CN102577037B - 电机的高压定子线圈中的均压结构 - Google Patents

电机的高压定子线圈中的均压结构 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可以在电机的定子线圈中使用的均压结构(40)。填充材料(44)可以设置在线圈绞线堆(22)的顶面和底面上。该均压结构可以包括填充材料上的电隔离层(46)并且还可以包括在电隔离层上的导电层(48)。导电条(50)定位在导电层上。导电条电连接到线圈绞线(22)中的至少一条线圈绞线，以将导电层与线圈绞线堆之间的电容效应分路并且强制导电层相对于线圈绞线堆基本处于共同的电压电平，由此避免了过电压状态。

Description

电机的高压定子线圈中的均压结构
技术领域
本发明总体上涉及包括有高压定子线圈的电机，更特别地本发明涉及用于使这种机器的定子线圈中的电压均匀的结构布置。
背景技术
通常，电机具有转子和定子。转子缠绕有磁场绕组，磁场绕组设置在转子本体中的槽中。定子缠绕有定子线圈，定子线圈设置在定子本体的槽中。在发电机机器的情况下，当转子被外部的机械能量源(如蒸汽轮机或燃气轮机)旋转而励磁电流被提供到磁场绕组时，在定子线圈中就感生了电能。
定子线圈通常由多个被称作为绞线的独立导体构造成。这些绞线堆叠在一起以形成能够承载高电压和高电流的更大的导体(或线圈)。在许多定子线圈中，绞线被扭成交织的图案而不是简单地以一个叠一个的方式堆叠。在现有技术中，这种交织技术通常称为罗贝尔处理(Roebelling)，且该技术有助于防止定子线圈的最接近转子的内绞线比更加远离转子的外绞线承载更多的电流(且生成更多的热)。罗贝尔处理有助于确保每条绞线都承载类似数量的电流且生成类似数量的热。
一些定子线圈包括有内置通风管以冷却绞线。在现有技术中，这些类型的定子线圈称为内冷却线圈。在内冷却线圈中，多个通风管可以一个叠一个的方式堆叠并且夹在两个或更多个绞线堆之间。然后通过通风管泵送冷却气体(例如氢气或者空气)以将热从绞线转移走。
存在一些与制造内冷却定子线圈关联的挑战。例如，在将绞线堆经由罗贝尔处理之后，该绞线堆的顶面和底面不再平滑。这些表面具有由对绞线的罗贝尔处理所引起的显著的不连续处。这些不连续处使得难以应用被称为地壁绝缘体(ground-wall insulation)的外绝缘体层。
另一个挑战是在发电机工作期间在定子线圈的绞线与通风管之间会产生出相对大的电压差。如果该电压差超过了绞线与通风管之间的绝缘体的介电强度，那么在铜绞线与通风管之间将发生电短路，这会导致通风管中的循环电流和/或对定子线圈的灾难性损害。
尽管已经提出了各种技术来解决这样的挑战，然而仍然有需要对定子线圈配置进行进一步的改进，这些改进更大程度地防止了电短路并且能够提供使存在于定子线圈中的电压均匀的能力，以避免会在电机工作期间导致放电活动的过电压状态，同时还降低了与制造定子线圈有关的复杂性和成本。
附图说明
在以下描述中参照附图对本发明进行解释，在附图中：
图1是示出了实施本发明的多个方面的多个定子线圈的、示例电机的局部透视图；
图2是具有根据本发明的多个方面的均压布置的示例定子线圈的局部透视图；
图3是示出了定子线圈部件之间的固有阻抗的横截面图；以及
图4示出了具有实施本发明的多个方面的均压布置的定子线圈的等效电路。
具体实施方式
图1示出了能够受益于本发明的多个方面的示例电机10(例如发电机或电动机)。正如本领域技术人员将理解的那样，机器10包括有转子12和以围绕转子12的方式定位的定子15。定子15包括有多个高压(例如大约≥4kV)定子线圈20(在图2中更加详细地示出)。多个定子线圈20中的每个定子线圈都包括有例如由铜或铜合金形成的一个或更多个线圈绞线堆22以及传导冷却气体(如氢气或空气)的多个金属通风管30。根据本发明的多个方面，在定子线圈中，各个均压结构布置以内置的方式构造在线圈绞线堆的顶面和底面处用于均压，由此防止在电机工作期间可能会导致放电的过电压状态。
图2示出了根据本发明的多个方面的均压布置40的示例实施例。为了简化图示，图2仅示出了与线圈绞线堆的顶面连接的均压布置。然而，如图3所示，应当理解在线圈绞线堆的底面处设置了同样的布置。均压布置40包括有填充材料44，填充材料例如是包括树脂浸渍毡的罗贝尔填充物，该树脂浸渍毡如可以由诺梅克斯芳纶纤维或者涤纶 聚酯纤维制成，二者均可从杜邦公司(E.I.Du Pont deNemours & Co.Inc.)获得。如本领域技术人员所能理解的，填充材料44基本上使通常由于对绞线的罗贝尔处理(交织)所导致的顶面的不连续处和底面的不连续处变得平滑。
电隔离层46设置在填充材料44上。在一种示例实施方式中，隔离层46可以是玻璃衬底云母带形成的层并且可以被配置成沿着线圈的宽度方向延伸。隔离层46还可以被配置成在线圈绞线堆的每个侧部上都设置了相应的侧面延伸部47(例如，在一种示例实施方式中，该侧面延伸部具有范围为大约0.25英寸至大约1英寸的长度)。
导电层48设置在隔离层46上。在一种示例实施方式中，导电层48可以是碳填充的导电带并且隔离层46的玻璃衬底侧可以定位成紧靠导电层48。在一种示例实施方式中，导电层48基本上在线圈的直区域上延伸。也就是说，导电层48不需要在线圈的分别定位在线圈的前部处和后部处的内卷区域上延伸。由于间隔的限制，电隔离层46和导带层48分别都具有相对小的厚度(在一种示例实施方式中范围大约为大约0.005英寸至大约0.006英寸的厚度)。
导电条50设置在导电层48上。导电条50可以由任何导电材料构造成，导电材料如铜或任何其它合适的导电金属或金属合金。导电条的一个端部(例如端部52)足够长以便通过任何合适的附接技术(如焊接、硬焊或软焊)来电连接到绞线中的至少一条绞线。相对端部可以是电浮置的。可以将大约1/4平方英寸的绞线表面的绝缘体剥离以利于电连接。
导电层48最好作用为电屏蔽体，以使可能横跨形成于罗贝尔填充物44中的空隙(例如陷留的空气泡)而产生的并且趋于克服罗贝尔填充物44的介电性质的电压降低。例如，如本领域技术人员将容易理解的那样，用于接合目的的罗贝尔填充物44可以在暴露于空气的同时受到贝克莱特热处理(bakelize process)，而这会导致空气泡陷留在罗贝尔填充物44中。电隔离层46是相对于导电层48布置的以避免经由导电层48在线圈绞线22和/或通风管30中形成电互连，由此防止了冷却绞线和/或通风管之间的电短路。例如，绞线间绝缘体和通风管绝缘体可以是相对多孔的，而在缺少电隔离层46的情况下，导电层48可能会建立可能导致绞线至绞线的电短路的绞线间电连接和/或可能会建立通风管中的kg电短路。由此，有利的是，电隔离层46的存在避免了导电层48引起绞线对绞线电短路和/或通风管中的电短路，同时维持了导电层48的有效地起到对于线圈绞线和/或通风管的电屏蔽体的作用，以使可能横跨可形成于罗贝尔填充物44中的空隙而产生的电压降低。
导电条50将导电层48电连接到至少一条线圈绞线22并且实质上强制导电层48相对于线圈绞线堆(线圈绞线22)基本处于共同的电压电平。在一种示例实施例中，多条粘合带(例如多条诺梅克斯粘合带)可以用于将导电条50保持在适当位置上。此外，在将地壁绝缘体层应用到线圈时可以进一步地固定导电条50。
图3是包括有线圈部件之间的固有阻抗的横截面图。电容C1表示地壁电容。电容C2表示线圈的外导电电极与导电层48之间的电容。电容C3表示金属通风管30与线圈绞线22之间的电容。电容C4表示线圈绞线22与导电层48之间的电容(例如罗贝尔填充物电容)。
图4示出了具有实施本发明的多个方面的均压布置的定子线圈的等效电路60。如图4所示，导电条50将导电层48与线圈绞线堆22之间的电容效应分路并且强制导电层48相对于线圈绞线堆基本处于共同的电压电平，由此避免了过电压状态。这使得能够将否则可能会在电容C4(即罗贝尔填充物电容)两端产生电压的效应去除。交流电流(AC)源62表示由定子线圈所生成的在铜绞线22与线圈外导电电极64之间的AC电压。
在操作中，认为实施本发明的多个方面的以内置的方式构造的均压布置提供了至少以下的示例优点：
降低了罗贝尔填充物的厚度，这又允许了相对更厚的地壁绝缘体。厚度降低还有助于改进经由填充物的线圈浸渍；
维持高的绞线间电阻，以使得定子线圈能够可靠地满足可应用的电隔离要求；
改进定子线圈在经受功率因数tip-up测量时的验收比率。对于期望了解关于功率因数tip-up测量的总体背景信息的读者，参照通过引用合并到本文中的题为“IEEE Recommended Practice for Measurement ofPower Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation”的IEEE标准286-2000；以及/或者
消除了对外部均压电阻器的需要，外部均压电阻器通常需要相当大数目的繁重且昂贵的焊料连接。
尽管已经在此处示出并描述了本发明的多种实施方式，但是将会明显的是这样的实施方式仅是作为示例来提供的。在不偏离本发明的情况下可以进行各种变化、改变和替换。据此，意图仅由所附权利要求的精神和范围来限制本发明。

Claims (20)

1.一种电机，包括：
转子；
定子，其工作上耦接到所述转子，所述定子包括至少一个高压定子线圈，所述至少一个高压定子线圈包括：
多条线圈绞线，其被布置成形成线圈绞线堆；
多个通风管，其被布置成传递冷却气体以冷却所述线圈绞线堆；
填充材料，其被设置在所述线圈绞线堆的顶面和底面上；
第一均压结构，其被以内置的方式构造在所述至少一个高压定子线圈中所述线圈绞线堆的所述顶面处，以及第二均压结构，其被以内置的方式构造在所述至少一个高压定子线圈中所述线圈绞线堆的所述底面处，所述第一均压结构和所述第二均压结构中的每个包括：
电隔离层，所述电隔离层在所述填充材料上；
导电层，所述导电层在所述电隔离层上；以及
导电条，其定位在所述导电层上，所述导电条电连接到所述线圈绞线中的至少一条线圈绞线，以将所述导电层与所述线圈绞线堆之间的电容效应分路并且强制所述导电层相对于所述线圈绞线堆基本处于共同的电压电平，由此避免过电压状态。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电隔离层是相对于所述导电层布置的以避免经由所述导电层在所述线圈绞线和/或所述通风管中形成电互连，由此防止所述线圈绞线和/或所述通风管之间的电短路。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述导电层被布置成形成对于所述线圈绞线和/或所述通风管的电屏蔽体。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电隔离层包括玻璃衬底云母带形成的层。
5.根据权利要求4所述的电机，其中，所述电隔离层具有范围在大约0.005英寸至大约0.006英寸的厚度。
6.根据权利要求1所述的电机，其中，所述导电层包括碳填充的导电带形成的层。
7.根据权利要求6所述的电机，其中，所述导电层具有范围在大约0.005英寸至大约0.006英寸的厚度。
8.根据权利要求1所述的电机，其中，所述导电条包括金属条。
9.根据权利要求1所述的电机，其中，所述填充材料被布置成使在所述线圈绞线堆的所述顶面和所述底面处的不连续处变得平滑。
10.根据权利要求1所述的电机，其中，所述填充材料包括树脂浸渍纤维，其中，所述纤维选自芳纶纤维和聚酯纤维。
11.一种高压定子线圈，包括：
多条线圈绞线，其被布置成形成线圈绞线堆；
多个通风管，其被布置成传递冷却气体以冷却所述线圈绞线堆；
填充材料，其被设置在所述线圈绞线堆的顶面和底面上；
第一均压结构，其被以内置的方式构造在所述高压定子线圈中所述线圈绞线堆的所述顶面处，以及第二均压结构，其被以内置的方式构造在所述高压定子线圈中所述线圈绞线堆的所述底面处，所述第一均压结构和所述第二均压结构中的每个包括：
电隔离层，所述电隔离层在所述填充材料上；
导电层，所述导电层在所述电隔离层上；以及
导电条，其定位在所述导电层上，所述导电条电连接到所述线圈绞线中的至少一条线圈绞线，以将所述导电层与所述线圈绞线堆之间的电容效应分路并且强制所述导电层相对于所述线圈绞线堆基本处于共同的电压电平，由此避免过电压状态。
12.根据权利要求11所述的定子线圈，其中，所述电隔离层是相对于所述导电层布置的以避免经由所述导电层在所述线圈绞线和/或所述通风管中形成电互连，由此防止所述线圈绞线和/或所述通风管之间的电短路。
13.根据权利要求11所述的定子线圈，其中，所述导电层被布置成形成对于所述线圈绞线和/或所述通风管的电屏蔽体。
14.根据权利要求11所述的定子线圈，其中，所述电隔离层包括玻璃衬底云母带形成的层，所述导电层包括碳填充的导电带形成的层，每条带都具有范围在大约0.005英寸至大约0.006英寸的厚度。
15.根据权利要求11所述的定子线圈，其中，所述填充材料被布置成使在所述线圈绞线堆的所述顶面和所述底面处的不连续处变得平滑，并且所述填充材料包括树脂浸渍纤维，所述纤维选自芳纶纤维和聚酯纤维。
16.一种用于高压定子线圈的均压结构，所述定子线圈包括被布置成形成线圈绞线堆的多条线圈绞线，所述定子线圈还包括被布置成传递冷却气体以冷却所述线圈绞线堆的多个通风管、以及被设置在所述线圈绞线堆的顶面和底面上的填充材料，所述均压结构包括第一均压结构，被布置成以内置的方式构造在所述高压定子线圈中所述线圈绞线堆的所述顶面处，以及第二均压结构，被布置成以内置的方式构造在所述高压定子线圈中所述线圈绞线堆的所述底面处，所述第一均压结构和所述第二均压结构中的每个包括：
电隔离层，所述电隔离层在所述填充材料上；
导电层，所述导电层在所述电隔离层上；以及
导电条，其定位在所述导电层上，所述导电条电连接到所述线圈绞线中的至少一条线圈绞线，以将所述导电层与所述线圈绞线堆之间的电容效应分路并且强制所述导电层相对于所述线圈绞线堆基本处于共同的电压电平，由此避免过电压状态。
17.根据权利要求16所述的均压结构，其中，所述电隔离层是相对于所述导电层布置的以避免经由所述导电层在所述线圈绞线和/或所述通风管中形成电互连，由此防止所述线圈绞线和/或所述通风管之间的电短路。
18.根据权利要求16所述的均压结构，其中，所述导电层被布置成形成对于所述线圈绞线和/或所述通风管的电屏蔽体。
19.根据权利要求16所述的均压结构，其中，所述电隔离层包括玻璃衬底云母带形成的层，所述导电层包括碳填充的导电带形成的层，每条带都具有范围在大约0.005英寸至大约0.006英寸的厚度。
20.根据权利要求16所述的均压结构，其中，所述填充材料被布置成使在所述线圈绞线堆的所述顶面和所述底面处的不连续处变得平滑，并且所述填充材料包括树脂浸渍纤维，其中，所述纤维选自芳纶纤维和聚酯纤维。
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