CN1222264A - 导电体、导电体装置以及用于使大型电机的导电体绝缘的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大型电机的绕组并沿纵向(2)设置和沿垂直于纵向(2)的堆叠方向(3)可堆叠的导电体(1)。该导电体具有堆叠面(4),该堆叠面由具有硬化的粉状漆(5)的高压绝缘层(6)所覆盖。本发明还涉及一种用于大型电机上导电体(1)高压绝缘的方法,其中该导电体(1)在20℃至70℃下用粉状漆(5)涂覆,该粉状漆(5)在120℃至200℃下硬化。

Description

导电体，导电体装置以及用于使大型电机的导电体绝缘的方法

本发明涉及一种用于大型电机，尤其是涡轮发电机的绕组上的导电体，这种导电体具有纵向和垂直于纵向的堆叠方向。本发明还涉及一种在一大型电机中由这种导电体相互堆叠而成的导电体装置以及一种使导电体绝缘的方法。

在WO 92/20140Al中描述了一种具有纵向和垂直于纵向的堆叠方向的导电体，它可与大量的同样的导电体在堆叠方向上相堆叠，其中，在每两个导电体间至少插入一绝缘层。这种导电体从纵向看过去具有缝隙，这些缝隙与相邻导电体的相应缝隙和绝缘层的缝隙至少部分重叠。通过在其中设有绝缘层的所堆叠的导电体形成沿叠堆方向延伸的用于冷却气体，尤其是空气或氢气的冷却通道。在导电体上通过冲压和铣削形成缝隙的过程中出现锐棱，这种锐棱可能会导致所不期望的相邻导线间的电连接以及因此产生的短路。这种所不期望的电连接按照WO 92/20140Al是这样来避免的，即缝隙被安设在一沿纵向延伸的导电体的槽内。由此当堆叠时在有时会带有锐棱的一缝隙的出口与一堆叠在其上的绝缘层和一接在上面的另一导电体之间形成一间隙。因此避免了对缝隙的后处理，如去毛刺，倒圆或倒角，以及由此所带来的加工费用的上升。由于绝缘层不同的热膨胀系数以及可能具有的吸湿特性可能会通过该绝缘层对缝隙实现至少部分的封闭。由此一方面由于缝隙的流体横截面以及另一方面由于在棱沿上出现的涡流和分离效应使冷却通道内的流阻被加大，以至于使冷却作用很少。由此产生所不期望的对大型电机冷却的减少，最不利情况会导致冷却不充分。

在DE-ASl242744中在电机转子绕组的部分导电体的铣削槽内放置多个特殊的配件，这些配件应当保证冷却气体的径向流量损耗特别小。为了改善绝缘和避免所不期望的电跃变，在两个相互堆叠的部分导电体之间插入一绝缘层，该绝缘层从槽中突伸出来并覆在各自的配件上。由此虽然避免了所不期望的冷却气体流的减少，然而随之而来的却是导致花费更多的材料并使生产成本增大。

在DE 3528492Al中提供了一种用于保护具有金属丝绕线圈的电部件，亦即具有最小电功率的电部件的方法。在这种方法中带有涂敷粉料的热固性树脂层被涂覆在环氧树脂基层上，以使金属丝绕线圈连接到一机械单元上。涂敷粉料在固化过程中具有这样的粘性，可以渗入各金属丝绕线圈之间并如同流动的人造树脂使它们相互间牢固连接，因而实现浸渍。在借助环氧树脂相互连接的金属丝绕线圈上涂敷一用于防潮和防含盐分空气侵蚀的第二层。该层包围整个绕组束并起到一种良好的防冲蚀保护以及防尘和防磨损的机械保护。此外第二保护层起到了一种附加的绕组机械固连以及一种附加的防潮保护。

在DE 3147221C2中记载了一种直流电机，尤其是用于电动汽车的驱动电机。直流电机具有由矩形截面的裸露的导电金属丝或导电金属带构成的换向极线圈。导电带对各自的线圈匝圈是从旁边缠绕的。对匝圈进行缠绕，使得相邻的匝圈的导电带隔有距离。依次相连的线圈上的相互隔开的导电带在旋转烧结法中用聚乙烯或聚胺脂粉末涂覆，该粉末紧接着被硬化。

本发明的目的在于提供一种用于大型电机的一绕组的导电体，其具有简便而且相对于现有绝缘层改善了的绝缘层。本发明的另一目的是提供一种用于使大型电机的导电体绝缘的方法。

本发明的有关用于一大型电机的线圈的导电体方面的目的是通过一种带有纵向和垂直于轴向的堆叠方向以及至少一堆叠面的导电体来实现的，其中，所述堆叠面被一具有时效硬化的粉状漆的绝缘层所涂覆。这种绝缘层优选可以是一高压绝缘层。

通过至少在堆叠面上涂敷这样一种由时效硬化的粉状漆所组成的绝缘层，生产出一与导电体牢固连接的耐磨的绝缘体。这种绝缘体也可以直接被敷在带有锐棱或不光滑面的导电体上，在此绝缘层耐磨地位于锐棱和不光滑面上，从而可靠地避免了导电体与另一放置在堆叠面上的导电体之间的所不期望的电跃变。绝缘层可以简便地以大型设备技术的比例制造成具有一给定的层厚。这种绝缘层比目前所应用的插入导电体之间的绝缘层具有明显更薄的层厚，由此可以在大型电机的绕组上实现更高的充满度。此外这种绝缘层具有高达180℃的耐热性。

为提高绝缘层的绝缘性能，粉状漆中优选含有云母。云母在涂覆到导电体上之前例如以细颗粒状混入粉状漆中。云母的颗粒大小与绝缘层的层厚相适配，以达到尽可能高的绝缘性能。云母也可以片状云母的形式埋入绝缘层或埋入两个连接涂覆相互连接的绝缘层之间。片状云母是很薄的，可以认为是通过大云母晶体的分裂而得到的较薄层厚的薄片。通过掺入云母可以得到高压绝缘层。

粉状漆优选含有环氧树脂，特别是以双酚-A为基的环氧树脂。往环氧树脂中添加适当的硬化剂，以保证使粉状漆达到期望的硬化程度。当然也可以使用其它的满足大型电机中有关绝缘性能和耐热性能要求的粉状漆。这些例如在DE 3528492Al中引用了热固性覆层粉(粉状漆)作为环氧化酚醛清漆，环氧化甲醛清漆，三环氧丙基异氰的基层以及由诸如双氰胺基，酰胺，碳酸和酚羟基构成的相应硬化剂。

导电体优选完全被绝缘层所覆盖，即全部表面被给定层厚的绝缘层所涂覆。这种全方位包绕导电体的绝缘体保证可靠地避免所不期望的对于另一导电体的电跃变。这种热固性覆层粉(粉状漆)绝缘层也提供了一种对导电体的机械保护，其中特别是通过锐棱覆层使其以简便的方式和方法被倒圆，因此本身不会再伤害其它部件。此外通过减薄绝缘层的层厚可以保证导电体与邻接部件，如另一导电体之间的足够的热传导。

导电体优选呈带状或棒状，尤其可由一种实心的导电材料，主要是金属制成。由此这种导电体适合于例如在涡轮发电机上的大电流传导并排走高热功率热量。

特别是当导电体上具有开孔，例如具有沿纵向定向的缝隙用来在堆叠方向通过冷却流体时，由硬化粉状漆构成的绝缘层可以使各个开孔范围内的棱角变圆并补偿堆叠表面的不平度。用由硬化粉状漆构成的绝缘层同样也可以使各个开孔内部的表面涂覆上一绝缘层。通过该绝缘层可由此得到一光滑的表面，使得通过开孔的冷却流体，特别是空气或氢气的流阻很小，当具有开孔的导电体堆叠时可以得到一特别好的，尤其是径向的冷却气体通道，因此使导电体得到特别有效的冷却。此外通过导电体与各自相应堆叠表面的直接接触保证了导电体之间的热传导，这同样促进了排走热量。因此在同样的电功率下由这种导电体制造的电绕组可以更紧凑。在此也可以省支沿纵向延伸用来容纳开孔的槽。在同样结构尺寸的大型电机，尤其是涡轮发电机中，对于径向冷却其功率等级可从20兆伏安到超过400兆伏安，对于直接冷却的涡轮发电机，其功率等级可超过400兆伏安，由此可使功率提高。

根据所需的绝缘性能和所用的热固性覆层粉(粉状漆)，绝缘层的层厚优选为40至200微米之间。同样也可以制成较厚的层厚。

按照本发明，大量的导电体构成一装置，尤其是涡轮发电机的转子绕组，其中至少有两个导电体在堆叠方向相互堆叠，其各自的相互对应的堆叠面采用直接的机械接触，在此至少有一个堆叠面是用绝缘层涂覆的。当一基本相同的导电体以其没有绝缘层的堆叠面放置在另一具有绝缘层的堆叠面上时，通过在导电体的至少一个堆叠面上的涂覆就可以建立起自身足够的绝缘。由于导电体仅需精确配合地相互堆叠，由尽可能相同的导电体所制造的大型电机的绕组就可以特别简便地实现。可以完全去除必要时必须设置在用于冷却流体的相应开孔上的附加绝缘层。当相邻导电体的相互毗连的堆叠面分别具有硬化粉状漆绝缘层时，除了可提高其绝缘性能以外，还可以避免金属磨损，例如金属粉尘的磨损。因此也可以在大型电机运行过程中，在相邻导电体相互摩擦时，避免在导电材料绕组中的金属磨损不可控制地扩展开来，这种磨损有可能导致所不期望的导电体之间或其它导电部件之间的电跃变。

由相互堆叠的导电体构成的装置优选设置在大型电机，尤其是涡轮发电机的沿纵向延伸的一定子或转子的一槽内。采用这种装置可以得到一在热机械学上特别坚固紧凑的绝缘体。由此可以提高大型电机绕组的功率密度，从而提高其自身电功率。

为了绝缘的改善，用含有云母的硬化粉状漆至少部分地覆盖定子或转子的槽同样是可能的。除了绝缘作用以外这种覆盖同样具有机械防护和减少机械磨损的作用，由此使所不期望的产生电跃变的危险性进一步减少。

为使大型电机的导电体绝缘，尤其是高压绝缘，按照本发明这一目的是通过这样一种方法来实现的，导体在20℃至70℃温度下用粉状漆涂覆，并在120℃至200℃，特别是140℃下硬化。

当导电体保持在给定的温度期间，粉状漆硬化所要求的持续时间例如在10至20分钟之间。在涂覆阶段，导电体仅需要很微少的加热。因此，粉状漆的涂覆也可以在炉外进行。

为将粉状漆涂覆在导电体上，适用静电粉喷涂法(EPS)，静电涡流液方法以及静电流态床涂敷法，就如同F.Gruenwald在慕尼黑Carl Hanser出版社1985年出版的《仪器技术加工工艺》第二版第9.5.2.4节中所描述的那样。在静电粉喷涂(EPS)方法中，粉末通过所谓的电晕喷枪或摩擦枪涂覆。在这两种方法中，没有附着残留在导电体上的多余粉状漆不能再被回收和重新利用。环氧树脂粉作为粉状漆其硬化时间当温度在140℃至210℃时为15分钟至5分钟。采用这种环氧树脂粉可以得到具有很好的机械和化学性能的覆层。作为其它的粉状漆可以采用聚胺脂粉状漆，聚脂粉状漆以及丙烯酸树脂粉状漆。在硬化和冷却后可以得到一具有400至200微米均匀绝缘层厚并具有高硬度和高电阻率的单层漆。采用粉末烧结方法(旋转烧结)可以得到一层厚为200至1000微米并具有独特特性，如耐腐蚀性和耐化学性的层。此外粉状漆可以无危险地储存并由于其高达99％的利用率而仅需很低的保管费用。粉状漆的颗粒尺寸优选为30至100微米，其中大多数粉状漆颗粒尺寸小于70微米。

下面借助附图所示实施例对导电体，由导电体构成的位于大型电机转子中的部件以及绝缘方法作进一步详细说明，附图中：

图1为导电体的剖切透视图；

图2为带有由导电体堆叠而成的装置的涡轮发电机转子的剖切透视图；

图3为由导电体堆叠而成的装置的横截面图。

图1给出了对一导电体1剖切后的斜视图，该导电体沿纵向2设置并具有大量的沿轴向2设置的缝隙状开孔7。当冷却流体沿径向通过导体1的时候，这些开孔7用于导体1的径向冷却。每个开孔7平行于垂直于纵向2的堆叠方向3而穿过导体1。导电体具有两个堆叠面4，它们分别位于一个垂直于堆叠方向3的平面上。按照图1所示，上堆叠面用4a，而下堆叠面用4b来表示。导电体1由带状金属实心体来制造。其整个表面，也包括开孔7的表面8用由热固性覆层粉末(粉状漆)5构成的绝缘层6来涂覆。由此金属实心体的全部锐棱和不平面被绝缘层6覆盖，该绝缘层除实现完全绝缘以外还实现了全面的机械磨损保护。绝缘层6相对于金属实心体是明显放大示出的。由于金属实心体除了开孔7以外没有其它的凹槽，如沿着纵向2延伸的槽，因此它具有用于传导电流的特别大的横截面，这对于承受由电流产生的热应力来说是有利的。在由直接相互堆叠的导电体1,1a,1b构成的装置中，这些开孔7形成分别用于输送冷却流体，特别是空气或氢气的冷却通道11。由于在每个导电体1上已经覆有完整的绝缘层6，因此大致相同的导体1可以无需附加绝缘带作为中间层而直接相互堆叠。在此对应的开孔7直接相对，以使开孔7的整个截面都可以用于冷却流体的输送。此外由于绝缘层6构成一平滑表面8，使流阻很小。因此除了构成一特别好的在热机械学上牢固的绝缘体以外还保证了导电体1通过冷却流体得到特别有效的冷却。

图2给出了一涡轮发电机，特别是功率等级超过400兆伏安的涡轮发电机的一转子9的剖切斜视图。在转子9的外圆周上有许多槽10，该槽不仅在径向而且在纵向2用来容纳由堆叠的导电体1构成的部件。为了清晰起见，图中只示出三个带有由堆叠的导电体1a,1b构成的部件的槽10。导电体1a,1b在其内部具有轴向的冷却通道，冷却流体可以直接通过这些通道而实现轴向冷却。与此类似图1中的导电体1可以在转子9中堆叠成便于径向冷却。导电体1a,1b是这样相互堆叠的，使各导体，例如1b的下堆叠面4b与例如导电体1a的上堆叠面4a建立机械接触。通过在径向冷却范围的开孔7和/或相互堆叠导体1的排流形成沿堆叠方向3设置的冷却通道11。通过冷却通道11，如图中用箭头12所表示的，冷却流体，特别是空气或氢气可以流通。与此类似，由导电体1构成的相应装置也可以安放在未示出的包绕涡轮发电机转子的定子的相应槽内。除了简便的绝缘以外也实现了特别有效的冷却，由此实现一特别紧凑的导电体部件。由于流通冷却流体对导电体1特别好的冷却和导电体相互间直接的机械接触可以使每个导电体1导通特别大的电流。因此相对于现有的涡轮发电机在同等电功率下，涡轮发电机的尺寸可以减小，或者在相同尺寸的涡轮发电机中可以提高电功率。

图3示出了相互堆叠的导电体1a,1b(见图1)构成的部件位于大型电机的转子9的一槽10内的横截面。导电体1a,1b是这样设置的，使相应的开孔7分别构成冷却流体流通的冷却通道11。部件借助一制动器13被固定在槽内。在制动器13与部件之间以及槽10的内壁15之间可以设置一附加绝缘或一垫片14。

本发明的出色之处在于对一大型电机，尤其由气体冷却的功率范围从20兆伏安到超过400兆伏安的涡轮发电机中的导电体的绝缘，作为覆盖导电体整个表面的绝缘层由热固性覆层粉(粉状漆)构成。由硬化粉状漆构成的绝缘层套在导电体上，使得其上的锐棱和不平表面自动被覆盖或补偿。因此导电体具有一持久的热机械性稳定的耐高压的完好绝缘。这一点采用现有的方法可简便并快捷地实现。因此可以特别简便地以尽可能相同的导电体相互堆叠构成涡轮发电机的绕组。绝缘层同样也覆盖用于冷却气体径向流过导电体的开孔表面，使得开孔区域可能出现的锐棱被覆盖并因此而绝缘。因此可以在没有附加中间绝缘带的情况下消除在相互堆叠的导电体之间所不期望出现的短接。此外绝缘层还起到防止因导电体之间相互摩擦产生磨损的防护作用，从而也防止了导体间产生金属磨损，这种磨损有可能是导致所不期望的电短接的根源。此外由于绝缘层厚度很薄，也可以在相邻导电体间产生足够的热传导。由于在导电体上除了开孔以外无需另外减小导电体材料，如沿纵向延伸的槽，因此每个导电体可以特别大的截面来传导电流。本发明的导电体因而具有一特别好的绝缘，通过冷却流体可获得有效的冷却并具有用于电流传导的大截面，从而能够在特别紧凑的涡轮发电机结构上实现高的功率输入和输出。

Claims (13)

1．一种用于大型电机的绕组(7)的具有纵向(2)和垂直于纵向(2)的堆叠方向(3)以及至少一堆叠面(4)的导电体(1)，该导电体由具有硬化的粉状漆(5)的绝缘层(6)所覆盖。

2．按照权利要求1所述的导电体(1)，其中所述硬化的粉状漆(5)包含有云母。

3．按照权利要求1或2所述的导电体(1)，其中所述硬化的粉状漆(5)含有环氧树脂，特别是以双酚-A为基的环氧树脂。

4．按照上述任一项权利要求所述的导电体(1)，它完全由绝缘层(6)所覆盖。

5．按照上述任一项权利要求所述的导电体(1)，它呈带状或棒状。

6．按照上述任一项权利要求所述的导电体(1)，其具有开孔(7)，特别是沿纵向(2)设置的缝隙，用于冷却流体沿堆叠方向(3)流通。

7．按照权利要求6所述的导电体(1)，其中位于各开孔(7)内的表面(8)用绝缘层(6)涂覆。

8．按照上述任一项权利要求所述的导电体(1)，其中所述绝缘层(6)的层厚为40至200微米。

9．一种由上述任一项权利要求所述的导电体(1)所构成的装置，其中至少有两个导电体(1a,1b)沿堆叠方向(3)相互堆叠并以其各自的堆叠面(4a,4b)建立直接的机械接触，其中至少有一堆叠面(4a,4b)用绝缘层(6)涂覆。

10．按照权利要求9所述的装置，它设置在大型电机，尤其是涡轮发电机的定子或转子(9)的槽(10)内。

11．按照权利要求10所述的装置，其中所述槽(10)至少部分地由包含有云母的硬化的粉状漆(5)制成的绝缘层(6)所覆盖。

12．一种用于使大型电机的导电体(1)绝缘的方法，其中所述导电体(1)在20℃至70℃下用粉状漆(5)涂覆，所述粉状漆(5)在120℃至200℃，特别是140℃下硬化。

13．按照权利要求12所述的方法，其中所述粉状漆(5)借助静电粉喷涂(EPS)或静电涡流液方法涂覆。

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