6kV級(jí)礦用磨機(jī)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(jī)股份有限公司,湖南湘潭 411101;2湖南電氣職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南湘潭 411101)

0 引言

經(jīng)濟(jì)社會(huì)的持續(xù)發(fā)展,往往伴隨著對(duì)自然資源的不斷消耗。就目前我國(guó)存儲(chǔ)的礦產(chǎn)資源中,易處理、高品質(zhì)的原礦越來越少。因此,在總的礦產(chǎn)資源開采量中“貧、細(xì)、雜”等難處理的礦產(chǎn)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(jī)設(shè)備,把嵌布粒度細(xì)的礦石進(jìn)行粉碎研磨,達(dá)到細(xì)粒級(jí)甚至超細(xì)粒級(jí),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有用礦物和脈石礦物的有效解離。傳統(tǒng)臥式球磨機(jī)在進(jìn)行礦石研磨時(shí),工作效率低、電能消耗高、磨礦成本大,無法實(shí)現(xiàn)高效研磨,選礦要求的顆粒尺寸。相比較而言,新型立式磨機(jī),因具有效率高、低能耗等優(yōu)點(diǎn),已在礦物加工、煤炭、化工、醫(yī)藥、食品等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用[2、3]。

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

本文依托某冶金公司磨機(jī)增效改型項(xiàng)目,要求以現(xiàn)有場(chǎng)地安裝條件,保持電機(jī)主體結(jié)構(gòu)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(shù)帶來更嚴(yán)苛的考驗(yàn),這必將會(huì)給跑道形線圈的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝帶來許多難題,因此,需對(duì)絕緣結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究?jī)?yōu)化,并在制造過程中持續(xù)改進(jìn),最終設(shè)計(jì)生產(chǎn)出利于生產(chǎn)、質(zhì)量可靠的絕緣結(jié)構(gòu)。

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(jié)構(gòu)如圖1所示。跑道形線圈相對(duì)圈式線圈來講,線圈的端部長(zhǎng)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(jié)構(gòu)的電機(jī),具有定子銅耗低,電機(jī)效率高的優(yōu)點(diǎn)。

圖1 跑道形線圈

但由于此類線圈的多匝多層結(jié)構(gòu),往往會(huì)造成層間和匝間的壓差高。與普通高壓電機(jī)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(jí)圈式線圈的幾倍到十幾倍,因此,此類線圈發(fā)生匝間擊穿故障的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更大。同時(shí),引出線部位的絕緣處也是多發(fā)故障點(diǎn),由于在電機(jī)運(yùn)行過程中,線圈內(nèi)部匝間電壓分布并不均勻,首末匝位置匝間電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通匝,因此,在線圈的生產(chǎn)制造中,對(duì)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(jié)構(gòu)及工藝過程

2.1 匝間絕緣

針對(duì)跑道形線圈的特點(diǎn),為了提升匝間絕緣的可靠性,磨機(jī)定子線圈所采用型號(hào)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(jié)構(gòu),相較于常規(guī)高壓電機(jī)采用的雙玻璃絲單面聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu),其匝間絕緣得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。

2.2 對(duì)地絕緣

2.2.1 引出線絕緣

通過以往經(jīng)驗(yàn),線圈擊穿故障多發(fā)于引出線的根部,為了有效的保證線圈質(zhì)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(fù)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(duì)地主絕緣

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

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(jìn)行繞制成型,由于跑道形線圈結(jié)構(gòu)特殊性,線圈的制造過程不需要進(jìn)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(duì)地絕緣,然后將線圈嵌入鐵,并將分瓣定子進(jìn)行VPI處理,烘焙固化并冷卻后進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)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(jìn)行繞線成型。繞線模模芯及兩側(cè)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(huì)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(nèi)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(hù)和增強(qiáng)引出線絕緣,引出線包扎薄膜長(zhǎng)度包出端部至少150mm。

該產(chǎn)品線規(guī)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(jìn)行換位,共96匝。線圈的匝數(shù)多,對(duì)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(jìn)行絕緣加強(qiáng),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(fù)合材料絕緣薄膜進(jìn)行卷包,保證換位處每個(gè)“S”都卷包一次。

2.3.2 緊壓板

線圈繞制后,無需拆下進(jìn)行包保護(hù)帶和漲型處理,繞線結(jié)束后進(jìn)行緊固高度壓板,然后在線圈兩側(cè)鋪放聚四氟乙烯,再上側(cè)壓板,并用C字夾夾緊。側(cè)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(gè)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(jī)上卸下,放入烘箱進(jìn)行加熱,烘箱溫度設(shè)置在170±10℃,烘焙時(shí)間為2h,在此過程中,絕緣膠受熱固化,將松散的電磁線粘結(jié)成整體。

2.3.4 拆解模具

待繞線模冷卻至室溫后進(jìn)行拆模。模具冷卻時(shí),為了提高生產(chǎn)進(jìn)度,允許用鼓風(fēng)機(jī)吹冷,經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證,定為室溫在25℃以下時(shí),吹5.5h,室溫在25℃以上時(shí),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(jìn)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(fù)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(fù)合絕緣薄膜材料的長(zhǎng)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(qiáng)引出線絕緣

2.3.6 對(duì)地絕緣包扎

首先,外側(cè)引出線沿端部出線,并將外側(cè)引出線的出線位置在包完絕緣后用無堿帶固定,保證每個(gè)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(zhǎng)度固定,內(nèi)側(cè)引出線保證搭接30mm,外側(cè)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(shù)及搭接。最后,主絕緣按相應(yīng)絕緣規(guī)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(jí)防暈結(jié)構(gòu),即用低阻帶進(jìn)行繞包,對(duì)線圈直線部分進(jìn)行短接處理,包扎長(zhǎng)度短為460～465mm,即線圈出鐵芯兩端各5mm長(zhǎng),要求低阻帶包扎搭接收尾無尖角現(xiàn)象,如圖4所示。

圖4 防暈處理后

2.3.9 嵌線

線圈嵌線時(shí),在線圈掛至鐵心內(nèi)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(shí),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(yàn)

3.1 匝間沖擊試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 22715—2016《旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)定子成型線圈耐沖擊電壓水平》[6]中的試驗(yàn)方法,采用直接沖擊電壓試驗(yàn),即直接施加由電容器放電產(chǎn)生的衰減振蕩于線圈首尾引出線間。電機(jī)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(shù)應(yīng)不少于5次,經(jīng)試驗(yàn),所有線圈匝間試驗(yàn)波形基本一致即為通過。

3.2 對(duì)地耐壓試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 22715—2016中的相關(guān)試驗(yàn)內(nèi)容,利用工頻50 Hz的電壓對(duì)線圈進(jìn)行對(duì)地耐壓試驗(yàn),將試驗(yàn)電壓施加在線圈試樣引線和測(cè)試電極(或鐵心)之間,規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)生閃絡(luò)或擊穿現(xiàn)象,即為通過。具體試驗(yàn)情況見表1。

表1 線圈的對(duì)地耐壓試驗(yàn)

4 結(jié)語

本文根據(jù)跑道形線圈的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對(duì)故障多發(fā)點(diǎn)進(jìn)行了必要的絕緣加強(qiáng)處理,經(jīng)試驗(yàn)檢測(cè),引出線及其根部絕緣加強(qiáng)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(yàn)通過合格,試驗(yàn)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(jié)構(gòu)及制造工藝已在磨機(jī)增效改型項(xiàng)目中得到實(shí)際應(yīng)用。