专利名称：用于电机高压绕组的绕组杆以及制造绕组杆的方法
技术领域：
本发明涉及电机的技术领域，它涉及一电机的高压绕组，特别是定子绕组所用的绕组杆，它包括多根上下和/或左右互相平行设置的导体以及一个形成一矩形截面的导线束，在导线束的周围由一绝缘层所包覆。
在此情况下，导体在电气上可以是互相并联的(棒形绕组)或者是互相串联的(线圈绕组)。在正常运行情况下，导体间的电压远低于导体棒绝缘间的电压。
本发明还涉及这种绕组杆的制造方法。
在一旋转电机的定子中所用的绕组杆通常具有如
图1中所示的截面。绕组杆10被放在定子叠片12中为它所设的线槽11内，它包括一束上下和/或左右互相平行的单独的导体13。在一般情况下具有一矩形截面和边缘圆角15的导线束，在其周围由一绝缘层14所包覆。由于其形状所决定，在边缘圆角15处的电场要比在绕组杆10的平面侧上的电场为强。因此边缘圆角特别容易受到电气击穿或长时间的故障。
为了尽可能获得导体材料在槽子中的最佳填满率和通过棒绝缘的最佳散热起见，曾作过试验采用尽量薄的绝缘，至少在占大部分面积的平面侧上。在具有一矩形截面的绕组杆的情况下，传统的绝缘14的制造方法在Springer出版社于1973年出版的“电机绕组生产程序”一书的第128-129页中已有所描述。根据该书，采用了在底层上涂覆以玻璃织物的云母纸带缠绕在绕组棒或导线束上来提高抗张和抗剪切能力，然后用塑料树脂浸渍、成形、并在高温下硬化。在这方法中，绝缘层14的厚度(图1的d1)在绕组杆10所有平面侧几乎是相同的，在边缘圆角15处理论上有相同的厚度d1(见图2的局部放大截面图)，但实际上将变小，因为当绝缘条以恒定的速度和恒定的卷绕张力而绕在导线束上时会出现局部增高的接触压力(由于在边缘圆角区域的支持面较小)。根据对同轴圆柱体的公式，在边缘圆角15上的最大电场能确定如下Emax=Ur1·1nr2r1=Ur1·1nr1+d*r1]]>
这里(按图2)U为施加的电压，r1为绝缘14的内部曲率半径，r2为绝缘14的外部曲率半径，d*(大多是小于d1)是在边缘圆角15区域内的绝缘厚度。由此可见在技术上容易实现的半径r1≤3mm的情况下，在边缘圆角15的电场强度已经比平面侧区域内的电场明显地增高，何况在绝缘厚度d*减小时，其结果将导致场强的进一步增主，这是在许多制造方法中所产生的结果。
场强增高的后果在电气连续加载的情况下是尤应加以考虑的，因为故障率t-1是随场强而以强烈的非线性而增长的。粗略地说，使用寿命(小时)是按电场E(kv/mm)成指数函数的关系tt0=K·[EE0]-n,]]>式中t0=1h,E0=1kv/mm，对于使用寿命而言n=8(这是在按现有技术对旋转电机的绝缘所常用的数值)，这意味着如果场强增高20％，寿命至少减少1/4，相反地如果场强减弱20％，则寿命大约可提高6倍。
边缘圆角处场强的降低例如可这样来实现即把图1或图2中所示的绝缘14从一恒定的厚度d1(=d*)转变成一个具有尖角的外部轮廓(即r2=0)。如果在此假定下对d1=2.5mm,r1=2.5mm的数值以有限元件法为基础实行计算机模形的计算，则能使边缘圆角区域的最大场强Emax降低11％，这相当于在寿命指数为8的情况下，能使寿命延长2.5倍。这一倍数将随寿命指数的提高而不成比例地增高，(例如当n=12时，可达4倍)。
本发明的任务在于创造一种绕组杆，其中能以简单的方法在边缘圆角区域内获得明显减小的最大场强，而无需增大平面侧区域内的绝缘厚度，以及提供一种制造所述绕组杆的方法。
此任务是在前面所述的绕组杆中通过以下方法来解决的，即在绕组杆的边缘圆角边的绝缘厚度大于在绕组杆平面侧的绝缘厚度。通过在边缘圆角区域内绝缘厚度的增大能获得对电场力线的矫正，从而导致所需的边缘圆角场强的降低。
按本发明的绕组杆的第一个优选的实施方案，其特征在于绕组杆边缘圆角上的绝缘具有一在内部有一弯曲轮廓和在外部有一曲率半径的弯曲部分；外部曲率半径小于内部弯曲轮廓的等效曲率半径与绕组杆平面侧的绝缘厚度之和；通过保持一不等于0的外部曲率半径，可获得边缘圆角区域内厚度的均匀变化，这将有利于电场的分布和机械上的稳定性。
原则上这样的边缘圆角区域的形成能借助一卷绕的绝缘来实现，如果采用热塑性的带子作为绝缘的话。但如果按照第二个优选实施方案，绝缘由其中分布有绝缘材料所制的填充材料粒子的热塑聚合物来组成的话，将特别容易成型。在另一优选的结构中，使用聚醚醚酮(PEEK)作为热塑聚合物和使用云母小板作为填充材料粒子，但也能用其他材料例如聚砜或聚醚酮(PES)来取代PEEK。
按照本发明的另一优选的实施方案，用来减小边缘圆角场强的、在边缘圆角区域内的绝缘的特殊造型，也可这样来延伸到由绝缘所包围的导线束的导体上，使至少设置在边缘圆角区域内的导体各包括一束单独绝缘的、特别是互相绞合的导线，从而有可能通过模压使导体本身的成型导致在边缘圆角区域内进一步增加绝缘厚度。在此情况下，导线能设计成圆形导线，但也能是方形的(按照微型勒贝尔杆的技术)。
在本实施方案中的一个优选改进结构中，为了获得一光滑的外部轮廓起见，导线束以半导体粘结物质来浸渍，并为了同半导体粘结物质偶合起见，至少一根导线被保留为空白的。于是有可能减小导线束在电场分布上的不利影响。如果按照另一个实施方案使绕组杆的导体互相通过中间空间来隔开，并在中间空间内填充以最好(在绕组杆方向)具有一至少在片段上有非线性的电压限制性能的半导体跨接物质的话，则通过单独导线外部轮廓的光滑作用，整个导体束的外部轮廓也能成为光滑。
按照本发明来制造一绕组杆的方法，其中绕组杆具有基本上由一热塑材料组成的绝缘，其特征在于绕组杆在涂敷绝缘之后要承受一精整过程，其中在可模塑的绝缘材料上印铸一预定的边缘轮廓，它导致在边缘圆角区域内绝缘厚度的增加，通过涂层和造形过程的解偶，有可能使这两道工序分别进行优化和同时连续实行。如果按照本发明的第一优选的实施方案，绝缘通过一系列粉末涂层的方法，特别是喷射烧结或热喷涂和挤压方法来涂层的话，则绝缘能实现均匀的和很好成形的涂层。
如果按照另一优选的实施方案，为了实行精整过程，使与绕组杆中间平面平行设置并与它有一固定距离的精整辊在绕组杆上相对于绕组杆而移动，并在精整过程中借助附加的边缘轮在绕组杆的边缘圆角上印铸一预定的曲率半径，则按照本发明的方法能以特别快速和精确的方式来实行。
下面按照实施例结合附图对本发明进行详细说明如下，其中图1按现有技术以基本上恒定厚度d1的绝缘缠绕的、放置在定子槽中的绕组杆的截面图；图2根据图1的绕组杆的边缘圆角区域的局部放大图；图3与图1进行对比的本发明第一实施例的示图，其中通过在边缘圆角处绝缘外部曲率半径的缩小来增加在此区域内的绝缘厚度；图4与图2进行对比的图3中边缘圆角的局部放大图；图5与图3进行对比的本发明第二实施例的示图，其中为了进一步在边缘圆角区域内增加绝缘厚度，同它相邻接的导体制成较大的圆角；图6与图4进行对比的图5中边缘圆角的局部放大图。
图7按照本发明的精整过程所产生的效果的示意图；图8按照本发明方法的精整过程实施例的透视图。
在图3和4中再次表示了按本发明的绕组杆的第一实施例的截面图。在此情况下在边缘圆角15区域内，绕组杆10的绝缘14的厚度增大是这样来实现的，即绝缘14外侧的曲率半径r3选择为小于在绝缘14内侧(或导体13)的曲率半径r1与在绝缘平面侧的绝缘厚度d1(见图3)之和。因此与图1和2(在图4中用虚线表示的)的通常情况相比，绝缘14在边缘圆角区域内有一比厚度d1更大的绝缘厚度d2，在r3=0的极端情况下(绝缘的外部边缘成为尖角)厚度d2为最大。d2max=[2(r1+d1)]-r1]]>如设r1=2.5mm,d1=4mm，则d2max=6.69mm，这相当于与平面侧的绝缘厚度d1相比，在边缘圆角处的最大绝缘厚度增加了67％。
从传统的缠绕和浸渍过程出发来作为旋转电机中导体绝缘的制作方法，绝缘外部边缘的尖角在理论上可通过使经过浸渍但在尚未硬化的状态下的绝缘变形来实现。这需要以绝缘的流动性为前提。然而通常所用的云母带的玻璃底层的抗张强度很高，所以只有在玻璃/云母带很松驰地缠绕在导体杆上时(卷绕张力接近于0)才能发生绝缘的适当流动。但这样的绝缘有一缺点，即绝缘带位置极易滑动而形成折叠，从而不再能保证导线束的均匀绕制，而均匀的缠绕是对均匀和有效的绝缘的基本前提。
一个具有足够可变形性的绝缘只有在选择其中不同用玻璃底层的绝缘14的制造方法的情况下才能获得。这个前提例如可以通过喷射烧结和热喷涂的粉末涂层的方法、挤压方法以及用热塑带来缠绕导线束，然后进行热压的方法来满足(例如参阅印刷刊物EP-A2-0 660 336)。所有上述的方法从它们本身来说还不一定能达到所需的在边缘圆角15上的增加厚度的效果，甚至可以想象如果不采取预防措施的话，在边缘圆角15上的绝缘14的厚度会变小。因此为了边缘圆角的形成必须采取一附加的加工步骤。另外必需的条件是所使用的绝缘物质最好是一聚合物，它在较宽的温度范围内能塑性变形。
于是所希望的，附合目标的、在边缘圆角区域内的绝缘物质(聚合物)的变形可按图7和8在喷涂之后(适用于热喷涂)或在烧结之后(适用于喷射烧结)立即通过一所谓的绝缘34的精整来实现，其中精整辊被引导在绝缘平面侧按图7中示意表示的、以一定的方式在尚能变形的绝缘材料上滚动。放置在基板26上的绝缘物质27除了含有混合在其中的填充粒子29(例如云母小板)外，还含有气泡28，通过精整辊31在基板上方以一定距离的滚动可使绝缘物质压紧并使厚度均匀。
在本方法的一个优选的实施方案中，绝缘物质通过相继的涂层(喷涂)而形成多层的薄层。在每次喷涂过程后实施一次精整。由此而获得附加的积极效果，因为有可能存在的气泡28能被从绝缘中挤出，并使短纤维或小板状的填充粒子29排列成所希望的与表面相平行的位置，(见图7的右侧)。
例(1)由聚醚醚酮(PEEK)和云母以1∶1的比例的机械混合物在室温下借静电喷涂(喷射烧结法的一个变种)涂在一矩形导体上(具有导线33)。在所有各侧均粘附着约0.2mm厚的涂层。粉末中的聚合物组合在一循环空气炉中加热而融化(380°，历时10分钟)。紧接着(在图8的)绕组杆32通过两对位于前后的辊子(精整辊35,36,37)在前端面和宽的侧面上进行精整，在此情况下，精整辊35,36,37是平行于绕组杆32的中间平面41,42，并离它们有一固定距离而设置。为了防止过渡的散热和从而造成聚合物过早的固化起见，辊子最好由玻璃管或其他具有尽可能低的导热性的热稳定材料制成。精整既可引导绕组杆32穿过固定设置的精整辊(35,36,37)之间来实现(图8中的箭头所示)，又可更为有利地使辊子在固定设置的绕组杆上面滚动(机器人或绕线机的概念)。
例(2)如同例(1)，但采用加热的精整辊35,36,37。辊子温度大约为330℃。
例(3)由聚醚醚酮(PEEK)和云母以1∶1的比例制成的机械混合物借助火焰喷涂法涂在矩形导体上，直至达到所需的最终厚度为止。在此情况下，导体被预热到大约180℃，精整依照例(1)和例(2)来实行。
例(4)如同例(3)，但最终厚度并非在一单独的过程中达到，而是通过反复的喷涂，并对厚度约0.2mm的薄的涂层进行一次精整。这一步骤与例(3)相反，具有一优点，即云母小板能按所需要的方式排列成与表面平行，并且绝缘中的气泡实际上能降到0。
例(5)如同例(4)，但除了绕组杆32的平面侧以外边缘圆角40也借助特殊的精整轮38,39来精整，它们最好在从加工方向看设置在精整辊35,36,37的下游。由此可确定绝缘34的外部曲率半径(图4中的r3)，并能使云母小板在边缘圆角区域内以有利的方式进行排齐，这在电气上是特别难办的。
例(6)如同例(1)-(5)，但是以PEEK/云母化合物来取代PEEK/云母混合物。
例(7)围绕着一矩形导体缠绕以由一具有30％云母含量填充的聚砜所组成的绝缘带，所缠绕带子的层数比相当所需要的绝缘厚度多5-10％，缠绕之后按例(2)以热辊进行精整，辊子温度在此情况下为250℃。
按照本发明对缠绕杆的另一优选的实施例再次表示在图5和6中，放置在定子叠片18的槽子17中的绕组杆16包括由一绝缘22所围绕的多根导体19,20,21。至少外部导体19,21，最好还有另外的导体20在此情况下是由绝缘的绞合的导线25组成。根据场论原理(罗高夫斯基外形)，外部导体19,21是制成圆形(曲率半径r5)，导体19,21的制成圆形只要通过导线25的结构是能简单地实现的。通过导体19,21的制成圆形，能在边缘圆角区域23(图6)获得一比平面侧的厚度d3(图5)更大的厚度d4。如果使绝缘22的外部边缘圆角处的曲率半径14减小的话，则厚度d4还能增大。
在此情况下，在绕组杆16的狭窄处的最小厚度d5可按以下公式来确定d3=UEzul]]>式中U为工作电压，Ezul为最高容许电场强度，对于d5下式成立Ezul=2U(a2·r5)2-1(a-2·r5)1n[a2·r5+(a2·r5)2-1]]]>式中α=2×r5+2×d5通过把以上各式互相代入便可求解d5，例如计算出厚度d5与d3的关系。圆形的安排是作为一例子来说明的。关于电场强度的一个更接近于优化的办法可通过采用并非真正具有圆形的弯曲轮廓的导体19,21来找到。
为了获得对电场强度更为有利的绝缘22中导线束19,20,21的平滑的外部轮廓起见，可在导体19,20,21之间的中间空间内填充以一半导体的跨接物质。如果“绿色”绕组杆，也就是在埋入绝缘22之前的导线束被提供以一半导体的涂层的话，便能产生一可比较的效果。如果半导体跨接物质或半导体涂层是由一在电气上具有非线性的材料所组成，则电压脉冲波能附加地线性地分布在导体19,20,21之间。
如果组成导体19,20,21的导线25在绞合后在压力机中经过挤压来保持导体中尽可能大的铜组成，则还能获得进一步的改进，特别是如果由导线25所组成的导体在一模子中压制，并用一半导体粘结物质进行浸渍的话，则在电气性能上更为有利。由此还能获得对于最高场强极为重要的光滑的外部轮廓。在此情况下，与半导体粘结物质的偶合最好是这样来起作用，即至少一根圆导线保留空白。
权利要求
1．用于电机的高压绕组特别是定子绕组的绕组杆(10,16,32)，包括多根互相上下或左右设置的并构成一具有矩形截面的导体(13；19…21,33)，其中导体束外部由一绝缘(14,22,34)所包围，其特征在于，在绕组杆(10,16,32)边缘圆角(15,23,40)处的绝缘(14,22,34)的厚度(d2,d4)大于在绕组杆(10,16,32)的平面侧上的绝缘(14,22,34)的厚度(d1,d3)。
2．根据权利要求1的绕组杆，其特征在于，在绕组杆(10,16,32)的边缘圆角(15,23,40)上的绝缘具有一内部曲率半径(r1,r5)和一外部曲率半径(r3,r4)；外部曲率半径(r3,r4)小于由内部弯曲轮廓的等效内部曲率半径(r1,r5)与在绕组杆(10,16,32)的平面侧上的绝缘(14,22,34)的厚度(d1,d3)之和。
3．根据权利要求2的绕组杆，其特征在于，内部弯曲轮廓(r1,r5)是圆形的。
4．根据权利要求2的绕组杆，其特征在于，内部弯曲轮廓在电场上是优化的。
5．根据权利要求1-4中之一的绕组杆，其特征在于，绝缘(14,22,34)由一热塑的聚合物组成，其中分布着由绝缘材料制的填充粒子(29)。
6．根据权利要求5的绕组杆，其特征在于，热塑聚合物采用聚醚醚砜(PEEK)，和填充粒子(29)采用云母小板。
7．根据权利要求1-6中之一的绕组杆，其特征在于，至少设在边缘圆角(23)区域内的导体(19,21)各由一束单独的，绝缘的，特别是互相绞合的导线(25)组成。
8．根据权利要求7的绕组杆，其特征在于，为了获得一光滑的外部轮廓，由导线(25)形成的导体束经半导体粘结物质予以浸渍。
9．根据权利要求1-8中之一的绕组杆，其特征在于绕组杆(10,16,32)的导体(13,19,…21；33)通过中间空间(24)来隔开；为了获得一光滑的外部轮廓，中间空间(24)以一半导体跨接物质来填充。
10．根据权利要求8的绕组杆，其特征在于，在由导线(25)构成的导线束中，为了偶合在半导体粘结物质上，至少一根导线(25)保留空白。
11．根据权利要求9的绕组杆，其特征在于，半导体跨接物质在绕组杆的方向上至少有一段具有非线性的限压性能。
12．根据权利要求1的绕组杆的制造方法，在绕组杆(10,16,32)中，绝缘(14,22,34)主要由一热塑材料制成，其特征在于绕组杆(10,16,32)在涂敷绝缘(14,22,34)之后承受一次精整过程，其中绝缘(14,22,34)的可变形材料被印铸一预定的边缘轮廓，它能使在边缘圆角区域内的绝缘(14,22,34)的厚度(d2,d4)增加。
13．根据权利要求12的方法，其特征在于，绝缘(14,22,34)被涂敷以一系列粉末涂层方法，特别是喷射烧结或热喷涂以及挤压方法。
14．根据权利要求13的方法，其特征在于，绝缘(14,22,34)是以多层的方式相继地被涂敷，特别是以小于1mm的薄层来涂敷的，厚度最好是0.2mm。
15．根据权利要求14的方法，其特征在于，在每一单层涂敷后实行一次精整过程。
16．根据权利要求12-15中之一的方法，其特征在于，为了实施精整，使平行于绕组杆(10,16,32)的中间平面(41,42)并离它们有一固定距离而设置的精整辊(35,36,37)相对于绕组杆(10,16,32)在其表面(30)上移动。
17．根据权利要求16的方法，其特征在于，在精整过程中借助附加的边缘轮(38,39)，将绕组杆(10,16,32)的边缘圆角(15,23,40)印铸成一预定的曲率半径(r3,r4)。
18．根据权利要求17的方法，其特征在于，边缘轮(38,39)从加工方向看是设置在精整辊(35,36,37)之后。
19．根据权利要求12-18中之一的方法，其特征在于，绝缘(14,22,34)在高温下涂敷，而精整过程在绝缘(14,22,34)仍处于高温状态下时来实施。
20．根据权利要求19的方法，其特征在于，采用由具有低导热性的材料，特别是玻璃，制成的精整辊(35,36,37)或精整轮(38,39)。
21．根据权利要求19的方法，其特征在于，采用在精整过程中加热到高温的精整辊(35,36,37)或精整轮(38,39)。
全文摘要
一电机的高压绕组特别是定子绕组所用的绕组杆(10)包括互相在上下和/或左右设置的多根导体(13),并构成一具有矩形截面的导体束,其中导体束外部由一绝缘(14)所包围。在不改变绝缘厚度的情况下来提高在边缘圆角处的总体电气强度的方法可如下来实现:即在绕组杆(10)的边缘圆角(15)处的绝缘(14)的厚度(d2)大于在绕组杆(10)的平面侧的绝缘(14)的厚度(d1)。在此情况下,为了边缘圆角区域的成形,最好采用一精整过程。
文档编号H02K15/12GK1233101SQ99105129
公开日1999年10月27日 申请日期1999年4月19日 优先权日1998年4月18日
发明者T·保曼, R·弗里德, J·厄斯特赫尔德, R·约霍 申请人:Abb研究有限公司