SE513057C2

SE513057C2 - Rotary electric machine and method of heat insulating a rotating electric machine

Info

Publication number: SE513057C2
Application number: SE9703551A
Authority: SE
Inventors: Mats Leijon; Gunnar Kylander
Original assignee: Abb Ab
Priority date: 1997-09-30
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2000-06-26
Also published as: AU9291798A; WO1999017429A1; NO20001596L; CA2305428A1; BR9812407A; SE9703551D0; PL339561A1; EP1020009A1; CN1272244A; SE9703551L; JP2001518778A; NO20001596D0

Abstract

A device and a method for thermally insulating a rotating electric machine comprising a stator (1), wound with a high voltage cable (11), and a rotor (17), whereby the machine is provided with a thermal insulation (20, 60, 70, 90) in the air gap between the stator (1) and the rotor (17).

Description

i.. .lill 10 15 20 25 30 515 057 2 statorn och härvände för den del som beﬁnner sig utanför statorn. En härva består av en eller flera ledare sammanförda i höjd och/eller bredd. Mellan varje ledare finns en tunn isolering, t ex epoxy/glasfiber. Härvan isoleras mot spåret med en härvisolering, dvs en isolering avsedd att tåla maskinens märkspänning mot jord. i ... small 10 15 20 25 30 515 057 2 the stator and turned for the part that lies outside the stator. A tangle remains by one or more conductors joined together in height and / or width. Between each leader there is a thin insulation, eg epoxy / fiberglass. The coil is insulated against the track with a resin insulation, ie an insulation intended to withstand the rated voltage of the machine against earth.

Som isolermaterial kan olika plast-, lack- och glasﬁbermaterial användas. Vanligen används sk Micatejp, som är en blandning av glimmer och hårdplast, speciellt framtagen för att ge motståndskraft mot partiella urladdningar, som snabbt kan bryta ned isoleringen. isoleringen påförs härvan genom att Mica-tejpen lindas kring härvan iflera lager. isoleringen impregneras och därefter påmålas härvsidan med en kolbaserad färg för att förbättra kontakten med den omgivande statorn som är ansluten till jordpotential. Statorn kan vara utförd av laminerad, normal el- ler orienterad plåt eller annat, t ex amorft eller pulverbaserat material. Det före- kommer också maskiner där växelströmslindningarna är placerade i rotorn och magnetiseringslindningen i statorn.As insulation material, various plastic, lacquer and glass materials can be used. Usually so-called Mica tape is used, which is a mixture of mica and hard plastic, especially developed to provide resistance to partial discharges, which can quickly break down the insulation. the insulation is applied to the skein by winding the Mica tape around the tangle in several layers. the insulation is impregnated and then the warp side is painted on with a carbon-based paint to improve contact with the surrounding stator which is connected to ground potential. The stator may be made of laminated, normal electrical oriented sheet metal or other, eg amorphous or powder-based material. The present There will also be machines where the AC windings are located in the rotor and the magnetizing winding in the stator.

För kylning av stora växelströmsmaskiner används ofta gaskylning av bå- de statorn och rotorn. Det vanliga är att gasen leds radiellt genom statorn i kylka- naler som bildas genom radiellt orienterade distanser. Distanserna separerar sta- torplåtkärnan i paket om ca 30 mm axiell längd och är vanligtvis 6 mm höga, 2 mm tjocka, raka rektangulära stålelement.For cooling of large AC machines, gas cooling of booths is often used. the stator and the rotor. It is common for the gas to be conducted radially through the stator in the cooling chamber. channels formed by radially oriented distances. The distances separate the the pore core in packages of about 30 mm axial length and are usually 6 mm high, 2 mm thick, straight rectangular steel elements.

Gascirkulationen i den elektriska maskinen kan anordnas efter olika prin- ciper. En hydrogenerator är en mångpolig generator som kännetecknas av stor statordiameter och utpräglade poler. l hydrogeneratorer kan rotorn utformas med radiella kylkanaler, så att luften går radiellt i både rotor och stator. Det är också vanligt att gasen trycks in axiellt i luftgapet av ﬂäktar från bägge maskinens ändar för att sedan böjas av 90° och gå radiellt ut genom statorkanalerna. En turbogene- rator är en fåpolig, 2 eller 4 poler, generator som karaktäriseras av en väsentligen cylinderformad rotor. l turbogeneratorer direktkyls ofta rotorledarna med gas som går i axiella kanaler i anslutning till ledarna. Den uppvärmda gasen släpps uti luft- gapet via radiella kanaler som ofta koncentreras till mittområdet. Statorn i turbo- generatorer delas upp i olika kylkammare där gasﬂödets riktning kan skifta, så att kall luft kan tryckas ned i luftgapet i vissa kammare och varm luft lämna luftgapet i 10 15 20 25 30 513 057 3 andra kammare I några turbomaskiner tillämpas s.k. reverserad kylning, vilket in- nebär att rotorfläktarna suger ut gas från luftgapet istället för att trycka in gas.The gas circulation in the electric machine can be arranged according to different principles. ciper. A hydrogen generator is a multipole generator that is characterized by large stator diameter and pronounced poles. In hydrogen generators, the rotor can be designed with radial cooling ducts, so that the air goes radially in both rotor and stator. It is also It is common for the gas to be pushed axially into the air gap by ﬂ axes from both ends of the machine to then bend by 90 ° and go radially out through the stator channels. A turbogenic rator is a multipole, 2 or 4 poles, generator characterized by an essentially cylindrical rotor. In turbogenerators, the rotor conductors are often directly cooled with gas such as goes in axial channels adjacent to the conductors. The heated gas is released into the air the gap via radial channels which are often concentrated in the central area. The stator in turbo- generators are divided into different cooling chambers where the direction of gas fate can change, so that cold air can be forced into the air gap in some chambers and hot air leaves the air gap in 10 15 20 25 30 513 057 3 other chambers In some turbomachines, the so-called reverse cooling, which means that the rotor fans suck gas out of the air gap instead of pushing in gas.

Detta ger fördelen att statorn kyls med kall luft istället för den varma rotorluften.This gives the advantage that the stator is cooled with cold air instead of the hot rotor air.

Rotorfläktbladen är då placerade ovanpå rotorkapslarna istället för axelmonterade bakom rotorkapslarna.The rotor fan blades are then placed on top of the rotor capsules instead of shaft mounted behind the rotor capsules.

Kylluften kan bestå av omgivningsluft men vid effekter över 1 MW an- vänds huvudsakligen slutet kylsystem med värmeväxlare. Vätgaskylning används normalt vid turbogeneratorer upp till ca 400 MW och vid stora synkronkompensa- torer. Kylmetoden fungerar på samma sätt som vid luftkylning med värmeväxlare, men istället för luft som kylmedel används vätgas. Vätgasen har bättre kylförmåga än luft, men svårigheter uppstår vid tätningar och att övervaka läckage. Kylkana- lerna i rotorn åstadkommes vanligen genom utstansningar i rotorplåten som kom- mer att bilda kanaler när plåtarna läggs på varandra för att bygga upp segment.The cooling air can consist of ambient air, but at outputs of more than 1 MW mainly closed closed cooling system with heat exchanger. Hydrogen cooling is used normally with turbogenerators up to about 400 MW and with large synchronous compensations torer. The cooling method works in the same way as for air cooling with heat exchangers, but instead of air as coolant hydrogen is used. The hydrogen gas has a better cooling capacity than air, but difficulties arise with seals and monitoring for leaks. Kylkana- The rotors in the rotor are usually provided by punching in the rotor plate which more to form channels when the plates are laid on top of each other to build up segments.

Uggﬁnningens syfte Syftet med uppﬁnningen är att åstadkomma ett kylsystem för en roterande elektrisk maskin för hög spänning från 10kV och upp till kraftnätets spänningsnivå.Purpose of the youth The purpose of the invention is to provide a cooling system for a rotary electric machine for high voltage from 10kV and up to the power grid voltage level.

En sådan roterande elektrisk maskin skall kunna direktanslutas till ett kraftnät utan mellanliggande transformator. Den nya typen av roterande elektrisk maskin har ett antal särdrag som ställer speciella krav på kylsystemetjämfört med en konventio- nell maskin.Such a rotating electric machine must be able to be directly connected to a power grid without intermediate transformer. The new type of rotary electric machine has one number of features that place special demands on the cooling system compared to a conventional nell machine.

Sammanfattning av uppfinningen Ovannämnda syfte uppnås genom att anordningen enligt uppﬁnningen uppvisar de i bifogade patentkrav angivna kännetecknen.Summary of the invention The above object is achieved by the device according to the invention exhibits the characteristics specified in the appended claims.

Genom att använda högspända isolerade elektriska ledare, i det följande benämnda högspänningskablar, med fast isolation av likartat utförande som kab- lar för överföring av elkraft (exempelvis s. k, PEX-kablar) kan maskinens spänning höjas till sådana nivåer att den kan direktanslutas till kraftnätet utan mellanliggan- de transformator. Således kan den konventionella transformatorn elimineras. Kon- ceptet innebär att de spår i vilka högspänningskablarna förläggs i statorn i allmän- lill 515 057 4 het blir djupare än vid konventionell teknik (tjockare isolation p.g.a. högre spän- vad avser kylningen av statortänderna. 5 ning samt flera varv i Iindningen). Detta innebär att fördelningen av förluster blir annorlunda än i en konventionell maskin vilket i sin tur innebär nya problem bla.By using high voltage insulated electrical conductors, in the following called high-voltage cables, with fixed insulation of a similar design as cable For the transmission of electricity (for example, so-called PEX cables), the machine's voltage raised to such levels that it can be directly connected to the power grid without intermediate the transformer. Thus, the conventional transformer can be eliminated. Cone- The concept means that the grooves in which the high-voltage cables are laid in the stator are generally lill 515 057 4 becomes deeper than with conventional technology (thicker insulation due to higher as regards the cooling of the stator teeth. 5 and several turns in the winding). This means that the distribution of losses becomes different than in a conventional machine, which in turn means new problems, among other things.

Den isolerade ledaren eller högspänningskabeln som används vid förelig- gande uppfinning är flexibel och böjlig och av det slag som närmare beskrivs i WO 97/45919 och WO 97/45847. Ytterligare beskrivning av den isolerade ledaren eller kabeln finns i WO 97/45918, WO 97/45930 och WO 97/45931.The insulated conductor or high voltage cable used in the present The present invention is flexible and pliable and of the kind further described in WO 97/45919 and WO 97/45847. Additional description of the insulated conductor or the cable is found in WO 97/45918, WO 97/45930 and WO 97/45931.

Lindningsisoleringen i en maskin enligt föreliggande uppfinning består av 10 samma material som i högspända fastisolerade kablar, t.ex. tvärbunden polyeten (XLPE). Dessa material har inte samma temperaturtålighet som konventionell ge- neratorisolation, vilken kan klara ca. 130°-155°C. XLPE fårförändrade egenska- per redan vid 70°C, och en absolut övre temperaturgräns är 90°C. Detta innebär, lationsförluster vilket är en stor nackdel för en generator. vid luftkylning att luften bara får lov att ha en temperaturstegring på 10-20 K mot 15 normalt 40-60 K. Detta innebär mycket stora Iuftvolymer vilket leder till stora venti- Vidare får statortänderna i en maskin enligt föreliggande uppﬁnning en radiellt mycket mer utsträckt form jämfört med en konventionell maskin. De långa statortänderna är mycket känsliga för tangentiella magnetiska krafter, som verkar veri. 20 på tandens yta som vetter mot luftgapet. l en traditionellt gaskyld stator med ra- diella kylkanaler gör plåttrycket att plåtarna bucklas mellan kylkanalsdistanserna.The winding insulation of a machine according to the present invention consists of The same material as in high-voltage fixed-insulated cables, e.g. crosslinked polyethylene (XLPE). These materials do not have the same temperature resistance as conventional nerator insulation, which can handle approx. 130 ° -155 ° C. XLPE sheep-modified properties per already at 70 ° C, and an absolute upper temperature limit is 90 ° C. This means, losses which is a major disadvantage of a generator. in air cooling that the air is only allowed to have a temperature rise of 10-20 K against Normally 40-60 K. This means very large volumes of air which leads to large Furthermore, the stator teeth in a machine according to the present invention have one radially much more elongated shape compared to a conventional machine. The long ones the stator teeth are very sensitive to tangential magnetic forces, which act veri. 20 on the surface of the tooth facing the air gap. l a traditional gas-cooled stator with radi- die cooling ducts cause the plate pressure to buckle between the cooling duct spacers.

Bucklingen av plåten leder till starkt försämrad tangentiell styvhet hos plåten, vilket skulle vara ett särskilt svårt problem i den nya typen av elektrisk maskin. Dålig tangentiell styvhet i så långa statortänder leder till stor risk för självsvängningsfe- 25 nomen och höga svängningsamplituder vilket leder till hög ljudnivå och på sikt ha- Därför är det bättre att kyla den nya typen av stator med vatten. Detta le- der till att statorn kan göras homogen, utan att delas upp i plåtpaket som separe- ras av radiella kylkanaler. Rotorn kan vara helt konventionell vilket innebär att den 30 vanligtvis är gaskyld. Problemet som då uppstår är att den uppvärmda gasen från rotorn, som kan överstiga 110°C, värmer upp statorns yta mot luftgapet så mycket 10 15 20 25 30 513 057 5 att den temperaturkänsliga statorlindningen riskerar att överhettas. Speciellt är detta ett problem vid turbogeneratorer.The buckling of the plate leads to a sharp deterioration in the tangential stiffness of the plate, which would be a particularly difficult problem in the new type of electric machine. Bad tangential stiffness in such long stator teeth leads to a high risk of self-oscillating Nomen and high oscillation amplitudes, which leads to a high noise level and in the long run Therefore, it is better to cool the new type of stator with water. This le- ensure that the stator can be made homogeneous, without being divided into sheet packages race of radial cooling ducts. The rotor can be completely conventional which means that it Is usually gas-cooled. The problem that then arises is that the heated gas from the rotor, which can exceed 110 ° C, heats the surface of the stator against the air gap so much 10 15 20 25 30 513 057 5 that the temperature-sensitive stator winding risks overheating. Especially is this is a problem with turbo generators.

Problemen för turbogeneratorer av den nya typen härrör dels från att vär- .meövergångstalet är mycket högt i luftgapet vilket ger ett stort värmeﬂöde in i statortänderna. Dessutom är de elektromagnetiska förlusterna i statortänderna som störst närmast luftgapet eftersom statortänderna avsmalnar mot luftgapet vil- ket innebär ökande magnetisk ﬂödestäthet. Värmeeffekten är svår att leda bort utan avsevärd temperaturgradient eftersom tänderna är så långa, vilket ger förhål- landevis hög termisk resistans i radiell led. Det är svårt att placera tillräckligt många kylrör där statortanden är som smalast. Dessutom är förlusterna i den ka- bel som ligger närmast luftgapet större än i de övriga på grund av virvelströmmar som uppstår i kopparledarna till följd av spårläckflödet.The problems for turbogenerators of the new type stem partly from the fact that .me transition number is very high in the air gap which gives a large heat ﬂ fate into stator teeth. In addition, the electromagnetic losses are in the stator teeth largest closest to the air gap as the stator teeth taper towards the air gap ket means increasing magnetic d density. The heat effect is difficult to dissipate without a significant temperature gradient because the teeth are so long, which gives countrywide high thermal resistance in radial direction. It is difficult to place enough many cooling pipes where the stator tooth is at its narrowest. In addition, the losses in the bel that is closest to the air gap larger than in the others due to eddy currents which occurs in the copper conductors as a result of the groove leakage flow.

Dessa problem kan lösas om en termisk isolation exempelvis i form av en termiskt isolerande cylinder anordnas i luftgapet mellan rotor och stator. Luftgapet betecknar härvid det radiella avståndet mellan statorkärnans inneryta och rotor- kärnans ytteryta. Cylindern skall i flertalet utföringsformer vara fast ansluten till statorn och skydda statorytan från uppvärmning. l en möjlig utföringsform är cylin- dern dessutom försedd med kylrör för att ge extra kylning av statorn. Längden på cylindern behöver inte överensstämma med statorns längd, utan kan vara både kortare eller längre.These problems can be solved if a thermal insulation, for example in the form of a thermally insulating cylinder is arranged in the air gap between rotor and stator. The air gap denotes the radial distance between the inner surface of the stator core and the rotor core. the outer surface of the core. In most embodiments, the cylinder must be permanently connected to the stator and protect the stator surface from heating. In a possible embodiment, the cylindrical additionally provided with cooling pipes to provide extra cooling of the stator. The length of the cylinder does not have to correspond to the length of the stator, but can be both shorter or longer.

En vanlig utformning av kylkanaler i rotorn medför att den heta luften med hjälp av rotorﬂäktar går axiellt genom interna rotorkanaler och släpps ut i luftgapet ungefär i mitten av maskinens axiella längd. Normalt förs sedan rotorluften ut ge- nom radiella statorkanaler. Om denna lösning skall tillämpas måste naturligtvis några statorkanaler finnas trots att statorn är vattenkyld. Cylindern görs då i delar eller hålpläterad, så att inte statorkanalerna täcks över. l detta fall bör termisk iso- lering även läggas över den blottade statorlindningen i de radiella kylkanalerna, samt över de statorplåtar som exponeras för den varma gasen. Den totala axiella utsträckningen av cylindern kan göras kortare än statorns axiella längd eftersom den varma rotorluften är koncentrerad till de centrala delarna av luftgapet. lll lO 15 20 25 30 513 Û57 6 Luftgapsisolationen behöver inte nödvändigtvis vara uppbyggd av en cy- linder utan kan bestå av en gjutmassa eller ett antal axiella isolationsplattor som pålimmas statorn.A common design of cooling ducts in the rotor means that the hot air is included by means of rotor ﬂ spindle passes axially through internal rotor channels and is released into the air gap approximately in the middle of the axial length of the machine. Normally, the rotor air is then expelled nom radial stator channels. If this solution is to be applied, of course there are some stator channels even though the stator is water cooled. The cylinder is then made in parts or perforated, so that the stator ducts are not covered. In this case, the thermal insulation is also laid over the exposed stator winding in the radial cooling channels, and over the stator plates exposed to the hot gas. The total axial the extent of the cylinder can be made shorter than the axial length of the stator because the hot rotor air is concentrated in the central parts of the air gap. lll lO 15 20 25 30 513 Û57 6 The air gap insulation does not necessarily have to be made of a linder but may consist of a molding compound or a number of axial insulation plates which the stator is glued.

Om rotorfläktarna vänds åt andra hållet kan man suga ut den varma ga- sen genom luftgapet, s.k. reverserad kylning. Fördelen med detta är att man inte behöver ha några mittkanaler i statorn som ger problem med plåtbuckling och termisk isolering. Observera att gascirkulationen då inte överensstämmer med den kända typen av reverserad kylning för turbogeneratorer eftersom det inte finns några statorkanaler. Detta medför att den isolerande cylindern bör vara längre än statorn eftersom även härvändarna måste skyddas från den varma gasen.If the rotor fans are turned in the other direction, you can suck out the hot gas then through the air gap, s.k. reverse cooling. The advantage of this is that you do not need to have some center channels in the stator that cause problems with sheet metal buckling and thermal insulation. Note that the gas circulation then does not correspond to the known type of reverse cooling for turbogenerators because it does not exist some stator channels. This means that the insulating cylinder should be longer than the stator because the inverters must also be protected from the hot gas.

Kort beskrivning av ritninqarna Uppfinningen kommer nu med hänvisningsbeteckningari anslutning till bifogade ritningsfigurer att närmare beskrivas.Brief description of the drawings The invention now comes with reference numerals in connection with attached drawing figures to be described in more detail.

Figur 1 visar en schematisk vy delvis i ett diametralt snitt genom en stator av en roterande elektrisk maskin.Figure 1 shows a schematic view partly in a diametrical section through a stator of a rotating electric machine.

Figur 2 visar en tvärsnittsvy av en högspänningskabel enligt föreliggande upp- ﬁnning.Figure 2 shows a cross-sectional view of a high voltage cable according to the present invention. . nning.

Figur 3 visar schematiskt en sektor av en roterande elektrisk maskin.Figure 3 schematically shows a sector of a rotating electric machine.

Figur 4 visar schematiskt en första utföringsform enligt föreliggande uppﬁnning.Figure 4 schematically shows a first embodiment according to the present invention.

Figur 5a visar schematiskt en andra utföringsform enligt föreliggande uppfinning.Figure 5a schematically shows a second embodiment according to the present invention.

Figur 5b visar schematiskt en tredje utföringsform enligt föreliggande uppﬁnning.Figure 5b schematically shows a third embodiment according to the present invention.

Figur 6 visar ett snitt genom en första utföringsform av en cylinder enligt någon av utföringsformerna visade i figur 4, 5a eller 5b.Figure 6 shows a section through a first embodiment of a cylinder according to any one of the embodiments shown in Figures 4, 5a or 5b.

Figur 7 visar ett snitt genom en andra utföringsform av en cylinder enligt någon av utföringsformerna visade i figur 4, 5a eller 5b.Figure 7 shows a section through a second embodiment of a cylinder according to any of the embodiments shown in Figures 4, 5a or 5b.

Figur 8 visar ett snitt genom en tredje utföringsform av en cylinder enligt någon av utföringsformerna visade i figur 4, 5a eller 5b.Figure 8 shows a section through a third embodiment of a cylinder according to any of the embodiments shown in Figures 4, 5a or 5b.

Figur 9 visar en fjärde utföringsform av en cylinder enligt någon av utförings- formerna visade i figur 4, 5a eller 5b. 10 15 20 25 30 513 057 7 Figur 10 visar ett snitt genom en femte utföringsform av en cylinder enligt någon av utföringsformerna visade i ﬂgur 4, 5a eller 5b.Figure 9 shows a fourth embodiment of a cylinder according to any of the embodiments the shapes shown in Figure 4, 5a or 5b. 10 15 20 25 30 513 057 7 Figure 10 shows a section through a fifth embodiment of a cylinder according to any one of the embodiments shown in Figures 4, 5a or 5b.

Figur 11 visar en ändvy av utföringsformen enligt figur 10.Figure 11 shows an end view of the embodiment according to Figure 10.

Beskrivning av uppfinningen Figur 1 visar en elektrisk maskin försedd med en rotor 17 och en stator 1.Description of the invention Figure 1 shows an electric machine equipped with a rotor 17 and a stator 1.

Statorns 1 huvuddelar består av en statorstomme 2 och en statorkärna 3. Som vi- sas i ﬁguren bildar en statorlindning ett s.k. härvändspaket 8 vid statorns 1 båda sidor.The main parts of the stator 1 consist of a stator body 2 and a stator core 3. As shown in sas i ﬁ guren forms a stator winding a so-called reversing package 8 at both stator 1s pages.

Statorstommen 2 utgörs vid större konventionella maskiner ofta av en svetsad stålplåtskonstruktion. Statorkärnan 3, även kallad plåtkärnan, är normalt vid större maskiner utformad av 0,35 mm s.k. elplåt uppdelad i paket med en axiell längd av omkring 50 mm skilda från varandra med mellanlägg bildande 5 mm i ventilationskanaler. Vid en maskin enligt föreliggande uppﬁnning är ventilations- kanalerna dock eliminerade. Konstruktionen av varje plåtpaket görs vid större ma- skiner genom att lämpligt stora stansade plåtsegment 9 lägges ihop till ett första skikt varvid varje efterföljande skikt korslägges för uppbyggnad av en fullständig skivformad del av en statorkärna 3.Stator body 2 in larger conventional machines often consists of one welded sheet metal construction. The stator core 3, also called the sheet metal core, is normal for larger machines designed by 0.35 mm s.k. electrical plate divided into packages with an axial length of about 50 mm separated by spacers forming 5 mm in ventilation ducts. In a machine according to the present invention, the ventilation the channels, however, eliminated. The construction of each sheet metal package is done at larger sizes. shines by fitting suitably large punched sheet metal segments 9 into a first one layer whereby each subsequent layer is crossed to form a complete one disc-shaped part of a stator core 3.

I figur 2 visas en tvärsnittsvy på en högspänningskabel 11 enligt förelig- gande uppfinning. Högspäningskabeln 11 innefattar ett antal kardeler 12 med cir- kulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 12 är anordnade i mit- ten av högspänningskabeln 11. Runt kardelerna 12 finns anordnat ett första halv- ledande skikt 13. Runt det första halvledande skiktet 13 finns anordnat ett isola- tionsskikt 14, tex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 14 ﬁnns anordnat ett andra halvledande skikt 15. Begreppet högspänningskabel i föreliggande ansökan inne- fattar således ej det yttre skyddshölje som normalt omger en dylik kabel vid kraftdistribution.Figure 2 shows a cross-sectional view of a high voltage cable 11 according to the present invention. current invention. The high voltage cable 11 comprises a number of strands 12 with circulating colored cross section of, for example, copper (Cu). These strands 12 are arranged in the middle of the high-voltage cable 11. A first half is arranged around the strands 12. conductive layer 13. An insulating layer 13 is arranged around the first semiconducting layer 13. tions layer 14, e.g. PEX insulation. A second is arranged around the insulating layer 14 semiconductor layer 15. The term high voltage cable in the present application thus does not grasp the outer protective cover which normally surrounds such a cable power distribution.

Figur 3 visar schematiskt en sektor av en maskin med ett plåtsegment 9 av statorn 1 samt med rotorpoler 16 på maskinens rotor 17. Vidare framgår att statorlindningen 6 är anordnad i det cykelkedjeformade utrymmet 7 bildat mellan varje statortand 4. Figuren visar även att statorkärnan innefattar statortänder 4 li 10 15 20 25 30 513 057 8 och en statorrygg definierande ett yttre ryggparti 5. Vidare består statorn av en av högspänningskabel anordnad statorlindning 6 placerad i ett cykelkedjeformat ut- rymme 7 bildat mellan varje enskild statortand 4. Statorlindningen 6 är i ﬁguren endast markerad med dess ledare. Av ﬁguren framgår dessutom att högspän- ningskabeln är trappad i flera dimensioner beroende på dess radiella läge i statorn 1. Varje statortand 4 sträcker sig radiellt inåt från det yttre ryggpartiet 5. Dessutom är en termiskt isolerande cylinder 20 förbunden med statorn placerad i luftgapet mellan statorn 1 och rotorn 17.Figure 3 schematically shows a sector of a machine with a plate segment 9 of the stator 1 and with rotor poles 16 on the rotor 17 of the machine the stator winding 6 is arranged in the bicycle chain-shaped space 7 formed between each stator tooth 4. The figure also shows that the stator core comprises stator teeth 4 li 10 15 20 25 30 513 057 8 and a stator back defining an outer back portion 5. Furthermore, the stator consists of one of high voltage cable arranged stator winding 6 placed in a bicycle chain shaped space 7 formed between each individual stator tooth 4. The stator winding 6 is in the ﬁ clock only marked with its leader. The ﬁ gure also shows that high voltage The cable is stepped in several dimensions depending on its radial position in the stator Each stator tooth 4 extends radially inwardly from the outer back portion 5. In addition is a thermally insulating cylinder 20 connected to the stator located in the air gap between the stator 1 and the rotor 17.

Figur 4 visar i ett axiellt snitt en första utförlngsform av gaskylning av en rotor 17 till en maskin som är försedd med en vätskekyld, exempelvis vattenkyld, stator 1. Kylande gas strömmar härvid in i luftgapet 22 från rotorns båda sidor och vidare ut genom minst en radiell kanal 24 i statorn 1. För att isolera de i statorn liggande statorlindningarna är en termiskt isolerande barriär i form av en cylinder 20 ansluten till statorn och placerad i luftgapet mellan statorn och rotorn. Cylindern 20 är utformad med gasdräneringsorgan 26 i form av hål, slitsar eller mellanrum mellan delcylindrar för att släppa kylgas radiellt genom cylindern 20 och vidare ut genom kanalen 24. Dessutom kan cylindern 20 vara uppdelad i ﬂera delcylindrar 20220" varvid cylindern radiellt kan tillåta utsläpp av kylgas mellan dessa delcy- lindrar 20,20". Kanalen 24 är på liknande sätt termiskt isolerad för att skydda statorlindningarna mot den heta kylgasen.Figure 4 shows in an axial section a first embodiment of gas cooling of a rotor 17 of a machine provided with a liquid-cooled, for example water-cooled, stator 1. Cooling gas then flows into the air gap 22 from both sides of the rotor and further out through at least one radial channel 24 in the stator 1. To insulate those in the stator horizontal stator windings are a thermally insulating barrier in the form of a cylinder 20 connected to the stator and located in the air gap between the stator and the rotor. Cylinders 20 is formed with gas drainage means 26 in the form of holes, slots or gaps between sub-cylinders to release cooling gas radially through the cylinder 20 and further out through the channel 24. In addition, the cylinder 20 can be divided into del your sub-cylinders 20220 "whereby the cylinder can radially allow cooling gas emissions between these subcycles relieves 20,20 ". The channel 24 is similarly thermally insulated to protect the stator windings against the hot cooling gas.

Figur 5a visar i ett axiellt snitt en andra utförlngsform av gaskylning av en rotor 17 till en maskin som är försedd med en vätskekyld stator 1. Kylande gas strömmar härvid axiellt in genom rotorn och vidare radiellt ut genom rotorn och in i luftgapet 22. Från luftgapet sugs kylmediet axiellt ut från rotorns båda sidor och vidare ut förbi härvändspartierna 28 på ömse sidor av statorn 1. Även i denna ut- föringsform av gaskyld rotor har statorn försetts med en termiskt isolerande cylin- der 20, men på grund av ett annat utförande på gasströmningen saknar cylindern 20 gasdräneringsorgan och är således homogent utformad och härvid tät i radiell led utan möjlighet för gas att strömma radiellt genom cylinderväggen.Figure 5a shows in an axial section a second embodiment of gas cooling of a rotor 17 to a machine equipped with a liquid-cooled stator 1. Cooling gas then flows axially in through the rotor and further radially out through the rotor and into the air gap 22. From the air gap, the coolant is sucked out axially from both sides of the rotor and further out past the turning portions 28 on either side of the stator 1. Also in this gas-cooled rotor, the stator has been provided with a thermally insulating cylinder. 20, but due to a different design of the gas flow, the cylinder is missing Gas drainage means and is thus homogeneously designed and thereby dense in radial joint without the possibility of gas flowing radially through the cylinder wall.

Figur 5b visar en motsvarande utförlngsform som i ﬁgur 5a med den skill- naden vid denna tredje utförlngsform att den kylande gasen är anordnad att 10 15 20 25 30 513 057 9 strömma axiellt genom hela maskinens rotor 17 och luftgap 22, dvs. in på ena si- dan och ut på den andra.Figure 5b shows a corresponding embodiment as in Figure 5a with the difference in this third embodiment that the cooling gas is arranged to 10 15 20 25 30 513 057 9 flow axially through the entire machine rotor 17 and air gap 22, i.e. on one side day and out on the other.

Cylindern 20 är utformad enligt ett antal utföranden för att verka som iso- lerande barriär endera som gaskylning enligt ﬁgur 4 eller som gaskylning enligt ﬁ- gur 5.The cylinder 20 is designed according to a number of embodiments to act as an insulator. barrier either as gas cooling according to ﬁ gur 4 or as gas cooling according to ﬁ- gur 5.

Ett första utförande av cylindern 20 är enligt ﬁgur 6 att den är utformad som en homogen rördel 60 tillverkad i ett material med låg värmeledningsförmåga.A first embodiment of the cylinder 20 is according to Figure 6 that it is designed as a homogeneous pipe part 60 made of a material with low thermal conductivity.

Lämpligt material för den termiskt isolerande cylindern är glasfiberarmerad epoxy eller annat polymert material. Detta har en värmeledningsförmåga på 0.3 W/mK.Suitable material for the thermally insulating cylinder is fiberglass-reinforced epoxy or other polymeric material. This has a thermal conductivity of 0.3 W / mK.

Ett andra utförande av cylindern 20 enligt ﬁgur 7 är att den utformas av spirallindade kylrör 70. Kylrören 70 har härvid utformats med rektangulärt tvärsnitt för att erhålla stor strömningsarea i förhållande till radiell utsträckning. Cylindern enligt denna utföringsform kan även utformas med kylrör av cirkulärt tvärsnitt vilka spirallindas med ett avstånd mellan varje lindningsvarv kring en dorn varefter de "tillplattas" för att anta ett homogent rörformat utseende. l figur 8 visas en tredje utföringsform av cylindern 20 vilken utgör ett spiral- format dubbelrör 80 som en kombination av utföringsformerna enligt ﬁgur 6 och ﬁ- gur 7, dvs. en homogen rördel 60 omlindad av kylrör 70.A second embodiment of the cylinder 20 according to Figure 7 is that it is formed of spirally wound cooling pipes 70. The cooling pipes 70 are in this case designed with a rectangular cross-section. to obtain a large flow area in relation to the radial extent. Cylinders according to this embodiment can also be designed with cooling pipes of circular cross-section which spirally wound at a distance between each winding revolution around a mandrel after which they "flattened" to assume a homogeneous tubular appearance. Figure 8 shows a third embodiment of the cylinder 20 which constitutes a spiral formed double pipe 80 as a combination of the embodiments according to ﬁ gur 6 and ﬁ- gur 7, i.e. a homogeneous pipe section 60 wrapped by cooling pipes 70.

Figur 9 visar en fjärde utföringsform av cylindern vilken är utformad som en axiell kylrörscylinder 90. Härvid löper kylrören 70 parallellt med statortänderna 4 i luftgapet 22.Figure 9 shows a fourth embodiment of the cylinder which is designed as an axial cooling tube cylinder 90. In this case, the cooling tubes 70 run parallel to the stator teeth 4 in the air gap 22.

Figur 10 visar en femte utföringsform av cylindern utformad som ett axial- lindat dubbelrör 20 med en homogen rördel 60 omlindad av axiellt löpande kylrör 70 bildande ett utanpåliggande rör.Figure 10 shows a fifth embodiment of the cylinder designed as an axial wound double tube 20 with a homogeneous tube portion 60 wrapped by axially extending cooling tube 70 forming a surface-mounted tube.

Figur 11 visar i ett snitt de cirkulärt formade kylrören 70 omlindade den homogena fördelen 60 för bildande av det axiallindade dubbelröret 100.Figure 11 shows in a section the circularly shaped cooling pipes 70 wrapped around it homogeneous advantage 60 to form the axially wound double tube 100.

I samtliga utföringsformer där cylindern innefattar kylrör kan dessa kylrör vara utformade med clrkulära, elliptiska eller rektangulära tvärsnitt. Endera som en homogen cylinder eller med möjlighet att radiellt släppa genom kylgas.In all embodiments where the cylinder includes cooling tubes, these cooling tubes may be designed with circular, elliptical or rectangular cross-sections. Either that a homogeneous cylinder or with the possibility of radial release through cooling gas.

För att ytterligare förbättra isolationen i luftgapet 22 är det lämpligt att för- lägga cylindern 20 koncentriskt med en luftspalt till statorns inneryta. Luftspalten 513 057 10 kan, men behöver inte vara fylld med isolermaterial som tex. glasﬁberull. Cylin- dern 20 får inte vara för tjock, eftersom det annars blir problem att skjuta in rotorn med sina rotorkapslar i statorn. Lämpliga värden på cylindertjocklek och luftspalt kan vara ca 5 mm vardera. För att fästa in cylindern 20 i statorn kan olika möjlig- heter utnyttjas, t.ex. kan distanser användas som kilar fast cylindern 20 koncent- riskt i luftgapet 22.In order to further improve the insulation in the air gap 22, it is appropriate to lay the cylinder 20 concentrically with an air gap to the inner surface of the stator. Air gaps 513 057 10 can, but does not need to be filled with insulating material such as. glass ﬁ berull. Cylin- the der 20 must not be too thick, otherwise it will be a problem to push in the rotor with their rotor capsules in the stator. Suitable values for cylinder thickness and air gap can be about 5 mm each. To attach the cylinder 20 to the stator, various possibilities are used, e.g. spacers can be used as wedges fixed to the cylinder 20 risk in the air gap 22.

Claims

lO 15 20 25 513 057 l O PATENTKRAV

A rotating electric machine comprising a rotor (17), characterized in that the machine further comprises a high voltage cable (11), having an inner conductor composed of one or more strands (12), an inner semiconductor layer (13) surrounding the conductor. , a surrounding solid insulating layer (14) and an outer semiconducting layer (15) surrounding an insulating layer (14), wound stator (1) and that the machine is provided with a thermal insulation (20,60,70,90) in the air gap between stator (1) and rotor (17).

Machine according to Claim 1, characterized in that the stator (1) is liquid-cooled and in that the rotor (17) is gas-cooled.

Machine according to claim 2, characterized in that the rotor cooling media stream is arranged axially in from each rotor end towards the rotor (17) in the middle both through the air gap and through the center of the rotor and further out through at least one radial channel (24) the stator (1) via gas drainage means (26) in the thermal insulation (20,60,70,90).

Machine according to claim 2, characterized in that the rotor cooling media stream is arranged axially in from each rotor end through the rotor (17) towards the center of the rotor (17) and radially out into the air gap (22) and further out through the air gap (22). in both directions.

Machine according to claim 2, characterized in that the rotor-cooling media stream is arranged in from one rotor end axially through the entire rotor (17) both through the air gap and through the center of the rotor and out at the other rotor end.

Machine according to one of Claims 1 to 5, characterized in that a cylinder (20) is placed in the air gap between the stator (1) and the rotor (17) in order to act as a thermally insulating barrier between the stator and the rotor. 10 15 20 25 30 513 057 1 1

Machine according to one of Claims 6, characterized in that the cylinder (20) is connected to the stator (1).

Machine according to one of Claims 6 to 7, characterized in that the cylinder (20) is designed as spirally wound cooling pipes (70).

Machine according to one of Claims 6 to 7, characterized in that the cylinder (20) is designed as a cooling tube cylinder (90) with axially extending cooling tube (70).

Machine according to one of Claims 6 to 7, characterized in that the cylinder (20) is designed as a pipe part (60).

Machine according to one of Claims 8 to 9, characterized in that the cooling pipes (70) are externally mounted on a pipe part (60).

Machine according to one of Claims 8 to 9 or 11, characterized in that the cooling pipes (70) have a rectangular cross section.

13. (20) is provided with gas drainage means (26) for enabling radial discharge of Machine according to any one of claims 6-12, characterized in that the cylinder is cooled by the stator (1).

Machine according to one of Claims 6 to 12, characterized in that the cylinder (20) is divided into a number of sub-cylinders (20 ', 20 ") in order to enable radial discharge of cooling gas through the stator (1).

Machine according to one of Claims 6 to 12, characterized in that the entire cylinder (20) is sealed in the radial direction in order to prevent cooling gas from penetrating the cylinder and heating the stator windings (6).

Machine according to one of Claims 10 to 15, characterized in that the pipe part (60) is made of a material with a low thermal conductivity coefficient. 10 15 20 25 513 057 12

Machine according to claim 16, characterized in that the pipe part (60) is made of a polymeric material.

Machine according to one of Claims 6 to 17, characterized in that the cylinder (20) is arranged concentrically with an air gap to the inner surface of the stator (1) and in that the air gap is filled with an insulating material, for example glass ﬂ roll.

Machine according to one of Claims 1 to 18, characterized in that the layers (13, 14, 15) are arranged to adhere to one another even when the insulated conductor or cable is bent.

Method for thermal insulation of a rotating electrical machine, characterized in that the machine comprises a high-voltage cable (11), having an inner conductor composed of one or more strands (12), an inner semiconductor layer (13) surrounding a conductor, a this surrounding solid insulating layer (14) and an outer semiconducting layer (15) surrounding an insulating layer (14), wound liquid-cooled stator (1) provided with stator teeth (4) radially inwardly extending from an outer back portion (5) and a gas-cooled rotor (17) and that the thermal insulation between the stator (1) and the rotor (17) is provided by introducing a thermal insulation in the air gap between the stator (1) and the rotor.

Method according to claim 20, characterized in that a cylinder (20) is placed in the air gap between the stator (1) and the rotor (17) and is connected to the stator (1) to act as a thermally insulating barrier between the stator and the rotor.

Method according to claim 21, characterized in that the cylinder (20) also obstructs gas flow through the hard ends on one or both sides of the stator (1).