NO322810B1 - Roterende elektrisk maskin - Google Patents

Abstract

En roterende elektrisk maskin med en statorvinding dannet av fleksible kabler (20, 22, 26) innsatt i en åpen stator i statorkjernen. Statorslissene strekker seg fra en radialt ytre gaffeldel av statorkjernen radialt innover mot rotoren hvor statorslissene er atskilt av tenner. Statorslissene er formet som doble slisser med skuldre (24, 25) anordnet i slisseveggene på en slik måte at hver kabel i vindingen er sikret mellom den foregående kabel i statorslissen og, sett fra slisseåpningen, den neste skulder beliggende på utsiden av den bestemte kabel. I en fremgangsmåte for fremstilling av en slik vinding innsettes den første kabel (20) gjennom åpningen i statorslissen og presses fast inn i en kabelslisse anordnet ved bunnen av skulderslissen og beregnet for å holde kabelen når den har blitt presset inn, hvoretter en andre kabel (22) innsettes gjennom åpningen i statorslissen og sikres mellom den første kabel og en motstående sikrende skulder (24) i slisseveggen, hvoretter en tredje kabel (26) innsettes gjennom åpningen i statorslissen og sikres mellom den andre kabel (22) og en sikringsskulder (28) i slisseveggen motsatt den andre kabel, og så videre.

Description

Oppfinnelsen angår en roterende elektrisk maskin med statorvinding dannet av fleksibel kabel innsatt i statorslisser i statorkjernen, hvor statorslissene strekker seg fra en radialt ytre gaffeldel av statorkjernen radialt innover mot rotoren, og hvor statorslissene er atskilt av tenner. Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte for fremstilling av en slik statorvinding.

Elektriske maskiner av typen nevnt ovenfor er beskrevet i for eksempel internasjonal patentsøknad WO 97/45919. Kablene som danner statorvindingen er passende høyspentkabler av i det vesentlige den samme type som de som anvendes for kraftfordeling, dvs. PEX-kabler (PEX=tverrbundet polyetylen). I motsetning til kraftfordel-ingskabelen har imidlertid vinningen ikke noen metallplate som normalt omgir en slik kraftfordelingskabel. Kabelen omfatter derfor i det vesentlige bare den elektriske leder og minst et halvledende lag på hver side av isolasjonslaget. Disse maskiner kan bygges for ekstremt høye spenninger, 800 kV og høyere, og for ekstremt høye effekter, opp til 1 500

MW.

Ved fremstillingen av vindingene for en slik stator er statoren vanligvis forsynt med hovedsakelig stengte slisser, hvor kabelen blir trukket aksialt gjennom slissene. De elektriske maskiner beregnet for disse ekstremt høye spenninger, flere hundre kilovolt vil den totale lengde av kabel i statorvindingen være betydelig, opp til flere kilometer pr. fase. I slike elektriske maskiner må slissene for statorvindingene i statorkjernen også lages meget dype for å sikre tilstrekkelig rom for det nødvendige antall av vindings-viklinger i slissen, og dette fører igjen til at tennene som atskiller slissene blir meget lange. Videre er det vesentlig for funksjonen av disse maskiner at det ytterste halvledende lag av kablene ikke blir skadd under vinding av maskinen, da dette lag er vitalt for å innelukke det elektriske felt i vindingen.

I tilfeller med maskiner beregnet for lavere effekter, opp til 3040 MW, og lavere spenninger, som angår den foreliggende oppfinnelse, er statorvindingen satt sammen av en kabel med betydelig mindre diameter enn vindingene i en maskin for høy spenning og høy effekt. I en generator for vindkraftanlegg av typen beskrevet for eksempel i internasjonale patentsøknader SE99/00943 og SE99/00944 og publisert internasjonal søknad W099/28919, er generatoren drevet direkte og opererer ved en meget lav hastighet, 10-25 rpm, som igjen betyr at den må være utformet med et stort antall av poler. Mange poler resulterer i en stor diameter og dermed stor vekt.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å eliminere problemene omtalt ovenfor med høy vekt av statoren og kostbar kabeltrekking for dette, og å gi forenklet fremstilling av den aktuelle type av elektrisk maskin mens det opprettholdes et ubrutt ytre halvledende lag for vindingen.

Dette formål oppnås med en roterende elektrisk maskin av typen beskrevet i innledningen, med de karakteristiske trekk som angitt i krav 1 og ved anvendelse av en fremgangsmåte som angitt krav 16.

Utforming av en statorkjerne med åpne statorslisser tillater at statorvindingen kan fremstilles ved innsetting av kabelen i slissene i radial retning. Kabelen behøver derfor ikke bli trukket aksialt gjennom slissene. Ved utformingen av slissene som angitt i krav 1 blir hver ny kabel i vindingen festet mellom den foregående kabel i slissen og den neste skulder beliggende på utsiden av den bestemte kabel. Kablene er dermed selvsikrende. Fremstilling av vindingene blir sterkt forenklet ved at hver ny kabel blir klemt lett under vindingsprosessen mellom den foregående kabel og skulderen, direkte på utsiden av kabelen. Ved forming av slissene i statorkjernen som doble slisser kan i det vesentlige to ganger så mange kabler bli montert inn i en statorslisse av en bestemt dybde som i en enkel slisse. Slissene behøver ikke derfor å være så dype, som resulterer i kortere tenner, med mindre tendens til vibrasjon, mellom slissene så vel som en totalvektreduksjon for statorkjernen.

I samsvar med en fordelaktig utførelsesform av maskinen ifølge oppfinnelsen er statorslissene og skuldrene dimensjonert slik at avstanden mellom kabelen som er innsatt i statorslissen og den motstående skulder er noe mindre, fortrinnsvis noen tiendedels millimeter mindre, enn diameteren av kabelen. For å sikre at den ovenfor nevnte kabel skal funksjonere, må nevnte avstand på den ene side være noe mindre enn kabel- - diameteren. Imidlertid er det av den største viktighet at kabelen ikke blir utsatt for noen tydelige deformasjon under fremstillingen av statorvindingen, som kan føre til kata-strofale feltkonsentrasjoner, og forskjellen mellom nevnte avstand og kabeldiameteren bør, på den annen side være så liten som mulig.

I samsvar med en annen fordelaktig utførelsesform av maskinen ifølge oppfinnelsen, er det dannet en åpen sirkulær kabelsliss i slisseveggen ved bunnen av statorslissen, hvor kabelslissen har en radius som svarer i det vesentlige til radiusen av kabelen, og en åpning som er noe mindre enn 180° for å sikre den første kabel i statorslissen i denne kabelslisse. Forming av kabelåpningen noe mindre enn 180° vil sikre at kabelen vil bli holdt i kabelslissen etter å ha blitt presset inn i slissen. Det er imidlertid viktig at slisseåpningen er tilstrekkelig stor til at kabelen ikke blir deformert når den presses gjennom åpningen, som kan resultere i de ovenfor nevnte konsekvenser.

I samsvar med andre fordelaktige utførelsesformer av maskinen ifølge oppfinnelsen, er en profil av elastisk materiale innsatt i rommene mellom tilstøtende kabler i kabelslissen, eller en plate av elastisk materiale er innsatt mellom kablene i de to lag av kabler i den doble slisse. Profilen er dimensjonert for å absorbere variasjoner i diameteren av kablene og å holde kablene konstant trykket mot veggen av slissen, og på ekvivalent måte er tykkelsen av platen bestemt for å absorbere variasjoner i diameteren av kablene og å holde kabelen konstant trykket mot slisseveggen. Profilen og platen kan dermed ta opp variasjoner i diameteren av kabelen som resulterer fra setting, termisk ekspansjon og avvik i dimensjonene av kabelen, så vel som å sikre god kjøling av kabelen mot slisseveggen, og å unngå vibrasjoner og slitasjeskade i kabelen.

I samsvar med en ytterligere fordelaktig utførelsesform av maskinen ifølge oppfinnelsen omfatter kabelen et isolasjonssystem som omgir en ledende kjerne, hvor systemet omfatter to halvledende lag påført en på hver side av et fast lag av isolasjon, hvor de halvledende lag utgjør i det vesentlige ekvipotensiale flater. Det elektriske felt er dermed begrenset og den ytre flate av kabelen kan holdes i det vesentlige ved jordpotensiale.

I samsvar med en ytterligere fordelaktig utførelsesform av maskinen ifølge oppfinnelsen har den faste isolasjon og dens omgivende halvledende lag en elektrisk isolasjonsstyrke som overskrider 3 kV/mm, men fortrinnsvis overskrider 5 kV/mm. Dimensjonen av vindingen kan dermed holdes nede, til tross for høye spenninger i vindingen, som igjen bidrar til å holde de totale dimensjoner av maskinen nede.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et tverrsnitt av en kabel for bruk i den kabelviklede maskin i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 viser en del av en statorlaminering i en maskin i samsvar med den foreliggende oppfinnelse, og fig. 3-5 viser forskjellige eksempler på innsetting av kabelen i slissene i statorkjernen i maskinen ifølge oppfinnelsen.

Oppfinnelsen angår en roterende elektrisk maskin av den kabelviklede type. Kabelen 1 som danner statorvindingen er vist i tverrsnitt på fig. 1, og utgjør en høyspent-kabel av i det vesentlige den samme type som de som anvendes for kraftfordeling, dvs. PEX-kabler. Høyspentkabler 1 omfatter en ledende kjerne med flere tråder 2. Lederen er omgitt av et isolasjonssystem som har to halvledende lag 3, 5 påført en på hver side av et fast lag av isolasjon 4. Kabelen er fleksibel og de halvledende lag 3, 5 omfatter i det vesentlige ekvipotensiale flater. Dette muliggjør at det elektriske felt kan begrenses slik at den ytre flate om kabelen 1 kan holdes på i det vesentlige jordpotensialet. Den faste isolasjon 4 og de halvledende lag 3, 5 som omslutter den har en elektrisk ledende styrke som overskrider 3 kV/mm, fortrinnsvis overskrider 5 kV/mm.

Kabelen er derfor spesielt passende for bruk som vinding i en statorkjerne for høye spenninger, mens det fremdeles opprettholdes styring av det elektriske felt, og uten risiko for at det skal forekomme destruktive elektriske partielle utladninger, PD.

Fig. 2 viser en del av en statorlaminering i statorkjernen ifølge oppfinnelsen. Doble slisser 6 har blitt fremstilt i lamineringen, som strekker seg fra en radialt ytre gaffeldel 8 av statorlamineringen radialt innover mot rotoren som skal bli anordnet foran åpningene i slissene. En kabelslisse 10 er formet ved bunnen av statorslissen, hvor kabelslissen har en radius som svarer i det vesentlige til radiusen av kabelen, slik at kabelen kan oppnå god kontakt med slisseveggen. Slisseåpningen er noe mindre enn 180°. Denne

<c

slisse 10 er beregnet for å motta den første kabel i den doble slisse 6, og da slisseåpningen er noe mindre enn 180° vil kabelen bli holdt i denne slisse 10 når den har blitt presset inn. Skuldre 12 og 14 er anordnet i de motstående vegger i hver slisse. Ved hjelp av disse skuldre 12, 14, som er avrundet med en krumningsradius som er noe mindre enn den tilsvarende radius av kabelen slik at tilstøtende kabler er i tett kontakt med krumningen av skuldrene kan hver ny kabel innsatt i den doble slisse 6 være sikret mellom en skulder og den foregående kabel i slissen 6.

De doble slisser 6 er atskilt av tenner 16. Det er vist hull 18 i tennene 16 og i gaffeldelen av lamineringen, for å tillate at statorlamineringene er boltet sammen under fremstillingen av statorkjernen.

Fig. 3 viser en dobbel slisse av typen vist på fig. 2, med vindingskabler innsatt. Den første kabel 20 er innsatt i kabelslissen ved bunnen av statorslissen og sikret i denne kabelslisse som beskrevet i forbindelse med fig. 2. Den neste kabel 22 blir så sikret i statorslissen etter dens innsetting mellom kabelen 20 og skulderen 24 beliggende ved siden av på utsiden av kabelen 22. Statorslisse og skulder er dimensjonert slik at avstanden mellom kabelen 20 og den motstående skulder 24 er noe mindre enn diameteren av kabelen 22. Denne avstand kan typisk være noen tiendedels millimeter mindre enn kabeldiametren. Etter innsetting inn i statorslissen blir så den neste kabel 26 sikret mellom foregående kabel 22 og skulderen 28 beliggende ved siden av på utsiden av den, osv.

For å presse kablene 20, 22 26 lett mot veggen i slissen, som er nødvendig for å oppnå tilfredsstillende kjøling og å unngå noen vibrasjoner, i utførelsesformen vist på fig. 4, er en profil 30 av elastisk materiale anbrakt i trekantede rom mellom tilstøtende kabler. Profilen 30 kan være en tykkvegget slange eller et homogent bånd av silikongummi eller elastisk skumgummi. Profilen 30 er dimensjonert for å absorbere variasjoner i diameterne av kablene 20, 22, 26 forårsaket av setting, termisk ekspansjon eller avvik i dimensjoner ved fremstillingen.

I stedet for å innsette profiler som vist på fig. 4, kan en plate 32 av elastisk materiale så som skumgummi være anbrakt mellom de to lag av kabler hhv. 20, 26... og 22..., i den doble slisse, se fig. 5. Tykkelsen av platen 32 er tilpasset for å presse kablene lett mot slisseveggen på den samme måte som profilene 30, for å oppnå effektiv kjøling og å unngå vibrasjon som kan resultere i slitasjeskade, og også å ta opp vibrasjoner i kabeldiameteren som nevnt ovenfor. I denne sammenheng skal det nevnes at den beskrevne kabel har en diameter på mellom 16 og 25 mm og er dimensjonert for et spenningsnivå på mellom 10 og 50 kV. Den beskrevne roterende elektriske maskin er passende som en direkte drevet generator i et vindkraftanlegg, med en effekt som overskrider 1 MW, fortrinnsvis overskrider 1,5 MW, og særlig mellom 3 og 6 MW. Den beskrevne roterende elektriske maskin er imidlertid også passende som en motor og er da utformet innenfor rammen av oppfinnelsen for betydelig høyere hastigheter enn den direkte drevne vindkraftgenerator hvor hastigheten av vindkraftrotoren er en begrensende faktor for generatorens hastighet. Maskinen kan også bli drevet med betydelig høyere effekt ved motordrift.

Claims (16)

1. Roterende elektrisk maskin med statorvinding dannet av fleksibel kabel innsatt i statorslisser i statorkjernen, hvor statorslisser (6) strekker seg fra en radialt ytre gaffeldel (8) av statorkjernen radialt innover mot rotoren, og hvor statorslissene er atskilt av tenner (16), karakterisert ved at statorslissene (6) er formet som åpne doble slisser med skuldre (12, 14, 24, 28) anordnet i slisseveggene på en slik måte at hver kabel i vindingen er sikret mellom den foregående kabel i statorslissen og, sett fra slisseåpningen, den neste skulder beliggende på utsiden av den bestemte kabel.

2. Maskin ifølge krav 1, karakterisert ved at statorslissen (6) og skuldrene (12, 14, 24, 28) er dimensjonert slik at avstanden mellom kablene (20, 22,26) innsatt i statorslissen og den motstående skulder er noe mindre, fortrinnsvis noen tiendedels millimeter mindre, enn diameteren av kabelen.

3. Maskin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at skuldrene (12,14,24,28) er avrundet med en kmmningsradius som er noe mindre enn den tilsvarende radius av kabelen (20,22,26).

4. Maskin ifølge foregående krav, karakterisert ved at en åpen, sirkulær kabelslisse (10) er formet i slisseveggen ved bunnen av statorslissen (6), hvor kabelslissen har - en radius som svarer i det vesentlige til radiusen av kabelen (20), og en åpning som er noe mindre enn 180° for sikre den første vindingskabel i statorslissen i denne kabelslisse.

5. Maskin ifølge foregående krav, karakterisert ved at en profil (30) av elastisk materiale er innsatt i rommene mellom tilstøtende kabler (20,22,26) i statorslissen.

6. Maskin ifølge krav 5, karakterisert ved at profilen (30) omfatter en tykkvegget slange.

7. Maskin ifølge krav 5, karakterisert ved at profilen (30) omfatter et homogent bånd.

8. Maskin ifølge ett av kravene 5-7,karakterisert ved at profilen (30) er av silikongummi.

9. Maskin ifølge ett av kravene 5-7, karakterisert ved at profilen (30) er av elastisk skumgummi.

10. Maskin ifølge ett av kravene 5-9, karakterisert ved at profilen (30) er dimensjonert for å absorbere variasjoner i diameteren av kablene (20, 22, 26) og å holde kabelen konstant presset mot slisseveggen.

11. Maskin ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at platen (32) av elastisk materiale er innsatt mellom kablene (20, 26 ... og 22 ...) i de to lag av kabler i den doble slisse.

12. Maskin ifølge krav 11, karakterisert ved at platen (32) er av skumgummi.

13. Maskin ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at tykkelsen av platen (32) er tilpasset til å absorbere variasjoner i diameteren av kablene (20, 22, 26) og å holde kabelen konstant trykket mot slisseveggen.

14. Maskin ifølge foregående krav, karakterisert ved at kabelen (1, 20, 22, 26) omfatter et isolasjonssystem som omgir en ledende kjerne, hvor systemet omfatter to halvledende lag (3, 5) påført en på hver side av et fast lag av isolasjon (4), hvor de halvledende lag utgjør i det vesentlige ekvipotensiale flater.

15. Maskin ifølge krav 14, karakterisert ved at den faste isolasjon (4) og de omgivende halvledende lag (3, 5) har en elektrisk isoleringsstyrke som overskrider 3 kV/mm, fortrinnsvis overskrider 5 kV/mm.

16. Fremgangsmåte for fremstilling av en statorvinding dannet av en fleksibel kabel innsatt i åpne statorslisser i statorkjernen av en roterende elektrisk maskin, karakterisert ved at en første kabel (20) innsettes gjennom åpningen i statorslissen (16) og trykkes fast inn i en kabelslisse (10) anordnet ved bunnen av statorlissen og utformet til å holde kabelen når den har blitt presset inn, hvoretter en andre kabel (22) innsettes gjennom åpningen av statorslissen og sikres mellom den første kabel (20) og en motstående sikrende skulder (24) i slisseveggen, hvoretter en tredje kabel (26) innsettes gjennom åpningen i statorslissen og sikres mellom den andre kabel (22) og en sikringsskulder (28) i slisseveggen motsatt den andre kabel, og så videre.