槽部机械支撑的设计和应用

如式（1.3）和本章参考文献[2]及[20]所示，电动机或发电机正常运行时，线圈和线棒将承受很大的磁场感应力。这些磁场力的频率为线路交流频率的两倍。而且，在靠近电机出线端发生相间故障时，暂态故障电流能达到额定电流的10倍^[32]，而由式（1.3）中的I²项可知，此时的磁场力将为正常运行时的100倍。因此，电机的线圈必须固定良好，以约束这些稳态和暂态机械力造成的位移。如果线圈松动，无论发生在槽部还是线圈端部，线圈之间以及导体之间的任何相对位移都会导致绝缘磨损或疲劳开裂。显而易见，这两种情况都不利于正常运行，因为它们都会导致短路事故的发生。

对于定子槽部区域内的线圈或线棒，有几种实用的固定方法，并且实际上往往是多种方法同时施用。参见图1.8所示的槽内横截面图，基本上无论散嵌还是成型绕组，槽内都要用尽可能多的导体和绝缘来填塞满。然后，槽顶用不导电的并且通常还是非磁性的槽楔封锁住。尽可能塞满槽部，就降低了匝线或线棒变松的可能性。槽楔是保持线圈/线棒在槽内的必要部件，通常由绝缘材料制成（现今一般用环氧玻璃布层压板，采用NEMA G10或G11材料），对限制线棒运动能起到关键作用。槽楔一般长为10～20cm，而不是制成与槽等长的单一条材，这样做易于安装。最初，槽楔仅是简单的“平直板条”设计，通过卡在定子槽内两侧开出的鸠尾槽进行固定（见图1.8）。槽内还要插入一些绝缘填塞板条材料（如毡条、层间垫条、底部槽衬或侧部槽衬），分别放置在槽楔下和槽的相应侧面，使其充满槽内剩余的空间。在额定电压高于6kV的电机中，这些填塞材料通常含有炭黑成分，以使其具有半导体特性，这样就保证了线圈或线棒表面的半导体涂层能经由填塞材料与铁心可靠接地，防止发生槽放电。

对于大型电机，在本节中指额定功率为20MW以上的电机，很多制造商使用比较复杂的由两部分组合的对头槽楔（见图1.8b和图1.15）。这种两元件组合的对头槽楔具有锥形滑动面，将其推入主槽楔和线圈或线棒之间以后，可在径向起到轻微的弹簧作用，即使槽内物体随着时间的推移略有收缩，也能保持槽楔对线圈的压力。

大型电机还可能使用“波纹弹簧板”，作为替代两元件组合槽楔的选择方案（或者有时作为一种槽部固定的附加措施）。波纹弹簧板是一种层压材料，有时填充炭黑材料，使之在一定程度上具有导电性（见图1.16）。波纹弹簧板的波纹通常在安装时被压平。随着时间的推移，槽内物体发生轻微收缩或蠕变时，波纹弹簧板就会扩展，占据新的空隙，使线圈或线棒继续处于紧固状态。槽楔下的波纹弹簧板通常是不导电的，而侧面的波纹弹簧板（在线圈侧面与铁心之间）必须具有半导体的特性。

图1.15 对头锥形槽楔的侧视照片，将此带锥角的滑块推入槽楔下以增加线圈上的径向压力(www.xing528.com)

图1.16 照片：不导电的波纹弹簧板材料上面放的是半导体波纹弹簧板材料（来源：Von Roll）

人们还开发了在大型电机中固定槽内线圈和线棒的其他技术。在线圈和线棒制造过程中，在槽部半导体涂层的外表面，再黏接一种适形的半导体硅橡胶复合物^[33]；因为硅橡胶具有适形性，线圈可以制造成与铁心槽成零公差配合的尺寸，并能通过液压千斤顶逐渐推入到槽内。如果槽内物体随着时间的推移发生微缩，硅橡胶就会延伸塞满新的空隙。至少还有一部分硅橡胶必须掺杂炭黑，以保证半导体涂层能可靠地接地。还有的设计使用放置在槽内的掺有炭黑的U形空心管。在打槽楔之后（也可能是在通过某种热循环压紧槽内物体之后），在压力作用下使空心管内充满一种绝缘材料（通常是硅橡胶），从而填满任何剩余的空隙。

另一种保证线圈或线棒不会变松的方法是将线圈或线棒黏在铁心槽内。对于电动机定子来说，这是很常见的。甚至有几个制造商在额定容量最高达300MV·A的高速发电机定子上使用这种方法^[34，35]。对于成型绕组电机（现在甚至包括某些重要的散嵌定子和转子绕组），采用一种叫作整体真空压力浸漆（GVPI）的工艺。它使用环氧或聚酯材料作为黏合剂，其具体细节将在第3章和第4章讨论。黏合的结果是线圈或线棒不会在槽内移动。

尽管槽楔通常由绝缘材料制成（通常为环氧玻璃布层压板），但是在某些应用中，设计者使用磁性槽楔，以在定、转子之间获得更好的磁场耦合。磁性槽楔可以提高发电机和电动机的效率，即在其他条件都相同的情况下，相同额定容量的使用磁性槽楔的电机将具有较小的定子尺寸，或者同样大小的定子尺寸会带来较高的额定容量。磁性槽楔由铁粉或铁氧体粉末混合到诸如环氧树脂之类的有机材料中制成。这种槽楔或者被预制好，然后滑入铁心槽中的鸩尾槽中；或者通过将一种触变性腻子（磁性材料制成）模压到定子槽内，然后固化。在后面一种情况中，还需要用到传统的非磁性槽楔，以在物理上保护槽内的线圈^[36]。如第8.4和8.11节中讨论的那样，相对于绝缘槽楔，磁性槽楔本身鲁棒性就差得多，其分解物会使绕组变脏，或是加速绕组松动。