袁春龍

(1.南車(chē)株洲電機(jī)有限公司，河南株洲 412001;2.北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引言

電機(jī)制作過(guò)程將繞組安裝到鐵心槽內(nèi)并加以固定的工藝過(guò)程稱(chēng)為嵌線(xiàn)［1］。硬繞組的嵌線(xiàn)方法主要有嵌入法和插入法，多匝成型繞組的嵌裝只能采用嵌入法。嵌線(xiàn)過(guò)程在嵌至最后一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈時(shí)，需要將第一節(jié)距線(xiàn)圈的上層邊抬升至高于鐵心外圓表面，抬升的高度以使最后一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈的下層邊能夠順利嵌入鐵心槽內(nèi)為準(zhǔn)。以上工藝過(guò)程稱(chēng)為翻槽，第一節(jié)距線(xiàn)圈稱(chēng)為翻槽線(xiàn)圈。

在嵌線(xiàn)翻槽過(guò)程中，線(xiàn)圈抬升將產(chǎn)生變形，如果線(xiàn)圈匝數(shù)較多，跨距較小，整個(gè)線(xiàn)圈剛性較大，線(xiàn)圈直線(xiàn)邊在槽內(nèi)將受到較大力量的擠壓，容易對(duì)線(xiàn)圈對(duì)地絕緣及槽絕緣造成損傷，特別是槽口位置，損傷后不易發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致電機(jī)存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。

線(xiàn)圈是電機(jī)的關(guān)鍵部件，線(xiàn)圈絕緣的完整及可靠直接影響電機(jī)運(yùn)行壽命。線(xiàn)圈在嵌裝過(guò)程中，特別是嵌線(xiàn)翻槽過(guò)程對(duì)線(xiàn)圈絕緣損傷最為嚴(yán)重且難于發(fā)現(xiàn)。因此，選擇好的翻槽工藝對(duì)線(xiàn)圈絕緣的可靠性有著至關(guān)重要的影響。本文在此基礎(chǔ)上提出內(nèi)定子結(jié)構(gòu)大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)成型繞組無(wú)損嵌線(xiàn)工藝。

文獻(xiàn)［2］對(duì)雙層迭繞組繞線(xiàn)、嵌線(xiàn)工藝進(jìn)行改革，去掉接線(xiàn)工序，把有接頭線(xiàn)圈改為無(wú)接頭提高了效率。文獻(xiàn)［3］提出了通過(guò)三相交流繞組展開(kāi)圖來(lái)確定嵌線(xiàn)工藝的方法。文獻(xiàn)［4］對(duì)高壓電機(jī)容量較大，定子槽數(shù)少，鐵心內(nèi)圓直徑小而長(zhǎng)，而線(xiàn)圈的節(jié)距卻很大，截面也很大，使定子嵌線(xiàn)過(guò)程極為困難。在易發(fā)生線(xiàn)圈絕緣受損而引起擊穿故障的情況下，提出了嵌線(xiàn)工藝的改進(jìn)方法。文獻(xiàn)［5］研究了定子嵌線(xiàn)新工藝在定子上層線(xiàn)棒、下層線(xiàn)棒、定子繞組嵌線(xiàn)槽楔裝配中的優(yōu)點(diǎn)及具體的施工操作方法。但以上文獻(xiàn)均是對(duì)傳統(tǒng)嵌線(xiàn)工藝方法的研究和改進(jìn)，沒(méi)有對(duì)嵌線(xiàn)過(guò)程中翻槽工藝進(jìn)行研究。

1 內(nèi)定子結(jié)構(gòu)大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及傳統(tǒng)嵌線(xiàn)工藝

1．1 內(nèi)定子結(jié)構(gòu)大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)采用內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，定子線(xiàn)圈嵌放在圓柱體結(jié)構(gòu)鐵心外圓表面的鐵心槽內(nèi)。由于定子直徑較大，定子嵌線(xiàn)作業(yè)時(shí)一般將定子鐵心軸線(xiàn)垂直地面放置在嵌線(xiàn)支撐架上，定子線(xiàn)圈垂直地面嵌入鐵心槽。為防止線(xiàn)圈下墜，保證線(xiàn)圈端部平齊，在線(xiàn)圈下端部設(shè)置一圈支撐板支撐線(xiàn)圈。

大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子采用多匝成形繞組，由于電機(jī)定子極數(shù)多，線(xiàn)圈跨距很小。同時(shí)由于額定電流大，繞組的截面積較大。以上原因?qū)е戮€(xiàn)圈剛性較大，變形困難，嵌線(xiàn)翻槽工藝難于實(shí)現(xiàn)。

1．2 嵌線(xiàn)工藝

先嵌放第一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈的下層邊進(jìn)入槽底，同時(shí)其對(duì)應(yīng)的上層邊調(diào)整進(jìn)入相應(yīng)的槽內(nèi)。嵌放第二個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈時(shí)，先嵌下層邊，然后將上層邊嵌入已嵌放下層邊的相應(yīng)槽內(nèi)，同時(shí)嵌裝好槽楔。當(dāng)嵌至最后一個(gè)節(jié)距的線(xiàn)圈時(shí)，需將第一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈的上層邊強(qiáng)力抬出槽部，適當(dāng)抬升至高于鐵心外圓表面，相應(yīng)鐵心槽內(nèi)嵌入最后一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈的下層邊。由于線(xiàn)圈變形困難，以上作業(yè)過(guò)程易造成線(xiàn)圈對(duì)地絕緣和槽絕緣受到擠壓造成損傷。

為了提高嵌線(xiàn)翻槽過(guò)程中絕緣的可靠性，可采用翻槽線(xiàn)圈預(yù)變形的工藝方法。該工藝方法需預(yù)先設(shè)計(jì)制作翻槽線(xiàn)圈成形模，該翻槽線(xiàn)圈成形模為利用與實(shí)物定子相同的扇形沖片疊壓而成的一段鐵心，槽數(shù)以滿(mǎn)足翻槽時(shí)所需線(xiàn)圈數(shù)量為準(zhǔn)。翻槽線(xiàn)圈預(yù)先嵌入該成形模槽內(nèi)，適當(dāng)抬升上層邊實(shí)現(xiàn)對(duì)翻槽線(xiàn)圈的預(yù)變形。完成預(yù)變形的線(xiàn)圈退出成形模后進(jìn)行絕緣修包，作為首先嵌放的一個(gè)節(jié)距的線(xiàn)圈正常嵌線(xiàn)。每臺(tái)定子需預(yù)變形的線(xiàn)圈數(shù)量為一個(gè)節(jié)距的線(xiàn)圈。

采用上述工藝方法有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)在成形模上對(duì)線(xiàn)圈預(yù)變形，方便控制線(xiàn)圈翻槽抬升時(shí)的力度及變形量。(2)預(yù)變形時(shí)線(xiàn)圈外包保護(hù)帶，可有效保護(hù)線(xiàn)圈本體絕緣。(3)翻槽線(xiàn)圈預(yù)變形后再進(jìn)行對(duì)地絕緣的包扎，避免了翻槽過(guò)程中對(duì)外包絕緣可能造成的損傷。(4)避免了線(xiàn)圈嵌入鐵心槽后的抬升操作，減少了由于翻槽抬升線(xiàn)圈對(duì)線(xiàn)圈絕緣造成的破壞。

以上兩種嵌線(xiàn)翻槽工藝存在相同缺陷，即操作過(guò)程中存在翻槽線(xiàn)圈的變形。其差別在于是線(xiàn)圈嵌入鐵心槽內(nèi)后進(jìn)行抬升變形還是在嵌線(xiàn)之前對(duì)線(xiàn)圈預(yù)先進(jìn)行變形。翻槽線(xiàn)圈的變形導(dǎo)致線(xiàn)圈上層邊跨距、角度將出現(xiàn)大的差異，線(xiàn)圈上層邊入槽時(shí)依然比較困難，存在擠壓，仍將對(duì)線(xiàn)圈絕緣造成破壞;并且線(xiàn)圈端部尺寸、形狀難于恢復(fù)，外觀較差。上述兩種嵌線(xiàn)翻槽工藝過(guò)程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)嵌線(xiàn)工藝過(guò)程示意圖(線(xiàn)圈節(jié)距1～3)

2 無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽工藝方法

2．1 無(wú)損嵌線(xiàn)工藝實(shí)現(xiàn)過(guò)程

嵌線(xiàn)翻槽過(guò)程翻槽線(xiàn)圈存在變形，將對(duì)線(xiàn)圈絕緣造成破壞，導(dǎo)致電機(jī)存在嚴(yán)重的質(zhì)量隱患。本文提出的嵌線(xiàn)工藝方法避免了翻槽過(guò)程形成的線(xiàn)圈變形，減少了線(xiàn)圈絕緣損傷的幾率，稱(chēng)為無(wú)損嵌線(xiàn)工藝。

該嵌線(xiàn)工藝嵌放第一個(gè)節(jié)距的線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈下層邊不進(jìn)入槽內(nèi)，下層邊下緣與鐵心槽口平齊。此時(shí)其上層邊將距離相應(yīng)槽口一個(gè)線(xiàn)匝的高度，可以滿(mǎn)足最后一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈下層邊的嵌放要求。

為實(shí)現(xiàn)以上操作，需設(shè)計(jì)制作專(zhuān)用的線(xiàn)圈固定工裝。針對(duì)帶通風(fēng)槽的分段鐵心結(jié)構(gòu)的定子，該線(xiàn)圈固定工裝在上、中、下三部分卡入翻槽位置，定子鐵心通風(fēng)槽板之間;針對(duì)不帶通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)的定子，該線(xiàn)圈固定工裝分上、下兩部分安裝在鐵心兩端槽口位置。線(xiàn)圈固定工裝安裝在定子鐵心上，作為翻槽位置鐵心槽的延伸，相鄰工裝間寬度為一個(gè)槽型寬度。嵌放第一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈時(shí)，線(xiàn)圈下層邊不進(jìn)入鐵心槽內(nèi)，而是通過(guò)線(xiàn)圈固定工裝固定在槽口位置。線(xiàn)圈下端鼻部放置在定位支撐板上，線(xiàn)圈不會(huì)傾覆。

隨后嵌入第二個(gè)節(jié)距的線(xiàn)圈時(shí)，可以調(diào)整下層邊部分進(jìn)入槽內(nèi)。嵌入第三個(gè)節(jié)距的線(xiàn)圈時(shí)，可以調(diào)整下層邊更多比例地進(jìn)入槽內(nèi)。此過(guò)程需要一個(gè)過(guò)渡區(qū)域，過(guò)渡區(qū)域長(zhǎng)短與線(xiàn)圈剛性相關(guān)。由于線(xiàn)圈剛性大，過(guò)渡區(qū)域相應(yīng)較長(zhǎng)。所有過(guò)渡區(qū)域線(xiàn)圈暫不嵌入槽底，當(dāng)最后一個(gè)節(jié)距線(xiàn)圈完全入槽后，再將過(guò)渡區(qū)域的線(xiàn)圈完全嵌入槽內(nèi)。

采用以上嵌線(xiàn)工藝過(guò)程避免了線(xiàn)圈的變形，存在以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)省去了制作翻槽線(xiàn)圈的步驟，節(jié)約了制作翻槽線(xiàn)圈所需的場(chǎng)地;(2)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。由于此類(lèi)型電機(jī)的線(xiàn)圈線(xiàn)規(guī)比較大，導(dǎo)致翻槽困難且勞動(dòng)強(qiáng)度大;(3)翻槽位置線(xiàn)圈不再需要多次變形，避免了變形過(guò)程中給線(xiàn)圈絕緣帶來(lái)的損傷，很大程度上提高了電機(jī)的絕緣完整性及可靠性。

無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽工藝過(guò)程示意圖如圖2所示。

圖2 無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽工藝過(guò)程示意圖(線(xiàn)圈節(jié)距1～3)

2．2 無(wú)損嵌線(xiàn)工藝與傳統(tǒng)嵌線(xiàn)翻槽工藝方法對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果

為驗(yàn)證以上無(wú)損嵌線(xiàn)工藝的應(yīng)用效果，選擇1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)過(guò)程如下:選擇1臺(tái)1.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子。該定子線(xiàn)圈分成2部分進(jìn)行嵌線(xiàn)，嵌線(xiàn)過(guò)程分別使用以下兩種嵌線(xiàn)方法:翻槽線(xiàn)圈預(yù)變形工藝方法和無(wú)損嵌線(xiàn)工藝方法。嵌線(xiàn)完成后分別對(duì)6件預(yù)變形翻槽線(xiàn)圈、6件無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽線(xiàn)圈、6件非翻槽線(xiàn)圈進(jìn)行工頻對(duì)地耐壓擊穿試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1示。

上述試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽線(xiàn)圈與非翻槽線(xiàn)圈對(duì)地?fù)舸╇妷褐禐?1.0～16.0 kV，平均擊穿電壓相近，說(shuō)明采用無(wú)損嵌線(xiàn)工藝方法的線(xiàn)圈與正常的未翻槽線(xiàn)圈絕緣情況無(wú)明顯區(qū)別。

(2)預(yù)變形翻槽線(xiàn)圈平均對(duì)地?fù)舸╇妷褐禐?2.8 kV，低于無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽線(xiàn)圈與非翻槽線(xiàn)圈對(duì)地?fù)舸╇妷褐?，并且?shù)據(jù)分散性較大，其中3號(hào)線(xiàn)圈對(duì)地?fù)舸╇妷褐禐?.6 kV，明顯低于其他線(xiàn)圈擊穿電壓值。說(shuō)明采用該翻槽方式可能導(dǎo)致線(xiàn)圈絕緣受損的情況發(fā)生。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析傳統(tǒng)翻槽工藝在大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子存在的缺陷，本文提出的無(wú)損嵌線(xiàn)工藝能夠避免線(xiàn)圈變形過(guò)程中帶來(lái)的絕緣的損傷。在1.5 MW、2.5 MW永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)批量制造過(guò)程的實(shí)際應(yīng)用表明，無(wú)損嵌線(xiàn)翻槽工藝在提高電機(jī)絕緣可靠性、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動(dòng)強(qiáng)度方面體現(xiàn)出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。本文提出的無(wú)損嵌線(xiàn)工藝方法對(duì)各類(lèi)大型永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)定子嵌線(xiàn)工藝具有一定的參考價(jià)值和實(shí)際意義。

［1］劉云.交流電機(jī)繞組的嵌裝與接線(xiàn)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［2］陳長(zhǎng)孝.兩極高壓電機(jī)定子的嵌線(xiàn)技術(shù)改進(jìn)［J］.大電機(jī)技術(shù)，1992(6):25-26.

［3］郭鳳秋，潘耀香.發(fā)電機(jī)定子嵌線(xiàn)新工藝在引子渡水電站的應(yīng)用［J］.貴州水力發(fā)電，2003(5):64-66.