CN1246982A - 旋转电机及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种旋转电机,该电机包含定子(1),通过定子中的槽(5)引导绕组。本发明绕组由高压电缆(6)构成,其中,靠近定子的端面(19)的槽(5)设有封套装置(13、16),封套装置(13、16)安排在槽中的电缆(6)和每个槽(5)的壁之间。还公开了一种制造这种旋转电机的方法,其中把封套加在靠近定子的端面的槽中,此后可通过它们引导电缆。

Description

旋转电机及其制造方法

本发明的第一个方面涉及如权利要求1的前叙部分所述的那种类型的旋转电机，例如同步电机、常规的异步电机、以及双馈电机、在异步静态电流转换器级联中的应用、外电极电机、同步流电机。

本发明的第二方面涉及一个如权利要求13的前叙部分所述的那种类型的方法。

在本申请中，除非另有明确说明，术语“径向”、“轴向”和“周向”指的是相对于电机的定子确定的方向。术语“电缆穿过线“(cable lead-through)在本申请中指的是穿过一个槽延伸的各个长度的电缆。

这种电机主要在发电站用作发电机产生电能。电机在高压下使用。应当理解，这里所说的高压指的是超过10千伏的电压。按本发明的电机的典型工作范围可以是36到800千伏。

按常规方法已经设计出用于6-30千伏电压范围的类似电机，并且30千伏已经被认为是上限。在一般情况下这意味着必须经一个变压器把发电机连接到电网上，变压器把电压升高到电网电压值，即大约100-400千伏。

虽然向高压电网提供电流以便传输、准传输、和分配的主要技术是如在本文的引言中所述的在发电机和电网之间插入变压器，但众所周知的是，还千方百计地力图通过直接产生电网电压大小的电压来省去变压器。在US-4429244、US-4164672、US-3743867中描述了这样一种发电机。

US-5036165公开了一种导体，它提供由半导体热解的玻璃纤维构成的内和外层绝缘。公知的还有，电动发电机中的导体也提供有这样一种绝缘，例如在US-5066881所述，其中，半导体热解的玻璃纤维与形成导体的两个平行杆接触，并由半导体热解的玻璃纤维的外层包围定子槽中的绝缘。由于半导体热解的玻璃纤维即使在浸透处理后仍能保持其电阻率，所以半导体热解的玻璃纤维被认为是合用的。

通过使用高压绝缘的导电体，在下述电缆中，借助于类似于在定子绕组中输送电能的电缆(例如XLPE电缆)中所用的绝缘的实心绝缘，可把电机的电压提高到可把电机直接连到电网而不用中间变压器的水平。

这种构思一般要求在定子中放置电缆的槽要比使用常规技术的槽更深(由于电压高并且绕组圈数多，所以绝缘较厚)。这又带来在线圈端部、齿和绕线区域的有关冷却、振动、和固有频率的一些新问题。

在槽中固定电缆也是一个问题：电缆必须插入槽中而又不得伤及它的外层。电缆要接受100HZ频率的电流，这将引起振动的趋势，并且除了外径的制造公差外，电缆的尺寸还随着温度的变化(即负荷变化)而变化。

本发明涉及上述问题，即避免在插入定子槽期间伤及电缆的外部，以及避免在运行期间由振动引起表面磨损。在电缆可能受到槽和定子端面之间的边缘伤害的插入点存在着特殊的损伤风险。如果电缆倾斜插入，或者在槽中偏心，也会损伤电缆。即使在运行期间，在电缆通过定子端面的位置也有损伤的危险。尤其是一旦出现角度误差或中心误差，由于电缆有相当刚性，所说边缘有可能伤及电缆的外半导体层，从而伤及电缆。

针对这一背景，本发明的目的是消除或至少减小在电缆离开能在高压范围工作的旋转电机的定子端面处电缆损伤的危险。

按本发明的第一个方面，为此，提供一种在权利要求1的前叙部分中描述的并具有在该权利要求的特征部分中限定的特殊的特征的那种类型的旋转电机。

由于封套能阻止半导体外层在插入时与槽壁的边缘发生接触，所以这种封套装置减小了损伤的危险，并且还能保证电缆对中地并且笔直地被引入槽中。由于封套可由比定子软的材料制成，并因此起压力均衡器的作用，所以还能减小运行期间损伤的危险。

在一个优选实施例中，封套装置盖住在槽中的多根最好是所有电缆穿过线沿径向方向延伸，并且具有和槽的断面对应的断面。这就可以提供稳定而可靠的固定。

当槽具有交替的宽部和窄部、因此它们的断面类似于自行车的链条时，本发明的优点是非常突出的，因为槽壁这时包围了各个电缆穿过线相当大部分。因此，具有这样一种槽断面的电机构成了一个最佳实施例。

由弹性材料制造封套装置是有益的。其中不应有机油，并且适合的材料是硅橡胶。材料的弹性应便于引导电缆，并且能在很大程度上利用在引出点实现压力均衡的机会。

在另一个优选实施例中，封套装置在其内端设有一个伸入槽中的一个凹槽内的套环。这为添加封套提供一个简单可靠的方法，并实现了槽中的封套的可靠的固定。

为了便于插入电缆，封套的内断面在朝向定子端面的方向最好略有加宽。这也有利于电缆的轻柔地引出，因而可进一步减小运行期间的损伤的危险。

在下一个优选实施例中，对封套装置进行安排，以密封电缆和槽壁这两者。因此在槽的内部形成一个密封空间，其中可填充喷入槽中并在其中固化的支撑用化合物。在某些情况下这可能是支撑槽内电缆的便利方法。

本发明的第一方面旨在使用以下类型的高压电缆，它包括：具有多个线股部分的内芯、内半导体层、包围它的绝缘层、和外半导体层，它的优点在这里是非常突出的。本发明具体涉及直径范围为20-200mm、导电面积范围为80-3000mm²的电缆。

在这种安排中，绕组最好是对应于具有实芯的挤压成型的绝缘的电缆的那种类型，例如现在仍用于配电的电缆，如XLPE电缆，或带有EPR绝缘的电缆。这样一种电缆包括：由一个或多个线股部分构成的内导体，包围导体的内半导体层，包围内半导体层的实心的绝缘层和包围绝缘层的外半导体层。该电缆是可弯曲的，这在本文中是一个很重要的性质，因为按本发明的设备的技术主要是基于绕线系统，在该系统中绕组是由在装配期间可弯曲的电缆形成的。XLPE电缆的柔性，对于直径为30mm的电缆来说对应于约20mm的曲率半径，对于直径为80mm的电缆来说对应于约65mm的曲率半径。在本申请中，用术语“可弯曲”表示：绕组向下弯曲的曲率半径的数量级为电缆直径的4倍，最好为8-12倍电缆直径。

最好把绕组设计成即使在弯曲时以及在运行期间受到热应力时也能保持它的性质。在本申请中至关重要的是，各个层要保持它们相互之间的粘性。在这里，各层的材料性质是有决定性作用的，特别是它们的弹性和相对热膨胀系数。例如，在XLPE电缆中，绝缘层是由交联的低密度聚乙烯构成，而半导体层是由混有碳黑和金属颗粒的聚乙烯构成。作为温度波动的结果引起体积变化，这一体积变化完全由电缆的半径变化吸收，并且由于相对于这些材料的弹性来说热膨胀系数之间的差别相当小，所以在不失去层间粘性的情况下可能发生径向膨胀。

上述的材料组合只能被认为仅仅是实例。满足规定条件以及满足半导体条件(即电阻率在10^-1-10⁶ohm-cm范围内，如1-500ohm-cm，或10-200ohm-cm)的其它组合自然也落入本发明的范围内。

绝缘层例如可包括：实心的热塑性材料，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)；交联材料，如交联聚乙烯(XLPE)；或橡胶，如乙烯丙烯橡胶(EPR)、或硅橡胶。

内和外半导体层可以具有相同的基本材料，但要混入导电材料的颗粒，例如碳黑或金属粉末。

这些材料的机械性质，特别是它们的热膨胀系数，受是否至少按为实现本发明所必需的导电性要求的比例混入碳黑或金属粉末的影响相当小。因此绝缘层和半导体层具有基本上相同的热膨胀系数。

乙烯-乙烯基-乙酸酯共聚物/腈橡胶，丁基接枝聚乙烯，乙烯-丁基-丙烯酸酯共聚物，和乙烯-乙基-丙烯酸酯共聚物也可以构成用于半导体层的适宜的聚合物。

即使使用不同类型材料作为各个层的基本材料，也希望它们的热膨胀系数基本上相同。对于上述的材料组合，情况就是如此。上述材料具有相当好的弹性，其弹性模量E＜500Mpa，优选为E＜200Mpa。对于层中材料的热膨胀系数的任何微小的差别来说这一弹性是足够的了，这一微小差别可沿弹性的径向被吸收掉，所以不会出现断裂或任何其它损伤，并且各层不会相互脱开。层中材料是弹性的，并且层间的粘性至少和材料中的最弱者有相同的大小。

两个半导体层的导电性应足以基本上均衡沿各层的电位。外半导体层的导电性应足够大以封闭电缆中的电场，但还要充分地小以便不致于产生由沿层的纵向方向感应的电流引起的明显的损耗。

因此，两个半导体层中的每一层最好基本上构成一个等位面，具有这些层的绕组基本上封闭了其中的电场。

当然，在绝缘层中不得安排一个或多个附加的半导体层。

于是，有关这些电缆的申请构成了本发明的优选实施例。

在从属于权利要求1的从属权利要求中确定了按本发明的电机的这些和其它优选实施例。

按本发明的第二方面，通过在权利要求19的前叙部分中描述的这种类型的制造旋转电机的方法，来实现要达到的目的，权利要求19中还包括在其特征部分中确定的特殊的措施。

按该方法的一个优选实施例，用抗摩擦剂润滑封套装置，借此以利于穿过它们引导电缆，并且还可以减小在这种操作期间损伤电缆的危险。

在按本发明的方法的另一个优选实施例中使用按本发明的电机的优选实施例的封套装置。

在对优选实施例的以下描述中参照附图更加详细地说明本发明，其中：

图1表示在本发明的电机中定子的一个扇面的示意端视图；

图2表示穿过用在本发明的电机中的电缆的剖面图；

图3表示沿图2的III-III线的部分剖面图；

图4表示沿图的IV-IV线的部分剖面图。

在图1所示的穿过电机的定子1的一个扇面的轴向示意图中，转子指定为2。定子按传统方式由芯片叠层芯部组成。图中所示的电机的扇面对应于一个电极部分。从芯部的径向最外边的磁轭部分3，径向向内朝转子2伸出多个齿状部4，所说齿状部由安排定子绕组的槽5分开。绕组中的电缆6是高压电缆，并且可以和在配电中使用的高压电缆类型基本上相同，例如XLPE电缆。一个差别是省去了外部的通常包围这一电缆的结构保护套和金属屏蔽。因此电缆只由导体、内半导体层、绝缘层、和外半导体层构成。因而暴露出来在电缆外部对机械损伤敏感的半导体层。

图1中只示意地示出电缆6，其中只画出电缆部件或芯部侧的中央的导电部分。如图所示，每个槽5都有变化的横截面，即具有交替的宽部7和窄部8。宽部7基本上是圆形的，并且包围电缆穿过线，因此在这些宽部之间的腰部即形成了窄部8。腰部的作用是径向定位每个电缆穿过线。槽的横截面作为整体也是径向向内逐渐变窄的。这是因为，电缆穿过线中的电压越靠近电缆所在的定子的径向最内部越低。因此在这里可以使用细长的电缆穿过线，而较粗的电缆穿过线则必须进一步靠外。在所示的实例中使用了三个不同尺寸的电缆，它们安排在尺寸适于它们的槽5的三个部分9、10、11中。

图2表示穿过按本发明使用的高压电缆6的剖面图。高压电缆6包括例如由铜(Cu)制成的多个股线部分31，并且具有圆形的横截面。在多股线31的周围是第一半导体层32。在第一半导体层32的周围是绝缘层33，例如XLPE绝缘层，并且在绝缘层33的周围是第二半导体层34。因此在本申请中的“高压电缆”的概念不必包括通常包围用于电力传输的这样一种电缆的金属屏蔽和外部护套。

图3表示穿过按本发明的一个封套的剖面图。该剖面图是沿图1中的III-III线取的，并且从定子1的一个端面向内延伸一个短的距离。封套的外部形状15对应于槽5的形状，即类似于自行车链条，其中的剖面横向穿过“自行车链条”的宽部之一如图4所示，在图4中也示出了图3中的剖面的位置。把一个封套安排在靠近定子1的一端19，并且将一个类似的封套安排在定子的相对端。封套沿整个槽5径向延伸，并且每个槽5都设有这样一个封套。封套的轴向延长大约4cm，并且一般在2-6cm的区间之内。定子的叠层芯部为18，纤维材料的端板12就安排在它的端部。在端板12中加入封套。在槽5的穿过该端板延伸的部分中设有凹槽17。凹槽沿槽5的整个径向长度进入槽壁。封套设有可装入凹槽17中的一个套环16。封套的衬部13从套环16向定子端面19伸出，并恰在此前终止。封套可交替地在具有定子的端面的水平线处终止，或者在其外部延长一个短距离。封套的衬部13沿其整个长度和槽壁紧密对接。

封套的内部14向定子的端面19略微展宽几度的角度。所以，封套的内部在电缆穿过线附近的区域略呈锥形。在封套接收电缆6处，其靠近套环的最小内径可能大致相当于电缆6的外径，或者可能略小，以保证良好的密封和有效的支撑。封套由一种弹性材料制成，适当的材料是硅橡胶。重要的是材料中不得包含任何机油的残余，因为机油可能向电缆的外半导体层34中扩散，破坏和损伤所述层34。所说材料还应该是热稳定的。

在封套中的电缆的位置之间，即在较窄的部分中，封套有腰部20(见图4)，在这些点填充的腰部20高出该槽，从而可保证完全密封。

在绕定子之前要完成封套装配；在装配封套时，要把这些封套挤压在一起，并且沿轴向把它们推入槽中的凹槽17内，从而使它们锁紧就位。当已经加上了封套时，就可绕电缆了，这时封套起导向装置的作用。于是，就可正确引导电缆，并且可防止电缆与槽和定子端面之间的边缘接触，消除了受损伤的危险。建议润滑封套的内部以便于插入电缆。应当选择不会影响电缆的外半导体层的润滑剂。适用的润滑剂是滑石粉或氮化硼。

上述的封套沿整个槽的径向方向延伸。另外，还可以对于每个电缆穿过线都安排一个单独的封套。除了借助于所述的套环外，本发明不排除固定封套的其它替换方式。例如，可把它们粘结到槽上，或者只由摩擦固定。

Claims (21)

1.一种旋转电机，它包含定子(1)，通过定子中的槽(5)引导绕组，其特征在于：绕组由高压电缆(6)组成，并且，在定子(1)的至少一个端面处的至少一个所说槽(5)设有封套装置(13、16)，封套装置(13、16)设在电缆(6)和槽(5)之间，所说封套装置沿轴向延伸一个短距离进入槽中。

2.如权利要求1所说的旋转电机，其特征在于：所说封套装置(13、16)包括一个盖住多个电缆穿过线、最好是在所有电缆穿过线沿径向延伸的一个封套，并且在径向方向有与槽的断面大致对应的断面。

3.如权利要求1或2所说的旋转电机，其特征在于：所说封套装置包括多个封套，它们在径向是圆形的，每个封套都包围一个电缆穿过线。

4.如权利要求1-3中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：所说槽的断面在径向有宽部(7)和窄部(8)。

5.如权利要求1-4中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：所说封套装置(13、16)由弹性材料制成。

6.如权利要求5所说的旋转电机，其特征在于：所说材料中无油，最好由硅橡胶构成。

7.如权利要求1-6中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：所说封套装置(13、16)有2-6cm的轴向延长部分，并且它的轴向最外端的位置紧挨着定子的端面(19)的内部。

8.如权利要求1-7中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：所说封套装置(13、16)在其轴向最里端设有一个套环(16)，套环(16)伸入在槽壁内的一个径向平面中延伸的凹槽(17)内。

9.如权利要求1-8中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：在每个电缆穿过线的周围的所说封套装置(13、16)都有一个内型面(14)，其最小直径基本上对应于电缆(6)的外径并且朝定子的端面(19)成锥形地扩大。

10.如权利要求1-9中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：对所说封套装置(13、16)的安排应使其与槽壁(5)和电缆(6)都密封对接。

11.如权利要求1-10中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：电缆(6)是包括具有多股线部分(31)的芯部、包围芯部的内半导体层(32)、包围内半导体层(32)的绝缘层(33)、和包围绝缘层(33)的外半导体层(34)的类型的电缆。

12.如权利要求11所说的旋转电机，其特征在于：高压电缆(6)的直径范围为20-200cm，导体面积范围为80-3000mm²。

13.如权利要求11、或12所说的旋转电机，其特征在于：绕组是可弯曲的，并且所说的层是相互接触的。

14.如权利要求13所说的旋转电机，其特征在于：组成所说各层的材料的弹性、和各材料的热膨胀系数之间的关系，都应使运行期间由温度波动引起的层中体积的变化可为材料的弹性所吸收，从而使各个层在运行期间发生温度波动的情况下都能保持它们的相互间的粘性。

15.如权利要求13、或14所说的旋转电机，其特征在于：组成所说各层的材料具有高弹性，其弹性模量优选的为小于500MPa，最优选的为小于200Mpa。

16.如权利要求13-15中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：组成所说各层的材料的热膨胀系数有基本上相同的数值。

17.如权利要求13-16中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：组成所说各层的材料的粘性至少和各材料中的最弱者相同。

18.如权利要求13-17中任何一个所说的旋转电机，其特征在于：每个半导体层基本上都构成一个等电势面。

19.一种制造旋转电机的方法，该电机包含一个定子，通过定子中的槽引导绕组，其特征在于：绕组由高压电缆缠绕，并且，在定子(1)的至少一个端面处的至少一个所说槽中设有封套装置，封套装置延伸一个短距离进入槽中，所说封套装置的内部尺寸允许电缆通过，在此之后通过封套装置在槽中缠绕电缆。

20.如权利要求19所说的方法，其特征在于：在电缆穿过之前，用抗摩擦剂润滑该封套装置。

21.如权利要求19、或20所说的方法，其特征在于：所加的封套装置符合如权利要求1-10中任何一个所确定的实施例。

Images