到平衡，制动次数达到5次绝缘结构仍未损坏，因此每一严酷等级的周期数确定为60次。
为了缩短试验时间，采用逐秒增加制动时间的试验方案（见表1）。每增加Is制动，江苏矿用变压器温升约增加20K.在前30次内温升增加很快，以后趋向平稳。不同制动时间与转子温升关系见不同制动时间与转子温升的关系2.4寿命试验方法的确定绝缘结构寿命试验法是考核电动工具实际运行时对江苏矿用变压器绝缘结构影响的一种试验法，应尽量模拟电动工具实际工作条件而制订。诚然，采用电动工具整机对工件进行试验是最符合电动工具实际使用条件的，但因耗材多、试验重复性较差，因此采用整机模拟试验法。
电动工具在实际使用中，一般经历空载启动、负载运转、停机三个阶段。空载启动时，转速高，使绝缘结构受到很大的机械应力。负载运转时，电机转速有所下降，但温升提高很快，绝缘结构受到热冲击和机械冲击等综合作用。停机时，绝缘材料冷却、收缩，要承受较大的内应力。电动工具正是这样连续不断地使用的。
每个周期内的空载、负载、停机三个过程的时间分配，要综合多方面的因素决定。
50mm几种不同厚度的铁板用J1Z-6电钻进行6mm孔钻透试验，结果列于表2.其钻透时间一般在10 ~80s之间。电钻在钻孔前一般是先空载运转，然后再对准被钻孔的部位，加压钻孔。据测定，电钻空载运转后一般经过2l（）s就要进行加压钻孔。
表2J1Z-6电钻钻孔试验结果铁板厚度（mm）钻透时间（s）根据上述情况，我们确定电钻绝缘结构寿命试验的每一个周期的时间为120s.其各阶段的时间分配定为空载20s、负载80s、停机20s：。
本课题研究进行的绝缘结构寿命试验，就是根据上述的周期反复地进行，直到定转子击穿为电机绝缘结构寿命终点。
本试验是考核电机定转子绝缘结构寿命，因此只要不是定转子击穿，其他零件如电刷、齿轮等损坏，允许更换后继续试验，寿命时间累加。如遇点焊处断线、换向器磨损无法继续试验时，其试验结果可作为，不作考核。
这次考核的是B级绝缘结构的串励江苏矿用变压器的绝缘结构使用寿命，因此被考核的转子工作温度在下运行，而实际上转子内部总是有局部过热的部位。用电阻法潮定的温度是转子内部平均温度，不是转子内部的最高温度，因此试验时转子温度控制在125土21. 2.5试验设备根据上述两种试验方法的要靡，分别研制了制动试验设备和寿命试验设备。
工作原理是试样通电时利用制动块上升或下降来控制试验。电磁线圈不通电时，制动块处在下降位置，试样处于自由工作状态，就高速空转；当电磁圈通电时，制动块上升，锁住制动柱销，试样处于制动状态。通过微机控制，可使设备按制动试验方法要求进行试验。
寿命试验设备有两种，水负载法和对拖法3工作原理是利用搅板搅动水产生阻力来作为试样负载，调节液面的高低来调节负载。当电磁线圈不通电时，啮合式离合器呈脱离状态，试样运转，不带负载，基本处于空载高速运转。当电磁线圈通电时，离合器啮合，试样带动搅板转动，处于负载状态通过微机可控制设备按照寿命试验方法要求进行试验。
工作原理是利用拭样通电运转，电磁线圈不通电，啮合式离合器呈脱离状态，试样为空载运转；电磁线圈通电，离合器啮合，带动一台相同的电动工具作发电机状态运转，调节与被拖电动工具串联的灯的亮度来达到规定的负载。通过微机控制，使设备按照寿命试验方法要求进行试验。
试验情况分析根据电动工具的运行特点和国内材料供应情况，选择QZY聚酯亚胺漆包线、QZ聚酯漆包线、DE-201及DF-201环氧无溶剂漆、SD-741环氧无溶剂漆、DMD聚酯无纺布-聚酯薄膜-聚酯无纺布复合箔、6520聚酯薄膜青壳纸、3240环氧层压玻璃布板、玻璃纤维增强尼龙66等9种材料组成10种绝缘结构。通过大量试验，最后确定B级绝缘结构用的材料。
为了比较制动试验和寿命试验两种试验方法的对应性，将上述10种绝缘结构分别作为J1Z-6、回J1Z-6、J1Z-13三种电钻的绝缘结构采用制动试验进行筛选试验。为了比较制动试验与寿命试验的关系，从而评定B级绝缘结构的寿命。在制动试验基础上，将同样的绝缘结构分别用在J1Z-6、J1Z-05-13A、回J1Z-03-13三种电钻和S1M-03-100B角向磨光机进行寿命试验3寿命试验分两个阶段进行，<|）6电钻的I、n、m、iv四种绝缘结构采用水负载法进行试验，《|>13电钻的VI、\1的两种绝缘结构及（|）100角向磨光机的试验绝缘结构X采用对拖法进行试验。试验结果见表3~5.根据制动试验和寿命试验的试验结果选择确定了B级绝缘结构。
表3制动试验结果转子绝缘结构类型试样数试验结果通过9s丨9次后转子短路1台通过9s7次台通过8s32次后转子短路6s20次后转子短路，漆膜开裂3台通过9s6次，丨台通过18次后转子短路2台通过6s6次，3台仅通过5s39次转子就短路注：丨、n、in试样在￠6电钻上试验，w、Vi在 表4第一阶段水负载法试验结果转子绝缘结构类型试样数试验结果‘3台寿命试验都超过635h后仍可继续试验。1台试验523h后因轴承损坏引起定转子烧坏；1台293h后因点焊处断线无法继续试验，但绝缘结构未坏。 2台试验57<）h后仍可继续试验1台试验71.%断线，另1台146h点焊处断线，无法继续试验，绝缘结构未坏。 1台试验256h后点焊处断线，无法继续试验。另2台相继试验：111，：7h后转子短路。 微7删仍可继续微。 注：1.、HI、IV，定子绝缘结构相同，转子绝缘结构不同。 表5第二阶段对拖法试验结果转子绝缘结构类型试样数试验结果试样为 3.1转子绝缘结构的确定SD-741环氧无溶剂漆由于高温时漆膜变软，转子绝缘结构在高离心力作用下，因漆膜热态粘结强度低而引起转子短路，制动试验在5~6s.而DE-201环氧无溶剂漆因高温热态粘结强度高，制动试验大多能通过7s60次以上，有的超过8s60次，在8~9s级，比SD-741漆高2s级（见表3）D 201（在DE-201基础上改进的漆），其寿命试验都能通过5h以上（见表4中结构I、n和表5中结构W），且漆膜光亮，无开裂现象。而SD-Ml漆无一通过350h（见表4中结果瓜），且其漆膜在100~200h试验后出现严重开裂此外，DE-201及DF-201固化时挥发物含量不到2%，可大大减少环境污染，虽然价略篼一些，怛综合各方面因素，选择这两种环氧无溶剂漆作为B级绝缘结构滴浸漆。 制动试验表明，QZYH级聚酯亚胺漆包线与DE-201配合，大都可达9s级；而m的QZ聚酯漆包线与DE-201配合，大部分可达88级。QZY线比QZ线提高近一个秒级（见表3结构I和）。从寿命试验情况看，QZY和QZ两种漆包线在电钻上试验时，均能达到500h以上的要求。价格上QZY比QZ约高20%，因此可根据不同的情况采用不同的漆包线3对振动大、短B寸热冲击高的绝缘结构来说，选择QZY较适宜；而对于电钻、角向磨光机等振动相对平稳的产品的B级绝缘结构来说，可采用F级的漆包线。 在选择槽绝缘时，主要对目前普遍采用6520聚酯薄膜青壳纸和DMD聚酯无纺布一聚酯薄膜一聚酯无纺布复合箱进行试验。制动试验时，当制动时间达到以上则转子温度已达到2t以上，DMD开始熔化，在热和机械离心力的作用下被甩出来。严重时，将定转子粘住，使江苏矿用变压器处于制动状态而烧毁。若采用6520作槽绝缘，在制动试验中，当转子温度超过200t，虽有少量的聚酯薄膜甩出来，但不会粘住定转子。 从这点上讲，在电动工具用串励江苏矿用变压器中使用DMD其过载能力不如6520.但6520通常用作晚绝缘，能否用作B级，经过试验，认为是可以的，其理由是：经桂林电器科学研究所用卷管耐压法对652进行热老化试验表明，在其热寿命达到2（>00（>h时的温度指数为116t.当温度为135t时，热寿命值为5000h，而电动工具用串励江苏矿用变压器B级绝缘结构寿命仅500~1000h.-用卷管耐压法对单一材料做热寿命试验时，ft520是完全暴露在空气中的，材料受到热、机械、氧化综合影响的老化破环程度比较大。而6520在串励江苏矿用变压器中，实际使用时，它几乎完全被滴浸漆所围〗6520老化的程度相对要小些。 绝缘材料可以组成具有一个温度等级的绝缘结构，该组合结构的温度等级可以高于或低于其中任何单独组份的温度等级。 时以QZY漆包线、DE-201无溶剂漆及分别以652U和DMD作为槽绝缘组成的B绝缘结构，如表4的结构I和IV，其寿命拭验结果在同一数量级。以652（）作槽绝缘的结构I，除了1台试样因点焊处断线无法继续试验外，其余4台寿命均在50U~1000h，而以DMD槽绝缘的结构IV的寿命在7Sh.因此，两者都可作为B级绝缘结构中的槽绝缘，但由于6520价较廉及工艺上容易嵌入槽内，所以首选6520.在选择端板绝缘时，选择尼龙66和3240环氧层压玻璃布板两种端板。制动试验时，凡用尼龙66端板的，当其转子温度达到以上时，尼龙端板开始熔化，在高速运转时甩出来把定转子粘住而烧毁江苏矿用变压器。而用3240的都未出现这种情况。但由于制动时间是电动工具使用过程中出现最严酷的情况，在实际使用时江苏矿用变压器的温度很少达到230t：，因此认为3240或尼龙66板组成的B级绝缘结构，其寿命都能通过5<>h以上，分见表4结构I、B及表5结构3.2定子绝缘结构的确定电动工具用串励江苏矿用变压器的定子绝缘结构，在使用时主要承受热及振动的影响。电动工具在高速空转及负载运转，定子绝缘结构不象转子绝缘结构那样承受到高速离心力的作用，而且定子绝缘结构受到的温度大大低于转子。因此，电动工具运行时定子绝缘结构受到的热和机械应力综合作用的影响要比转子绝缘结构受到的影轻得多，所以选择B级绝缘结构时，定子绝缘结构就没有转子绝缘结构要求高。本次选择的定子绝缘结构，主要对1038及ET-88两种漆及包扎带进行选择。 以前所用的定子绝缘结构，是用QZ- 2/130漆包线、1038有溶剂漆、6520聚酯薄膜青壳纸及黄腊绸2/3叠包。在制动试验和寿命试验中发现，经常是转子未损坏而定子烧毁，主要是线圈内部有的匝间未粘住。其原因是1038是有溶剂漆，线圈浸漆后，因黄腊绸紧紧包着线圈，表面因溶剂挥发较快而使漆层干得快，阻碍内部漆膜无法完全固化，降低了绝缘性能。后来采用QZ-2/130聚酯漆包线、ET-88漆、6520组成绝缘结构，情况大大改观，一般是转子烧坏后定子仍完好。 经过选择确定的定转子的B级绝缘结构在整机进行寿命试验时，电钻寿命都能超过500h，角向磨光机超过200h（见表4中的结构I、和表5中的结构W、X），能够满足本项目的要求。 3.3温升补充试验果江苏矿用变压器绕组温升超过规定值，或者对江苏矿用变压器采用的绝缘结构有怀疑，则通过12.6条试验进行检验。由于B级绝缘结构尚在研究阶段，需要按照12.6条进行温升补充试验。如果采用B级绝缘结构的电动工具的温升能够通过12.6条试验，则可认为采用该B级绝缘结构的电动工具的绕组绝缘为B级，产品的温升可达95K.经试验证实，该B级绝缘结构的温升能通过GB3883.1中B级温升的要求」因此，采用该B级绝缘结构的电动工具在产品安全认证时，就可按B级绕组绝缘进行考核。 3.4制动试验法与寿命试验法的关系通过大量试验证明，制动试验法和寿命试验法分别是模拟电动工具使用过程中最严酷状况及实际使用状况，仅比实际使用稍严酷一些。为了能说明这两种试验方法间的关系，将两种试验的结果列于表6.表6两种试验方法的试验结果结构类型试验方法试样数试验结果（平均值）制动试验寿命试验制动试验寿命试验制动试验寿命试验制动试验的制动秒级越高，则寿命试验的时间越长，两者有明显的对应关系，能定性地表示所选绝缘结构的优劣。这两种试验方法都能正确反映电动工具在使用过程中热和机械应力对串励江苏矿用变压器绝缘结构的老化机理，可用于选择绝缘结构和评定其寿命。由于制动试验试验时间很短，一般一台试样的试验过程仅3~4h，具有加速试验的特点，可用于电动工具用串励江苏矿用变压器绝缘结构的选择，亦可用于绝缘结构中某些绝缘组份和绝缘工艺替代的试验。 由于这两种试验方法的严酷程度不同，由于影响串励江苏矿用变压器损坏的因素主要是热和机械应力的综合作用，严酷程度的不同在两种试验方法之间不存在线性关系，无法定量地说明问题，因此评定绝缘结构的寿命只能采用寿命试验法在采用制动试验法选择绝缘结构时，由于制动试验法是模拟使用中最严酷的条件，对于在高温时（转子温度超过2（）0）易发生软化的材料，如尼龙66、聚酯无纺布及塑料外壳（尤其是增强尼龙外壳），由于材料的软化或熔化，会影响试验结果的准确性，存在一定的局限性。如果以单绝缘电动工具作试样，其绝缘结构中的材料都是热固性材料时，则完全可以采用制动试验法来选择绝缘结构。 3.5其他有关部件的分析寿命试验法是评定B级绝缘结构寿命的一种方法，是模拟电动工具运行中热和机械应力对绝缘结构损坏机理的一种试验。由于采用整机试验，在试验过程中，这种试验条件既是对绝缘结构进行寿命试验，同样对电动工具的其他部件如换向器、齿轮以及制造工艺亦是一种寿命试验，而且由于这些部件的损坏以及制造工艺不良会造成试验无法继续进行。试验过程中暴露的问题主要有：（）点焊工艺质量对试验结果的影响在刚开始进行寿命试验时，电钻和角向磨光机的寿命都很短，电钻在30h以下，角向磨光机在20h以下。经检发现，都是由于点焊工艺不良而造成点焊处断线，致使试验无法继续，而绝缘结构仍完好如初经过上海日立电动工具有限公司有关科技人员努力，改进点焊工艺，严格点焊工艺纪律，大大降低了因点焊工艺质量不好对试验结果的影响，保证了试验顺利进行。 （2）换向器材质对寿命试验的影响目前国产电动工具所用的换向器大都采用电解铜，电解铜长期使用温度为12t，极限使用温度为140t：。本次研究的绝缘结构要求能在130的条件下长期工作，因而电解铜换向器已不能适应。在本次试验过程中，第一阶段采用电解铜换向器，在13t的条件下进行试验，一般试验了2U0~3（mh已严重磨损，其中有1台寿命达7UUh的换向器几乎全部磨损，单边磨损达1.25mm，而绝缘结构仍完好。第二阶段采用国产银铜换向器（据资料介绍，其连续使用温度为20（）t，使用极限温度为230t，磨损大大减少了，平均为。16mm/100h，明显优于电解铜换向器的0.29mm/100h.除了换向器材质对试验结果有明显影响外，换向器的制造质量亦有影响。有的试样试验了390h后，换向器发生跳排（见），亦有的换向器因换向片发生断裂而飞出。第二阶段寿命试验的5台角向磨光机中，有2台由于换向器磨损或换向片跳排而无法继续试验。 ⑶转轴轴齿对寿命试验的影响转轴轴齿的质量亦严重影响了电动工具的质量。据对第二阶段寿命试验中12台4>13电钻试样分析，其中有5台由于轴齿磨损而无法继续试验，但绝缘结构仍完好。 电动工具齿轮箱内有一部分定位轴承是含油轴承。在寿命试验中，发现含油轴承处理不当会很快磨损，最短的仅4h.经过适当处理并注意维护，使含油轴承寿命大大提高，一般可用400~500h.轴承环质量也影响了试验的进行，有1台13电钻，在寿命试验时试验了25矿用变压器0h多，发生轴承环损坏卡机，而烧毁试样。 此外，滚珠轴承的质量也影响试验结果。 结论通过试验研究，选定了电钻、角甸磨光机等电动工具用串励江苏矿用变压器的B级绝缘结构。该绝缘结构用于电钻，其寿命可超过5h；用于角向磨光机，可超过2h.产品温升都可从目前的90K（E级）提高至95K（B级）。其他电动工具在采用B级绝缘结构时亦可参照采用。 提出的电动工具用串励江苏矿用变压器绝缘结构的老化损坏是由热和机械应力综合作用的设想，是符合电动工具实际使状况的。根据这个设想研究确定的制动试验法和寿命试验法以及研制的相应设备，可以用于选择电动工具用串励江苏矿用变压器的绝缘结构和绝缘结构寿命的评本项目经上海科学技术情研究所查新认为，总体t达到国际先进水平，推广后具有较大的经济效益。电钻和角向磨光机如都采用B级绝缘结构，以目前年产759万多台计，寿命提高70%后，相当于每年可增加产值15943万元，可降低成本1138.8万元，并可大大提高出口附加值。目前出口到美国的电动工具，因尚无B级产品，只能作为A级产品出口。A级产品的出口价格明显低于B级产品。如果今后出口到美的电动工具能全部采用B级绝缘结构，以目前年出口量130U多万台为例，每年就可多创汇650多万美元。
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