成型绕组无损嵌线工艺在大型永磁直驱风力发电机中的应用

袁春龙

(1.南车株洲电机有限公司，河南株洲 412001;2.北京交通大学，北京 100044)

0 引言

电机制作过程将绕组安装到铁心槽内并加以固定的工艺过程称为嵌线［1］。硬绕组的嵌线方法主要有嵌入法和插入法，多匝成型绕组的嵌装只能采用嵌入法。嵌线过程在嵌至最后一个节距线圈时，需要将第一节距线圈的上层边抬升至高于铁心外圆表面，抬升的高度以使最后一个节距线圈的下层边能够顺利嵌入铁心槽内为准。以上工艺过程称为翻槽，第一节距线圈称为翻槽线圈。

在嵌线翻槽过程中，线圈抬升将产生变形，如果线圈匝数较多，跨距较小，整个线圈刚性较大，线圈直线边在槽内将受到较大力量的挤压，容易对线圈对地绝缘及槽绝缘造成损伤，特别是槽口位置，损伤后不易发现，导致电机存在严重的质量隐患。

线圈是电机的关键部件，线圈绝缘的完整及可靠直接影响电机运行寿命。线圈在嵌装过程中，特别是嵌线翻槽过程对线圈绝缘损伤最为严重且难于发现。因此，选择好的翻槽工艺对线圈绝缘的可靠性有着至关重要的影响。本文在此基础上提出内定子结构大型永磁直驱风力发电机成型绕组无损嵌线工艺。

文献［2］对双层迭绕组绕线、嵌线工艺进行改革，去掉接线工序，把有接头线圈改为无接头提高了效率。文献［3］提出了通过三相交流绕组展开图来确定嵌线工艺的方法。文献［4］对高压电机容量较大，定子槽数少，铁心内圆直径小而长，而线圈的节距却很大，截面也很大，使定子嵌线过程极为困难。在易发生线圈绝缘受损而引起击穿故障的情况下，提出了嵌线工艺的改进方法。文献［5］研究了定子嵌线新工艺在定子上层线棒、下层线棒、定子绕组嵌线槽楔装配中的优点及具体的施工操作方法。但以上文献均是对传统嵌线工艺方法的研究和改进，没有对嵌线过程中翻槽工艺进行研究。

1 内定子结构大型永磁直驱风力发电机定子结构特点及传统嵌线工艺

1．1 内定子结构大型永磁直驱风力发电机定子

结构特点

大型永磁直驱风力发电机采用内定子结构，定子线圈嵌放在圆柱体结构铁心外圆表面的铁心槽内。由于定子直径较大，定子嵌线作业时一般将定子铁心轴线垂直地面放置在嵌线支撑架上，定子线圈垂直地面嵌入铁心槽。为防止线圈下坠，保证线圈端部平齐，在线圈下端部设置一圈支撑板支撑线圈。

大型永磁直驱风力发电机定子采用多匝成形绕组，由于电机定子极数多，线圈跨距很小。同时由于额定电流大，绕组的截面积较大。以上原因导致线圈刚性较大，变形困难，嵌线翻槽工艺难于实现。

1．2 嵌线工艺

先嵌放第一个节距线圈的下层边进入槽底，同时其对应的上层边调整进入相应的槽内。嵌放第二个节距线圈时，先嵌下层边，然后将上层边嵌入已嵌放下层边的相应槽内，同时嵌装好槽楔。当嵌至最后一个节距的线圈时，需将第一个节距线圈的上层边强力抬出槽部，适当抬升至高于铁心外圆表面，相应铁心槽内嵌入最后一个节距线圈的下层边。由于线圈变形困难，以上作业过程易造成线圈对地绝缘和槽绝缘受到挤压造成损伤。

为了提高嵌线翻槽过程中绝缘的可靠性，可采用翻槽线圈预变形的工艺方法。该工艺方法需预先设计制作翻槽线圈成形模，该翻槽线圈成形模为利用与实物定子相同的扇形冲片叠压而成的一段铁心，槽数以满足翻槽时所需线圈数量为准。翻槽线圈预先嵌入该成形模槽内，适当抬升上层边实现对翻槽线圈的预变形。完成预变形的线圈退出成形模后进行绝缘修包，作为首先嵌放的一个节距的线圈正常嵌线。每台定子需预变形的线圈数量为一个节距的线圈。

采用上述工艺方法有以下几个优点:(1)在成形模上对线圈预变形，方便控制线圈翻槽抬升时的力度及变形量。(2)预变形时线圈外包保护带，可有效保护线圈本体绝缘。(3)翻槽线圈预变形后再进行对地绝缘的包扎，避免了翻槽过程中对外包绝缘可能造成的损伤。(4)避免了线圈嵌入铁心槽后的抬升操作，减少了由于翻槽抬升线圈对线圈绝缘造成的破坏。

以上两种嵌线翻槽工艺存在相同缺陷，即操作过程中存在翻槽线圈的变形。其差别在于是线圈嵌入铁心槽内后进行抬升变形还是在嵌线之前对线圈预先进行变形。翻槽线圈的变形导致线圈上层边跨距、角度将出现大的差异，线圈上层边入槽时依然比较困难，存在挤压，仍将对线圈绝缘造成破坏;并且线圈端部尺寸、形状难于恢复，外观较差。上述两种嵌线翻槽工艺过程如图1所示。

图1 传统嵌线工艺过程示意图(线圈节距1～3)

2 无损嵌线翻槽工艺方法

2．1 无损嵌线工艺实现过程

嵌线翻槽过程翻槽线圈存在变形，将对线圈绝缘造成破坏，导致电机存在严重的质量隐患。本文提出的嵌线工艺方法避免了翻槽过程形成的线圈变形，减少了线圈绝缘损伤的几率，称为无损嵌线工艺。

该嵌线工艺嵌放第一个节距的线圈时，线圈下层边不进入槽内，下层边下缘与铁心槽口平齐。此时其上层边将距离相应槽口一个线匝的高度，可以满足最后一个节距线圈下层边的嵌放要求。

为实现以上操作，需设计制作专用的线圈固定工装。针对带通风槽的分段铁心结构的定子，该线圈固定工装在上、中、下三部分卡入翻槽位置，定子铁心通风槽板之间;针对不带通风槽结构的定子，该线圈固定工装分上、下两部分安装在铁心两端槽口位置。线圈固定工装安装在定子铁心上，作为翻槽位置铁心槽的延伸，相邻工装间宽度为一个槽型宽度。嵌放第一个节距线圈时，线圈下层边不进入铁心槽内，而是通过线圈固定工装固定在槽口位置。线圈下端鼻部放置在定位支撑板上，线圈不会倾覆。

随后嵌入第二个节距的线圈时，可以调整下层边部分进入槽内。嵌入第三个节距的线圈时，可以调整下层边更多比例地进入槽内。此过程需要一个过渡区域，过渡区域长短与线圈刚性相关。由于线圈刚性大，过渡区域相应较长。所有过渡区域线圈暂不嵌入槽底，当最后一个节距线圈完全入槽后，再将过渡区域的线圈完全嵌入槽内。

采用以上嵌线工艺过程避免了线圈的变形，存在以下几个优点:(1)省去了制作翻槽线圈的步骤，节约了制作翻槽线圈所需的场地;(2)降低了劳动强度。由于此类型电机的线圈线规比较大，导致翻槽困难且劳动强度大;(3)翻槽位置线圈不再需要多次变形，避免了变形过程中给线圈绝缘带来的损伤，很大程度上提高了电机的绝缘完整性及可靠性。

无损嵌线翻槽工艺过程示意图如图2所示。

图2 无损嵌线翻槽工艺过程示意图(线圈节距1～3)

2．2 无损嵌线工艺与传统嵌线翻槽工艺方法对比验证结果

为验证以上无损嵌线工艺的应用效果，选择1.5 MW永磁直驱风力发电机定子进行试验分析。试验过程如下:选择1台1.5 MW永磁直驱风力发电机定子。该定子线圈分成2部分进行嵌线，嵌线过程分别使用以下两种嵌线方法:翻槽线圈预变形工艺方法和无损嵌线工艺方法。嵌线完成后分别对6件预变形翻槽线圈、6件无损嵌线翻槽线圈、6件非翻槽线圈进行工频对地耐压击穿试验。试验结果如表1示。

上述试验结果表明:

(1)无损嵌线翻槽线圈与非翻槽线圈对地击穿电压值为11.0～16.0 kV，平均击穿电压相近，说明采用无损嵌线工艺方法的线圈与正常的未翻槽线圈绝缘情况无明显区别。

(2)预变形翻槽线圈平均对地击穿电压值为12.8 kV，低于无损嵌线翻槽线圈与非翻槽线圈对地击穿电压值，并且数据分散性较大，其中3号线圈对地击穿电压值为7.6 kV，明显低于其他线圈击穿电压值。说明采用该翻槽方式可能导致线圈绝缘受损的情况发生。

3 结语

通过分析传统翻槽工艺在大型永磁直驱风力发电机定子存在的缺陷，本文提出的无损嵌线工艺能够避免线圈变形过程中带来的绝缘的损伤。在1.5 MW、2.5 MW永磁直驱风力发电机批量制造过程的实际应用表明，无损嵌线翻槽工艺在提高电机绝缘可靠性、保证产品质量、降低劳动强度方面体现出较强的优势。本文提出的无损嵌线工艺方法对各类大型永磁直驱风力发电机定子嵌线工艺具有一定的参考价值和实际意义。

［1］刘云.交流电机绕组的嵌装与接线［M］.北京:机械工业出版社，2003.

［2］陈长孝.两极高压电机定子的嵌线技术改进［J］.大电机技术，1992(6):25-26.

［3］郭凤秋，潘耀香.发电机定子嵌线新工艺在引子渡水电站的应用［J］.贵州水力发电，2003(5):64-66.