馬達小教室：絕緣破壞 ( II )

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。

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。

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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