转子绕组绝缘结构部件设计介绍

不但在凸极式或整圆转子类型的同步电动机和发电机中，而且在绕线转子异步电动机和发电机（后者广泛用于风力机）中，都存在电气绝缘。同步电机转子绕组具有匝间和槽内主绝缘（或对地绝缘）。不像定子绕组那样要承受较高的交流电压，同步发电机和电动机的转子绕组承受着相对较低的直流电压。即使在非常大型的汽轮发电机中，转子电压通常也低于600V_dc。这么低的电压意味着匝间绝缘和主绝缘可以相对较薄。因为是直流电压，而在直流电压下不会发生趋肤效应，无须使用股绝缘^[6]。如果直流电压由静态励磁系统提供，即直流电压是通过控制晶闸管产生的，则会生成一些较高的尖状脉冲电压叠加到直流电压上。这是可能引起局部放电的额外应力^[40]。除了稳态直流电压之外，当电力系统发生扰动事件，如出现相对地故障，或者转子静止状态下发电机通电起动等，将有高达5倍运行电压的瞬态电压偶尔会施加到转子绕组上^[41]。

转子绝缘上还存在包括温度和离心力引起的应力。与定子绕组中流过电流的情形一样，转子绕组铜导体中流过的是直流电流，一样会产生很大的I²R损耗，导致铜导体发热。因此，相邻匝的绝缘和主绝缘都必须要能承受这些高温。

转子上主要的机械作用力不是来自磁场相互作用（尽管它们也会产生某种程度的作用），而是来自旋转离心力。离心力是巨大的且是单向的（沿径向指向外缘）。铜导体的重量具有压缩和（或）扭曲相关各部位绝缘的作用。因而，转子绕组的绝缘必须具有非常高的抗压强度，并且应被固定以防止扭曲变形。无论是电机起动还是停止过程中，会产生一种附加的机械（更确切地说是热机械）应力。当在转子绕组上施加励磁时，流过转子导体的电流导致铜导体温度升高，铜导体将会根据其热膨胀系数沿轴向膨胀。这种膨胀将会导致不同绕组部件之间产生位移差，并由此导致绝缘和铜导体磨损。因此，转子绝缘部件应具有较好的耐磨性。这通常是通过在槽绝缘表面使用滑移涂料来实现。

在同步电机转子中，绕组电位相对于转子本体是悬浮的，也就是说，直流电源的正负极都不与转子本体（假设为地电位）相连接。因而，转子绕组上单个的接地故障不会对转子产生严重的损害。然而，如果与第一个故障间隔了一段距离又发生第二个接地故障时，在转子本体内就会形成一个很大的闭合回路，使得转子直流电流能够沿其流动。在转子本体内由于两个接地点间产生的环路电流可能非常大，会导致故障点局部过热，甚至有可能使转子本体局部熔化，因此必须不惜任何代价避免产生第二个接地故障点。大多数同步电机转子装备有一个接地故障报警器，当发生了第一个接地故障时对运行人员发出警告，可以选择在第一个接地故障发生时，就将电机退出运行。然而，因为转子绕组通常（不是总是）能够在单个接地故障下运行，愿意承受转子损坏风险的电机业主可以安装一个两点接地故障保护继电器，就能只在发生了第二个接地故障点时才退出运行^[42]。

同步电机转子的匝间绝缘故障相对于定子绕组的类似匝间故障重要程度要轻得多。由于转子中仅有直流流过，所以不存在第1.4.2节中所讨论的“自耦变压器效应”（该效应将会在定子短路匝中感应出巨大的电流）。转子绕组匝间短路的主要效应在于减小该转子磁极的磁场强度。这在转子周围产生了不对称的磁场，常常增大转子振动。相对于含有短路匝的线圈来说，没有匝间短路故障的线圈会流过更多的线圈总电流，因而有着更高的局部温度，由此造成转子表面发热不均匀而引起转子振动加大。因为不均衡的发热可使得转子本体沿着转子外缘的热膨胀不均衡，以致转子弯曲成弓形，这势必增大转子的振动（见第16.9节）。此外，如果短路匝太多，为达到要求的输出功率，需要更大的励磁电流才能产生足够的磁场。尽管转子匝间短路本身对电机可能是没有危险的，但随着时间推移，若发生短路的匝数量不断增加，则意味着发生转子接地故障的风险更大了。(www.xing528.com)

绕线异步电动机转子与同步电机转子有大体相同的热和机械运行环境。然而，绕线电动机转子不是流过持续的直流电流，而是在电机起动时流过一个冲击电流，初始频率为50Hz或60Hz。接下来，当转子速度逐渐上升到额定转速时，转子电流和频率都随之逐渐减小。因此，从发热和电压两个角度考虑，对于转子绕组来说，至为重要的运行时间是起动过程的一小段时间。因为绕组的开路感应电压通常小于1000V，因此绝缘可以很薄。与同步电机的转子一样，若发生单个接地故障和多重匝间短路故障，都没有必要使电动机停运。

绕线转子异步发电机广泛应用于风力机组中。这种类型电机的转子通常通过逆变器供电，其基波频率被设置成与变化的转子速度相适应，以提供稳定的50Hz或60Hz的定子绕组输出电流，以便与电网直接相连（见图1.4）。在风力机应用中，在可能的超速状态下，转子绕组也可以提供有功功率。这种绕线转子发电机被称为双馈异步发电机（DFIG）。给绕线转子供电的逆变器通常是PWM电压源类型的，因而会在转子匝间或对地绝缘上产生较大的脉冲电压。如第8.10节所示，这些由电压脉冲引起的局部放电能导致匝间或对地绝缘故障的发生^[43]。

下面将针对每种类型的转子，讨论其一般物理结构和特殊绝缘结构要求的某些主要特征。