劉登元，郭福柱，楊 杰，岳躍進

應(yīng)用研究

三相無刷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

劉登元，郭福柱，楊 杰，岳躍進

（中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

針對三相無刷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部存在匝間短路故障的問題，提出一種轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)，以一臺1600 kW三相無刷隱極同步發(fā)電機為例，設(shè)計了此種端部絕緣結(jié)構(gòu)，詳細描述了這種絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，并應(yīng)用于此臺發(fā)電機中。結(jié)果表明：此轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)可以有效避免端部匝間絕緣短路，該方法可靠實用，為同類型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考。

三相無刷同步發(fā)電機 轉(zhuǎn)子繞組 匝間絕緣 端部結(jié)構(gòu) 設(shè)計方法

0 引言

與往復(fù)式內(nèi)燃機相配套組成發(fā)電機組，可作為國防、郵電通訊、機場、醫(yī)院、大廈以及石油勘探、工礦企業(yè)等部門的固定電源或備用電源。船舶電站通常以柴油機拖動同步發(fā)電機組成柴油發(fā)電機組[1]。當前，船用柴油發(fā)電機組正朝著大功率、高功率密度的方向發(fā)展[2]，成本低、勵磁可控以及設(shè)計方法成熟的電勵磁三相無刷同步發(fā)電機（以下簡稱“三相無刷同步發(fā)電機”）可通過改變勵磁繞組電流的大小方便調(diào)節(jié)氣隙磁場強度，從而實現(xiàn)寬范圍輸出電壓調(diào)節(jié)或調(diào)速，具備一定的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用優(yōu)勢，是船舶最重要的動力設(shè)備之一，直接為船舶提供電能，其運行狀態(tài)直接影響整個船舶電力設(shè)備[3～5]。

轉(zhuǎn)子繞組作為三相無刷同步發(fā)電機的主要部件，受運行環(huán)境的影響，絕緣狀態(tài)會發(fā)生劣化。當絕緣電阻下降到一定程度時，如果柴油機組繼續(xù)保持運行，會引起發(fā)電機繞組短路，形成短路電流，短路電流會導致轉(zhuǎn)子繞組局部過熱，進一步引起絕緣損壞，引發(fā)嚴重的發(fā)電機故障，威脅電力設(shè)備安全穩(wěn)定運行。轉(zhuǎn)子繞組匝間短路故障特征不明顯，且在故障初期對三相無刷同步發(fā)電機的正常運行幾乎沒有影響，常常被忽略。

對于三相無刷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣故障的研究，主要集中在對匝間短路的分析和識別上[6～9]，然而更重要的是如何在設(shè)計過程中有效避免轉(zhuǎn)子繞組匝間或?qū)Φ亟^緣故障。綜上所述，以一臺1600 kW，轉(zhuǎn)子繞組為銅扁線的三相無刷隱極同步發(fā)電機為例，設(shè)計一種端部底箍絕緣結(jié)構(gòu)，簡稱“端部絕緣結(jié)構(gòu)”，對端部絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行分析說明，應(yīng)用于此臺發(fā)電機，根據(jù)三相無刷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組技術(shù)要求，進行匝間與對地耐壓試驗，經(jīng)試驗滿足匝間與對地耐壓性能要求。

1 轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)類型

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組絕緣故障一般表現(xiàn)為接地或短路故障，按照其嚴重程度，又可以分為匝間、層間短路，轉(zhuǎn)子繞組一點接地和兩點接地[10]。三相無刷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部護環(huán)因設(shè)計或安裝工藝引發(fā)的絕緣故障時有發(fā)生，護環(huán)一般采用合成樹脂，其類型按結(jié)構(gòu)可分為：

1）轉(zhuǎn)子繞組端部環(huán)狀體內(nèi)圓安裝以轉(zhuǎn)軸定位的輪輻形線圈架，端部環(huán)狀體外圓有序纏繞多層H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶真空浸漆后與繞組端部固化為一體的聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶型結(jié)構(gòu)如圖1所示，簡稱“外護環(huán)內(nèi)線圈架一體化絕緣結(jié)構(gòu)”

2）轉(zhuǎn)子繞組端部外圓安裝用無堿無捻玻璃纖維紗與環(huán)氧樹脂預(yù)先固化而成的預(yù)制外護環(huán)型結(jié)構(gòu)。

3）在轉(zhuǎn)子繞組端部內(nèi)圓處布置內(nèi)護環(huán)，并與轉(zhuǎn)子繞組端部用綁扎帶綁扎而成的預(yù)制內(nèi)護環(huán)型結(jié)構(gòu)。

4）在轉(zhuǎn)子端部外圓與內(nèi)圓處分別安裝預(yù)先固化的內(nèi)護環(huán)與外護環(huán)，并與繞組端部適當綁扎。這四種類型結(jié)構(gòu)中外護環(huán)內(nèi)線圈架一體化絕緣結(jié)構(gòu)端部強度既能保證轉(zhuǎn)子繞組端部與轉(zhuǎn)軸同心，又能保證外護環(huán)承受轉(zhuǎn)子繞組端部旋轉(zhuǎn)時的載荷，廣泛應(yīng)用于船舶三相交流無刷同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部。但是這種結(jié)構(gòu)也存在自身的不足，由于轉(zhuǎn)子繞組出線端存在重間、極間的連接，連接之后需要進行適當?shù)慕^緣包扎，絕緣之后每匝線圈在靜止或工作狀態(tài)下受離心力、線圈架支撐力、綁扎環(huán)預(yù)緊力的作用，容易發(fā)生匝間或?qū)娱g短路，尤其是轉(zhuǎn)子繞組線圈為銅扁線的情況。為此，在出線端轉(zhuǎn)子繞組底部與線圈架之間設(shè)計底箍，在底箍上根據(jù)轉(zhuǎn)子線圈的繞制情況開槽，轉(zhuǎn)子繞組重間與匝間連線有效嵌入端部絕緣結(jié)構(gòu)槽內(nèi)，保證轉(zhuǎn)子繞組每匝線圈受力均勻的絕緣結(jié)構(gòu)，簡稱“端部絕緣結(jié)構(gòu)”，裝有此種端部絕緣結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子繞組端部示意圖如圖2所示。

圖1 聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶型轉(zhuǎn)子繞組端部結(jié)構(gòu)

圖2 裝有端部絕緣結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子繞組端部

2 轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2.1 發(fā)電機基本參數(shù)以及轉(zhuǎn)子繞組連接

以一臺1600 kW，轉(zhuǎn)子繞組電磁線為銅扁線的三相無刷隱極同步發(fā)電機為例，對這種聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶型轉(zhuǎn)子繞組端部結(jié)構(gòu)進行改進，三相無刷隱極同步發(fā)電機基本參數(shù)如表1所示。

所研究的三相無刷隱極同步轉(zhuǎn)子繞組線圈為單層同心式線圈，線圈按繞線模尺寸繞制，每個線圈六重，每重25匝，并繞根數(shù)2，轉(zhuǎn)子繞組連接示意圖如圖3所示。

表1 發(fā)電機基本參數(shù)

圖3 轉(zhuǎn)子繞組接線示意圖

轉(zhuǎn)子繞組嵌線示意圖如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子繞組嵌線示意圖

轉(zhuǎn)子槽號按圖標示，第一重線圈第6槽與第13槽，線圈順時針繞制，第1匝首端在第13槽，第25匝末端在第6槽；第二重線圈第5槽與第14槽，線圈逆時針繞制，第1匝首端在第5槽，第25匝末端在第14槽；第三重線圈第4槽與第15槽，線圈順時針繞制，第1匝首端在第15槽，第25匝末端在第4槽；第四重線圈第3槽與第16槽，線圈逆時針繞制，第1匝首端在第3槽，第25匝末端在第16槽；第五重線圈第2槽與第17槽，線圈順時針繞制，第1匝首端在第17槽，第25匝末端在第2槽；第六重線圈第1槽與第18槽，線圈逆時針繞制，第1匝首端在第1槽，第25匝末端在第18槽，其余極六重線圈同理可得。

六重線圈繞制完成嵌線過程進行重間的連接，第一重線圈末端（位于第6槽）與第二重線圈的末端（位于第14槽）、第二重線圈首端（位于第5槽）與第三重線圈的首端（位于第15槽）、第三重線圈末端（位于第4槽）與第四重線圈的末端（位于第16槽）、第四重線圈首端（位于第3槽）與第五重線圈的首端（位于第17槽）、第五重線圈末端（位于第2槽）與第六重線圈的末端（位于第18槽）依次連接。根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組接線示意圖進行極間的連接，第一極第一重線圈首端（位于第13槽）與第二極第一重線圈首端（位于第31槽），第二極第六重線圈首端（位于第19槽）與第三極第六重線圈首端（位于第37槽），第三極第一重線圈首端（位于第49槽）與第四極第一重線圈首端（位于第67槽），重間、極間采用對接焊，焊接完成之后先用聚酰亞胺薄膜單面補強粉云母帶半疊包兩層，再用無堿玻璃纖維帶ET100半迭包一層，由于極間、重間連線在線圈架表面是互相交錯布置的，導致線圈端部內(nèi)圓內(nèi)側(cè)排列不整齊，在對繞組端部外圓進行端部環(huán)狀體外圓有序纏繞多層H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶時，繞組端部在壓力作用下，向徑向移動，極間、重間連線交錯部位互相擠壓，容易會發(fā)生匝間短路現(xiàn)象，線圈架與轉(zhuǎn)子繞組之間底箍上設(shè)計具有引線槽的端部絕緣結(jié)構(gòu)能夠使得極間和重間引線能夠有效嵌入，引線不占用端部電磁線空間，端部電磁線均勻分布，外護環(huán)在一定外力情況下繞制，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組受力均勻，不會造成受力不均而使絕緣受損。

2.2 轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)

用H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶繞制內(nèi)徑為Φ501，外徑為Φ531，寬為41的端部絕緣結(jié)構(gòu)，繞制完成后熱烘固化，根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組接線示意圖以及每重線圈在端部的分布，在成型的底箍外表面加工引線槽，重間、極間連線置于端部絕緣結(jié)構(gòu)槽內(nèi)，轉(zhuǎn)子繞組端部空間有效利用，端部絕緣結(jié)構(gòu)三維模型如圖5（a）所示，實物加工如圖5（b）所示。

在線圈架（固定于轉(zhuǎn)軸上）上與端部絕緣結(jié)構(gòu)之間設(shè)置主要起支撐繞組端部作用固定U形鋼箍，將轉(zhuǎn)子繞組置于U形鋼箍內(nèi)，嵌線完成以后，用特定拉力對繞組端部外圓用H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網(wǎng)狀無緯綁扎帶綁扎處理，高溫固化成型，真空浸漆。

圖5 端部絕緣結(jié)構(gòu)三維模型及實物圖

3 轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)嵌線過程與試驗結(jié)果

轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)嵌線過程如圖6所示。嵌線完成后絕緣結(jié)構(gòu)整體效果如圖7所示。

根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組技術(shù)要求對繞組做匝間耐壓試驗，試驗電壓2500 V，匝間不得擊穿。嵌線后做對地耐壓試驗，試驗電壓2500 V，歷時1 min，不得擊穿。經(jīng)試驗滿足技術(shù)要求。

圖6 轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)嵌線過程

圖7 端部絕緣結(jié)構(gòu)嵌線后整體效果圖

按照三相無刷同步發(fā)電機試驗大綱進行出廠試驗，所有試驗滿足出廠試驗要求。

4 結(jié)論

對轉(zhuǎn)子繞組電磁線為銅扁線的三相無刷隱極同步發(fā)電機端部在旋轉(zhuǎn)過程中容易發(fā)生的匝間故障設(shè)計了一種端部底箍絕緣結(jié)構(gòu)，對這種絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法進行了詳細闡述，此轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)可以有效避免端部匝間絕緣短路，改進了傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子繞組端部設(shè)計結(jié)構(gòu)，能夠使得極間和重間引線有效嵌入端部絕緣結(jié)構(gòu)槽內(nèi)，引線不占用端部電磁線空間，端部電磁線均勻分布，受力均勻，從而可以有效避免船舶三相無刷同步發(fā)電機在靜態(tài)或動態(tài)過程中匝間短路現(xiàn)象發(fā)生。

該端部底箍絕緣結(jié)構(gòu)可靠實用并且可以做到轉(zhuǎn)子繞組端部外觀美觀，為同類型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組端部絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計提供借鑒和參考，具有一定的使用價值。

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Design of rotor winding end insulation structure of three-phase brushless synchronous generator

Liu Dengyuan, Guo Fuzhu, Yang Jie, Yue Yuejin

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology Co., Ltd. , Taiyuan 030027, China)

TM314

A

1003-4862（2023）02-0005-04

2022-08-01

國家重點研發(fā)計劃項目（SQ2018YFB150133）

劉登元（1982-），男，高級工程師，研究方向：船用三相無刷同步發(fā)電機的設(shè)計與研究。E-mail：544039752@qq.com

郭福柱（1986-），男，工程師，研究方向：船用三相無刷同步發(fā)電機的設(shè)計與研究。E-mail：guofuzhu1027@163.com