成型繞組無損嵌線工藝在大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機中的應(yīng)用

袁春龍

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

0 引言

電機制作過程將繞組安裝到鐵心槽內(nèi)并加以固定的工藝過程稱為嵌線［1］。硬繞組的嵌線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。嵌線過程在嵌至最后一個節(jié)距線圈時，需要將第一節(jié)距線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節(jié)距線圈的下層邊能夠順利嵌入鐵心槽內(nèi)為準。以上工藝過程稱為翻槽，第一節(jié)距線圈稱為翻槽線圈。

在嵌線翻槽過程中，線圈抬升將產(chǎn)生變形，如果線圈匝數(shù)較多，跨距較小，整個線圈剛性較大，線圈直線邊在槽內(nèi)將受到較大力量的擠壓，容易對線圈對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)，導致電機存在嚴重的質(zhì)量隱患。

線圈是電機的關(guān)鍵部件，線圈絕緣的完整及可靠直接影響電機運行壽命。線圈在嵌裝過程中，特別是嵌線翻槽過程對線圈絕緣損傷最為嚴重且難于發(fā)現(xiàn)。因此，選擇好的翻槽工藝對線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)風力發(fā)電機成型繞組無損嵌線工藝。

文獻［2］對雙層迭繞組繞線、嵌線工藝進行改革，去掉接線工序，把有接頭線圈改為無接頭提高了效率。文獻［3］提出了通過三相交流繞組展開圖來確定嵌線工藝的方法。文獻［4］對高壓電機容量較大，定子槽數(shù)少，鐵心內(nèi)圓直徑小而長，而線圈的節(jié)距卻很大，截面也很大，使定子嵌線過程極為困難。在易發(fā)生線圈絕緣受損而引起擊穿故障的情況下，提出了嵌線工藝的改進方法。文獻［5］研究了定子嵌線新工藝在定子上層線棒、下層線棒、定子繞組嵌線槽楔裝配中的優(yōu)點及具體的施工操作方法。但以上文獻均是對傳統(tǒng)嵌線工藝方法的研究和改進，沒有對嵌線過程中翻槽工藝進行研究。

1 內(nèi)定子結(jié)構(gòu)大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機定子結(jié)構(gòu)特點及傳統(tǒng)嵌線工藝

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

結(jié)構(gòu)特點

大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機采用內(nèi)定子結(jié)構(gòu)，定子線圈嵌放在圓柱體結(jié)構(gòu)鐵心外圓表面的鐵心槽內(nèi)。由于定子直徑較大，定子嵌線作業(yè)時一般將定子鐵心軸線垂直地面放置在嵌線支撐架上，定子線圈垂直地面嵌入鐵心槽。為防止線圈下墜，保證線圈端部平齊，在線圈下端部設(shè)置一圈支撐板支撐線圈。

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

1．2 嵌線工藝

先嵌放第一個節(jié)距線圈的下層邊進入槽底，同時其對應(yīng)的上層邊調(diào)整進入相應(yīng)的槽內(nèi)。嵌放第二個節(jié)距線圈時，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)，同時嵌裝好槽楔。當嵌至最后一個節(jié)距的線圈時，需將第一個節(jié)距線圈的上層邊強力抬出槽部，適當抬升至高于鐵心外圓表面，相應(yīng)鐵心槽內(nèi)嵌入最后一個節(jié)距線圈的下層邊。由于線圈變形困難，以上作業(yè)過程易造成線圈對地絕緣和槽絕緣受到擠壓造成損傷。

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

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

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

圖1 傳統(tǒng)嵌線工藝過程示意圖(線圈節(jié)距1～3)

2 無損嵌線翻槽工藝方法

2．1 無損嵌線工藝實現(xiàn)過程

嵌線翻槽過程翻槽線圈存在變形，將對線圈絕緣造成破壞，導致電機存在嚴重的質(zhì)量隱患。本文提出的嵌線工藝方法避免了翻槽過程形成的線圈變形，減少了線圈絕緣損傷的幾率，稱為無損嵌線工藝。

該嵌線工藝嵌放第一個節(jié)距的線圈時，線圈下層邊不進入槽內(nèi)，下層邊下緣與鐵心槽口平齊。此時其上層邊將距離相應(yīng)槽口一個線匝的高度，可以滿足最后一個節(jié)距線圈下層邊的嵌放要求。

為實現(xiàn)以上操作，需設(shè)計制作專用的線圈固定工裝。針對帶通風槽的分段鐵心結(jié)構(gòu)的定子，該線圈固定工裝在上、中、下三部分卡入翻槽位置，定子鐵心通風槽板之間;針對不帶通風槽結(jié)構(gòu)的定子，該線圈固定工裝分上、下兩部分安裝在鐵心兩端槽口位置。線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槽型寬度。嵌放第一個節(jié)距線圈時，線圈下層邊不進入鐵心槽內(nèi)，而是通過線圈固定工裝固定在槽口位置。線圈下端鼻部放置在定位支撐板上，線圈不會傾覆。

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

采用以上嵌線工藝過程避免了線圈的變形，存在以下幾個優(yōu)點:(1)省去了制作翻槽線圈的步驟，節(jié)約了制作翻槽線圈所需的場地;(2)降低了勞動強度。由于此類型電機的線圈線規(guī)比較大，導致翻槽困難且勞動強度大;(3)翻槽位置線圈不再需要多次變形，避免了變形過程中給線圈絕緣帶來的損傷，很大程度上提高了電機的絕緣完整性及可靠性。

無損嵌線翻槽工藝過程示意圖如圖2所示。

圖2 無損嵌線翻槽工藝過程示意圖(線圈節(jié)距1～3)

2．2 無損嵌線工藝與傳統(tǒng)嵌線翻槽工藝方法對比驗證結(jié)果

為驗證以上無損嵌線工藝的應(yīng)用效果，選擇1.5 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機定子進行試驗分析。試驗過程如下:選擇1臺1.5 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機定子。該定子線圈分成2部分進行嵌線，嵌線過程分別使用以下兩種嵌線方法:翻槽線圈預(yù)變形工藝方法和無損嵌線工藝方法。嵌線完成后分別對6件預(yù)變形翻槽線圈、6件無損嵌線翻槽線圈、6件非翻槽線圈進行工頻對地耐壓擊穿試驗。試驗結(jié)果如表1示。

上述試驗結(jié)果表明:

(1)無損嵌線翻槽線圈與非翻槽線圈對地擊穿電壓值為11.0～16.0 kV，平均擊穿電壓相近，說明采用無損嵌線工藝方法的線圈與正常的未翻槽線圈絕緣情況無明顯區(qū)別。

(2)預(yù)變形翻槽線圈平均對地擊穿電壓值為12.8 kV，低于無損嵌線翻槽線圈與非翻槽線圈對地擊穿電壓值，并且數(shù)據(jù)分散性較大，其中3號線圈對地擊穿電壓值為7.6 kV，明顯低于其他線圈擊穿電壓值。說明采用該翻槽方式可能導致線圈絕緣受損的情況發(fā)生。

3 結(jié)語

通過分析傳統(tǒng)翻槽工藝在大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機定子存在的缺陷，本文提出的無損嵌線工藝能夠避免線圈變形過程中帶來的絕緣的損傷。在1.5 MW、2.5 MW永磁直驅(qū)風力發(fā)電機批量制造過程的實際應(yīng)用表明，無損嵌線翻槽工藝在提高電機絕緣可靠性、保證產(chǎn)品質(zhì)量、降低勞動強度方面體現(xiàn)出較強的優(yōu)勢。本文提出的無損嵌線工藝方法對各類大型永磁直驅(qū)風力發(fā)電機定子嵌線工藝具有一定的參考價值和實際意義。

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

［2］陳長孝.兩極高壓電機定子的嵌線技術(shù)改進［J］.大電機技術(shù)，1992(6):25-26.

［3］郭鳳秋，潘耀香.發(fā)電機定子嵌線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.