專利名稱：電機(jī)的高壓定子線圈中的均壓結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及包括有高壓定子線圈的電機(jī)，更特別地本發(fā)明涉及用于使這種機(jī)器的定子線圈中的電壓均勻的結(jié)構(gòu)布置。
背景技術(shù)：
通常，電機(jī)具有轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子纏繞有磁場繞組，磁場繞組設(shè)置在轉(zhuǎn)子本體中的槽中。定子纏繞有定子線圈，定子線圈設(shè)置在定子本體的槽中。在發(fā)電機(jī)機(jī)器的情況下，當(dāng)轉(zhuǎn)子被外部的機(jī)械能量源(如蒸汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī))旋轉(zhuǎn)而勵磁電流被提供到磁場繞組時(shí)，在定子線圈中就感生了電能。定子線圈通常由多個(gè)被稱作為絞線的獨(dú)立導(dǎo)體構(gòu)造成。這些絞線堆疊在一起以形成能夠承載高電壓和高電流的更大的導(dǎo)體(或線圈)。在許多定子線圈中，絞線被扭成交織的圖案而不是簡單地以一個(gè)疊一個(gè)的方式堆疊。在現(xiàn)有技術(shù)中，這種交織技術(shù)通常稱為羅貝爾處理(Roebelling)，且該技術(shù)有助于防止定子線圈的最接近轉(zhuǎn)子的內(nèi)絞線比更加遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子的外絞線承載更多的電流(且生成更多的熱)。羅貝爾處理有助于確保每條絞線都承載類似數(shù)量的電流且生成類似數(shù)量的熱。一些定子線圈包括有內(nèi)置通風(fēng)管以冷卻絞線。在現(xiàn)有技術(shù)中，這些類型的定子線圈稱為內(nèi)冷卻線圈。在內(nèi)冷卻線圈中，多個(gè)通風(fēng)管可以一個(gè)疊一個(gè)的方式堆疊并且夾在兩個(gè)或更多個(gè)絞線堆之間。然后通過通風(fēng)管泵送冷卻氣體(例如氫氣或者空氣)以將熱從絞線轉(zhuǎn)移走。存在一些與制造內(nèi)冷卻定子線圈關(guān)聯(lián)的挑戰(zhàn)。例如，在將絞線堆經(jīng)由羅貝爾處理之后，該絞線堆的頂面和底面不再平滑。這些表面具有由對絞線的羅貝爾處理所引起的顯著的不連續(xù)處。這些不連續(xù)處使得難以應(yīng)用被稱為地壁絕緣體(ground-wall insulation) 的外絕緣體層。另一個(gè)挑戰(zhàn)是在發(fā)電機(jī)工作期間在定子線圈的絞線與通風(fēng)管之間會產(chǎn)生出相對大的電壓差。如果該電壓差超過了絞線與通風(fēng)管之間的絕緣體的介電強(qiáng)度，那么在銅絞線與通風(fēng)管之間將發(fā)生電短路，這會導(dǎo)致通風(fēng)管中的循環(huán)電流和/或?qū)Χㄗ泳€圈的災(zāi)難性損害。盡管已經(jīng)提出了各種技術(shù)來解決這樣的挑戰(zhàn)，然而仍然有需要對定子線圈配置進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，這些改進(jìn)更大程度地防止了電短路并且能夠提供使存在于定子線圈中的電壓均勻的能力，以避免會在電機(jī)工作期間導(dǎo)致放電活動的過電壓狀態(tài)，同時(shí)還降低了與制造定子線圈有關(guān)的復(fù)雜性和成本。


在以下描述中參照附圖對本發(fā)明進(jìn)行解釋，在附圖中圖1是示出了實(shí)施本發(fā)明的多個(gè)方面的多個(gè)定子線圈的、示例電機(jī)的局部透視圖2是具有根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的均壓布置的示例定子線圈的局部透視圖；圖3是示出了定子線圈部件之間的固有阻抗的橫截面圖；以及圖4示出了具有實(shí)施本發(fā)明的多個(gè)方面的均壓布置的定子線圈的等效電路。
具體實(shí)施例方式圖1示出了能夠受益于本發(fā)明的多個(gè)方面的示例電機(jī)10 (例如發(fā)電機(jī)或電動機(jī))。 正如本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的那樣，機(jī)器10包括有轉(zhuǎn)子12和以圍繞轉(zhuǎn)子12的方式定位的定子15。定子15包括有多個(gè)高壓(例如大約>4kV)定子線圈20(在圖2中更加詳細(xì)地示出)。多個(gè)定子線圈20中的每個(gè)定子線圈都包括有例如由銅或銅合金形成的一個(gè)或更多個(gè)線圈絞線堆22以及傳導(dǎo)冷卻氣體(如氫氣或空氣)的多個(gè)金屬通風(fēng)管30。根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面，在定子線圈中，各個(gè)均壓結(jié)構(gòu)布置以內(nèi)置的方式構(gòu)造在線圈絞線堆的頂面和底面處用于均壓，由此防止在電機(jī)工作期間可能會導(dǎo)致放電的過電壓狀態(tài)。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的多個(gè)方面的均壓布置40的示例實(shí)施例。為了簡化圖示， 圖2僅示出了與線圈絞線堆的頂面連接的均壓布置。然而，如圖3所示，應(yīng)當(dāng)理解在線圈絞線堆的底面處設(shè)置了同樣的布置。均壓布置40包括有填充材料44，填充材料例如是包括樹脂浸漬氈的羅貝爾填充物，該樹脂浸漬氈如可以由諾梅克斯 ( Nomex )芳綸纖維或者滌綸 ( Dacron )聚酯纖維制成，二者均可從杜邦公司(E. I.Du Pont de Nemours & Co. Inc.)獲得。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所能理解的，填充材料44基本上使通常由于對絞線的羅貝爾處理(交織)所導(dǎo)致的頂面的不連續(xù)處和底面的不連續(xù)處變得平滑。電隔離層46設(shè)置在填充材料44上。在一種示例實(shí)施方式中，隔離層46可以是玻璃襯底云母帶形成的層并且可以被配置成沿著線圈的寬度方向延伸。隔離層46還可以被配置成在線圈絞線堆的每個(gè)側(cè)部上都設(shè)置了相應(yīng)的側(cè)面延伸部47(例如，在一種示例實(shí)施方式中，該側(cè)面延伸部具有范圍為大約0. 25英寸至大約1英寸的長度)。導(dǎo)電層48設(shè)置在隔離層46上。在一種示例實(shí)施方式中，導(dǎo)電層48可以是碳填充的導(dǎo)電帶并且隔離層46的玻璃襯底側(cè)可以定位成緊靠導(dǎo)電層48。在一種示例實(shí)施方式中， 導(dǎo)電層48基本上在線圈的直區(qū)域上延伸。也就是說，導(dǎo)電層48不需要在線圈的分別定位在線圈的前部處和后部處的內(nèi)卷區(qū)域上延伸。由于間隔的限制，電隔離層46和導(dǎo)帶層48分別都具有相對小的厚度(在一種示例實(shí)施方式中范圍大約為大約0. 005英寸至大約0. 006 英寸的厚度)。導(dǎo)電條50設(shè)置在導(dǎo)電層48上。導(dǎo)電條50可以由任何導(dǎo)電材料構(gòu)造成，導(dǎo)電材料如銅或任何其它合適的導(dǎo)電金屬或金屬合金。導(dǎo)電條的一個(gè)端部(例如端部52)足夠長以便通過任何合適的附接技術(shù)(如焊接、硬焊或軟焊)來電連接到絞線中的至少一條絞線。 相對端部可以是電浮置的?？梢詫⒋蠹s1/4平方英寸的絞線表面的絕緣體剝離以利于電連接。導(dǎo)電層48最好作用為電屏蔽體，以使可能橫跨形成于羅貝爾填充物44中的空隙 (例如陷留的空氣泡)而產(chǎn)生的并且趨于克服羅貝爾填充物44的介電性質(zhì)的電壓降低。例如，如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解的那樣，用于接合目的的羅貝爾填充物44可以在暴露于空氣的同時(shí)受到貝克萊特?zé)崽幚?bakelize process)，而這會導(dǎo)致空氣泡陷留在羅貝爾填充物44中。電隔離層46是相對于導(dǎo)電層48布置的以避免經(jīng)由導(dǎo)電層48在線圈絞線22和/或通風(fēng)管30中形成電互連，由此防止了冷卻絞線和/或通風(fēng)管之間的電短路。例如，絞線間絕緣體和通風(fēng)管絕緣體可以是相對多孔的，而在缺少電隔離層46的情況下，導(dǎo)電層48可能會建立可能導(dǎo)致絞線至絞線的電短路的絞線間電連接和/或可能會建立通風(fēng)管中的kg 電短路。由此，有利的是，電隔離層46的存在避免了導(dǎo)電層48引起絞線對絞線電短路和/ 或通風(fēng)管中的電短路，同時(shí)維持了導(dǎo)電層48的有效地起到對于線圈絞線和/或通風(fēng)管的電屏蔽體的作用，以使可能橫跨可形成于羅貝爾填充物44中的空隙而產(chǎn)生的電壓降低。導(dǎo)電條50將導(dǎo)電層48電連接到至少一條線圈絞線22并且實(shí)質(zhì)上強(qiáng)制導(dǎo)電層48 相對于線圈絞線堆(線圈絞線22)基本處于共同的電壓電平。在一種示例實(shí)施例中，多條粘合帶(例如多條諾梅克斯 粘合帶)可以用于將導(dǎo)電條50保持在適當(dāng)位置上。此外，在將地壁絕緣體層應(yīng)用到線圈時(shí)可以進(jìn)一步地固定導(dǎo)電條50。圖3是包括有線圈部件之間的固有阻抗的橫截面圖。電容Cl表示地壁電容。電容C2表示線圈的外導(dǎo)電電極與導(dǎo)電層48之間的電容。電容C3表示金屬通風(fēng)管30與線圈絞線22之間的電容。電容C4表示線圈絞線22與導(dǎo)電層48之間的電容(例如羅貝爾填充物電容)。圖4示出了具有實(shí)施本發(fā)明的多個(gè)方面的均壓布置的定子線圈的等效電路60。如圖4所示，導(dǎo)電條50將導(dǎo)電層48與線圈絞線堆22之間的電容效應(yīng)分路并且強(qiáng)制導(dǎo)電層48 相對于線圈絞線堆基本處于共同的電壓電平，由此避免了過電壓狀態(tài)。這使得能夠?qū)⒎駝t可能會在電容C4(即羅貝爾填充物電容)兩端產(chǎn)生電壓的效應(yīng)去除。交流電流(AC)源62 表示由定子線圈所生成的在銅絞線22與線圈外導(dǎo)電電極64之間的AC電壓。在操作中，認(rèn)為實(shí)施本發(fā)明的多個(gè)方面的以內(nèi)置的方式構(gòu)造的均壓布置提供了至少以下的示例優(yōu)點(diǎn)降低了羅貝爾填充物的厚度，這又允許了相對更厚的地壁絕緣體。厚度降低還有助于改進(jìn)經(jīng)由填充物的線圈浸漬；維持高的絞線間電阻，以使得定子線圈能夠可靠地滿足可應(yīng)用的電隔離要求；改進(jìn)定子線圈在經(jīng)受功率因數(shù)tip-up測量時(shí)的驗(yàn)收比率。對于期望了解關(guān)于功率因數(shù)tip-up測量的總體背景信息的讀者，參照通過引用合并到本文中的題為 “IEEE Recommended Practice for Measurement of Power Factor Tip-Up of Electric Machinery Stator Coil Insulation” 的 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 286-2000 ；以及 / 或者消除了對外部均壓電阻器的需要，外部均壓電阻器通常需要相當(dāng)大數(shù)目的繁重且昂貴的焊料連接。盡管已經(jīng)在此處示出并描述了本發(fā)明的多種實(shí)施方式，但是將會明顯的是這樣的實(shí)施方式僅是作為示例來提供的。在不偏離本發(fā)明的情況下可以進(jìn)行各種變化、改變和替換。據(jù)此，意圖僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍來限制本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種電機(jī)，包括轉(zhuǎn)子；定子，其工作上耦接到所述轉(zhuǎn)子，所述定子包括至少一個(gè)高壓定子線圈，所述至少一個(gè)高壓定子線圈包括多條線圈絞線，其被布置成形成線圈絞線堆；多個(gè)通風(fēng)管，其被布置成傳遞冷卻氣體以冷卻所述線圈絞線堆；填充材料，其被設(shè)置在所述線圈絞線堆的頂面和底面上；均壓結(jié)構(gòu)，所述均壓結(jié)構(gòu)包括電隔離層，所述電隔離層在所述填充材料上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層在所述電隔離層上；以及導(dǎo)電條，其定位在所述導(dǎo)電層上，所述導(dǎo)電條電連接到所述線圈絞線中的至少一條線圈絞線，以將所述導(dǎo)電層與所述線圈絞線堆之間的電容效應(yīng)分路并且強(qiáng)制所述導(dǎo)電層相對于所述線圈絞線堆基本處于共同的電壓電平，由此避免過電壓狀態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述電隔離層是相對于所述導(dǎo)電層布置的以避免經(jīng)由所述導(dǎo)電層在所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管中形成電互連，由此防止所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管之間的電短路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述導(dǎo)電層被布置成形成對于所述線圈絞線和/ 或所述通風(fēng)管的電屏蔽體。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述電隔離層包括玻璃襯底云母帶形成的層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機(jī)，其中，所述電隔離層具有范圍在大約0.005英寸至大約 0. 006英寸的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述導(dǎo)電層包括碳填充的導(dǎo)電帶形成的層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電機(jī)，其中，所述導(dǎo)電層具有范圍在大約0.005英寸至大約 0. 006英寸的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述導(dǎo)電條包括金屬條。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述填充材料被布置成使在所述線圈絞線堆的所述頂面和所述底面處的不連續(xù)處變得平滑。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機(jī)，其中，所述填充材料包括樹脂浸漬纖維，其中，所述纖維選自芳綸纖維和聚酯纖維。
11.一種高壓定子線圈，包括多條線圈絞線，其被布置成形成線圈絞線堆；多個(gè)通風(fēng)管，其被布置成傳遞冷卻氣體以冷卻所述線圈絞線堆；填充材料，其被設(shè)置在所述線圈絞線堆的頂面和底面上；均壓結(jié)構(gòu)，所述均壓結(jié)構(gòu)包括電隔離層，所述電隔離層在所述填充材料上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層在所述電隔離層上；以及導(dǎo)電條，其定位在所述導(dǎo)電層上，所述導(dǎo)電條電連接到所述線圈絞線中的至少一條線圈絞線，以將所述導(dǎo)電層與所述線圈絞線堆之間的電容效應(yīng)分路并且強(qiáng)制所述導(dǎo)電層相對于所述線圈絞線堆基本處于共同的電壓電平，由此避免過電壓狀態(tài)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的定子線圈，其中，所述電隔離層是相對于所述導(dǎo)電層布置的以避免經(jīng)由所述導(dǎo)電層在所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管中形成電互連，由此防止所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管之間的電短路。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的定子線圈，其中，所述導(dǎo)電層被布置成形成對于所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管的電屏蔽體。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的定子線圈，其中，所述電隔離層包括玻璃襯底云母帶形成的層，所述導(dǎo)電層包括碳填充的導(dǎo)電帶形成的層，每條帶都具有范圍在大約0. 005英寸至大約0. 006英寸的厚度。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的定子線圈，其中，所述填充材料被布置成使在所述線圈絞線堆的所述頂面和所述底面處的不連續(xù)處變得平滑，并且所述填充材料包括樹脂浸漬纖維，所述纖維選自芳綸纖維和聚酯纖維。
16.一種用于高壓定子線圈的均壓結(jié)構(gòu)，所述定子線圈包括被布置成形成線圈絞線堆的多條線圈絞線，所述定子線圈還包括被布置成傳遞冷卻氣體以冷卻所述線圈絞線堆的多個(gè)通風(fēng)管、以及被設(shè)置在所述線圈絞線堆的頂面和底面上的填充材料，所述均壓結(jié)構(gòu)包括電隔離層，所述電隔離層在所述填充材料上；導(dǎo)電層，所述導(dǎo)電層在所述電隔離層上；以及導(dǎo)電條，其定位在所述導(dǎo)電層上，所述導(dǎo)電條電連接到所述線圈絞線中的至少一條線圈絞線，以將所述導(dǎo)電層與所述線圈絞線堆之間的電容效應(yīng)分路并且強(qiáng)制所述導(dǎo)電層相對于所述線圈絞線堆基本處于共同的電壓電平，由此避免過電壓狀態(tài)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的均壓結(jié)構(gòu)，其中，所述電隔離層是相對于所述導(dǎo)電層布置的以避免經(jīng)由所述導(dǎo)電層在所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管中形成電互連，由此防止所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管之間的電短路。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的均壓結(jié)構(gòu)，其中，所述導(dǎo)電層被布置成形成對于所述線圈絞線和/或所述通風(fēng)管的電屏蔽體。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的均壓結(jié)構(gòu)，其中，所述電隔離層包括玻璃襯底云母帶形成的層，所述導(dǎo)電層包括碳填充的導(dǎo)電帶形成的層，每條帶都具有范圍在大約0. 005英寸至大約0. 006英寸的厚度。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的均壓結(jié)構(gòu)，其中，所述填充材料被布置成使在所述線圈絞線堆的所述頂面和所述底面處的不連續(xù)處變得平滑，并且所述填充材料包括樹脂浸漬纖維，其中，所述纖維選自芳綸纖維和聚酯纖維。
全文摘要
提供了一種可以在電機(jī)的定子線圈中使用的均壓結(jié)構(gòu)(40)。填充材料(44)可以設(shè)置在線圈絞線堆(22)的頂面和底面上。該均壓結(jié)構(gòu)可以包括填充材料上的電隔離層(46)并且還可以包括在電隔離層上的導(dǎo)電層(48)。導(dǎo)電條(50)定位在導(dǎo)電層上。導(dǎo)電條電連接到線圈絞線(22)中的至少一條線圈絞線，以將導(dǎo)電層與線圈絞線堆之間的電容效應(yīng)分路并且強(qiáng)制導(dǎo)電層相對于線圈絞線堆基本處于共同的電壓電平，由此避免了過電壓狀態(tài)。
文檔編號H02K3/40GK102577037SQ201080041122
公開日2012年7月11日 申請日期2010年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月18日
發(fā)明者富蘭克林·T·埃梅里 申請人:西門子能源有限公司