專利名稱：端板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)電機，諸如同步電機、或雙路饋電式電機，它可用于異步直流換流器級聯(lián)上、外極電機上、同步流電機和交流電機，首先指電站中發(fā)電的發(fā)電機。本發(fā)明特別涉及和一個實施例相關(guān)的電機的定子，該實施例用來冷卻定子齒，進而也間接地冷卻定子繞組的絕緣導(dǎo)體。
現(xiàn)有技術(shù)傳統(tǒng)上類似的電機是為6-30kV電壓范圍設(shè)計的，30kV一般被看成上限。這通常意味著發(fā)電機必須通過一個變壓器才能連接在電網(wǎng)上，變壓器把電壓提高到電網(wǎng)電壓水平，它大約在130-400kV的范圍內(nèi)。本發(fā)明涉及的電機是準(zhǔn)備使用高電壓的。這里應(yīng)該明確，所謂高電壓指超過10kV的電壓。本發(fā)明裝置的典型運行范圍是從36kV直至800kV。其次，本發(fā)明也要用在電壓低于36kV的所述技術(shù)領(lǐng)域中。
傳統(tǒng)的空氣冷卻有兩種不同的系統(tǒng)空氣通過軸和徑向氣道流過轉(zhuǎn)子的徑向冷卻，和空氣被軸扇吹入極隙(pole gap)的軸向冷卻。定子被焊上的隔離片(通常是直的)分成徑向氣道。由于穿過定子疊片垛的軸向熱導(dǎo)很差，氣道必須做得很多?？諝饫鋮s的缺點在于，通風(fēng)損耗經(jīng)常很嚴(yán)重，定子必須加長來彌補通氣道。通氣道還減弱了機械結(jié)構(gòu)，特別是在要討論的長定子齒的高壓發(fā)電機里尤其嚴(yán)重。
用定子軛中的冷卻管進行軸向水冷卻的方法為人熟知。必須用電絕緣的金屬管以免使定子疊片垛間短路。它的缺點在于，如果絕緣壞掉，發(fā)電機可能會被因此出現(xiàn)的感應(yīng)電流毀掉。在接口處焊或彎管子也很昂貴。另一個缺點是隨時間變化的磁流會在金屬管中引起渦流，結(jié)果當(dāng)把它們用于電機時會產(chǎn)生一些能量損失。
一種導(dǎo)體可通過文獻US 5 036 165了解，它的絕緣是由內(nèi)外兩層半導(dǎo)電的熱解玻璃纖維提供的。也有人在直流電機里為導(dǎo)體提供此類絕緣，如象文件US 5 066 881描述的那樣，一個半導(dǎo)電的熱解玻璃纖維層與形成導(dǎo)體的兩個平行桿相接觸，定子槽里的絕緣物外又包上一層半導(dǎo)電熱解玻璃纖維。之所以認為熱解玻璃纖維材料合用是因為即便是浸漆處理完后它的電阻率也不改變。
發(fā)明目的利用高壓絕緣導(dǎo)線，以下稱之為高壓線，它有和定子繞組中傳送電力的纜(如XLPE線)相似的固體絕緣物，電機的電壓可以提高到能直接與電網(wǎng)相連而無需線間變壓器。這樣傳統(tǒng)的變壓器就可以取消。這個想法一般要求定子中布線的槽比傳統(tǒng)工藝來得深(高壓帶來厚絕緣層及增加了的繞組圈數(shù))。這就在冷卻、振動線圈端頭的固有頻率、齒和繞線各方面帶來新問題。
本發(fā)明的目的在于提供一個帶端板的旋轉(zhuǎn)電機定子，端板使定子特別是所述類型旋轉(zhuǎn)電機的定子齒得到直接冷卻，所謂冷卻是以在定子中軸向穿過冷卻管的方式獲得。定子板用來在定子的兩端提供保護。組裝過程中冷卻管在定子兩端受到的機械應(yīng)力被本發(fā)明消除了。
本發(fā)明的另一目的是讓定子板在組裝時為冷卻管做彎曲模板。本發(fā)明的其它有利的進展在下面的描述中會顯現(xiàn)出來。本發(fā)明主要是要用到后面要詳細定義的高壓線，在那里它的優(yōu)點會特別明顯。發(fā)明概述本發(fā)明涉及定子端板，它有關(guān)于旋轉(zhuǎn)電機如高壓交流發(fā)電機的軸向冷卻，被冷卻的部件包括定子及其疊片垛。特別是定子齒，間接地也包括定子繞組，該定子繞組在諸如高壓交流發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)電機中。
板上設(shè)有與定子相應(yīng)的軸向繞組槽和為冷卻管進出準(zhǔn)備的軸向的孔。板上還設(shè)安放彎曲部件的狹縫，冷卻管將繞此部件打彎。端板上還設(shè)有安裝槽，在端板的繞組槽出口處容納密封部件。
在本發(fā)明的裝置中，繞組最好是有固態(tài)模壓絕緣層的一類導(dǎo)線，如現(xiàn)用于輸電線的XLPE線或有EPR絕緣層的導(dǎo)線。這樣的線包括一股或多股的內(nèi)部導(dǎo)體，圍繞導(dǎo)體的內(nèi)半導(dǎo)電層，圍繞它的固態(tài)絕緣層和圍繞絕緣層的外半導(dǎo)電層。這類線是柔性的，此處這是個重要的性質(zhì)，因為本發(fā)明的技術(shù)主要是基于繞組系統(tǒng)，其中繞組由在組裝時被彎曲的線構(gòu)成。一個30mm直徑XLPE線的柔性一般對應(yīng)一約20cm的曲率半徑。80mm直徑的線對應(yīng)65cm的曲率半徑。術(shù)語“柔性”在此表示彎曲在曲率半徑為直徑四倍時是柔性的，最好在八至十二倍。
制成的繞組應(yīng)該在被彎曲或受到運行時的熱應(yīng)力情況下保持性能。在此各層保持附著至關(guān)重要。各層的材料特性是決定性的，特別是它們的彈性和相對熱膨脹系數(shù)。比如，在XLPE線中絕緣層由交聯(lián)的低密度聚乙烯制成，半導(dǎo)電層由摻入碳黑和金屬粒子的聚乙烯制成。溫度起伏引起的體積變化表現(xiàn)在線半徑的變化，由于相對微小的各層間與材料彈性有關(guān)的熱膨脹系數(shù)的差別，半徑的膨脹不會引起層間粘合的破壞。
上述的材料組合只應(yīng)被看成例子。其它滿足此要求及為半導(dǎo)電體的要求的組合，自然也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。半導(dǎo)電體指電阻率在10-1-106ohm-cm的材料，比如1-500ohm-cm或10-200ohm-cm。
絕緣層可以，比方說，由硬質(zhì)熱塑料構(gòu)成，有如低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)、交聯(lián)材料如交聯(lián)聚乙烯(XLPE)或橡膠如乙丙橡膠(EPR)或硅橡膠。
內(nèi)外半導(dǎo)電層可以是同樣的基本材料但有碳黑或金屬顆粒摻入其中。
這些材料的機械性能，特別是它們的熱膨脹系數(shù)，受是否摻入碳黑或金屬粉的影響相對很小。至少在得到本發(fā)明所需的導(dǎo)電率的配比下是這樣。這樣，絕緣層和半導(dǎo)電層基本上有一樣的熱膨脹系數(shù)。
乙烯乙酸乙烯酯共聚物/丁腈橡膠、丁基接枝聚乙烯、乙烯丙烯酸丁酯共聚物和乙烯丙烯酸乙酯共聚物也可以是半導(dǎo)電層合適的多聚物。
即使用不同型的材料來做各層的基底，還是希望它們的熱膨脹系數(shù)基本相同。上列材料的組合可以滿足此要求。
上列材料有相對好的彈性，其彈性模量小于500Mpa，最好小于200Mpa。這樣的彈性足以使各層材料熱膨脹系數(shù)的小差別在徑彈性方向被吸收掉，這樣就不會出現(xiàn)開裂或其它破壞，層間就不會脫離。層中的材料是彈性的，層間的粘合強度至少和材料中最弱的相當(dāng)。
兩個半導(dǎo)電層的電導(dǎo)率是以基本使沿層的電勢相同。外半導(dǎo)電層的電導(dǎo)率則大得足以把電場圍在電纜中，小得足以不使層的縱向電流引起嚴(yán)重的功率損耗。
于是，每一半導(dǎo)電層基本上構(gòu)成一個等勢面，它們基本上把電場圍在層間。
當(dāng)然，也可以在絕緣層里再加上一層或幾層半導(dǎo)電層。
對附圖的簡要說明參考附圖，在此將更詳細地描述本發(fā)明。


圖1是本發(fā)明在垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)電機里上端板的透視圖，圖2a是本發(fā)明在垂直轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)電機里下端板的透視圖，圖2b代表本發(fā)明的灌注裝置，圖2c代表與本發(fā)明配合使用的高壓線的截面，圖3代表圖1里上端板的徑向側(cè)視圖，圖4代表圖3里端板的徑向俯視圖，圖5代表板在圖4A-A處的軸向截面，圖6代表板在圖4B-B處的徑向截面，圖7代表圖2里下端板的徑向側(cè)視圖，圖8代表圖7里下端板的徑向俯視圖，圖9代表板在圖8C-C處的軸向截面，圖10代表板在圖8D-D處的徑向截面，圖11顯示冷卻管是怎樣經(jīng)過并固定在定子上端板的，和圖12顯示與本發(fā)明配合的冷卻線路。
對本發(fā)明的說明圖1代表一個定子上端板1，它設(shè)有10-12個徑向排列的和定子相應(yīng)的軸向繞組槽2，槽的數(shù)目決定于定子的設(shè)計，所述繞組槽形成一個徑向鏈形槽3。定子端板上還設(shè)有為冷卻管準(zhǔn)備的進出狹口4和5，冷卻管內(nèi)有進出疊片垛的流動。定子端板1是扇形的，帶有1個、兩個或更多的鏈形槽。扇形互相靠在一起組成覆蓋定子一端的圓盤(若電機的軸是垂直的便是上端)。板1還設(shè)有兩個在鏈形槽3中徑向排布的上鑄槽6、7，以便在每一個繞組槽2在板1的出口處嵌入上密封部件8(在圖1中只畫了一個密封部件)。圖1中還有一個橫狹口9，它使冷卻管在定子軛中穿行。還設(shè)有一個為機芯固定桿準(zhǔn)備的燕尾槽10。
圖2a代表定子下端板11。和圖1中的定子上端板(10-12)一樣，它也設(shè)有徑向排列的和定子相應(yīng)的同樣數(shù)量的軸向繞組槽2。以同樣的方式它們又形成徑向鏈形槽。在定子下端板11上設(shè)有一個或幾個回轉(zhuǎn)狹口12，冷卻管在此處走出疊片垛，轉(zhuǎn)向后又進入疊片垛。正如前述的上板，定子下板11也設(shè)計成具有一個、二個或更多鏈形槽的扇形。扇形互相靠在一起形成整個覆蓋定子一端的圓盤(若機軸垂直，此情況是下端)。定子端板11也設(shè)有在鏈形槽3中徑向排布的下鑄槽13、14，以便每一個繞組槽2在板1的出口處嵌入下密封部件15(只有一個密封部件見于圖上)。從圖上可見，這些密封部件依其所屬板不同而有不同的形狀。它們從板上突起的高度也視部件所起保護作用的不同而不同。定子下端板也設(shè)有為機芯固定桿準(zhǔn)備的燕尾槽10。圖2還顯示出定子下端板11還有幾個見于圖2b的為灌注裝置100所設(shè)的連接孔16，以及為固定栓準(zhǔn)備的安裝孔17。固定栓把板11固定在定子框架上一個環(huán)狀的厚金屬片上。
圖2b代表在回轉(zhuǎn)狹口12區(qū)域設(shè)有臍孔110的灌注裝置100。灌注裝置100通過連接螺栓120與定子下端板11相連。灌注裝置100還有一個壓在端板上、在冷卻管硅嵌入點處的橡膠密封圈125。
嵌入密封部件的過程如下在端板上接上一個圓柱形的灌注塞，把灌注物注入板上一個灌注進口，灌注物就會彌漫到線的所有位置。
灌注冷卻管的過程如下灌注裝置封連在第一個薄板上，把硅壓入冷卻管的周圍直至硅在上端板溢出。取下灌注裝置放到另一個薄板上重復(fù)此過程一直到所有的冷卻管都埋入硅中。這樣冷卻管在定子和端板里都埋入硅中。另外，灌注裝置可重復(fù)使用。
有兩個獨立的灌注過程，一個是密封部件的灌注，另一個是冷卻管的灌注。經(jīng)常采用不同型的硅來完成這些過程。
圖2c代表與本發(fā)明相關(guān)的高壓線111的截面。高壓線111由多股線112組成，比如銅線，有著圓形截面。這些股112置于高壓線111的中心。股112周圍是第一半導(dǎo)電層113。第一半導(dǎo)電層113周圍是絕緣層114，如XLPE-絕緣體。絕緣層114周圍是第二半導(dǎo)電層115。在此，高壓線的概念不包括通常包裹動力線的那種外皮。高壓線的直徑在20-250mm之間，導(dǎo)電區(qū)的面積在40-3000mm2之間。
圖3代表定子上端板1的鑄槽6、7和注入灌注物的灌注口18。
圖4代表俯視的定子上端板1，其中有在進狹口4里的冷卻管的入孔19及為冷卻管準(zhǔn)備的第一個彎曲部件20。返回冷卻管的各冷卻管孔也見之于圖，回轉(zhuǎn)部件23就在各孔之間。如圖所示，出狹口5以相應(yīng)方式設(shè)置，即，具有出孔24和相應(yīng)的第一和第二彎曲部件20、23。進出狹口4、5還設(shè)有一個大直徑的空腔25，該空腔在定子軛一側(cè)，以便把冷卻管接在一個大直徑的管上，以提供進一步的保護。
在板的軸向截面上，圖5顯示一個繞組槽2和上鑄槽6、7。
在板的徑向截面上，圖6顯示從入孔19到空腔25的進狹口4。如圖所示，第一個彎曲部件20比第二個彎曲部件23高，以使進入定子的冷卻管比此板上回來的更接近表面，即，在進狹口4上冷卻管是重疊放置的。
對定子上端板1而言，其厚度tu≥2Fr，這里Fr是冷卻管的外徑，以使板面能蓋住冷卻管。
圖7顯示定子下端板11的兩個鑄槽13、14及為注入灌注物而設(shè)的灌注口18。下板與上板的區(qū)別在于，板厚tl較小，鑄槽13、14距離也較近。
圖8是從外側(cè)看到的定子下端板11，顯示其回轉(zhuǎn)狹口12，冷卻管口19、21、22以及定子軛上的冷卻管孔26。這些冷卻管孔19、21、22、26都是板上為轉(zhuǎn)回冷卻管而開的口，而第三個彎曲部件27處于其中。
圖8中板的軸向截面，圖9顯示一個繞組槽2和下鑄槽13、14。截面還顯示出下板設(shè)有為灌注裝置準(zhǔn)備的孔28。
圖10是定子下端板11和一個在下面與其以固定栓29相連的厚金屬板的徑向截面。圖中顯示第三個彎曲部件27凹入回轉(zhuǎn)狹口12中，為灌注裝置而設(shè)的連接孔也在圖中。下板的設(shè)計使冷卻管在板中轉(zhuǎn)向。既然在下板中沒安排進出口，則板厚可以保持最小。于是對定子端板11而言，板厚tl≥Fr，F(xiàn)r是冷卻管的外徑，以使板面能蓋住冷卻管。
圖11是定子31一部分的截面圖，定子上有冷卻管，定子芯32，一端還裝有定子端板1。圖上清楚地顯示所有在狹口進出的冷卻管33都潛在定子端板1內(nèi)，以使它們免受機械應(yīng)力。冷卻管33還和輸出介質(zhì)的輸入回路132以及輸出介質(zhì)的輸出回路133相連。
圖12顯示所有的冷卻管都和一個封閉的冷卻管回路129相連，在此實施例中，它包括罐130，罐中盛有冷卻劑131，可以是水、氫或其它冷卻劑。罐130中裝有一個水平指針來監(jiān)控冷卻劑的高度。罐130還和組成輸入回路和輸出回路的兩個環(huán)形管相連。在輸入和輸出回路132、133之間連著許多平行的管線，其數(shù)目常相應(yīng)于定子齒的數(shù)目或裝有冷卻管的齒側(cè)的數(shù)目。平行管路134之一現(xiàn)于圖12上。令冷卻劑131從輸入回路132開始，同時流經(jīng)所有的平行管路134，循環(huán)到輸出回路133，進而到達循環(huán)泵135、循環(huán)過濾器136、經(jīng)過熱交換器137，比如，片式熱交換器，然后又回到輸入回路132。來自水源的水通過熱交換器137的一端，由交換器泵138通過一個過濾器(未畫出)注入。水被泵過交換器流回水源。
定子端板最好用層壓的材料制成。它們可以是整個的圓片而不像上述那樣分成許多扇形。另外，定子里所有的冷卻管都埋在硅橡膠中，以增加冷卻管和疊片垛的熱傳導(dǎo)。
定子端板，無論上下，其軸向厚度t≥Fr，F(xiàn)r是冷卻管的外徑。標(biāo)記t在此代表tl或tu。
定子端板的第二和第三彎曲部件23、27分一步或兩步彎轉(zhuǎn)。兩步彎轉(zhuǎn)時每步轉(zhuǎn)90°角，就像圖6和10中那樣。若冷卻管的間距和彎曲圓的直徑相同，則用一步彎轉(zhuǎn)，這時轉(zhuǎn)角為180°，即是個半圓。在進孔和出孔處的第一彎曲部件20，呈一步90°彎曲。彎曲部件20、23、27呈一或兩步彎曲，每步包括一個90角。
權(quán)利要求
1.端板(1，11)，其特征在于它適應(yīng)于旋轉(zhuǎn)電機中繞有電纜的定子(31)，該板(1，11)設(shè)有與定子(31)相應(yīng)的軸向繞組槽(2)和對應(yīng)于定子(31)的冷卻管的軸向冷卻管孔(19，21，22，26)，該板(1，11)還設(shè)有至少一個在板(1，11)中預(yù)先成形的彎曲部件(20，23，27)使冷卻管得以插入冷卻管孔(19，21，22，26)。
2.如權(quán)利要求1所述的端板，其特征在于該板(1，11)沿徑向分成一些扇形，每個扇形和一個或幾個槽區(qū)對應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1到2其中之一所述的端板，其特征在于該板(1，11)是用層壓的材料制成。
4.如權(quán)利要求1到3其中之一所述的端板，其特征在于該板(1，22)的軸向度t≥Fr，這里Fr是冷卻管(33)的外徑。
5.如權(quán)利要求1到4其中之一所述的端板，其特征在于所述彎曲部件(20，23，27)分一步或兩步彎曲，每步構(gòu)成一個90°角。
6.如權(quán)利要求5所述的端板，其特征在于該端板(1，11)設(shè)有至少一個進狹口(5)作為冷卻管的出口。
7.如權(quán)利要求5所述的端板，其特征在于該板(1，11)設(shè)有一個回轉(zhuǎn)狹口(12)，一個彎曲部件(20，23，27)置于其中。
8.如權(quán)利要求1到7其中之一所述的端板，其特征在于該板(1，11)設(shè)有鑄槽(6，7，13，14)，其和一個塞狀工具一起用來嵌入密密封部件(8，15)于每個繞組槽(2)從板(1，11)上的出口處，密密封部件最好由橡膠制成。
9.如權(quán)利要求6到8其中之一所述的端板，其特征在于該板(1，11)設(shè)有連接口(16)，用來在灌注前插入灌注裝置(100)。
10.如權(quán)利要求9所述的端板，其特征在于所述灌注裝置(100)的形狀使其至少能封住板(1，11)的一個回轉(zhuǎn)狹口(12)，且設(shè)有一個臍眼(110)，以壓入灌注物。
11.如前述權(quán)利要求其中之一所述的端板，其特征在于所述定子(31)用高壓電纜(111)纏繞。
12.如前述權(quán)利要求其中之一所述的端板，其特征在于該板(1，11)尺寸依所用高壓電纜(111)來定，該電纜的直徑在20-250mm之間，導(dǎo)電區(qū)大小在40-3000mm2之間。
13.旋轉(zhuǎn)電機在其定子出口處沿第一個軸向孔支撐和保護冷卻管的方法，其特征在于設(shè)有彎曲部件的端板用于定子的端部，無論是安進定子上的第二個軸向孔還是從定子中延伸出來，冷卻管都要在繼續(xù)延伸前繞彎曲部件彎折。
14.如權(quán)利要求1到12其中之一所述的端板，其特征在于所述的繞組是柔性的，它包括一個被內(nèi)半導(dǎo)電層(113)圍繞的導(dǎo)電的芯、圍繞內(nèi)半導(dǎo)電層(113)的由硬質(zhì)材料組成的絕緣層(114)、以及圍繞絕緣層的外半導(dǎo)電層(115)，所述各層(113，114，115)互相粘合。
15.如權(quán)利要求14所述的端板，其特征在于所述的層(113，114，115)材料的彈性及熱膨脹系數(shù)間的關(guān)系使得在運行時溫度波動引起的層(113，114，115)的體積變化可被材料的彈性吸收，這樣，層(113，114，115)在運行中溫度波動時可以保持層間的粘合。
16.如權(quán)利要求14到15其中之一所述的端板，其特征在于所述層(113，114，115)的材料具有高彈性，彈性模量小于500Mpa較好，小于200Mpa更好。
17.如權(quán)利要求14到16其中之一所述的端板，其特征在于所述層(113，114，115)材料的熱膨脹系數(shù)在本質(zhì)上相同。
18.如權(quán)利要求14到17其中之一所述的端板，其特征在于層(113，114，115)間的粘合至少有最弱材料的強度。
19.如權(quán)利要求14到18其中之一所述的端板，其特征在于每個半導(dǎo)電層(113，115)在本質(zhì)上構(gòu)成一個等勢面。
20.旋轉(zhuǎn)電機，其特征在于它包括一個如權(quán)利要求1到12或14到19其中之一所述的端板(1，11)。
全文摘要
旋轉(zhuǎn)電機的繞有電纜的定子(31)的端板(1,11),它設(shè)有與定子(31)相應(yīng)的軸向繞組槽和冷卻管的軸向孔,至少一個在板(1,11)中預(yù)先成形的使冷卻管(33)能插入冷卻管孔(19,21,22,26)的彎曲部件;以及旋轉(zhuǎn)電機中,在其定子出口第一個軸向孔處支撐和保護冷卻管的方法,其特征在于,設(shè)有彎曲部件的端板用于定子的端部,無論是安進第二個定子上的軸向孔還是從定子中延伸出來,冷卻管都要在繼續(xù)延伸前繞彎曲部件彎折。
文檔編號H02K1/20GK1246976SQ98802258
公開日2000年3月8日 申請日期1998年2月2日 優(yōu)先權(quán)日1997年2月3日
發(fā)明者漢斯－烏洛夫·卡爾丁, 貢納爾·凱蘭德, 馬茨·萊永, 本特·約蘭, 阿爾內(nèi)·埃德曼 申請人:Abb阿西亞布朗·勃法瑞公司