高速變頻調速同步電機轉子絕緣技術研究

胡 義

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

西氣東輸的驅動電動機是20 MW 9350V F級超高轉速的防爆變頻調速同步電機，轉子超速試驗時的最高超速轉速達到5 720 r/min。除軸系外，主轉子絕緣結構、整體平衡性、繞組端部圓周同心度等是技術難點。由此，須開展主轉子槽絕緣、匝間絕緣黏接、徑向通風槽孔加工、端部焊接、爬電距離、異形絕緣墊塊的加工和圓周方向的同心度控制，熱成型等研究；勵磁機轉子線圈嵌線后的成形、焊接、圓周填平，無緯帶種類、綁扎及熱固化工藝參數確定和整個轉子在高轉速下的整體性、平衡性等研究。

主轉子制造加工時根據設計圖紙，添加必須的工裝和模具，結合現有工藝水平，開展轉子線圈成形加工專項研究、驗證。確保主轉子銅排、匝間絕緣、槽絕緣通風槽孔一致，不能重疊；直線與端部焊接后形狀保持一致，選擇高強度層壓板加工成異形墊塊，保障端部圓周方向的同心度。勵磁機轉子線圈采用成型繞組結構，線圈嵌線后一端需要再成型、焊接及絕緣包扎，端部填平后采用高強度無緯帶進行綁扎固定，最后進行VPI絕緣處理。

1 轉子絕緣結構

1.1 主轉子線圈匝間絕緣

匝間絕緣材料采用電工用無堿玻璃絲布浸以耐高溫、高黏接強度的DDS作固化劑的環(huán)氧樹脂膠，經烘干成B階后在長壓機上熱壓加工成薄型長度制品。制品進行單面打磨，增加表面粗糙度，銅排粘貼面噴砂處理，打磨面及銅排面均勻涂刷橡膠類黏結劑JX-9，熱壓固化后與轉子線圈銅排牢固黏接，形成一個整體，黏接層既具有較高的黏接強度，確保沖制通風孔時不產生分層。制品還具有一定的蠕變特性，滿足電機運行時，由于溫度變化，絕緣材料和金屬材料的線漲系數不同，所產生熱漲冷縮狀態(tài)下，不發(fā)生位移、脫離。

JX-9是單組份熱固性改性酚醛丁腈橡膠黏合劑，要求不采用硫磺做硫化劑，避免對銅產生氧化作用。其外觀呈乳白色或淺黃色均勻黏性液體；固體含量為(21±2)%；銅片剪切強度要求常態(tài)≥4 MPa；涂刷工藝性好，干燥10～30 min可黏合，黏合面不滑動，不錯位；經(145±5)℃烘壓2 h，冷卻至室溫即可。

直線匝間絕緣粘貼、通風孔沖制：用酒精或JX-9用稀釋劑將銅排表面擦拭干凈，并充分晾干；在銅排和絕緣墊條表面各均勻涂刷一次JX-9膠，自然晾干至不粘手，將絕緣墊條平整貼服在銅排表面，然后疊裝銅排；將疊裝銅排調入烘壓設備，不加壓，加熱預烘，銅排表面溫度控制到110～120 ℃開始計時，保溫40 min；將銅排溫度升至150 ℃，同時施加規(guī)定的壓力，烘壓壓力為0.5～0.7 MPa，保溫2 h；關閉加熱電源，隨模自然冷卻至室溫；卸壓出模后采用專用工裝進行通風孔沖制。

端部匝間絕緣圓弧部分采用0.4 mm單面粗糙匝間墊條，在彎角部分采用1層0.2 mm單面粗糙匝間墊條及1層0.2 mm雙面粗糙匝間墊條與直線匝間絕緣及端部匝間絕緣圓弧部分進行錯縫拼接，接縫間距不大于10 mm。各粗糙面之間或與轉子線圈銅排之間均采用改性酚醛丁腈橡膠膠黏劑JX-9進行粘貼。

1.2 槽絕緣

槽絕緣是轉子線圈結構中的主絕緣，由四種絕緣材料復合而成，最內層是用聚四氟乙烯處理過的電工玻璃布，具有滑移層的功能，中間是電工用無堿玻璃布浸以耐高溫B階段環(huán)氧樹脂和含有B階段環(huán)氧樹脂的聚芳纖維紙，最外層是電工用聚酯薄膜。加工成形后的槽絕緣須進行切割毛邊和沖通風孔處理，加工面無分層現象，整體性能良好。槽絕緣性能見表1。

表1 槽絕緣工頻耐壓擊穿試驗數據

1.3 楔下墊條、槽底墊條、端部絕緣墊塊和護環(huán)絕緣

楔下墊條、槽底墊條、端部絕緣墊塊和護環(huán)絕緣除了起到轉子繞組絕緣性能外，更重要的是具有支撐、固定功能，使整個轉子繞組形成緊密的整體。材料采用熱態(tài)高強度環(huán)氧層壓玻璃布板3248，由電工用無堿玻璃布為基材，以耐高溫、高黏接強度的DDS作固化劑的環(huán)氧樹脂膠作為黏結劑經熱壓固化而成，其所有加工面都須經過浸漬絕緣漆處理。

1.4 徑向導電螺桿絕緣

在徑向導電螺桿外面卷包(28～30)層F級DDS坯布，即電工用無堿玻璃布浸以耐高溫、高黏接強度的4，4-二氨基二苯砜(DDS)作固化劑的環(huán)氧樹脂膠，經烘干成B階段，樹脂含量必須大于40%，坯布樹脂含量均勻、表面平整。卷包時，導電螺桿及坯布均須熱處理，使樹脂軟化，改善流動性；卷包張力大于30 N/10 mm帶寬，減小氣隙，提高固化后整體性和耐電壓性能。最后繞包數層熱收縮薄膜帶，烘焙固化、冷卻，外車削加工至圖紙尺寸。加工面須均勻涂刷室溫固化環(huán)氧酯漆1504清漆一次。

1.5 無緯帶綁扎箍

影響無緯帶綁扎箍強度的因素很多，除了無緯帶本身的性能、固化條件、綁扎速度等因素外，綁扎拉力也是重要的影響因素之一。轉子綁扎無緯帶需要一定的拉力(預緊力)，要求在電機允許的最高轉速下被綁物仍被壓縮，這部分預緊力能經受電機過載力矩切向方向的力的作用而保證線圈不發(fā)生位移。綁扎時施加的預緊力除考慮上述要求外，還必須與綁扎材料的斷裂強度之間留有足夠的安全系數，以免在電機運轉或其他過載情況下發(fā)生綁扎帶斷裂。

電機大多數情況是在高速運行時，在離心力的作用下，繞組兩端綁扎的彈性范圍內做放射性膨脹，對絕緣產生一定程度的損害，影響繞組的絕緣壽命。通過對Kevlar芳綸纖維網狀無緯帶K220、玻璃纖維網狀聚酯無緯帶F150-G-W、玻璃纖維網狀聚酯無緯帶41524BN的標準箍拉伸強度試驗研究，從不同綁扎張力、不同固化溫度和高溫下的拉伸強度和彈性模量數據比較，Kevlar芳綸纖維網狀無緯帶K220的綜合性能最優(yōu)。但價格昂貴，且不易購買，經計算、評估、驗證，選擇玻璃纖維網狀聚酯無緯帶F150-G-W為項目用材料，其最佳使用工藝條件為綁扎拉力80 kg/10 mm，固化溫度為150 ℃，時間5 h。

2 轉子線圈加工技術

電機轉子結構為隱極式，線圈徑向方向上有通風槽孔，每套轉子共有6號線圈，每號線圈由1套線圈端部和直線組成，槽絕緣、槽底墊條、轉子銅排、匝間絕緣的通風槽孔通過精確定位加工完成。嵌線時端部焊接、貼匝間絕緣，控制直線與端線匝間絕緣位置不能重疊，直線與端部焊接后形狀保持一致，解決了端部成形問題，最后整體熱壓成型。線圈端部圓周方向的同心度通過加工異形絕緣墊塊來填平、固定，確保其在高轉速下的整體性、平衡性。

勵磁機轉子采用高壓成型繞組VPI整浸結構體系，線圈嵌線后端部再成型，焊接采用中頻焊，圓周填平后綁扎高強度無緯帶F150-G-W，確保在高轉速時線圈不發(fā)生位移。

轉子銅排焊接采用汽發(fā)公司空冷125 MW魚尾接頭做對比焊接拉伸強度試驗，見圖1～圖4及表2。

圖1 接頭尺寸對比圖

圖2 魚尾接頭焊接后效果圖

圖3 拉伸試驗斷裂部位示意圖

圖4 斷裂部位剖面放大圖

表2 魚尾接頭焊接后的拉伸試驗結果

試驗結果分析：

圖示斷裂點在凹形魚尾槽底部(母材上)，并且從斷裂剖面處可看到分段氣孔。對比老接頭試驗殘樣，斷裂部位一樣，同樣存在氣孔，老接頭的氣孔是整段分布，所以在焊接方面，兩種接頭都存在對接的尖頭部位焊不透現象，相對來說，新接頭效果要好。

從拉伸強度上來看，兩種接頭差不多，老接頭稍高；由于斷裂點都是在凹形魚尾槽底部(母材上)，證明接觸斜面以及接頭兩邊對接邊焊接良好。

考慮到底部漏焊氣孔對導電有效截面積的影響，在抗拉強度差不多的情況下，結合制造周期的比較，采用新接頭(125 MW汽發(fā)公司結構)。同時，提高焊接質量，將底部氣孔減小到最小的程度。

3 樣機制造

3.1 主轉子嵌線見圖5，勵磁機轉子嵌線、焊接后端部無緯帶綁扎見圖6。

圖5 主轉子嵌線圖

圖6 勵磁機轉子端部無緯帶綁扎圖

3.2 轉子繞組交流電壓試驗

主轉子：1 500 V/50 Hz，60 s；

勵轉子：1 500 V/50 Hz，60 s；

試驗結果：全部通過。

3.3 動平衡試驗

轉子整個軸系(連同主轉子、勵磁機轉子)堂外超速試驗，最高轉速達到5 720 r/min時的振動指標值滿足設計及用戶考核運行要求。

4 結論

4.1 電機主轉子、勵磁機轉子絕緣結構、絕緣材料的電氣絕緣性能完全滿足項目設計要求。

4.2 主轉子銅排焊接及拉伸試驗，樣機制造均證明制造加工工藝技術成熟、可靠。

4.3 樣機轉子堂外超速試驗結果表明整個軸系在高轉速下的整體性、平衡性良好，滿足設計及用戶考核運行要求。