用于节能型风电机组的复合涂层绝缘绕组线的创新研制

王德山， 陈尤旭， 陈铭宏

（苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州215131）

0 引 言

为实现哥本哈根气候大会减排的目标，我国非常重视绿色、节能、环保和低碳生活，而最能体现的这一目标的便是风力发电的新兴发展领域[1-4]。风力发电新兴技术直接带动了风力发电机的快速发展，对绕组线性能的要求也越来越高[5]。为了应用于油田、矿山等特种电动机，中国从日本引进了大量具有较高电动机稳定性的复合层电磁线，从而满足变频调速特种电动机的需要。众所周知，虽然国内有许多品种的漆包线，但有一定的局限性。QXY漆包线被称为全能漆包线，因价格昂贵而使它的应用受到限制[6]。因此，如何满足特种电动机的需求，提供防水性能良好、绝缘厚度薄、耐压高和成本低的绕组线，已成为亟待解决的问题[7]。

本文基于现有的节能型风电机组，结合国内外生产技术，通过改进铜导体清洗装置和螺旋烧结技术，开发出涤纶玻璃丝和聚酰亚胺薄膜复合层的涂层结构，用于风力系统，低成本环保节能，打破国外厂商在高端产品市场的垄断，实现风力发电机主要零部件的国产化，增强国内市场的竞争能力。

1 风电机绕组线行业发展状况

绕组线也称为电磁线，是必不可少的基础材料，不仅用于制造电力系统仪器，而且对电能、信息和电磁转换的传输具有重要作用[8]。早在“十一五”期间，全球经济危机和铜价不稳定性影响到了整个电磁线市场，产生了一些负面影响。此后，随着新兴行业、高科技行业及经济全球化等共同激化下，“十二五”初期，国内绕组线市场开始好转，且需求日益增强，也一度成为国内外的第一大生产国，在满足国内需求的同时，许多国外企业被引入中国的绕组线市场，行业整体技术水平有了很大提高。

我国自主研发的电磁线制造技术正向先进工业国家靠近，虽然新技术、新产品的开发存在较大的差距，但核心技术并未成为中国电磁线质量的主要制约因素[9]。由于国内品种、技术水平和生产能力等有限，进口产品占据了一定的市场范围[10]。高速发展的风力发电市场催生了与风电相关产业的快速发展，作为风电机组的重要配套材料，日本等国外厂家通过改进烧结技术，引入自动化设备等方式，降低绕组线成本改善品质，牢牢占据高端市场，并掌握价格话语权。为改变现状，国内一批厂商也在做大量的研发与尝试工作。

2 绕线组线创新研制的关键技术

2.1 风电机组用双电动机绝缘电磁线

目前，国内的风力发电机主要包括永磁同步直驱和双馈异步两种。直接驱动风机没有变速箱，故障少、可靠性很高且寿命长。永磁直驱同步电动机需要永磁材料，近年来永磁材料价格飙升，价格上涨了10 倍以上，用电磁材料取代永磁材料能大大降低电动机制造成本[11]。传统的自粘式电磁线产品加工工艺在电磁线绝缘层上使用热熔胶，然后通过在烘箱中的辐射加热将热熔胶附着到导体上以实现自黏合。传统电磁线需要用绝缘漆浸入玻璃纤维中，绝缘漆中的有机溶剂经过烘箱的辐射加热蒸发。

风电机组使用双层绝缘电磁线，即铜导体外的第一绝缘层是芳族聚酰亚胺复合薄膜，厚度为0.045～0.200 mm，第二绝缘层是热熔聚酯玻璃纤维，厚度为0.04 ～0.10 mm。其绝缘层具体截面结构如图1 所示。

2.2 铜导体二次冲淋超声波强力清洗工艺

目前技术中的电磁线用铜导体的清洗方法有两种：1）将铜导体用尼龙轮或氧化铝轮抛光后，进行水洗吹干，但是抛光后会使得铜导体产生更多铜屑，光靠水洗清洁力度不够；2）采用超声波设备进行冲洗，该种清洗方法的铜导体的表面清洁度仍然较差，无法彻底清除不良残留物。

因此，这里采用一种铜导体二次冲淋超声波强力清洗装置，主要用于铜导体拉丝后的清洗，提高清洁度提升最终产成品品质。先是通过将铜导体先穿过冲淋刷洗装置，强力刷洗掉铜导体表面的润滑液、拉丝油和铜屑等残留物（因为润滑液和拉丝油在铜导体高温退火时，会在铜导体表面形成斑点，影响铜导体外观质量和性能），然后铜导体进入超声波清洗区进行清洗，紧接着二次巩固清洗，最后通过吹干装置吹干。

图1 风电机组双层绝缘电磁线截面

图2 铜导体二次冲淋超声波强力清洗装置

2.3 热均匀螺旋式高频感应线圈加热装置

热均匀螺旋式高频感应线圈加热装置涉及薄膜烧结电磁线感应加热黏合系统，改进高频感应加热装置，同时使感应加热装置和滚送装置布置成可前后移动。当设备关闭时，压紧装置到感应装置之间的薄膜还是会继续被滚压，从而解决了当装置停止时部分薄膜未牢靠黏合的问题。

在电磁线制造领域的感应加热是指采用高频电源经高频感应线圈在一定温度下把薄膜绝缘层紧紧烧结在导体上，然而使用现有技术的烧结机时，总是存在以下问题：当设备停车时，感应加热装置的感应线圈内及感应加热装置到压紧装置的那段薄膜与导体黏结不牢。为解决这一问题，目前的做法是：将导体拉回，去除那段黏结不牢的电磁线后，再接上薄膜生产。但是这样操作麻烦，影响生产进度和生产效率，同时人为地为电磁线产品增加了绝缘层接头，不利于电磁线最终成品的质量稳定，特别是对产品的外观、尺寸、电性能等质量影响很大。

结合国外技术发展，提出一种新型的高频感应线圈加热方式，具体结构如图2 所示。相对于其他模式，这种螺旋加热模式磁力线切割得最全面，任何地方都不会出现切割不到的情况。因此，在切割磁场线之后由扁平铜线产生的热源的中心点始终位于扁铜线的几何中心，使得热量均匀地分布在扁铜线表面上，从而大大提高了薄膜烧结电磁线的烧结质量。

图2 螺旋式薄膜烧结高频感应线圈

感应加热装置包括感应加热装置主体和高频感应加热线圈主体，加热线圈体呈螺旋状，直径可设定，固定设置在感应加热装置本体上，并与加热装置的主体一起移动。

滚压装置包括能够来回移动的滚压装置本体、与至少一个滚压装置本体相转动连接的滚轮组，滚轮组由转轴轴心线相互平行的第一滚轮和第二滚轮组成，第一滚轮和第二滚轮之间形成供电磁线通过的电磁线通道。两组滚轮组的转轴轴心线相垂直，其中一组滚轮组滚压电磁线的宽面，另外一组滚轮组滚压电磁线的窄面，最终形成扁电磁线导线，若想形成其他形状的导线，可更改滚轮组的设置。滚轮组有3 组，其中一组滚轮组的转轴延伸方向与另外两组滚轮组的转轴轴心线相垂直，另外两组滚轮组的转轴轴心线相平行，这样可以使得滚压效果更好，薄膜与导体黏合得更紧。经过加热后的电磁线通过第一滚轮和第二滚轮的滚压后，薄膜与导体之间黏结牢固。

当需要停止黏合系统时，即感应加热装置停止工作，导体继续前行至设定距离，然后导体停止运动；在导体前行的时候，滚压装置向着感应加热装置的方向移动至感应加热装置加热过的电磁线处，然后滚压装置复位；当需要重新启动黏合系统时，如果黏合系统的停止工作时间少于3 min，则黏合系统无法启动；如果黏合系统的停止时间超过3 min，则感应加热装置开始工作，感应加热装置向着滚压装置的方向移动至大于设定距离处，然后感应加热装置复位（如图3）。电磁线所通过的电磁线通道均位于同一水平线上，这样使得导体始终呈水平设置，便于移动和加工。

图3 电磁线的电磁感应加热黏合系统

2.4 热检测装置

在特种电磁线生产过程中，绕组线需要在固定的温度区间进行烧结，否则会影响成品质量，在此过程中，红外线测温仪用于测量温度并提供反馈，具体的红外测温系统结构如图4 所示。有3 个因素会影响红外线测温仪测量的温度值: 红外线探测点到高频感应线圈出口的距离、红外传感探头到电磁线表面的垂直距离和红外线传感探头与水平面的角度。

图4 红外测温系统结构

结合热检测装置研究在线自动检测技术，及时反馈生产中参数，实现自动调整。针对大规模生产的需要，进行生产线自动化改造的整体研究，改进恒张力控制装置，减小了间距漂移量，提高了薄膜叠层均匀性。优化生产流程，从成本和自动化性能入手，加强热检测装置研究。

2.5 涤纶玻璃丝配方研究

涤纶玻璃丝的配方比例直接影响到包覆后成品的力学性能和电气性能，根据风电绕组线的特殊要求，研究适应风电机组绕组线的涤纶玻璃丝配方具有重要意义。热融性涤玻纤维也可以将购买的玻璃纤维与用于电工的特殊热融性涤纶纤维混合获得，混合纤维中的玻璃丝可以是600、360、250 和160 支。

该配方的绝缘层具有稳定的性能和优异的电性能，中间切割法用于黏合拉伸试验，20%拉伸层牢固地黏附在导体上，密封性能良好。由热融性涤玻纤维制作而成，具有自黏性。该配方使用芳族聚酰亚胺复合膜，使产品能够承受更高的温度。

3 结 论

针对风电机组用定子绕组线的实际应用情况，介绍了一种生产过程环保、耐高压的低成本双层绝缘电磁线产品。它可以满足风力发电机绕组的要求，如耐湿性、耐盐雾性、耐霉性、耐高压性和耐辐射性，并具有优良的电气和力学性能。主要结论有：1）绕组线为复合层绝缘结构。铜导体的外表面包覆聚酰亚胺薄膜，在聚酰亚胺薄膜外表面再包覆涤纶丝与玻璃纤维纱的混纺体烧结。在制作过程中废气、废物的排放量少、无污染，且不需烘焙节约能源。2）采用螺旋式高频感应线圈加热方式代替传统的涂绝缘漆工艺技术，可节约大量的电能，与传统工艺比较节约电耗50%左右。3）采用铜导体二次冲淋超声波强力清洗技术，可有效清洁铜导体表面润滑液、拉丝油、铜屑等杂质，更能有效地去除因高温退火形成的表面斑点，清洁效率较高。4）螺旋式高频感应线圈加热装置与在线自动温度检测系统的组合应用，可以使热量在扁铜线表面的分布更均匀, 从而使薄膜烧结绕组线的质量得到较大幅度提高，配合自主开发的自动温度在线检测系统可以使温度始终恒定在300 ℃，产品良品率提高30%以上。