线圈端部机械支撑的优化设计方案

线圈端部（有时也被称作端匝、端臂和悬臂）的主要作用是让具有一定间隔的两个不同槽的线棒（或是不同槽内的线圈脚）连接在一起。而且，线圈端部区域有利于根据需要在相关联的线圈/线棒之间进行安全的串联或并联的电气连接。如上所述，对于额定电压为1000V及以上的电机，这些电气连接必须与接地的铁心离开充分的距离，以防止在绝缘的电气连接部位存在最终导致绝缘失效的问题。一般来说，额定电压越高，在铁心和电气连接部位之间的“爬电距离”就会越长。由于几何尺寸上的原因，高速电机往往具有较长的线圈端部。在大型两极发电机中，线圈端部能伸出铁心多达2m。

这些线圈端部必须加以固定，防止发生位移。如果不固定，线圈端部就会发生振动，这是因为流过每一个线圈或线棒的电流所产生的磁场，与相邻线圈或线棒电流所产生的磁场相互之间发生作用所致。由此导致的振动力矢量十分复杂^{[32，37，38]}。不过，产生的径向和周向（还可以称为切向）的振动力频率是工频的两倍（见图1.17）。因为大型电机的线圈端部实际上是由定子铁心支撑的悬臂梁结构，转子每一圈旋转所导致的机械力可能都会通过轴承传递到机座，然后耦合到定子铁心上，最终传递到定子线圈端部上^[38]。线圈端部的这些振动力能导致位于铁心端部或在电气连接部位的绝缘产生疲劳开裂，有时甚至能导致这些部位的导体也发生疲劳断裂。此外，如果线圈或线棒相互之间可以自由振动，则这种相对的运动也能导致线圈端部的绝缘磨损（微振磨损）。如果电机在运行中遭受到较多的电网干扰，或者电动机需要承担频繁起动的运行工况，由于较大的冲击电流会产生更大的暂态力，因此线圈端部的固定支撑必须采取相应的措施以适应这种冲击。例如，发电机内部相间短路故障能使电流增大10倍，导致电磁力比正常状态下的力增大100倍^[32，38]。电动机起动导致的起动电流是正常电流的5～6倍，从而导致电磁力增大25～36倍。

图1.17 磁感应机械力示意图

a）端部线圈上下层线圈之间 b）相邻线圈之间

为抵御上述的带有振动性质的旋转磁场力，线圈端部有多种可用的固定支撑方式。在散嵌绕组电机中，线圈端部绕组基本上恰好紧贴着铁心，端部伸出较短，且电流较小，对绕组进行普通“黏合剂”的浸渍，再通过线圈端部绝缘带或绑绳的适度绑扎（见图1.6），通常就足可以固定线圈端部了。(www.xing528.com)

对于成型绕组电机来说，它们毫无例外地需要专起紧固作用的端部支撑结构，几乎所有的成型定子线圈端部都有一道或多道某种类型的“支撑环”或“绑环”（见图1.7）。这些环可以由钢材制成，不过，更常用的替代物是用聚酯或环氧的玻璃布层压板，或是玻璃纤维绳（这种玻璃纤维经环氧浸渍但处于未完全固化的B阶段，或是干燥的玻璃纤维随后进行电机整体真空浸漆处理）。这种支撑环或是放置在线圈端部渐开线的内侧（也就是比线圈或线棒更靠近转子），或是放置在线圈或线棒的径向外侧。每一个线圈或线棒都被绑扎在支撑环上。预期会频繁起停的大型电机可能具有不止一个支撑环，而大型的发电机线圈端部通常既有内撑环又有外撑环。支撑环意在防止线圈或线棒在径向的移动。长度为几个厘米的绝缘块被放置在相邻线圈之间，提供周向支撑。每个端部绕组都可能有一排或多排这种绝缘块（见图1.7a）。

在线圈端部，抵抗径向磁场力的支撑主要依靠放置在下层线圈或线棒（也就是离转子最远的线圈或线棒）和上层线圈或线棒之间的绝缘支撑块。支撑环箍紧强度也有助于保障线圈或线棒不会在径向移动。

大多数线圈端部支撑块的材料，同任何可能用于将线圈或线棒彼此互相绑扎及将其绑扎在绑环上的绑绳一样，都是由绝缘材料制作的，并且施加到位后还要与其他相关的部件黏接在一起。对于整体浸漆的定子来说，在第3.10.4节中描述的整体VPI工艺处理过的线圈端部几乎不会产生相对位移。

另外一种线圈端部设计的考虑，是槽内和绕组端部的线圈在较高运行温度下的膨胀问题，尤其是大型2极或4极发电机这种现象更为明显。当定子从空负荷达到满负荷时，铜导体发热，根据热膨胀系数，线棒在长度上伸展。线圈端部的支撑系统必须能够补偿这种导体的热伸缩作用，否则支撑系统甚至线棒可能会发生变形。解决线圈端部热伸缩问题需要一些堪比艺术的技巧，参见本章参考文献[38，39]，可得到更多有关解决大型汽轮发电机线棒轴向膨胀的方法。