孟令文 王海龙 董庆波 张娜
中车永济电机有限公司? 山西 永济 044502
摘要：定子铁芯的叠压在定子铁芯叠压工装上进行，加压后将定子铁芯和叠压工装一起放入烘箱中烘烤规定时间（与胶的类别有关），取出后施加一定压力，再将其放入烘箱中进行胶液老化烘焙，烘焙一定时间后随烘箱冷却，然后取出定子铁芯，打开叠压工装螺母取出芯轴即得胶粘的定子铁芯。
为了保证铁芯长度和重量符合规定的范围，保证铁芯紧密度及其形状稳定，需在铁芯叠装时对冲片施加一定的压力。铁芯片间的实存压力约为0.8～1MPa，但考虑到叠压时有摩擦力要克服，冲片存在的翘曲需要平整，运行中片间绝缘老化使片间绝缘收缩，防止叠压好的铁芯因搬运时碰撞而形变等，实际上铁芯叠压时外施压力较高，一般约为2.5～3MPa。
关键词：精密铁芯；高频感应加热；高精度叠装
引言
发电机定子各部件均为散装到货,定子散装部件运到工地后,在电站厂房安装间进行定子机座组合、焊接,定位筋安装和铁芯制作,根据哈厂《发电机定子铁芯装压工艺守则》,发电机定子铁芯在冷装压紧后,还需进行加温加压,将定子铁芯加热到80±15℃(最高温度≤105℃),保温12h以上,同时须严防铁芯局部过热和火灾;保温结束后,让定子铁芯自然冷却到室温,然后用风动板手均匀拧紧铁芯拉紧螺杆的螺帽,使铁芯最后高度和波浪度达到设计要求。
1概述
定子是发电机的核心部件之一，定子铁芯的压紧与否和铁芯翘曲问题关系到机组长期安全稳定运行。早在20世纪70年代早期，某公司就开始将铁芯翘曲作为铁芯压紧问题中的典型来研究。经过研究，这些问题都得到了充分的解决并建立了标准的杠杆式铁芯压紧结构。
由于定子机座和铁芯间存在不同的热膨胀量，热膨胀时将会有压应力作用到铁芯上。如果定子铁芯与机座、机座与基础间都是刚性固定，过大的压力作用在铁芯上会导致铁芯产生翘曲。为了防止定子铁芯的这种翘曲变形，某公司在水轮发电机和发电电动机上采用了特定结构，从而达到防止铁芯产生翘曲的目的。
2高频感应加热技术
高频感应加热技术对金属材料加热效率较高、速度较快，且低耗环保。目前它已经广泛应用于各行各业对金属材料的热加工、热处理、热装配及焊接、熔炼等工艺中。它不但可以对工件整体加热，还能对工件局部针对性地加热；可实现对工件的深层透热，也可只对其表面、表层集中加热；不但可对金属材料直接加热，也可对非金属材料进行间接式加热等。因此，高频感应加热技术的应用必将越来越广泛。
高频感应加热技术的基本原理是将工件放入感应器（线圈）内，当感应器中通入一定频率的交变电流时，周围即产生交变磁场。交变磁场的电磁感应作用使工件内产生封闭的感应电流——涡流。工件表层高密度电流的电能转变为热能，使表层的温度升高，即实现表面加热。电流频率越高，工件表层与内部的电流密度差则越大，加热层越薄。
发电机定子铁芯是由冲片和绝缘端板通过胶液粘接在一起制作的，其中冲片的材料为硅钢片或软磁合金，厚度一般为0.15~0.5mm，实际操作中多采用烘箱加热到胶液的固化温度使其固化。
由于胶液已通过浸胶的方式提前涂在冲片上，在常温下叠装铁芯时胶液不会熔化，所以需要在铁芯叠装后将其放入烘箱中一段时间，待胶液熔化后取出叠装的铁芯，同时施加一定压力，再将叠压后的铁芯放入烘箱中使胶液完全固化。采用这种方式在第一次取出铁芯压装时会出现胶液大量溢出的现象，由于胶液溢出使铁芯厚度不能满足要求，需要打开叠装工装添加冲片，这种反复取出铁芯的操作会导致铁芯受热冲击影响从而造成铁芯内部热应力不均匀，导致铁芯出现开裂现象。
在胶液熔化过程中采用烘箱加热的方式极其浪费时间，第一次烘箱加热时间为1h左右，严重影响加工效率并且占用大量的烘箱资源。
3穿心螺杆铁芯压紧结构
定子机座与杠杆式铁芯压紧结构相同，采用钢板焊接结构，为了方便运输适当分瓣。在现场，将分瓣机座通过螺栓把合或者现场焊接方式组成一个整体。在定子机座内径侧布置适当数量的鸽尾筋来确保定子铁芯在任何正常运行和瞬时工况下都不会产生松动。定子铁芯由高导磁率、无时效、机械性能优良的优质冷轧薄硅钢片叠压而成。冲片两面均涂覆绝缘漆以减小涡流损耗。在定子机座内部，通过交错叠压铁芯冲片以形成一个完整连续的铁芯。通过布置在铁芯外径侧的双鸽尾筋，以及铁芯上侧的分块式齿压板和下侧的大齿压板，精确可靠地将定子铁芯固定在机座上。为了防止齿部松动而出现振动，压指部必须有足够的压紧力。因此，压指的头部朝铁芯方向有轻微的倾斜。上压板和压指焊接成一体，与定子机座相互独立。
4高精度叠装工装设计
传统定子铁芯叠装工装的结构，涂胶的冲片用芯轴和槽键板定位叠压。键板一部分插在芯轴上，另一部分插入冲片槽口，键板可为1根，也可以多根。压头于垂直方向对压板施压。
传统叠装定位采用芯轴和槽口定位的方式，即根据冲片的内孔和槽口尺寸加工与之配合较好的芯轴和槽键板，槽键板一部分插入芯轴，另一部分插入冲片槽口。槽键板在其中的作用非常重要，它决定了定子铁芯叠装后槽口的整齐程度，由于槽口接触面积较小，所以加工精密定子铁芯需要多个槽键板定位。
直槽的定子铁芯的槽口为直线，在叠装过程中不用左右移动冲片，冲片只需进行上下移动。可以采用多个槽键板定位，叠装后槽口整齐度较高，能够满足高精度要求。
斜槽的定子铁芯的叠装需要左右、上下移动冲片，如果采用多个槽键板定位会出现过定位现象，在叠装过程中冲片无法移动，导致无法叠装铁芯，所以在实际操作中斜槽的定子铁芯槽键板只有一个。由于冲片槽口定位面积较小，定位强度低，并且只有一个槽键板定位，叠装后的铁芯会出现斜槽槽口不整齐的现象，更有甚者叠装后绝缘端板与冲片之间的错位较多，致使端部绝缘失效。
利用两根定位圆键插入冲片的两个槽中，一前一后对冲片进行限位，由于接触面积大，定位强度高，并且为双圆键定位，定位圆键的两端分别在底板和顶板的槽孔中，底板固定不动，顶板随着螺母的锁紧往下运动，冲片也随之被压缩到规格高度。
为验证新型高精度工装叠装铁芯的成型效果，采用有限元方法对铁芯在工装中的受力分布进行了分析。首先对工装与铁芯进行建模与简化。设计完成的工装与铁芯有大量细节特征，在分析之前需要将对分析基本无影响的小特征进行简化，以便于网格划分。由于定子铁芯是由多片硅钢片压合而成的工件，在斜槽边缘会存在大量锯齿状边角，严重影响网格划分，同时尺寸较薄的钢片不适合用三维单元进行拟合，因此将定子铁芯形状简化为一圆柱形带斜槽的整体。分析时以整体进行网格划分。
完成网格划分后，对模型施加约束：将工装与铁芯一端接触的底端板固定，底端板与工装芯轴之间为固定粘合。定子铁芯与工装、顶端板与芯轴之间虽然存在定位关系，但工作中不受力，在软件中均设置为分离。
结语
从业绩可以看出，两种定子铁芯压紧结构不仅适用于常规水轮发电机，也可以适用于发电电动机。从某水电各机组运行结果来看，无论是杠杆式定子铁芯压紧结构还是穿心螺杆定子铁芯压紧结构都能满足机组安全稳定运行的需要。业主可以根据现场安装和运行维护需要进行选择。
参考文献
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