CN1279814A - 电磁装置 - Google Patents

Abstract

一种电磁装置具有至少一个磁路(1)和至少一个电路(2、3),该电路具有至少一个绕组(4、5)。磁路和电路通过感应互相耦合。装置还具有一个控制设备(7)可用来控制装置的操作。这个控制设备适宜用来对进入/离开装置的电力控制其频率、波幅和相位,因为控制设备具有能用来控制磁路内磁力线的设施(9)。

Description

电磁装置

本发明的领域和现有技术

本发明涉及一种包括至少一个磁路和至少一个具有至少一个绕组的电路的电磁装置，磁路和电路通过感应互相连接，该装置还具有一个控制该装置操作的控制设备。

这种电磁装置可用于任何一种手工连接。功率范围可从VA到1000MVA。它主要打算用于高电压用途上，电压可达目前所使用的最高输送电压。

按照本发明的第一方面考虑的是旋转电机。这种电机包括同步电机，它们主要被用作发电机，连接到配电和输电网路上，这些网路在下面将常被称为电力网。同步电机也被用作电动机及用来进行相位补偿和电压控制，在那种情况下成为机械上无功的电机。该技术领域还包括双重馈电电机、异步串联变流器、外部电极电机、同步磁通电机和异步电机。

按照本发明的另一个方面，所说电磁装置由电力变压器或电抗器构成。变压器用于电能的所有输送和分配，它们的任务是使电能在两个或多个电系统之间进行交换，为此，电磁感应以人所熟知的方式被利用。本发明主要打算使用的变压器属于所谓电力变压器，其额定功率从几百KVA直到1000MVA以上，其额定电压从3-4KV直到极高的输送电压400KV到800KV或更高。

虽然下列关于第二方面现有技术的说明主要涉及电力变压器，但本发明也可用于电抗器，包括单相和三相的电抗器。就绝缘和冷却而言，在原理上电抗器可具有与变压器相同的实施例。这样就可以有空气绝缘的和油绝缘的、自冷却的、压力油冷却的等等的电抗器。虽然电抗器只有一个绕级(每个相位)并且可被设计成带有或不带有磁芯的，但对背景技术的说明在很大程度上也与电抗器有关。

电路上的至少一个绕组在某些实施例中可以是在空气中卷绕的，但通常都有一个磁芯，这个磁芯可由标准的或定向的叠层片、其它不定形的或粉末基的材料或任何其他作用介质构成，目的是要使磁力线能在其内交替流动并且绕组能卷绕在其上。该电路通常具有某种冷却系统。在旋转电机中，绕组可被设在电机的定子内或转子内或两者内。

具有上述性质的电磁装置的已知实施例存在的问题是，要么较难将参数有效地控制在一定范围内，要么控制设备会相当昂贵。在这方面值得指出的是，在发电机技术内可以通过场绕组来实现操作参数的控制。但若转子具有电磁铁而将场绕组设在转子上，那么缺点是这将带来一个比较昂贵且较难控制的实施方案。而在永久磁铁构成的转子中，实际上不可能进行场控制，这样当然会较难实现在一般情况下的控制和在特殊情况下对状态作较精细的控制。现有技术的另一个问题是传统的绕线技术要化高昂的费用才能制出绕组。已知实施方案还能造成相当大的能量损失并包括各种限制甚至连绕组在磁路内的位置都有限制。

本发明的综述

本发明的目的是要对按照所附权利要求1的前段部分内所说的电磁装置想方设法简化和改进控制其操作的可能办法，另外使绕组在较好的条件下进行合理的生产和安装也是本发明要瞄准的目标。

本发明的基本目的是通过设置该控制设备以便相对于输出/自该装置输出的电力来，控制其频率、波幅和/或相位而达到的，该控制设备具有用以控制磁路内的磁力线的设施。

本发明是以下列想法为依据的，即按照所需的考虑通过磁力线控制直接影响磁路内的磁力线，以便能控制该装置的操作。这样就提供一个极其合理并在费用上合算的实施方案，该方案除了能提高控制的可能性以外，还能得到优化的操作。

按照本发明的一个特优的实施例，控制设施具有至少一个通过感应与磁路连接的控制绕组。这样，控制设备才能通过这个控制绕组利用那些能使磁路内的磁力线受影响到所需程度的控制参数来对磁路内的磁力线实行所需的控制。控制绕组甚至可被短路，于是在某些实施例中，磁力线可不通过控制绕线。取决于磁路的设计，可使部分或整个磁力线封闭。

采用本发明的方案可以得到的控制功能例子是改变电压、稳定电压、消除瞬变状态、在电力网中抑制振荡、滤掉谐波、调节频率和调节相位(在设有相位分别控制的情况下)。应该指出，本发明的控制设备可适用于将新增的磁力线添加到磁路内的磁力线上，也就是说，该控制设备能用直接供应的能量操作。

在磁路设施例如变压器内的磁力线按照本发明加以控制时能在二次绕组电压上实现良好的控制，使它满足设需的要求，但就一次电压或连接在二次绕组上的载荷而言，会有令人讨厌的波动。

按照本发明的磁路内磁力线的控制的另一些细节和优点将在下面详细说明。

在本发明的范围内，电磁装置中的至少一个绕组或这个绕组的至少一个部分具有至少一个可弯曲的导电体和一外壳，该外壳能透过磁力线(导磁)但能基本上封闭发生在导电体周围的电场。换句话说这意味着导电体和其外壳(形式为一种绝缘系统)是由可弯曲电缆构成的。这一点与迄今为止传统上使用的、预制成形的刚性绕组相比在制造和安装上具有重大的优点。另外，按照本发明的绝缘系统是在没有气体和液体绝缘材料的情况下形成的。

由于在本发明的电缆的导电体周围发生的电场基本上被封闭在绝缘系统内，本发明可减少发生的损失，因此本装置可用较高的效率操作。而损失的减少又可在装置内造成较低的温度，这样就可减少对冷却的需要并可使可能有的冷却装置设计得比没有本发明在这方面的情况时更为简单。

就本发明的作为旋转电机的方案而言，这样就可能用高电压来运转电机而可省却传统的升压器。那就是说，电机能用比现有技术高得多的电压来运转以致能直接连接到电力网上。这意味着旋转电机系统的投资可大大降低，并且系统的总效率能够提高。本发明可消除在绕组的一定范围内对特殊场控制措施的需要，这种场控制措施按照现有技术是必需有的。本发明还有一个优点是能够比较简单地得到欠磁化和过磁化来达到减少电压和电流异相时所产生阻抗的目的。

就本发明作为电力变压器/电抗器的方案而言，首先，本发明可无须将油充填到电力变压器内以及由此连带发生的问题和缺点。

绕组是这样设计的，它在其至少一部分长度上具有一个由固体绝缘材料构成的绝缘层，在这绝缘层之内有一内层，而在这绝缘层之外有一外层，这内、外两层都是由半导电材料制成的，因此能将整个装置的电场封闭在绕组内。这里所用的词语“固体绝缘材料”意为绕组没有液体或气体的绝缘，例如形式为油的绝缘。取而代之的绝缘层预定由聚合物材料制成。内层和外层也都由聚合物材料制成，但都是半导电的。

内层和固体绝缘层在它们之间的基本上整个界面上牢固地连接在一起，外层和固体绝缘层也是在其基本上整个界面上牢固地连接在一起。由于其半导电的性能，内层能起到使电位均等化的作用，从而能使内层之外的电场均等化。而外层也是预定由半导电材料制成的，它具有至少一个比绝缘层高的导电率，这样在将外层接地或连接到一个较低的电位上时可使外层起到使电位均等化的作用，从而可基本上封闭在外层之内的所说导电体所造成的电场内。在另一方面，外层应具有足够小的电阻以便尽可能地减少在所说外层内的电损失。

在绝缘材料层与内、外半导电层之间的牢固连接应该在基本上整个界面上是均匀的，没有任何空穴、孔眼或类似物发生。采用本发明打算使用的高电平，所产生的电和热载荷将对绝缘材料提出极高的要求。人们知道，在高电压装置中，所谓部分放电即PD，对绝缘材料来说，一般都可成为严重问题。如果有空穴、孔眼或类似物存在，那么在高电压下会发生内部电晕放电，从而使绝缘材料逐渐恶化，结果会使绝缘材料被电击穿，导致电磁装置严重破裂。因此绝缘层应该均匀。

在绝缘层之内的内层所具有的导电率应比导电体低但又要比内层足够大，使它能起到对电位的均等化作用，从而起到对内层之外的电场的均等化作用。这一点与内层和电绝缘层在基本上整个界面上的牢固连接，即没有空穴等，意味着在内层之外有一基本均匀的电场，这样就可将发生PD的危险降为极小。

最好内层和固体电绝缘层都由热膨胀系数基本相等的材料制成。外层和固体电绝缘层最好也是如此。这意味着内、外层和固体电绝缘层将形成一个绝缘系统，该系统在温度改变时将如同一个整体均匀地膨胀和收缩，不会发生那些能使界面毁坏或分裂的变化。这样，就可确保在内、外层和固体绝缘层之间的接触表面的紧贴并为长期使用时保持这个紧贴创造条件。由于导电体和绝缘系统将会受到弯曲，粘合应该具有这样的性质，即至少在内层和固体绝缘层之间、最好还包括外层和固体绝缘层之间的粘合。这里应该指出，为了能够实现绕组的制出螺纹，该电缆应能以比电缆直径小25倍的曲率半径弯曲，较好是在比电缆直径小15倍，最好是以比电缆直径小8倍或基本与此近似的曲率半径弯曲。

重要的是绝缘系统须由弹性良好的材料构成。材料的E-模数应比较低，即材料对变形的抗力应比较低。为了防止在绝缘系统所包含各层之间的边界区带内发生危险的剪切拉力，最好绝缘系统所包含各层的弹性(E-模数)基本相等。

在绝缘层两旁的半导体材料的内、外层都趋于形成基本上等电位的表面，施加在绝缘系统上的电载荷就可降低，并且这样在绝缘层本身内的电场将比较均匀地分布在绝缘层的厚度上。

关于用来输送高电压和电力的电缆，现在知道，导电体除了要有固体绝缘材料制成的绝缘层以外，还有要半导电材料制成的内层和外层。过去长期内只是认识到绝缘层应该没有缺陷。在用高电压送电时，沿着电缆长度的电位虽然基本上处在同一电平上，但由于短暂的事件如雷击，会发生瞬时电位差。按照本发明所附权利要求的可弯曲的电缆被用来作为电磁装置内的绕组。

用多根较小的所谓绞合线，其中至少有若干根是互相绝缘的，来构成绕组内的导电体，可以得到另一种改进。使这些绞合线具有较小的横截面，最好近似圆形，那么横越绞合线的磁场将相对于电场有一恒定的几何形状，这样发生涡电流的机会就可降为极小。

按照本发明，因此绕组最好制成电缆的形状，该电缆具有导电体和上述的绝缘系统，其内层沿着导电体的绞合线的周围延伸，在这内半导电层的外侧为由固体绝缘材料制成的电缆的主要绝缘层。

外半导电层按照本发明应具有能确保导电体上电位均等化的电性能。但外层也可不具有这种导电性能，因为感应电流将沿着表面流动，这会造成损失而该损失又会造成不希望有的热载荷。对于内层和外层，在所附权利要求22和23中所限定的关于电阻(在20℃)的叙述是有效的。就内半导电层而言，它必须具有足够的导电率来确保电场内电位的均等化，但同时还必须具有这样的电阻以资确保电场的封闭。

重要的是，内层将导电体表面内的不规则部分均等化，并在其与固体绝缘层的界面上形成一个具有高表面光洁度的等电位的表面。内层可制成可变的厚度，但为了确保对导电体和固体绝缘层有一平整的表面，厚度适宜在0.5和1mm之间。

按照本发明在其电磁装置内使用的这样一种可弯曲的绕粗电缆为对XLPE(交联的聚乙烯)电缆和具有EP(乙烯丙烯)橡胶绝缘的电缆的一种改进。这种改进特别表现在一种新的设计，不仅导电体是由绞合线构成的，而且至少在某些实施例中，该电缆是没有用来作机械保护的外壳的。但按照本发明，有可能在外半导体之外设置一个导电金属罩和一个外套，这时该金属罩就具有在外面担任机电保护的性质，例如对雷击。最好内半导电层处在导电体的电位上，为此目的，导电体中至少有一股绞合线将不被绝缘而被这样安排使之与内半导体层有良好的电接触。或者，可使不同的绞合线交替与内半导体层进行电接触。

按照上述方式用电缆制造的变压器或电抗器的绕组会带来很大的不同，现就电场分布的情况对传统的电力变压器/电抗器和按照本发明的电力变压器/电抗器作一比较。按照本发明用电缆构成的绕组的决定性的优点是电场被封闭在绕组内，因此在外半导电层的外侧就没有电场，由载运电流的导电体得到的电场只是发生在固体主绝缘层之内。这从设计观点和制造观点来看，都是相当大的优点：

构成变压器的绕组时可以不用考虑电场分布，并且在背景技术这一节内提到的绞合线的扭绞可被省去；

在作出变压器的磁芯设计时可以不用考虑电场分布；

绕组的电绝缘不需用油，那就是说，环绕绕组的介质可以是空气；

在变压器的外连接部和直接连接的线圈/绕组之间的电连接不需任何专用连接件，因为与传统的电厂不同，电连接件已与绕组成为一个整体；

按照本发明的电力变压器所需的制造和测试工艺要比传统的电力变压器/电抗器简单得多，因为在背景技术的说明中所说明的浸渍、干燥和真空处理都不再需要。

在将本发明用作旋转电机时，可显著地减少定子上的热载荷。这样，机器的暂时超负荷将不太重要，并且可能在超负荷下长时间驱动机器而不会有发生损坏的危险。这对发电厂的所有主来说是相当大的优点，因为它们在法律规定下负有保证发电的责任。

采用按照本发明的旋转电机，可显著减少维修费用，因为变压器和断路器并非必须包括在将机器连接到电力网的系统内。

上面已经说明过，绕组电缆的外半导电层是打算把它连接到地电位上的，目的是该外层沿着绕组电缆的整个长度应该基本保持在地电位上。有可能将外半导电层分割成为多个部分让它们沿着绕组电缆的长度分布，而将每一个个别的层部分直接连接到地电位上，这样沿着绕组电缆的长度可以得到一个较均匀的电位。

上面曾经提到，固体绝缘层和内、外层可用例如挤压来得到。但其他技术也是很有可能的，例如内、外层和绝缘层可分别用上述材料喷涂在导电体/绕组上制成。

最好绕组电缆被设计成具有圆形横截面。但在某些情况下当需要得到较好的封装密度时，其他横截面也可使用。

为了在旋转电机内造成电压，电缆被设置在磁芯内的槽内成为数个连续的圈。绕组可被设计成为多层同心的电缆绕组以减少线圈端的交叉数。电缆可被制有带斜度的绝缘层以便以较好的方式利用磁芯，在该情况下槽的形状可与绕组的带斜度的绝缘层配合。

按照本发明的旋转电机的重大优点为，在半导电层外侧的线圈端区域内E场接近于零，而外壳是在地电位上，电场不需被控制。这意味着不能得到电场的集中，不管是在芯片内、在线圈端区域内、还是在它们之间的过渡区内。

在按照本发明的装置的制造方法中，用螺纹旋入到旋转电机磁芯槽内的孔中的可弯曲的电缆被用作绕组。由于该电缆是柔性的，它能被弯曲，这样电缆长度就能被设置成为线圈内的若干个圈。于是线圈端头含有电缆内的弯曲区带。电缆可被这样连接起来使其在电缆长度上的性能保持恒定。与本行业现况比，这种方法可带来相当大的简化。而目前在制造旋转电机时，所谓Roebel杆不容易弯曲，它必须预先制成所需的形状。绝缘层的卷绕和线圈的浸渍也都是一项极其复杂而费钱的技术。

总之，与现有技术的电机相比，按照本发明的形式为旋转电机的电磁装置具有相当多的重大优点。首先，按照本发明的电机能在所有型式的高电压下直接连接到电力网上。另一个重大优点是地电位已被一致地引导到甚至一部分绕组上甚至整个绕组上，这意味着线圈端头区域呆做得紧凑，而在线圈端头区域的支撑设施可在实施为地电位的状态下被使用。还有另一个重大优点是，如同上面对电力变压器/电抗器已经指出的那样，油基绝缘系统和冷却系统也在按照本发明的旋转电机中消失。这意味着不再有密封问题并且以前提到过的介电环也不再需要。还有重要的一点是，所有强制冷却都可在地电位下作出。

附图的简要说明

参阅附图，下面将对本发明的实施例作较具体的说明。在附图中：

图1为图示本发明的取变压器结构形式的装置；

图2为变压器的一个变压的概略图；

图3为变压器的另一个变型的概略图；

图4为与图3类似，只是所示为电抗器的实施例；

图5为一图示一个发电机的实施例；

图6为一部分切开的视图，示出包含在目前改进的标准电缆内的零件；

图7为本发明磁路的一个扇形区/极间距的轴向端视图；

图8示出在传统的电力变压器/电抗器绕组的周围电场分布的情况；

图9为一透视图，示出本发明的电力变压器的一个实施例；

图10为一横截面，示出相对于图1改进的电缆结构，它有数个导电体；及

图11为另一个电缆结构的横截面，它也有数个导电体，只是排列的方式与图10不同。

较优实施例的说明

图1所示的电磁装置具有变压器的性质。它有一个磁路1和两个电路2·3，每一电路各具有至少一个线圈状的绕组4和5。

在本例中变压器有一磁性材料的芯部6，该芯部由一叠磁性片合适地构成为的是减少涡电流损失。但应指出，芯部的实际存在并不是应用本发明的先决条件。在空气中卷绕线圈而构成的实施例同样可能在本发明的范围内。因此磁路一词要从广义上来解释。所谓磁路不过是存在着的绕组4、5所产生的能够产生磁力线的磁场。

本发明的装置有一设备7来控制变压器的运行。这个控制设备7适宜用来控制离开变压器的电力的频率、波幅及/或相位。在本例中电路2构成变压器的一次侧，而电路3构成变压器的二次侧。因此电力是通过二次电路3从该装置离开来到一个概略地用标号8指出而并联的载荷上。这个载荷可以是假定性的，例如用户本身，但也可以是分配和输送的网。

控制设备7具有设施9可用来控制磁路1内的磁力线。在本例中，控制设施9包括至少一个感应地连接到磁路1上的控制绕组，这个控制绕组9被卷绕在一部分芯部6上。在没有芯部的变压器实施例中，控制绕组9必须分别与一次和二次绕组4和5协调，使在无芯磁路内感应出来的磁力线通过感应与控制绕组9耦合。

按照本发明的一个较优实施例，控制设备7被设想为主动型的，即控制设备7应适宜通过控制绕组9主动控制磁路9内的磁力线来得到所需的特性。因此最好控制设备7有一外部电源，使控制设备能用来产生一个流过绕组9的电流，从而能够控制通过磁路1的磁力线。本发明特别适宜用于高电压用途。这意味着在电路4和5上通常预定要可连接较高的电压。但为了控制的目的，控制设备只须以较低的电压产生一个较高的电流在绕组9内流动就足够了。为了控制的目的，控制设备7可适于将新增磁力线添加到磁路内的磁力线上。这个新增磁力线将被添加到现已存在的磁力线上，适当地控制这个新增磁力线便可得到电力通过二次电路3离开时所需的各项参数。设备7可适宜地接收来自电压测量表10的关于二次电路内及/或越过载荷8的电压的信息作为其控制功能的基础。还有一个电流测量表11用来测量在二次电路内的电流。如上所述，通过控制设备7产生的新增磁力线可用来控制通过二次电路3离开的电力的频率、波幅及/或相位。

应该指出，控制设备7可通过输入12适宜地得到外部的控制指示。

另外，还应指出，控制设备7可通过控制绕组9适宜地实行被动控制。被动控制在这方面意为并不使用来自某些外部电源的电力来控制。在这方面应该指出，控制设备7可与一个或多个被动元件如电阻、电容和电抗耦合、串联或并联到控制绕组9上。这些与控制绕组9耦合的被动元件能对磁力线作出各种不同的影响，而所说影响又可使从装置离开的电力得到所需的频率波幅及/或相位。

在图1中还可看到，在装置的一次侧，与二次侧相似，也有一个电压测量表13和一个电流测量表14。

图2示出一个变压器实施例，它与图1所示变压器不同之处仅在于芯部多了一条腿16，即在二次侧的一条腿15和一次侧的一条腿17之外，在中间还增加一条腿16。这样，在图2的芯部6a内就形成两条不同的磁力线路径18和19。在本例中控制绕组9a被布置在中央腿16的周围，即在通过变压器一次绕组4的磁力线路径18上。第二磁力线路径19与此不同，是环绕控制绕组9而通过二次绕组5的。现在就能通过控制设备7a用控制绕组9a来影响腿16内的磁力线，该磁力线又可通过二次侧的绕组5来影响腿15内的磁力线。换句话说，在这里控制绕组9a只是联接到两条磁力线路径中的一条上。

图3中的变形为在已有一个控制绕组9b1的情况下再增加一个控制绕组9b2。这两个控制绕组分别环绕各自的腿16b、15b被布置着，即这两个控制绕组9b1和9b2分别属于它们各自的磁力线路径18、19。控制设备7b具有一个控制单元20，其下又分别控制控制元件21和22，这两个控制元件分别与控制绕组9b1和9b2协调。通过控制单元20主动地或被动地控制控制元件21、22，就可作出调节，使磁力线或是只通过磁力线路径18、19中的一条路径，或是被分配在这两条路径上。

就图3而言，还应提到，变压器的二次系统具有至少两个串联耦合的绕组部分23和24。两条磁力线路径18、19内的磁力线都通过主绕组部分，而只有磁力线路径19内的磁力线通过绕组部分24。这意味着当用控制绕组9b1和9b2使磁力线只是流动通过腿16b时，将没有磁力线流动通过绕组部分24。同时这意味着可以得到比运行情况下所能得到的电压更低的输出电压。在运行情况下，磁力线全部流动通过磁力线路径19，亦即所有磁力线都流动通过两个二次绕组部分23和24。这时控制绕组9b1的任务是要全部或至少部分中断通过腿16b的磁力线。

图4示出一个多少与图3的变压器相似的电抗器的实施例。其差别在于，电抗器并没有任何二次侧，因此取而代之的是将其电力绕组分成两个绕组部分25、26。如同上面的实施例，设有两个控制绕组9c1和9c2，利用该控制绕组，可控制磁力线使它按所需的程度流动通过绕组部分26，但整个磁力线总是流动通过绕组部分25。

图5示出一个极其简化的发电机实施例，其转子用标号26指出。在本例中，转子假定是一个永久磁铁的转子。但也可能将转子设计成具有场绕组。这里的磁路1d具有一个电力输出回路5d，该回路感应地与芯部6b内的磁力线耦合。芯部6d具有位在转子26邻近的部分，这样在转子26旋转时永久磁铁就会在芯部内产生磁力线。这个磁力线流动通过输出绕组5d并在其内产生输出电力。控制设备7d如前那样具有一个控制绕组9b感应地耦合到磁路1d上，这里同样设有电压和电流的测量表以便用来监控输出电力。利用控制设备7d，现有可使控制绕组9d按照被动或主动控制的要求发挥其功能，赋予来自发电机的输出电力所需的关于频率、波幅及/或相位的参数。

应该指出，图中所示的极其简化的实施例只是具有一个相位。实际上这种实施例要复杂得多，特别是多相位的实施例。绕组和绕组部分的数目也会比我们所论述的大得多，不仅涉及一次和二次绕组，还要涉及控制绕组。而且根据功能的要求，磁路可具有不同的设计。

特别应该指出的是，按照本发明至少有一个现有绕组的导电体被两个互相间隔开的等电位层包围，并有一个固体绝缘层设置在这两层之间，这意味着环绕导电体的电场基本上被封闭在电缆内，因此一次和二次绕组具有极大的自由，可被放置在磁路上的任何地方。即使将绕组插入其内也是可能的。在这方面应该指出，控制设备对带芯的和带壳的变压器都可适用。

特别是在高电压的用途上，刚才说明的绕组的设计是合适的。应该指出，在通常情况下控制绕组9常处在比电力绕组低的电位上，为此理由，控制绕组并不一定需要象至少一个电力绕组那样设有这种绝缘系统。

提供按照本发明的电磁装置的一个重要方面是要在至少一个绕组上使用导电电缆，该电缆有一固体电绝缘层，在该绝缘层与一个或多个位在其内的导电位之间设有内半导电层或壳，还有一个外半导电层或壳位在绝缘层之外。这种电缆在其他电力工程使用领域已可作为标准电缆供售。为了说明实施例，先让我们对标准电缆作一简短说明。内部的载运电流的导体包括多根绞合线，在铰合线的周围有一半导电内层或壳，在这半导电内层的周围有一固体绝缘材料的绝缘层，该固体绝缘层是由具有低电耗和高断裂强度的聚合物材料制成，具体例子为聚乙烯(PE)，特别值得一提的是交联聚乙烯(XLPE)和乙烯丙烯(EP)。在外半导电层周围可设有金属罩和外绝缘壳体。半导电层由聚合物材料如乙烯共聚物和导电成分如导电烟灰或炭黑构成，这种电缆在今后将被称为电力电缆。

预定用于旋转电机绕组的电缆的一个较优实施例在图6中示出。电缆41具有载运电流的导电体42，包括不绝缘的和绝缘的绞合线。也可能使用电动机械扭绞的、固体绝缘的绞合线。这些绞合线可被绞合/扭绞成多层。环绕导电体为一内半导电层43，该层又被一个固体绝缘材料的均匀层包围。绝缘层44完全没有液体的或气体的绝缘材料。该层44被一外半导电层45包围。在较优实施例中用作绕组的电缆还可设有金属罩和外壳，但不是必须这样做。为了避免在外半导电层45内产生感应电流及其相关损失。最好在线圈端即在从叠片到端绕组的过渡区内将外半体电层切开，分割成数个沿着电缆分布的部分，这些部分在电路上完全地或部分地互相隔开。然后将每一切开的部分接地，从而外半导电层45将在整个电缆长度上保持在或接近地电位。这意味着在固体绝缘绕组的线圈端周围，在可接触的表面上和那些使用一段时间变脏的表面上对地只能有微不足道的电位，它们产生的电场也是微不足道的。

为了优化旋转电机，磁路在槽和齿方面的设计至关重要。如上所述，这些槽应尽可能接近地连接到线圈侧的壳体上。同样最好在每一个径向水平面上的齿应尽可能地宽。这对降低机器的损失满足磁化的要求等都是重要的。

从好几个观点来看，利用构成绕组的导电体例如上面所说的电缆，极有可能使磁芯优化。下面让我们来看在旋转电机定予内的磁路。图7示出按照本发明的电机的一个扇形区/极间距46的轴向端视图。转子和转子磁极用标号47指出。按照传统的方式，定子由连续都是扇形电工片叠合而成的芯部构成。从芯部的位在径向最外端的后部48上，有多条齿49沿径向向内朝着转子伸出。在齿与齿之间设有相应数目的槽50。使用上面说明的电缆可使为高电压电机准备的槽的深度做得比现有技术所能做到的深度大。这些槽都带有斜度，其横截面在朝向转子的方向上缩小，因为对每一个绕组层来说，其对电缆绝缘的需要在朝向转子的方向上逐渐变小。从图上可清楚地看到，这些槽基本上由环绕每一层绕组的圆形横截面52和层与层之间较窄的腰部53构成。从形状上看，有理由把这种横截面的槽称为“自行车链槽”。由于在高电压电机中需要有数目相当大的层次，而具有相关绝缘层和外半导电层的电缆供售的尺寸种类是有限的，实际上很难将电缆绝缘层和定子槽分别制成所需的连续斜度。在图7所示的实施例中，电缆采用三种不同的电缆绝缘层尺寸，分别布置在三个具有相应尺寸的区段54,55和56内，那就是说，在实际上使用的是修改的自行车链槽。该图还示出，沿着整个槽的深度，定子齿可被制成具有实际上不变的径向宽度。

还要指出，图7中各区段54、55、56的绕组相当于图5中的绕组5。但在图7中，与图5中的控制绕组9相当的却是一个或多个位于径向上离开转子最外边的绕组40。应该指出没有必要将控制绕组9定位在图7中标有40的位置上。

在一可替代的实施例中，用作绕组的电缆可以是传统的电缆如同上面所说明的那样。进行外半导电层的接地时须在合适的位置上剥去电缆的金属罩和外壳。

本发明的范围可适应大量的可替代的实施例，取决于就绝缘层和外半导电层而言的、可供售的电缆尺寸种类。而且具有所谓自行车链槽的实施例能被修改超过这里曾说明的情况。

如上所述，磁路可位在旋转电机的定子及/或转子上。但磁路的设计大部分应符合上面的说明而可不管磁路的位置是在定子及/或转子。

就绕组而言，最好所使用的绕组可被说明为多层的、同心的电缆绕组。这样一种绕组意为将所有线圈设置在同一组群内，沿径向从内到外排列，从而在线圈端的交叉数可降为最少；这样还可允许采用较简单的方法来制造并将定子绕组用螺纹旋入到不同的槽内。由于按照本发明所用电缆比较容易弯曲，因此可用简单的制螺纹操作在其上制出螺纹，然后将该电缆旋入到槽50上的孔52内，而将绕组固定在定子上。

图8示出环绕一个传统的电力变压器/电抗器的一个绕组的电场分布的简化的基本图，其中57为一绕组、58为一芯部、而59为等电位线，即在该线上电场具有相同的数量。绕组的下部假定处在地电位。

电位分布确定绝缘系统的组成，因为在绕组的相邻圈之间及在每一圈与大地之间都必须有足够的绝缘。从图上可以看到绕组的上部受到最高的绝缘载荷。绕组相对于芯部的设计和定位就这样主要由芯部窗口内的电场分布来确定。

按照本发明能被用于包含在干粉变压器/电抗器内的绕组内的电缆已借助于图1予以说明。该电缆如上所述，可为特殊目的如防止在变压器/电抗器的其他区域内产生过多的电应变而设有其他的、另外的外层。从几何尺寸上来看，所述电缆的导电体截面积在2和3000m²之间，而电缆的外直径在20和250mm之间。

由本发明的综述中所说明的电缆制造的电力变压器/电抗器的绕组可用于单相、三相和多相的变压器/电抗器而不可管磁芯的形状。图9所示的实施例为一三相的叠层磁芯的变压器。该磁芯按照传统的方式，具有三条磁芯腿60、61和及保持轭架63和64。在所示实施例中，磁芯腿和轭架都具有带斜度的横截面。

由电缆制成的绕组同心地环绕磁芯腿而被设置着。图9所示的实施例具有三个同心的绕组圈65、66和67。最内边的绕组圈65为一次绕组而其他两个绕组圈63和64为二次绕组。为了不使图面过于复杂，绕组的连接都没有示出。在所示的实施例中，具有若干不同功能的间隔杆68和69被设置在环绕绕组的某些点上。间隔杆可由绝缘材料制成，目的是要在同心的绕组圈之间提供一定的空间以便冷却、支撑等。它们也可由导电材料制成，为的是构成绕组的接地系统的一部分。

在图9中没有画出控制绕组9。

可替代的电缆结构

在图10所示的电缆变型中采用与以前相同的标号，只是添加一个字母a来表示属于本实施例。在本实施例中，电缆具有数个导电体42a，它们被绝缘体44a互相隔开。换句话说，绝缘体44a不仅用来将相邻的导电体42a隔开，而且用来使导电体与周围隔开。不同的导电体42a可按不同的方式设置，从而给电缆整体提供一个可变化的横截面形状。在图10所示的实施例中可以看到导电体42a被设置在一条直线上，这样电缆就具有一个比较扁平的横截面形状。由此可以推断，电缆的横截面形状可在一个广阔的范围内变化。

在图10中，假定在导电体之间存在着一个比相位电压小的电压。较具体点说，在图10中的导电体42a被假定是由绕组内不同的圈数构成的，这意味着在这些相邻导电体之间的电压是比较低的。

如同以前的例子，在由固体绝缘材料制得的绝缘体44a的外边有一半导电外层45a，而在每一个所说导电体42a的周围有一半导电材料的内层43a，即每一个导电体都各有包围自己的半导电内层43a。这个内层43a就各该导电体而言，起到使电位均等化的作用。

在图11的变型内同样使用与以前相同的标号7只是加上一个字母b来表示属于本实施例。在本例中，同样有数个、更具体点说为三个导电体42b。在这些导电体之间假定存在着相位电压，而这个相位电压基本上高于图10的实施例中在相邻导电体之间发生的相位电压。在图11中有一内半导电层43b，在其内部布置着导电体42b，但每一导电体42b都被其各自的另一层70包围着，该另一层的性能与上面就内层43b论述过的性能相当。在每一个另一层和内层43b之间充填着绝缘材料。因此内层43b将成为在属于导电体的半导电材料的另一层70外侧的电位均等化层。所说另一层被连接到各自的导电体42b上使自身被放置在与导电体相同的电位上。

可能的修改

显然本发明并不受上述实施例的限制。本行业的行家在不偏离所附权利要求中限定的基本概念的条件下是可能对本发明作出许多在细节上的修改的。例如，在材料方面，可用功能相等的材料来替代；在绝缘系统方面，也可用挤压和喷涂以外的其他技术。另外，应当指出，还能配置添加的等电位层。例如，一个或多个半导电材料的等电位层可被设置在绝缘体内原来的内层和外层之间。还应指出，按照本发明通常并不一定需要用这种可弯曲的电缆来构成控制绕组9，因为控制绕组通常是在比电磁装置其余的绕组低的电压上。更具体点说，其余这些绕组是真正的高电压绕组。对其余这些绕组应当指出，实行本发明的控制方法也可能有各种不同的变化。

Claims (36)

1．电磁装置，包括至少一个磁路(1)和至少一个具有至少一个绕组(4,5)的电路(2,3)，该路和电路通过感应互相连接，该装置还具有一个控制设备(7)可用来控制该装置的操作，其特征为，控制设备(7)适于借助于该控制设备相对于输至/自该装置输出的电力来控制其频率、波幅和/或相位，该控制设备(7)具有用以控制磁路内的磁力的设施(9)，并且所说至少一个绕组(4,5)或至少其一部分具有至少一个导电体(42)，该导电体有一绝缘系统，该绝缘系统具有一个由固体绝缘材料制成的电绝缘层(44)，在其内侧有一内层(43)，所说至少一个导电体(42)被布置在内层(43)之内，该内层具有一个比导电体低的导电率，但该导电率足够使内层(43)对其外的电场起到均等化作用。

2．按照权利要求1的装置，其特征在于，该控制设施具有至少一个通过感应与磁路连接的控制绕组(9)。

3．按照权利要求1或2的装置，其特征为，控制设备(7)适于控制磁路内的磁阻。

4．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，该控制设备适于将新增磁力线添加到磁路内的磁力线上。

5．按照权利要求3的装置，其特征为，将导磁率大于1的材料包含在该磁路内，该控制设备(7)适于通过改变磁路内具有可变导磁率的一个或多个区的导磁率来控制磁路内的磁阻。

6．按照权利要求5的装置，其特征为，导磁率可变的一个或几个区在磁路内具有一个或多个间隙。

7．按照以上权利要求中的任一项的装置，其特征为，该磁路没有磁芯。

8．按照权利要求1-6中任一项的装置，其特征为，该绕组被卷绕在磁芯(6)上。

9．按照权利要求2或其他权利要求中一项或多项的装置，其特征为，控制绕组(9)和电路绕组(4,5)被布置成基本上被同一磁力线通过。

10．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，该装置构成一个适于利用所说至少一个控制绕组控制在电路绕组(4、5)内流动的电力的频率、波幅和/或相位。

11．按照权利要求1-8中任一项或10的装置，其特征为，电路(2)具有至少两个串联耦合的绕组(23,24)，该磁路具有两个交变的磁力线路径(18、19)，所说至少一个控制绕组适于控制磁力线使它进入到这两条磁力线路径中的一条或两条，而该电路的两个绕组被这样定位，使其中一个能通过所说至少一个控制绕组关断磁力线。

12．按照权利要求1-9中任一项或11的装置，其特征为，将磁路布置在旋转电机的定子式转子内。

13．按照权利要求1-9中任一项的装置，其特征为，磁路(1)属于一个具有一次和二次绕组(4、5)的变压器，并且将该一次和二次绕组及控制绕组(9)布置成被同一磁力线通过。

14．变压器中按照权利要求1-8中任一项的装置，其特征为，变压器的二次绕组具有至少两个串联耦合的绕组部分，磁路具有至少两个交变的磁力线路径(18，19)，至少有两个出现的控制绕组(9b1、9b2、9c1、9c2)适于控制磁力线使其进入这两路径中的一条或两条，并且该二次绕组的两个绕组部分被这样设置，使其中一个能通过控制绕组关断磁力线。

15．按照权利要求11和14中任一项的装置，其特征为，所说装置的磁芯具有至少三条平行耦合的腿，并且其中两条属于不同的磁力线路径，而第三条则为该两条磁力线路径所公有。

16．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，绝缘系统具有一个在绝缘层之外的外层(45)，其导电率比绝缘层高，使该外层由于接地或另外接到较低的电位上，能起到使电位均等化的作用。

17．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征在于，将外层(45)布置成使其向内基本上封闭导电体(42)所产生的电场。

18．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，内层(43)和固体绝缘层具有基本相等的热性能。

19．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，外层(45)和固体绝缘层具有基本相等的热性能。

20．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，所说至少一个导电体(42)形成至少一个感应匝。

21．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，内层和/或外层(43、45)具有半导电材料。

22．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，内层(43)和/或外层(45)具有的电阻系数处在10^-6Ωcm-100kΩcm的范围内，其合适范围为10^-3-1000Ωcm，最好为1-500Ωcm。

23．按照以上权利要求书中任一项的装置，其特征为，内层(43)和/或外层(45)具有的导电体/绝缘系统每米长度的电阻处在50μΩ-5MΩ的范围内。

24．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，固体绝缘层(44)和内层(43)和/或外层(45)均由聚合物材料制成。

25．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，内层(43)和/或外层(45)和固体绝缘层(44)基本上沿整个界面牢固地互相连接在一起，并且在弯曲和温度变化时也能确保粘结。

26．按照以上权利要求书中任一项的装置，其特征为，固体绝缘层和内层和/或外层均由高弹性材料制成以便在操作时发生应变的情况下仍能保持相互粘结。

27．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，固体绝缘层和内层和/或外层均由基本相等的E-模数的材料制成。

28．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，内层(43)和/或外层(45)和固体绝缘层(44)均由具有基本相等的热膨胀系数的材料制成。

29．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，导电体(42)及其绝缘系统构成一个由一可弯曲的电缆(41)制成的绕组。

30．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，内层(43)与至少一个导电体(42)处于电接触。

31．按照权利要求30的装置，其特征为，所说至少一个导电体(42)具有多根绞合线，并且导电体(42)的至少一根绞合线至少有一部分是不绝缘的，并被安排成可与内层(43)电接触。

32．按照以上权利要求中任一项的装置，其特征为，将导电体(42)及其绝缘系统设计成可用于高电压，超过10KV特别是超过36KV是合适的，最好高于72.5KV。

33．按照权利要求12的装置，其特征为，该磁路具有一个或多个磁芯(48)，其上设有安装绕组(41)的槽(50)。

34．按照权利要求12和32-33中任一项的装置，其特征为，所说装置是由发电机、电动机或同步补偿器构成的。

35．按照权利要求12和33-34中任一项的装置，其特征为，所说装置可直接连接到适宜的为36KV或更高的电力网上，不需中间变压器。

36．按照权利要求1-11和13-32中任一项的装置，其特征为，所说装置是由电力变压器/电抗器构成。

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