多極電機(jī)有繞組定子制造工藝改進(jìn)

蘇啟平

(安徽皖南電機(jī)股份有限公司,安徽 宣城 242500)

0 引 言

繞組是電機(jī)的“心臟”，是電機(jī)的關(guān)鍵部件。繞組的制造質(zhì)量是影響電機(jī)壽命和運(yùn)行可靠性的主要因素之一[1]。一般用途的中小型電機(jī)多為2、4、6、8、10極。極數(shù)大于等于12的多極電機(jī)通常具有定子槽數(shù)多、端部小、跨距短、槽滿率高等特點(diǎn)。在多極電機(jī)制造過程中要控制有繞組端部的高度和厚度，對(duì)有繞組的嵌線、接線及整形工藝的要求比較高。若采用普通三相異步電動(dòng)機(jī)的散嵌繞組制造工藝，會(huì)出現(xiàn)槽口對(duì)地、線圈匝間故障、槽楔難嵌入槽內(nèi)、槽口齒部攤開等故障，導(dǎo)致質(zhì)量問題。為此，本文介紹15 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)在樣機(jī)試制階段出現(xiàn)的故障和采取的有繞組定子制造工藝改進(jìn)方案，證實(shí)了改進(jìn)方案可以降低有繞組定子的嵌線難度和故障率。相關(guān)工藝可推廣應(yīng)用于其他多極電機(jī)產(chǎn)品的繞組生產(chǎn)。

1 普通工藝用于多極電機(jī)生產(chǎn)的問題

安徽皖南電機(jī)股份有限公司自主研發(fā)的15 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)，極數(shù)多(40極)、體積小、結(jié)構(gòu)非常緊湊。繞組跨距為1-2，A=1，雙層疊繞，每相24個(gè)線圈。風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部展開圖如圖1所示。其定子鐵心內(nèi)徑小(150 mm)、槽數(shù)多(72)、跨距小、槽滿率高(85.6%)。由于整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，繞組端部空腔小，在樣機(jī)試制開始階段，根據(jù)普通雙層電機(jī)制造工藝要求，發(fā)現(xiàn)線包非常短，端部整形困難。在控制端部高度的過程中，會(huì)出現(xiàn)底槽絕緣在槽口處破損的情況，造成槽口對(duì)地。嵌線工序的難度大，導(dǎo)致有繞組定子故障率高(如槽口對(duì)地、線圈的匝間或相間故障等)。

圖1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部展開圖

對(duì)首批加工的5臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，要求平均不合格率不得高于千分之四(0.4%)。首批有繞組定子樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。由表1可知，5臺(tái)樣機(jī)平均故障率(故障槽數(shù)與總槽數(shù)之比)高達(dá)2.22%。

表1 首批有繞組定子樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，判斷嵌線時(shí)繞組端部直線部分太短和槽滿率偏高是導(dǎo)致有繞組定子故障的主要因素。

2 改進(jìn)方案

2.1 圓弧形繞線模改為方形繞線模

針對(duì)繞組端部直線部分太短的問題，有2個(gè)改進(jìn)方法：(1)加長繞線模的直線部分;(2)改變繞線模的形狀。

加長原有繞線模直線部分長度雖能降低嵌線難度，但也會(huì)加長定子的端部高度、加大裝配工序的難度，并且會(huì)增加銅耗和電機(jī)的制造成本。因此，該方法不可取。

考慮通過改變繞線模形狀來解決繞組端部直線部分太短的問題。實(shí)際嵌線時(shí)，先嵌入下沉邊，再嵌跨節(jié)距后的上沉邊，此時(shí)需將線圈端部圓弧拉成直邊。繞組線圈寬度25 mm，總截面積約為17.5 mm2，憑借人工操作很難將上沉邊一次性嵌入槽內(nèi)，而若分批拉直嵌入，漆包線又會(huì)與定子鐵心在槽口的位置直接接觸而損傷漆膜，導(dǎo)致槽口對(duì)地。若線圈端部為直邊，就可以解決問題。故提出將繞線模的形狀由圓弧形(圖2)改為方形(圖3)，利用繞線模直接繞制出線圈的直角端部，降低嵌線難度。

圖2 改進(jìn)前圓弧形繞線模

圖3 改進(jìn)后方形繞線模

2.2 分層繞制分層嵌入

該發(fā)電機(jī)槽滿率高、槽數(shù)多，按照傳統(tǒng)雙層雙疊嵌線方法，故障率高。為了解決這一問題，提出保持繞組匝數(shù)不變、將線規(guī)(截面積)改為原來的1/2，繞組繞制2次。繞組繞制示意圖如圖4所示。改進(jìn)前需要繞制36相，改進(jìn)后需要繞制72相。

圖4 繞組繞制示意圖

繞組繞制完成后，72槽分2個(gè)雙層嵌入，每個(gè)雙層有144個(gè)逐步嵌線次序。分層繞制、分層嵌入繞組嵌線順序表(一半繞組)如表2所示[2]。整個(gè)電機(jī)繞組有4層，即288次序逐步嵌線。

表2 分層繞制、分層嵌入繞組嵌線順序表(一半繞組)

所提出的分層式嵌線方法在繞配線工序中需要耗費(fèi)一定的時(shí)間，但會(huì)降低嵌線工序的難度。在嵌入第一層時(shí)槽滿率很低，很容易嵌入；嵌入第二層時(shí)，由于線規(guī)減少了一半，且有繞組端部是直角的，因而線圈嵌入槽中難度系數(shù)也大大降低。

這種方法在嵌線過程中需要注意以下幾點(diǎn)。

(1)嵌入第一組時(shí)，做好U、V、W三相進(jìn)出線的標(biāo)志，便于接線時(shí)辨認(rèn)。因?yàn)榈诙拥木€圈是在第一層的基礎(chǔ)上嵌入的，在同槽內(nèi)第一組的上沉邊出線和第二組的下沉邊入線位置很接近。例如表2所示嵌線次序的第4項(xiàng)和第5項(xiàng)，也就是第72槽的底線和第1槽的面線，相隔1槽，2組出線的位置基本相同，同時(shí)夾在2層線包之間，如果沒有接線標(biāo)志將很難分清出線和入線，從而導(dǎo)致相間故障。

(2)嵌入第二組的起點(diǎn)的三相(同槽內(nèi))要與第一組的U、V、W三相相同，并要做好絕緣。在同槽內(nèi)有4層線圈，如果同槽內(nèi)第二組與第一組相次不同，那么U、V、W相可能同時(shí)出現(xiàn)在同一槽內(nèi)，導(dǎo)致電機(jī)不能起動(dòng)。

(3)根據(jù)嵌線時(shí)做好的U、V、W三相標(biāo)志，通過串聯(lián)的方式進(jìn)行不同相過橋線的連接。接好第一層的出線后，再接第二層的出線，最后把2層相同相次的出入線進(jìn)行合并。接線時(shí)一定要區(qū)分三色線否則極易串相。

3 改進(jìn)效果

將上述改進(jìn)方案應(yīng)用于后期15 kW 發(fā)電機(jī)有繞組定子的制造中，仍對(duì)5臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。改進(jìn)前后有繞組定子故障率對(duì)比如表3所示。需要指出的是，改進(jìn)后出現(xiàn)的錯(cuò)線問題是人為因素導(dǎo)致的。除去錯(cuò)線問題后，采用改進(jìn)工藝制作的有繞組定子樣機(jī)，故障率為0.28%，達(dá)到了不高于0.4%的要求。

表3 改進(jìn)前后有繞組定子故障率對(duì)比

改進(jìn)方案后期多次推廣應(yīng)用于其他產(chǎn)品樣機(jī)的繞組生產(chǎn)，有效地降低了嵌線工序的難度和故障率，提高了有繞組鐵心的制造質(zhì)量。

4 結(jié) 語

15 kW風(fēng)力發(fā)電機(jī)是多極電機(jī)的一種。本文針對(duì)其有繞組定子制造，在不改變電磁方案的前提下，提出了2種改進(jìn)工藝，有效地降低了嵌線工序的難度和故障率，提高了制造質(zhì)量，形成量產(chǎn)的產(chǎn)品。所介紹的改進(jìn)方案已推廣應(yīng)用于其他產(chǎn)品樣機(jī)的繞組生產(chǎn)，為槽數(shù)多、跨距短、槽滿率偏高的多極電機(jī)繞組定子制造提供了一定的參考。