18.5 MW樣機(jī)定子線圈結(jié)構(gòu)及嵌線制造工藝分析

李 蕾

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

18.5 MW樣機(jī)定子鐵心為半開口槽結(jié)構(gòu)，原定子繞組設(shè)計(jì)采用1路并聯(lián)，定子線圈采用內(nèi)、外嵌套圈式結(jié)構(gòu)。此結(jié)構(gòu)線圈我公司是第一次做實(shí)物，沒有任何制作經(jīng)驗(yàn)。為確定此結(jié)構(gòu)定子線圈及嵌線制造工藝的可操作性，我們制作了模擬鐵心，進(jìn)行了定子繞組不同結(jié)構(gòu)及嵌線工藝的驗(yàn)證。

1 定子線圈結(jié)構(gòu)的確定

我們擬定了三套驗(yàn)證方案：定子繞組采用1路、4路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，線圈采用內(nèi)、外嵌套圈式及分爿圈式結(jié)構(gòu)的嵌線工藝驗(yàn)證。

1.1 定子繞組采用1路并聯(lián)結(jié)構(gòu)；定子線圈2×4根并繞2匝，內(nèi)、外線圈嵌套方式(見圖1)。

(1) 此結(jié)構(gòu)線圈導(dǎo)線根數(shù)多，內(nèi)、外線圈各8根，線規(guī)大(2.46 mm×8.83 mm)只能單片繞線，每4根一繞，每只線圈需要分四次繞線后嵌套合并在一起，制造難度高。

(2) 內(nèi)、外線圈嵌套后，引線端鼻部空隙大(內(nèi)外線圈鼻部相差四根導(dǎo)線厚度，約10 mm)，為滿足線圈成型，需用紙板填滿其間隙，耗費(fèi)人力物力，且線圈整體一致性差。

(3) 線圈成型時(shí)引線需避開設(shè)備鼻梢位置，引線變形量大；內(nèi)、外線圈引線有32根之多，人工成型引線復(fù)位困難，導(dǎo)線絕緣損傷嚴(yán)重。

圖1 線圈截面示意圖

(4) 我們采用模擬鐵心進(jìn)行試嵌，由于定子鐵心為半開口槽結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外線圈嵌線時(shí)需四次嵌入，極易造成線圈鼻部、引線相互干涉影響嵌線。

(5) 一路并聯(lián)結(jié)構(gòu)，考慮電機(jī)電負(fù)荷大，導(dǎo)體之間會發(fā)生循環(huán)電流和集膚效應(yīng)，損耗很大，線圈極間連接時(shí)需要進(jìn)行羅貝爾換位，焊接位置還需要包扎絕緣；由于引出線根數(shù)多，而定子鐵心軸向、徑向尺寸有限制，羅貝爾換位連接方式很難實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)以上驗(yàn)證結(jié)果，我們認(rèn)為第一套驗(yàn)證方案線圈及嵌線制造工藝性很差，無法保證制造質(zhì)量。

1.2 定子繞組采用4路并聯(lián)結(jié)構(gòu)；定子線圈2×1根并繞8匝，內(nèi)、外線圈嵌套方式(見圖2)。

圖2 線圈截面示意圖

(1) 此結(jié)構(gòu)線圈繞線根數(shù)少(2根)，每只線圈分兩次繞線后嵌套合并即可，與一路并聯(lián)方式相比，繞線時(shí)間縮短了一倍，線圈整體一致性也有很大改善。

(2) 內(nèi)、外線圈合并后，引線端鼻部間隙填充量小(內(nèi)外線圈鼻部相差一根導(dǎo)線厚度，約2.4 mm)，簡便了操作過程。

(3) 內(nèi)、外線圈引線只有8根，線圈成型時(shí)引線變形量小，引線成型較1路并聯(lián)結(jié)構(gòu)容易，絕緣損傷情況有很大改善。

(4) 內(nèi)、外線圈由4個(gè)線圈組成，線圈直線須分別匝間膠化，匝間膠化前4個(gè)線圈之間墊包防護(hù)材料很繁瑣，極易出現(xiàn)墊包不到位現(xiàn)象，造成線圈直線膠化后截面尺寸的偏差。

(5) 按規(guī)范要求內(nèi)、外4個(gè)線圈要分別包扎對地絕緣，絕緣后再嵌套合并成整只線圈，線圈嵌套復(fù)位難度很大，操作周期長。

(6) 線圈引出線根數(shù)少，引出線的連接簡單易行，極間采用并聯(lián)環(huán)方式接線，緩解了軸向尺寸緊張問題。

(7) 嵌線過程中絕緣損傷很嚴(yán)重，特別是吊把線圈，線圈翻出后變形嚴(yán)重，且吊把高度達(dá)不到要求，線圈無法復(fù)位，嵌線無法進(jìn)行。

根據(jù)以上兩套方案的驗(yàn)證，我們可以看出，內(nèi)、外嵌套圈式結(jié)構(gòu)線圈，定子嵌線時(shí)每只線圈分四次嵌入，每個(gè)槽中需嵌入上層4個(gè)、下層4個(gè)共8只線圈，其定子嵌線難度非常大，操作工藝性非常差，因此我們不建議采用內(nèi)、外嵌套圈式線圈結(jié)構(gòu)。

1.3 定子繞組采用4路并聯(lián)結(jié)構(gòu)；定子線圈2×2根并繞8匝分爿圈式線圈(見圖3)。

圖3 線圈截面示意圖

(1) 此結(jié)構(gòu)定子線圈是我公司有史以來，截面高度最高的分爿圈式結(jié)構(gòu)線圈(線圈截面高47 mm)。每只線圈4根并繞一次繞制完成，線圈需分爿兩次包扎對地絕緣，線圈制造難度大大降低，與前兩次驗(yàn)證方案相比，線圈整體一致性好。

(2) 線圈采用“成型前膠化、成型后復(fù)形、絕緣后再復(fù)形”工藝，保證分爿線圈整體一致性好。

(3) 面線引線從鼻部穿出，減少嵌線時(shí)穿引線難度(見圖4)。

圖4 分爿線圈引線示意圖

(4) 嵌線時(shí)線圈需分爿兩次嵌入。嵌線難度大大降低，絕緣損傷情況大有改善；但是由于分爿線圈截面高，吊把線圈依然存在變形嚴(yán)重，吊把線圈復(fù)位困難等問題。

根據(jù)以上三套方案的驗(yàn)證(見表1)，我們認(rèn)為第三套方案：無論是線圈、定子嵌線、接線的制造工藝性更簡單易行，更能保證制造質(zhì)量。根據(jù)我們?nèi)昨?yàn)證方案。設(shè)計(jì)確定采納第三套驗(yàn)證方案作為樣機(jī)線圈制造結(jié)構(gòu)。

表1 三套驗(yàn)證方案對比表

2 吊把線圈結(jié)構(gòu)的確定

2.1 采用圈式線圈吊把嵌線存在的問題

(1) 吊把及復(fù)位過程中線圈變形量大，有絕緣損傷，特別是槽口處絕緣損傷嚴(yán)重，槽口修補(bǔ)絕緣難度很大。

(2) 由于圈式吊把線圈抬高受限制，最后兩個(gè)線圈為盲嵌，落槽難度大。

(3) 圈式吊把線圈復(fù)位需大電流加熱，才能勉強(qiáng)復(fù)位，但大電流加熱線圈是工藝不允許采用的。

我們設(shè)想采用半組式線圈進(jìn)行吊把嵌線(見圖5)。線圈繞線還是采用圈式繞法，只是將梭形長加長，嵌線時(shí)將加長兩端剪開成半組式線圈，嵌線后再將線圈焊接成圈式。

圖5 吊把線圈(半組式)示意圖

2.2 因半組式線圈嵌線后需進(jìn)行端部焊接，分爿兩片線圈端部必須錯(cuò)開一定間距，便于包扎匝間、對地絕緣。我們將線圈梭形長加長150 mm一次繞線完成后，將分爿線圈交錯(cuò)，使梭形線圈一片引線端長出150 mm，另一片在非引線端加長出150 mm。

2.3 兩片線圈合并后，內(nèi)鼻子梭形長同普通線圈一致，按普通線圈梭形長拉制成型(見圖6)。分爿包扎線圈對地絕緣后再合并成一體，并在復(fù)形模上復(fù)形保證線圈端部形狀一致。

圖6 成型后線圈

2.4 吊把線圈嵌線前，將圈式線圈兩端長鼻子從中間剪開，成半組式線圈后再進(jìn)行嵌線。半組式吊把線圈，嵌入線圈端部變形小，吊把高度滿足嵌線要求，能保證線圈絕緣不受損傷，嵌線效果良好(見圖7)。

圖7 半組式線圈吊把

2.5 嵌線完成后，在線圈鼻部將剪開處每匝兩根導(dǎo)線進(jìn)行逐根對接焊接，每匝之間留出匝間絕緣間隙，由于匝與匝之間空隙小，只能焊一匝包一匝匝間絕緣，匝間絕緣包好后，匝間縫隙填充環(huán)氧泥再包對地絕緣。

經(jīng)過驗(yàn)證確認(rèn)，半組式線圈吊把，嵌入線圈端部變形小，有效避免了線圈絕緣損傷；吊把高度滿足嵌線要求；吊把嵌線滿足設(shè)計(jì)要求；半組式線圈匝間耐壓試驗(yàn)一次通過。驗(yàn)證方案成功，此半組式定子線圈及吊把嵌線制造工藝為我公司首創(chuàng)。

3 樣機(jī)定子嵌線、接線制造難點(diǎn)與解決方案

3.1 樣機(jī)定子基本參數(shù)

定子鐵心168槽，28極，每極每相1槽，節(jié)距1-7，4路并聯(lián)，線圈為雙6相，同槽兩套繞組；測溫裝置槽內(nèi)24個(gè)，端部24個(gè)；定子引線端軸向24根并連環(huán)；引線及非引線端均有水室，線圈端部徑向間距小，嵌線制造難度高。

3.2 制造難點(diǎn)及解決方案

(1) 制造難點(diǎn)：槽數(shù)多，測溫裝置多，容易嵌錯(cuò)位置等問題。

解決方案：在嵌線前，我們在定子鐵心上標(biāo)識好槽號、測溫元件位置、長引線線圈嵌線位置等，避免錯(cuò)誤的發(fā)生。

(2) 制造難點(diǎn)：線圈端部與水管徑向距離很近，端部底線綁扎有一定難度。

解決方案：我們采用嵌線時(shí)邊嵌邊綁扎線圈端部，將底線端部的綁扎放在線圈端部內(nèi)側(cè)的工藝方法(見圖8)。

圖8 線圈端部底線綁扎

(3) 制造難點(diǎn)：線圈引線多(168×4)，共672根引出線，極易接錯(cuò)引線。

解決方案：我們采取每個(gè)線圈測量電阻后，用熱縮管打上編號進(jìn)行標(biāo)識，引線連接分為上中下3層，顏色采用左黃、右綠(見圖9)，并嚴(yán)格按線圈引線連接排列表進(jìn)行連接。

圖9 引線連接分三層

(4) 制造難點(diǎn)：24個(gè)導(dǎo)電環(huán)之間、導(dǎo)電環(huán)與水室之間間隙非常小，極間連線焊接有難度。

解決方案：我們采取先預(yù)裝導(dǎo)電環(huán)，確定導(dǎo)電環(huán)與線圈引線焊接位置，在預(yù)裝的位置焊接過渡引線，包扎好導(dǎo)電環(huán)絕緣，導(dǎo)電環(huán)安裝到位后線圈引線與過渡引線焊接(見圖10)，解決了間隙小難題。

4 結(jié)語

通過模擬鐵心及1/12樣機(jī)定子鐵心試嵌驗(yàn)證，

圖10 導(dǎo)電環(huán)安裝

確定了定子繞組采用4路并聯(lián)結(jié)構(gòu)、定子線圈采用2×2根并繞8匝分爿圈式結(jié)構(gòu)，以及嵌線吊把線圈采用半組式結(jié)構(gòu)的工藝制造方案。此工藝制造方案已應(yīng)用于18.5 MW樣機(jī)定子線圈、嵌線制造中，效果良好，嵌線完成后所有試驗(yàn)項(xiàng)目一次通過，順利完成了重點(diǎn)產(chǎn)品樣機(jī)定子線圈、嵌線制造，同時(shí)也為今后定子線圈、嵌線制造工藝打開了新思路。