分體獨立式大型交流電機定子製造方法與裝配方法

2023-05-04 02:26:56 2

專利名稱：分體獨立式大型交流電機定子製造方法與裝配方法
技術領域：
本發明屬於電氣工程技術領域，涉及大型交流電機的定子設計製造與裝配，進一 步說是一種大型交流電機定子模塊化製造與應用方法。
背景技術：
定子作為電機的重要組成部分，其設計與裝配的合理性對於電機穩定高效運行具 有重要影響。傳統電機定子大多採用整體加工的方法，首先沿圓周方向將定子衝片均勻疊 壓並利用拉緊螺杆或機械扣片焊接等方式加以固定，然後嵌放繞組並對繞組端部進行連接 與整形，最後整體進行浸漆處理加以固化。當電機定子直徑超過4米時，如大型水輪發電 機，受限於運輸瓶頸，定子需分瓣製造(包括機座和鐵芯)，運往工地後再將分瓣的定子組裝 成整體；對於分瓣運輸仍有困難的大型機組，定子的裝配工作全部在工地完成，即先將分瓣 的定子機座組焊成整圓，然後進行定子鐵芯疊片，再完成定子繞組下線與連接。定子鐵芯 由矽鋼片現場堆疊而成，鐵芯由定位筋定位。如果採用定子整體加工的方法，可以在工廠內部完成全部加工裝配工作，降低了 製造成本。但是由此帶來運輸成本提高的問題，而且也對裝配和工作現場吊裝設備提出了 更高的要求。在電機整體下線結束後需要進行浸漆處理，對於大型電機整體浸漆所需的大 直徑真空壓力浸漆罐投資很大，對於中小企業無疑構成一定負擔。如果採用定子和基座分瓣加工，然後現場完成繞組嵌放的方法，固然可以在一定 程度上解決運輸困難的問題。但是由於機座焊接，定子疊片，繞組嵌放，和轉子裝配等工作 都需要在工作現場完成，受限於現場工作環境，必然會增加工時成本，而且當工作環境惡劣 時還會對加工裝配質量產生一定影響。由於傳統大型交流電機繞組大多採用雙層疊繞，繞 組在定子槽內空間分布連續，無法機械解耦。因此，為了保證電機的整體運行，分瓣定子最 終必須緊固為一體。但是由於實際工藝和材料特性限制，鐵芯接縫面處會受到不均勻且難 以預測的擠壓力，該擠壓力不但助長了定子鐵芯翹曲的形成，還會帶來接縫處的機械振動 和噪聲，給電機的安全穩定運行帶來隱患。也正是因為這個原因，分瓣製作定子的方法自從 上世紀60年代以來便逐漸被淘汰。取而代之的是採用工地現場整圓疊壓定子鐵芯的方法， 這種方法在國內外大型水輪發電機製造領域得到了廣泛應用。以上幾種方法雖然在加工過程中分為整體與分瓣，但是最終都是將其組裝為一個 整體。一旦電機運行發生重大故障，需要返廠維修，這個過程中產生的運輸，維修，重新裝配 等成本十分巨大，甚至無異於購置一臺新電機。更為重要的是，由於這種大型交流電機大 多作為大型機械裝備的主驅動電機，或發電廠的主要發電設備，如果電機發生故障，由此帶 來的停工停產損失可能更為巨大。尤其是一些關係國民經濟運行的關鍵部門，比如電廠，醫 院，供水系統，軍事基地等等，其高可靠性的要求更是制約了這種電機的應用與發展。對於以上存在的種種問題，行業內目前主要採用以下幾種方法對於特大型電機 來說，大多是電廠用的發電機。承接製造此種電機的廠家大多具有很強的技術和工藝加工 能力，雖然在此過程中需要較高成本，但電機性能基本能夠滿足實際需要。電廠設備的可靠性主要通過提高電機製造質量和備用發電機組的方法來保證。大型交流電動機一般通過提 高電機電壓的方法提高功率密度、減少體積，降低電機尺寸過大帶來的運輸與安裝困難。通 過購置大直徑真空壓力浸漆罐的方法解決浸漆困難的問題。電動機的可靠性除了通過提高 電機質量，還有採用多臺電動機同軸連接的方式，部分電機作為備用動力設備空轉運行。在電機定子分瓣製作方面，國內外有過一些探索，而且申報了一些專利。專利號 200610138198. 5，名稱是電動機的分瓣定子。此專利主要介紹了一種集中繞組定子拼接方 法。電動機定子由在圓筒形定子圓周上劃分的多個分瓣結構組成。其優點主要體現在由於 定子各個磁極相互獨立，集中繞組可以在定子各瓣拼接之前，直接嵌入磁極兩側的寬口凹 槽，避免了傳統電機繞組需要從窄小的槽口嵌入的麻煩，顯著減小了損壞線圈絕緣的危險， 提高了槽滿率。專利號=200880014984. 1，名稱是電動機用分瓣定子及其製造方法。此專 利主要介紹了集中式繞組定子拼接結構(大體與上文所述專利類似)以及具體加工製作方 法。以上兩個專利所述定子分瓣製作方法主要適用於集中繞組少極電機，其主要出發點在 於提高定子槽滿率，減少繞組嵌放中的絕緣破壞以及提高繞組與定子之間的散熱能力。如 果極數很多，相鄰定子拼接中存在的間隙會對磁路結構產生一定影響，進而影響電機性能。 而且對於大量使用的常規分布繞組交流電機，以上兩個專利所述方法均不適用。專利號 200720183654. 8，名稱是一種電機定子的鐵芯。此專利主要介紹了一種定子分瓣製作的方 法，相鄰的分瓣定子通過榫槽連接。其意義主要體現在相鄰分瓣定子不用通過焊接的方法 連接，降低了加工難度。專利號200810146730.7，名稱是一種模塊化電機。此專利主要介 紹了適用於集中繞組的發電機模塊化製造結構。主要是為了解決發電系統中原動機輸出功 率變化帶來的發電機輸出功率不穩定問題。通過調節不同定子模塊使得電機整體的組合功 率輸出與原動機輸入功率相適應，從而降低對原動機輸出功率穩定性的要求。以上幾個專 利雖然在加工過程中都對定子進行分瓣處理，側重點也有所不同，但是最終大多是將其加 工為一個整體，而且僅適用於集中式繞組。並沒有緩解大型交流電機定子裝配運輸困難的 現狀，更無法解決大型交流電機定子可靠性有限的問題。

發明內容
本發明公開一種分體獨立式大型交流電機定子模塊化製造與應用方法，目的在於 提供一種性價比高的適用於大型交流電機的定子製造與裝配技術。本發明的技術方案為
分體獨立式大型交流電機定子製造方法，其特徵在於將電機定子分瓣製作，對每個定 子模塊分別處理，然後整體組裝成完整的定子，具體包括以下步驟
第一，將每個定子模塊的定子衝片進行分別疊壓與緊固處理，利用弧形定子壓圈進行 壓緊與固定；
第二，將大跨距線圈和小跨距線圈嵌放入定子槽內，同時做好定子繞組絕緣和綁紮處 理，得到獨立的定子模塊，其中大跨距線圈和小跨距線圈的跨接方向相反；
第三，將製作好的定子模塊進行整體浸漆處理與烘乾，完成每個模塊的製作與封裝； 第四，將每個定子模塊沿圓周方向依次安裝固定在定位基座上，進行整體調試與運行。當電機採用整數槽繞組或每極每相槽數最簡形式分母為奇數的分數槽繞組時，定 子模塊數量最多擴展至最大並聯支路數的一半，即電機極數與槽數的最大公約數的一半，
5也可以擴展至最大並聯支路數一半的約數個；當採用每極每相槽數最簡形式分母為偶數的 分數槽繞組時，定子模塊數量最多擴展至最大並聯支路數，即電機極數與槽數的最大公約 數，也可以擴展至最大並聯支路數的約數個。獨立的定子模塊槽數等於2mq最簡形式的分子的整數倍，最小獨立定子模塊槽數 為2mq最簡形式的分子。其中m為電機相數，q為電機每極每相槽數。所述的每個定子模塊單元相互獨立，不同定子模塊所佔空間角度可以相同，也可 不同，只要保證空間角度為最小獨立定子模塊空間角度的整數倍，且全部定子模塊能夠填 充圓周方向360度空間即可。將跨接於相鄰兩個定子模塊的定子繞組線圈的上下層邊放在同一模塊內，即將本 應跨接於下一個定子模塊的定子繞組邊放置在本模塊中電磁性能相同的槽內，而定子繞組 端部接線保持不變。針對不同極槽配合的電機定子，優先採用跨距小且數量為3的整數倍 的大繞組線圈結構。分體獨立式大型交流電機定子裝配方法，其特徵在於所述裝配方法採用外部輻 射式拼裝結構，不同定子模塊之間的定位、各個定子模塊與轉子的同心定位以及氣隙的調 整通過定位機座保證，在保證定位機座機械強度的情況下，將定子模塊沿圓周方向從外側 依次安放到定位機座的相應位置，通過在定位機座上事先加工的均勻分布在圓周方向的定 位孔或定位槽保證定子模塊定位精度，並利用拉緊螺杆將定子模塊與定位基座進行固定。定位機座可以整體加工也可以分瓣加工後現場焊接完成。安裝定子模塊之前，首先進行定位機座和轉子的安裝定位，保證定位機座和轉子 的同軸度。每個獨立的定子模塊圓周外側添加軸向固定筋板。每個獨立的定子模塊都是從定位機座外側進行吊裝。本發明的突出創新點與優勢在於將傳統整體製作的電機定子分瓣製作，利用大小 線圈合理布置的方法實現相鄰定子模塊電氣與機械解耦。每個模塊單元可以分別獨立控 制運行，不同模塊只要保證供電電源同步性即可，同時也可以並聯運行，這取決於實際工況 需要。不同模塊之間不存在直接的電聯繫，而且可以互相替代與更換，這就提高了電機的可 靠性。避免了傳統電機某相繞組短路或匝間絕緣損毀等造成整臺電機都需要返廠維修的缺 點。如果電機出現重大故障，只需將損壞的定子模塊拆除換上備用模塊即可。由於減少了 維修成本與時間，採用此方法還可以大大降低電機返廠維修帶來的企業停工停產損失，節 約了企業運行成本。本發明所述電機由於採用大小線圈的方法實現了相鄰定子模塊的機械解耦，不同 模塊機械獨立，因此相鄰模塊之間的間隙可以適當加大，以此避免定子拼接縫處的振動與 噪聲。同時也解決了傳統大型水輪發電機定子分瓣製作後出現較大振動與噪聲的難題。本發明將大型電機定子化整為零，分別加工製作，在定子浸漆固化階段，降低了對 真空壓力浸漆設備的要求，可以利用中小型電機浸漆設備對大型電機定子模塊進行浸漆處 理，這樣可以節省中小企業的設備投資。相對於電機整體來說，每個定子模塊單元的外形尺 寸大大減少，給產品的運輸帶來方便。


圖1為定子模塊整體拼裝示意圖；圖2為單個定子模塊展開示意圖； 圖3為弧形定子壓圈示意圖； 圖4為一種臥式電機定位機座結構示意圖； 圖5為另一種臥式電機定位機座結構示意圖； 圖6為立式電機定位機座結構示意； 圖7為圖4所示臥式電機定子模塊的裝配示意圖； 圖8為圖6所示立式電機定子模塊的裝配示意圖；
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明進行具體說明
本發明所述技術方案主要適用於採用分布繞組的大型交流電機。圖1為定子模塊整體拼裝示意圖，如圖所示，以16極60槽4單元電機為例進行說 明。圖1中1為衝片疊壓而成的定子模塊，2為定子模塊拉緊螺孔，用於定子衝片的拉緊與 模塊單元的整體固定，3為相鄰定子模塊拼接縫，4為下層繞組，5為上層繞組，6為小跨距繞 組線圈，7為大跨距繞組線圈。本發明是將電機定子分瓣製作，對每個定子模塊分別處理，然 後整體組裝成完整的定子。具體包括以下步驟第一，將每個模塊單元的定子衝片進行分別 疊壓與緊固處理，利用弧形定子壓圈進行壓緊與固定。第二，將大小線圈合理嵌放入定子槽 內，同時做好繞組絕緣和綁紮處理。第三，將製作好的定子模塊單元進行整體浸漆處理與烘 幹，完成每個模塊的製作與封裝。第四，將每個定子模塊沿圓周方向依次安裝固定在定位基 座上，進行整體調試與運行。定子模塊分瓣數量需要綜合考慮實際電機的外形尺寸和繞組排布情況確定。對於 整數槽繞組和每極每相槽數最簡形式分母為奇數的分數槽繞組，電機定子模塊數量最多擴 展到電機極數與槽數的最大公約數的一半，也可以擴展至最大並聯支路數一半的約數個； 對於每極每相槽數最簡形式分母為偶數的分數槽繞組，電機定子模塊數量最多擴展到電機 極數與槽數的最大公約數，也可以擴展至最大並聯支路數的約數個。鑑於模塊拼接縫隙對 電機性能的影響，模塊數量不宜過多。同一個電機的不同定子模塊所佔空間角度可以相同， 也可不同。只要保證空間角度為最小獨立定子模塊空間角度的整數倍，且全部定子模塊能 夠填充圓周方向360度空間即可。根據實際工況需要，出於提高不同定子模塊通用性，便於 更換與維修的角度考慮，每個定子模塊可以具有相同的空間角度。每個獨立定子模塊槽數 等於2mq最簡形式的分子的整數倍，最小獨立定子模塊槽數為2mq最簡形式的分子。其中 m為電機相數，q為電機每極每相槽數。根據實際工況需要，電機模塊角度可為最小模塊所 佔空間角度的整數倍。相鄰模塊拼接處縫隙寬度應合理選擇。一方面，由於電機運行會使定子衝片發熱 膨脹，如果接縫寬度過小，會導致衝片發熱變形量無法釋放，進而造成定子鐵芯翹曲變形。 而且由於實際裝配工藝等原因，接縫寬度過小還會使得電機裝配後及運行過程中，接封面 處受到分布不均且難以預測的擠壓力，助長了定子鐵芯的變形。接縫寬度過小還會帶來電 機運行過程中的振動與噪聲。另一方面，如果接縫寬度過大，會對電機電磁性能有微量影 響。接縫處懸空還會對電機的機械穩定性帶來負面影響。因此，應綜合考慮實際工況選擇 相鄰模塊接縫寬度。圖2為單個定子模塊展開示意圖，如圖所示繞組嵌放方法，這裡以16極60槽4單
7元電機為例進行說明。圖2中6為小跨距繞組線圈，跨距為3，數量為12 ；7為大跨距繞組 線圈，跨距為12，數量為3。在一個定子模塊中的大跨距線圈7和小跨距線圈6的跨接方向 相反。根據電機槽距電角度分布規律，將大跨距線圈相對於小跨距線圈反向放置，這樣既實 現了對相鄰定子模塊結合處的電磁補償，保證了三相繞組內電勢對稱，又實現了相鄰定子 模塊單元的機械解耦，並保持電機性能基本不變。大小線圈的數量和跨距需要綜合考慮電 機極數、槽數和性能要求。此法主要利用了電機槽中繞組電勢分布每隔一定槽數完成一次 循環，而從電磁性能的角度來說，電角度相差2 π的槽內繞組作用是等效的。為了實現相鄰定子模塊的機械解耦，本發明將跨接於相鄰兩個定子模塊的繞組線 圈的上下層邊放在同一模塊內，即將本應跨接於下一個定子模塊的繞組邊放置在本模塊中 電磁性能相同的槽內，而繞組端部接線保持不變。這樣就打斷了繞組線圈在空間分布上的 連續性，使得不同定子模塊獨立製作與運行成為可能。針對不同極槽配合的電機定子，優先 採用跨距小且數量為3的整數倍的大繞組線圈結構。具體如圖2中所示，以繞組下層邊進 行編號。1-12號繞組從左到右依次正常嵌放。13-15號繞組從右向左嵌放，即將傳統繞組 嵌放方式中本應跨接於下一定子模塊的繞組上層邊放置在與其電磁性能相同的同一模塊 槽內。具體來說，即將13號繞組的上層邊放在1號槽的上部，14和15號繞組的上層邊放在 2號和3號槽的上部。電機端部繞組接線保持不變。其他極槽配合的電機繞組放置方法需 要通過計算得到。每個定子模塊完成衝片疊壓與繞組嵌放之後，需要對繞組端部進行綁紮緊固與絕 緣處理。為了提高大線圈的電氣與機械可靠性，可以適當提高絕緣防護等級和綁紮強度。並 對定子模塊整體進行浸漆處理。為了提高機械穩固性，可以適當增加定子模塊拉緊螺杆的數量和直徑。弧形定子 壓圈的厚度和定子模塊拉緊螺孔數量也可以相應增加。弧形定子壓圈的具體結構如圖3所 示，其中8為定子模塊拉緊螺孔，9為弧形定子壓圈。本發明提出的定子模塊可以在定位機座上自由進行安裝與拆卸，裝配方法採用外 部輻射式拼裝結構。安裝定子模塊之前，首先進行定位機座和轉子的安裝定位，保證二者的 同軸度。轉子和定位機座一旦安裝成功，就不再改動。不同定子模塊之間的定位、定子模塊 與轉子同心定位以及氣隙的調整通過定位機座保證。定位機座可以整體加工也可以分瓣加 工後現場焊接完成。在保證定位機座機械強度的情況下，將定子模塊沿圓周方向從外側依 次安放到定位機座的相應位置，通過在定位機座上事先加工的均勻分布在圓周方向的定位 孔或定位槽保證定子模塊定位精度，並利用拉緊螺杆將定子模塊與定位基座進行固定。為 了提高定子模塊的機械穩定性，可以在定子模塊圓周外側添加軸向固定筋板。每個定子模塊單元相互獨立，且與定位機座都是可拆卸的。每個獨立的定子模塊 是從定位機座外側進行吊裝。一方面，每個模塊單元可以分別獨立控制運行，不同模塊只要 保證供電電源同步性即可，同時也可以並聯運行；另一方面也保證了定位機座和轉子可以 一次完成定位工作後就不在改動，當某個定子模塊出現故障時，只需將其拆下，換裝上備用 的定子模塊。如圖4所示為一種臥式電機定位機座結構示意圖，此種結構適用於定子模塊拉緊 螺杆數量較少的情況。當定子模塊拉緊螺杆數量較多時可以考慮採用如圖5所示的另一種 臥式電機定位機座結構示意圖中的方法。定位機座外徑圓周均勻分布的定位槽與定子模塊上拉緊螺杆緊密配合，只要保證定位槽加工的合理性就可滿足定子模塊與轉子同軸定位和 氣隙長度的要求。此種臥式電機定子模塊的裝配示意圖如圖7所示，通過吊裝設備將各個 定子模塊分別從機座四周移動至機座定位槽，然後利用緊固件對定子模塊拉緊螺杆端部與 定位槽進行加固處理。對於大型立式電機，如電廠用水輪發電機和立式安裝的大型交流電 動機，可以採用如圖6所示的立式電機定位機座結構，其安裝仍然採用外裝法，具體裝配示 意圖如圖8所示。通過定位機座底盤上的徑向定位凹槽將不同定子模塊移動至定位機座內 部，從而保證了定子模塊的圓周方向定位。通過上部定位盤上的定位螺孔保證定子模塊的 徑向定位。由於以上兩種定子模塊安裝方法都是從外部進行吊裝，從而降低了安裝過程的 複雜性和勞動強度。如果某個模塊出現故障，只要鬆動相應端部緊固件，進行拆卸即可。
權利要求
1.分體獨立式大型交流電機定子製造方法，其特徵在於將電機定子分瓣製作，對每 個定子模塊分別處理，然後整體組裝成完整的定子，具體包括以下步驟第一，將每個定子模塊的定子衝片進行分別疊壓與緊固處理，利用弧形定子壓圈進行 壓緊與固定；第二，將大跨距線圈和小跨距線圈嵌放入定子槽內，同時做好定子繞組絕緣和綁紮處 理，得到獨立的定子模塊，其中大跨距線圈和小跨距線圈的跨接方向相反；第三，將製作好的定子模塊進行整體浸漆處理與烘乾，完成每個模塊的製作與封裝；第四，將每個定子模塊沿圓周方向依次安裝固定在定位基座上，進行整體調試與運行。
2.根據權利要求1所述分體獨立式大型交流電機定子製造方法，其特徵在於當電機 採用整數槽繞組或每極每相槽數最簡形式分母為奇數的分數槽繞組時，定子模塊數量最多 擴展至最大並聯支路數的一半，即電機極數與槽數的最大公約數的一半，也可以擴展至最 大並聯支路數一半的約數個；當採用每極每相槽數最簡形式分母為偶數的分數槽繞組時， 定子模塊數量最多擴展至最大並聯支路數，即電機極數與槽數的最大公約數，也可以擴展 至最大並聯支路數的約數個。
3.根據權利要求1所述分體獨立式大型交流電機定子製造方法，其特徵在於獨立的 定子模塊槽數等於2mq最簡形式的分子的整數倍，最小獨立定子模塊槽數為2mq最簡形式 的分子；其中m為電機相數，q為電機每極每相槽數。
4.根據權利要求1所述分體獨立式大型交流電機定子製造方法，其特徵在於所述的 每個定子模塊單元相互獨立，不同定子模塊所佔空間角度可以相同，也可不同，只要保證空 間角度為最小獨立定子模塊空間角度的整數倍，且全部定子模塊能夠填充圓周方向360度 空間即可。
5.根據權利要求1所述分體獨立式大型交流電機定子製造方法，其特徵在於將跨接 於相鄰兩個定子模塊的定子繞組線圈的上下層邊放在同一模塊內，即將本應跨接於下一個 定子模塊的定子繞組邊放置在本模塊中電磁性能相同的槽內，而定子繞組端部接線保持不 變；針對不同極槽配合的電機定子，優先採用跨距小且數量為3的整數倍的大繞組線圈結 構。
6.如權利要求1所述分體獨立式大型交流電機定子裝配方法，其特徵在於所述裝配 方法採用外部輻射式拼裝結構，不同定子模塊之間的定位、各個定子模塊與轉子的同心定 位以及氣隙的調整通過定位機座保證，在保證定位機座機械強度的情況下，將定子模塊沿 圓周方向從外側依次安放到定位機座的相應位置，通過在定位機座上事先加工的均勻分布 在圓周方向的定位孔或定位槽保證定子模塊定位精度，並利用拉緊螺杆將定子模塊與定位 基座進行固定。
7.根據權利要求6所述分體獨立式大型交流電機定子裝配方法，其特徵在於定位機 座可以整體加工也可以分瓣加工後現場焊接完成。
8.根據權利要求6所述分體獨立式大型交流電機定子裝配方法，其特徵在於安裝定 子模塊之前，首先進行定位機座和轉子的安裝定位，保證定位機座和轉子的同軸度。
9.根據權利要求6所述分體獨立式大型交流電機定子裝配方法，其特徵在於每個獨 立的定子模塊圓周外側添加軸向固定筋板。
10.根據權利要求6所述分體獨立式大型交流電機定子裝配方法，其特徵在於每個獨立的定子模塊都是從定位機座外側進行吊裝。
全文摘要
分體獨立式大型交流電機定子製造與裝配技術，將每個定子模塊的定子衝片分別疊壓與緊固，利用弧形定子壓圈進行壓緊與固定；將大跨距線圈相對於小跨距線圈反向嵌放入定子槽內，同時做好定子繞組絕緣和綁紮處理；將製作好的定子模塊整體浸漆處理與烘乾，完成每個模塊的製作與封裝；將每個定子模塊安裝固定在定位基座上，整體調試與運行。裝配方法採用外部輻射式拼裝結構，將定子模塊沿圓周方向從外側依次安放到定位機座的相應位置，通過在定位機座上事先加工的均勻分布在圓周方向的定位孔或定位槽保證定子模塊定位精度，並利用拉緊螺杆將定子模塊與定位基座進行固定。本發明目的在於提供一種性價比高的適用於大型交流電機的定子製造與裝配技術。
文檔編號H02K15/02GK102005867SQ20101055653
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月24日 優先權日2010年11月24日
發明者馮桂宏, 崔剛, 張炳義, 李慶旭 申請人:瀋陽工業大學