高效高壓中型異步電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

孟大偉，姜明麗

(哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150080)

0 引言

電機(jī)的重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)之一是重量功率比，即kg/kW。減薄主絕緣可以提高槽利用率，從而達(dá)到減小重量功率比，減小電機(jī)體積和制造成本的目的[1]。以往多采用實(shí)驗(yàn)的方法減薄主絕緣[2]，而實(shí)驗(yàn)的方法不能直觀的反映電場(chǎng)對(duì)主絕緣的作用。利用有限元方法對(duì)絕緣層電場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，就可以獲得絕緣層表面的電場(chǎng)分布情況[3－5]。在此基礎(chǔ)上，來(lái)優(yōu)化絕緣尺寸與結(jié)構(gòu)，對(duì)于高效節(jié)能電機(jī)的研究具有重要意義。

本文以YKK400－6(690 kW)中型高壓異步電機(jī)為參考樣機(jī)，運(yùn)用有限元方法對(duì)電機(jī)定子槽部電場(chǎng)、角部電場(chǎng)和端部電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果可以為定子主絕緣的減薄和優(yōu)化結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。同時(shí)，通過介質(zhì)損耗角正切實(shí)驗(yàn)和和瞬時(shí)工頻擊穿電壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了減薄后的絕緣厚度能夠滿足電機(jī)運(yùn)行的需要。

1 定子槽部電場(chǎng)計(jì)算

電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中對(duì)電場(chǎng)的求解，可歸納為邊值問題[6]，即

式中:Ω為定解場(chǎng)域;Γ1為電勢(shì)已知的邊界;Γ2為電勢(shì)的法向?qū)?shù)等于零的邊界;Γin為不同介質(zhì)的分界線。

電機(jī)的槽部電場(chǎng)和角部電場(chǎng)可近似為二維場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算[7]，而端部由于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，采用三維場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

1.1 定子槽部電場(chǎng)有限元數(shù)值方程

選用樣機(jī)的額定電壓為6 000 V，定子槽寬為11.9 mm，高為69.5 mm，層間絕緣厚為2 mm，主絕緣為1.5 mm。以定子槽寬度方向?yàn)閤軸，高度方向?yàn)閥軸，結(jié)合電機(jī)的實(shí)際尺寸建立計(jì)算模型。絕緣材料按均勻、線性、各向同性媒質(zhì)處理，忽略槽楔對(duì)電場(chǎng)的影響，槽內(nèi)間隙均按真空處理。計(jì)算模型如圖1所示。

三相異步電機(jī)的外接電壓按正弦規(guī)律變化，因此槽內(nèi)上、下兩層線圈在各個(gè)時(shí)刻的電位可以通過計(jì)算得到。電位沿軸向的梯度較小，可忽略不計(jì)。因此在任一時(shí)刻定子的槽部電場(chǎng)均可以當(dāng)做二維靜電場(chǎng)處理[8]。

圖1 定子槽部電場(chǎng)計(jì)算模型Fig.1 Calculating model of stator slot electric field

基于以上條件，標(biāo)量電位φ滿足的方程為

其中:ε為介質(zhì)的介電常數(shù);G為定解場(chǎng)域;s'為高電位面域(線圈導(dǎo)體);s″為零電位面。

由圖1及槽型與絕緣尺寸可知，G滿足范圍為

{x∈[－5.95，5.95]，y∈[36，38]∪

y∈[67.5，69.5]}∪{y∈[5，69.5]，

x∈[－5.95，－4.2]∪x∈[4.2，5.95]}。

邊界條件為:設(shè)定子槽壁表面電位為零，則s″滿足范圍

當(dāng)A，B兩線圈之間相位差為120°時(shí)，上下兩層線圈之間的電位差變化最明顯。以線圈A的坐標(biāo)為基準(zhǔn)，在A、B兩線圈導(dǎo)體上加高電位，所加的電壓為整機(jī)對(duì)地耐壓試驗(yàn)所用電壓值(17 kV)。即s'滿足范圍

1.2 定子槽部電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

線圈A，B的電位差為

圖2 時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度云圖和矢量圖Fig.2 Electric field intensity cloud picture and vector-graph withdegree

圖3 時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度云圖和矢量圖Fig.3 Electric field intensity cloud picture and vector-graph with degree

觀察圖2、圖3中電場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)最大值出現(xiàn)在線圈尖角部分，即在線圈尖角部分出現(xiàn)了電場(chǎng)集中現(xiàn)象，在矩形線圈的四個(gè)側(cè)面，電場(chǎng)分布是比較均勻的。分析發(fā)現(xiàn)線圈尖角部分的電場(chǎng)集中現(xiàn)象是由于導(dǎo)體幾何形狀突變所造成的，所以有必要對(duì)線圈角部進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2 線圈角部電場(chǎng)的計(jì)算

為了減小角部電場(chǎng)集中效應(yīng)，通常把線圈的角部做成有一定圓角的形狀，其截面簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

圖4 帶圓角的截面簡(jiǎn)化模型Fig.4 Simplified section model with rounded corners

線圈的4個(gè)角部是對(duì)稱的，即可以選擇線圈截面的四分之一進(jìn)行分析。建立主絕緣厚度為d=1.5 mm，半徑r=1.8 mm的計(jì)算模型。對(duì)線圈加載時(shí)的整機(jī)對(duì)地耐壓試驗(yàn)所用電壓的瞬時(shí)值，絕緣層外側(cè)為零電位邊界。應(yīng)用靜電場(chǎng)求解器進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。E[V/m]

1.2925 e+007 1.2117e+007 1.1310e+007 1.0502e+007 9.6942e+006 8.8864e+006 8.0787e+006 7.2710e+006 6.4632e+006 5.6555e+006 4.8477e+006 4.0400e+006 3.2323e+006 2.4245e+006 1.6168e+005 8.0903e+005 1.2925e+003

觀察圖2和圖5的放大部分，由于采用了圓角結(jié)構(gòu)，角部電場(chǎng)分布變得均勻，最大電場(chǎng)強(qiáng)度由原來(lái)的1.757×107V/m下降為1.293×107V/m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[9]

圖5 圓角結(jié)構(gòu)的角部電場(chǎng)云圖Fig.5 Electric field intensity cloud picture in rounded corner

式中:fm為電場(chǎng)集中系數(shù)，Ea為平均場(chǎng)強(qiáng)，d為主絕緣厚度，r為圓角半徑，Emax為最大電場(chǎng)強(qiáng)度，由

確定。可知，欲改善定子線圈的電場(chǎng)分布，需減小電場(chǎng)集中系數(shù) fm，而要減小 fm，就必須降低 d/r的值。

改變d和r的值，建立計(jì)算模型。對(duì)各模型中線圈導(dǎo)體加載整機(jī)對(duì)地耐壓試驗(yàn)所用電壓值，設(shè)絕緣層外側(cè)為零電位邊界，采用靜電場(chǎng)求解器進(jìn)行計(jì)算。若在此電壓值下絕緣能滿足要求，則主絕緣可以保證電機(jī)的安全運(yùn)行。

通過計(jì)算，得到d和r取不同值時(shí)的電場(chǎng)分布，取最大電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，如圖6所示。

圖6 d和r 取不同值時(shí)最大電場(chǎng)強(qiáng)度Fig.6 Maximum electric field intensities with different d and r

從圖6中可觀察到當(dāng)絕緣厚度相同時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度的值隨圓角半徑的增大而減小;當(dāng)圓角半徑相同時(shí)，最大電場(chǎng)強(qiáng)度值隨絕緣厚度的增大而減小。其中1.5 mm為原絕緣結(jié)構(gòu)、1.1 mm為所確定的新絕緣結(jié)構(gòu)。

3月6日上午，1 6 1師戰(zhàn)地醫(yī)院裝車回國(guó)，殷燕坐車從友誼關(guān)回到了廣西。殷燕記錄了自己入關(guān)回國(guó)的心緒：“從友誼關(guān)經(jīng)過的軍人們，無(wú)不被那樓頂上迎風(fēng)飄揚(yáng)的五星紅旗所吸引，那深情凝望的眼神，是經(jīng)受過戰(zhàn)場(chǎng)考驗(yàn)、從生死線上走回來(lái)的人才會(huì)有的，那是發(fā)自心底對(duì)祖國(guó)依戀的神情。軍人們就像久別了母親的孩子一樣，禁不住熱淚盈眶，面對(duì)著國(guó)旗，舉起右手久久地行著軍禮不愿放下。”

由圖5可知主絕緣電場(chǎng)強(qiáng)度的最大值與最小值均出現(xiàn)在角部45°射線方向上。在1.5 mm和1.1 mm絕緣的各模型沿角部45°方向做射線，分別提取該線上節(jié)點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度作對(duì)比分析，如圖7所示。計(jì)算該線上節(jié)點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的平均值，其值可作為平均場(chǎng)強(qiáng)Ea。根據(jù)圖6中的最大值就可以求得電場(chǎng)集中系數(shù)fm。圖8為fm與r和d的關(guān)系。分析可知當(dāng)絕緣厚度一定時(shí)，圓角半徑越大fm越小。在滿足絕緣結(jié)構(gòu)的要求情況下，考慮提高槽利用率和生產(chǎn)工藝兩方面，選擇0.8 mm的圓角半徑為宜。

圖7 角部45°射線上電場(chǎng)分布圖Fig.7 The electric field distribution along radial direction with 45°

圖8 不同r和d下的fm值Fig.8 fm values with differentrandd

3 定子繞組端部電場(chǎng)計(jì)算

定子繞組端部幾何形狀復(fù)雜，在形狀突變處電場(chǎng)分布極不均勻，容易產(chǎn)生絕緣損壞現(xiàn)象，需對(duì)端部電場(chǎng)分布進(jìn)行分析。

根據(jù)電機(jī)定子繞組端部實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，模型和網(wǎng)格劃分如圖9所示。槽部主絕緣厚度為1.5 mm時(shí)，端部絕緣厚度為1.65 mm。當(dāng)槽部主絕緣厚度減薄為1.1 mm時(shí)，端部采用1.45 mm厚的絕緣結(jié)構(gòu)。對(duì)定子繞組端部線圈導(dǎo)體加載整機(jī)實(shí)驗(yàn)線電壓值(17 000 V)，設(shè)絕緣層外表面為零電位邊界。

圖9 定子繞組端部模型和剖分圖Fig.9 Stator end winding model and mesh grid

計(jì)算結(jié)果如圖10所示，其中(a)為端部絕緣1.65 mm的結(jié)構(gòu)，(b)為端部絕緣1.45 mm的結(jié)構(gòu)。

圖10 繞組端部電場(chǎng)計(jì)算云圖Fig.10 Electric field intensity cloud in end winding

減薄后端部電場(chǎng)強(qiáng)度最大值為2.0371×107V/m，完全滿足絕緣要求，并保留一定的安全裕度。

4 絕緣性能試驗(yàn)

以電場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果作為參考，按JB/T 50132－1999標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定子主絕緣厚度為1.5 mm和1.1 mm的線圈進(jìn)行常態(tài)下介質(zhì)損耗角正切、熱態(tài)介質(zhì)損耗角正切和瞬時(shí)工頻擊穿電壓試驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11和表1所示。

圖11 常態(tài)下不同絕緣厚度線圈的tanδ(%)Fig.11 tanδ(%)values of the windings with different insulation thickness in the normality

表1 不同絕緣厚度線圈的熱態(tài)介損與擊穿電壓Table 1 Thermal dielectric losses and breakdown voltages of the windings with different insulation thickness

5 結(jié)論

總結(jié)計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，可得以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)為了改善線圈電場(chǎng)的分布，在設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，須采用合理的圓角半徑。兼顧提高槽利用率和減小電場(chǎng)集中系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)，線圈截面的圓角半徑選擇0.8 mm比較適宜。

2)絕緣厚度為1.1 mm的試驗(yàn)線圈采用高介電性能的少膠云母帶和優(yōu)化結(jié)構(gòu)，與原結(jié)構(gòu)1.5 mm的試驗(yàn)線圈相比，絕緣結(jié)構(gòu)滿足要求。

3)當(dāng)槽部絕緣減薄為1.1 mm時(shí)，端部端部建議采用1.45 mm的絕緣厚度。由于端部所處位置決定其電場(chǎng)分布沿絕緣表面存在著較強(qiáng)的切向和垂直的分量，且電暈強(qiáng)烈。在滿足槽部絕緣要求時(shí)，端部不易過度減薄，要保證電機(jī)的安全性能。

本文采用整機(jī)試驗(yàn)電壓進(jìn)行計(jì)算，與線圈擊穿試驗(yàn)對(duì)比，各處計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度均沒有超過擊穿場(chǎng)強(qiáng)。當(dāng)電機(jī)在額定電壓下工作時(shí)，優(yōu)化的絕緣結(jié)構(gòu)能夠保證電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。

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