定子、发电机、风力发电机组以及灌封方法

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，尤其涉及一种定子、发电机、风力发电机组以及灌封方法。

背景技术

风力发电机组（也可简称为风机或风电机组）上一般使用额定电压达到10kV的发电机，可以考虑将风力发电机的额定电压提升到35kV，即使发电机发电后直接并入风电场的变电站（35kV变110kV/220KV）中，如此，可以节约变压器（该变压器容量与风机容量相当，价格昂贵，价格一般超过一百万），并且，还可以节省掉发电机到该变压器之间的低/中压大电流电缆，进一步节约成本和空间。

由于高压发电机的定子线圈的端部与空气接触，线圈端部的导体部分电位较高，存在着形变引起的电场畸变，电场强度较高，现有高压发电机（10KV-27KV）的线圈端部的防晕结构一般是用低阻带与高阻带进行过渡，但是，对于较高压发电机（例如，27kV-35kV），现有线圈端部的防晕设计已经无法满足防晕需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种定子、发电机、风力发电机组以及灌封方法，能够满足较高电压等级下线圈端部的防晕需求。

第一方面，本发明实施例提供一种定子，该定子包括：铁芯，铁芯在自身周向上间隔分布有多个安装槽；绕组，设置于铁芯，绕组包括多个线圈，每个安装槽内设置有线圈，线圈具有在铁芯的轴向的两侧凸出铁芯设置的端部，端部上设置有第一防晕段以及与第一防晕段交叠设置的第二防晕段，第一防晕段沿轴向伸入安装槽内，第一防晕段的电阻率低于第二防晕段的电阻率；灌封层，各线圈的端部分别设置有灌封层，灌封层包覆第一防晕段与第二防晕段的交叠区。

在第一方面的一种可能的实施方式中，灌封层与安装槽的出口之间留有间隙。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第一防晕段包括低阻带和/或低阻半导体防晕材料层，第二防晕段包括高阻带和/或高阻半导体防晕材料层。

在第一方面的一种可能的实施方式中，灌封层包覆各线圈的端部在轴向上自交叠区向背离铁芯方向延伸的所有区域。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第二防晕段的长度大于80mm。

在第一方面的一种可能的实施方式中，第二防晕段包括依次交叠设置的多个子高阻防晕段，多个子高阻防晕段的电阻率在沿背离铁芯的方向上依次升高。

在第一方面的一种可能的实施方式中，各线圈的其中一个端部设置有导体连接线，灌封层包覆导体连接线。

在第一方面的一种可能的实施方式中，灌封层包括：环氧树脂、有机硅树脂或者聚氨酯。

第二方面，本发明实施例提供一种发电机，该发电机包括如上文所述的定子。

第三方面，本发明实施例提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括上文所述的发电机。

第四方面，本发明实施例提供一种灌封方法，用于形成上文所述的定子，该灌封方法包括：提供定子本体，定子本体包括铁芯以及绕组，铁芯在自身周向上间隔分布有多个安装槽，绕组包括多个线圈，每个安装槽内设置有线圈，线圈具有在铁芯的轴向的两侧凸出铁芯设置的端部，端部上设置有第一防晕段以及与第一防晕段交叠设置的第二防晕段，第一防晕段的电阻率低于第二防晕段的电阻率；分别对定子本体的两侧端部执行灌封流程；

灌封流程包括：置位步骤，将定子本体的其中一个端部插接于环形工装槽，并使得位于第一防晕段和第二防晕段的交叠区位于环形工装槽；灌注步骤，向环形工装槽内注入灌封树脂，使交叠区浸入灌封树脂中；固化步骤，固化灌封树脂，在端部形成覆盖交叠区设置的灌封层；分离步骤，将覆盖有灌封层的端部脱离环形工装槽。

在第四方面的一种可能的实施方式中，在置位步骤之前，灌封流程还包括：预处理步骤，将环形工装槽内壁涂抹脱模剂。

如上所述，本发明实施例提供的定子，其线圈端部包覆有灌封层，且灌封层包覆第一防晕段与第二防晕段的交叠区，由于该交叠区处于线圈端部的电场畸变程度较高的位置，通过对其进行灌封包覆，能够消除该部分线圈周围的空气，避免空气电离，因而在较高电压等级下也不会产生电晕，能够满足较高电压等级下线圈端部的防晕需求。

附图说明

从下面结合附图对本发明的具体实施方式的描述中可以更好地理解本发明其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1为现有技术中定子的结构示意图；

图2为图1中铁芯的结构示意图；

图3为图1中线圈的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的定子的结构示意图；

图5为图4中沿O-O线的剖面图一；

图6为图4中沿O-O线的剖面图二；

图7为本发明实施例提供的灌封方法的流程图一；

图8为图7中单个端部的灌封流程图；

图9为本发明实施例提供的灌封方法的流程图二；

图10为本发明实施例提供的灌封方法的流程图三。

附图标记说明：

100-定子；10-铁芯；11-安装槽；20-绕组；21-线圈；

21a-线圈的斜边端部； 21b-线圈鼻部；21c-交叠区；

21z-位于安装槽出口的线圈直线边；21x-线圈斜边；

211-第一防晕段；212-第二防晕段；22-导体连接线；

30-灌封层；40-环形工装槽；41-灌封树脂。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本发明的全面理解。

如图1和图2所示，中高压发电机的定子100包括铁芯10和绕组20。铁芯10在自身周向上间隔分布有多个安装槽11；绕组20设置于铁芯10，绕组20包括多个线圈21，每个安装槽11内设置有线圈21。线圈21的端部暴露至铁芯10的外部。具体地，线圈21的端部可从安装在铁芯10端部的端部向外暴露，并且可沿着安装槽11的长度方向向外延伸。

对于中高压发电机而言，定子线圈的防晕可分为安装槽部防晕和端部防晕，对于安装槽部防晕，线圈外侧包有低阻带，通过低阻带与铁芯相连接，增加其接触良好性，充分接触就可以让铁芯直线安装槽位置不出现槽放电，因此，安装槽部防晕的设计难度不是很大，仅是主绝缘厚度增强，以及低阻带即可满足场强要求。

但是线圈端部没有铁芯10，是与空气接触，线圈端部的导体部分电位依然是高电位，而且线圈端部存在着形变而引起的电场畸变，电场强度较高，容易发生电晕。

对于线圈端部防晕，行业内一般采用低阻带加高阻带的防晕结构。

低阻带可沿轴向伸入铁芯10内，也可以理解为安装槽部线圈外侧的低阻带向端部外侧延伸，由于低阻带能够导电，根据法拉第电磁定律，通过包覆低阻带可将电场封闭屏蔽在低阻带内，低阻带表面均是等效接地，因此，线圈端部被低阻带包覆的部分不会发生电晕。

而在低阻带的末端，在线圈的斜边端部21a位置（参看图3），会有非常大的电场畸变，这个位置的电场强度非常大，会起电晕，所以一般在低阻带末端会进行重叠高阻带缠绕，这是因为高阻带是非线性半导电材料，在电压低的时候，导通量较少，在电压高的时候导通量较大，可以让表面电场呈现平缓的过渡，从而在低阻带末端到高阻带末端形成均匀的电场，达到防电晕的目的。

目前，在全球范围内，工程批量产品应用实践中，空冷下发电机的最高电压等级是24kv，氢冷是27kv，实验室试验样件可以做到30kv，所以当超过27kv以上时，采用现有低阻带加高阻带的防晕方式，就无法满足设计要求了，超过这个电压等级后，低阻带部分依然是接地电位，但低阻带和高阻带交叠位置无法满足电压下降梯度，没有办法将电压降下来。

基于此，本发明实施例提供一种定子，该定子端部线圈的低阻带和高阻带交叠位置（即电场畸变位置）被灌封层包覆，灌封层能够排除其线圈表面的空气，避免空气电离的发生，从而满足较高电压等级下线圈端部的防晕需求。

如图4至图5所示，本发明实施例提供的定子100包括铁芯10、绕组20和灌封层30。铁芯10在自身周向上间隔分布有多个安装槽11；绕组20设置于铁芯10，绕组20包括多个线圈21，每个安装槽11内设置有线圈21。

线圈21具有在铁芯10的轴向的两侧凸出铁芯10设置的端部，端部上设置有第一防晕段211以及与第一防晕段211交叠设置的第二防晕段212，第一防晕段211的电阻率低于第二防晕段212的电阻率。

第一防晕段211和第二防晕段212包覆在线圈21的主绝缘层（图中未示出）外，该主绝缘层可包括云母带，例如，少胶云母带、中胶云母带或多胶云母带。主绝缘层的材料不受具体限制，主绝缘层的电阻率可低于第一防晕段211的电阻率。

第一防晕段211沿轴向伸入安装槽11内，第一防晕段211可包括低阻带和/或低阻半导体防晕材料层。该第一防晕段211可理解为安装槽部线圈外侧低阻带向端部延伸的部分，长度较短。低阻带可包括玻璃布和炭黑。具体地，低阻带可主要含铁石棉带和浸低阻半导体防晕材料的无碱玻璃纤维带。低阻带的电阻率可以在10

第一防晕段211为低阻带时，能够导电，根据法拉第电磁定律，通过包覆低阻带可将电场封闭屏蔽在低阻带内，低阻带表面均是等效接地，因此，线圈端部被低阻带包覆的部分不会产生电晕。

而在第一防晕段211的末端，一般在线圈的斜边端部位置21a（参看图3），会有非常大的电场畸变，这个位置的电场强度非常大，会起电晕。可在第一防晕段211末端重叠缠绕第二防晕段212。第二防晕段212可包括高阻带和/或高阻半导体防晕材料层。高阻带可包括玻璃布或者纤维布、碳化硅或者其他半导体。

由于碳化硅等高阻材料具有非线形电阻特性，其电阻率随外施场强下降，即具有调节场强的能力，在电压低的时候，导通量较少，在电压高的时候导通量较大，可以让表面电场呈现平缓的过渡，从而在低阻带末端到高阻带末端（包含交叠区21c）形成均匀的电场，能够使线圈端部表面电位均匀分布，避免产生电晕。通常，高阻带的电阻率可以在10

但是，对于超高压电机，比如，超过27kv这个电压等级后，低阻带部分依然是接地电位，但低阻带和高阻带交叠位置无法满足电压下降梯度，没有办法将电压降下来。为此，可在各线圈21的端部分别设置有灌封层30，灌封层30包覆第一防晕段211与第二防晕段212的交叠区21c，即，线圈端部的电场畸变程度较高的位置除交叠包覆低阻带和高阻带之外，还包覆有灌封层30。

由于灌封层30相当于是在线圈自身防晕结构的外部引入固体绝缘填充层，不仅能够提高线圈外部绝缘层的电阻率，而且能够消除线圈周围的全部空气，避免空气电离，因而在较高电压等级下也不会产生电晕。

如上所述，本发明实施例提供的定子100，其线圈端部包覆有灌封层30，且灌封层30包覆第一防晕段211与第二防晕段212的交叠区21c，由于该交叠区21c处于线圈端部的电场畸变程度较高的位置，通过对其进行灌封包覆，能够消除该部分线圈周围的空气，避免空气电离，因而在较高电压等级下也不会产生电晕，能够满足较高电压等级下线圈端部的防晕需求。

进一步地，关于灌封层30的包覆范围，发明人认为：

首先，虽然对端部线圈进行灌封处理能够消除线圈周围的全部空气，避免空气电离，但是由于灌封树脂是有机物，导热能力非常差，一般是铜的1/100，严重影响散热，如果将线圈端部全部灌封的话，会将端部线圈之间的风道全部堵死，不利于线圈端部的通风散热。

其次，参看图6，发现线圈端部的通风通道主要在线圈安装槽11出口位置，尤其安装槽11出口的线圈直线边21z通风量更佳，风路最为规矩，且无异形结构，风阻最小，相较之下，线圈斜边21x通风稍差。

因此，为了保留安装槽11出口的线圈直线边位置21z的通风通道，可使灌封层30与安装槽11的出口之间留有间隙，即不覆盖第一防晕段211的靠近安装槽11出口的部分，该间隙能够作为风冷散热通道，提高线圈端部的通风散热能力。

通常，灌封层30在轴向上的长度远大于灌封层30与铁芯10之间的间隙宽度，这种情况下，绕组端部采用热传导散热为主、风冷散热为辅的散热方式。为了提高风冷散热所占的比例，可以适当增加灌封层30与铁芯10之间的间隙宽度，在保证防晕效果的前提下，将第一防晕段211尽可能多地暴露在灌封层30外。

再次，考虑到线圈鼻部21b（参看图3）具有非常复杂的异形结构，导致线圈鼻部21b的电场分布也十分复杂，从设计原理来说，可通过将线圈鼻部21b灌封来解决其电晕问题，即将线圈端部全部灌封，灌封工艺也相对简单。

因此，在本发明的一些实施例中，可使灌封层30包覆各线圈的端部在轴向上自交叠区21c向背离铁芯10方向延伸的所有区域，如此，一方面，线圈端部在自交叠区21c向背离铁芯10方向延伸的所有区域均能够受到灌封层30的防晕保护，包括低阻带和高阻带的交叠区21c和线圈鼻部21b，在较高电压等级下均不会产生电晕；另一方面，线圈端部在安装槽11出口的线圈直线边21z和线圈斜边21x之间留有通风间隙，能够最大限度地、既解决防晕问题，又解决通风冷却问题。在一个实施例中，冷却气体流动方向如图6箭头所示，优选地，气流方向与线圈斜边21x在沿定子轴线（O-O线）剖面上的夹角范围为30度至80度，以保证风冷散热效果和电晕效果。

在一些可选地实施例中，参看图5和图6，第二防晕段212可在线圈端部呈局部包覆状态，第二防晕段212的长度可大于80mm，80mm约为第一防晕段211的长度范围，第二防晕段212的长度相对第一防晕段211较长时，能够有效抑制交叠区21c内的电场畸变强度。在一个实施例中，第二防晕段212的长度与第一防晕段211的长度比例值为1.2至2。

当然，第二防晕段212也可以在与第一防晕段211重叠后将线圈端部全部包覆起来，这样整个线圈端部可以均匀电场，不容易产生任何局部放电问题。

在一些可选地实施例中，第二防晕段212可包括依次交叠设置的多个子高阻防晕段，多个子高阻防晕段的电阻率在沿背离铁芯10的方向上依次升高，与仅使用一个高阻防晕段相比，这种分段防晕方式更加灵活，可使各防晕段之间的过渡更加缓和，线圈端部的表面电场也呈现平缓的过渡，避免产生电晕。

在一些可选地实施例中，各线圈21的端部上还可设置有与第二防晕段212交叠设置的第三防晕段，第三防晕段的电阻率低于第二防晕段212电阻率，也可以理解为低阻、高阻、低阻交替的布置形式。

由于被灌封层30包覆的线圈区域能够受到灌封层30的保护，因此，这部分区域对防晕层的要求可降低，并且，与高阻带相比，低阻带的价格更便宜，因此，在被灌封层30包覆的情况下，在高阻带之后继续采用低阻带的布置形式，能够在保证较高的防晕能力的同时，达到降低成本的目的。

在一些可选地实施例中，各线圈21的其中一个端部设置有导体连接线22，灌封层30包覆导体连接线22，能够提高导线连接线22位置在较高电压等级下的防晕能力。

根据本发明实施例，灌封用树脂包括：环氧树脂、有机硅树脂或者聚氨酯。具体选用哪种树脂可以根据发电机的工作环境需求来确定，比如，对于工作在高温环境下的发电机，其灌封层可以选用有机硅树脂；对于工作在低温环境下的发电机，其灌封层可以选用聚氨酯树脂；对于工作在常温环境下的发电机，其灌封层可以选用环氧树脂。当然，也可以选用其他树脂，此处不做限定。

常见的用于发电机端部的灌封方式主要包括端部端口灌封和端部整体灌封。

端部端口灌封的位置为铁芯安装槽出口后的一小部分，约10mm-50mm高度范围内。

端部整体灌封的位置是沿轴向的端部整体。比如有的潜水艇电机、核潜艇电机、船舰艇电机、水下或海底电机都有密封需求，一般都会浇筑或者灌封的密封处理。

与端部端口灌封和端部整体灌封不同，本申请是沿轴向的分段式灌封，

这种分段式灌封好处包括：

（1）降低材料用量，降低成本；

（2）端部灌封如果全部灌封，铁芯外径2米的定子，两个端部的灌封树脂用量预计超1吨，整台发电机一般才15-18吨附近，几乎达到了5%-7%的重量值，而分段灌封后，灌封重量占发电机总重就会下降，这对整机载荷设计有益，比如，对电机的强度要求降低，也不需要额外支撑结构。

（3）端部全部灌封，那么端部的冷却困难，通风量不足，导致端部发热严重，整台发电机温升较高，或者需要将铜电密选取十分低，而气体换热效率远高于有机材料，所以轴向留有风路空间，可以使发电机的热量更好的散出去，起到散热能力提升的作用。

本发明实施例还提供一种发电机，该发电机包括上文所述的定子。

本发明实施例还提供一种风力发电机组，该风力发电机组包括上文所述的发电机。

本发明实施例还提供一种灌封方法，用于形成上文所述的定子。

如图7所示，该灌封方法包括步骤S1和步骤S2。

S1、提供定子本体。

如图4和图5所示，定子本体包括铁芯10以及绕组20，铁芯10在自身周向上间隔分布有多个安装槽11，绕组20包括多个线圈21，每个安装槽11内设置有线圈21，线圈21具有在铁芯的轴向的两侧凸出铁芯设置的端部，端部上设置有第一防晕段211以及与第一防晕段211交叠设置的第二防晕段212，第一防晕段211的电阻率低于第二防晕段212的电阻率。

S2、对定子100本体的两侧端部分别执行灌封流程。

如图8和图9所示，灌封流程包括以下步骤S21~S24：

S21、置位步骤，将定子100本体的其中一个端部插接于环形工装槽40，并使得第一防晕段211和第二防晕段212的交叠区21c位于环形工装槽40。

具体实施时，可以先将定子100吊起或者支撑起，然后将环形工装槽40放置在定子100下方，对齐位置；再将定子100下移或者将环形工装槽上移，使定子100的其中一个端部插接于环形工装槽40，并使得第一防晕段211和第二防晕段212的交叠区21c位于环形工装槽40。

在置位子步骤之前，灌封流程还可以包括预处理子步骤，将环形工装槽40内壁涂抹脱模剂。

S22、灌注步骤，向环形工装槽40内注入灌封树脂41，使交叠区21c浸入灌封树脂41中。

S23、固化步骤，固化灌封树脂41在绕组形成覆盖交叠区21c设置的灌封层30。

灌封树脂可以室温固化，也可以加热固化，如果室温固化，则直接在场地静置即可；如果加热固化，则需要做个小支撑平台放置在烘箱台车上进行操作上述步骤S1~步骤S3，然后推入烘箱进行加热固化。

S24、分离步骤，将覆盖有灌封层30的端部脱离环形工装槽40。

如图10所示，定子100一侧端部灌封完成后，可将定子100翻转，然后重复上述灌封流程（S21~S24），最终完成定子100的两端灌封，在定子100的两端分别形成灌封层30。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于装置实施例而言，相关之处可以参见方法实施例的说明部分。本发明实施例并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。本领域的技术人员可以在领会本发明实施例的精神之后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述的结构框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路（ASIC）、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明实施例的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“机器可读介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。机器可读介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、ROM、闪存、可擦除ROM（EROM）、软盘、CD-ROM、光盘、硬盘、光纤介质、射频（RF）链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。

本发明实施例可以以其他的具体形式实现，而不脱离其精神和本质特征。例如，特定实施例中所描述的算法可以被修改，而系统体系结构并不脱离本发明实施例的基本精神。因此，当前的实施例在所有方面都被看作是示例性的而非限定性的，本发明实施例的范围由所附权利要求而非上述描述定义，并且，落入权利要求的含义和等同物的范围内的全部改变从而都被包括在本发明实施例的范围之中。