多極電機有繞組定子制造工藝改進

蘇啟平

(安徽皖南電機股份有限公司,安徽 宣城 242500)

0 引 言

繞組是電機的“心臟”，是電機的關鍵部件。繞組的制造質量是影響電機壽命和運行可靠性的主要因素之一[1]。一般用途的中小型電機多為2、4、6、8、10極。極數大于等于12的多極電機通常具有定子槽數多、端部小、跨距短、槽滿率高等特點。在多極電機制造過程中要控制有繞組端部的高度和厚度，對有繞組的嵌線、接線及整形工藝的要求比較高。若采用普通三相異步電動機的散嵌繞組制造工藝，會出現槽口對地、線圈匝間故障、槽楔難嵌入槽內、槽口齒部攤開等故障，導致質量問題。為此，本文介紹15 kW風力發電機在樣機試制階段出現的故障和采取的有繞組定子制造工藝改進方案，證實了改進方案可以降低有繞組定子的嵌線難度和故障率。相關工藝可推廣應用于其他多極電機產品的繞組生產。

1 普通工藝用于多極電機生產的問題

安徽皖南電機股份有限公司自主研發的15 kW風力發電機，極數多(40極)、體積小、結構非常緊湊。繞組跨距為1-2，A=1，雙層疊繞，每相24個線圈。風力發電機繞組內部展開圖如圖1所示。其定子鐵心內徑小(150 mm)、槽數多(72)、跨距小、槽滿率高(85.6%)。由于整機結構緊湊，繞組端部空腔小，在樣機試制開始階段，根據普通雙層電機制造工藝要求，發現線包非常短，端部整形困難。在控制端部高度的過程中，會出現底槽絕緣在槽口處破損的情況，造成槽口對地。嵌線工序的難度大，導致有繞組定子故障率高(如槽口對地、線圈的匝間或相間故障等)。

圖1 風力發電機繞組內部展開圖

對首批加工的5臺樣機進行耐壓試驗，要求平均不合格率不得高于千分之四(0.4%)。首批有繞組定子樣機試驗結果如表1所示。由表1可知，5臺樣機平均故障率(故障槽數與總槽數之比)高達2.22%。

表1 首批有繞組定子樣機試驗結果

結合數據分析和現場調查，判斷嵌線時繞組端部直線部分太短和槽滿率偏高是導致有繞組定子故障的主要因素。

2 改進方案

2.1 圓弧形繞線模改為方形繞線模

針對繞組端部直線部分太短的問題，有2個改進方法：(1)加長繞線模的直線部分;(2)改變繞線模的形狀。

加長原有繞線模直線部分長度雖能降低嵌線難度，但也會加長定子的端部高度、加大裝配工序的難度，并且會增加銅耗和電機的制造成本。因此，該方法不可取。

考慮通過改變繞線模形狀來解決繞組端部直線部分太短的問題。實際嵌線時，先嵌入下沉邊，再嵌跨節距后的上沉邊，此時需將線圈端部圓弧拉成直邊。繞組線圈寬度25 mm，總截面積約為17.5 mm2，憑借人工操作很難將上沉邊一次性嵌入槽內，而若分批拉直嵌入，漆包線又會與定子鐵心在槽口的位置直接接觸而損傷漆膜，導致槽口對地。若線圈端部為直邊，就可以解決問題。故提出將繞線模的形狀由圓弧形(圖2)改為方形(圖3)，利用繞線模直接繞制出線圈的直角端部，降低嵌線難度。

圖2 改進前圓弧形繞線模

圖3 改進后方形繞線模

2.2 分層繞制分層嵌入

該發電機槽滿率高、槽數多，按照傳統雙層雙疊嵌線方法，故障率高。為了解決這一問題，提出保持繞組匝數不變、將線規(截面積)改為原來的1/2，繞組繞制2次。繞組繞制示意圖如圖4所示。改進前需要繞制36相，改進后需要繞制72相。

圖4 繞組繞制示意圖

繞組繞制完成后，72槽分2個雙層嵌入，每個雙層有144個逐步嵌線次序。分層繞制、分層嵌入繞組嵌線順序表(一半繞組)如表2所示[2]。整個電機繞組有4層，即288次序逐步嵌線。

表2 分層繞制、分層嵌入繞組嵌線順序表(一半繞組)

所提出的分層式嵌線方法在繞配線工序中需要耗費一定的時間，但會降低嵌線工序的難度。在嵌入第一層時槽滿率很低，很容易嵌入；嵌入第二層時，由于線規減少了一半，且有繞組端部是直角的，因而線圈嵌入槽中難度系數也大大降低。

這種方法在嵌線過程中需要注意以下幾點。

(1)嵌入第一組時，做好U、V、W三相進出線的標志，便于接線時辨認。因為第二層的線圈是在第一層的基礎上嵌入的，在同槽內第一組的上沉邊出線和第二組的下沉邊入線位置很接近。例如表2所示嵌線次序的第4項和第5項，也就是第72槽的底線和第1槽的面線，相隔1槽，2組出線的位置基本相同，同時夾在2層線包之間，如果沒有接線標志將很難分清出線和入線，從而導致相間故障。

(2)嵌入第二組的起點的三相(同槽內)要與第一組的U、V、W三相相同，并要做好絕緣。在同槽內有4層線圈，如果同槽內第二組與第一組相次不同，那么U、V、W相可能同時出現在同一槽內，導致電機不能起動。

(3)根據嵌線時做好的U、V、W三相標志，通過串聯的方式進行不同相過橋線的連接。接好第一層的出線后，再接第二層的出線，最后把2層相同相次的出入線進行合并。接線時一定要區分三色線否則極易串相。

3 改進效果

將上述改進方案應用于后期15 kW 發電機有繞組定子的制造中，仍對5臺樣機進行耐壓試驗。改進前后有繞組定子故障率對比如表3所示。需要指出的是，改進后出現的錯線問題是人為因素導致的。除去錯線問題后，采用改進工藝制作的有繞組定子樣機，故障率為0.28%，達到了不高于0.4%的要求。

表3 改進前后有繞組定子故障率對比

改進方案后期多次推廣應用于其他產品樣機的繞組生產，有效地降低了嵌線工序的難度和故障率，提高了有繞組鐵心的制造質量。

4 結 語

15 kW風力發電機是多極電機的一種。本文針對其有繞組定子制造，在不改變電磁方案的前提下，提出了2種改進工藝，有效地降低了嵌線工序的難度和故障率，提高了制造質量，形成量產的產品。所介紹的改進方案已推廣應用于其他產品樣機的繞組生產，為槽數多、跨距短、槽滿率偏高的多極電機繞組定子制造提供了一定的參考。