SE513555C2 - Förfarande för applicering av ett rörorgan i ett utrymme i en roterande elektrisk maskin och roterande elektrisk maskin enligt förfarandet - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 515 2555 metallrör om de befinner sig i ett tidsvarierande magnetiskt flöde, vilket leder till vissa effektförluster när de används i en elektrisk maskin.

Uppfinningens syfte Syftet med uppfinningen är att åstadkomma ett förfarande för applicering av ett kylrör i en kylrörskanal samt en roterande elektrisk maskin innefattande kyl- rör applicerade med detta förfarande i samband med en direktkylning av statorn och speciellt statortänderna i en dylik maskin.

Ett ytterligare syfte är att eliminera ventilationskanaler vilket resulterar i en kortare och starkare stator, samtidigt som det magnetiska flödet i statortänderna i så liten omfattning som möjligt störs av nämnda kylning. Syftet är även att åstad- komma en högre verkningsgrad.

Dessutom är syftet med uppfinningen att med dessa kylrör åstadkomma en god fixering av kablarna i statorspåren.

Sammanfattning av uppfinningen Ovannämnda syfte uppnås genom att förfarandet och anordningen enligt uppfinningen uppvisar de i bifogade patentkrav angivna kännetecknen.

Genom att använda högspända isolerade elektriska ledare med fast isola- tion av likartad utförande som kablar för överföring av elkraft (exempelvis s.k.

PEX-kablar) kan maskinens spänning höjas till sådana nivåer att den kan direkt- anslutas till kraftnätet utan mellanliggande transformator. Således kan den kon- ventionella transformatorn elimineras. Konceptet innebär att de spår i vilka hög- spänningskablarna förläggs i statorn i allmänhet blir djupare än vid konventionell teknik (tjockare isolation p.g.a. högre spänning samt flera varv i lindningen). Detta innebär att fördelningen av förluster blir annorlunda än i en konventionell maskin vilket i sin tur innebär nya problem bl.a. vad avser kylningen av statorn och spe- ciellt statortänderna.

Uppfinningen avser ett sätt att fixera kabeln i en högspänd generator med hjälp av ett förformat, triangulärt rör av PEX, vilket under drift också används för kylning av lindningen och statorkärnans tandparti. Det förformade röret förs vid monteringen in i det triangelformade utrymmet mellan kablar och tand. Formen på 10 l5 20 25 30 51? sss röret-skall vara anpassad med ett spel så att röret är lätt att skjuta in. När röret är på plats värms det till en temperatur av 125-130°C där det kan formas. Vidare för- ses röret med ett inre övertryck så att röret trycks mot kablar och spårvägg. Upp- värmningen och trycksättningen av röret åstadkommas genom att ett tryckmedium uppvärms och trycksätter kylröret så att detta mjuknar och expanderar varvid dess yttre periferi antar en mot kablar och spårvägg anliggande form. Med bibehållet övertryck kyls sedan röret genom att det varma tryckmediet byts ut mot ett kallt tryckmedium, exv. kallvatten, som fyller ut det expanderade kylröret och bringar detta att stelna och permanent anta denna expanderade form. Röret kommer nu att fungera som ett fiädrande element som tar upp termisk expansion hos kablar- na under drift. Under drift används också röret som kylrör. Kylmediets övertryck ger då en fixerande tryckkraft på kablarna. Trycket mot kablarna och spårväggen förbättrar också värmeövergången. Rören läggs mot ena spårväggen i varje eller vartannat kabelmellanrum.

Uppfinningen avser vidare en roterande elektrisk maskin försedd med kyl- rör/flxeringsorgan applicerade med detta förfarande.

Maskinen innefattar således axiellt löpande kylrör, vilka har tillverkats av ett dielektriskt material, exv. en polymer, och dragits genom de triangelformade kabelmellanrummen i statortänderna. Rören är expanderade i mellanrummen, så att god värmeöverföring uppstår när kylmedium cirkuleras i rören. Rören löper i statortänderna utmed statorns hela axiella längd och kan om det behövs skarvas i statorändarna.

Polymera kylrör är icke-ledande och därför elimineras risken för kortslut- ning och vidare kan heller inga virvelströmmar förekomma i dem. Dessutom kan polymera kylrör kallbockas och dras genom flera kylrörskanaler utan skarv vilket är en stor fördel.

Polymera kylrör kan framställas av många material som polyeten, polypro- pen, polybuten, polyvinylidenflourid, polytetrafloureten samt fyllda och armerade elastomerer. Bland dessa föredras polyeten med hög densitet, HDPE, då den ter- miska ledningsförmågan stiger med ökad densitet. Tvärbinds polyeten, vilket kan ske genom tvärdelning av en peroxid, silantvärbindning eller strålningsförnätning ökas förmågan att tåla tryck vid förhöjd temperatur samtidigt som risken för spän- 10 15 20 25 30 5154555 ningskorrosion försvinner. Tvärbunden polyeten används bl.a. som vattenled- ningsrör, exv. PEX-rör från Vlfirsbo bruks AB.

Vid ett förfarande och en anordning enligt uppfinningen är Iindningarna företrädesvis av ett slag motsvarande kablar med fast extruderad isolation som i dag används för kraftdistribution, t.ex. s.k. PEX-kablar eller kablar med EPR-isola- tion. En sådan innefattar en inre ledare sammansatt av en eller flera kardeler, ett ledaren omgivande inre halvledande skikt, ett detta omgivande fast isoleringsskikt och ett isoleringsskiktet omgivande yttre halvledande skikt. Dylika kablar är böjliga vilket är en väsentlig egenskap i sammanhanget eftersom tekniken för anordning- en enligt uppfinningen iförsta hand baserar sig på ett lindningssystem där lind- ningen görs med ledningar som dras fram och åter en mångfald varv, dvs. utan de skarvari härvändarna som erfordras då lindningen i kärnan utgörs av stela ledare.

En PEX-kabel har normalt en böjlighet motsvarande en krökningsradie på ca 20 cm för en kabel med 30 mm diameter och en krökningsradie på ca 65 cm för en kabel med 80 mm diameter. Med uttrycket böjllg avses i denna ansökan således att lindningen är böjlig ned till en krökningsradie i storleksordningen 8 - 25 gånger kabeldiametern.

Lindningen bör vara utförd så att den kan bibehålla sina egenskaper även när den böjs och när den under drift utsätts för termiska påkänningar. Att skikten bibehåller sin vidhäftning vid varandra är av stor betydelse i detta sammanhang.

Avgörande är här skiktens materialegenskaper, framför allt deras elasticitet och deras relativa värmeutvidgningskoefficienter. För exempelvis en PEX-kabel är det isolerande skiktet av tvärbunden lågdensitetspolyeten och de halvledande skikten av polyeten med inblandade sot- och metallpartiklar Volymförändringar till följd av temperaturförändringar upptas helt som radieförändringar i kabeln och tack vare den jämförelsevis ringa skillnaden hos skiktens värmeutvidgningskoefficienter i förhållande till den elasticitet som dessa material har, så kommer kabelns radiella expansion att kunna ske utan att skikten lossnar från varandra.

Ovan angivna materialkombinationer är endast att ses som exempel.

Inom uppfinningens ram faller naturligtvis även andra kombinationer som uppfyller de nämnda villkoren och uppfyller villkoren att vara halvledande, dvs. med en led- lO 15 20 25 30 513 5555 ningš-förmåga i området 1-105 ohm-cm respektive isolerande, dvs. med en led- ningsförmåga mindre än 105 ohm-cm.

Det isolerande skiktet kan exempelvis utgöras av ett fast termoplastiskt material såsom lågdensitetspolyeten (LDPE), högdensitetspolyeten (HDPE), poly- propylen (PP), poly-butylen (PB), polymetylpenten (PMP), tvärbundna material så- som tvärbunden polyeten (XLPE) eller gummi såsom etylen-propylengummi (EPR) eller silikongummi.

De inre och yttre halvledande skikten kan ha samma basmaterial men med inblandning av partiklar av ledande material såsom sot eller metallpulver.

De mekaniska egenskaperna hos dessa material framför allt deras värme- utvidgningskoefficienter påverkas ganska ringa av om det är inblandat med sot eller metallpulver eller ej. Det isolerande skiktet och de halvledande skikten får därmed i stort sett samma värmeutvidgningskoefficienter.

För de halvledande skikten kan även etylenvinyl-acetatsampolymer/nitril- gummi, butylymppolyeten, etylen-akrylat-sampolymer och etylenetylakrylat-sam- polymer utgöra lämpliga polymerer. Även då olika slag av material användes som bas i respektive skikt är det önskvärt att deras värmeutvidgningskoefficient är av samma storleksordning. För kombinationen av de ovan uppräknade materialen förhåller det sig på detta sätt.

De ovan uppräknade materialen har en elasticitet som är tillräcklig för att eventuella smärre avvikelser hos värmeutvidgningskoefficienterna för materialen i skikten kommer att upptas i radialriktningen av elasticiteten så att ej sprickor eller andra skador uppstår och så att skikten ej släpper från varandra.

Ledningsförmågan hos de båda halvledande skikten är tillräckligt stor för att i huvudsak utjämna potentialen längs respektive skikt. Samtidigt är ledningsför-j mågan så pass liten att det yttre halvledande skiktet har tillräcklig resistivitet för att innesluta det elektriska fältet i kabeln.

Vardera av de båda halvledande skikten utgör således väsentligen en ekvipotentialyta och lindningen med dessa skikt kommer att i huvudsak innesluta det elektriska fältet inom sig.

Det utesluts naturligtvis inte att ytterligare ett eller flera halvledande skikt kan vara anordnade i det isolerande skiktet. lO 15 20 25 30 5156555 Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu med hänvisningsbeteckningar i anslutning till bifogade ritningsfigurer att närmare beskrivas.

Figur 1 _ visar en schematisk perspektlvvy av ett diametralt snitt genom en stator av en roterande elektrisk maskin.

Figur 2 visar en tvärsnittsvy av en högspänningskabel enligt föreliggande uppfinning.

Figur 3 visar schematiskt en sektor av en roterande elektrisk maskin.

Figur 4 visar ett snitt genom en del av sektorn i flgur 3 där snittet markerats med en rektangel.

Beskrivning av uppfinningen Figur 1 visar en del av en elektrisk maskin i vilken rotorn har tagits bort för att lättare visa hur en stator 1 är anordnad. Statorns 1 huvuddelar består av en statorstomme 2, en statorkärna 3 innefattande statortänder 4 och en statorrygg 5.

Vidare består statorn av en av högspänningskabel anordnad statorlindning 6 pla- cerad i ett cykelkedjeformat utrymme 7, se flgur 3, bildat mellan varje enskild sta- tortand 4. Statorlindningen 6 är i flgur 3 endast markerad med dess elektriska led- are. Som framgår av figur 1 bildar statorlindningen 6 ett s.k. härvändspaket 8 vid statorns 1 båda sidor. Av flgur 3 framgår dessutom att högspänningskabelns iso- lering är trappad i flera dimensioner beroende på dess radiella läge i statorn 1. För enkelhetens skull visas i figur 1 endast ett härvändspaket vid statorns båda ändar.

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. elplât uppdelad i paket med en axiell längd av omkring 50 mm skilda från varandra med mellanlägg bildande 5 mm ven- tilationskanaler. Vid en maskin enligt föreliggande uppfinning är ventilationskanal- erna dock eliminerade. Konstruktionen av varje plåtpaket görs vid större maskiner genom att lämpligt stora stansade plåtsegment 9 läggs ihop till ett första skikt var- vid varje efterföljande skikt korsläggs för uppbyggnad av en fullständig skivforrnad del av en statorkärna 3. Delarna och mellanläggen sammanhålls med tryckskänk- 10 15 20 25 30 513 E55 lar 1j0_ som pressas mot, ej visade, tryckringar, tryckfingrar eller trycksegment. En- dast tvâ tryckskänklar har utritats i fig. 1.

I figur 2 visas en tvärsnittsvy på en högspänningskabel 11 enligt förelig- gande uppfinning. Högspänningskabeln 11 innefattar ett antal kardeler 12 med cirkulärt tvärsnitt av exempelvis koppar (Cu). Dessa kardeler 12 är anordnade i mitten av högspänningskabeln 11. Runt kardelerna 12 finns anordnat ett första halvledande skikt 13. Runt det första halvledande skiktet 13 finns anordnat ett isolationsskikt 14, tex. PEX-isolation. Runt isolationsskiktet 14 finns anordnat ett andra halvledande skikt 15. Begreppet högspänningskabel i föreliggande ansökan innefattar således ej det yttre skyddshölje som normalt omger en dylik kabel vid kraftdistribution. Högspänningskabeln har en diameter i intervallet 20 - 250 mm och en ledningsarea i intervallet 80 - 3000 mm? Figur 3 visar schematiskt en radiell sektor av en maskin med ett plåtseg- ment 9 av statorn 1 samt med en rotorpol 16 på maskinens rotor 17. Vidare fram- går att högspänningskabeln 11 är anordnad i det cykelkedjeformade utrymmet 7 bildat mellan varje statortand 4. Utrymmet 7 är visat i figuren som varande cykel- kedjeformat, men som framgår av figur 4 är enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning ena sidan av spåret helt plan.

Figur 4 visar fyra kabeldelar 18 av högspänningskabeln 11 vilka delar är lagda i ett asymmetriskt statortandspår 20 vars ena sida 21 är vågformad för att ansluta mot kabeldelarna och vars andra sida 22 är plan. Med denna utformning av statortandspåret 20 bildas triangelformade utrymmen 23 mellan varje kabeldel 18. I samtliga eller några av dessa utrymmen 23 placeras rörorgan 24 vilka är för~ formade till att motsvara utrymmets 23 form, fast med en mindre dimension för att möjliggöra enkelt införande av rörorganet 24 i utrymmet 23. "Rörorgan" betecknar i det följande organet både vad avser funktionen “kylröf som funktionen "fixerings- organ".

Rörorganet 24 införs i utrymmet 23 varefter ett tryckmedium uppvärms och trycksätter rörorganet 24 så att detta mjuknar och expanderar varvid rörorga- nets yttre periferi antar formen av utrymmets 23 begränsningsytor i form av kabel- delarnas andra halvledande skikt 15 och statortandspårets 20 plana sida 22, var- efter det varrna tryckmediet byts ut, under konstant tryck, mot ett kallt tryckmedi- lO 15 20 25 5158555 um som fyller ut det expanderade rörorganet 24 och bringar detta att stelna och permanent anta denna expanderade form. Eventuellt används samma tryckmedi- um fast vid olika temperaturer. Härvid håller det varma tryckmediet en temperatur som ligger över rörorganets mjukningstemperatur medan det kalla kylmediet håller en temperatur som ligger under mjukningstemperaturen. För att rörorganets fria delar, dvs. de delar som är belägna utanför statorn, inte skall expandera fritt, för- ses dessa delar med ett expansionsskydd före det att trycksättningen av kylröret påbörjas.

Varje rörorgan 24 är tillverkat av ett dielektriskt material såsom en poly- mer, företrädesvis PEX, för att undvika elektrisk kontakt mot plåten i statortanden 4 eller mot kabeldelarnas 18 andra halvledande skikt 15.

När rörorganet 24 expanderar minskar dess godstjocklek. Rörorganet 24 tillåts expandera till dess att 50% återstår av rörorganets ursprungliga godstjock- lek G. Godstjocklek och övriga dimensioner på rörorganet väljs härvid så att rör- organets kvarvarande godstjocklek är tillräcklig efter det att organet har expande- rats till att fullständigt fylla ut allt utrymme mellan rörorganets yttre periferi och ka- beldelarnas andra halvledande skikt 15 resp. statortandspårets 20 plana sida 22.

Materialet i rörorganet väljs med avseende på faktorer som värmeledningskoeffi- cient, längdutvidgningskoefficient samt möjligheten till varmformning. Även om den beskrivna utföringsformen av uppfinningen avser ett trian- gelformat kabelmellanrum inryms även andra former av mellanrum, exv. kan kab- larna anordnas med ett större radiellt avstånd och på så sätt bildas ett timglasfor- mat mellanrum i vilket ett förformat kylrör/fixeringsorgan av timglasform kan anord- nas enligt föreliggande uppfinning. Vidare är det även tänkbart att rörorganet före expansion uppvisar ett mot utrymmet avvikande tvärsnitt, exv. ett elliptiskt tvär- snitt, men att rörorganet har en godstjocklek som medger tillräcklig expansion.

Claims (19)

10 15 20 25 30 513 555 Öl. PATÉNTKRAV

1. Förfarande för applicering av ett rörorgan (24) i ett utrymme (23) med en form svarande mot rörorganets (24) form, kännetecknat av att rörorganet (24) införs i utrymmet beläget i ett statortandspår (20) i en med högspänningskabel (11) lindad stator (1) till en roterande elektrisk maskin, varefter ett tryckmedium uppvärms och trycksätter rörorganet (24) så att detta mjuknar och expanderar varvid dess yttre periferi antar formen av utrymmets (23) begränsningsytor, var- efter det varma tryckmediet ersätts av eller omvandlas till ett kallt tryckmedium som fyller ut det expanderade rörorganet (24) och bringar detta att stelna och per- manent anta denna expanderade form varefter rörorganet (24) används som kyl- rör.

2. Förfarande enligt patentkrav 1, kännetecknat av att rörorganet (24) verkar dels som kylrör och dels som fixeringsorgan till högspänningskabeln (11).

3. Förfarande enligt något av patentkraven 1-2, kännetecknat av att rör- organet (24) tillåts expandera till dess att 50% återstår av organets ursprungliga godstjocklek.

4. Roterande elektrisk maskin försedd med minst ett rörorgan (24) som app- licerats enligt förfarandet enligt något av patentkraven 2-3, kännetecknad av att statorn (1) är försedd med från en statorrygg (5) inåt sig sträckande statortänder (4) vilka mellan sig bildar statortandspår (20) i vilka statorlindningar (6) är anord- nade och att spåren (20) är försedda med minst ett av dielektriskt material tillver- kat rörorgan (24) vart och ett infört i ett huvudsakligen axiellt genom statorn (1 ) löpande utrymme (23) bildat mellan kabeldelar (18) och en i statortandspåret (20) anordnad plan sida (22).

5. Maskin enligt patentkravet 4, kännetecknad av att rörorganet (24) är till- verkat av polymert material. 10 15 20 25 30 513 555 10'

6. :- Maskin enligt patentkravet 4, kännetecknad av att rörorganet (24) är till- verkat av högdensitetspolyeten (HDPE).

7. Maskin enligt patentkravet 4, kännetecknad av att rörorganet (24) är till- verkat av tvärbunden polyeten (PEX),

8. ' Maskin enligt något av patentkraven 4-7, kännetecknad av att utrymmet (23) är triangelformat och att även rörorganet (24) är triangelformat.

9. Maskin enligt patentkravet 8, kännetecknad av att rörorgan (24) är anord- nade i samtliga utrymmen (23) i ett statortandspår (20).

10. , Maskin enligt något av patentkraven 8-9, kännetecknad av att högspän- ningskabeln (11) är av ett slag som innefattar en ledare med ett flertal kardeler (12), ett ledaren omslutande inre halvledande skikt (13), ett det inre halvledande skiktet omslutande isolerande skikt (14) och ett det isolerande skiktet omslutande yttre halvledande skikt (15).

11. (11) har en diameter som liggeri intervallet 20 - 250 mm och en Iedningsarea som Maskin enligt patentkravet 10, kännetecknad av att högspänningskabeln ligger i intervallet 80 -3000 mmz.

12. Maskin enligt något av kraven 4-11, kännetecknad av att den isolerade ledaren eller högspänningskabeln (11) är flexibel.

13. nade att vidhäfta varandra även då den isolerade ledaren eller Maskin enligt kravet 12, kännetecknad av att skikten (13,14,15) är anord- högspänningskabeln (11) böjs.

14. Maskin enligt något av kraven 4-13, kännetecknad av att åtminstone två närbelägna skikt (13,14,15) hos maskinens lindning har väsentligen lika stora värmeutvidgningskoefficienter. 10 15 20 513 555 L | i .

15. Maskin enligt något av kraven 4-14, kännetecknad av att Iindningen är böjlig och innefattar en elektriskt ledande kärna omgiven av ett inre halvledande skikt, ett det inre halvledande skiktet omgivande isolerande skikt av fast material ett det isolerande skiktet omgivande yttre halvledande skikt, vilka skikt anligger mot varandra.

16. Maskin enligt något av kraven 4-15, kännetecknad av att de nämnda skikten är av material med sådan elasticitet och sådan relation mellan materialens värmeutvidgningskoefficienter att de under drift, av temperaturvariationer orsak- ade volymförändringarna hos skikten förmås upptas av materialens elasticitet så att skikten bibehåller sin anliggníng vid varandra vid de temperaturvariationer som uppträder under drift.

17. Maskin enligt något av kraven 4-16, kännetecknad av att materialen i de nämnda skikten har hög elasticitet.

18. ningskoefficienterna för materialen i de nämnda skikten är i huvudsak lika stora. Maskin enligt något av kraven 4-17, kännetecknad av att värmeutvidg-

19. Maskin enligt något av kraven 4-18, kännetecknad av att vardera halvled- ande skikt utgör väsentligen en ekvipotentialyta.