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      旋轉(zhuǎn)電機及其制造方法

      文檔序號:7312006閱讀:141來源:國知局
      專利名稱:旋轉(zhuǎn)電機及其制造方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明的第一個方面涉及如權(quán)利要求1的前敘部分所述的那種類型的旋轉(zhuǎn)電機,例如同步電機、常規(guī)的異步電機、以及雙饋電機、在異步靜態(tài)電流轉(zhuǎn)換器級聯(lián)中的應(yīng)用、外電極電機、同步流電機。
      本發(fā)明的第二方面涉及一個如權(quán)利要求13的前敘部分所述的那種類型的方法。
      在本申請中,除非另有明確說明,術(shù)語“徑向”、“軸向”和“周向”指的是相對于電機的定子確定的方向。術(shù)語“電纜穿過線“(cable lead-through)在本申請中指的是穿過一個槽延伸的各個長度的電纜。
      這種電機主要在發(fā)電站用作發(fā)電機產(chǎn)生電能。電機在高壓下使用。應(yīng)當(dāng)理解,這里所說的高壓指的是超過10千伏的電壓。按本發(fā)明的電機的典型工作范圍可以是36到800千伏。
      按常規(guī)方法已經(jīng)設(shè)計出用于6-30千伏電壓范圍的類似電機,并且30千伏已經(jīng)被認為是上限。在一般情況下這意味著必須經(jīng)一個變壓器把發(fā)電機連接到電網(wǎng)上,變壓器把電壓升高到電網(wǎng)電壓值,即大約100-400千伏。
      雖然向高壓電網(wǎng)提供電流以便傳輸、準(zhǔn)傳輸、和分配的主要技術(shù)是如在本文的引言中所述的在發(fā)電機和電網(wǎng)之間插入變壓器,但眾所周知的是,還千方百計地力圖通過直接產(chǎn)生電網(wǎng)電壓大小的電壓來省去變壓器。在US-4429244、US-4164672、US-3743867中描述了這樣一種發(fā)電機。
      US-5036165公開了一種導(dǎo)體,它提供由半導(dǎo)體熱解的玻璃纖維構(gòu)成的內(nèi)和外層絕緣。公知的還有,電動發(fā)電機中的導(dǎo)體也提供有這樣一種絕緣,例如在US-5066881所述,其中,半導(dǎo)體熱解的玻璃纖維與形成導(dǎo)體的兩個平行桿接觸,并由半導(dǎo)體熱解的玻璃纖維的外層包圍定子槽中的絕緣。由于半導(dǎo)體熱解的玻璃纖維即使在浸透處理后仍能保持其電阻率,所以半導(dǎo)體熱解的玻璃纖維被認為是合用的。
      通過使用高壓絕緣的導(dǎo)電體,在下述電纜中,借助于類似于在定子繞組中輸送電能的電纜(例如XLPE電纜)中所用的絕緣的實心絕緣,可把電機的電壓提高到可把電機直接連到電網(wǎng)而不用中間變壓器的水平。
      這種構(gòu)思一般要求在定子中放置電纜的槽要比使用常規(guī)技術(shù)的槽更深(由于電壓高并且繞組圈數(shù)多,所以絕緣較厚)。這又帶來在線圈端部、齒和繞線區(qū)域的有關(guān)冷卻、振動、和固有頻率的一些新問題。
      在槽中固定電纜也是一個問題電纜必須插入槽中而又不得傷及它的外層。電纜要接受100HZ頻率的電流,這將引起振動的趨勢,并且除了外徑的制造公差外,電纜的尺寸還隨著溫度的變化(即負荷變化)而變化。
      本發(fā)明涉及上述問題,即避免在插入定子槽期間傷及電纜的外部,以及避免在運行期間由振動引起表面磨損。在電纜可能受到槽和定子端面之間的邊緣傷害的插入點存在著特殊的損傷風(fēng)險。如果電纜傾斜插入,或者在槽中偏心,也會損傷電纜。即使在運行期間,在電纜通過定子端面的位置也有損傷的危險。尤其是一旦出現(xiàn)角度誤差或中心誤差,由于電纜有相當(dāng)剛性,所說邊緣有可能傷及電纜的外半導(dǎo)體層,從而傷及電纜。
      針對這一背景,本發(fā)明的目的是消除或至少減小在電纜離開能在高壓范圍工作的旋轉(zhuǎn)電機的定子端面處電纜損傷的危險。
      按本發(fā)明的第一個方面,為此,提供一種在權(quán)利要求1的前敘部分中描述的并具有在該權(quán)利要求的特征部分中限定的特殊的特征的那種類型的旋轉(zhuǎn)電機。
      由于封套能阻止半導(dǎo)體外層在插入時與槽壁的邊緣發(fā)生接觸,所以這種封套裝置減小了損傷的危險,并且還能保證電纜對中地并且筆直地被引入槽中。由于封套可由比定子軟的材料制成,并因此起壓力均衡器的作用,所以還能減小運行期間損傷的危險。
      在一個優(yōu)選實施例中,封套裝置蓋住在槽中的多根最好是所有電纜穿過線沿徑向方向延伸,并且具有和槽的斷面對應(yīng)的斷面。這就可以提供穩(wěn)定而可靠的固定。
      當(dāng)槽具有交替的寬部和窄部、因此它們的斷面類似于自行車的鏈條時,本發(fā)明的優(yōu)點是非常突出的,因為槽壁這時包圍了各個電纜穿過線相當(dāng)大部分。因此,具有這樣一種槽斷面的電機構(gòu)成了一個最佳實施例。
      由彈性材料制造封套裝置是有益的。其中不應(yīng)有機油,并且適合的材料是硅橡膠。材料的彈性應(yīng)便于引導(dǎo)電纜,并且能在很大程度上利用在引出點實現(xiàn)壓力均衡的機會。
      在另一個優(yōu)選實施例中,封套裝置在其內(nèi)端設(shè)有一個伸入槽中的一個凹槽內(nèi)的套環(huán)。這為添加封套提供一個簡單可靠的方法,并實現(xiàn)了槽中的封套的可靠的固定。
      為了便于插入電纜,封套的內(nèi)斷面在朝向定子端面的方向最好略有加寬。這也有利于電纜的輕柔地引出,因而可進一步減小運行期間的損傷的危險。
      在下一個優(yōu)選實施例中,對封套裝置進行安排,以密封電纜和槽壁這兩者。因此在槽的內(nèi)部形成一個密封空間,其中可填充噴入槽中并在其中固化的支撐用化合物。在某些情況下這可能是支撐槽內(nèi)電纜的便利方法。
      本發(fā)明的第一方面旨在使用以下類型的高壓電纜,它包括具有多個線股部分的內(nèi)芯、內(nèi)半導(dǎo)體層、包圍它的絕緣層、和外半導(dǎo)體層,它的優(yōu)點在這里是非常突出的。本發(fā)明具體涉及直徑范圍為20-200mm、導(dǎo)電面積范圍為80-3000mm2的電纜。
      在這種安排中,繞組最好是對應(yīng)于具有實芯的擠壓成型的絕緣的電纜的那種類型,例如現(xiàn)在仍用于配電的電纜,如XLPE電纜,或帶有EPR絕緣的電纜。這樣一種電纜包括由一個或多個線股部分構(gòu)成的內(nèi)導(dǎo)體,包圍導(dǎo)體的內(nèi)半導(dǎo)體層,包圍內(nèi)半導(dǎo)體層的實心的絕緣層和包圍絕緣層的外半導(dǎo)體層。該電纜是可彎曲的,這在本文中是一個很重要的性質(zhì),因為按本發(fā)明的設(shè)備的技術(shù)主要是基于繞線系統(tǒng),在該系統(tǒng)中繞組是由在裝配期間可彎曲的電纜形成的。XLPE電纜的柔性,對于直徑為30mm的電纜來說對應(yīng)于約20mm的曲率半徑,對于直徑為80mm的電纜來說對應(yīng)于約65mm的曲率半徑。在本申請中,用術(shù)語“可彎曲”表示繞組向下彎曲的曲率半徑的數(shù)量級為電纜直徑的4倍,最好為8-12倍電纜直徑。
      最好把繞組設(shè)計成即使在彎曲時以及在運行期間受到熱應(yīng)力時也能保持它的性質(zhì)。在本申請中至關(guān)重要的是,各個層要保持它們相互之間的粘性。在這里,各層的材料性質(zhì)是有決定性作用的,特別是它們的彈性和相對熱膨脹系數(shù)。例如,在XLPE電纜中,絕緣層是由交聯(lián)的低密度聚乙烯構(gòu)成,而半導(dǎo)體層是由混有碳黑和金屬顆粒的聚乙烯構(gòu)成。作為溫度波動的結(jié)果引起體積變化,這一體積變化完全由電纜的半徑變化吸收,并且由于相對于這些材料的彈性來說熱膨脹系數(shù)之間的差別相當(dāng)小,所以在不失去層間粘性的情況下可能發(fā)生徑向膨脹。
      上述的材料組合只能被認為僅僅是實例。滿足規(guī)定條件以及滿足半導(dǎo)體條件(即電阻率在10-1-106ohm-cm范圍內(nèi),如1-500ohm-cm,或10-200ohm-cm)的其它組合自然也落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
      絕緣層例如可包括實心的熱塑性材料,如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯PMP);交聯(lián)材料,如交聯(lián)聚乙烯(XLPE);或橡膠,如乙烯丙烯橡膠(EPR)、或硅橡膠。
      內(nèi)和外半導(dǎo)體層可以具有相同的基本材料,但要混入導(dǎo)電材料的顆粒,例如碳黑或金屬粉末。
      這些材料的機械性質(zhì),特別是它們的熱膨脹系數(shù),受是否至少按為實現(xiàn)本發(fā)明所必需的導(dǎo)電性要求的比例混入碳黑或金屬粉末的影響相當(dāng)小。因此絕緣層和半導(dǎo)體層具有基本上相同的熱膨脹系數(shù)。
      乙烯-乙烯基-乙酸酯共聚物/腈橡膠,丁基接枝聚乙烯,乙烯-丁基-丙烯酸酯共聚物,和乙烯-乙基-丙烯酸酯共聚物也可以構(gòu)成用于半導(dǎo)體層的適宜的聚合物。
      即使使用不同類型材料作為各個層的基本材料,也希望它們的熱膨脹系數(shù)基本上相同。對于上述的材料組合,情況就是如此。上述材料具有相當(dāng)好的彈性,其彈性模量E<500Mpa,優(yōu)選為E<200Mpa。對于層中材料的熱膨脹系數(shù)的任何微小的差別來說這一彈性是足夠的了,這一微小差別可沿彈性的徑向被吸收掉,所以不會出現(xiàn)斷裂或任何其它損傷,并且各層不會相互脫開。層中材料是彈性的,并且層間的粘性至少和材料中的最弱者有相同的大小。
      兩個半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性應(yīng)足以基本上均衡沿各層的電位。外半導(dǎo)體層的導(dǎo)電性應(yīng)足夠大以封閉電纜中的電場,但還要充分地小以便不致于產(chǎn)生由沿層的縱向方向感應(yīng)的電流引起的明顯的損耗。
      因此,兩個半導(dǎo)體層中的每一層最好基本上構(gòu)成一個等位面,具有這些層的繞組基本上封閉了其中的電場。
      當(dāng)然,在絕緣層中不得安排一個或多個附加的半導(dǎo)體層。
      于是,有關(guān)這些電纜的申請構(gòu)成了本發(fā)明的優(yōu)選實施例。
      在從屬于權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求中確定了按本發(fā)明的電機的這些和其它優(yōu)選實施例。
      按本發(fā)明的第二方面,通過在權(quán)利要求19的前敘部分中描述的這種類型的制造旋轉(zhuǎn)電機的方法,來實現(xiàn)要達到的目的,權(quán)利要求19中還包括在其特征部分中確定的特殊的措施。
      按該方法的一個優(yōu)選實施例,用抗摩擦劑潤滑封套裝置,借此以利于穿過它們引導(dǎo)電纜,并且還可以減小在這種操作期間損傷電纜的危險。
      在按本發(fā)明的方法的另一個優(yōu)選實施例中使用按本發(fā)明的電機的優(yōu)選實施例的封套裝置。
      在對優(yōu)選實施例的以下描述中參照附圖更加詳細地說明本發(fā)明,其中

      圖1表示在本發(fā)明的電機中定子的一個扇面的示意端視圖;圖2表示穿過用在本發(fā)明的電機中的電纜的剖面圖;圖3表示沿圖2的III-III線的部分剖面圖;圖4表示沿圖的IV-IV線的部分剖面圖。
      在圖1所示的穿過電機的定子1的一個扇面的軸向示意圖中,轉(zhuǎn)子指定為2。定子按傳統(tǒng)方式由芯片疊層芯部組成。圖中所示的電機的扇面對應(yīng)于一個電極部分。從芯部的徑向最外邊的磁軛部分3,徑向向內(nèi)朝轉(zhuǎn)子2伸出多個齒狀部4,所說齒狀部由安排定子繞組的槽5分開。繞組中的電纜6是高壓電纜,并且可以和在配電中使用的高壓電纜類型基本上相同,例如XLPE電纜。一個差別是省去了外部的通常包圍這一電纜的結(jié)構(gòu)保護套和金屬屏蔽。因此電纜只由導(dǎo)體、內(nèi)半導(dǎo)體層、絕緣層、和外半導(dǎo)體層構(gòu)成。因而暴露出來在電纜外部對機械損傷敏感的半導(dǎo)體層。
      圖1中只示意地示出電纜6,其中只畫出電纜部件或芯部側(cè)的中央的導(dǎo)電部分。如圖所示,每個槽5都有變化的橫截面,即具有交替的寬部7和窄部8。寬部7基本上是圓形的,并且包圍電纜穿過線,因此在這些寬部之間的腰部即形成了窄部8。腰部的作用是徑向定位每個電纜穿過線。槽的橫截面作為整體也是徑向向內(nèi)逐漸變窄的。這是因為,電纜穿過線中的電壓越靠近電纜所在的定子的徑向最內(nèi)部越低。因此在這里可以使用細長的電纜穿過線,而較粗的電纜穿過線則必須進一步靠外。在所示的實例中使用了三個不同尺寸的電纜,它們安排在尺寸適于它們的槽5的三個部分9、10、11中。
      圖2表示穿過按本發(fā)明使用的高壓電纜6的剖面圖。高壓電纜6包括例如由銅(Cu)制成的多個股線部分31,并且具有圓形的橫截面。在多股線31的周圍是第一半導(dǎo)體層32。在第一半導(dǎo)體層32的周圍是絕緣層33,例如XLPE絕緣層,并且在絕緣層33的周圍是第二半導(dǎo)體層34。因此在本申請中的“高壓電纜”的概念不必包括通常包圍用于電力傳輸?shù)倪@樣一種電纜的金屬屏蔽和外部護套。
      圖3表示穿過按本發(fā)明的一個封套的剖面圖。該剖面圖是沿圖1中的III-III線取的,并且從定子1的一個端面向內(nèi)延伸一個短的距離。封套的外部形狀15對應(yīng)于槽5的形狀,即類似于自行車鏈條,其中的剖面橫向穿過“自行車鏈條”的寬部之一如圖4所示,在圖4中也示出了圖3中的剖面的位置。把一個封套安排在靠近定子1的一端19,并且將一個類似的封套安排在定子的相對端。封套沿整個槽5徑向延伸,并且每個槽5都設(shè)有這樣一個封套。封套的軸向延長大約4cm,并且一般在2-6cm的區(qū)間之內(nèi)。定子的疊層芯部為18,纖維材料的端板12就安排在它的端部。在端板12中加入封套。在槽5的穿過該端板延伸的部分中設(shè)有凹槽17。凹槽沿槽5的整個徑向長度進入槽壁。封套設(shè)有可裝入凹槽17中的一個套環(huán)16。封套的襯部13從套環(huán)16向定子端面19伸出,并恰在此前終止。封套可交替地在具有定子的端面的水平線處終止,或者在其外部延長一個短距離。封套的襯部13沿其整個長度和槽壁緊密對接。
      封套的內(nèi)部14向定子的端面19略微展寬幾度的角度。所以,封套的內(nèi)部在電纜穿過線附近的區(qū)域略呈錐形。在封套接收電纜6處,其靠近套環(huán)的最小內(nèi)徑可能大致相當(dāng)于電纜6的外徑,或者可能略小,以保證良好的密封和有效的支撐。封套由一種彈性材料制成,適當(dāng)?shù)牟牧鲜枪柘鹉z。重要的是材料中不得包含任何機油的殘余,因為機油可能向電纜的外半導(dǎo)體層34中擴散,破壞和損傷所述層34。所說材料還應(yīng)該是熱穩(wěn)定的。
      在封套中的電纜的位置之間,即在較窄的部分中,封套有腰部20(見圖4),在這些點填充的腰部20高出該槽,從而可保證完全密封。
      在繞定子之前要完成封套裝配;在裝配封套時,要把這些封套擠壓在一起,并且沿軸向把它們推入槽中的凹槽17內(nèi),從而使它們鎖緊就位。當(dāng)已經(jīng)加上了封套時,就可繞電纜了,這時封套起導(dǎo)向裝置的作用。于是,就可正確引導(dǎo)電纜,并且可防止電纜與槽和定子端面之間的邊緣接觸,消除了受損傷的危險。建議潤滑封套的內(nèi)部以便于插入電纜。應(yīng)當(dāng)選擇不會影響電纜的外半導(dǎo)體層的潤滑劑。適用的潤滑劑是滑石粉或氮化硼。
      上述的封套沿整個槽的徑向方向延伸。另外,還可以對于每個電纜穿過線都安排一個單獨的封套。除了借助于所述的套環(huán)外,本發(fā)明不排除固定封套的其它替換方式。例如,可把它們粘結(jié)到槽上,或者只由摩擦固定。
      權(quán)利要求
      1.一種旋轉(zhuǎn)電機,它包含定子(1),通過定子中的槽(5)引導(dǎo)繞組,其特征在于繞組由高壓電纜(6)組成,并且,在定子(1)的至少一個端面處的至少一個所說槽(5)設(shè)有封套裝置(13、16),封套裝置(13、16)設(shè)在電纜(6)和槽(5)之間,所說封套裝置沿軸向延伸一個短距離進入槽中。
      2.如權(quán)利要求1所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說封套裝置(13、16)包括一個蓋住多個電纜穿過線、最好是在所有電纜穿過線沿徑向延伸的一個封套,并且在徑向方向有與槽的斷面大致對應(yīng)的斷面。
      3.如權(quán)利要求1或2所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說封套裝置包括多個封套,它們在徑向是圓形的,每個封套都包圍一個電纜穿過線。
      4.如權(quán)利要求1-3中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說槽的斷面在徑向有寬部(7)和窄部(8)。
      5.如權(quán)利要求1-4中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說封套裝置(13、16)由彈性材料制成。
      6.如權(quán)利要求5所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說材料中無油,最好由硅橡膠構(gòu)成。
      7.如權(quán)利要求1-6中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說封套裝置(13、16)有2-6cm的軸向延長部分,并且它的軸向最外端的位置緊挨著定子的端面(19)的內(nèi)部。
      8.如權(quán)利要求1-7中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于所說封套裝置(13、16)在其軸向最里端設(shè)有一個套環(huán)(16),套環(huán)(16)伸入在槽壁內(nèi)的一個徑向平面中延伸的凹槽(17)內(nèi)。
      9.如權(quán)利要求1-8中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于在每個電纜穿過線的周圍的所說封套裝置(13、16)都有一個內(nèi)型面(14),其最小直徑基本上對應(yīng)于電纜(6)的外徑并且朝定子的端面(19)成錐形地擴大。
      10.如權(quán)利要求1-9中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于對所說封套裝置(13、16)的安排應(yīng)使其與槽壁(5)和電纜(6)都密封對接。
      11.如權(quán)利要求1-10中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于電纜(6)是包括具有多股線部分(31)的芯部、包圍芯部的內(nèi)半導(dǎo)體層(32)、包圍內(nèi)半導(dǎo)體層(32)的絕緣層(33)、和包圍絕緣層(33)的外半導(dǎo)體層(34)的類型的電纜。
      12.如權(quán)利要求11所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于高壓電纜(6)的直徑范圍為20-200cm,導(dǎo)體面積范圍為80-3000mm2。
      13.如權(quán)利要求11、或12所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于繞組是可彎曲的,并且所說的層是相互接觸的。
      14.如權(quán)利要求13所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于組成所說各層的材料的彈性、和各材料的熱膨脹系數(shù)之間的關(guān)系,都應(yīng)使運行期間由溫度波動引起的層中體積的變化可為材料的彈性所吸收,從而使各個層在運行期間發(fā)生溫度波動的情況下都能保持它們的相互間的粘性。
      15.如權(quán)利要求13、或14所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于組成所說各層的材料具有高彈性,其彈性模量優(yōu)選的為小于500MPa,最優(yōu)選的為小于200Mpa。
      16.如權(quán)利要求13-15中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于組成所說各層的材料的熱膨脹系數(shù)有基本上相同的數(shù)值。
      17.如權(quán)利要求13-16中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于組成所說各層的材料的粘性至少和各材料中的最弱者相同。
      18.如權(quán)利要求13-17中任何一個所說的旋轉(zhuǎn)電機,其特征在于每個半導(dǎo)體層基本上都構(gòu)成一個等電勢面。
      19.一種制造旋轉(zhuǎn)電機的方法,該電機包含一個定子,通過定子中的槽引導(dǎo)繞組,其特征在于繞組由高壓電纜纏繞,并且,在定子(1)的至少一個端面處的至少一個所說槽中設(shè)有封套裝置,封套裝置延伸一個短距離進入槽中,所說封套裝置的內(nèi)部尺寸允許電纜通過,在此之后通過封套裝置在槽中纏繞電纜。
      20.如權(quán)利要求19所說的方法,其特征在于在電纜穿過之前,用抗摩擦劑潤滑該封套裝置。
      21.如權(quán)利要求19、或20所說的方法,其特征在于所加的封套裝置符合如權(quán)利要求1-10中任何一個所確定的實施例。
      全文摘要
      本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)電機,該電機包含定子(1),通過定子中的槽(5)引導(dǎo)繞組。本發(fā)明繞組由高壓電纜(6)構(gòu)成,其中,靠近定子的端面(19)的槽(5)設(shè)有封套裝置(13、16),封套裝置(13、16)安排在槽中的電纜(6)和每個槽(5)的壁之間。還公開了一種制造這種旋轉(zhuǎn)電機的方法,其中把封套加在靠近定子的端面的槽中,此后可通過它們引導(dǎo)電纜。
      文檔編號H02K3/48GK1246982SQ9880226
      公開日2000年3月8日 申請日期1998年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
      發(fā)明者約蘭·霍爾姆斯特倫, 本特·約蘭, 馬茨·萊永 申請人:Abb阿西亞布朗·勃法瑞公司
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