CN102005867A - 分体独立式大型交流电机定子制造方法与装配方法 - Google Patents

Abstract

分体独立式大型交流电机定子制造与装配技术，将每个定子模块的定子冲片分别叠压与紧固，利用弧形定子压圈进行压紧与固定；将大跨距线圈相对于小跨距线圈反向嵌放入定子槽内，同时做好定子绕组绝缘和绑扎处理；将制作好的定子模块整体浸漆处理与烘干，完成每个模块的制作与封装；将每个定子模块安装固定在定位基座上，整体调试与运行。装配方法采用外部辐射式拼装结构，将定子模块沿圆周方向从外侧依次安放到定位机座的相应位置，通过在定位机座上事先加工的均匀分布在圆周方向的定位孔或定位槽保证定子模块定位精度，并利用拉紧螺杆将定子模块与定位基座进行固定。本发明目的在于提供一种性价比高的适用于大型交流电机的定子制造与装配技术。

Description

分体独立式大型交流电机定子制造方法与装配方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，涉及大型交流电机的定子设计制造与装配，进一步说是一种大型交流电机定子模块化制造与应用方法。

背景技术

定子作为电机的重要组成部分，其设计与装配的合理性对于电机稳定高效运行具有重要影响。传统电机定子大多采用整体加工的方法，首先沿圆周方向将定子冲片均匀叠压并利用拉紧螺杆或机械扣片焊接等方式加以固定，然后嵌放绕组并对绕组端部进行连接与整形，最后整体进行浸漆处理加以固化。当电机定子直径超过 4 米时，如大型水轮发电机，受限于运输瓶颈，定子需分瓣制造（包括机座和铁芯），运往工地后再将分瓣的定子组装成整体；对于分瓣运输仍有困难的大型机组，定子的装配工作全部在工地完成，即先将分瓣的定子机座组焊成整圆，然后进行定子铁芯叠片，再完成定子绕组下线与连接。 定子铁芯由硅钢片现场堆叠而成，铁芯由定位筋定位。

如果采用定子整体加工的方法，可以在工厂内部完成全部加工装配工作，降低了制造成本。但是由此带来运输成本提高的问题，而且也对装配和工作现场吊装设备提出了更高的要求。在电机整体下线结束后需要进行浸漆处理，对于大型电机整体浸漆所需的大直径真空压力浸漆罐投资很大，对于中小企业无疑构成一定负担。

如果采用定子和基座分瓣加工，然后现场完成绕组嵌放的方法，固然可以在一定程度上解决运输困难的问题。但是由于机座焊接，定子叠片，绕组嵌放，和转子装配等工作都需要在工作现场完成，受限于现场工作环境，必然会增加工时成本，而且当工作环境恶劣时还会对加工装配质量产生一定影响。由于传统大型交流电机绕组大多采用双层叠绕，绕组在定子槽内空间分布连续，无法机械解耦。因此，为了保证电机的整体运行，分瓣定子最终必须紧固为一体。但是由于实际工艺和材料特性限制，铁芯接缝面处会受到不均匀且难以预测的挤压力，该挤压力不但助长了定子铁芯翘曲的形成，还会带来接缝处的机械振动和噪声，给电机的安全稳定运行带来隐患。也正是因为这个原因，分瓣制作定子的方法自从上世纪60年代以来便逐渐被淘汰。取而代之的是采用工地现场整圆叠压定子铁芯的方法，这种方法在国内外大型水轮发电机制造领域得到了广泛应用。

以上几种方法虽然在加工过程中分为整体与分瓣，但是最终都是将其组装为一个整体。一旦电机运行发生重大故障，需要返厂维修，这个过程中产生的运输，维修，重新装配等成本十分巨大，甚至无异于购置一台新电机。更为重要的是，由于这种大型交流电机大多作为大型机械装备的主驱动电机，或发电厂的主要发电设备，如果电机发生故障，由此带来的停工停产损失可能更为巨大。尤其是一些关系国民经济运行的关键部门，比如电厂，医院，供水系统，军事基地等等，其高可靠性的要求更是制约了这种电机的应用与发展。

对于以上存在的种种问题，行业内目前主要采用以下几种方法：对于特大型电机来说，大多是电厂用的发电机。承接制造此种电机的厂家大多具有很强的技术和工艺加工能力，虽然在此过程中需要较高成本，但电机性能基本能够满足实际需要。电厂设备的可靠性主要通过提高电机制造质量和备用发电机组的方法来保证。大型交流电动机一般通过提高电机电压的方法提高功率密度、减少体积，降低电机尺寸过大带来的运输与安装困难。通过购置大直径真空压力浸漆罐的方法解决浸漆困难的问题。电动机的可靠性除了通过提高电机质量，还有采用多台电动机同轴连接的方式，部分电机作为备用动力设备空转运行。

在电机定子分瓣制作方面，国内外有过一些探索，而且申报了一些专利。专利号：200610138198.5，名称是电动机的分瓣定子。此专利主要介绍了一种集中绕组定子拼接方法。电动机定子由在圆筒形定子圆周上划分的多个分瓣结构组成。其优点主要体现在：由于定子各个磁极相互独立，集中绕组可以在定子各瓣拼接之前，直接嵌入磁极两侧的宽口凹槽，避免了传统电机绕组需要从窄小的槽口嵌入的麻烦，显著减小了损坏线圈绝缘的危险，提高了槽满率。专利号：200880014984.1，名称是电动机用分瓣定子及其制造方法。此专利主要介绍了集中式绕组定子拼接结构（大体与上文所述专利类似）以及具体加工制作方法。以上两个专利所述定子分瓣制作方法主要适用于集中绕组少极电机，其主要出发点在于提高定子槽满率，减少绕组嵌放中的绝缘破坏以及提高绕组与定子之间的散热能力。如果极数很多，相邻定子拼接中存在的间隙会对磁路结构产生一定影响，进而影响电机性能。而且对于大量使用的常规分布绕组交流电机，以上两个专利所述方法均不适用。专利号：200720183654.8，名称是一种电机定子的铁芯。此专利主要介绍了一种定子分瓣制作的方法，相邻的分瓣定子通过榫槽连接。其意义主要体现在相邻分瓣定子不用通过焊接的方法连接，降低了加工难度。专利号：200810146730.7，名称是一种模块化电机。此专利主要介绍了适用于集中绕组的发电机模块化制造结构。主要是为了解决发电系统中原动机输出功率变化带来的发电机输出功率不稳定问题。通过调节不同定子模块使得电机整体的组合功率输出与原动机输入功率相适应，从而降低对原动机输出功率稳定性的要求。以上几个专利虽然在加工过程中都对定子进行分瓣处理，侧重点也有所不同，但是最终大多是将其加工为一个整体，而且仅适用于集中式绕组。并没有缓解大型交流电机定子装配运输困难的现状，更无法解决大型交流电机定子可靠性有限的问题。

发明内容

本发明公开一种分体独立式大型交流电机定子模块化制造与应用方法，目的在于提供一种性价比高的适用于大型交流电机的定子制造与装配技术。

本发明的技术方案为：

分体独立式大型交流电机定子制造方法，其特征在于：将电机定子分瓣制作，对每个定子模块分别处理，然后整体组装成完整的定子，具体包括以下步骤：

第一，将每个定子模块的定子冲片进行分别叠压与紧固处理，利用弧形定子压圈进行压紧与固定；

第二，将大跨距线圈和小跨距线圈嵌放入定子槽内，同时做好定子绕组绝缘和绑扎处理，得到独立的定子模块，其中大跨距线圈和小跨距线圈的跨接方向相反；

第三，将制作好的定子模块进行整体浸漆处理与烘干，完成每个模块的制作与封装；

第四，将每个定子模块沿圆周方向依次安装固定在定位基座上，进行整体调试与运行。 

当电机采用整数槽绕组或每极每相槽数最简形式分母为奇数的分数槽绕组时，定子模块数量最多扩展至最大并联支路数的一半，即电机极数与槽数的最大公约数的一半，也可以扩展至最大并联支路数一半的约数个；当采用每极每相槽数最简形式分母为偶数的分数槽绕组时，定子模块数量最多扩展至最大并联支路数，即电机极数与槽数的最大公约数，也可以扩展至最大并联支路数的约数个。

独立的定子模块槽数等于2mq最简形式的分子的整数倍，最小独立定子模块槽数为2mq最简形式的分子。其中m为电机相数，q为电机每极每相槽数。

所述的每个定子模块单元相互独立，不同定子模块所占空间角度可以相同，也可不同，只要保证空间角度为最小独立定子模块空间角度的整数倍，且全部定子模块能够填充圆周方向360度空间即可。

将跨接于相邻两个定子模块的定子绕组线圈的上下层边放在同一模块内，即将本应跨接于下一个定子模块的定子绕组边放置在本模块中电磁性能相同的槽内，而定子绕组端部接线保持不变。针对不同极槽配合的电机定子，优先采用跨距小且数量为3的整数倍的大绕组线圈结构。 

分体独立式大型交流电机定子装配方法，其特征在于：所述装配方法采用外部辐射式拼装结构，不同定子模块之间的定位、各个定子模块与转子的同心定位以及气隙的调整通过定位机座保证，在保证定位机座机械强度的情况下，将定子模块沿圆周方向从外侧依次安放到定位机座的相应位置，通过在定位机座上事先加工的均匀分布在圆周方向的定位孔或定位槽保证定子模块定位精度，并利用拉紧螺杆将定子模块与定位基座进行固定。

定位机座可以整体加工也可以分瓣加工后现场焊接完成。

安装定子模块之前，首先进行定位机座和转子的安装定位，保证定位机座和转子的同轴度。

每个独立的定子模块圆周外侧添加轴向固定筋板。

每个独立的定子模块都是从定位机座外侧进行吊装。

本发明的突出创新点与优势在于将传统整体制作的电机定子分瓣制作，利用大小线圈合理布置的方法实现相邻定子模块电气与机械解耦。每个模块单元可以分别独立控制运行，不同模块只要保证供电电源同步性即可，同时也可以并联运行，这取决于实际工况需要。不同模块之间不存在直接的电联系，而且可以互相替代与更换，这就提高了电机的可靠性。避免了传统电机某相绕组短路或匝间绝缘损毁等造成整台电机都需要返厂维修的缺点。如果电机出现重大故障，只需将损坏的定子模块拆除换上备用模块即可。由于减少了维修成本与时间，采用此方法还可以大大降低电机返厂维修带来的企业停工停产损失，节约了企业运行成本。

本发明所述电机由于采用大小线圈的方法实现了相邻定子模块的机械解耦，不同模块机械独立，因此相邻模块之间的间隙可以适当加大，以此避免定子拼接缝处的振动与噪声。同时也解决了传统大型水轮发电机定子分瓣制作后出现较大振动与噪声的难题。

本发明将大型电机定子化整为零，分别加工制作，在定子浸漆固化阶段，降低了对真空压力浸漆设备的要求，可以利用中小型电机浸漆设备对大型电机定子模块进行浸漆处理，这样可以节省中小企业的设备投资。相对于电机整体来说，每个定子模块单元的外形尺寸大大减少，给产品的运输带来方便。

附图说明：

图1为定子模块整体拼装示意图；

图2为单个定子模块展开示意图；

图3为弧形定子压圈示意图；

图4为一种卧式电机定位机座结构示意图；

图5为另一种卧式电机定位机座结构示意图；

图6为立式电机定位机座结构示意图图；

图7为图4所示卧式电机定子模块的装配示意图；

图8为图6所示立式电机定子模块的装配示意图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行具体说明：

本发明所述技术方案主要适用于采用分布绕组的大型交流电机。

图1为定子模块整体拼装示意图，如图所示，以16极60槽4单元电机为例进行说明。图1中1为冲片叠压而成的定子模块，2为定子模块拉紧螺孔，用于定子冲片的拉紧与模块单元的整体固定，3为相邻定子模块拼接缝，4为下层绕组，5为上层绕组，6为小跨距绕组线圈，7为大跨距绕组线圈。本发明是将电机定子分瓣制作，对每个定子模块分别处理，然后整体组装成完整的定子。具体包括以下步骤：第一，将每个模块单元的定子冲片进行分别叠压与紧固处理，利用弧形定子压圈进行压紧与固定。第二，将大小线圈合理嵌放入定子槽内，同时做好绕组绝缘和绑扎处理。第三，将制作好的定子模块单元进行整体浸漆处理与烘干，完成每个模块的制作与封装。第四，将每个定子模块沿圆周方向依次安装固定在定位基座上，进行整体调试与运行。

定子模块分瓣数量需要综合考虑实际电机的外形尺寸和绕组排布情况确定。对于整数槽绕组和每极每相槽数最简形式分母为奇数的分数槽绕组，电机定子模块数量最多扩展到电机极数与槽数的最大公约数的一半，也可以扩展至最大并联支路数一半的约数个；对于每极每相槽数最简形式分母为偶数的分数槽绕组，电机定子模块数量最多扩展到电机极数与槽数的最大公约数，也可以扩展至最大并联支路数的约数个。鉴于模块拼接缝隙对电机性能的影响，模块数量不宜过多。同一个电机的不同定子模块所占空间角度可以相同，也可不同。只要保证空间角度为最小独立定子模块空间角度的整数倍，且全部定子模块能够填充圆周方向360度空间即可。根据实际工况需要，出于提高不同定子模块通用性，便于更换与维修的角度考虑，每个定子模块可以具有相同的空间角度。每个独立定子模块槽数等于2mq最简形式的分子的整数倍，最小独立定子模块槽数为2mq最简形式的分子。其中m为电机相数，q为电机每极每相槽数。根据实际工况需要，电机模块角度可为最小模块所占空间角度的整数倍。

相邻模块拼接处缝隙宽度应合理选择。一方面，由于电机运行会使定子冲片发热膨胀，如果接缝宽度过小，会导致冲片发热变形量无法释放，进而造成定子铁芯翘曲变形。而且由于实际装配工艺等原因，接缝宽度过小还会使得电机装配后及运行过程中，接封面处受到分布不均且难以预测的挤压力，助长了定子铁芯的变形。接缝宽度过小还会带来电机运行过程中的振动与噪声。另一方面，如果接缝宽度过大，会对电机电磁性能有微量影响。接缝处悬空还会对电机的机械稳定性带来负面影响。因此，应综合考虑实际工况选择相邻模块接缝宽度。

图2为单个定子模块展开示意图，如图所示绕组嵌放方法，这里以16极60槽4单元电机为例进行说明。图2中6为小跨距绕组线圈，跨距为3，数量为12；7为大跨距绕组线圈，跨距为12，数量为3。在一个定子模块中的大跨距线圈7和小跨距线圈6的跨接方向相反。根据电机槽距电角度分布规律，将大跨距线圈相对于小跨距线圈反向放置，这样既实现了对相邻定子模块结合处的电磁补偿，保证了三相绕组内电势对称，又实现了相邻定子模块单元的机械解耦，并保持电机性能基本不变。大小线圈的数量和跨距需要综合考虑电机极数、槽数和性能要求。此法主要利用了电机槽中绕组电势分布每隔一定槽数完成一次循环，而从电磁性能的角度来说，电角度相差2π的槽内绕组作用是等效的。

为了实现相邻定子模块的机械解耦，本发明将跨接于相邻两个定子模块的绕组线圈的上下层边放在同一模块内，即将本应跨接于下一个定子模块的绕组边放置在本模块中电磁性能相同的槽内，而绕组端部接线保持不变。这样就打断了绕组线圈在空间分布上的连续性，使得不同定子模块独立制作与运行成为可能。针对不同极槽配合的电机定子，优先采用跨距小且数量为3的整数倍的大绕组线圈结构。具体如图2中所示，以绕组下层边进行编号。1-12号绕组从左到右依次正常嵌放。13-15号绕组从右向左嵌放，即将传统绕组嵌放方式中本应跨接于下一定子模块的绕组上层边放置在与其电磁性能相同的同一模块槽内。具体来说，即将13号绕组的上层边放在1号槽的上部，14和15号绕组的上层边放在2号和3号槽的上部。电机端部绕组接线保持不变。其他极槽配合的电机绕组放置方法需要通过计算得到。

每个定子模块完成冲片叠压与绕组嵌放之后，需要对绕组端部进行绑扎紧固与绝缘处理。为了提高大线圈的电气与机械可靠性，可以适当提高绝缘防护等级和绑扎强度。并对定子模块整体进行浸漆处理。

为了提高机械稳固性，可以适当增加定子模块拉紧螺杆的数量和直径。弧形定子压圈的厚度和定子模块拉紧螺孔数量也可以相应增加。弧形定子压圈的具体结构如图3所示，其中8为定子模块拉紧螺孔，9为弧形定子压圈。

本发明提出的定子模块可以在定位机座上自由进行安装与拆卸，装配方法采用外部辐射式拼装结构。安装定子模块之前，首先进行定位机座和转子的安装定位，保证二者的同轴度。转子和定位机座一旦安装成功，就不再改动。不同定子模块之间的定位、定子模块与转子同心定位以及气隙的调整通过定位机座保证。定位机座可以整体加工也可以分瓣加工后现场焊接完成。在保证定位机座机械强度的情况下，将定子模块沿圆周方向从外侧依次安放到定位机座的相应位置，通过在定位机座上事先加工的均匀分布在圆周方向的定位孔或定位槽保证定子模块定位精度，并利用拉紧螺杆将定子模块与定位基座进行固定。为了提高定子模块的机械稳定性，可以在定子模块圆周外侧添加轴向固定筋板。

每个定子模块单元相互独立，且与定位机座都是可拆卸的。每个独立的定子模块是从定位机座外侧进行吊装。一方面，每个模块单元可以分别独立控制运行，不同模块只要保证供电电源同步性即可，同时也可以并联运行；另一方面也保证了定位机座和转子可以一次完成定位工作后就不在改动，当某个定子模块出现故障时，只需将其拆下，换装上备用的定子模块。

如图4所示为一种卧式电机定位机座结构示意图，此种结构适用于定子模块拉紧螺杆数量较少的情况。当定子模块拉紧螺杆数量较多时可以考虑采用如图5所示的另一种卧式电机定位机座结构示意图中的方法。定位机座外径圆周均匀分布的定位槽与定子模块上拉紧螺杆紧密配合，只要保证定位槽加工的合理性就可满足定子模块与转子同轴定位和气隙长度的要求。此种卧式电机定子模块的装配示意图如图7所示，通过吊装设备将各个定子模块分别从机座四周移动至机座定位槽，然后利用紧固件对定子模块拉紧螺杆端部与定位槽进行加固处理。对于大型立式电机，如电厂用水轮发电机和立式安装的大型交流电动机，可以采用如图6所示的立式电机定位机座结构，其安装仍然采用外装法，具体装配示意图如图8所示。通过定位机座底盘上的径向定位凹槽将不同定子模块移动至定位机座内部，从而保证了定子模块的圆周方向定位。通过上部定位盘上的定位螺孔保证定子模块的径向定位。由于以上两种定子模块安装方法都是从外部进行吊装，从而降低了安装过程的复杂性和劳动强度。如果某个模块出现故障，只要松动相应端部紧固件，进行拆卸即可。

Claims (10)

1.分体独立式大型交流电机定子制造方法，其特征在于：将电机定子分瓣制作，对每个定子模块分别处理，然后整体组装成完整的定子，具体包括以下步骤：

第一，将每个定子模块的定子冲片进行分别叠压与紧固处理，利用弧形定子压圈进行压紧与固定；

第二，将大跨距线圈和小跨距线圈嵌放入定子槽内，同时做好定子绕组绝缘和绑扎处理，得到独立的定子模块，其中大跨距线圈和小跨距线圈的跨接方向相反；

第三，将制作好的定子模块进行整体浸漆处理与烘干，完成每个模块的制作与封装；

第四，将每个定子模块沿圆周方向依次安装固定在定位基座上，进行整体调试与运行。

2. 根据权利要求1所述分体独立式大型交流电机定子制造方法，其特征在于：当电机采用整数槽绕组或每极每相槽数最简形式分母为奇数的分数槽绕组时，定子模块数量最多扩展至最大并联支路数的一半，即电机极数与槽数的最大公约数的一半，也可以扩展至最大并联支路数一半的约数个；当采用每极每相槽数最简形式分母为偶数的分数槽绕组时，定子模块数量最多扩展至最大并联支路数，即电机极数与槽数的最大公约数，也可以扩展至最大并联支路数的约数个。

3.根据权利要求1所述分体独立式大型交流电机定子制造方法，其特征在于：独立的定子模块槽数等于2mq最简形式的分子的整数倍，最小独立定子模块槽数为2mq最简形式的分子；其中m为电机相数，q为电机每极每相槽数。

4.根据权利要求1所述分体独立式大型交流电机定子制造方法，其特征在于：所述的每个定子模块单元相互独立，不同定子模块所占空间角度可以相同，也可不同，只要保证空间角度为最小独立定子模块空间角度的整数倍，且全部定子模块能够填充圆周方向360度空间即可。

5.根据权利要求1所述分体独立式大型交流电机定子制造方法，其特征在于：将跨接于相邻两个定子模块的定子绕组线圈的上下层边放在同一模块内，即将本应跨接于下一个定子模块的定子绕组边放置在本模块中电磁性能相同的槽内，而定子绕组端部接线保持不变；针对不同极槽配合的电机定子，优先采用跨距小且数量为3的整数倍的大绕组线圈结构。

6.如权利要求1所述分体独立式大型交流电机定子装配方法，其特征在于：所述装配方法采用外部辐射式拼装结构，不同定子模块之间的定位、各个定子模块与转子的同心定位以及气隙的调整通过定位机座保证，在保证定位机座机械强度的情况下，将定子模块沿圆周方向从外侧依次安放到定位机座的相应位置，通过在定位机座上事先加工的均匀分布在圆周方向的定位孔或定位槽保证定子模块定位精度，并利用拉紧螺杆将定子模块与定位基座进行固定。

7.根据权利要求6所述分体独立式大型交流电机定子装配方法，其特征在于：定位机座可以整体加工也可以分瓣加工后现场焊接完成。

8.根据权利要求6所述分体独立式大型交流电机定子装配方法，其特征在于：安装定子模块之前，首先进行定位机座和转子的安装定位，保证定位机座和转子的同轴度。

9.根据权利要求6所述分体独立式大型交流电机定子装配方法，其特征在于：每个独立的定子模块圆周外侧添加轴向固定筋板。

10.根据权利要求6所述分体独立式大型交流电机定子装配方法，其特征在于：每个独立的定子模块都是从定位机座外侧进行吊装。

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