6kV級礦用磨機定子線圈制造工藝研究*

宋桂霞,王健,張敬龍,宋大成

(1湘潭電機股份有限公司,湖南湘潭 411101;2湖南電氣職業技術學院,湖南湘潭 411101)

0 引言

經濟社會的持續發展,往往伴隨著對自然資源的不斷消耗。就目前我國存儲的礦產資源中,易處理、高品質的原礦越來越少。因此,在總的礦產資源開采量中“貧、細、雜”等難處理的礦產占比越來越大[1]。為了符合后工序分選礦物的要求,通常使用球磨機設備,把嵌布粒度細的礦石進行粉碎研磨,達到細粒級甚至超細粒級,進而實現有用礦物和脈石礦物的有效解離。傳統臥式球磨機在進行礦石研磨時,工作效率低、電能消耗高、磨礦成本大,無法實現高效研磨,選礦要求的顆粒尺寸。相比較而言,新型立式磨機,因具有效率高、低能耗等優點,已在礦物加工、煤炭、化工、醫藥、食品等行業中得到了廣泛應用[2、3]。

用于礦物研磨的立式磨機,多為分瓣式定子結構,其定子鐵心是由若干扇形定子鐵心單元進行拼接組裝而成,其定子繞組采用跑道形線圈結構,具有銅耗低,效率高的優點。但類線圈由于匝數較多,匝間壓差大,通常在低壓磨機應[4、5]。

本文依托某冶金公司磨機增效改型項目,要求以現有場地安裝條件,保持電機主體結構不變,有效提升功率,電壓升至6kV。高電壓帶必將給線圈絕緣技術帶來更嚴苛的考驗,這必將會給跑道形線圈的絕緣結構設計和制造工藝帶來許多難題,因此,需對絕緣結構進行研究優化,并在制造過程中持續改進,最終設計生產出利于生產、質量可靠的絕緣結構。

1 跑道形線圈介紹

跑道形線圈是由單股或多股電磁線繞制而成的多匝定子線圈,其結構如圖1所示。跑道形線圈相對圈式線圈來講,線圈的端部長度可以做到很短,能夠明顯減小線圈中非有效邊部分的所占比例。采用此類結構的電機,具有定子銅耗低,電機效率高的優點。

圖1 跑道形線圈

但由于此類線圈的多匝多層結構,往往會造成層間和匝間的壓差高。與普通高壓電機所采用的圈式線圈相比較,跑道形線圈匝間壓差是同電壓等級圈式線圈的幾倍到十幾倍,因此,此類線圈發生匝間擊穿故障的風險也會更大。同時,引出線部位的絕緣處也是多發故障點,由于在電機運行過程中,線圈內部匝間電壓分布并不均勻,首末匝位置匝間電壓遠遠高于普通匝,因此,在線圈的生產制造中,對引出線根部絕緣處理要額外引起注意。

2 定子線圈的絕緣結構及工藝過程

2.1 匝間絕緣

針對跑道形線圈的特點,為了提升匝間絕緣的可靠性,磨機定子線圈所采用型號為SBEMBS-40/155的電磁線,其匝間絕緣為雙玻璃絲雙面聚酰亞胺薄膜結構,相較于常規高壓電機采用的雙玻璃絲單面聚酰亞胺薄膜結構,其匝間絕緣得到進一步的加強。

2.2 對地絕緣

2.2.1 引出線絕緣

通過以往經驗,線圈擊穿故障多發于引出線的根部,為了有效的保證線圈質量提高絕緣水平,在引出線出鐵芯一定的位置,開始修包引出線的絕緣,采用半疊包少膠粉云母帶4次,在與引出線相鄰的兩匝電磁線用的復合絕緣薄膜材料,將引出線與線圈主體分開,再半疊包少膠粉云母帶。

2.2.2 對地主絕緣

跑道形線圈匝數多、直線邊截面大、跨距窄,對地主絕緣的包扎無法采用包帶機包扎,只能采用效率較低的手工包扎方式。定子線圈的對地主絕緣采用半疊包少膠粉云母帶4～5次,包扎次數的選擇以保證內腔及外寬尺寸為準。

2.3 工藝過程

該定子線圈將電磁線在專用繞線模具(繞線模如圖2所示)上進行繞制成型,由于跑道形線圈結構特殊性,線圈的制造過程不需要進行漲型處理,繞線成型后利用夾具將線圈在繞線模具上壓緊并加熱,完成匝間膠化工序,拆除模具后包扎對地絕緣,然后將線圈嵌入鐵,并將分瓣定子進行VPI處理,烘焙固化并冷卻后進行試驗,驗證其電氣絕緣性能。

圖2 繞線模

2.3.1 繞線

利用專用繞線模進行繞線成型。繞線模模芯及兩側壓板均需墊放聚四氟乙烯做脫模使用。繞制過程中不斷用錘子隔著尼龍打板敲打,使電磁線緊緊貼住繞線模模芯,又不會損傷匝間絕緣。在繞線過程中每隔3～4匝涂刷絕緣膠一次,每次涂刷要求膠滲透至線圈內匝。引出線起線位置半疊包3次的絕緣薄膜,且在固定引出線處的引出線上包扎無堿帶,以保護和增強引出線絕緣,引出線包扎薄膜長度包出端部至少150mm。

該產品線規為2mm×5mm,繞線方式為單根電磁線繞制,并在線圈的非出線端進行換位,共96匝。線圈的匝數多,對后工序的壓型和線圈絕緣前尺寸控制提出了更高的要求。在繞線過程中,線圈的換位處,繞線模上引出線的卡口位置都極容易損傷匝間絕緣。因此,在這些容易損傷匝間絕緣的位置,還需進行絕緣加強,繞線模引出線卡口處的引出線上半疊包三次絕緣薄膜。在換位處用復合材料絕緣薄膜進行卷包,保證換位處每個“S”都卷包一次。

2.3.2 緊壓板

線圈繞制后,無需拆下進行包保護帶和漲型處理,繞線結束后進行緊固高度壓板,然后在線圈兩側鋪放聚四氟乙烯,再上側壓板,并用C字夾夾緊。側壓板上的C字夾,先從中間開始擰緊螺栓,然后開始往兩端不斷延伸,保證每個線圈緊固用力均勻,線圈無擠壓變形。

2.3.3 匝間膠化

模具壓板安裝到位后,將線圈帶繞線模一起從繞線機上卸下,放入烘箱進行加熱,烘箱溫度設置在170±10℃,烘焙時間為2h,在此過程中,絕緣膠受熱固化,將松散的電磁線粘結成整體。

2.3.4 拆解模具

待繞線模冷卻至室溫后進行拆模。模具冷卻時,為了提高生產進度,允許用鼓風機吹冷,經過實際驗證,定為室溫在25℃以下時,吹5.5h,室溫在25℃以上時,吹7.5h。拆模過程中需輕拿輕放,防止模具碰傷絕緣。需檢查拆下的線圈外觀,如有絕緣損傷可用絕緣薄膜進行修包。

2.3.5 包引出線絕緣

在引出線出鐵心5mm以上的位置,開始修包引出線的絕緣,采用半疊包少膠粉云母帶4次,修包至去引出線絕緣處。將靠近引出線的兩匝電磁線用復合絕緣薄膜材料,將引出線與線圈本體隔開,然后再半疊包云母帶,包扎復合絕緣薄膜材料的長度至少要伸入鐵心100mm以上,如圖3所示。這樣可以有效的保證線圈首末匝絕緣的靠性。

圖3 加強引出線絕緣

2.3.6 對地絕緣包扎

首先,外側引出線沿端部出線,并將外側引出線的出線位置在包完絕緣后用無堿帶固定,保證每個線圈的出線位置一致性。其次,引出線與本線的主絕緣搭接長度固定,內側引出線保證搭接30mm,外側引出線搭接50mm,第一層主絕緣從過直線5mm開始包扎,要保證半疊包的層數及搭接。最后,主絕緣按相應絕緣規范半疊包4～5次云母帶。

2.3.7 防暈處理

定子線圈采用一級防暈結構,即用低阻帶進行繞包,對線圈直線部分進行短接處理,包扎長度短為460～465mm,即線圈出鐵芯兩端各5mm長,要求低阻帶包扎搭接收尾無尖角現象,如圖4所示。

圖4 防暈處理后

2.3.9 嵌線

線圈嵌線時,在線圈掛至鐵心內圓后,在兩線圈間增加斜楔,如圖5所示。

圖5 完成嵌線的繞組

2.3.10 浸漆

浸漆時,定子繞組浸漬無溶劑絕緣浸漬樹脂,真空壓力浸漬一次,普浸一次。待定子烘焙固化后,定子單元端部整體噴涂表面絕緣漆一次。

3 試驗

3.1 匝間沖擊試驗

根據GB/T 22715—2016《旋轉交流電機定子成型線圈耐沖擊電壓水平》[6]中的試驗方法,采用直接沖擊電壓試驗,即直接施加由電容器放電產生的衰減振蕩于線圈首尾引出線間。電機額定電壓為6kV,線圈嵌線前沖擊電壓峰值選擇19kV,嵌線線后沖擊電壓峰值選擇14 kV,沖擊次數應不少于5次,經試驗,所有線圈匝間試驗波形基本一致即為通過。

3.2 對地耐壓試驗

根據GB/T 22715—2016中的相關試驗內容,利用工頻50 Hz的電壓對線圈進行對地耐壓試驗,將試驗電壓施加在線圈試樣引線和測試電極(或鐵心)之間,規定時間內沒有發生閃絡或擊穿現象,即為通過。具體試驗情況見表1。

表1 線圈的對地耐壓試驗

4 結語

本文根據跑道形線圈的結構特點,對故障多發點進行了必要的絕緣加強處理,經試驗檢測,引出線及其根部絕緣加強后,不僅可以減少制造過程中的損傷,還可以有效提升整體絕緣性能,所有線圈全部試驗通過合格,試驗證明6kV分瓣式定子跑道線圈的制造及絕緣的可靠性,目前該絕緣結構及制造工藝已在磨機增效改型項目中得到實際應用。