三相无刷同步发电机转子绕组端部绝缘结构设计

2023-03-16刘登元郭福柱岳跃进

船电技术 2023年2期

关键词：首端匝间端部

刘登元，郭福柱，杨杰，岳跃进

应用研究

三相无刷同步发电机转子绕组端部绝缘结构设计

刘登元，郭福柱，杨杰，岳跃进

（中船重工电机科技股份有限公司，太原 030027）

针对三相无刷同步发电机转子绕组端部存在匝间短路故障的问题，提出一种转子绕组端部绝缘结构，以一台1600 kW三相无刷隐极同步发电机为例，设计了此种端部绝缘结构，详细描述了这种绝缘结构的设计方法，并应用于此台发电机中。结果表明：此转子绕组端部绝缘结构可以有效避免端部匝间绝缘短路，该方法可靠实用，为同类型发电机转子绕组端部绝缘结构设计提供借鉴和参考。

三相无刷同步发电机转子绕组匝间绝缘端部结构设计方法

0 引言

与往复式内燃机相配套组成发电机组，可作为国防、邮电通讯、机场、医院、大厦以及石油勘探、工矿企业等部门的固定电源或备用电源。船舶电站通常以柴油机拖动同步发电机组成柴油发电机组[1]。当前，船用柴油发电机组正朝着大功率、高功率密度的方向发展[2]，成本低、励磁可控以及设计方法成熟的电励磁三相无刷同步发电机（以下简称“三相无刷同步发电机”）可通过改变励磁绕组电流的大小方便调节气隙磁场强度，从而实现宽范围输出电压调节或调速，具备一定的发展潜力和应用优势，是船舶最重要的动力设备之一，直接为船舶提供电能，其运行状态直接影响整个船舶电力设备[3～5]。

转子绕组作为三相无刷同步发电机的主要部件，受运行环境的影响，绝缘状态会发生劣化。当绝缘电阻下降到一定程度时，如果柴油机组继续保持运行，会引起发电机绕组短路，形成短路电流，短路电流会导致转子绕组局部过热，进一步引起绝缘损坏，引发严重的发电机故障，威胁电力设备安全稳定运行。转子绕组匝间短路故障特征不明显，且在故障初期对三相无刷同步发电机的正常运行几乎没有影响，常常被忽略。

对于三相无刷同步发电机转子绝缘故障的研究，主要集中在对匝间短路的分析和识别上[6～9]，然而更重要的是如何在设计过程中有效避免转子绕组匝间或对地绝缘故障。综上所述，以一台1600 kW，转子绕组为铜扁线的三相无刷隐极同步发电机为例，设计一种端部底箍绝缘结构，简称“端部绝缘结构”，对端部绝缘结构的设计进行分析说明，应用于此台发电机，根据三相无刷同步发电机转子绕组技术要求，进行匝间与对地耐压试验，经试验满足匝间与对地耐压性能要求。

1 转子绕组端部绝缘结构类型

发电机转子绕组绝缘故障一般表现为接地或短路故障，按照其严重程度，又可以分为匝间、层间短路，转子绕组一点接地和两点接地[10]。三相无刷同步发电机转子绕组端部护环因设计或安装工艺引发的绝缘故障时有发生，护环一般采用合成树脂，其类型按结构可分为：

1）转子绕组端部环状体内圆安装以转轴定位的轮辐形线圈架，端部环状体外圆有序缠绕多层H200-W聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带真空浸漆后与绕组端部固化为一体的聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带型结构如图1所示，简称“外护环内线圈架一体化绝缘结构”

2）转子绕组端部外圆安装用无碱无捻玻璃纤维纱与环氧树脂预先固化而成的预制外护环型结构。

3）在转子绕组端部内圆处布置内护环，并与转子绕组端部用绑扎带绑扎而成的预制内护环型结构。

4）在转子端部外圆与内圆处分别安装预先固化的内护环与外护环，并与绕组端部适当绑扎。这四种类型结构中外护环内线圈架一体化绝缘结构端部强度既能保证转子绕组端部与转轴同心，又能保证外护环承受转子绕组端部旋转时的载荷，广泛应用于船舶三相交流无刷同步发电机转子绕组端部。但是这种结构也存在自身的不足，由于转子绕组出线端存在重间、极间的连接，连接之后需要进行适当的绝缘包扎，绝缘之后每匝线圈在静止或工作状态下受离心力、线圈架支撑力、绑扎环预紧力的作用，容易发生匝间或层间短路，尤其是转子绕组线圈为铜扁线的情况。为此，在出线端转子绕组底部与线圈架之间设计底箍，在底箍上根据转子线圈的绕制情况开槽，转子绕组重间与匝间连线有效嵌入端部绝缘结构槽内，保证转子绕组每匝线圈受力均匀的绝缘结构，简称“端部绝缘结构”，装有此种端部绝缘结构的转子绕组端部示意图如图2所示。

图1 聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带型转子绕组端部结构

图2 装有端部绝缘结构的转子绕组端部

2 转子绕组端部绝缘结构设计方法

2.1 发电机基本参数以及转子绕组连接

以一台1600 kW，转子绕组电磁线为铜扁线的三相无刷隐极同步发电机为例，对这种聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带型转子绕组端部结构进行改进，三相无刷隐极同步发电机基本参数如表1所示。

所研究的三相无刷隐极同步转子绕组线圈为单层同心式线圈，线圈按绕线模尺寸绕制，每个线圈六重，每重25匝，并绕根数2，转子绕组连接示意图如图3所示。

表1 发电机基本参数

图3 转子绕组接线示意图

转子绕组嵌线示意图如图4所示。

图4 转子绕组嵌线示意图

转子槽号按图标示，第一重线圈第6槽与第13槽，线圈顺时针绕制，第1匝首端在第13槽，第25匝末端在第6槽；第二重线圈第5槽与第14槽，线圈逆时针绕制，第1匝首端在第5槽，第25匝末端在第14槽；第三重线圈第4槽与第15槽，线圈顺时针绕制，第1匝首端在第15槽，第25匝末端在第4槽；第四重线圈第3槽与第16槽，线圈逆时针绕制，第1匝首端在第3槽，第25匝末端在第16槽；第五重线圈第2槽与第17槽，线圈顺时针绕制，第1匝首端在第17槽，第25匝末端在第2槽；第六重线圈第1槽与第18槽，线圈逆时针绕制，第1匝首端在第1槽，第25匝末端在第18槽，其余极六重线圈同理可得。

六重线圈绕制完成嵌线过程进行重间的连接，第一重线圈末端（位于第6槽）与第二重线圈的末端（位于第14槽）、第二重线圈首端（位于第5槽）与第三重线圈的首端（位于第15槽）、第三重线圈末端（位于第4槽）与第四重线圈的末端（位于第16槽）、第四重线圈首端（位于第3槽）与第五重线圈的首端（位于第17槽）、第五重线圈末端（位于第2槽）与第六重线圈的末端（位于第18槽）依次连接。根据转子绕组接线示意图进行极间的连接，第一极第一重线圈首端（位于第13槽）与第二极第一重线圈首端（位于第31槽），第二极第六重线圈首端（位于第19槽）与第三极第六重线圈首端（位于第37槽），第三极第一重线圈首端（位于第49槽）与第四极第一重线圈首端（位于第67槽），重间、极间采用对接焊，焊接完成之后先用聚酰亚胺薄膜单面补强粉云母带半叠包两层，再用无碱玻璃纤维带ET100半迭包一层，由于极间、重间连线在线圈架表面是互相交错布置的，导致线圈端部内圆内侧排列不整齐，在对绕组端部外圆进行端部环状体外圆有序缠绕多层H200-W聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带时，绕组端部在压力作用下，向径向移动，极间、重间连线交错部位互相挤压，容易会发生匝间短路现象，线圈架与转子绕组之间底箍上设计具有引线槽的端部绝缘结构能够使得极间和重间引线能够有效嵌入，引线不占用端部电磁线空间，端部电磁线均匀分布，外护环在一定外力情况下绕制，发电机转子绕组受力均匀，不会造成受力不均而使绝缘受损。

2.2 转子绕组端部绝缘结构

用H200-W聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带绕制内径为Φ501，外径为Φ531，宽为41的端部绝缘结构，绕制完成后热烘固化，根据转子绕组接线示意图以及每重线圈在端部的分布，在成型的底箍外表面加工引线槽，重间、极间连线置于端部绝缘结构槽内，转子绕组端部空间有效利用，端部绝缘结构三维模型如图5（a）所示，实物加工如图5（b）所示。

在线圈架（固定于转轴上）上与端部绝缘结构之间设置主要起支撑绕组端部作用固定U形钢箍，将转子绕组置于U形钢箍内，嵌线完成以后，用特定拉力对绕组端部外圆用H200-W聚酯树脂浸渍玻璃纤维网状无纬绑扎带绑扎处理，高温固化成型，真空浸漆。

图5 端部绝缘结构三维模型及实物图

3 转子绕组端部绝缘结构嵌线过程与试验结果

转子绕组端部绝缘结构嵌线过程如图6所示。嵌线完成后绝缘结构整体效果如图7所示。

根据转子绕组技术要求对绕组做匝间耐压试验，试验电压2500 V，匝间不得击穿。嵌线后做对地耐压试验，试验电压2500 V，历时1 min，不得击穿。经试验满足技术要求。

图6 转子绕组端部绝缘结构嵌线过程

图7 端部绝缘结构嵌线后整体效果图

按照三相无刷同步发电机试验大纲进行出厂试验，所有试验满足出厂试验要求。

4 结论

对转子绕组电磁线为铜扁线的三相无刷隐极同步发电机端部在旋转过程中容易发生的匝间故障设计了一种端部底箍绝缘结构，对这种绝缘结构的设计方法进行了详细阐述，此转子绕组端部绝缘结构可以有效避免端部匝间绝缘短路，改进了传统的转子绕组端部设计结构，能够使得极间和重间引线有效嵌入端部绝缘结构槽内，引线不占用端部电磁线空间，端部电磁线均匀分布，受力均匀，从而可以有效避免船舶三相无刷同步发电机在静态或动态过程中匝间短路现象发生。

该端部底箍绝缘结构可靠实用并且可以做到转子绕组端部外观美观，为同类型发电机转子绕组端部绝缘结构设计提供借鉴和参考，具有一定的使用价值。

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