高效高壓中型異步電機絕緣結構設計分析

孟大偉，姜明麗

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱150080)

0 引言

電機的重要技術經濟指標之一是重量功率比，即kg/kW。減薄主絕緣可以提高槽利用率，從而達到減小重量功率比，減小電機體積和制造成本的目的[1]。以往多采用實驗的方法減薄主絕緣[2]，而實驗的方法不能直觀的反映電場對主絕緣的作用。利用有限元方法對絕緣層電場進行分析計算，就可以獲得絕緣層表面的電場分布情況[3－5]。在此基礎上，來優化絕緣尺寸與結構，對于高效節能電機的研究具有重要意義。

本文以YKK400－6(690 kW)中型高壓異步電機為參考樣機，運用有限元方法對電機定子槽部電場、角部電場和端部電場進行計算分析，計算結果可以為定子主絕緣的減薄和優化結構提供理論依據。同時，通過介質損耗角正切實驗和和瞬時工頻擊穿電壓試驗，驗證了減薄后的絕緣厚度能夠滿足電機運行的需要。

1 定子槽部電場計算

電機絕緣結構中對電場的求解，可歸納為邊值問題[6]，即

式中:Ω為定解場域;Γ1為電勢已知的邊界;Γ2為電勢的法向導數等于零的邊界;Γin為不同介質的分界線。

電機的槽部電場和角部電場可近似為二維場進行計算[7]，而端部由于其結構的復雜性，采用三維場進行計算。

1.1 定子槽部電場有限元數值方程

選用樣機的額定電壓為6 000 V，定子槽寬為11.9 mm，高為69.5 mm，層間絕緣厚為2 mm，主絕緣為1.5 mm。以定子槽寬度方向為x軸，高度方向為y軸，結合電機的實際尺寸建立計算模型。絕緣材料按均勻、線性、各向同性媒質處理，忽略槽楔對電場的影響，槽內間隙均按真空處理。計算模型如圖1所示。

三相異步電機的外接電壓按正弦規律變化，因此槽內上、下兩層線圈在各個時刻的電位可以通過計算得到。電位沿軸向的梯度較小，可忽略不計。因此在任一時刻定子的槽部電場均可以當做二維靜電場處理[8]。

圖1 定子槽部電場計算模型Fig.1 Calculating model of stator slot electric field

基于以上條件，標量電位φ滿足的方程為

其中:ε為介質的介電常數;G為定解場域;s'為高電位面域(線圈導體);s″為零電位面。

由圖1及槽型與絕緣尺寸可知，G滿足范圍為

{x∈[－5.95，5.95]，y∈[36，38]∪

y∈[67.5，69.5]}∪{y∈[5，69.5]，

x∈[－5.95，－4.2]∪x∈[4.2，5.95]}。

邊界條件為:設定子槽壁表面電位為零，則s″滿足范圍

當A，B兩線圈之間相位差為120°時，上下兩層線圈之間的電位差變化最明顯。以線圈A的坐標為基準，在A、B兩線圈導體上加高電位，所加的電壓為整機對地耐壓試驗所用電壓值(17 kV)。即s'滿足范圍

1.2 定子槽部電場計算結果

線圈A，B的電位差為

圖2 時電場強度云圖和矢量圖Fig.2 Electric field intensity cloud picture and vector-graph withdegree

圖3 時電場強度云圖和矢量圖Fig.3 Electric field intensity cloud picture and vector-graph with degree

觀察圖2、圖3中電場分布，發現場強最大值出現在線圈尖角部分，即在線圈尖角部分出現了電場集中現象，在矩形線圈的四個側面，電場分布是比較均勻的。分析發現線圈尖角部分的電場集中現象是由于導體幾何形狀突變所造成的，所以有必要對線圈角部進行結構優化。

2 線圈角部電場的計算

為了減小角部電場集中效應，通常把線圈的角部做成有一定圓角的形狀，其截面簡化模型如圖4所示。

圖4 帶圓角的截面簡化模型Fig.4 Simplified section model with rounded corners

線圈的4個角部是對稱的，即可以選擇線圈截面的四分之一進行分析。建立主絕緣厚度為d=1.5 mm，半徑r=1.8 mm的計算模型。對線圈加載時的整機對地耐壓試驗所用電壓的瞬時值，絕緣層外側為零電位邊界。應用靜電場求解器進行計算，計算結果如圖5所示。E[V/m]

1.2925 e+007 1.2117e+007 1.1310e+007 1.0502e+007 9.6942e+006 8.8864e+006 8.0787e+006 7.2710e+006 6.4632e+006 5.6555e+006 4.8477e+006 4.0400e+006 3.2323e+006 2.4245e+006 1.6168e+005 8.0903e+005 1.2925e+003

觀察圖2和圖5的放大部分，由于采用了圓角結構，角部電場分布變得均勻，最大電場強度由原來的1.757×107V/m下降為1.293×107V/m。根據經驗公式[9]

圖5 圓角結構的角部電場云圖Fig.5 Electric field intensity cloud picture in rounded corner

式中:fm為電場集中系數，Ea為平均場強，d為主絕緣厚度，r為圓角半徑，Emax為最大電場強度，由

確定。可知，欲改善定子線圈的電場分布，需減小電場集中系數 fm，而要減小 fm，就必須降低 d/r的值。

改變d和r的值，建立計算模型。對各模型中線圈導體加載整機對地耐壓試驗所用電壓值，設絕緣層外側為零電位邊界，采用靜電場求解器進行計算。若在此電壓值下絕緣能滿足要求，則主絕緣可以保證電機的安全運行。

通過計算，得到d和r取不同值時的電場分布，取最大電場強度進行對比，如圖6所示。

圖6 d和r 取不同值時最大電場強度Fig.6 Maximum electric field intensities with different d and r

從圖6中可觀察到當絕緣厚度相同時，最大電場強度的值隨圓角半徑的增大而減小;當圓角半徑相同時，最大電場強度值隨絕緣厚度的增大而減小。其中1.5 mm為原絕緣結構、1.1 mm為所確定的新絕緣結構。

3月6日上午，1 6 1師戰地醫院裝車回國，殷燕坐車從友誼關回到了廣西。殷燕記錄了自己入關回國的心緒：“從友誼關經過的軍人們，無不被那樓頂上迎風飄揚的五星紅旗所吸引，那深情凝望的眼神，是經受過戰場考驗、從生死線上走回來的人才會有的，那是發自心底對祖國依戀的神情。軍人們就像久別了母親的孩子一樣，禁不住熱淚盈眶，面對著國旗，舉起右手久久地行著軍禮不愿放下。”

由圖5可知主絕緣電場強度的最大值與最小值均出現在角部45°射線方向上。在1.5 mm和1.1 mm絕緣的各模型沿角部45°方向做射線，分別提取該線上節點的電場強度作對比分析，如圖7所示。計算該線上節點電場強度的平均值，其值可作為平均場強Ea。根據圖6中的最大值就可以求得電場集中系數fm。圖8為fm與r和d的關系。分析可知當絕緣厚度一定時，圓角半徑越大fm越小。在滿足絕緣結構的要求情況下，考慮提高槽利用率和生產工藝兩方面，選擇0.8 mm的圓角半徑為宜。

圖7 角部45°射線上電場分布圖Fig.7 The electric field distribution along radial direction with 45°

圖8 不同r和d下的fm值Fig.8 fm values with differentrandd

3 定子繞組端部電場計算

定子繞組端部幾何形狀復雜，在形狀突變處電場分布極不均勻，容易產生絕緣損壞現象，需對端部電場分布進行分析。

根據電機定子繞組端部實際尺寸進行建模，模型和網格劃分如圖9所示。槽部主絕緣厚度為1.5 mm時，端部絕緣厚度為1.65 mm。當槽部主絕緣厚度減薄為1.1 mm時，端部采用1.45 mm厚的絕緣結構。對定子繞組端部線圈導體加載整機實驗線電壓值(17 000 V)，設絕緣層外表面為零電位邊界。

圖9 定子繞組端部模型和剖分圖Fig.9 Stator end winding model and mesh grid

計算結果如圖10所示，其中(a)為端部絕緣1.65 mm的結構，(b)為端部絕緣1.45 mm的結構。

圖10 繞組端部電場計算云圖Fig.10 Electric field intensity cloud in end winding

減薄后端部電場強度最大值為2.0371×107V/m，完全滿足絕緣要求，并保留一定的安全裕度。

4 絕緣性能試驗

以電場計算的結果作為參考，按JB/T 50132－1999標準對定子主絕緣厚度為1.5 mm和1.1 mm的線圈進行常態下介質損耗角正切、熱態介質損耗角正切和瞬時工頻擊穿電壓試驗。

實驗結果如圖11和表1所示。

圖11 常態下不同絕緣厚度線圈的tanδ(%)Fig.11 tanδ(%)values of the windings with different insulation thickness in the normality

表1 不同絕緣厚度線圈的熱態介損與擊穿電壓Table 1 Thermal dielectric losses and breakdown voltages of the windings with different insulation thickness

5 結論

總結計算結果和試驗結果，可得以下幾點結論:

1)為了改善線圈電場的分布，在設計絕緣結構時，須采用合理的圓角半徑。兼顧提高槽利用率和減小電場集中系數兩個指標，線圈截面的圓角半徑選擇0.8 mm比較適宜。

2)絕緣厚度為1.1 mm的試驗線圈采用高介電性能的少膠云母帶和優化結構，與原結構1.5 mm的試驗線圈相比，絕緣結構滿足要求。

3)當槽部絕緣減薄為1.1 mm時，端部端部建議采用1.45 mm的絕緣厚度。由于端部所處位置決定其電場分布沿絕緣表面存在著較強的切向和垂直的分量，且電暈強烈。在滿足槽部絕緣要求時，端部不易過度減薄，要保證電機的安全性能。

本文采用整機試驗電壓進行計算，與線圈擊穿試驗對比，各處計算電場強度均沒有超過擊穿場強。當電機在額定電壓下工作時，優化的絕緣結構能夠保證電機的安全可靠運行。

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