馬達小教室:絕緣破壞 ( II )

閱讀時間約 3 分鐘

本文來討論絕緣破壞的第二種情況,一般常稱為層間短路(Layer-Short)。

層間短路與耐壓不良的差異,主要是層間短路屬於導電線圈內的漏電問題,是造成漆包線圈燒毀、失火的危害;而耐壓不良則是直接漏電到外部的金屬零件上,會直接造成觸電危險。

層間短路的發生,就是當馬達內部有多組線圈,原本電流應該要流入A線圈當中,但由於層間絕緣破壞,導致電流可以從破損處直接流入B線圈,導致A線圈無法發揮作用,因此漆包線圈的有效作用力就下降了。由馬達轉矩方程式當中可以簡單觀察到,如下圖所示,其中T就是馬達輸出轉矩,B為馬達磁力,I代表馬達輸入電流,L係馬達積厚,D為馬達轉子直徑,N是馬達繞線圈數,Sin(δ)表示電場與磁場的角度關係;當馬達有效的工作圈數N降低時,由於其它參數皆為馬達硬體尺寸相關,僅能提高馬達電流I來彌補,因此造成電流值飆升,產生更多的銅損,造成漆包線圈過熱燒毀。

馬達轉矩方程式

馬達轉矩方程式

由上述所知,層間短路會導致某些導電線圈毫無作用,因此在初期的影響,主要是馬達特性會改變,甚至部分破損的情況下,使用者會毫無知覺。以下圖為例,當層間斷路的情況是發生在同一層的左右側線圈時,如圖中的黃色箭頭處,其實等校圈數僅少了一圈,也就是整體繞線為60圈,但由於層間短路,因此有效圈數變為59圈,這對馬達特性的影響只有1.67%;但若是紅色箭頭處,為上下層的短路情況,則會一口氣少了12圈,影響比例就達到20%之多。

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由此可知,層間短路的影響,是有比例差異的,當馬達繞的圈數越多時,影響的比例就會越小;而層間短路破壞的位置,也會導致有效圈數變化的不同可能性;甚至在層間短路的情況下,使用較大的工作電流,但未達到漆包線圈的破壞溫度的情況下,往往僅是馬達工作溫度高一些,並不影響使用感受。因此除了極為嚴重的層間短路情況導致的馬達燒毀,絕大部的層間短路,往往是無感的;也就造成已經發現有層間短路的問題後,嘗試使用馬達後,仍然覺得一切正常。

而層間短路造成的原因有二,一是漆包線在生產時,會於銅線表層塗佈絕緣層,但由於塗佈時的液態膠內可能會溶入部分空氣,最終在漆包線上產生微小氣孔,而這些肉眼不可見的氣孔,對於電流而言就是突破點,就可以形成短路;因此漆包線製造廠商會盡可能抑制氣孔產生,目前的生產標準為1公尺長的漆包線容許10個氣孔,當馬達繞線時,這些氣孔剛好貼在一起,就會造成層間短路。第二是馬達繞線作業時,機台或是人員操作時造成的漆包線表層破壞;另外就是漆包線繞在矽鋼片上時,為了使線圈緊實以提高馬達槽滿率,因此在彎角處會盡可能90度彎折,這會導致漆包線的外側絕緣皮膜過度拉伸,輕則絕緣厚度變薄,重則直接破裂,這也都有機會造成層間短路的情況。

有鑑於此,層間短路的檢測,其實有個嚴重程度判斷的重點,倘若有層間短路但又達不到影響馬達特性的程度,那標準肯定設定錯誤。此外層間短路的產生原因與線材及馬達繞線生產有關,因此可做為生產品管的參數;依筆者個人為例,會要求廠內的層間檢測標準盡可能壓在5%以內,但實際上超過15%以上才是真的不良,當發現誤差量開始超過5%時,就檢查生產設備及工具,是否有氧化生鏽或是敲傷等情況,來維護馬達廠的生產品質。

重點整理:
層間短路,筆者更傾向作為生產品質管理的依據。

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