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【摘 要】对Z4直流电机出现的异常电磁振动和噪音，从试验电源品质、定子轭与磁极铁芯叠压、磁极线圈绕制与装配、磁极浸漆、定子装配等方面分析，找出引起异常电磁振动与噪音的主要原因，最后提出控制电磁振动与噪音的有效措施。
【关键词】Z4直流电机；单相整流；电磁振动；噪音；铁芯叠压；松散；刷漆绕；匝间
1. 引言
直流电动机与交流异步电动机相比，因其结构复杂、制造成本高、运行维护困难等缺点，在很多机械设备上逐步被交流变频调速电机取代。但由于直流电机以其优良的调速性能、相对较低的初期投入，加上Z4系列直流电动机采用八角形全叠片结构能适应静止整流电源供电，并能承受较高的负载变化率。因此仍被广泛地应用在机床、造纸、印染、印刷、橡塑机械等行业。随着用户对环保、设备精度、电机可靠性等要求的提高，直流电机除了运行的力能指标、火花状态外，电磁振动和噪音逐步被用户重视。本文着重对Z4直流电机电磁振动和噪音生产的主要原因进行分析。
2. Z4直流电机电磁振动产生的原因分析
电磁振动与噪音是Z4直流电动机生产制造过程中的一个重要控制项。原先因采用直流发电机组试验，电磁振动与噪音不合格的电机很多情况下被漏检出厂。为确认电磁振动与噪音是在出厂时就已存在，还是在用户使用后发生的。为此，在生产线上改变试验方法，按照用户实际运行电源条件，用整流电源代替机组电源进行Z4电机的出厂试验项目，发现部分Z4电机存在电磁振动和噪音不合格的问题。尽管出现比列不高，但严重影响了电机合同订单的交付。因此，查找电磁振动与噪音产生的原因，成为一项十分迫切的任务。
按照常规分析，Z4直流电机电磁振动产生的主要原因有：铁芯叠压不紧、磁场不均衡和线圈松散。
为查找Z4直流电动机电磁振动和噪音产生的主要原因，采用更换零部件的逐一排除法，将不合格的零部件换下进行解剖分析。经过近三个月的不断测试分析、总结，终于找到了本公司Z4直流电机产生电磁振动的主要原因和次要原因。
2.1 主要原因：磁场不均衡，励磁线圈匝间。
（1）直流电机励磁回路和电枢回路通的是直流电，当励磁回路和电枢回路稳定运行时，理论上主极铁芯中的磁场是恒定的。因此当励磁绕组存在匝间短路时，短路线匝中因不存在变化的磁场而不会产生短路电流，也就不会像电枢绕组因匝间短路而快速烧毁，因此常被忽视。但是由于励磁绕组匝间短路，使磁路产生不对称，电枢受到了不对称的磁拉力，电枢挠度增加。
（2）同时，Z4直流电机运行时，定子、电枢绕组中通的是由工频交流电经过整流而获得的直流电。本公司中小型直流电机试验台配备的三套电源中，有一套的整流电源与用户实际使用电源条件相同：励磁绕组电源采用单相交流50Hz 220V、经整流变压器升压至单相交流50Hz 380V，再用单相半可控桥式整流器整流输出320V直流电。当需要不同的励磁电压（电流）时，通过调节整流模块中的可控整流元件的导通角来实现。
（3）众所周知，整流电源的整流原理决定其输出的直流电中含有一定成份的交流成份，即交流纹波。输出的直流电压与全导通的直流电压比例越小，可控整流元件的导通角越小，交流成份的纹波含量越高。当励磁绕组通以上述整流电源时，电机磁路中的磁场将是变化的，变化的幅度与电源中的交流纹波成份成非线性的正比关系。当励磁线圈存在匝间时，短路匝线圈中就会产生短路电流，短路匝中感生电流的大小与短路匝占整个线圈匝数比和电源交流纹波含量成正比例。短路匝线圈感生电流产生的磁场相位与正常线圈的磁场相反。因此，励磁绕组匝间后，电源中的交流纹波加剧了磁路不对称，且磁场存在交变成份，使电枢受到含有较大变化幅度的交变的磁拉力作用，电枢在变化的磁拉力的作用下产生电磁振动和噪音。
（4）实际试验现象验证上述分析：当将一台存在励磁线圈匝间的Z4电机，用直流发电机组电源给励磁回路通电时，电机振动和噪音非常正常；当用三相桥式整流电源（交流纹波含量很小）给励磁回路通电时，电机有轻微的电流声，振动和噪音合格；当用单相整流电源给励磁回路通电时，电机产生强烈的电磁振动和“嗡嗡”的电磁声，用测振仪测量接线盒（薄壁件）和鼓风机蜗壳上的振动值，振速最大值可达到8mm/s，严重影响电机的可靠运行和环保要求。通过对实际有电磁振动的电机统计分析，19台中有16台是由于匝间短路造成的电磁振动和电磁噪音异常，比例达到84.2%。
2.2 次要原因：线圈松散。
（1）Z4直流电机励磁绕组为“口”字型集中式绕组。对于中小型直流电机，励磁绕组常采用漆包圆铜线绕制。为保证线圈绕制后线圈外形整齐，直线部分不因鼓涨而影响磁极装配，线圈采用刷漆绕工艺，即线圈绕制时，每绕一层后用毛刷在线圈表面刷绝缘漆，绕完后带着绕线模放到烘箱中加热、固化，线圈出烘箱后拆除绕线模转入下道工序，进行绝缘包扎、铁芯装配、浸漆、烘干等工序。
（2）由于线圈制造、装配的工序较长，工序质量控制不到位，部分线圈存在线匝松动、松散的现象。当励磁线圈有部分线匝松散时，励磁绕组中通过含有交流纹波的励磁电流时，相邻的松散线匝间因电磁力的相互作用而产生线匝振动。对于励磁电压较低的电机，励磁线圈的线规较粗，松散线匝间的振动通过铁芯扩散，并释放电磁噪音。
实际试验验证结果：将一个线圈线匝松散的磁极放到非导磁的桌案上，线圈施加实际运行时单个线圈上的励磁电压，松散的线匝产生强烈的振动。
2.3 铁心叠压。
如果铁芯叠压时，因毛刺超差、叠压力不符合工艺要求时，磁极铁芯就会松动。当松动的铁芯套上线圈，线圈中通有交流纹波的电流时，铁芯中产生的含有交流成份的磁场就会在叠片铁芯钢板中产生涡流，钢板在变化的电磁力作用下，产生电磁振动。
在实际解剖线圈和铁芯过程中，发现铁心叠压过程质量控制较好，未发现有松动铁芯的问题而产生电磁振动的实例。
3. 电磁振动的过程控制
针对电磁振动产生的原因，对励磁线圈的制造过程进行跟踪调查和分析，找出了有匝间问题和松散的线圈漏检、下转的失效原因。 3.1 有匝间问题线圈漏检、下转。
（1）按照Z4直流电机半成品电气检试验规范规定：励磁线圈必须全检线圈匝数，线圈匝数误差不超过±0.2%；线圈直流电阻全检，相对设计值误差不大于±10%。
按职责分工和检验流程：绕线工绕线时，匝数的计量通过绕线机上的机械式或电子数显式计数器计数。刷漆绕完、烘干后不再自检匝数。线圈包绝缘前由专职检验员测量匝数和直流电阻。线圈匝数用YG—108R匝数仪测量，该匝数仪可以测量匝数、直流电阻，没有专门的匝间短路警示信号，但可以通过异常的匝数显示差异来定性判别线圈是否有匝间短路现象。
图1
（2）由于线圈制造工序工位多，当班检验员只有一个，需要兼顾交直流绕线、包线等众多工序，无法全检。加上检验员错误地认为：只要用电桥测量线圈直流电阻合格，匝数可以不测量。这就造成：当线圈有不超过10%的线匝短路时，因直流电阻实测值与设计值的偏差小于10%而被当做合格线圈漏检、下转。
3.2 线匝松散的漏检、下转。
（1）绕线工序：Z4电机磁极线圈刷漆绕制中，由于操作者怕漆四处乱甩，刷漆量不足、刷漆不均匀，尤其直边部分非塔型侧表层线圈匝间间隙大、匝间粘接力小，造成定型烘干、脱模过程中，线圈表面局部线匝松散。线圈下转包线工序前，未对松散线匝进行局部刷漆、二次固化的工作，见下图1。
（2）包线工序：线圈对地绝缘纸尺寸过宽，包扎后线圈表面绝缘纸为“U”型，图样要求为“L”型，造成线圈装铁心浸漆时绝缘下面形成气泡聚集区，使表层松散线匝无法通过浸漆而得到固化，见下图2。
图2
3.3 过程控制改进。
针对上述过程控制失效模式，制定了相应的控制措施，保证不合格线圈不下转。
3.3.1 绕线工序。
线圈固化定型、脱模后，松散线匝补刷绝缘漆、二次烘干、定型。同时配置手持式电动刮漆器，绕完线后必须线圈刮头，为检验员测量匝数和直流电阻创造条件。
3.3.2 包线工序。
绝缘纸按规定尺寸裁切，包扎时绝缘纸不得卷曲成“U”形。保证线圈装配铁芯后浸漆时能完全浸透。
3.3.3 线圈检验。
对匝数仪进行计量，直流电阻和匝数均采用YG—108R匝数仪，不再用电桥测量直流电阻，保证检验员能全检匝数和电阻。
4. 结语
在Z4直流电机制造过程中，励磁线圈的制造质量控制很重要，必要的检验流程、检验设备必须按规定执行和配置。只要过程质量控制到位，电磁振动与噪音等比较难于查找原因的质量问题就不会发生。
【关键词】Z4直流电机；单相整流；电磁振动；噪音；铁芯叠压；松散；刷漆绕；匝间
1. 引言
直流电动机与交流异步电动机相比，因其结构复杂、制造成本高、运行维护困难等缺点，在很多机械设备上逐步被交流变频调速电机取代。但由于直流电机以其优良的调速性能、相对较低的初期投入，加上Z4系列直流电动机采用八角形全叠片结构能适应静止整流电源供电，并能承受较高的负载变化率。因此仍被广泛地应用在机床、造纸、印染、印刷、橡塑机械等行业。随着用户对环保、设备精度、电机可靠性等要求的提高，直流电机除了运行的力能指标、火花状态外，电磁振动和噪音逐步被用户重视。本文着重对Z4直流电机电磁振动和噪音生产的主要原因进行分析。
2. Z4直流电机电磁振动产生的原因分析
电磁振动与噪音是Z4直流电动机生产制造过程中的一个重要控制项。原先因采用直流发电机组试验，电磁振动与噪音不合格的电机很多情况下被漏检出厂。为确认电磁振动与噪音是在出厂时就已存在，还是在用户使用后发生的。为此，在生产线上改变试验方法，按照用户实际运行电源条件，用整流电源代替机组电源进行Z4电机的出厂试验项目，发现部分Z4电机存在电磁振动和噪音不合格的问题。尽管出现比列不高，但严重影响了电机合同订单的交付。因此，查找电磁振动与噪音产生的原因，成为一项十分迫切的任务。
按照常规分析，Z4直流电机电磁振动产生的主要原因有：铁芯叠压不紧、磁场不均衡和线圈松散。
为查找Z4直流电动机电磁振动和噪音产生的主要原因，采用更换零部件的逐一排除法，将不合格的零部件换下进行解剖分析。经过近三个月的不断测试分析、总结，终于找到了本公司Z4直流电机产生电磁振动的主要原因和次要原因。
2.1 主要原因：磁场不均衡，励磁线圈匝间。
（1）直流电机励磁回路和电枢回路通的是直流电，当励磁回路和电枢回路稳定运行时，理论上主极铁芯中的磁场是恒定的。因此当励磁绕组存在匝间短路时，短路线匝中因不存在变化的磁场而不会产生短路电流，也就不会像电枢绕组因匝间短路而快速烧毁，因此常被忽视。但是由于励磁绕组匝间短路，使磁路产生不对称，电枢受到了不对称的磁拉力，电枢挠度增加。
（2）同时，Z4直流电机运行时，定子、电枢绕组中通的是由工频交流电经过整流而获得的直流电。本公司中小型直流电机试验台配备的三套电源中，有一套的整流电源与用户实际使用电源条件相同：励磁绕组电源采用单相交流50Hz 220V、经整流变压器升压至单相交流50Hz 380V，再用单相半可控桥式整流器整流输出320V直流电。当需要不同的励磁电压（电流）时，通过调节整流模块中的可控整流元件的导通角来实现。
（3）众所周知，整流电源的整流原理决定其输出的直流电中含有一定成份的交流成份，即交流纹波。输出的直流电压与全导通的直流电压比例越小，可控整流元件的导通角越小，交流成份的纹波含量越高。当励磁绕组通以上述整流电源时，电机磁路中的磁场将是变化的，变化的幅度与电源中的交流纹波成份成非线性的正比关系。当励磁线圈存在匝间时，短路匝线圈中就会产生短路电流，短路匝中感生电流的大小与短路匝占整个线圈匝数比和电源交流纹波含量成正比例。短路匝线圈感生电流产生的磁场相位与正常线圈的磁场相反。因此，励磁绕组匝间后，电源中的交流纹波加剧了磁路不对称，且磁场存在交变成份，使电枢受到含有较大变化幅度的交变的磁拉力作用，电枢在变化的磁拉力的作用下产生电磁振动和噪音。
（4）实际试验现象验证上述分析：当将一台存在励磁线圈匝间的Z4电机，用直流发电机组电源给励磁回路通电时，电机振动和噪音非常正常；当用三相桥式整流电源（交流纹波含量很小）给励磁回路通电时，电机有轻微的电流声，振动和噪音合格；当用单相整流电源给励磁回路通电时，电机产生强烈的电磁振动和“嗡嗡”的电磁声，用测振仪测量接线盒（薄壁件）和鼓风机蜗壳上的振动值，振速最大值可达到8mm/s，严重影响电机的可靠运行和环保要求。通过对实际有电磁振动的电机统计分析，19台中有16台是由于匝间短路造成的电磁振动和电磁噪音异常，比例达到84.2%。
2.2 次要原因：线圈松散。
（1）Z4直流电机励磁绕组为“口”字型集中式绕组。对于中小型直流电机，励磁绕组常采用漆包圆铜线绕制。为保证线圈绕制后线圈外形整齐，直线部分不因鼓涨而影响磁极装配，线圈采用刷漆绕工艺，即线圈绕制时，每绕一层后用毛刷在线圈表面刷绝缘漆，绕完后带着绕线模放到烘箱中加热、固化，线圈出烘箱后拆除绕线模转入下道工序，进行绝缘包扎、铁芯装配、浸漆、烘干等工序。
（2）由于线圈制造、装配的工序较长，工序质量控制不到位，部分线圈存在线匝松动、松散的现象。当励磁线圈有部分线匝松散时，励磁绕组中通过含有交流纹波的励磁电流时，相邻的松散线匝间因电磁力的相互作用而产生线匝振动。对于励磁电压较低的电机，励磁线圈的线规较粗，松散线匝间的振动通过铁芯扩散，并释放电磁噪音。
实际试验验证结果：将一个线圈线匝松散的磁极放到非导磁的桌案上，线圈施加实际运行时单个线圈上的励磁电压，松散的线匝产生强烈的振动。
2.3 铁心叠压。
如果铁芯叠压时，因毛刺超差、叠压力不符合工艺要求时，磁极铁芯就会松动。当松动的铁芯套上线圈，线圈中通有交流纹波的电流时，铁芯中产生的含有交流成份的磁场就会在叠片铁芯钢板中产生涡流，钢板在变化的电磁力作用下，产生电磁振动。
在实际解剖线圈和铁芯过程中，发现铁心叠压过程质量控制较好，未发现有松动铁芯的问题而产生电磁振动的实例。
3. 电磁振动的过程控制
针对电磁振动产生的原因，对励磁线圈的制造过程进行跟踪调查和分析，找出了有匝间问题和松散的线圈漏检、下转的失效原因。 3.1 有匝间问题线圈漏检、下转。
（1）按照Z4直流电机半成品电气检试验规范规定：励磁线圈必须全检线圈匝数，线圈匝数误差不超过±0.2%；线圈直流电阻全检，相对设计值误差不大于±10%。
按职责分工和检验流程：绕线工绕线时，匝数的计量通过绕线机上的机械式或电子数显式计数器计数。刷漆绕完、烘干后不再自检匝数。线圈包绝缘前由专职检验员测量匝数和直流电阻。线圈匝数用YG—108R匝数仪测量，该匝数仪可以测量匝数、直流电阻，没有专门的匝间短路警示信号，但可以通过异常的匝数显示差异来定性判别线圈是否有匝间短路现象。
图1
（2）由于线圈制造工序工位多，当班检验员只有一个，需要兼顾交直流绕线、包线等众多工序，无法全检。加上检验员错误地认为：只要用电桥测量线圈直流电阻合格，匝数可以不测量。这就造成：当线圈有不超过10%的线匝短路时，因直流电阻实测值与设计值的偏差小于10%而被当做合格线圈漏检、下转。
3.2 线匝松散的漏检、下转。
（1）绕线工序：Z4电机磁极线圈刷漆绕制中，由于操作者怕漆四处乱甩，刷漆量不足、刷漆不均匀，尤其直边部分非塔型侧表层线圈匝间间隙大、匝间粘接力小，造成定型烘干、脱模过程中，线圈表面局部线匝松散。线圈下转包线工序前，未对松散线匝进行局部刷漆、二次固化的工作，见下图1。
（2）包线工序：线圈对地绝缘纸尺寸过宽，包扎后线圈表面绝缘纸为“U”型，图样要求为“L”型，造成线圈装铁心浸漆时绝缘下面形成气泡聚集区，使表层松散线匝无法通过浸漆而得到固化，见下图2。
图2
3.3 过程控制改进。
针对上述过程控制失效模式，制定了相应的控制措施，保证不合格线圈不下转。
3.3.1 绕线工序。
线圈固化定型、脱模后，松散线匝补刷绝缘漆、二次烘干、定型。同时配置手持式电动刮漆器，绕完线后必须线圈刮头，为检验员测量匝数和直流电阻创造条件。
3.3.2 包线工序。
绝缘纸按规定尺寸裁切，包扎时绝缘纸不得卷曲成“U”形。保证线圈装配铁芯后浸漆时能完全浸透。
3.3.3 线圈检验。
对匝数仪进行计量，直流电阻和匝数均采用YG—108R匝数仪，不再用电桥测量直流电阻，保证检验员能全检匝数和电阻。
4. 结语
在Z4直流电机制造过程中，励磁线圈的制造质量控制很重要，必要的检验流程、检验设备必须按规定执行和配置。只要过程质量控制到位，电磁振动与噪音等比较难于查找原因的质量问题就不会发生。