高壓電機定子采用散繞組的絕緣結構分析

2021-04-23 04:44:22馮相為張炳義

電機與控制應用 2021年3期

馮相為, 張炳義

(沈陽工業大學電氣工程學院，遼寧沈陽 110870)

0 引言

高壓電機定子通常采用成型繞組或半成型繞組，絕緣部分通常留有較大裕量，同時成型繞組、半成型繞組有較多缺陷，不僅繞組本身的生產成本高，而且需要配套開口槽或者半開口槽，導致卡式系數大，增大了有效氣隙長度，使功率因數降低。對于永磁電機，氣隙長度增大還會導致永磁體用量增大[1]。同時，開口槽還會導致永磁電機的齒槽轉矩變大[2]，降低電機的轉矩輸出質量。這些因素增加了電機的制造成本，降低了電機的性能。

在高壓電機上采用散嵌圓銅線繞組及閉口槽可以有效地解決這些問題。而對于高壓電機采用散繞組，有必要在設計過程中驗證其絕緣可靠性，是因為絕緣系統在很大程度上決定了高壓電機的壽命和運行可靠性[3]。使用有限元法分析絕緣層電場，可以獲得絕緣層的電場分布情況。

在有限元法和計算機輔助設計工具的幫助下，可以精確計算絕緣結構的性能，發現薄弱點并進行針對性優化，為高壓電機定子應用散繞組創造了條件。定子采用散繞組，不僅能降低繞組本身的制造成本，而且能減少氣隙長度，對于永磁電機可以節約永磁體用量，同時有利于降低定子齒諧波幅值、削弱氣隙磁場諧波、增大功率因數。

文獻[3]給出了高壓電機采用成型繞組時絕緣材料和厚度的經驗公式。文獻[4]提出了成型繞組槽部、端部的電場分析和優化方法。文獻[5]分析了大電機端部電場的分布情況并進行了優化。文獻[6]利用有限元法對成型繞組高壓同步電機進行了電場分析，提出氣隙和槽口附近是容易擊穿的位置。上述文獻大都針對高壓成型繞組進行分析，對高壓散繞組的研究較少。

本文以1臺額定電壓為6.3 kV定子應用散繞組的高壓電機為例，研究其絕緣系統的設計過程以及絕緣系統的性能，為高壓電機定子采用散繞組的設計提供了參考。

絕緣系統總體上可以分為2部分：定子槽部絕緣和定子端部絕緣。而定子槽部絕緣主要由匝間絕緣、層間絕緣和主絕緣構成。接下來，將分別分析組成電機絕緣系統的各個絕緣子系統。

1 定子槽部絕緣分析

電機絕緣結構中電場的求解，可歸納為邊值問題[7]，即：

(1)

式中：Ω為定解場域;Γ1為已知電勢邊界，即繞組區域;Γ2為電勢法向導數為零的邊界;ε為介質的介電常數;Γin為2種不同介質的分界線。

以1臺定子應用散繞組的高壓電機為例，分析高壓電機定子應用散繞組的可行性以及絕緣可靠性。該電機的部分參數如表1所示。

表1 樣機部分參數

因為高壓電機定子槽內電位分布沿軸向梯度較小可以忽略不計，所以可以將定子槽部絕緣分析簡化為二維靜電場問題來處理。對于二維電場，式(1)中的邊值問題可以簡化為

(2)

1.1 匝間絕緣分析

高壓交流電機為了設計時能夠達到一定的安匝數，定子線圈通常設計為多匝結構[8]。每匝之間存在電勢差，因此匝間絕緣必不可少。對于低壓散繞組，匝間絕緣通常為漆包線的漆膜。但是對于高壓散繞組，漆膜絕緣存在易在加工和下線過程中損壞,厚度不均,存在小孔影響絕緣等缺點，因此對于高壓電機，應該選擇一個更為可靠的匝間絕緣結構。

為了確保絕緣能力，使用薄膜繞包圓銅線作為定子線圈用線。使用薄膜繞包燒結線的絕緣層作為匝間絕緣可以有效避免漆膜絕緣的缺點并帶來優勢，如,可以有效減輕劃傷程度,防止起暈能力更強,絕緣性能高于漆膜等。因此，采用聚酰亞胺薄膜繞包燒結線的絕緣層作為匝間絕緣。

針對匝間絕緣做有限元仿真驗證，圓銅導線線徑2 mm，絕緣層單邊厚0.45 mm，接觸面由于擠壓，設置0.24 mm的扁平接觸區域，以銅線圓心連線方向為x軸，垂直該方向為y軸，參照實際尺寸建立模型。絕緣材料按照均勻、線性且各向同性媒質處理。間隙均按照真空處理。匝間絕緣計算模型如圖1所示。

圖1 匝間絕緣計算模型

對于匝間絕緣，正常運行中最嚴重的情況為線圈首匝相鄰末匝，此時相鄰兩匝電勢差最大：

(3)

式中：Umax為正常運行中相鄰兩匝最大電勢差。

根據行業標準[9]規定，要計算匝間絕緣沖擊試驗的試驗電壓峰值，應先計算對地耐壓試驗的試驗電壓有效值。根據GB/T 755—2019[10]規定，本文樣機對地耐壓試驗的試驗電壓有效值應為

UG=1 000+2×6 300=13 600 V

(4)

則該電機匝間絕緣沖擊試驗的試驗電壓峰值應為

U1=K1K2UG=

(5)

為了驗證極端條件下的絕緣可靠性，以U1為激勵進行電場強度仿真。匝間絕緣電場強度云圖如圖2所示。

圖2 匝間絕緣電場強度云圖

通過圖2可以看到，匝間絕緣上的電場分布集中在兩匝導線的接觸面附近，而最大電場強度為3.574 1×107V/m，未達到材料的擊穿場強4.086×107V/m[11]，且留有較大裕量，可以認為匝間絕緣是可靠的。

1.2 層間絕緣和主絕緣分析

對于散繞組，主絕緣也稱槽絕緣，需要在正常運行中直接面對線電壓，而對于分屬不同相的上下兩層繞組，在供電波形處于一定相位時，層間絕緣需要面對超過線電壓的絕緣電壓。因此，層間絕緣和主絕緣的設計是高壓散繞組設計的關鍵。

層間絕緣和主絕緣可采用相同的材料，綜合考慮絕緣性能、成本等因素，采用聚脂薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復合材料制成的絕緣紙作為主絕緣和層間絕緣材料。樣機定子槽型及絕緣示意圖如圖3所示。采用有限元法重點研究絕緣厚度和場強的關系，首先給出定子槽型尺寸，如圖3(a)所示，定子鐵心采用DW465-50硅鋼片疊壓而成，絕緣材料的部分參數如表2所示[11]。

表2 絕緣材料部分參數

圖3 樣機定子槽型及絕緣示意圖(mm)

圖3(b)為槽內層間絕緣和主絕緣的實際情況示意圖。一般情況下，下線時層間絕緣材料要蓋住下層繞組，因此在層間絕緣邊緣會有部分絕緣紙和主絕緣重疊。在簡化模型時，因為重疊的長度取決于下線的操作，無法確定具體的長度，所以不考慮重疊部分厚度，按照單層絕緣簡化模型，槽口部分也作相同處理。圖4所示為簡化后的層間絕緣和主絕緣有限元計算模型。

圖4 層間絕緣和主絕緣計算模型

忽略槽楔部分影響，設主絕緣厚度為d，層間絕緣厚度為t，以定子槽寬方向為x軸，定子槽高方向為y軸，參考電機實際尺寸建立模型。絕緣材料按照均勻、線性且各向同性媒質處理，上下層線圈邊折角處按照所包裹線圈的最小直徑，也就是導線的線徑倒角。

φAB=φA-φB=

(6)

式中：φAB為A、B之間的電位差;φA、φB分別為A、B電位；Ur為供電電壓有效值；f為供電電壓頻率；t1為時間。

國家標準規定，試驗電壓應加在被試繞組與機殼之間，鐵心與機殼聯接。因此，將定子鐵心設定為零電位。

對于絕緣來說，絕緣厚度越厚，絕緣就越可靠，但是絕緣厚度的增加會導致槽面積的利用率下降，同時還會導致定子繞組散熱困難等問題，因此引入槽有效面積占槽面積的比例Se，用來防止絕緣厚度過大。Se滿足：

(7)

式中：Sc為槽有效面積，是絕緣紙內部包裹的面積；Sa為槽面積，從槽身處開始計算。

圖5 d和t取不同值對最大場強的影響

對于t=0.9 mm和t=1.0 mm，d的變化對最大場強影響較小，是因為此時t的厚度較薄，導致最大場強出現在層間絕緣上，如圖6(a)所示。高場強幾乎全部出現在層間絕緣部分，場強的分布在主絕緣和層間絕緣上均較為均勻，未見明顯突變現象。對于t=1.1、1.2、1.3 mm，d的變化對最大場強影響較為明顯，原因是此時t的厚度較厚，最大場強出現在主絕緣上,如圖6(b)所示。

圖6 場強分布

Se隨d和t變化的值如表3所示。由表3可以看出，隨著絕緣厚度的變大Se逐漸上升。在d=0.6 mm,t=0.9 mm時，Se為86.87%，槽內放置導體的槽有效面積較大。而當d=0.85 mm,t=1.3 mm時，Se下降至81.78%，此時槽內空間緊張，將會對電磁設計和熱設計造成不良影響。因此，在選擇絕緣厚度時需綜合考慮，既需要滿足絕緣強度的同時留出裕量，又需要考慮絕緣占槽內空間的比例。

根據以上分析結果，選擇d=0.7 mm,t=1.0 mm時，最大場強為3.693×107V/m，沒有超過材料的擊穿場強[11]，且此時Se為84.99%，既能滿足絕緣的需要，又能獲得較大的槽內空間放置導體，較好地取得了平衡。

表3 Se隨d和t變化的值 %

1.3 沖片毛刺劃傷定子主絕緣分析

在定子的制造過程中，沖壓材料處于高壓的狀態，使得裂紋的產生點偏移。裂紋受拉應力發展后使板料斷開，從而形成毛刺。而材料的力學性能、沖裁間隙、模具刃口狀態、沖裁速度、模具和設備的精度均可能導致毛刺產生[12]。在鋪設主絕緣或下線時，沖片毛刺可能會劃傷主絕緣，下文針對定子沖片毛刺劃傷絕緣的情況做出分析。

圖7 毛刺劃傷前主絕緣場強分布

可以看到，最大場強僅為3.546 0×107V/m，未達到材料的擊穿場強[11]，且留有較大裕量。

接下來分析主絕緣被沖片毛刺劃傷后的場強分布情況。

建立毛刺劃傷后主絕緣計算模型，為了產生對比，采用d=0.6 mm,t=0.6 mm的主絕緣和層間絕緣計算模型，以定子槽寬方向為x軸，定子槽高方向為y軸，參考電機實際尺寸建立模型。假設毛刺為高0.10 mm，寬0.03 mm的三角形，在槽底中部劃傷絕緣，如圖8所示。

圖8 毛刺劃傷后主絕緣計算模型及毛刺尺寸圖(mm)

毛刺劃傷后主絕緣場強分布如圖9所示。通過圖9可以看出，主絕緣被沖片毛刺劃傷后，樣機槽內絕緣最大場強達到6.104 3×107V/m，場強最大值為未劃傷前的1.72倍，超過了材料的擊穿場強[11]，且最大場強出現在毛刺尖角處附近。因此，沖片毛刺劃傷將會導致主絕緣中電場強度最大值激增，可能會導致絕緣失效，必須加以注意。

圖9 毛刺劃傷后主絕緣場強分布

對于槽部絕緣，避免主絕緣被沖片毛刺劃傷可以采用槽內鋪襯聚酰亞胺薄膜，加厚主絕緣，或提升沖壓工藝的辦法。

2 定子端部絕緣分析

絕緣系統的另一個重要組成部分是端部絕緣。在端部繞組形狀復雜，形狀突變處電場分布不均勻，可能存在起暈或擊穿現象，為了驗證絕緣有效性，對端部絕緣進行分析。

根據散繞組的端部實際形狀建模。端部空間較為充裕，因此端部絕緣采用1 mm厚的聚脂薄膜聚芳酰胺纖維紙柔軟復合材料制成的絕緣紙包裹線圈，建立如圖10(a)所示的坐標系，計算模型和剖分由圖10(a)和圖10(b)給出。

圖10 端部絕緣計算模型及剖分

在線圈上施加對地耐壓試驗峰值19 233.3 V，在絕緣表面施加零電位激勵，進行靜電場仿真。仿真結果如圖11(a)和圖11(b)所示。

圖11 端部絕緣場強分布云圖

觀察結果可以發現，場強分布不均勻，最大場強為3.848 6×107V/m，沒有超過材料的擊穿場強[11]，且留有較大裕量，可以認為絕緣是可靠的。

3 試驗

對樣機進行整機對地耐壓試驗，耐電壓試驗對繞組有一定損傷，重復試驗可能會導致繞組損壞，根據GB/T 775—2019[10]，該試驗僅對裝配完成的新電機試驗一次。對地耐壓試驗接線實物圖如圖12所示。

圖12 對地耐壓試驗接線實物圖

圖13為電機對地耐壓試驗所采用的試驗儀。接線后的電機如圖12所示，在被試繞組和電機機殼之間施加試驗電壓，試驗電壓由PVT-25型電機工頻耐電壓試驗儀產生，理想情況下試驗電壓波形為工頻正弦波。試驗從不超過全值電壓的一半開始，以每步不超過全值5%逐步增加至全值并維持1 min。表4為絕緣試驗中的部分試驗電壓和對應的泄漏電流值。可以看出，隨著試驗電壓的增加，泄漏電流值也在變大，但是始終在一定的范圍內沒有擊穿，驗證了電機絕緣的可靠性。