股线绝缘：材料与特性分析

成型线圈或线棒中的每个导体被分成多支股线，这有着电气和机械两方面的原因。就机械方面的原因来看，大型电机的线圈或线棒中的导体需要承载的电流较大，要求它具有相对较大的横截面积。换句话说，横截面积足够大的导体才能获得期望的载流容量。这么大截面的单个导体很难弯曲形成所要求的线圈或线棒形状。使用线圈成形设备，由较小的股线导体（也称作分裂导线中的单导体或次导体）所组成的大导体，与单根大导体相比，较易弯曲形成所要求的形状。

就电气方面的原因来说，让导体成股并使各股线互相绝缘有多方面的原因。众所周知的电磁理论表明，如果一个铜导体有足够大的截面积，交流电流则趋向于仅从导体外缘表面流过，即所谓的趋肤效应。趋肤效应导致大部分电流仅在导体外表一定深度层上流过。在60Hz时，铜导体的趋肤深度为8.5mm。如果导体截面积足够大，当厚度大于8.5mm时，导体的中心将不会有电流流过，这就意味着电流没有充分利用所有可利用的导体截面积。由此实际上表现出其交流电阻要大于其直流电阻。交流电阻越大引起的I²R损耗越大；如果用互相绝缘的股线（防止了趋肤效应的产生）制作成同样截面积的导体，则所有的铜截面积都被用于载流，趋肤效应就可以忽略，而损耗也就减小了。

此外，截面积太大的固体导体中会产生涡流损耗。在铁心槽内，主磁场主要是径向的，也就是垂直于轴向的方向。还存在一些微小的沿着圆周方向的磁通（转子槽部漏磁通），能在导体中感应出涡流流动。在线圈端部区间，陡直端面的转子端部和定子铁心端部结构会产生一个轴向磁场。当同步电机在欠励时，这种轴向磁场的作用更加不能小视。由安培定律或“右手定则”，这些轴向磁场将会在导体截面中感应出循环电流（见图1.10）。导体截面积越大，沿导体外表面路径交链的磁通就越大，因而感应电流就越大，故此由这种环流产生的I²R损耗也就越大。通过减小导体的尺寸，杂散磁场造成的损耗将会减小，从而提高了电机效率。

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图1.10 发电机的侧视图（气隙中有径向磁通，铁心端部有向外凸出的磁力线，这就导致了轴向磁通）

电气方面的原因要求导体分成股线时，应将各股线之间互相绝缘。股线间的电压差通常小于几伏，因此，股绝缘可以很薄。股绝缘在线圈制造过程中可能会遭到机械性损伤，因此它必须具有良好的机械特性。由于股线绝缘与承载定子主要电流的铜导体紧密相贴，而电流会产生I²R损耗，因此在定子部件中股线绝缘还承受着最高的温度。所以，股线绝缘必须具有良好的热特性。第3.8节详细地叙述了目前使用的股线绝缘材料。虽然制造商能够确保新线圈中的股线不存在短路现象，但运行期间由于热老化和机械老化可能会发生股间短路（见第8章）。成型线圈或线棒中若存在个别的股间短路故障，并不会造成绕组事故，但是会增加定子绕组的铜损，并且会因环流造成局部温升的增加。