胡 義

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

西氣東輸?shù)尿?qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)是20 MW 9350V F級(jí)超高轉(zhuǎn)速的防爆變頻調(diào)速同步電機(jī)，轉(zhuǎn)子超速試驗(yàn)時(shí)的最高超速轉(zhuǎn)速達(dá)到5 720 r/min。除軸系外，主轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)、整體平衡性、繞組端部圓周同心度等是技術(shù)難點(diǎn)。由此，須開(kāi)展主轉(zhuǎn)子槽絕緣、匝間絕緣黏接、徑向通風(fēng)槽孔加工、端部焊接、爬電距離、異形絕緣墊塊的加工和圓周方向的同心度控制，熱成型等研究；勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈嵌線后的成形、焊接、圓周填平，無(wú)緯帶種類、綁扎及熱固化工藝參數(shù)確定和整個(gè)轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下的整體性、平衡性等研究。

主轉(zhuǎn)子制造加工時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，添加必須的工裝和模具，結(jié)合現(xiàn)有工藝水平，開(kāi)展轉(zhuǎn)子線圈成形加工專項(xiàng)研究、驗(yàn)證。確保主轉(zhuǎn)子銅排、匝間絕緣、槽絕緣通風(fēng)槽孔一致，不能重疊；直線與端部焊接后形狀保持一致，選擇高強(qiáng)度層壓板加工成異形墊塊，保障端部圓周方向的同心度。勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子線圈采用成型繞組結(jié)構(gòu)，線圈嵌線后一端需要再成型、焊接及絕緣包扎，端部填平后采用高強(qiáng)度無(wú)緯帶進(jìn)行綁扎固定，最后進(jìn)行VPI絕緣處理。

1 轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)

1.1 主轉(zhuǎn)子線圈匝間絕緣

匝間絕緣材料采用電工用無(wú)堿玻璃絲布浸以耐高溫、高黏接強(qiáng)度的DDS作固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂膠，經(jīng)烘干成B階后在長(zhǎng)壓機(jī)上熱壓加工成薄型長(zhǎng)度制品。制品進(jìn)行單面打磨，增加表面粗糙度，銅排粘貼面噴砂處理，打磨面及銅排面均勻涂刷橡膠類黏結(jié)劑JX-9，熱壓固化后與轉(zhuǎn)子線圈銅排牢固黏接，形成一個(gè)整體，黏接層既具有較高的黏接強(qiáng)度，確保沖制通風(fēng)孔時(shí)不產(chǎn)生分層。制品還具有一定的蠕變特性，滿足電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由于溫度變化，絕緣材料和金屬材料的線漲系數(shù)不同，所產(chǎn)生熱漲冷縮狀態(tài)下，不發(fā)生位移、脫離。

JX-9是單組份熱固性改性酚醛丁腈橡膠黏合劑，要求不采用硫磺做硫化劑，避免對(duì)銅產(chǎn)生氧化作用。其外觀呈乳白色或淺黃色均勻黏性液體；固體含量為(21±2)%；銅片剪切強(qiáng)度要求常態(tài)≥4 MPa；涂刷工藝性好，干燥10～30 min可黏合，黏合面不滑動(dòng)，不錯(cuò)位；經(jīng)(145±5)℃烘壓2 h，冷卻至室溫即可。

直線匝間絕緣粘貼、通風(fēng)孔沖制：用酒精或JX-9用稀釋劑將銅排表面擦拭干凈，并充分晾干；在銅排和絕緣墊條表面各均勻涂刷一次JX-9膠，自然晾干至不粘手，將絕緣墊條平整貼服在銅排表面，然后疊裝銅排；將疊裝銅排調(diào)入烘壓設(shè)備，不加壓，加熱預(yù)烘，銅排表面溫度控制到110～120 ℃開(kāi)始計(jì)時(shí)，保溫40 min；將銅排溫度升至150 ℃，同時(shí)施加規(guī)定的壓力，烘壓壓力為0.5～0.7 MPa，保溫2 h；關(guān)閉加熱電源，隨模自然冷卻至室溫；卸壓出模后采用專用工裝進(jìn)行通風(fēng)孔沖制。

端部匝間絕緣圓弧部分采用0.4 mm單面粗糙匝間墊條，在彎角部分采用1層0.2 mm單面粗糙匝間墊條及1層0.2 mm雙面粗糙匝間墊條與直線匝間絕緣及端部匝間絕緣圓弧部分進(jìn)行錯(cuò)縫拼接，接縫間距不大于10 mm。各粗糙面之間或與轉(zhuǎn)子線圈銅排之間均采用改性酚醛丁腈橡膠膠黏劑JX-9進(jìn)行粘貼。

1.2 槽絕緣

槽絕緣是轉(zhuǎn)子線圈結(jié)構(gòu)中的主絕緣，由四種絕緣材料復(fù)合而成，最內(nèi)層是用聚四氟乙烯處理過(guò)的電工玻璃布，具有滑移層的功能，中間是電工用無(wú)堿玻璃布浸以耐高溫B階段環(huán)氧樹(shù)脂和含有B階段環(huán)氧樹(shù)脂的聚芳纖維紙，最外層是電工用聚酯薄膜。加工成形后的槽絕緣須進(jìn)行切割毛邊和沖通風(fēng)孔處理，加工面無(wú)分層現(xiàn)象，整體性能良好。槽絕緣性能見(jiàn)表1。

表1 槽絕緣工頻耐壓擊穿試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3 楔下墊條、槽底墊條、端部絕緣墊塊和護(hù)環(huán)絕緣

楔下墊條、槽底墊條、端部絕緣墊塊和護(hù)環(huán)絕緣除了起到轉(zhuǎn)子繞組絕緣性能外，更重要的是具有支撐、固定功能，使整個(gè)轉(zhuǎn)子繞組形成緊密的整體。材料采用熱態(tài)高強(qiáng)度環(huán)氧層壓玻璃布板3248，由電工用無(wú)堿玻璃布為基材，以耐高溫、高黏接強(qiáng)度的DDS作固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂膠作為黏結(jié)劑經(jīng)熱壓固化而成，其所有加工面都須經(jīng)過(guò)浸漬絕緣漆處理。

1.4 徑向?qū)щ娐輻U絕緣

在徑向?qū)щ娐輻U外面卷包(28～30)層F級(jí)DDS坯布，即電工用無(wú)堿玻璃布浸以耐高溫、高黏接強(qiáng)度的4，4-二氨基二苯砜(DDS)作固化劑的環(huán)氧樹(shù)脂膠，經(jīng)烘干成B階段，樹(shù)脂含量必須大于40%，坯布樹(shù)脂含量均勻、表面平整。卷包時(shí)，導(dǎo)電螺桿及坯布均須熱處理，使樹(shù)脂軟化，改善流動(dòng)性；卷包張力大于30 N/10 mm帶寬，減小氣隙，提高固化后整體性和耐電壓性能。最后繞包數(shù)層熱收縮薄膜帶，烘焙固化、冷卻，外車削加工至圖紙尺寸。加工面須均勻涂刷室溫固化環(huán)氧酯漆1504清漆一次。

1.5 無(wú)緯帶綁扎箍

影響無(wú)緯帶綁扎箍強(qiáng)度的因素很多，除了無(wú)緯帶本身的性能、固化條件、綁扎速度等因素外，綁扎拉力也是重要的影響因素之一。轉(zhuǎn)子綁扎無(wú)緯帶需要一定的拉力(預(yù)緊力)，要求在電機(jī)允許的最高轉(zhuǎn)速下被綁物仍被壓縮，這部分預(yù)緊力能經(jīng)受電機(jī)過(guò)載力矩切向方向的力的作用而保證線圈不發(fā)生位移。綁扎時(shí)施加的預(yù)緊力除考慮上述要求外，還必須與綁扎材料的斷裂強(qiáng)度之間留有足夠的安全系數(shù)，以免在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)或其他過(guò)載情況下發(fā)生綁扎帶斷裂。

電機(jī)大多數(shù)情況是在高速運(yùn)行時(shí)，在離心力的作用下，繞組兩端綁扎的彈性范圍內(nèi)做放射性膨脹，對(duì)絕緣產(chǎn)生一定程度的損害，影響繞組的絕緣壽命。通過(guò)對(duì)Kevlar芳綸纖維網(wǎng)狀無(wú)緯帶K220、玻璃纖維網(wǎng)狀聚酯無(wú)緯帶F150-G-W、玻璃纖維網(wǎng)狀聚酯無(wú)緯帶41524BN的標(biāo)準(zhǔn)箍拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)研究，從不同綁扎張力、不同固化溫度和高溫下的拉伸強(qiáng)度和彈性模量數(shù)據(jù)比較，Kevlar芳綸纖維網(wǎng)狀無(wú)緯帶K220的綜合性能最優(yōu)。但價(jià)格昂貴，且不易購(gòu)買，經(jīng)計(jì)算、評(píng)估、驗(yàn)證，選擇玻璃纖維網(wǎng)狀聚酯無(wú)緯帶F150-G-W為項(xiàng)目用材料，其最佳使用工藝條件為綁扎拉力80 kg/10 mm，固化溫度為150 ℃，時(shí)間5 h。

2 轉(zhuǎn)子線圈加工技術(shù)

電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為隱極式，線圈徑向方向上有通風(fēng)槽孔，每套轉(zhuǎn)子共有6號(hào)線圈，每號(hào)線圈由1套線圈端部和直線組成，槽絕緣、槽底墊條、轉(zhuǎn)子銅排、匝間絕緣的通風(fēng)槽孔通過(guò)精確定位加工完成。嵌線時(shí)端部焊接、貼匝間絕緣，控制直線與端線匝間絕緣位置不能重疊，直線與端部焊接后形狀保持一致，解決了端部成形問(wèn)題，最后整體熱壓成型。線圈端部圓周方向的同心度通過(guò)加工異形絕緣墊塊來(lái)填平、固定，確保其在高轉(zhuǎn)速下的整體性、平衡性。

勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子采用高壓成型繞組VPI整浸結(jié)構(gòu)體系，線圈嵌線后端部再成型，焊接采用中頻焊，圓周填平后綁扎高強(qiáng)度無(wú)緯帶F150-G-W，確保在高轉(zhuǎn)速時(shí)線圈不發(fā)生位移。

轉(zhuǎn)子銅排焊接采用汽發(fā)公司空冷125 MW魚尾接頭做對(duì)比焊接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，見(jiàn)圖1～圖4及表2。

圖1 接頭尺寸對(duì)比圖

圖2 魚尾接頭焊接后效果圖

圖3 拉伸試驗(yàn)斷裂部位示意圖

圖4 斷裂部位剖面放大圖

表2 魚尾接頭焊接后的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果分析：

圖示斷裂點(diǎn)在凹形魚尾槽底部(母材上)，并且從斷裂剖面處可看到分段氣孔。對(duì)比老接頭試驗(yàn)殘樣，斷裂部位一樣，同樣存在氣孔，老接頭的氣孔是整段分布，所以在焊接方面，兩種接頭都存在對(duì)接的尖頭部位焊不透現(xiàn)象，相對(duì)來(lái)說(shuō)，新接頭效果要好。

從拉伸強(qiáng)度上來(lái)看，兩種接頭差不多，老接頭稍高；由于斷裂點(diǎn)都是在凹形魚尾槽底部(母材上)，證明接觸斜面以及接頭兩邊對(duì)接邊焊接良好。

考慮到底部漏焊氣孔對(duì)導(dǎo)電有效截面積的影響，在抗拉強(qiáng)度差不多的情況下，結(jié)合制造周期的比較，采用新接頭(125 MW汽發(fā)公司結(jié)構(gòu))。同時(shí)，提高焊接質(zhì)量，將底部氣孔減小到最小的程度。

3 樣機(jī)制造

3.1 主轉(zhuǎn)子嵌線見(jiàn)圖5，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子嵌線、焊接后端部無(wú)緯帶綁扎見(jiàn)圖6。

圖5 主轉(zhuǎn)子嵌線圖

圖6 勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子端部無(wú)緯帶綁扎圖

3.2 轉(zhuǎn)子繞組交流電壓試驗(yàn)

主轉(zhuǎn)子：1 500 V/50 Hz，60 s；

勵(lì)轉(zhuǎn)子：1 500 V/50 Hz，60 s；

試驗(yàn)結(jié)果：全部通過(guò)。

3.3 動(dòng)平衡試驗(yàn)

轉(zhuǎn)子整個(gè)軸系(連同主轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子)堂外超速試驗(yàn)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到5 720 r/min時(shí)的振動(dòng)指標(biāo)值滿足設(shè)計(jì)及用戶考核運(yùn)行要求。

4 結(jié)論

4.1 電機(jī)主轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣結(jié)構(gòu)、絕緣材料的電氣絕緣性能完全滿足項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。

4.2 主轉(zhuǎn)子銅排焊接及拉伸試驗(yàn)，樣機(jī)制造均證明制造加工工藝技術(shù)成熟、可靠。

4.3 樣機(jī)轉(zhuǎn)子堂外超速試驗(yàn)結(jié)果表明整個(gè)軸系在高轉(zhuǎn)速下的整體性、平衡性良好，滿足設(shè)計(jì)及用戶考核運(yùn)行要求。