电机和发电机主绝缘设计要点

对地绝缘（在北美以外的地区也被称为主绝缘）是分隔铜导体与接地定子铁心的部件。主绝缘故障通常触发接地故障继电器动作，引起电动机或发电机跳机^[2]。因而，定子主绝缘对电动机和发电机正常运行来说是至关重要的。为了延长运行寿命，主绝缘必须能达到所承受的电气、热和机械应力的严苛要求。

电气设计 成型绕组多匝线圈和罗贝尔线棒的主绝缘处于绕组各相出线端时，会承受全部的相对地电压。例如，额定线电压为13.8kV的定子，在铜导体和定子铁心之间最大会有8kV的电压（13.8kV/3）。如此之高的电压要求主绝缘具有一定的厚度。不过，这么高的电压仅出现在与绕组各相出线端相连接的线棒或线圈中。在正常运行时，（星形绕组中）与中性点相连接的线棒或线圈的主绝缘上实际没有电压。现实中所有的电机在设计上都不考虑这种相头和相尾间电压的差别，不论相出线端还是中性点端的线圈都具有相同的绝缘厚度。如果线圈按照承受的电压设计成具有不同的主绝缘厚度，那么中性点端的线棒或线圈宽度较小，对应的定子铁心槽将会变窄。所有的定子铁心槽将会有各自不同的尺寸，当需要将中性点端的线棒不得不放入同一铁心槽的相出线端线棒的顶部时，就会出现困难。而使所有的铁心槽具有相同的尺寸，电机制造起来就更简单和容易一些。这种设计方法的另一个好处是，既然所有的线棒和线圈都有相同的主绝缘厚度，那么通过改变接线调换出线端和中性点端，可能会延长定子绕组的寿命。也就是说，以前位于中性点端的线圈将承受高电压，反之以前承受高电压的线圈将位于中性点。对于纯粹的电气机理的故障来说，如第8.5、8.6和8.14节所讲到的故障现象，这种维修措施会是十分有益的。主绝缘电气设计的其他要点将在第1.4.4节中讨论。

热设计 在间接冷却的成型绕组电机中，主绝缘是将热量从铜导体（热源）传导到定子铁心（冷源）的主要路径。因而，主绝缘应具有尽可能小的热阻，防止铜导体内产生高温。为了获取较低的热阻，要求主绝缘的材料具有尽可能高的传热系数，同时应避免主绝缘中产生空隙。这种空气间隙可阻止热量的传导，就如同双层中空玻璃的空气夹层会抑制热量通过窗户传导的情形一样。因此，主绝缘必须能够在铜导体达到的高温下运行，还必须能以一种使内部气泡最小化的方式生产出来。近年来，人们做了一些研究工作，开发了相对于过去具有更高导热系数的材料^[18，19]。

机械设计 铜导体上承受的磁场力比较大。这些磁场力主要源于同一槽内上层和下层线圈或线棒中电流产生的两个磁场。这两个磁场互相作用，使单个铜导体或整个线圈或线棒在铁心槽内（主要是）上下振动。作用于上层线圈上的作用力F，对于60Hz的电流来说，频率为120Hz，力的方向为径向，对于1m长的线圈，可用下式^[20]表示为

式中，I表示罗贝尔线棒中流过电流的有效值，或者为线圈电流有效值I₀与线圈匝数n的乘积，即I=nI₀；d表示定子铁心槽的宽度，m；系数c等于0.96。作用于铁心槽内每米长度的线圈或线棒的作用力F单位为kN。当槽中的两个线圈或线棒属于同一相时，此电磁作用力最大。设定子线棒电流为(www.xing528.com)

I=Asinωt

式中，ω为2πf；f为50Hz或60Hz工频频率；t为时间。那么式（1.3）变成

因而，对于同一相的两根线棒/线圈来说，铁心槽底承受一个径向合成作用力。这是个“直流”的力，即方向不改变（指向槽底）而大小呈周期性振荡，其振荡周期为两倍的工频频率，也即是100Hz，或120Hz。槽内线棒或线圈的上部还存在一个周向的100Hz或120Hz的作用力，是由转子磁场作用于定子线圈或线棒中的电流产生的。这个周向作用力的大小仅约为径向作用力的10%^[20]。

主绝缘的构造必须能有助于防止铜导体由磁场力引起的振动。如果主绝缘充满气泡，铜导体就可能会任意振动。这就会导致导体不断撞击到剩余的主绝缘上，同时使得铜股线和匝线彼此互相振动摩擦，从而产生绝缘磨损。如果线圈表面和导体之间存在不可压缩的绝缘材料，导体就不会产生位移。