CN1246977A - 一种用于旋转电机定子内的装置 - Google Patents

Abstract

在一种用于增强旋转电机的定子的刚度和提高其固有频率的装置中,定子上设有位于定子槽(2)之间的定子齿,定子槽容纳绕组(12),定子齿(4、6)的自由端位于定子和转子之间的气隙处,至少具有一个与相邻的定子齿形成一片的卡圈,且该卡圈跨过每一个定子槽以将定子齿在切线方向上机械固定。

Description

一种用于旋转电机定子内的装置

本发明涉及一种用于提高旋转电机定子的机械刚度和自然频率的装置，该定子上的容纳绕组的定子槽之间设有定子齿，各定子齿的自由端位于定子与转子之间的气隙处。本发明还涉及这种旋转电机。

高压交流电机，如发电厂中用于产生电力的发电机，双端馈电的电机，外电极电机，同步电机和异步静态电流级联变换器，迄今一直被设计成用于15～30kV范围内的电压，并且30kV一般被认为是一个上限。这通常意味着必须通过变压器将发电机连接到电力网以将电压升高到电力网的标准，即大约在130～400kV范围内。

在US 5,036,165中，描述了一种导线，其中绝缘体具有半导体热解玻璃纤维的内层和外层。例如在US 5,066,881中描述过的，在电动机中的导线上设置这种绝缘体也是众所周知的，其中半导体热解玻璃纤维层与形成导线的两个平行的线材相接触，定子槽中的绝缘体被外部半导体热解玻璃纤维层所包围。热解玻璃纤维材料被认为是适当的，因为它即使在浸透处理之后仍保持其电阻率。

在瑞典专利申请9602083-9中描述了这个问题的一个解决方法，该申请描述了一种装置，其中在相邻的定子齿的自由端之间的间隙中插入隔离垫，例如槽楔。这种解决方法的一个缺陷是由于定子振动和定子齿与槽楔中不同的热膨胀容易导致槽楔变松。

在US 4,443,725中也公开了一个插入定子槽中的槽楔专用系统。然而，这个槽楔系统的目的不是提高定子齿的刚度，而是保持电导线在定子槽中的位置。

本发明的目的是提供一种新的解决方法，以解决所讨论的交流电机类型的定子齿中的振动问题，不会具有上述解决方法的缺陷。

这一目的是借助在简介中描述的具有权利要求1记载的特定技术特征的装置和由权利要求10所要求的电机而实现。

通过至少设置一个跨过各定子槽的与相邻定子齿构成一体的增强刚度的卡圈(yoke)，可消除固定定子齿的卡圈在切线方向松动的缺陷。

根据本发明装置的优选实施例，卡圈位于定子槽的顶部。卡圈的定位提供了定子齿的最好的机械支撑。

根据本发明装置的其它优选实施例，卡圈也可以在距离定子槽的顶部一定间距处横跨定子槽，或者形成一组卡圈从距离定子槽的顶部不同间距处横跨定子槽。

根据本发明装置的另一个优选实施例，为了使卡圈能够吸收在切线方向上产生负载，沿着定子槽的方向的宽度不应小于标准宽度2-3mm的下限。

通过用这种方式封闭定子槽，电机的电气性能就会因卡圈而受到负面影响使导致定子槽磁泄漏增加，与之同时的结果是在负载时必须增加励磁，即在励磁绕组中损失增加。增加的定子槽泄漏也影响电机的瞬间反作用力。

封闭定子槽也会降低气隙磁通内的槽谐振，使之只剩下一小部分，一般为敞开定子槽的谐振的5-15％。因此，由定子槽磁力造成的所有的噪声基本上都消失了。

封闭定子槽以降低在励磁损失方面的上述增大，根据本发明装置的优选实施例，卡圈这样构成以便其磁特性就偏离定子齿的磁特性。因此卡圈可以由冲孔的卡圈构成，从而使卡圈材料内的相对导磁率接近数值1，或者通过在经过加工过的卡圈，如经激光加工，为了降低其相对导磁率，最好接近于与数值1相邻的值。

本发明首先是为了用于旋转电机，在该旋转电机中定子绕组穿过定子中的定子槽，且绕组由高压电缆绕制而成，这样的电缆由以下几个部分组成：一根具有多根绞合线的内芯、包围在内芯上的内部半导体层、包围在内部半导体层上的绝缘层、以及包围在绝缘层上的外部半导体层。通过在定子绕组(即XLPE电缆)中使用带有与传输电力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(在下面用术语电缆表示)，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。因此变压器可以去掉。在这种类型的电机中，在其中安装电缆的定子槽通常要比传统技术中的定子槽深，因为电压越高绕组中的匝数越多所需绝缘体就越厚。这就会增加了在位于定子槽之间的定子齿内的机械固有振动问题。在具有较深定子槽的定子中较容易出现由电磁力产生谐振，该振动通常频率为电网频率的两倍。因此与本发明相应的装置的优点特别在于提出了这种电机。

对于与本发明相应的电机，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。这样的电缆是柔性的，由于用于本发明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至少为曲率半径四倍于电缆直径，最好为电缆直径的八倍到十二倍。

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

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。在此叠层材料的性质起决定性的作用，特别是其弹性和热膨胀系数。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在体积方面的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在径向方向的弹性变形被缓冲，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是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，但小到足以不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。

当然，这并不限制在绝缘层中安装一层或多层附加的半导体层。

在下面将参照附图对本发明进行详细的解释，其中

图1所示的是带开口的定子槽单元，

图2所示的是根据本发明设计的定子槽单元，

图3所示的是与本发明相应的一个选择实施例，

图4所示的是图示用于本发明的高压电缆的横断面视图。

图1所示的是定子中叠片铁芯的定子槽单元，包括一个定子槽2和一部分位于定子槽2两侧的定子齿4和6。定子槽用来容纳沿着轴向穿过定子的绕组电缆，且这种电机中的定子槽2较传统电机中的定子槽要深。这就引发了这样的一些缺点，即定子具有较低的自然频率以及在定子齿4、6内容易产生如上所述的振动。

正如从图2中所看到的，与传统的发电机相反，这类电机中的定子槽2像一个带有凸起10的自行车链条，这些定子齿4、6上的凸起位于每根电缆之间，定子齿4、6位于(每两个相邻的)定子槽2之间，从而电缆在径向方向上被固定。因此这种类型的定子槽被称之为“半封闭式”，以使之区别于传统的、敞开的矩形定子槽，后者的直侧面全部直通向气隙。

定子槽开口向位于定子槽顶部的气隙，位于图1的左侧。定子槽的另一端称之为定子槽底。

为了解决上面所讨论的定子中的固有振动的问题，并以及为了增强切向稳定性，见图2，根据本发明，设有跨过定子槽的卡圈14。在该图所示的实施例中，一个卡圈位于定子槽的顶部而另一个卡圈位于定子槽的大致中间的位置。从机械方面而言卡圈最有效的位置是定子槽的顶部。然而，在这种定子槽较深的情况下设置几个卡圈是一个好主意，且在一定的情况下，在定子槽的顶部不具有任何卡圈但仅在定子槽的下部各点处具有卡圈是可以合乎需要的。卡圈(或几个卡圈)14与相邻的定子齿形成一片。通过卡圈获得的切向稳定性提高了固有频率且显著地提高了各个定子齿的刚度，也提高了整个定子体的抗挠刚度。另一个重要的优点是使在气隙处的由转子两极衍生的切向电磁力在定子齿之间均匀地分布。

为了确保卡圈14具有足够的机械支撑，其沿着定子槽的方向的宽度不应小于标准宽度2-3mm的下限。

如上所述，卡圈使定子泄漏增加。增加的泄漏量在任何短路的情况下限制短路电流，并消除或至少降低在气隙磁通量内的定子槽谐振。因此，卡圈14最好具有其磁特性偏离定子齿4、6的磁特性的结构。卡圈14最好具有使卡圈材料内的相对磁化率在数值1附近的结构。这可以通过卡圈的示于图3中的冲孔16实现。然而，必须确保的是，冲孔不会危及卡圈的刚度。或者，通过材料的适当的处理，如经激光处理，降低卡圈材料的磁化率。

图4所示的是图示用于与本发明相应的旋转电机中的高压电缆29的横断面图。例如，高压电缆29是由一些具有圆形横断面的由铜制成的绞合线部件31构成的。这些绞合线31位于高压电缆29的中心且围绕着这些绞合线31是第一半导体层32。围绕着第一半导体层32是如XLPE绝缘体的绝缘层33，围绕着绝缘层33是第尔半导体层34。

Claims (18)

1.一种用于增加旋转电机中定子的机械刚度和自然频率的装置，该定子具有位于各定子槽之间的定子齿，定子槽用来容装绕组，定子齿的自由端位于定子和转子之间的气隙处，其特征在于：至少有一个用来增强刚度并与相邻定子齿形成一片的卡圈，该卡圈跨过每一个定子槽，以将定子齿在切线方向固定住。

2.如权利要求1所述装置，其特征在于；卡圈位于定子槽的顶部。

3.如权利要求1所述装置，其特征在于：形成有卡圈在距离定子槽的顶部一定间距的地方跨过定子槽。

4.如权利要求1所述装置，其特征在于：卡圈沿着定子槽的方向的宽度不应小于标准宽度2-3mm的下限。

5.如权利要求1所述装置，其特征在于：多个卡圈在距离定子槽的顶部不同间距的地方跨过定子槽。

6.如权利要求1-5中的任意一项所述装置，其特征在于：卡圈具有使其磁特性偏离定子齿的磁特性的结构。

7.如权利要求6所述装置，其特征在于：卡圈具有使卡圈材料的相对磁化率接近数值1的结构。

8.如权利要求6或7所述装置，其特征在于：卡圈是冲孔的。

9.如权利要求6-8中的任意一项所述装置，其特征在于：对卡圈内的材料进行处理以降低其磁化率。

10.一种旋转电机，具有穿过定子槽的绕组，其特征在于：绕组是由高压电缆绕制而成，且该电机上设有如权利要求1-9所述的装置。

11.如权利要求10所述电机，其特征在于：高压电缆由以下几个部分组成电缆：一根具有多根绞合线的内芯、包围在内芯上的内部半导体层、包围在内部半导体层上的绝缘层、以及包围在绝缘层上的外部半导体层。

12.如权利要求11所述电机，其特征在于：高压电缆的直径在20-200mm范围内，导电截面积在80-3000mm²范围内。

13.如权利要求10-12中的任意一项所述电机，其特征在于：绕组是具有柔性的，且所述各层之间彼此紧密接触。

14.如权利要求10-13中的任意一项所述电机，其特征在于：所述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，即在运转过程中由温度波动造成的在体积方面的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保持粘附力，

15.如权利要求6或7所述装置，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。

16.如权利要求10-15中的任意一项所述电机，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样大小。

17.如权利要求10-16中的任意一项所述电机，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样大小。

18.如权利要求10-17中的任意一项所述电机，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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