專利名稱：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)明涉及一種包括一磁路的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，它具有一磁芯和一繞組。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)。同步機(jī)也用作電動(dòng)機(jī)，它們用來補(bǔ)償相位和控制電壓，這時(shí)它們作為機(jī)械空載機(jī)(mechanically idlingmachines)。本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域還包括雙饋機(jī)(double fed machines)、異步機(jī)、異步級(jí)聯(lián)變換機(jī)(converter cascade)、外極點(diǎn)機(jī)(outer polemachine)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)明還包括用來制造一旋轉(zhuǎn)電機(jī)磁路的方法。
為了說明和描述電機(jī)，首先將以一同步機(jī)為基礎(chǔ)例舉、給出對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的簡(jiǎn)介。該簡(jiǎn)介的第一部分基本上涉及這種電機(jī)的磁路以及如何根據(jù)傳統(tǒng)技術(shù)來構(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述為定子，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)來說，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。疊層芯通過壓指和壓盤卡住。
至于冷卻同步機(jī)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)和冷卻來說，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)組來說，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。將線圈的置于定子中的部分命名為線圈邊和將位于定子外部的部分命名為端繞組。一個(gè)線圈包括一個(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)用來防止局部放電，局部放電可迅速擊穿絕緣體。通過將云母帶在線圈上繞好幾層，將該絕緣體加到線圈上。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。典型的線圈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)線圈邊。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圈跨距。所謂線圈跨距指的是屬于同一線圈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，它用來將徑向場(chǎng)轉(zhuǎn)換為軸向場(chǎng)，也就是說，在相對(duì)地的高電位處，端繞組上是絕緣的。這有時(shí)會(huì)在線圈端區(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)帶來問題。
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圈。將每個(gè)線圈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，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)上必須通過一A/D連接的所謂升壓變壓器來進(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.1,1970,PP.6-8中題為“Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300”的文章中、在U.S.4,429,244“Stator of Generator”里和蘇聯(lián)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。借助楔將線圈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)，原因在于在繞組中距中性點(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)線圈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。
從CCCP 955369中可知，在其它試圖提高同步機(jī)額定電壓方面，油冷定子繞組包括對(duì)于所有層來說都有相同尺寸的傳統(tǒng)高壓電纜。將該電纜置于定子槽中，定子槽被制成與電纜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的報(bào)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，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△/Y連接的升壓變壓器，也就是說，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，該電機(jī)暫時(shí)過載的危險(xiǎn)更小，而且可以在過載時(shí)驅(qū)動(dòng)該電機(jī)更長(zhǎng)一段時(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，已知交流線圈中的電流應(yīng)增大。這已通過優(yōu)化導(dǎo)電材料量來實(shí)現(xiàn)，也就是說，通過將矩形導(dǎo)體密排到矩形轉(zhuǎn)子槽中來實(shí)現(xiàn)。其目的在于通過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將其接至所選電位來使電位平衡，而另一方面用作通過封閉外層內(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10-6Ωcm-100kΩcm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，對(duì)于這樣一種電纜來說，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)嗖糠珠L(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)在線圈截面的拐角處集中的問題，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。這意味著局部產(chǎn)生磁飽和，而并未完全利用磁芯，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)線圈組的線圈邊數(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)體相同的電位上。
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。由于必須通過一變壓器將同步補(bǔ)償器接到電壓超過約20kV的某些電網(wǎng)上，所以其中可能為電網(wǎng)提供無功功率的同步補(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)來說，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。
通過在一個(gè)繞組上設(shè)獨(dú)立的抽頭，或通過為接至不同系統(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)的磁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。可將外半導(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?？梢允苟喙山g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。在傳輸電能的過程中，要求絕緣部分應(yīng)沒有缺陷。當(dāng)用高壓電纜來傳輸電能時(shí)，其目的在于使流過電纜的電流最大，原因在于對(duì)于一傳輸電纜來說空間并無界限。
可用擠制之外的某些其他方法對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的導(dǎo)體進(jìn)行絕緣，例如用噴鍍、圖形模制(figure moul ding)、壓模、注模等等。但是，重要之處在于，絕緣部分應(yīng)在整個(gè)截面上沒有缺陷，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。電纜制作 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)度能在一線圈中繞幾圈。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)線圈的浸漬也是一種過于復(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)明無需超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，沒有與其有關(guān)的問題，如維持溫度、密封等。由于可避免使用升壓變壓器，所以該系統(tǒng)的效率顯著提高。


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)明一磁路扇形(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。該部分由外半電層5包圍。用作本優(yōu)選實(shí)施例中一繞組的電纜無金屬屏蔽，也無外套。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渡段中截?cái)噙@部分。然后將每個(gè)截?cái)嗟牟糠纸拥?，由此將使外半?dǎo)體層在整個(gè)電纜長(zhǎng)度中保持在地電位或在其附近。也就是說，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段時(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)磁要求最少等等來說很重要。
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軛部分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，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，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，已通過將同一組內(nèi)所有線圈逐一沿徑向置于外部來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，其特征在于，至少一個(gè)繞組包括一個(gè)或多個(gè)載流導(dǎo)體(2)，其中在每個(gè)導(dǎo)體周圍設(shè)置具有半導(dǎo)電特性的內(nèi)層，在該內(nèi)層周圍設(shè)置固體絕緣部分，而在該絕緣部分周圍設(shè)置具有半導(dǎo)電特性的外層。
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)電層的電位與導(dǎo)體的電位基本上相同。
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，使該層基本上構(gòu)成圍繞該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的等電位面。
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)的繞組選擇一個(gè)單獨(dú)的電位。
7．根據(jù)權(quán)利要求1、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)電層具有與絕緣部分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)體接觸表面將導(dǎo)體周圍設(shè)置的所有半導(dǎo)電層固定到相鄰的絕緣部分上。
10．一種具有磁路的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括磁芯和繞組，其特征在于該繞組包括一電纜，該電纜包括一個(gè)或多個(gè)載流導(dǎo)體(2)，每個(gè)導(dǎo)體包括許多多股絞線，在每個(gè)絞線周圍設(shè)置有一內(nèi)半導(dǎo)電層(3)，在該內(nèi)半導(dǎo)電層(3)周圍設(shè)置有一固體擠制絕緣物的絕緣層(4)，在該絕緣層(4)周圍設(shè)置有一外半導(dǎo)電層(5)。
11．根據(jù)權(quán)利要求10的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于電纜還包括一金屬屏蔽和一套。
12．根據(jù)權(quán)利要求10的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子和/或轉(zhuǎn)子中設(shè)置一磁路。
13．根據(jù)權(quán)利要求10或11的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于將外半導(dǎo)電層(5)截成許多部分，它們分別接至地電位。
14．根據(jù)權(quán)利要求5、10、11、12或13的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，通過將外半導(dǎo)體層接至地電位，在槽中和端繞組區(qū)中都有的半導(dǎo)電層外部的電機(jī)電場(chǎng)將接近于零。
15．根據(jù)權(quán)利要求10-14的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，當(dāng)電纜包括幾個(gè)導(dǎo)體時(shí)，這些導(dǎo)體交叉。
16．根據(jù)權(quán)利要求10-14的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于該一個(gè)或多個(gè)載流導(dǎo)體(2)包括非絕緣導(dǎo)線和絕緣導(dǎo)線，將它們絞合成一些層。
17．根據(jù)權(quán)利要求10-14的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于該一個(gè)或多個(gè)載流導(dǎo)體(2)包括非絕緣多股絞線和絕緣多股絞線，將它們交叉成一些層。
18．根據(jù)前述任一權(quán)利要求的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于將槽(10)制成許多圓柱形開口(12)，它們沿軸向和徑向伸至彼此的外部，它們具有由圓柱形開口之間更窄的腰部(13)所分開的基本上為環(huán)形的截面。
19．根據(jù)權(quán)利要求17具有磁路的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，把槽的圓柱形開口(12)的基本上為環(huán)形的截面設(shè)計(jì)成具有連續(xù)減小的半徑，所述截面從疊層鐵芯的磁軛部分(8)開始算起。
20．根據(jù)權(quán)利要求17的具有磁路的高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于把槽的圓柱形開口(12)的基本上為環(huán)形的截面設(shè)計(jì)成具有不連續(xù)減小的半徑，所述截面從疊層鐵芯的磁軛部分(8)開始算起。
21．一種高壓旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括定子、轉(zhuǎn)子和繞組，其特征在于，至少一個(gè)繞組包括一個(gè)或多個(gè)線圈，并且包含于每個(gè)線圈中的載流導(dǎo)體由絕緣物包圍，在包圍該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的絕緣物周圍設(shè)置有一外層，該外層在線圈側(cè)和線圈末端都構(gòu)成包圍該一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體的等電位面。
22．根據(jù)權(quán)利要求1-21的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于旋轉(zhuǎn)電機(jī)可接至一個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)電壓電平。
23．根據(jù)權(quán)利要求22的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于一個(gè)繞組配備有單獨(dú)的抽頭，用以接至不同的系統(tǒng)電壓電平。
24．根據(jù)權(quán)利要求22或23的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，為接至一系統(tǒng)電壓電平，設(shè)置一單獨(dú)的繞組。
25．根據(jù)權(quán)利要求22、23或24的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其特征在于，允許通過旋轉(zhuǎn)電機(jī)在兩個(gè)或多個(gè)不同電壓的電氣系統(tǒng)之間交換電能。
26．一種制造旋轉(zhuǎn)電機(jī)的方法，該旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括含槽、通道等的磁芯和繞組，其中這些槽有至少一個(gè)可從磁芯外部進(jìn)入的開口，其特征在于將至少一個(gè)繞組螺旋擰入該開口中，以便在固定該繞組的同時(shí)形成該繞組。
27．一種制造旋轉(zhuǎn)電機(jī)的磁路的方法，其中將該磁路設(shè)置于電機(jī)的定子和/或轉(zhuǎn)子中，該磁路包括具有用于繞組(1)的槽(10)的磁芯(8)，其中將這些槽制成圓柱形開口(12)，它們沿軸向和徑向伸至彼此的外部，具有基本上為環(huán)形的截面，該方法的特征在于繞組包括螺旋擰入圓柱形開口的電纜。
28．對(duì)根據(jù)前述任一權(quán)利要求的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的使用，其特征在于該電機(jī)可在高達(dá)100％過載的情況下工作超過15分鐘以上的時(shí)間，該時(shí)間可高達(dá)約兩小時(shí)。
29．對(duì)根據(jù)前述任一權(quán)利要求的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的使用，其特征在于將該旋轉(zhuǎn)電機(jī)通過連接裝置直接接至電網(wǎng)，在電機(jī)與電網(wǎng)之間而沒有中間變壓器。
30．對(duì)根據(jù)權(quán)利要求1-25中任意一個(gè)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的使用，其特征在于通過控制經(jīng)過轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)來執(zhí)行對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的調(diào)壓。
31．對(duì)根據(jù)權(quán)利要求1-25中任意一個(gè)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的使用，其特征在于該電機(jī)可工作于無機(jī)械負(fù)載的情況下，且該電機(jī)可用于補(bǔ)償電網(wǎng)上的感性或容性負(fù)載。
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)H02K3/12GK1225755SQ9719655
公開日1999年8月11日 申請(qǐng)日期1997年5月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年5月29日
發(fā)明者M·萊永 申請(qǐng)人:瑞典通用電器勃郎勃威力公司