專利名稱：具有磁路的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其制造方法
具有磁路的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包括一石茲路的旋轉(zhuǎn)電才幾，它具有一》茲芯和一繞組。 這種電機(jī)包括主要用作發(fā)電機(jī)的同步機(jī)，它們用于輸配電網(wǎng)的連接， 以下一般將輸配電網(wǎng)稱為電網(wǎng)。同步才幾也用作電動(dòng)才幾，它們用來(lái)補(bǔ)償
相位和控制電壓，這時(shí)它們作為機(jī)械空載機(jī)(mechanically idling machines )。本發(fā)明的4支術(shù)領(lǐng)i或還包括雙々赍4幾(double fed machines )、 異步機(jī)、異步級(jí)耳關(guān)變換才幾(converter cascade),外極點(diǎn)才幾(outer pole machine )和同步磁通量機(jī)(flux machines )。
這里所稱磁路包括疊層、標(biāo)準(zhǔn)或定向的片狀磁芯，或其他如無(wú)定形 或粉質(zhì)材料的磁芯，或?yàn)槭菇涣魍?、繞組、冷卻系統(tǒng)等工作的任意 其他裝置，該磁路可位于電機(jī)的定子或轉(zhuǎn)子中，也可同時(shí)位于這二者 之中。
本發(fā)明還包括用來(lái)制造一旋轉(zhuǎn)電機(jī)磁路的方法。
為了說(shuō)明和描述電機(jī)，首先將以一同步機(jī)為基礎(chǔ)例舉、給出對(duì)旋轉(zhuǎn) 電才幾的簡(jiǎn)介。該簡(jiǎn)介的第 一 部分基本上涉及這種電才幾的磁路以及如何 根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)來(lái)構(gòu)造它。由于大多數(shù)情況下所指的磁路位于定子內(nèi)， 所以以下將把磁路通常描迷為定子，該定子有一疊層芯，其繞組將被 稱作定子繞組，而將把用于繞組的疊層芯中各槽稱作定子槽或簡(jiǎn)單槽 (simply slots )。
多數(shù)同步機(jī)在其轉(zhuǎn)子中有場(chǎng)繞組，在該場(chǎng)繞組中由直流產(chǎn)生主磁 通，而在定子中有一交流繞組。同步機(jī)通常為三相。有時(shí)，將同步機(jī) 設(shè)計(jì)成具有凸極。后者在其轉(zhuǎn)子中有一交流繞組。
大型同步機(jī)的定子體常由具有焊接結(jié)構(gòu)的片鋼制成。疊層芯常由浸 漆的0.35或0.5mm導(dǎo)電片制成。對(duì)于更大的電機(jī)來(lái)說(shuō)，將這些片沖成 節(jié)段，利用楔/榫將這些節(jié)段安裝到定子體上。疊層芯通過(guò)壓指和壓盤 卡住。
至于冷卻同步^L的繞組，可用三種不同的冷卻系統(tǒng)。
在空氣冷卻的情況下，定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組皆受到流過(guò)的空氣的冷 卻。把冷卻空氣管道建立在定子疊層中和轉(zhuǎn)子中。對(duì)于利用空氣進(jìn)行 徑向式通風(fēng)和冷卻來(lái)說(shuō)，把至少用于中等的或大的電機(jī)的片狀鐵芯分成一些疊層，該鐵芯內(nèi)設(shè)置有徑向與軸向通風(fēng)管道。冷卻空氣可由大
氣組成，但僅用于1MW以上的功率范圍，基本上采用帶有熱交換器的 閉合冷卻系統(tǒng)。
氫冷卻常用于約400MW以下的汽輪發(fā)電機(jī)組中和大型同步制冷 設(shè)備中。其冷卻方法的作用與帶有熱交換器的空氣冷卻方式相同，但 是用氫氣代替了空氣作為冷卻劑。氫氣的冷卻能力比空氣好，但在密 封和監(jiān)控泄漏時(shí)很困難。對(duì)于功率范圍在500 - 1000MW的汽輪發(fā)電機(jī) 組來(lái)說(shuō)，眾所周知，加水冷卻定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組。冷卻管道呈管狀， 將它們置于定子繞組中的導(dǎo)體內(nèi)部。
大型機(jī)的一個(gè)問(wèn)題在于，冷卻趨于不均勻，因此，在機(jī)器兩端產(chǎn)生 溫差。
定子繞組位于鐵片芯內(nèi)的槽中，這些槽常具有矩形或梯形截面。每 相繞組包括一些串聯(lián)連接的線圈組，每個(gè)線圈組包括一些串聯(lián)連接的 線圈。將線圏的置于定子中的部分命名為線圏邊和將位于定子外部的 部分命名為端繞組。 一個(gè)線圏包括一個(gè)或多個(gè)在厚度和/或?qū)挾壬涎b配 在一起的導(dǎo)體。
在每個(gè)導(dǎo)體之間有 一 薄絕緣體，例如環(huán)氧樹脂/玻璃纖維。 用一線圈絕緣體，即，用一用來(lái)承受電機(jī)對(duì)地額定電壓的絕緣體使 線圈與槽相絕緣。作為絕緣材料，可以采用各種塑料、浸漆物和玻璃 纖維材料。通常，采用所謂的云母帶，它是云母與硬塑料的混合物， 專門生產(chǎn)用來(lái)防止局部放電，局部放電可迅速擊穿絕緣體。通過(guò)將云 母帶在線圈上繞好幾層，將該絕緣體加到線圏上。浸漬該絕緣體，然 后用石墨基的油漆涂線圈邊，以改善與接到地電位上的周圍定子的接 觸。
繞組的導(dǎo)體面積由所考慮的電流密度和所采用的冷卻方法確定。通 常將導(dǎo)體和線圈制成具有矩形形狀，以使槽中的導(dǎo)體材料量最大。典
型的線圏由所謂的羅貝爾條制成，其中可將某些條制成用于冷卻劑的 中空形。 一個(gè)羅貝爾條包括多個(gè)并聯(lián)連接的矩形銅導(dǎo)體，將它們沿槽 換位(transpose ) 360度。還可用換位540度和其他換位形式的Ringland 條。從磁場(chǎng)的角度考慮，進(jìn)行換位是為了以防止發(fā)生雜散電流，雜散 電流產(chǎn)生于導(dǎo)體材料的截面中。
基于機(jī)械和電氣的原因，不能將電機(jī)制成任意大小。電機(jī)的功率基本由以下三個(gè)因素決定
-繞組的導(dǎo)體面積。在正常的工作溫度下，例如銅的最大值為3.0 - 3.5A/mm2。
-定子和轉(zhuǎn)子材料中的最大磁通密度(磁通)。
-絕緣材料中的最大電場(chǎng)強(qiáng)度，即所謂的介電強(qiáng)度。
可將多相AC繞組設(shè)計(jì)成單層或雙層繞組。在單層繞組的情況下， 每槽只有一個(gè)線圈邊，而在雙層繞組的情況下，每槽有兩個(gè)線圏邊。 通常將雙層繞組設(shè)計(jì)成菱形繞組，而可將單層繞組設(shè)計(jì)成菱形繞組或 同心繞組，單層繞組與本發(fā)明的連接有關(guān)。在菱形繞組的情況下，只 產(chǎn)生一個(gè)線圈跨距(或可能是兩個(gè)線圈跨距)，而將扁平繞組設(shè)計(jì)成同 心繞組，即，它們具有變化極大的線圏跨距。所謂線圈跨距指的是屬 于同 一線圏的兩線圈邊之間沿弧度測(cè)得的距離，它與有關(guān)的極節(jié)距或 中間槽節(jié)距的數(shù)目有關(guān)。通常，采用不同的分距變量，例如短節(jié)距， 從而使繞組具有理想的特性。
這種繞組基本上表現(xiàn)出如何將槽中的線圈，即線圈邊在定子外部即 繞組端部連接在一起。
在定子疊片的外部，線圈并未配有浸漆的半導(dǎo)電地電位層。端繞組 通常配有所謂的電暈保護(hù)漆形式的E場(chǎng)控制物，它用來(lái)將徑向場(chǎng)轉(zhuǎn)換 為軸向場(chǎng)，也就是說(shuō)，在相對(duì)地的高電位處，端繞組上是絕緣的。這 有時(shí)會(huì)在線圏端區(qū)域中引起電暈放電，電暈放電可能會(huì)產(chǎn)生破壞。所 謂的端繞組上的場(chǎng)控制點(diǎn)給旋轉(zhuǎn)電機(jī)帶來(lái)問(wèn)題。
通常，將所有的大型機(jī)設(shè)計(jì)成帶有兩層繞組和大小相等的線圏。將 每個(gè)線圏的一邊放入兩層中的一層中，而將其另 一邊放入兩層中的另 一層中。也就是說(shuō)，所有的線圈在端繞組中相交。若采用兩層以上， 則這些相交的部分使繞組工作困難并損傷端繞組。
眾所周知，將同步機(jī)/發(fā)電機(jī)接到電網(wǎng)上必須通過(guò)一 A/D連接的所 謂升壓變壓器來(lái)進(jìn)行，原因在于電網(wǎng)電壓通常位于比旋轉(zhuǎn)電機(jī)電壓高 的電壓級(jí)上。該變壓器連同同步機(jī)一起就此構(gòu)成電廠的整體部件。該 變壓器產(chǎn)生額外的花費(fèi)且具有使系統(tǒng)的總效率降低的缺點(diǎn)。若可以制 造相當(dāng)高電壓的電機(jī)，則可以省掉升壓變壓器。
在最近的幾十年間，對(duì)設(shè)計(jì)比以往可能獲得的電壓有更高電壓的旋 轉(zhuǎn)電機(jī)的需求一直在增長(zhǎng)。根據(jù)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀，已能使同步機(jī)在線圈生產(chǎn)上有較好產(chǎn)量的最大電壓級(jí)約為25 - 30kV。
尤其在 J.Electrotechnika,No.l,1970，PP.6-8 中題 為 "Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM隱300 ，， 的文章中、在
U.S.4，429,244 "Stator of Generator"里和蘇耳關(guān)專利文件CCCP專利 955369中描述了在設(shè)計(jì)同步機(jī)方面對(duì)新方法的某些嘗試。
J.Electrotechnika中所述的水油冷卻(Water-and-oil-cooled)同步機(jī) 的電壓高達(dá)20kV。該文章描述了一種新的絕緣系統(tǒng)，該系統(tǒng)由油/紙絕 緣物組成，油/紙絕緣物能使定子完全浸入油中。然后可將油用作冷卻 液，而同時(shí)將其用作絕緣物。為防止定子中的油向外漏到轉(zhuǎn)子上，在 鐵芯的內(nèi)表面上設(shè)置 一 電介質(zhì)油分離環(huán)。定子繞組由具有橢圓形中空 形狀的導(dǎo)體制成，這些導(dǎo)體配有油和紙絕緣物。借助楔將線圏邊的絕 緣部分固定到槽上，這些槽具有矩形截面。作為冷卻液，可將油用于 中空導(dǎo)體中以及定子壁內(nèi)的孔中。但是，這種冷卻系統(tǒng)在線圈端引起 許多的油與電的連接的問(wèn)題。厚的絕緣物還使得導(dǎo)體的曲率半徑增大， 這使繞組外伸的尺寸增大。
上述U.S.專利涉及同步機(jī)的定子部分，它包括疊片磁芯，其上有 用于定子繞組的梯形槽。使槽漸細(xì)，原因在于在繞組中跨中性點(diǎn)最近 的部分所在的位置處，朝向轉(zhuǎn)子對(duì)定子繞組絕緣的需要更少。另外， 定子部分包括電介質(zhì)油分離柱(cylinder),它距鐵芯的內(nèi)表面最近。該 部分相對(duì)于不帶此環(huán)的電機(jī)可以增大勵(lì)磁需求。定子繞組由油浸電纜 制成，每個(gè)線圏層的油浸電纜直徑相同。借助槽中的隔片使各層相互 隔離，并用楔將它們固定。該繞組的特點(diǎn)在于它包括兩個(gè)串聯(lián)連接的 所謂的半繞組。兩個(gè)半繞組中的一個(gè)位于絕緣軸套內(nèi)部中央。定子繞 組的導(dǎo)體由周圍的油冷卻。在該系統(tǒng)中有如此大量油的缺點(diǎn)是有泄漏 的危險(xiǎn)和因故障條件而可能導(dǎo)致的相當(dāng)大量的清理工作。位于槽外部 絕緣軸套的那些部分有一柱形部分和用載流層加強(qiáng)的圓錐形端部，其 目的在于控制電纜進(jìn)入端繞組區(qū)域中的電場(chǎng)強(qiáng)度。
/人CCCP 955369中可知，在其它試圖提高同步才幾額定電壓方面，
該1纜置于定子槽中，定子槽被制成與電i截面積和用于固定以及用 于冷卻液的必要空間相對(duì)應(yīng)的環(huán)形徑向設(shè)置的開口 。該繞組的不同徑 向設(shè)置的層由絕緣管包圍并固定于其中。絕緣隔片將這些管固定于定子槽中。由于用油制冷，這里也需要內(nèi)部電介質(zhì)環(huán)，用以使油冷卻液 封離內(nèi)部氣隙。上述系統(tǒng)中油的缺點(diǎn)也存在于該設(shè)計(jì)方案中。該設(shè)計(jì) 還表現(xiàn)出不同定子槽之間的極窄徑向腰部，這意味著有較大的槽泄漏 磁通，這些漏磁通對(duì)電機(jī)的勵(lì)磁需求有相當(dāng)大的影響。
出自1984年Electric Power Research Institute,EPRI,EL-3391的4艮告 描述了實(shí)現(xiàn)更高電壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電機(jī)原理綜述，實(shí)現(xiàn)更高電壓旋轉(zhuǎn)電 機(jī)是為了能夠?qū)㈦姍C(jī)接至電網(wǎng)而無(wú)需中間變壓器。這種根據(jù)研究推測(cè) 的方案能產(chǎn)生良好的效益和極大的經(jīng)濟(jì)利益。1984年設(shè)想它來(lái)開始研 制直接接到電網(wǎng)上發(fā)電機(jī)的主要原因在于，其時(shí)已制造出超導(dǎo)轉(zhuǎn)子。 超導(dǎo)場(chǎng)的大勵(lì)磁容量使得采用具有能耐受電應(yīng)力的足夠的絕緣厚度的 氣隙繞組成為可能。根據(jù)該方案最具有希望的原理，通過(guò)設(shè)計(jì)磁路把 繞組和所謂的整體圓柱形電樞結(jié)合起來(lái)，該原理即，繞組包括同心地 包圍于三個(gè)圓柱形絕緣殼體內(nèi)的兩個(gè)圓柱導(dǎo)體而且無(wú)需齒就將整個(gè)結(jié) 構(gòu)固定到鐵芯上，推斷高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)能直接連到電網(wǎng)上。該方案意味 著必須將主絕緣做得足夠厚以承受電網(wǎng)間和電網(wǎng)對(duì)地的電位。在對(duì)當(dāng) 時(shí)所有的技術(shù)進(jìn)行評(píng)論之后，斷定該絕緣系統(tǒng)對(duì)控制更高電壓的增長(zhǎng) 是必要的，該系統(tǒng)常用于電力變壓器，由電介質(zhì)-流體浸漬的纖維板 組成。關(guān)于該所提出方案的明顯缺點(diǎn)在于，除了需要超導(dǎo)轉(zhuǎn)子之外， 它還要求有極厚的絕緣，這增大了電機(jī)的尺寸。必須用油或氟利昂絕 緣和冷卻端繞組，用以控制端繞組中的大電場(chǎng)。必須對(duì)整機(jī)進(jìn)行氣密 性密封以防止液體電介質(zhì)從大氣中吸收潮氣。
在1930年前后的幾十年間，制造了一些高壓達(dá)36kV的發(fā)電機(jī)， 以便開發(fā)直接接到電網(wǎng)上的發(fā)電機(jī)。 一種方案是基于使用同軸型導(dǎo)體， 有三層導(dǎo)體包在絕緣物內(nèi)，其中每層串聯(lián)連接，且內(nèi)層的電位最高。 在另一方案中，電導(dǎo)體由扭絞的銅條制成，它們由專門的云母、漆和 紙層隔離。
當(dāng)根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)制造旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，分幾步用導(dǎo)體和 絕緣系統(tǒng)制造繞組，由此，必須在將繞組固定在磁路上之前預(yù)制成繞 組。在將繞組固定到磁路上之后，執(zhí)行制備絕緣系統(tǒng)的浸漬。
本發(fā)明的目的是獲得具有一高壓的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，具有這種高壓能省掉 上述A/Y連接的升壓變壓器，也就是說(shuō)，獲得其電壓比根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域 現(xiàn)狀的電機(jī)電壓高得多從而能直接接到電網(wǎng)上的電機(jī)。這就意味著對(duì)具有旋轉(zhuǎn)電機(jī)的系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低得多的投資成本，且可提高系統(tǒng)的總體效率。
可將該旋轉(zhuǎn)電機(jī)接到帶有最少連接裝置的電網(wǎng)上，這些連接裝置例 如為斷路器、隔離開關(guān)等。在將旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接接到電網(wǎng)上而無(wú)中間變 壓器的系統(tǒng)中，可以只用一個(gè)斷路器進(jìn)行連接。
根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)在定子上引起相當(dāng)小的熱應(yīng)力。這樣，該電 才幾暫時(shí)過(guò)載的危險(xiǎn)更小，而且可以在過(guò)載時(shí)驅(qū)動(dòng)該電才幾更長(zhǎng)一l殳時(shí)間 而不會(huì)有引起破壞的危險(xiǎn)。這意味著對(duì)發(fā)電廠的所有者有相當(dāng)多的好 處，在運(yùn)行受干擾的情況下，發(fā)電廠的所有者不得不即刻迅速切換到 另一設(shè)備，以便保證法律規(guī)定的供電需求。
采用根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，由于變壓器和斷路器不再包括在用來(lái) 將電機(jī)接到電網(wǎng)上的系統(tǒng)中，所以可大大降低維護(hù)成本。
本發(fā)明的另一目的是得到一種同步補(bǔ)償器，它直接接到電網(wǎng)。
本發(fā)明 一 另外目的是能制造一種高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，而無(wú)需任何對(duì)繞組 的復(fù)雜處理，也不必在固定繞組之后浸漬絕緣系統(tǒng)。
為提高旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率，已知交流線圏中的電流應(yīng)增大。這已通過(guò) 優(yōu)化導(dǎo)電材料量來(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)，通過(guò)將矩形導(dǎo)體密排到矩形轉(zhuǎn)子 槽中來(lái)實(shí)現(xiàn)。其目的在于通過(guò)增大絕緣材料的量和采用更耐熱而因此 更昂貴的絕緣材料來(lái)控制由此引起的溫度升高。高溫和作用于絕緣物 上的場(chǎng)還引起有關(guān)絕緣物壽命的問(wèn)題。在用于高壓設(shè)備的相對(duì)厚壁的 絕緣層中，例如云母帶漬制絕緣層，局部放電、電位差會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的 問(wèn)題。當(dāng)制造這些絕緣層時(shí)，將易于引起凹坑、孔等等，其中當(dāng)絕緣 物經(jīng)受高電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，引起內(nèi)部電暈放電。這些電暈放電逐漸破壞該 材料，并且可能引起絕緣物的電擊穿。
本發(fā)明基于這樣 一 種認(rèn)識(shí)，即，通過(guò)保證絕緣物不受上述現(xiàn)象擊穿， 實(shí)現(xiàn)以 一種技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上合理的方法來(lái)提高旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率。這可根 據(jù)本發(fā)明，利用如下制作的絕緣層來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種方法使有凹坑和孔的 危險(xiǎn)最小，絕緣層例如是擠制的適當(dāng)?shù)墓腆w絕緣材料層，固體絕緣材
料例如為熱塑樹脂、交聯(lián)熱塑樹脂、諸如硅橡膠或EP橡膠之類的橡膠 等等。另外，重要的是絕緣層包括內(nèi)層，該內(nèi)層包圍導(dǎo)體，具有半導(dǎo) 電特性，而且絕緣層還配備有至少一個(gè)附加外層，該外層包圍絕緣層， 具有半導(dǎo)電特性。內(nèi)半導(dǎo)電層應(yīng)以這樣一種方式起作用，即，使內(nèi)層外部的電場(chǎng)的電位平衡；外層一方面用作通過(guò)將其接至所選電位來(lái)使 電位平衡，而另一方面用作通過(guò)封閉外層內(nèi)部的導(dǎo)體周圍的電場(chǎng)。在 這方面，半導(dǎo)電特性是一種導(dǎo)電率比電導(dǎo)體低得多的材料，但它又不 具有絕緣體那樣低的導(dǎo)電率。例如，內(nèi)半導(dǎo)電層和外半導(dǎo)電層的電阻 率可在l(T6Qcm-100k。cm的范圍之內(nèi)。僅利用制造得具有最少瑕疵 的絕緣層，并且另外為絕緣層設(shè)置內(nèi)、外半導(dǎo)電層，可以確保減少熱 負(fù)荷和電負(fù)荷。絕緣部分和半導(dǎo)電層應(yīng)基本上沿其整個(gè)接觸表面附著。 另外，相鄰層應(yīng)具備基本上相同的熱膨脹系數(shù)。在溫度梯度下，由絕 緣部分和周圍各層之間不同的熱膨脹所引起的缺陷不會(huì)發(fā)生。材料上 的電負(fù)荷由于這樣一個(gè)事實(shí)而減少，即，絕緣部分周圍的半導(dǎo)電層將 構(gòu)成等電位面，而且絕緣部分中的電場(chǎng)將在絕緣部分的厚度上較平均 地分布?？蓪⑼獍雽?dǎo)電層接到所選的電位例如地電位上。也就是說(shuō)， 對(duì)于這樣一種電纜來(lái)說(shuō)，可使繞組的外殼體在其整個(gè)長(zhǎng)度上保持在例 如地電位。還可沿導(dǎo)體的長(zhǎng)度在適當(dāng)位置截?cái)嗤鈱?，可以將每個(gè)截?cái)?部分長(zhǎng)度直接接到所選電位上。在外半導(dǎo)電層的周圍還可設(shè)置其他層、 殼體等，例如設(shè)置金屬屏蔽和保護(hù)套。
其他結(jié)合本發(fā)明所得到的認(rèn)識(shí)是，增大的電壓負(fù)荷引起電(E)場(chǎng) 在線圏截面的拐角處集中的問(wèn)題，這在絕緣部分上產(chǎn)生大的局部負(fù)荷。 同樣，在增大的電流負(fù)荷的情況下，定子齒中的磁(B)場(chǎng)將集中于這 些拐角處。這意p未著局部產(chǎn)生》茲飽和，而并未完全利用石茲芯，并且所 產(chǎn)生電壓/電流的波形將失真。另外，由導(dǎo)體中的感應(yīng)渦流所引起的渦 流損耗將在增大電流密度方面產(chǎn)生額外的不利影響，感應(yīng)渦流產(chǎn)生原 因在于與B場(chǎng)有關(guān)的導(dǎo)體幾何形狀。通過(guò)將線圈和其中放置線圈的槽 制作到基本上為環(huán)形而不是矩形，使本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)得以實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)使線圈的截面為環(huán)形，這些將由一恒定B場(chǎng)所包圍，而不會(huì)有可 能出現(xiàn)磁飽和的集中區(qū)。而且線圈中的E場(chǎng)將在該截面上平均分布， 絕緣部分上的局部載荷受到相當(dāng)大的削弱。還有，更容易以這樣一種 方式將環(huán)形線圈置于槽中，即，每個(gè)線圏組的線圏邊數(shù)可增大，且電 壓的增大可在不必增大導(dǎo)體中電流的情況下進(jìn)行。其原因在于冷卻導(dǎo) 體一方面由于更低的電流密度及由此產(chǎn)生的絕緣部分兩端更低的溫度 梯度變得更方便，而另一方面，通過(guò)能在一截面上產(chǎn)生更均勻的溫度 分布的環(huán)形槽變得更方便。通過(guò)用更小的部件--所謂的多股絞線組成導(dǎo)體還可實(shí)現(xiàn)其他改進(jìn)。多股絞線可相互絕緣，而可以只剩較少的 多股絞線不絕緣并使它們與內(nèi)半導(dǎo)電層相接觸，以確保其處于與導(dǎo)體 相同的電4立上。
使用根據(jù)本發(fā)明旋轉(zhuǎn)電機(jī)的 一 個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，該電機(jī)可工作于過(guò)載情 況下達(dá)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間而不會(huì)受到破壞，該時(shí)間段比通常用于這種電機(jī) 的時(shí)間段長(zhǎng)得多。這是設(shè)計(jì)這種電機(jī)以及絕緣部分的有限熱負(fù)荷的結(jié)
果。例如，可以使電機(jī)工作于高達(dá)100%過(guò)載的情況持續(xù)15分鐘以上 的時(shí)間，該時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)兩小時(shí)。
可以用作同步補(bǔ)償器，尤其是不連接機(jī)械負(fù)載的同步電動(dòng)機(jī)。通過(guò) 配合勵(lì)磁，同步調(diào)相機(jī)可給的感性或容性KVA。當(dāng)將該補(bǔ)償器接到電 網(wǎng)上時(shí)，可以在一定范圍內(nèi)補(bǔ)償電網(wǎng)上的感性或容性負(fù)載。由于必須 通過(guò)一變壓器將同步補(bǔ)償器接到電壓超過(guò)約20kV的某些電網(wǎng)上，所以 其中可能為電網(wǎng)提供無(wú)功功率的同步補(bǔ)償器范圍受這樣 一 種實(shí)際情況 影響，即，變壓器的無(wú)功電抗限制了電流與電壓之間的滯后角。對(duì)于 根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，可以設(shè)計(jì)一種同步補(bǔ)償器，可將它接到 電網(wǎng)上而不用中間變壓器，而且可以-使它工作在所選定的欠勵(lì)/磁或過(guò) 勵(lì)磁狀態(tài)，以補(bǔ)償電網(wǎng)上的感性或容性負(fù)載。
可將根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)接到 一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)電壓電平上。由于 可以將電機(jī)外部的電場(chǎng)保持在最小，使這一點(diǎn)成為可能。
通過(guò)在一個(gè)繞組上設(shè)獨(dú)立的抽頭，或通過(guò)為接至不同系統(tǒng)電壓電平 而設(shè)一獨(dú)立的繞組，或通過(guò)將這些設(shè)置相結(jié)合，可進(jìn)行接至不同系統(tǒng) 電壓電平的工作。
根據(jù)本發(fā)明的 一個(gè)實(shí)施例是，旋轉(zhuǎn)電機(jī)的^f茲路包括一根絞合電纜的 繞組，它具有一個(gè)或多個(gè)帶有固體絕緣部分的擠制的絕緣的導(dǎo)體，在 導(dǎo)體和殼體上均有一半導(dǎo)電層?？蓪⑼獍雽?dǎo)電層接至地電位。為能解
決將旋轉(zhuǎn)電機(jī)直接接至所有類型高壓電網(wǎng)的情況下出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù) 本發(fā)明的電機(jī)有許多特征，它們區(qū)別于本技術(shù)領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)。
如上所述，可由一根電纜制造旋轉(zhuǎn)電機(jī)的繞組，該電纜具有一個(gè)或 多個(gè)擠制的絕緣的導(dǎo)體，在導(dǎo)體與殼體上均有一半導(dǎo)電層。 一些典型的 例子是熱塑樹脂或交聯(lián)熱塑樹脂，例如XLPE電纜或具有橡膠絕緣部分 的電纜，橡膠例如是硅橡膠或EP橡膠，導(dǎo)體可由多股絞線組成?？梢允?多股絞線相互絕緣，以便由此降低導(dǎo)體中的渦流損耗。應(yīng)使一個(gè)或一些多股絞線不絕緣，以確保包圍導(dǎo)體的半導(dǎo)電層與導(dǎo)體處于相同的電位。
已知用于傳輸電能的高壓電纜由具有固體絕緣部分的導(dǎo)體組成，它 還具有內(nèi)、外半導(dǎo)體部分。在傳輸電能的過(guò)程中，要求絕緣部分應(yīng)沒(méi) 有缺陷。當(dāng)用高壓電纜來(lái)傳輸電能時(shí)，其目的在于使流過(guò)電纜的電流 最大，原因在于對(duì)于一傳輸電纜來(lái)說(shuō)空間并無(wú)界限。
噴鍍、圖形模制(figure moulding )、壓模、注沖莫等等。但是，重要之 處在于，絕緣部分應(yīng)在整個(gè)截面上沒(méi)有缺陷，且應(yīng)具有類似的熱特性。 連同加到導(dǎo)體上的絕緣部分，可為半導(dǎo)電層配備絕緣部分。半導(dǎo)電層 可由含導(dǎo)電元素的聚合物組成。
優(yōu)選使用具有環(huán)形截面的電纜。其中，為獲得更好的封裝密度，可 采用有不同截面的電纜。為在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中建立起電壓，依次將電纜設(shè) 置在磁芯中的槽中?？蓪⒗@組設(shè)計(jì)成多層同心電纜繞組，以減小端繞 組交叉的數(shù)目。還電纜制作上可錐形絕緣部分從而以一更好的方式利 用磁芯，在這種情況下可使槽的形狀適合于繞組的錐形絕緣部分。
根據(jù)本發(fā)明旋轉(zhuǎn)電機(jī)的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)在于，在外半導(dǎo)電層外部的端 繞組區(qū)中，E場(chǎng)接近于零；而隨著外殼體處于地電位，電場(chǎng)無(wú)需受控。 這意味著在片內(nèi)、在端繞組區(qū)內(nèi)或在二者間的過(guò)渡區(qū)內(nèi)皆不會(huì)發(fā)生場(chǎng) 集中的現(xiàn)象。
本發(fā)明還涉及制造磁路尤其是繞組的方法。該制造方法包括通過(guò) 將一電纜螺旋擰入磁芯中槽內(nèi)的開口中，將繞組置于槽中。由于電纜 是柔性的，所以可以彎折它，這可以使電纜長(zhǎng)度能在一線圏中繞幾圈。 那么端繞組將由電纜中的彎折區(qū)組成。還可以這樣一種方式連接該電 纜，即，其特性在整個(gè)電纜長(zhǎng)度上保持恒定。該方法與本技術(shù)領(lǐng)域的 現(xiàn)狀相比有相當(dāng)多的簡(jiǎn)化。所謂的羅貝爾條并不是柔性的，而必須預(yù) 加工成需要的形狀。今天在制造旋轉(zhuǎn)電機(jī)時(shí)，對(duì)線圏的浸潰也是一種 過(guò)于復(fù)雜和昂貴的技術(shù)。
因此，總而言之，相對(duì)于相應(yīng)的現(xiàn)有技術(shù)電機(jī)，根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn) 電機(jī)具備相當(dāng)多的顯著優(yōu)點(diǎn)。首先，可在所有類型的高壓下將它直接 接入電網(wǎng)。在這一方面電壓中的高壓超過(guò)10kV,且高達(dá)出現(xiàn)于各電網(wǎng) 上的電壓電平。另一顯著優(yōu)點(diǎn)在于，沿整個(gè)繞組始終保持所選電位如 地電位，這意味著可使端繞組區(qū)緊湊且可將端繞組區(qū)的支撐裝置實(shí)際位于地電位或任何其他所選電位。另有一顯著優(yōu)點(diǎn)在于，沒(méi)有以油為 基礎(chǔ)的絕緣與冷卻系統(tǒng)。這意味著不可能出現(xiàn)密封問(wèn)題，且不再需要 前述電介質(zhì)環(huán)。 一個(gè)優(yōu)點(diǎn)還在于可在地電位下進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。從安裝 的觀點(diǎn)看，用根據(jù)本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電機(jī)能節(jié)省相當(dāng)大的空間和重量，原 因在于它取代了以前既有電機(jī)又有升壓變壓器的安裝設(shè)計(jì)方案。本發(fā) 明無(wú)需超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，沒(méi)有與其有關(guān)的問(wèn)題，如維持溫度、密封等。由于 可避免佳—用升壓變壓器，所以該系統(tǒng)的效率顯著^是高。

圖1表示包括在目前修改的標(biāo)準(zhǔn)電纜中的部分。
圖2表示根據(jù)本發(fā)明一》茲路扇形(sector)間距/極距的實(shí)施例軸向 端視圖。
為了制造根據(jù)本發(fā)明描述的磁路，繞組可以是導(dǎo)體電纜的形式，在 導(dǎo)體和殼體上有具有半導(dǎo)電層的固體電絕緣物。這種電纜可作為其他
電力工程應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)電纜買到。以下首先給出對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電纜的簡(jiǎn)短 說(shuō)明，其中描述了一個(gè)實(shí)施例。內(nèi)部載流導(dǎo)體包括許多非絕緣多股絞 線。在多股絞線周圍有一半導(dǎo)電內(nèi)殼體。在該半導(dǎo)電內(nèi)殼體周圍，有 一擠制絕緣物的絕緣層。這種擠制絕緣物的實(shí)例為XLPE或橡膠，如 硅橡膠、熱塑樹脂或交聯(lián)熱塑樹脂。該絕緣層由一外半導(dǎo)電層包圍， 該外半導(dǎo)電層又由一金屬屏蔽物和套所包圍。以下將把這種電纜稱作 電力電纜。
根據(jù)圖1可了解用作根據(jù)本發(fā)明旋轉(zhuǎn)電機(jī)中一繞組的電纜。圖中將 電纜1描繪成包括載流導(dǎo)體2，載流導(dǎo)體2包括交叉的非絕緣與絕緣的 多股絞線。也可以是機(jī)電交叉擠制的絕緣多股絞線。在這些導(dǎo)體周圍 有一內(nèi)半導(dǎo)電層3，內(nèi)半導(dǎo)電層3又由固體絕緣部分4所包圍。該部分 由外半電體層5包圍。用作本優(yōu)選實(shí)施例中一繞組的電纜無(wú)金屬屏蔽， 也無(wú)外套。為避免外半導(dǎo)電層中的感應(yīng)電流及其相關(guān)損耗，優(yōu)選在端 繞組中，即，在從疊片到端繞組的過(guò)渡段中截?cái)噙@部分。然后將每個(gè) 截?cái)嗟牟糠纸拥兀纱藢⑹雇庳S導(dǎo)休層在整個(gè)電纜長(zhǎng)度中俁持在地電 位或在其附近。也就是說(shuō)，在端繞組處擠制絕緣繞組的周圍，可接觸 表面和在使用了一^殳時(shí)間之后變臟的表面只有對(duì)地可忽略的電位，它 們產(chǎn)生的電場(chǎng)也可忽略。
為優(yōu)化旋轉(zhuǎn)電機(jī)，分別就槽和齒的磁路的設(shè)計(jì)具有決定性的重要 性。如上所述，槽應(yīng)盡可能靠近接到線圈側(cè)的殼體上。還希望，每個(gè)徑向水平上的齒要盡可能寬。這對(duì)于使電機(jī)的損耗、勵(lì)磁要求最少等 等來(lái)說(shuō)很重要。
至于利用根據(jù)權(quán)利要求15的導(dǎo)體和例如上述電纜，有極大的可能 可以從幾個(gè)著眼點(diǎn)使磁芯具有最佳性能。以下，討論旋轉(zhuǎn)電機(jī)定子中
的磁路。圖2表示根據(jù)本發(fā)明一電機(jī)中扇形節(jié)距/極距6軸向端視圖的 一個(gè)實(shí)施例。用7代表帶有轉(zhuǎn)子磁極的轉(zhuǎn)子。在傳統(tǒng)的方式下，定子 由連續(xù)由扇形片構(gòu)成的導(dǎo)電片(electric sheets )疊層鐵芯構(gòu)成。 一些齒 9從位于徑向最外端的鐵芯磁輒部分8向內(nèi)沿徑向伸向轉(zhuǎn)子。齒間有相 應(yīng)數(shù)目的槽10。根據(jù)以上對(duì)電纜11的使用使得高壓電機(jī)的槽深做得比 根據(jù)本技術(shù)領(lǐng)域現(xiàn)有狀態(tài)可能有的槽深大。這些槽的截面朝向轉(zhuǎn)子逐 漸變細(xì)，這是由于對(duì)電纜絕緣的需要對(duì)于朝向氣隙的每個(gè)繞組層變得 更少。如從圖中所知，槽基本上由在繞組每個(gè)層周圍的環(huán)形截面12組 成，繞組在這些層間有更窄的腰部13。 一般地說(shuō)，可將這樣一種槽截 面稱作"環(huán)鏈槽(cycle chain slot)"。在圖2所示的實(shí)施例中，采用具 有三種不同絕緣電纜尺寸的電纜，它們分別以三種相應(yīng)尺寸的截面14、 15和16分布，也就是說(shuō)，實(shí)際上將得到改進(jìn)的環(huán)鏈槽。該圖還表示出， 可以用沿整個(gè)槽深上的實(shí)際恒定徑向?qū)挾仁苟ㄗ育X成形。
在另一實(shí)施例中，用作繞組的電纜可以是如上所述的傳統(tǒng)電力電 纜。然后，通過(guò)在適當(dāng)位置剝除電纜的金屬屏蔽部分和套，使外半導(dǎo) 電屏蔽部分接地。
本發(fā)明的范圍適合許多另外的實(shí)施例，這取決于關(guān)于所涉及的絕緣 與外半導(dǎo)電層等的有效電纜尺寸。而且，在超出這里已述的范圍內(nèi)可 改進(jìn)具有所謂環(huán)鏈槽的實(shí)施例。
如上所述，可將磁路置于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和/或轉(zhuǎn)子中。但是，對(duì)磁 路的設(shè)計(jì)主要適于上述描述，而與磁路是否位于定子和/或轉(zhuǎn)子中無(wú)關(guān)。
作為繞組，優(yōu)選使用可描述為多層同心電纜繞組的繞組。這樣一種 繞組意味著，已通過(guò)將同 一組內(nèi)所有線圈逐一 沿徑向置于外部來(lái)使端 繞組處的交叉數(shù)目最小。這也容許更簡(jiǎn)單的方法，該方法用來(lái)制造定 子繞組和將它們嵌入不同的槽中。
本發(fā)明一般可用于電壓超過(guò)10kV的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。在"技術(shù)領(lǐng)域"中 所述的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是本發(fā)明可用的旋轉(zhuǎn)電機(jī)實(shí)例。
權(quán)利要求
1. 一種高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和繞組，其中至少一個(gè)繞組包括一個(gè)或多個(gè)載流導(dǎo)體(2)，其中在全部的導(dǎo)體周圍設(shè)置具有半導(dǎo)電特性的內(nèi)層(3)，在該內(nèi)層周圍設(shè)置固體絕緣部分(4)，而在該絕緣部分周圍設(shè)置具有半導(dǎo)電特性的外層(5)，該外半導(dǎo)電層(5)為等電位面，其中導(dǎo)體(2)包括許多絕緣的多股絞線，一些多股絞線并未絕緣，以便保證與內(nèi)半導(dǎo)電層(3)的電接觸。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于設(shè)置內(nèi)半導(dǎo)電層(3) 的電位與導(dǎo)體(2)的電位基本上相同。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于設(shè)置外半導(dǎo)電層 (5)使該層基本上構(gòu)成圍繞該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體(2)的等電位面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于將外半導(dǎo)電層(5)接 到所選的電位上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于所選的電位為地電位。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于可為每個(gè)單獨(dú)的繞組 選才奪一個(gè)單獨(dú)的電位。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3、 4、 5或6的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于至 少一個(gè)所述半導(dǎo)電層(3, 5)具有與絕緣部分(4)基本相同的熱膨脹 系數(shù)。
8. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于載流導(dǎo)體(2) 包括許多多股絞線，所述多股絞線相互絕緣，但有一些多股絞線并未 絕緣，以便保證與內(nèi)半導(dǎo)電層(3)的電接觸。
9. 根據(jù)前述任一權(quán)利要求的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，沿基本上全 部的導(dǎo)體(2)接觸表面將導(dǎo)體周圍設(shè)置的所有半導(dǎo)電層(3, 5)固定 到相鄰的絕緣部分(4)上。
全文摘要
一種直接接入所有類型高壓電網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中適用于高壓的磁路包括轉(zhuǎn)子、定子和繞組。繞組包括由一固體絕緣系統(tǒng)包圍的導(dǎo)體。本發(fā)明還涉及制造該旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方法。
文檔編號(hào)H02K3/14GK101546932SQ200910128640
公開日2009年9月30日 申請(qǐng)日期1997年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月29日
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