三相無刷同步發電機轉子繞組端部絕緣結構設計

劉登元，郭福柱，楊 杰，岳躍進

應用研究

三相無刷同步發電機轉子繞組端部絕緣結構設計

劉登元，郭福柱，楊 杰，岳躍進

（中船重工電機科技股份有限公司，太原 030027）

針對三相無刷同步發電機轉子繞組端部存在匝間短路故障的問題，提出一種轉子繞組端部絕緣結構，以一臺1600 kW三相無刷隱極同步發電機為例，設計了此種端部絕緣結構，詳細描述了這種絕緣結構的設計方法，并應用于此臺發電機中。結果表明：此轉子繞組端部絕緣結構可以有效避免端部匝間絕緣短路，該方法可靠實用，為同類型發電機轉子繞組端部絕緣結構設計提供借鑒和參考。

三相無刷同步發電機 轉子繞組 匝間絕緣 端部結構 設計方法

0 引言

與往復式內燃機相配套組成發電機組，可作為國防、郵電通訊、機場、醫院、大廈以及石油勘探、工礦企業等部門的固定電源或備用電源。船舶電站通常以柴油機拖動同步發電機組成柴油發電機組[1]。當前，船用柴油發電機組正朝著大功率、高功率密度的方向發展[2]，成本低、勵磁可控以及設計方法成熟的電勵磁三相無刷同步發電機（以下簡稱“三相無刷同步發電機”）可通過改變勵磁繞組電流的大小方便調節氣隙磁場強度，從而實現寬范圍輸出電壓調節或調速，具備一定的發展潛力和應用優勢，是船舶最重要的動力設備之一，直接為船舶提供電能，其運行狀態直接影響整個船舶電力設備[3～5]。

轉子繞組作為三相無刷同步發電機的主要部件，受運行環境的影響，絕緣狀態會發生劣化。當絕緣電阻下降到一定程度時，如果柴油機組繼續保持運行，會引起發電機繞組短路，形成短路電流，短路電流會導致轉子繞組局部過熱，進一步引起絕緣損壞，引發嚴重的發電機故障，威脅電力設備安全穩定運行。轉子繞組匝間短路故障特征不明顯，且在故障初期對三相無刷同步發電機的正常運行幾乎沒有影響，常常被忽略。

對于三相無刷同步發電機轉子絕緣故障的研究，主要集中在對匝間短路的分析和識別上[6～9]，然而更重要的是如何在設計過程中有效避免轉子繞組匝間或對地絕緣故障。綜上所述，以一臺1600 kW，轉子繞組為銅扁線的三相無刷隱極同步發電機為例，設計一種端部底箍絕緣結構，簡稱“端部絕緣結構”，對端部絕緣結構的設計進行分析說明，應用于此臺發電機，根據三相無刷同步發電機轉子繞組技術要求，進行匝間與對地耐壓試驗，經試驗滿足匝間與對地耐壓性能要求。

1 轉子繞組端部絕緣結構類型

發電機轉子繞組絕緣故障一般表現為接地或短路故障，按照其嚴重程度，又可以分為匝間、層間短路，轉子繞組一點接地和兩點接地[10]。三相無刷同步發電機轉子繞組端部護環因設計或安裝工藝引發的絕緣故障時有發生，護環一般采用合成樹脂，其類型按結構可分為：

1）轉子繞組端部環狀體內圓安裝以轉軸定位的輪輻形線圈架，端部環狀體外圓有序纏繞多層H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶真空浸漆后與繞組端部固化為一體的聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶型結構如圖1所示，簡稱“外護環內線圈架一體化絕緣結構”

2）轉子繞組端部外圓安裝用無堿無捻玻璃纖維紗與環氧樹脂預先固化而成的預制外護環型結構。

3）在轉子繞組端部內圓處布置內護環，并與轉子繞組端部用綁扎帶綁扎而成的預制內護環型結構。

4）在轉子端部外圓與內圓處分別安裝預先固化的內護環與外護環，并與繞組端部適當綁扎。這四種類型結構中外護環內線圈架一體化絕緣結構端部強度既能保證轉子繞組端部與轉軸同心，又能保證外護環承受轉子繞組端部旋轉時的載荷，廣泛應用于船舶三相交流無刷同步發電機轉子繞組端部。但是這種結構也存在自身的不足，由于轉子繞組出線端存在重間、極間的連接，連接之后需要進行適當的絕緣包扎，絕緣之后每匝線圈在靜止或工作狀態下受離心力、線圈架支撐力、綁扎環預緊力的作用，容易發生匝間或層間短路，尤其是轉子繞組線圈為銅扁線的情況。為此，在出線端轉子繞組底部與線圈架之間設計底箍，在底箍上根據轉子線圈的繞制情況開槽，轉子繞組重間與匝間連線有效嵌入端部絕緣結構槽內，保證轉子繞組每匝線圈受力均勻的絕緣結構，簡稱“端部絕緣結構”，裝有此種端部絕緣結構的轉子繞組端部示意圖如圖2所示。

圖1 聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶型轉子繞組端部結構

圖2 裝有端部絕緣結構的轉子繞組端部

2 轉子繞組端部絕緣結構設計方法

2.1 發電機基本參數以及轉子繞組連接

以一臺1600 kW，轉子繞組電磁線為銅扁線的三相無刷隱極同步發電機為例，對這種聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶型轉子繞組端部結構進行改進，三相無刷隱極同步發電機基本參數如表1所示。

所研究的三相無刷隱極同步轉子繞組線圈為單層同心式線圈，線圈按繞線模尺寸繞制，每個線圈六重，每重25匝，并繞根數2，轉子繞組連接示意圖如圖3所示。

表1 發電機基本參數

圖3 轉子繞組接線示意圖

轉子繞組嵌線示意圖如圖4所示。

圖4 轉子繞組嵌線示意圖

轉子槽號按圖標示，第一重線圈第6槽與第13槽，線圈順時針繞制，第1匝首端在第13槽，第25匝末端在第6槽；第二重線圈第5槽與第14槽，線圈逆時針繞制，第1匝首端在第5槽，第25匝末端在第14槽；第三重線圈第4槽與第15槽，線圈順時針繞制，第1匝首端在第15槽，第25匝末端在第4槽；第四重線圈第3槽與第16槽，線圈逆時針繞制，第1匝首端在第3槽，第25匝末端在第16槽；第五重線圈第2槽與第17槽，線圈順時針繞制，第1匝首端在第17槽，第25匝末端在第2槽；第六重線圈第1槽與第18槽，線圈逆時針繞制，第1匝首端在第1槽，第25匝末端在第18槽，其余極六重線圈同理可得。

六重線圈繞制完成嵌線過程進行重間的連接，第一重線圈末端（位于第6槽）與第二重線圈的末端（位于第14槽）、第二重線圈首端（位于第5槽）與第三重線圈的首端（位于第15槽）、第三重線圈末端（位于第4槽）與第四重線圈的末端（位于第16槽）、第四重線圈首端（位于第3槽）與第五重線圈的首端（位于第17槽）、第五重線圈末端（位于第2槽）與第六重線圈的末端（位于第18槽）依次連接。根據轉子繞組接線示意圖進行極間的連接，第一極第一重線圈首端（位于第13槽）與第二極第一重線圈首端（位于第31槽），第二極第六重線圈首端（位于第19槽）與第三極第六重線圈首端（位于第37槽），第三極第一重線圈首端（位于第49槽）與第四極第一重線圈首端（位于第67槽），重間、極間采用對接焊，焊接完成之后先用聚酰亞胺薄膜單面補強粉云母帶半疊包兩層，再用無堿玻璃纖維帶ET100半迭包一層，由于極間、重間連線在線圈架表面是互相交錯布置的，導致線圈端部內圓內側排列不整齊，在對繞組端部外圓進行端部環狀體外圓有序纏繞多層H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶時，繞組端部在壓力作用下，向徑向移動，極間、重間連線交錯部位互相擠壓，容易會發生匝間短路現象，線圈架與轉子繞組之間底箍上設計具有引線槽的端部絕緣結構能夠使得極間和重間引線能夠有效嵌入，引線不占用端部電磁線空間，端部電磁線均勻分布，外護環在一定外力情況下繞制，發電機轉子繞組受力均勻，不會造成受力不均而使絕緣受損。

2.2 轉子繞組端部絕緣結構

用H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶繞制內徑為Φ501，外徑為Φ531，寬為41的端部絕緣結構，繞制完成后熱烘固化，根據轉子繞組接線示意圖以及每重線圈在端部的分布，在成型的底箍外表面加工引線槽，重間、極間連線置于端部絕緣結構槽內，轉子繞組端部空間有效利用，端部絕緣結構三維模型如圖5（a）所示，實物加工如圖5（b）所示。

在線圈架（固定于轉軸上）上與端部絕緣結構之間設置主要起支撐繞組端部作用固定U形鋼箍，將轉子繞組置于U形鋼箍內，嵌線完成以后，用特定拉力對繞組端部外圓用H200-W聚酯樹脂浸漬玻璃纖維網狀無緯綁扎帶綁扎處理，高溫固化成型，真空浸漆。

圖5 端部絕緣結構三維模型及實物圖

3 轉子繞組端部絕緣結構嵌線過程與試驗結果

轉子繞組端部絕緣結構嵌線過程如圖6所示。嵌線完成后絕緣結構整體效果如圖7所示。

根據轉子繞組技術要求對繞組做匝間耐壓試驗，試驗電壓2500 V，匝間不得擊穿。嵌線后做對地耐壓試驗，試驗電壓2500 V，歷時1 min，不得擊穿。經試驗滿足技術要求。

圖6 轉子繞組端部絕緣結構嵌線過程

圖7 端部絕緣結構嵌線后整體效果圖

按照三相無刷同步發電機試驗大綱進行出廠試驗，所有試驗滿足出廠試驗要求。

4 結論

對轉子繞組電磁線為銅扁線的三相無刷隱極同步發電機端部在旋轉過程中容易發生的匝間故障設計了一種端部底箍絕緣結構，對這種絕緣結構的設計方法進行了詳細闡述，此轉子繞組端部絕緣結構可以有效避免端部匝間絕緣短路，改進了傳統的轉子繞組端部設計結構，能夠使得極間和重間引線有效嵌入端部絕緣結構槽內，引線不占用端部電磁線空間，端部電磁線均勻分布，受力均勻，從而可以有效避免船舶三相無刷同步發電機在靜態或動態過程中匝間短路現象發生。

該端部底箍絕緣結構可靠實用并且可以做到轉子繞組端部外觀美觀，為同類型發電機轉子繞組端部絕緣結構設計提供借鑒和參考，具有一定的使用價值。

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Design of rotor winding end insulation structure of three-phase brushless synchronous generator

Liu Dengyuan, Guo Fuzhu, Yang Jie, Yue Yuejin

(CSIC Electrical Machinery Science and Technology Co., Ltd. , Taiyuan 030027, China)

TM314

A

1003-4862（2023）02-0005-04

2022-08-01

國家重點研發計劃項目（SQ2018YFB150133）

劉登元（1982-），男，高級工程師，研究方向：船用三相無刷同步發電機的設計與研究。E-mail：544039752@qq.com

郭福柱（1986-），男，工程師，研究方向：船用三相無刷同步發電機的設計與研究。E-mail：guofuzhu1027@163.com