CN1246979A - 旋转电机 - Google Patents

Abstract

一种装置,用于避免一个旋转电机内定子(1)的线圈端部包中各电缆之间的磨损,该装置包括一个弹性层(10),该弹性层(10)配置在两根电缆(4)之间的接触区(5)中。弹性层(10)一直到在弹性材料中剪切之前,允许各电缆(4)之间有一定量的相对运动。该层由一个外套(10)形成,在该外套(10)中,将每根电缆被包围在接触区(5)中。电缆由一高压电缆(4)构成。外套(10)由一螺旋形带子(11)形成,带子(11)用电绝缘材料或导电材料制成。

Description

旋转电机

本发明涉及各种旋转电机，如：同步电机类、以及双路馈电式电机类、在异步静态换流器级联、外部旋转电机和同步流动电机类等中的应用。本发明涉及按照权利要求1前序部分所述的这样一种电机。该电机装备有一个装置，用于避免电机内定子的线圈端部包中各导体之间的磨损。按照本发明的电机打算供高压用，所谓高压指的是电压超过10kV。用于按照本发明的装置的典型工作范围可以是36kV-800kV。

本发明所针对的问题在高压交流电机方面已经出现，该高压交流电机首先打算作为电站中的发电机，用于发出电力。这些电机按常规已经设计成用于15-30kV范围内的电压，而30kV通常被认为是一个上限。这一般意味着，一个发电机必须经过一个变压器连接到电力网上，该变压器将电压升高到电力网的水平，亦即电压在约130-400kV范围内。

在专利文献US-A 2,885,581中，问题是当磁场强度随电机尺寸增加而增加时，防止在各线圈端部中运动。一种刚性连接是利用浸渍来完成。在专利文献US-A 2,959,699中，围绕各线圈端部的搭接部分之间形成一层坚硬材料，因此围绕芯线形成一个坚硬材料圆柱体来减少运动。

通过专利文献US-A 5,036,165已知一种导体，其中绝缘体装备有一个内层和一个外层，该内层和外层均用半导电的高温热解玻璃纤维制成。还知道在具有这种绝缘体的电动发电机中提供各种导体，例如如专利文献US-A 5,066,881中所述，此处一个半导电的高温热解玻璃纤维层与形成导体的两个平行杆件接触，而各定子槽中的绝缘体被一个半导电的高温热解玻璃纤维制的外层包围。高温热解玻璃纤维材料被认为是合适的，因为即使在浸渍处理之后，它还保持其电阻率。

通过采用高压绝缘的电导体，在下文称为电缆的电机的定子绕组中，它们具有坚硬的绝缘体，这些绝缘体与用于输送电力的电缆(如交联聚乙烯电缆XLPE)中所用的绝缘体类似，所以电机中的电压可以增加到这样水平，以致它能直接连接到电力网上，而不用中间变压器。因此常用的变压器可以省去。

在用这些高压电机的情况下，问题也产生了，其中各电缆具有振动的倾向，使这些大的线圈端部包在比电力网频率高一倍的频率(也就是在电网频率为50Hz的电力网中是100Hz，而在一标准电网频率为60Hz的电力网中是120Hz)中相互振动，并且振幅约为0.1mm。各电缆都装备一个外半导电层，通过该半导电层将限定它们相对于围绕层之间的电位，由于各电缆在线圈端部包中贴着相邻的电缆磨损，因此它们容易损伤。

本发明的目的是解决上述问题，而这是通过权利要求1前序部分中所述的电机来达到，由权利要求1的特征部分中的特征进行限定。这种技术方案意味着，各电缆彼此之间固定，同时允许一种相对运动，在相对运动时各电缆不相互摩擦。

本发明首先打算供一类高压电缆用，并且它的一些优点在这里特别显著，这类高压电缆由一根芯线装配而成，高压电缆包括：许多股绞合线部分；一个内半导电层；一个绝缘层；和一个外半导电层；上述半导电层包围芯线，绝缘层包围内半导电层，而外半导电层包围绝缘层。本发明特别涉及这样一种电缆，该电缆具有一个在20-200mm范围内的直径和一个在80-3000mm²之范围的导电面积。因此本发明的这些应用构成了其优选实施例。

在按照本发明的电机中，各绕组最好是相当于具有坚硬的、挤塑而成的绝缘体的电缆那一类，如目前用于配电的那些电缆，例如交联聚乙烯(XLPE)电缆或具有乙丙橡胶(EPR)绝缘体的电缆。这种电缆包括：一个内导体；一个内导电层；一个坚硬的绝缘层和一个外半导电层；上述内导体由一股或多股绞合线构成，内半导电层包围导体，坚硬的绝缘层包围内半导电层，和外半导电层包围绝缘层。这些电缆是可弯曲的，在这种情况下是一个重要性质，因为用于按照本发明的装置的工艺主要是以绕组系统为基础，在这些绕组系统中，绕组由电缆形成，此电缆在装配期间是弯的。一根XLPE电缆的可弯性通常相当于一个曲率半径，对直径为30mm的电缆来说，曲率半径约为20cm，而对于直径为80mm的电缆来说，曲率半径约为65cm。在本专利申请中，术语“可弯曲的”用来表明该绕组可向下弯曲到一个曲率半径，该曲率半径约为电缆直径的4倍，最好是电缆直径的8-12倍。

绕组应制造成甚至当它弯曲时和当它在工作期间受到热应力时，也能保持它的各种性质。重要的是，在这种情况下，各层保持它们的相互粘合。这里各层材料的性质，特别是它们的弹性和相对热膨胀系数是决定性的。例如，在XLPE电缆中，绝缘层由交联低密度聚乙烯构成，而各半导电层由其中混合有碳黑和金属微粒的聚乙烯构成。由于温度波动而引起的体积改变随着电缆中半径的改变而被完全吸收，并且由于在各层中热膨胀系数相对于这些材料的弹性有比较轻微的差异，可能会发生径向膨胀，而各层之间的粘合则没有损失。

上述各种材料组合应当只看作是一些例子。满足规定的一些条件及还有半导电性条件的其它组合自然也属于本发明的范围，半导电的条件亦就是电阻率在10^-1-10⁶ohm-cm范围内，如1-500ohm-cm，或10-200ohm-cm。

绝缘层可以由例如一种坚硬的热塑性材料构成，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)、各种交联材料如交联聚乙烯(XLPE)或橡胶如乙丙橡胶(EPR)或硅橡胶。

内导电层和外导电层可以是同样的基本材料，但是其中混合有导电材料微粒如碳黑或金属粉。

这些材料的各种机械性质，尤其是它们的热膨胀系数受其中是否混合有碳黑或金属粉的影响比较小——至少按所要求的比例来达到按照本发明所必需的电导率。因此绝缘层和各半导电层具有基本上相同的热膨胀系数。

乙烯乙酸乙烯酯共聚物/丁腈橡胶、丁基接枝聚乙烯、乙烯丙烯酸丁酯共聚物和乙烯丙烯酸乙酯共聚物也可以构成用于半导电层的合适聚合物。

甚至当在各层中采用不同类型的材料作为基本材料时，对它们的热膨胀系数来说，最好是基本上相同。这是具有上面列举的各种材料组合的情况。

上面列举的各种材料具有比较好的弹性，它们具有E＜500MPa，最好是E＜200MPa的E-模量。

对于各层中材料的热膨胀系数之间的任何较小差异来说，该弹性足够在该弹性的径向方向上被吸收，因此没有裂纹出现，或任何别的损伤，并且各层不会相互分离。各层中的材料是有弹性的，并且各层之间的粘合至少是与这些材料中最弱的具有相同的量级。

两个半导电层的电导率足够基本上使沿着每一层的电位相等。外半导电层的电导率足够大到包围电缆的电场，但不会足够小到由于在该层纵向方向上的感应电流而产生重大损失。

因此，两个半导电层中的每一层基本上构成一个等位面，而绕组和这些层一起，将基本上把电场包围于其内。

当然，没有任何东西能阻止在绝缘层中配置一个或多个附加的导电层。

现在将参照附图更详细地说明本发明，其中：

图1示出在一个交流发电机中定子的一端处，一部分线圈端部的透视图，

图2示出穿过一根定子绕组中所用类型的电缆的横截面图，

图3示出穿过线圈端部包中一根电缆的横截面图，该线圈端部包包括一个按照本发明的装置，

图4示出线圈端部包中两根电缆之间的接触区，和

图5示出按照本发明制造的一种装置。

图1示出了交流发电机的一部分线圈端部包。定子1用它的内部垂直表面2以一间隙包围发电机的转子。形成绕组的各个电缆4在定子1的上表面3中的一个槽内以弧形伸出，并进入该定子的另一个槽中。这些电缆或线圈的圆弧形成线圈的端部，上述端部相互接触。一个这样的触点在图1中用5标出。

各个弧形线圈端部变成比较松散而光滑，并且在约100Hz的频率工作期间，由各电缆所达到的振动水平造成在接触区中各电缆之间的相对运动，一个相对运动具有约0.1mm的幅度。这种运动会在各电缆之间产生阻尼磨损，在这种情况下，各电缆没有包皮。

图2示出穿过一根电缆4的横截面，该电缆4和本发明一起使用。电缆4由一个芯线6构成，该芯线6包括许多股绞合线部分，并具有圆形横截面，上述绞合线部分例如是用铜制成。这个导体6配置在电缆4的中部。围绕导体6的是第一半导电层7。围绕该第一半导电层7的是一绝缘层8，如交联聚乙烯(XLPE)绝缘体，而围绕该绝缘层8的是第二半导电层9。因此，在这种情况下，一根电缆不包括外面的接地屏蔽，这种外面的接地屏蔽通常是包围配电用电缆的。该电缆可以是引言部分中规定的尺寸。

图3示出穿过这一根电缆的横截面，该电缆包括一个按照本发明的装置。为了避免在各电缆之间的接触区中磨损，各电缆必须相互固定，同时允许一种相对运动，这种相对运动不会引起各电缆相互摩擦而磨损。因此，各电缆4在接触处装备有一个外套10。

外套10由一个绕成螺旋形的带子11(见图4)构成。外套10中的材料不限于任何专用材料，而可以是任何种类的具有一定弹性的材料。不需要此种材料是电绝缘的。尽管在某些机械设计中绝缘材料可能是优先选用的，但它也可以是导电的。

图4示出各电缆是如何在接触点处相互固定的，它们是利用一个成一束扎线12形式的固定装置固定的。对各电缆4来说，还在定子中的外面各固定点处同样固定并包覆在弹性材料中也是可行的。

图5示出一种生产带子11的合适方法，该带子11在各电缆上形成外套10。将一个呈管形或软管形式的工件13沿着一个螺旋线14切开，该工件13用适合此用途的材料制成。这样形成一个螺旋形带子，以便产生外套10来盖住接触区5中的电缆4。与一个正常的围绕电缆绕的直带相反，螺旋形带子独自固定在适当位置。因此不需要扎线，该扎线会使线圈端部包变得更厚。

采用这种方法，带子能很容易生产，此种带子尽管比较厚，但它能很容易产生必需的螺旋形。外套10中的这层必须有足够厚，以便直到在材料中剪切之前，各电缆之间都能相对运动，而没有各表面之间的滑动。根据电缆直径的不同，该层的厚度可以在0.5和5mm之间变化，电缆的直径可以在10和150mm之间变化。按照本发明的装置防止了各电缆上的磨损，这种磨损会迅速损坏XLPE绝缘上的外面半导体。

Claims (14)

1.一种旋转电机，包括一个定子(1)，该定子(1)具有一个绕组，其特征在于：该绕组包括一根高压电缆(4)，此电缆(4)包括一个绝缘层(8)，该绝缘层(8)被一半导电层(9)覆盖；在该绕组中配置一个装置(10)，用于避免在绕组的一个线圈端部包中各电缆(4)之间的磨损，该装置包括一个弹性层(10)，该弹性层(10)与各电缆(4)接触，以便直到在该弹性层(10)中剪切之前，该层(10)能在各电缆之间作相对运动。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：所述装置(10)由一个外套(10)形成，在该外套(10)中，将每个电缆(4)包装在两根电缆(4)之间的接触区(5)中。

3.如权利要求2所述的旋转电机，其特征在于：外套(10)由一根弹性材料制成的螺旋形带子(11)构成。

4.如权利要求3所述的旋转电机，其特征在于：螺旋形带子(11)通过沿着一条螺旋线(14)切开管子(13)上的一根软管形成。

5.如权利要求3或4所述的旋转电机，其特征在于：所述弹性材料是电绝缘的。

6.如权利要求3或4所述的旋转电机，其特征在于：所述弹性材料是导电的。

7.如权利要求1-6其中之一所述的旋转电机，其特征在于：高压电缆包括一个芯线(6)、一个半导电层(7)、一个绝缘层(8)、和一个外半导电层(9)，所述芯线(6)具有许多股绞合线部分，该半导电层(7)包围芯线(6)，绝缘层(8)包围内半导电层，而外半导电层(9)包围该绝缘层(8)。

8.如权利要求7所述的旋转电机，其特征在于：高压电缆(4)具有一个直径和一个导电面积，该直径在20-200mm范围内，而导电面积在80-3000mm²范围内。

9.如权利要求8所述的旋转电机，其特征在于：绕组是可弯曲的；所述各层相互粘着。

10.如权利要求9所述的旋转电机，其特征在于：所述各层材料由一些具有这种弹性和各热膨胀系数之间具有这种关系的材料构成，以致由温度波动所引起的各层中体积的变化被这些材料的弹性吸收，因此在操作期间所出现的温度波动下，各层保持它们的相互粘合。

11.如权利要求9或10所述的旋转电机，其特征在于：在所述各层中的这些材料具有很高的弹性，优选的是弹性具有低于500MPa的E-模量，最优选的是E模量低于200MPa。

12.如权利要求9-11其中之一所述的旋转电机，其特征在于：用于所述各层中一些材料的热膨胀系数，基本上具有相同的量级。

13.如权利要求9-12其中之一所述的旋转电机，其特征在于：各层之间的粘合至少与这些材料中最弱的材料具有相同的量级。

14.如权利要求9-13其中之一所述的旋转电机，其特征在于：各个半导电层中的每一层都构成一个等电位面。

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