无刷双馈电机转子线圈及工装的设计

竺东杰, 智 刚

武汉扬华电气股份有限公司 武汉 430205

1 设计背景

无刷双馈电机转子的特点之一是无需配套刷握和滑环等装置,这一优势使系统具有较高的可靠性。目前,无刷双馈电机正逐步应用于各个领域[1-6]。对于无刷双馈电机转子的硬绕组成型线圈[7],在试制或小批量生产阶段一般通过简易工装来制作。笔者以YWS560L-8型630 kW无刷双馈电机转子为例,设计了两种转子线圈和相应的工装。

2 转子线圈特点

按照技术任务书给定的技术数据及结构形式,无刷双馈电机转子采用硬绕组成型线圈。考虑转子大电流及谐波的影响,同时考虑制造设备条件,制订了双单匝混合成型转子线圈方案,这样可以大大降低匝间绝缘的风险。通过对YWS560L-8型630 kW无刷双馈电机电磁方案、绕组形式进行分析,设计了同心式和叠绕式转子线圈。两种结构转子线圈的优缺点见表1。

表1 两种转子线圈优缺点

3 转子线圈制作流程

转子线圈在制作时,首先要确保线圈的成型质量,以便于顺利嵌线。为了减小铜线的内应力,克服线圈的硬化变形,转子线圈制作的基本流程为:先进行扁铜线退火处理,转送拉直下料机校直,然后利用转子敲型工装使线圈成型,最后对成型线圈包绕绝缘[8]。

4 同心式转子线圈设计

4.1 结构

同心式转子线圈无层间绝缘,槽的利用率高,散热好,便于嵌线,能节省端部的接线空间[9]。同心式转子线圈的结构如图1所示,其直线段处于铁心槽同一层,互相之间不需要上下换位,因此端部所占空间小且排布规整。

4.2 相应工装

通过分析同心式转子线圈,设计了一套相应的工装。工装结构如图2所示,主要包括机架、圆筒、内撑板、定位胎板等。从人体工程学的角度考虑,为了方便人工操作,将工装整体高度控制在900～950 mm之间。

图2 同心式转子线圈工装结构

工装的机架由槽钢和角钢拼焊而成。圆筒由钢板辊圆后按内撑板外圆整圆,并与内撑板焊为一体,然后车外圆至所需尺寸。在圆筒顶端划圆筒母线,使定位键中心线与之对齐。焊接定位键两端,注意离定位键两端100 mm内不得施焊,使卡板可按定位键两端定位。定位胎板使用标准键钢,依靠卡板定位,其中窄边贴圆筒,使敲型时扁铜线略微高出。在内侧合适位置点焊两侧直线段定位胎板,点焊间隔为100～150 mm。直线段定位胎板点焊完毕后,分别从左右两端脱开卡板。

端部键钢按圆筒外圆尺寸弯弧,然后在其内侧点焊、固定。按同样方法从内向外在每层胎板内侧点焊完毕,将不平整处打磨平整。最后,机架与圆筒部分按要求焊接牢固。

4.3 成型及绝缘处理

扁铜线经拉直下料机校直备用,线圈成型以胎板定位,从内侧小圈开始向外侧大圈敲型,边敲边用夹钳夹在合适位置,起固定和防止回弹的作用。在直线段与端部过渡处,转动工装,使用专用工具将扁铜线沿宽边扳折。

线圈敲型后表面可能有利边和毛刺,必须提前处理再包绝缘。将线圈放置在专用搁线架上,先半叠包一层少胶云母带,再半叠包一层亚胺薄膜[10-11]。为了增加线圈挂漆量,并且避免在嵌线时擦破绝缘,从端部出铁心10 mm处开始半叠包一层聚酯纤维带。

5 叠绕式转子线圈设计

5.1 结构

叠绕式转子线圈制作简单,嵌线方便,电气强度高,破压、击穿事故少。如图3所示,线圈的头线位于下层,头线侧线圈出铁心槽口后的走势为径向向下稍下沉,然后向上抬起,这需要依靠敲型垫块来保证。在非接线端,线圈的头线和尾线全部一次弯弧成型。在接线端,除每组线圈首尾两处外,其余同样使用接头。

图3 叠绕式转子线圈结构

根据嵌线分析情况,设定上下层线圈的位置。结合直线段的位置,可用描点法初步绘制出线圈样线模型。按照转子接线图阵列样线,检查有无干涉。若干涉明显或间距小于5 mm,则考虑重设接头的位置,或调整修改样线描点值,直至满足要求[12]。

5.2 相应工装

叠绕式转子线圈相应工装如图4所示,可用于制作叠绕式转子线圈。跨距定位板和角钢用于确定线圈的跨距和高度差。敲型垫块用于确定线圈的角度和端部弧形。敲型垫块是由线圈端部三维模型倒放出来的,高度还原底边形状,因此无需反复修整,加快了工装的制作进度,节省了试线时间。为了更好地定位线圈,敲型垫块上焊有弧形挡板。工装实物如图5所示,增加了四块搁挡片,焊接在角钢上,便于压铁放置和压紧线圈快速就位。

图4 叠绕式转子线圈工装结构

图5 叠绕式转子线圈工装实物

制作工装时,将两块跨距定位板与两根角钢焊接成为整体,注意两根角钢的长度并不相同。焊接时以短角钢为基准,与定位板的外表面齐平。长角钢以中心面对称分布,使焊后左右两端伸出板面长度相等。焊接时,先点焊定位、校正,然后满焊加固,再校正。

切割出敲型垫块的弧面,铣出两端斜边,以设计的线圈端部角度确定斜边的角度。其中,两头线敲型垫块的弧面一致,但斜边角度相反,两尾线敲型垫块的弧面和斜边角度则均不相同。在跨距定位板上划线,确定各敲型垫块与其接触的位置,然后借助直角尺等辅助工具将焊后的敲型垫块校正。

吊耳事先焊接在角钢上的相应位置,每套夹具配有两个吊耳。操作时,一个吊耳处用螺栓螺母与夹具拧紧,作为旋转支点。另一个吊耳处仅配螺栓,插入即可锁紧压铁,拔出即可翻转夹具,卸下压铁后取出成型线圈。

5.3 成型及绝缘处理

以非接线端为基准,将扁铜线分别装夹在头线侧和尾线侧,按模具敲型后试嵌入转子铁心,由此可得头线和尾线的装夹尺寸、下料尺寸。

将拉直下料的扁铜线放置于叠绕式转子线圈工装两旁的专用托盘上备用。对成型后的线圈逐一检查,如发现有毛刺,则需要提前处理,再进行包绕绝缘。绝缘包绕工艺与同心式转子线圈相同。

6 结束语

针对YWS560L-8型630 kW无刷双馈电机转子,设计了两种结构转子线圈和相应的工装,并对线圈制作和绝缘处理进行了介绍。通过合理、简单的工艺,提高了转子线圈制作的效率和一致性。所设计和制作的转子线圈通过测试全部合格,并应用于多台无刷双馈电机,均满足使用要求。