基本介紹
- 中文名：定子鐵芯
- 外文名：Stator Core
- 基本要求：導磁性能好，損耗低
- 構成：由沖片及各種緊固件壓緊構成
- 鐵心損耗：磁滯損耗和渦流損耗
- 組成零件：扇形片、通風槽片、定位筋等
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基本介紹
定子鐵心是定子的重要部件，也是電機磁路的主要組成部分。它是由扇形片、通風槽片、定位筋、上下齒壓板、拉緊螺栓及托板等零件組成。定子鐵心是用矽鋼片沖成扇形片疊裝於定位筋上，定位筋通過托板焊於機座環板上，並通過上、下齒壓板用拉緊螺栓將鐵心壓緊成整體而成(見圖6-12)。鐵心也是安放繞組的部分，發電機運行時，鐵心將受到機械力、熱應力及電磁力的綜合作用。
6-12
6-12基本結構
鐵心沖片
1.鐵心沖片材料
水輪發電機鐵心沖片材料，通常採用矽鋼片。矽鋼片是一種含碳量很低的薄型鋼板。為了得到可行的低磁滯損耗．在特殊控制條件下進行生產。一般純鐵不適用於交變磁場中，主要因為其電阻率小，會引起大的渦流損耗。加入矽元素後，由於矽與鐵形成固溶體型合金，因而提高了電阻率。矽鋼片就是利用電阻率增加，減少由於厚度方向引起的渦流損耗。渦流損耗是與矽鋼片的厚度成比例的，通常鐵心用的矽鋼片厚度為0.35～0.5mm。
在電機中套用的矽鋼片分冷軋和熱軋兩種。冷軋的矽鋼片又分為有取向和無取向兩種。有取向矽鋼片即是各向異性，當磁通方向與軋制方向平行時，其單位損耗特別低，因此是變壓器鐵心的一種理想材料，但在發電機內套用時。其範圍極其有限。無取向矽鋼片即是各向同性，用與各向異性矽鋼片類似的方法軋制而成，在軋制質量、電氣性能等方面與有取向的矽鋼片相比較，具有優越性。因此，在大型水輪發電機的定子鐵心沖片上採用各向同性的冷軋矽鋼片，已成為普遍的做法。有關發電機使用的矽鋼片牌號及性能可參考有關規範或標準。
2.扇形沖片
設計扇形沖片時．每張沖片上的槽數必須為整數，並使片間接縫處不在齒上。為避免相鄰扇形沖片邊緣搭疊，接縫處應留有0.2～0.25mm的間隙。另外，為防止接縫處槽底錯牙損傷繞組絕緣，應將接縫處的槽底直角處沖成30°倒角2mm，見圖3.3-20。
為了裝壓扇形沖片，在沖片上開有鴿尾槽或平行四邊形槽。
考慮到疊片方便，扇形片鴿尾槽應比鴿尾筋尺寸大1～1.5mm。通常每張扇形片上開有兩個鴿尾槽，即每張沖片上有兩根鴿尾筋。但有一些電機因選擇槽數的原因，也用一個半槽，即每張沖片上只能布置一根半鴿尾筋。設計時，兩根鴿尾筋之間的距離控制在350～450mm，如果尺寸太小，在結構布置上會造成一定的困難。大型水輪發電機也有採用每張扇形片上開有三個鴿尾槽，如三峽水電站發電機沖片弦長1069.9mm，每張扇形片上布置三個鴿尾槽。
設計扇形沖片時，首先要考慮其疊裝條件，同時必須合理地選擇扇形沖片的數目和尺寸以及每片的槽數。每張扇形沖片可選的槽數為6、7、8、9、10、11、12、13。但一般情況下，都選用9、10、11、12等槽數。定子裝壓時．為了避免扇形沖片的接縫不集中在一處，造成不必要的附加氣隙而影響電磁性能，在疊裝沖片時需要交錯疊裝。為了方便疊裝，通常採用1/2交錯疊裝，但並不十分適合。這樣交錯疊裝，由於接縫面的原因使定子軛截面減少了一半，所以在可能的情況下，採用1/3、1/4和1/5的交錯疊裝方法為宜。
從產生軸電流的角度來看，扇形沖片上、下層之間的交錯疊裝的數值影響較大，設計時必須加以考慮。扇形沖片疊裝時，接縫面的數目(N)將直接影響軸電流的產生。當t0為2p和N的最大公約數時，最適合的情況是
為奇數， 為偶數時就不利。式中：t0為2p與N的最大公約數。
3.扇形沖片絕緣
由於沖頭和沖模之間必須有間隙，在沖剪時模具的刃口處產生剪下和彎曲，因此沖片的一邊總是有毛刺，即使在新模具開始使用時也存在，有時沖片的毛刺最大可達0.08mm左右。扇形沖片在除去毛刺後即進行絕緣，即將扇形沖片在塗漆機上塗上一層矽鋼片漆，常用牌號有1611號漆，屬於A級。F級牌號為133號漆，漆膜厚度在0.015～0.02mm範圍內。扇形沖片的絕緣用來限制鐵心中的軸向/徑向渦流。
通風槽片
大、中型水輪發電機大都採用徑向通風系統。因此，在定子鐵心段必須設計有一定數量的由通風槽片構成的通風溝。通風槽片由扇形沖片、通風槽鋼及襯口環組成，見圖3.3-21。通風槽片用的扇形沖片材料一般為0.65mm厚的酸洗鋼板。酸洗鋼板表面要求平整、光滑、不得有氧化皮或其他污跡。通風槽片在點焊通風槽鋼時，齒部易產生變形致使碰上定子繞組。因此，通風槽片的槽型需要擴孔，以避免損傷繞組。一般槽型擴孔在直徑方向增加2mm，槽寬方向也增加2mm左右。通風槽片在齒部槽楔部分的尺寸，通常依據比例圖來選取，倒角也為60°，選取尺寸的原則是通風槽片在槽口部分不碰槽楔。
通風槽鋼是形成定子通風溝的主要零件。採用的通風槽鋼高度規格有4mm、6mm、8mm和10mm四種，材料有普通Q235鋼和非磁性鋼兩種。通風槽鋼表面要求光滑，沒有縱向擦傷、裂縫、毛刺和其他外部缺陷；鋼條必須平直，無論是側面或水平面都不允許有波浪形彎曲；鋼條上不允許有氧化膜妨礙點焊；每米長度內鋼條繞縱軸扭轉角度不允許大於5°。
過去中、小型水輪發電機通風槽鋼常用的材料為低碳鋼。近年來，在大、中型水輪發電機中，特別是內冷發電機，電磁負荷值越來越高，端部漏磁通和電樞電流在繞組邊中產生的漏磁通，使通風槽鋼中存在著相當大的漏磁通。尤其是當齒部的磁通密度很高(B0>1.5T)時．在沖片齒部的通風槽鋼對磁通形成相當大的分支路，造成通風槽鋼內損耗增加和發熱。採用非磁性的合金鋼作為通風槽鋼，對減少損耗將起到很大的作用。所以，一些電磁負荷較高的水輪發電機，都採用非磁性的合金鋼作為通風槽鋼。為了降低成本，非磁性通風槽鋼可只用於齒部。因為鐵心軛部的漏磁通是很小的，可以採用普通的通風槽鋼。
通風槽鋼和襯口環現都採用點焊的方法固定於扇形沖片上，點焊間距一般在50～60mm為宜。為了減小風阻，靠近齒部通風槽鋼應彎成內徑為R14的圓弧。注意焊通風槽鋼時的槽鋼彎頭不能伸出沖片，以免損傷繞組。襯口環位於扇形沖片的鴿尾槽處，點焊3點。襯口環的形狀，見圖3.3-21。點焊通風槽鋼和襯口環後，在通風槽鋼表面噴鐵紅醇酸底漆和淺灰色硝基內用磁漆各一層，或按工廠的專門規範噴漆。
基本要求
1)導磁性能好，損耗低。通常大型電機的鐵心應做鐵損耗試驗，由試驗測得比損耗值應不大於所用矽鋼片在頻率為50Hz、磁通密度為1T時，每公斤矽鋼片標準損耗的1.3倍。鐵心的溫度穩定後，其最高溫升應低於25K，不同部位的溫差值應低於15K。如果溫升偏大，則可能存在局部短路。
2)剛度好，振動小。對裝壓緊固的鐵心，應使沖片之間保持一定壓力，通常大型電機為1.5～2.0MPa，小型電機為0.7～1.0MPa。
3)在結構布置上有良好的通風冷卻效果。在採用徑向通風的大中型電機中，為了使冷卻氣體能吹拂鐵心的中間部分，使鐵心獲得良好的冷卻效果，鐵心沿軸向分成很多疊片段。每段長30～60mm，段間裝有6～10mm寬的通風槽片形成徑向通風溝。
4)疊壓後鐵心內徑和槽形尺寸應滿足設計精度要求。尤其是微特電機，除要求鐵心緊固，防止沖片片間短路外，還應保證槽分度精度達到角分級水平，否則將嚴重影響電機的精度指標。
此外，對大型汽輪發電機和大型水輪發電機的鐵心還有一些特殊要求。例如，大型汽輪發電機鐵心兩端通常設有若干階梯式疊片段，有的還在階梯段沖片的齒中間開有狹長槽，以降低由端部漏磁的軸向分量產生的附加損耗。大型水輪發電機要保證分瓣鐵心的合縫間隙，否則將導致電機運行時鐵心振動。
製造工藝因素
電機在電磁、機械上的性能、質量與定子鐵心有很大關係，在設計、加工中應考慮以下幾個方面的因素。
1)鐵心軛部不可過窄。否則，鐵心容易變形。
2)鐵心上開的溝、槽，要儘量保證磁路均勻。
3)沖片毛刺應符合圖樣的要求。疊裝後，定子槽形的寬度只能比沖片的寬度尺寸小0.1～0.2mm。
4)沖片的絕緣處理。
現國內電機行業對沖片的絕緣處理有3種：
①塗絕緣漆，鐵心疊裝時裝壓係數為0.92；
②氧化處理，裝壓係數為0.95；
③靠矽鋼片自身帶的絕緣漆膜，裝壓係數為0.97。
以上3種以氧化最佳，沖片在絕緣處理形成氧化膜的同時，因處理時沖片要加熱至500℃左右，這可以消除一部分毛刺，同時也消除了一部分沖制過程中殘留的內應力，對降低鐵損毛、提高功率因數均有益。
靠矽鋼片自帶的絕緣膜形成的片間絕緣，最好能將沖片在刃口處進行酸洗，若毛刺偏大，先除掉毛刺，這同樣有益於降低鐵損耗，提高功率因數。
5)鐵心疊裝後，緊固要牢，至少要保證搬運中不產生變形。
6)疊裝好的定子鐵心，內外徑均不宜進行金工加工。若要提高熱傳導效果，壓入機座時，可將鐵心外緣塗上二硫化鉬粉劑，同樣提高熱傳導的效果，還不致使鐵耗增加。
7)鐵心裝入前，最好將機座加熱至150～200℃，機座與沖片間間隙可設定在0～0.05mm的範圍內，這對提高定子鐵心與機座成一體後的剛度最有效。對於提高電機同軸度；提高靠熱傳導散熱的電機的散熱效果均同樣有益。
8)校核與機座一體後的“定子”的固有振動頻率，以避開產生共振的頻率範圍。
