高壓電機(jī)定子采用散繞組的絕緣結(jié)構(gòu)分析

馮相為, 張炳義

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

高壓電機(jī)定子通常采用成型繞組或半成型繞組，絕緣部分通常留有較大裕量，同時(shí)成型繞組、半成型繞組有較多缺陷，不僅繞組本身的生產(chǎn)成本高，而且需要配套開(kāi)口槽或者半開(kāi)口槽，導(dǎo)致卡式系數(shù)大，增大了有效氣隙長(zhǎng)度，使功率因數(shù)降低。對(duì)于永磁電機(jī)，氣隙長(zhǎng)度增大還會(huì)導(dǎo)致永磁體用量增大[1]。同時(shí)，開(kāi)口槽還會(huì)導(dǎo)致永磁電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩變大[2]，降低電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出質(zhì)量。這些因素增加了電機(jī)的制造成本，降低了電機(jī)的性能。

在高壓電機(jī)上采用散嵌圓銅線繞組及閉口槽可以有效地解決這些問(wèn)題。而對(duì)于高壓電機(jī)采用散繞組，有必要在設(shè)計(jì)過(guò)程中驗(yàn)證其絕緣可靠性，是因?yàn)榻^緣系統(tǒng)在很大程度上決定了高壓電機(jī)的壽命和運(yùn)行可靠性[3]。使用有限元法分析絕緣層電場(chǎng)，可以獲得絕緣層的電場(chǎng)分布情況。

在有限元法和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的幫助下，可以精確計(jì)算絕緣結(jié)構(gòu)的性能，發(fā)現(xiàn)薄弱點(diǎn)并進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化，為高壓電機(jī)定子應(yīng)用散繞組創(chuàng)造了條件。定子采用散繞組，不僅能降低繞組本身的制造成本，而且能減少氣隙長(zhǎng)度，對(duì)于永磁電機(jī)可以節(jié)約永磁體用量，同時(shí)有利于降低定子齒諧波幅值、削弱氣隙磁場(chǎng)諧波、增大功率因數(shù)。

文獻(xiàn)[3]給出了高壓電機(jī)采用成型繞組時(shí)絕緣材料和厚度的經(jīng)驗(yàn)公式。文獻(xiàn)[4]提出了成型繞組槽部、端部的電場(chǎng)分析和優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[5]分析了大電機(jī)端部電場(chǎng)的分布情況并進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]利用有限元法對(duì)成型繞組高壓同步電機(jī)進(jìn)行了電場(chǎng)分析，提出氣隙和槽口附近是容易擊穿的位置。上述文獻(xiàn)大都針對(duì)高壓成型繞組進(jìn)行分析，對(duì)高壓散繞組的研究較少。

本文以1臺(tái)額定電壓為6.3 kV定子應(yīng)用散繞組的高壓電機(jī)為例，研究其絕緣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程以及絕緣系統(tǒng)的性能，為高壓電機(jī)定子采用散繞組的設(shè)計(jì)提供了參考。

絕緣系統(tǒng)總體上可以分為2部分：定子槽部絕緣和定子端部絕緣。而定子槽部絕緣主要由匝間絕緣、層間絕緣和主絕緣構(gòu)成。接下來(lái)，將分別分析組成電機(jī)絕緣系統(tǒng)的各個(gè)絕緣子系統(tǒng)。

1 定子槽部絕緣分析

電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中電場(chǎng)的求解，可歸納為邊值問(wèn)題[7]，即：

(1)

式中：Ω為定解場(chǎng)域;Γ1為已知電勢(shì)邊界，即繞組區(qū)域;Γ2為電勢(shì)法向?qū)?shù)為零的邊界;ε為介質(zhì)的介電常數(shù);Γin為2種不同介質(zhì)的分界線。

以1臺(tái)定子應(yīng)用散繞組的高壓電機(jī)為例，分析高壓電機(jī)定子應(yīng)用散繞組的可行性以及絕緣可靠性。該電機(jī)的部分參數(shù)如表1所示。

表1 樣機(jī)部分參數(shù)

因?yàn)楦邏弘姍C(jī)定子槽內(nèi)電位分布沿軸向梯度較小可以忽略不計(jì)，所以可以將定子槽部絕緣分析簡(jiǎn)化為二維靜電場(chǎng)問(wèn)題來(lái)處理。對(duì)于二維電場(chǎng)，式(1)中的邊值問(wèn)題可以簡(jiǎn)化為

(2)

1.1 匝間絕緣分析

高壓交流電機(jī)為了設(shè)計(jì)時(shí)能夠達(dá)到一定的安匝數(shù)，定子線圈通常設(shè)計(jì)為多匝結(jié)構(gòu)[8]。每匝之間存在電勢(shì)差，因此匝間絕緣必不可少。對(duì)于低壓散繞組，匝間絕緣通常為漆包線的漆膜。但是對(duì)于高壓散繞組，漆膜絕緣存在易在加工和下線過(guò)程中損壞,厚度不均,存在小孔影響絕緣等缺點(diǎn)，因此對(duì)于高壓電機(jī)，應(yīng)該選擇一個(gè)更為可靠的匝間絕緣結(jié)構(gòu)。

為了確保絕緣能力，使用薄膜繞包圓銅線作為定子線圈用線。使用薄膜繞包燒結(jié)線的絕緣層作為匝間絕緣可以有效避免漆膜絕緣的缺點(diǎn)并帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，如,可以有效減輕劃傷程度,防止起暈?zāi)芰Ω鼜?qiáng),絕緣性能高于漆膜等。因此，采用聚酰亞胺薄膜繞包燒結(jié)線的絕緣層作為匝間絕緣。

針對(duì)匝間絕緣做有限元仿真驗(yàn)證，圓銅導(dǎo)線線徑2 mm，絕緣層單邊厚0.45 mm，接觸面由于擠壓，設(shè)置0.24 mm的扁平接觸區(qū)域，以銅線圓心連線方向?yàn)閤軸，垂直該方向?yàn)閥軸，參照實(shí)際尺寸建立模型。絕緣材料按照均勻、線性且各向同性媒質(zhì)處理。間隙均按照真空處理。匝間絕緣計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 匝間絕緣計(jì)算模型

對(duì)于匝間絕緣，正常運(yùn)行中最嚴(yán)重的情況為線圈首匝相鄰末匝，此時(shí)相鄰兩匝電勢(shì)差最大：

(3)

式中：Umax為正常運(yùn)行中相鄰兩匝最大電勢(shì)差。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[9]規(guī)定，要計(jì)算匝間絕緣沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓峰值，應(yīng)先計(jì)算對(duì)地耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓有效值。根據(jù)GB/T 755—2019[10]規(guī)定，本文樣機(jī)對(duì)地耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓有效值應(yīng)為

UG=1 000+2×6 300=13 600 V

(4)

則該電機(jī)匝間絕緣沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓峰值應(yīng)為

U1=K1K2UG=

(5)

為了驗(yàn)證極端條件下的絕緣可靠性，以U1為激勵(lì)進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度仿真。匝間絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度云圖如圖2所示。

圖2 匝間絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度云圖

通過(guò)圖2可以看到，匝間絕緣上的電場(chǎng)分布集中在兩匝導(dǎo)線的接觸面附近，而最大電場(chǎng)強(qiáng)度為3.574 1×107V/m，未達(dá)到材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)4.086×107V/m[11]，且留有較大裕量，可以認(rèn)為匝間絕緣是可靠的。

1.2 層間絕緣和主絕緣分析

對(duì)于散繞組，主絕緣也稱(chēng)槽絕緣，需要在正常運(yùn)行中直接面對(duì)線電壓，而對(duì)于分屬不同相的上下兩層繞組，在供電波形處于一定相位時(shí)，層間絕緣需要面對(duì)超過(guò)線電壓的絕緣電壓。因此，層間絕緣和主絕緣的設(shè)計(jì)是高壓散繞組設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

層間絕緣和主絕緣可采用相同的材料，綜合考慮絕緣性能、成本等因素，采用聚脂薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料制成的絕緣紙作為主絕緣和層間絕緣材料。樣機(jī)定子槽型及絕緣示意圖如圖3所示。采用有限元法重點(diǎn)研究絕緣厚度和場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系，首先給出定子槽型尺寸，如圖3(a)所示，定子鐵心采用DW465-50硅鋼片疊壓而成，絕緣材料的部分參數(shù)如表2所示[11]。

表2 絕緣材料部分參數(shù)

圖3 樣機(jī)定子槽型及絕緣示意圖(mm)

圖3(b)為槽內(nèi)層間絕緣和主絕緣的實(shí)際情況示意圖。一般情況下，下線時(shí)層間絕緣材料要蓋住下層繞組，因此在層間絕緣邊緣會(huì)有部分絕緣紙和主絕緣重疊。在簡(jiǎn)化模型時(shí)，因?yàn)橹丿B的長(zhǎng)度取決于下線的操作，無(wú)法確定具體的長(zhǎng)度，所以不考慮重疊部分厚度，按照單層絕緣簡(jiǎn)化模型，槽口部分也作相同處理。圖4所示為簡(jiǎn)化后的層間絕緣和主絕緣有限元計(jì)算模型。

圖4 層間絕緣和主絕緣計(jì)算模型

忽略槽楔部分影響，設(shè)主絕緣厚度為d，層間絕緣厚度為t，以定子槽寬方向?yàn)閤軸，定子槽高方向?yàn)閥軸，參考電機(jī)實(shí)際尺寸建立模型。絕緣材料按照均勻、線性且各向同性媒質(zhì)處理，上下層線圈邊折角處按照所包裹線圈的最小直徑，也就是導(dǎo)線的線徑倒角。

φAB=φA-φB=

(6)

式中：φAB為A、B之間的電位差;φA、φB分別為A、B電位；Ur為供電電壓有效值；f為供電電壓頻率；t1為時(shí)間。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，試驗(yàn)電壓應(yīng)加在被試?yán)@組與機(jī)殼之間，鐵心與機(jī)殼聯(lián)接。因此，將定子鐵心設(shè)定為零電位。

對(duì)于絕緣來(lái)說(shuō)，絕緣厚度越厚，絕緣就越可靠，但是絕緣厚度的增加會(huì)導(dǎo)致槽面積的利用率下降，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致定子繞組散熱困難等問(wèn)題，因此引入槽有效面積占槽面積的比例Se，用來(lái)防止絕緣厚度過(guò)大。Se滿足：

(7)

式中：Sc為槽有效面積，是絕緣紙內(nèi)部包裹的面積；Sa為槽面積，從槽身處開(kāi)始計(jì)算。

圖5 d和t取不同值對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)的影響

對(duì)于t=0.9 mm和t=1.0 mm，d的變化對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)影響較小，是因?yàn)榇藭r(shí)t的厚度較薄，導(dǎo)致最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在層間絕緣上，如圖6(a)所示。高場(chǎng)強(qiáng)幾乎全部出現(xiàn)在層間絕緣部分，場(chǎng)強(qiáng)的分布在主絕緣和層間絕緣上均較為均勻，未見(jiàn)明顯突變現(xiàn)象。對(duì)于t=1.1、1.2、1.3 mm，d的變化對(duì)最大場(chǎng)強(qiáng)影響較為明顯，原因是此時(shí)t的厚度較厚，最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在主絕緣上,如圖6(b)所示。

圖6 場(chǎng)強(qiáng)分布

Se隨d和t變化的值如表3所示。由表3可以看出，隨著絕緣厚度的變大Se逐漸上升。在d=0.6 mm,t=0.9 mm時(shí)，Se為86.87%，槽內(nèi)放置導(dǎo)體的槽有效面積較大。而當(dāng)d=0.85 mm,t=1.3 mm時(shí)，Se下降至81.78%，此時(shí)槽內(nèi)空間緊張，將會(huì)對(duì)電磁設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)造成不良影響。因此，在選擇絕緣厚度時(shí)需綜合考慮，既需要滿足絕緣強(qiáng)度的同時(shí)留出裕量，又需要考慮絕緣占槽內(nèi)空間的比例。

根據(jù)以上分析結(jié)果，選擇d=0.7 mm,t=1.0 mm時(shí)，最大場(chǎng)強(qiáng)為3.693×107V/m，沒(méi)有超過(guò)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[11]，且此時(shí)Se為84.99%，既能滿足絕緣的需要，又能獲得較大的槽內(nèi)空間放置導(dǎo)體，較好地取得了平衡。

表3 Se隨d和t變化的值 %

1.3 沖片毛刺劃傷定子主絕緣分析

在定子的制造過(guò)程中，沖壓材料處于高壓的狀態(tài)，使得裂紋的產(chǎn)生點(diǎn)偏移。裂紋受拉應(yīng)力發(fā)展后使板料斷開(kāi)，從而形成毛刺。而材料的力學(xué)性能、沖裁間隙、模具刃口狀態(tài)、沖裁速度、模具和設(shè)備的精度均可能導(dǎo)致毛刺產(chǎn)生[12]。在鋪設(shè)主絕緣或下線時(shí)，沖片毛刺可能會(huì)劃傷主絕緣，下文針對(duì)定子沖片毛刺劃傷絕緣的情況做出分析。

圖7 毛刺劃傷前主絕緣場(chǎng)強(qiáng)分布

可以看到，最大場(chǎng)強(qiáng)僅為3.546 0×107V/m，未達(dá)到材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[11]，且留有較大裕量。

接下來(lái)分析主絕緣被沖片毛刺劃傷后的場(chǎng)強(qiáng)分布情況。

建立毛刺劃傷后主絕緣計(jì)算模型，為了產(chǎn)生對(duì)比，采用d=0.6 mm,t=0.6 mm的主絕緣和層間絕緣計(jì)算模型，以定子槽寬方向?yàn)閤軸，定子槽高方向?yàn)閥軸，參考電機(jī)實(shí)際尺寸建立模型。假設(shè)毛刺為高0.10 mm，寬0.03 mm的三角形，在槽底中部劃傷絕緣，如圖8所示。

圖8 毛刺劃傷后主絕緣計(jì)算模型及毛刺尺寸圖(mm)

毛刺劃傷后主絕緣場(chǎng)強(qiáng)分布如圖9所示。通過(guò)圖9可以看出，主絕緣被沖片毛刺劃傷后，樣機(jī)槽內(nèi)絕緣最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到6.104 3×107V/m，場(chǎng)強(qiáng)最大值為未劃傷前的1.72倍，超過(guò)了材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[11]，且最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在毛刺尖角處附近。因此，沖片毛刺劃傷將會(huì)導(dǎo)致主絕緣中電場(chǎng)強(qiáng)度最大值激增，可能會(huì)導(dǎo)致絕緣失效，必須加以注意。

圖9 毛刺劃傷后主絕緣場(chǎng)強(qiáng)分布

對(duì)于槽部絕緣，避免主絕緣被沖片毛刺劃傷可以采用槽內(nèi)鋪襯聚酰亞胺薄膜，加厚主絕緣，或提升沖壓工藝的辦法。

2 定子端部絕緣分析

絕緣系統(tǒng)的另一個(gè)重要組成部分是端部絕緣。在端部繞組形狀復(fù)雜，形狀突變處電場(chǎng)分布不均勻，可能存在起暈或擊穿現(xiàn)象，為了驗(yàn)證絕緣有效性，對(duì)端部絕緣進(jìn)行分析。

根據(jù)散繞組的端部實(shí)際形狀建模。端部空間較為充裕，因此端部絕緣采用1 mm厚的聚脂薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復(fù)合材料制成的絕緣紙包裹線圈，建立如圖10(a)所示的坐標(biāo)系，計(jì)算模型和剖分由圖10(a)和圖10(b)給出。

圖10 端部絕緣計(jì)算模型及剖分

在線圈上施加對(duì)地耐壓試驗(yàn)峰值19 233.3 V，在絕緣表面施加零電位激勵(lì)，進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真。仿真結(jié)果如圖11(a)和圖11(b)所示。

圖11 端部絕緣場(chǎng)強(qiáng)分布云圖

觀察結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)強(qiáng)分布不均勻，最大場(chǎng)強(qiáng)為3.848 6×107V/m，沒(méi)有超過(guò)材料的擊穿場(chǎng)強(qiáng)[11]，且留有較大裕量，可以認(rèn)為絕緣是可靠的。

3 試 驗(yàn)

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行整機(jī)對(duì)地耐壓試驗(yàn)，耐電壓試驗(yàn)對(duì)繞組有一定損傷，重復(fù)試驗(yàn)可能會(huì)導(dǎo)致繞組損壞，根據(jù)GB/T 775—2019[10]，該試驗(yàn)僅對(duì)裝配完成的新電機(jī)試驗(yàn)一次。對(duì)地耐壓試驗(yàn)接線實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 對(duì)地耐壓試驗(yàn)接線實(shí)物圖

圖13為電機(jī)對(duì)地耐壓試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)儀。接線后的電機(jī)如圖12所示，在被試?yán)@組和電機(jī)機(jī)殼之間施加試驗(yàn)電壓，試驗(yàn)電壓由PVT-25型電機(jī)工頻耐電壓試驗(yàn)儀產(chǎn)生，理想情況下試驗(yàn)電壓波形為工頻正弦波。試驗(yàn)從不超過(guò)全值電壓的一半開(kāi)始，以每步不超過(guò)全值5%逐步增加至全值并維持1 min。表4為絕緣試驗(yàn)中的部分試驗(yàn)電壓和對(duì)應(yīng)的泄漏電流值。可以看出，隨著試驗(yàn)電壓的增加，泄漏電流值也在變大，但是始終在一定的范圍內(nèi)沒(méi)有擊穿，驗(yàn)證了電機(jī)絕緣的可靠性。

圖13 電機(jī)工頻耐電壓試驗(yàn)儀

表4 部分試驗(yàn)電壓和泄漏電流值

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)本文的分析和試驗(yàn)結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

(1) 本文全面分析了樣機(jī)的高壓散繞組絕緣結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了整機(jī)對(duì)地耐電壓試驗(yàn)。針對(duì)槽內(nèi)絕緣進(jìn)行討論和優(yōu)化，提出了毛刺劃傷主絕緣的問(wèn)題并作出分析，為高壓散繞組的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了方法和參考。

(2) 主絕緣(又稱(chēng)槽絕緣)對(duì)于電機(jī)槽內(nèi)空間的影響較大，同時(shí)主絕緣面臨的絕緣電壓對(duì)比相間絕緣較低，因此在選擇散繞組槽內(nèi)絕緣時(shí)，可以不采用傳統(tǒng)主絕緣和層間絕緣相同厚度的方式，而是選擇較薄的主絕緣搭配較厚的槽絕緣，既節(jié)省了槽內(nèi)空間，又能滿足絕緣需要。

(3) 分析了沖片毛刺劃傷主絕緣對(duì)主絕緣電場(chǎng)產(chǎn)生的影響。分析表明，對(duì)于該臺(tái)樣機(jī)，僅0.1 mm的沖片毛刺劃傷就可能導(dǎo)致主絕緣場(chǎng)強(qiáng)急劇增大為原來(lái)的1.72倍，從而使絕緣擊穿，且劃傷后最大場(chǎng)強(qiáng)出現(xiàn)在毛刺附近，因此下線時(shí)應(yīng)特別注意，采取如槽內(nèi)鋪襯聚酰亞胺薄膜等方法防止沖片毛刺劃傷主絕緣。

根據(jù)總結(jié)的內(nèi)容，還有以下工作可以改進(jìn)：

(1) 對(duì)于匝間絕緣，本文分析時(shí)直接采用了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)給出的沖擊電壓做電場(chǎng)分析，可能會(huì)導(dǎo)致分析情況過(guò)于嚴(yán)苛，從而浪費(fèi)材料。

(3) 本文樣機(jī)的發(fā)熱量較低，因此散熱問(wèn)題未做分析。事實(shí)上，電機(jī)絕緣對(duì)于散熱的影響問(wèn)題在電機(jī)發(fā)熱較大時(shí)比較關(guān)鍵，因此可以在繞組的散熱上做進(jìn)一步分析。