CN1246974A - 一种旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转电机,在定子1上安装有穿过定子槽5的绕组。根据本发明,绕组由高压电缆6组成,其中,定子槽5在径向方向上具有由定子槽的两个壁形成的交替的狭窄部分8和宽阔部分7。在沿着径向的断面内侧壁的断面轮廓内,位于宽阔部分和狭窄部分之间的过渡区段没有凸出的尖角,且侧壁顶靠着电缆。

Description

一种旋转电机

本发明涉及一种在权利要求1的前序部分所描述的那种类型的旋转电机，例如同步电机和标准异步电机以及双端馈电的电机，应用于异步静态电流级联变换器、外电极电机以及同步电机。

在本中请中，术语“径向”、“轴向”以及“周向”是对定子进行的方向限定，除非有明确的说明外，术语“电缆导入”在本申请中指的是穿过定子槽的各个段电缆的长度。

该机器主要是在发电站中用来产生电力的发电机。该机器用于高压。在此高压应理解为超过10KV以上的电压。对于与本发明相应的该机器其特有运行范围可以在36-800KV内。

类似的机器传统上电压都设计在6-30KV范围内，而且30KV通常被认为是上限。通常这意味着发电机必须通过使电压逐步提高到电力网电压的变压器连接到电力网上，即大约为100-400KV。

尽管在向用来输送、二次输电以及配电的高压电网提供电流时目前主流技术是必须在发电机和电力网之间安装如前面在简介中所提到的变压器，但通过直接产生达到电力网水平的电压来努力消除变压器已是众所周知的(方法)。这样的发电机在US-4,429,244、US-4,164,672、US-3,743,867中公开过。

在US-5,036,165中公开了一种导线，在这种导线中，在其内部和外部热解玻璃纤维半导体层上都具有绝缘体。在电机中为导线提供如在US-5,066,881中公开的绝缘体是众所周知的，其中，半导体的热解玻璃纤维层与形成导线的两根平行的线接触，且在定子槽中的绝缘体是由外部热解玻璃纤维半导体层包围的。热解玻璃纤维材料被描述为比较适用，因为即使在经过浸渍处理后依然保持其电阻率。

通过在定子绕组(即XLPE电缆)中使用带有与用来传输电力的电缆中使用的那种绝缘体相似的固体绝缘体的高压绝缘导电线(在下面用术语称之为电缆)，可以使发电机的输出电压增加到可以不需要中间变压器而直接连接到电力网上。

这种原理通常要求定子中的安放电缆的定子槽较传统技术中要深(由于高压而所需绝缘层较厚且绕组匝数较多)。这就引发了一些与线圈末端区段、定子齿以及绕组的冷却、振动以及固有频率相关的问题。

在定子槽中安装电缆也是一个问题，即如何在其外层不被破坏的情况下将电缆插进定子槽中。电缆承受着频率为100Hz的电流会造成一种振动的趋势，而且，除了外径的制造公差外，其尺寸也会随着温度波动(即负载波动)而发生变化。

本发明涉及上面提到的问题：防止在将电缆插进定子槽时电缆的外部遭到破坏，防止在工作期间由振动对表面造成的磨伤。

一种特有的缺点是电缆可能会在进入定子槽的狭窄部分和宽阔部分之间的过渡区段时被定子槽壁损伤。如果定子槽是由用于电缆导入的带环形扩大部分的两个面对的平滑定子槽壁组成，就会在定子槽壁内形成锋利的边缘，这些扩大部分就构成了宽阔部分。这些锋利的边缘不但在绕制线圈过程中可能会损伤电缆而且会在运转过程中也会损伤电缆。通过压力元件将电缆压在定子槽壁的一面或两面上，在运转期间使电缆至少被逐点支承是很重要的。该目的是为了减小电缆中的振动。这样电缆就存在电缆被压在这些锋利边缘的一个上的缺点，且部分由于不能完全抑制振动的原因以及部分由于热效应在电缆中造成的运动的原因，外部半导体层就因此可能产生磨损或遭到损伤。

在传统的旋转电机(例如在低于高压范围工作的电机)中，其具有用于绕组的定子槽，定子槽具有交替的宽阔部分和狭窄部分，这种电机很早就在FR2594271中公开，其定子槽就没有任何锋利边缘，这是由于在这种机器中定子槽的尺寸相对较小。在这些定子槽中，没有精心确定宽阔部分和狭窄部分之间的过渡部分，因此在该过渡部分处会出现锋利的边缘。这样的机器不能解决本发明所指向的问题，即在能够在高压范围内运转的机器中防止电缆遭到锋利边缘的损坏。

本发明的目的是消除或至少降低在能够在高压范围内工作的旋转电机中以这种方式产生损伤的缺陷。

根据本发明，该目的可以通过具有在其特征部分限定的特定技术特征的权利要求1的前序部分中描述的那种旋转电机来实现。

所描述的具体问题通过改变定子槽壁的断面形状来实现，从而在电缆能够与定子槽壁产生接触处没有尖角产生。而且通过绕组的特定的特征，这种机器可以用于高压范围内。

在与本发明相应的结构中，绕组由带固态压挤绝缘体的那种类型的电缆构成，像目前用于配电的那些电缆，如XLPE-电缆或带EPR绝缘体的电缆。这样的电缆包括：一根具有一根或多根绞合线的内芯、包围在内芯上的内部半导线层、包围在内部半导线层上的绝缘层、以及包围在绝缘层上的外部半导线层。这样的电缆是柔性的，由于用于与本发明相应的装置的技术主要是以绕制线圈系统为基础，其中绕组是电缆组成的，电缆在安装过程中会被弯曲，所以电缆的柔性是很重要的性质。XLPE-电缆的柔度通常相当于直径为30mm长度约为20厘米的电缆的曲率半径。在本申请中，术语“柔性”通常被用来表示绕组的柔度，可使曲率半径小到为电缆直径四倍的程度，比较好的为电缆直径的八倍到十二倍。

形成的绕组在其被弯曲时和在运转期间经受热应力时要保持其特性。在这种情况下各叠层彼此间保持紧密接触是至关重要的。在此叠层的材料的性质是起决定性的，特别是其弹性和相对热膨胀系数。例如，在一种XLPE-电缆中，绝缘层由低密度的交联聚乙烯组成，而半导体层由混有碳黑和金属微粒的聚乙烯构成。由于温度波动造成的体积变化作为在电缆半径方面的变化被完全吸收，而且由于在各层的热膨胀系数的之间差别相对于这些材料的弹性相对较小，所以尽管产生径向膨胀但各层间不会产生分离。

上述材料组合仅仅作为例子。其它组合也可以实现这种规定的条件且也可实现电阻率在10^-1-10⁶欧姆/厘米范围内的半导电条件，例如1-500欧姆/厘米或10-200欧姆/厘米，自然也落在本发明的范围内。

绝缘层可以由一种固态热塑材料组成，如低密度的聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)、如交联聚乙烯(XLPE)的交联材料、或如乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶那样的橡胶。

内部和外部半导体层可以是相同的原料但带有像混入的碳黑或金属粉末那样的导电材料的微粒。

这些材料的机械性能，特别是它们的热膨胀系数，受是否混入碳黑或金属粉末的影响相对较小，至少在所需达到的与本发明相应的必要的导电率方面是这样。因此绝缘层和半导体层实质上具有相同的热膨胀系数。

乙烯乙酸乙烯酯共聚物/腈橡胶、丁基接枝聚乙烯、乙烯乙酸丙烯酯共聚物以及乙烯基丙烯酸乙酯共聚物也可以构成用作半导电层的适当的聚合物。

即使在各层中使用不同类型的材料时，也可以使它们的热膨胀系数基本相同。这是上面列出的材料的组合的情况。

上面列出的材料具有相对较好的弹性，弹性模量E＜500MPa，最好＜200MPa。

这种弹性足以使各层中的材料的热膨胀系数之间的微小的差别由径向方向的弹性变形所缓冲，从而不会出现裂纹或任何损伤，且从而各层彼此之间也不会剥离。各层中的材料是有弹性的，且各层间的粘附力至少与所有材料中的最小的粘附力的数量级相同。

两层半导体的导电率足以使沿着各层的电势基本相等。外层半导体层的导电率达到足以屏蔽电缆中的电场，但小到不足以产生由在该层的纵向方向感应出的电流的显著损失。

因此比较好的是，两层半导体层的每一层都构成一个等势面且具有这些(半导体)层的绕组将基本上将电场屏蔽在其中。

但这并不限制在绝缘层中安装一层或多层附加的半导体层。

本发明特别涉及这样一种电缆，其直径在20-200mm范围之间，导电面积在80-3000mm²范围之间。

与本发明相应的旋转电机的这些和其它的优选实施例将用权利要求1的从属权利要求进行限定。

在下面参照附图的实施例的说明中对本发明进行详细的解释。

图1所示的是与本发明那种类型的电机定子的一部分的原理性端视图，

图2是用于与本发明相应的电机中电缆的横断面图，

图3是定子槽径向断面图的一部分，示出本发明的第一个实施例，

图4是示出本发明第二个实施例的定子槽的径向横断面的局部放大图，

图5是图示本发明第三个实施例的定子槽的径向横断面视图，

图6是图示本发明第三个实施例的定子槽的径向横断面视图，

在图1所示的电机定子1的一部分的原理性的轴向视图中，其转子用附图标记2来表示。定子按照惯例是由一个叠片铁芯构成。该图所示的是与单极单元相应的电机的一个区段。一些定子齿4从位于径向方向的最外部的铁芯的轭(yoke)部分3沿径向方向向内伸向转子2，定子齿4由用来安装定子线圈的定子槽5分隔开。绕组线圈中的电缆6是高压电缆且基本上是与用于电力分配的那些高压电缆相同，如XLPE电缆。一个区别是通常包围在电缆外部的机械保护套和金属屏蔽物可以去掉。因此电缆可以仅仅有导线、内部半导体层、绝缘层和外部半导体层组成。因此对于来自电缆外部的机械损坏敏感的半导体层就暴露在外。

在该图中，对电缆6作了示意性的表示，只有电缆的中心导电部分或线圈边缘被画出来了。正如所能看到的，每一个定子槽5都有交替的狭窄部分8和宽阔部分7的变化的交会变化区段。宽阔部分7基本上呈环形且将电缆的引入部分包围起来，因此在这些宽阔部分之间的收敛腰部形成狭窄部分8。收敛部分对电缆导入部分起到了径向定位的作用。定子槽的横断面作为一个整体在径向方向上也变得比较窄。这是因为电缆导入部分的应力越低电缆就越沿径向方向靠近定子的最内部。因此在此处使用电缆导入部分就要细一些，而越往外所使用的电缆就越粗。在图示的例子中使用了三种不同尺寸的电缆，并被安装在尺寸与之相适应的定子槽5的三个区段9、10、11。

图2所示的用于本发明的高压电缆6的横断面视图。高压电缆6具有的一些由铜制成的绞合线31，并具有环形断面。这些绞合线部件31位于电缆6的中心。围绕着绞合线31是第一半导体层32。围绕着第一半导体层32是绝缘层33，即XLPE-绝缘体，而围绕着绝缘层33是第二半导体层34。因此，在本申请中“高压电缆”的概念不必包括通常包围在用于电力分配的电缆外部的金属屏蔽物和套。

图1中的每一个定子槽5能够基本上被描述成由带有平滑径向壁的定子槽构成，在该壁上设有作为电缆通道的环形扩大部分。因此采用这种基本形式，在每一个宽阔部分7和狭窄部分8之间的过渡部分就会产生锋利边缘。

这在图3中表示出来，图3是一个与图1中所示的定子槽5相似的定子槽放大的径向断面图，但为了解释发明的构思而有些变化。

在该图的下部，画出了一个电缆导入部分6，由壁面轮廓形成的尖角，在尖角处包围电缆的环形区段与定子槽的狭窄区段8b相交，尖角用附图标记14来标记。当电缆在工作期间受到振动时和当电缆在受到来自于用于使电缆到位的夹紧装置(图中为给出)的径向和/或切向方向的力的作用而被固定并压向定子槽壁时，这样的尖角会极大地损伤外部半导体层34。

图中的上部，在宽阔部分7a和7b之间，图示出狭窄部分8b是如何根据本发明的优选实施例进行设计的。此处的定子槽壁的轮廓在相邻的弧形部分15和19之间的狭窄部分8a内采用的是一个弧17的形状。该弧17与弧15和19在其外侧点16和18相切。因此狭窄部分8a和相邻的宽阔部分7a之间的过渡部分就比较平缓，且没有像尖角14那样的会损伤位于宽阔部分7a和7b内的电缆导入部分的外部半导体层的尖角。

正如所提到的，图3的目的仅仅在于解释本发明且需要明确的是与本发明相应的定子槽没有任何与尖角14相同的尖角由于所有的狭窄部分都形成图3中的8a部分那样。

尽管定子槽壁的狭窄部分的整个区段17在此是一种弧形，需要明确的是这也并不是必须的。重要的是区段15和19之间的过渡部分没有尖角，这能够通过将仅仅在过渡区段内的侧面磨圆就可达到。这样的实施例在图4中图示出来。

该图(图4)图示出位于狭窄部分8内的三种不同的侧壁轮廓。13表示的与图3相应的轮廓13，即在该处会存在电缆6受到尖角14损伤的缺点。17指的是整个狭窄部分采用图3中在8a处所示弧形17的形式。20、21、22指的是与本发明的另一个实施例相应的轮廓。在此，一段较短的弧20、22与宽阔部分的弧15和19相连，这两个弧形部分由直线21连接起来。在此处形成了尖角23、24，但弧形区段20、22的长度足以确保这两个尖角远离电缆，从而不存在电缆与其中任何一个尖角接触的缺点。因此，重要的是避免尖角位于电缆的相邻位置。弧形部分20、22也可以由其它曲线代替，包括直线，使之在切点处与宽阔弧形区段15和19相连。当然，区段20和22之间的区段21也可以有其它可以选择的形状。

即使在定子槽5的宽阔部分7和狭窄部分8是非对称时本发明也可以使用。图5和6所示的就是这样的非对称定子槽的两个例子。图5所示的是一个平滑定子槽壁和一个设有由狭窄部分形成的波浪形的定子槽壁。在图6中每一个狭窄部分都由一个位于一侧的平滑定子槽壁和位于另一侧的波浪形定子槽壁构成，平滑和波浪形的侧壁在定子槽的两壁上交替布置。

Claims (15)

1.一种旋转电机，将绕组穿过定子的槽(5)而安装在定子中，其特征在于：绕组是由高压电缆(6)组成的，该电缆是柔性的且包括以下部分：由内部半导体层包围着导电内芯、包围在内部半导线层上的绝缘层、以及包围在绝缘层上的外部半导线层；所述各层之间彼此紧密接触，各层由具有弹性的材料构成，并这些材料的热膨胀系数之间具有这样关系，即在运转过程中温度波动造成的在体积变化可被这些材料的弹性变形吸收，从而在运转期间各层在温度波动的情况下彼此仍保持粘附力，而且定子槽(5)具有由定子槽的两个壁形成的沿着径向方向交替出现的狭窄部分(8)和宽阔部分(7)，在径向方向区段内的侧壁具有没有凸出尖角的轮廓，至少在侧壁顶靠电缆(6)的表面处的轮廓没有尖角。

2.如权利要求1所述旋转电机，其特征在于：所述的轮廓没有尖角。

3.如权利要求1或2所述旋转电机，其特征在于：所述的轮廓，沿着至少一个侧壁，在宽阔部分(7)处设有凹入的弧形区段(15，19)和在狭窄部分(8)处设有将弧形区段(15，19)连接起来的凸出的曲线区段(17，20，22)。

4.如权利要求3所述旋转电机，其特征在于：凸出的曲线区段(17，20，22)是弧形。

5.如权利要求3或4所述旋转电机，其特征在于：形成区段(17，20，22)的狭窄部分(8)是凸出的曲线。

6.如权利要求5所述旋转电机，其特征在于：形成区段(17，20，22)的狭窄部分(8)是弧形。

7.如权利要求1-6中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：定子槽(5)相对于经过定子槽中间的径向平面是对称的。

8.如权利要求1-6中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：定子槽的一个壁(25)基本上是平直的。

9.如权利要求2-6中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：每一个定子槽壁的轮廓都有平直区段(26)交替地将两个宽阔部分(7)彼此连接起来并与两个宽阔部分(7)的弧形区段(15)相切。

10.如权利要求1-9中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：电缆(6)是一种含有带多根绞合线部分(31)的内芯的电缆。

11.如权利要求1-10中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：高压电缆(6)的直径在20-200mm范围内，导电面积在80-3000mm²范围内。

12.如权利要求10或11所述旋转电机，其特征在于：构成所述电缆的各层中的材料具有较高的弹性，弹性模量E小于500MPa，最好是小于200MPa。

13.如权利要求10-12中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：构成所述电缆的各层中的材料的热膨胀系数基本上是同一大小。

14.如权利要求10-13中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：构成所述电缆的各层之间的粘附力至少与材料中最弱的粘附力是同一的。

15.如权利要求10-14中的任何一项所述旋转电机，其特征在于：每一个半导体层基本上都构成一个等势面。

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