专利名称：牵引电动机和驱动系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如用于铁路机车和大客车的牵引电动机和驱动系统，其中系统中包括的牵引电动机和／或其它电机备有磁路，磁路由磁心和至少一个绕组组成。
背景技术：
电机中的磁路通常包括叠片铁芯，例如用焊接结构包围并固定的钢板叠片铁芯。为提供通风和冷却，铁芯通常被分成带有径向或轴向通风道的叠层。对于较大的电机，迭片结构是在附装在电机架上的整流子片中冲压出来的，叠片铁芯用压指和压环固定在一起。磁路的绕组置在铁芯的槽内，槽的横截面通常为矩形或梯形。
在多相电机中，绕组做成单层绕组或双层绕组。在单层绕组情况下，每个槽只有一个线圈边，而在双层绕组情况下，每个槽有两个线圈边。线圈边是指一根或多根垂直或水平联接并备有共用的线圈绝缘体，即设计为承受电机对地的额定电压的绝缘体的导线。
双层绕组通常做成菱形绕组，而在本文中单层绕组可以做成菱形绕组或平面绕组。在菱形绕组中只存在一个(也可能有两个)线圈宽度，而平面绕组则做成同心绕组，即线圈宽度变化很大的绕组。线圈宽度是指属于同一线圈的两个线圈边之间的弧形尺寸的距离。
通常所有的大型电机都是用相同尺寸的双层绕组和线圈制造。每个线圈的一个边布置在一个层内，而另一个边则布置在另一个层内。这意味着所有的线圈在线圈端部相互交叉。如果有两个以上的层，则这些交叉会使缠绕工作变复杂，而线圈端部也变得不太令人满意。
在牵引电动机可使用工业频率(50或60赫兹)之前，以低频电压(15到162／3或25赫兹)向第一交流电压系统供电。很久以来在这种系统中使用的牵引电动机是单相串励换向器电动机，也称作单相牵引电动机。除由于向其供应的是交流电，因此场和转子电流每半个周期换一次向外，其作用与直流电动机几乎类似。为能够在换向器不发生破坏性电弧放电的情况下进行换向，必须选择低频和低速电动机。
与直流系统相比，交流系统的主要优点是交流电压可以转换(虽然现在直流电压也可通过所谓的振动换流器进行转换)。因此可以在架空电线上保持相对电动机操作电压较高的高压。由于架空电线中的高电压，所以电流降低，从而获得了更好的电力传输能力和线路网中更低的损失。电站也可以位于更远的地方(30－120公里)。
目前最常使用的牵引电动机是三相异步电动机，这是由于其简单并且坚固。它通过由功率半导体电路从线电压(直流系统)或从变压器次级电压(交流系统)产生的可变电压和频率的三相电流供电。
带有传统定子绕组的上述形式电机在不使用变压器降低电压的情况下不能连接到例如15千伏的高压电网上。与如果能将电动机直接连接到高压电网上相比，借助变压器连接到高压电网上的电动机使用方法产生了许多缺点。尤其可注意到的是以下缺点－变压器昂贵，增加了运输费用和需要的空间－变压器降低了系统的效率－变压器消耗无功功率－传统变压器包含油，因此具有相关的危险。
发明描述本发明的目的是提供用于电气铁路操作等的电动机和驱动系统，其解决了在该领域已知系统中固有的一些问题。
本发明提供了根据权利要求1的电动机和根据权利要求6或7的驱动系统。
因此本发明基于用于构造电机、电动机、发电机、变压器等的特殊技术，在这些设备中电绕组是以特殊方式用除油以外的绝缘体，最好是干式绝缘体制造的。这也允许在没有上述传统变压器中固有的缺点的情况下，去除变压器和／或变压器构造。
当然本发明还可包括与传统电机组合的这种特殊电机。
因此，本发明所涉及形式的电机可以是变压器或不需要任何变压器的牵引电动机。当然也可以结合其它替代物。
根据本发明的驱动系统和部件可适用于各种铁路系统的电源系统，并且通过适宜的变型可应用于具有外部电源或其自身电源系统的铁路系统、带有不同电压水平和不同频率的铁路和交流及直流系统，以及同步和异步电动机操作。
如果认为变压器是必要的，则本发明的目的是，与驱动系统中包括的其它电机一样，变压器应利用相同形式的电缆并以相应的方法进行制造。
通过满足上述目的获得的优点是避免了中间的充油变压器，否则该变压器的电抗会消耗无功功率。
为实现该目的，至少车辆包括的电机之一的磁路及其导线是用螺纹永久绝缘电缆制造的，电缆的外部连接在选定的电势例如大地上。
因此已知技术和根据本发明实施例之间的主要和本质区别是，后者至少包括一个这样的电机，该电机由于其磁路的性质可直接通过断路器和绝缘体连接到可达10到800千伏之间的高电源电压上。因此磁路由带有绕组的一个或多个叠片铁芯组成，绕组由具有一个或多个永久绝缘导线的螺纹电缆组成，导线在导线处和绝缘体处都有半导体层，外部的半导体层连接在地电势上。
为解决电机，包括旋转电机和静态电机，直接连接到所有形式的高压电力网上所产生的问题，根据本发明在驱动系统中至少一个电机具有与已知技术明显不同的许多上述特征。其它的特征和实施例限定在从属权利要求中并在下面进行讨论。
根据本发明，驱动系统和至少其中包括的电机之一的上述特征和其它特性包括以下几方面－磁路用的绕组是用具有一根或多根永久绝缘导线的电缆制造的，导线带有两个半导体层，其中之一包围股线，另一个构成护套。某些典型的这种导线具有交联聚乙烯或乙烯丙烯橡胶绝缘体。对于本发明目的，导线还可在导线的股线和外护套性质方面进行进一步的发展。
－带有圆形横截面的电缆是最可取的，但也可使用具有某些其它横截面的电缆以获得例如较好的组装密度。
－这种电缆允许在槽和齿方面根据本发明以新的最佳方法对叠片铁芯进行设计。
－绕组最好用分级绝缘体制造以充分利用叠片铁芯。
－绕组最好制造成多层同心电缆绕组，从而使得能够减少线圈端部交叉点数量。
－槽设计可与绕组电缆的横截面相适应，使得槽的形式为许多在彼此外部轴向和／或径向排列并且具有位于电枢绕组层之间的开口腰部的圆柱形孔。
－可根据绕组的相关电缆横截面和分级绝缘调整槽的设计。分级绝缘允许磁芯具有基本恒定的齿宽，而与径向的伸展无关。
－上述在外护套方面的进一步发展要求沿导线长度在适当点切断外护套，每个被切断的局部长度直接连接到地电势上。
上述形式电缆的使用允许绕组外半导体扩套的整个长度，以及驱动系统的其它部分保持在地电势。一个重要的优点是在外半导体层外部的线圈端部区域内，电场接近零。由于外层上的地电势，所以不需要对电场进行控制。这意味着无论是在铁芯内部、线圈端部区域还是在其间的过渡区都不会发生场集中。
混合使用绝缘和／或非绝缘压紧股线，或换位股线可降低杂散损耗。
磁路绕组中使用的高压电缆是用带有许多股线和至少一个半导体层的内芯／导线制造的，最里面的半导体层用绝缘层包围，绝缘层又用外半导体层包围，外半导体层的外径范围为6－250毫米，导线面积范围为10－3000平方毫米。
如果根据本发明至少电站中的电机之一是按指定方式构造的，则可用本身已知的启动方法起动和控制大客车机车中使用的电动机。
根据本发明的一个特别有利的实施例，至少两个层，最好是全部三个层都具有相同的热膨胀系数。由此可获得的明显益处是在绕组的热运动过程中避免了缺陷，裂口，等等。
从热和电观点看，由于绝缘系统，特别是永久绝缘系统设计为可用于10千伏以上的电压，所以该系统可连接到高压电力网上而不需要任何中间降压变压器，从而获得了上述优点。
本发明的上述和其它有利实施例限定在从属权利要求中。
附图简要描述在下面对电机磁路构造优选实施例的描述中，通过参考附图更详细地描述本发明，其中
图1所示为根据本发明电站电机定子的扇形区段的示意性端视图；图2所示为在根据图1的定子绕组中使用的电缆的分段剥离的侧视图；图3至5所示为根据本发明不同实施例的牵引电动机驱动系统。
优选实施例描述在根据图1的定子1扇形区段示意性端视图中，根据本发明该定子属于电站中包括的旋转型电机，还示出了电机的转子2。定子1由叠片铁芯组成。图1表示了对应一个极距的电机扇形部分。许多齿4从铁芯的轭部3径向向内伸向转子2并被槽5间隔开，定子绕组布置在槽5中。构成该定子绕组的电缆6是高压电缆，其形式可以与用于配电的电缆基本相同，例如PEX电缆。一个区别是去掉了外机械保护套和通常包围这种配电电缆的金属屏，使得用于本申请的电缆仅包括导线和位于绝缘层每一侧的至少一个半导体层。因此，在电缆表面上半导体层是裸露的。
在图1中示意性地展示了电缆6，仅画出了每个电缆部分或线圈边的导电中心部分。如图中所示，每个槽5的横截面是变化的，其带有交替的宽部7和窄腰部8。宽部7基本为圆形并且包围电线。腰部8用于径向固定每个电缆的位置。槽5的横截面还径向向内逐渐变窄。这是因为越接近电缆部分所处的定子1的径向内部，作用在电缆部分上的电压越低。因此在靠近内侧可使用较细的电线，而在靠近外侧则必须使用较粗的电线。在所述实例中使用了三种不同尺寸的电缆，它们布置在槽5的三种相应大小的部分51，52和53中。
上面对用电缆6构造的旋转电机用磁路的描述也适用于静态电机，如变压器、电抗器绕组及类似物。从设计和制造观点看，可以获得如下重要优点－构造变压器绕组时可以不考虑任何电场分布，从而已知技术中会产生问题的部件换位是不必要的，－设计变压器芯时可以不考虑任何电场分布，－不需要用油对电缆和绕组进行电绝缘，相反地，电缆和绕组可以用空气包围或用不燃烧的或燃烧缓慢的液体包围，－在许多应用中，不象充油变压器那样，需要特殊的衬套以在变压器外部接头和位于变压器内部的线圈／绕组之间提供电连通，－不存在油大大减少了在本发明变压器中起火和发生爆炸的危险，－变压器可以做得比传统变压器更坚固，从而增加了其承受短路的能力，
－变压器噪音更小，更清洁，需要的维护工作更少，－带有上述磁路的干式变压器所需要的制造和检测技术比传统变压器／电抗器所需要的简单得多。
图2所示为根据本发明在电站电机中使用的高压电缆的逐步剥离的侧视图。高压电缆6由一根或多根导线31组成，每根导线都包括许多股线36，这些股线一起形成例如圆形的铜(Cu)横截面。这些导线31布置在高压电缆6的中间，并且在所示实施例中被局部绝缘体35包围。但是，去掉导线31之一上的局部绝缘体35也是可行的。在本发明的该实施例中，导线31被第一半导体层32包围在一起。包围该第一半导体层32的是绝缘层33，例如PEX绝缘体，该绝缘层又被第二半导体层34包围。因此高压电缆不必包括通常包围这种配电用电缆的任何金属屏或外护套。由于牵引设备常常变得非常热，所以绝缘层33可包含耐热聚合物，例如硅橡胶或氟化聚合物。半导体层32、34可由与绝缘层类似的材料组成，但其中应嵌有导电颗粒，如碳黑，炭烟或金属颗粒。基本上，已经发现在不含碳粒子或含有少许碳粒子时，特殊的绝缘材料具有类似的机械性能。
使用备有上述形式磁路的电机使得牵引电动机的电源以及牵引电动机本身能够大大简化并做得效率更高。在使用交流电压的铁路操作中，目前使用的电源电压在电源线104中通常为15千伏、162／3赫兹，11千伏25赫兹或25千伏、50／60赫兹，如图3至5中所示，集电器112从电源线104向一个或多个牵引电动机114供电。
用于交流电压的已知牵引电动机通常由高达1千伏的电压驱动，而且机车因而必须备有变压器和速度控制设备，在现代机车中后者构成半导体开关元件。
已知机车中使用的变压器是充油的并且具有许多机械和电气缺点，还会带来环境问题。在已知机车中用于转换和操作的旋转电机具有各种问题，包括机械方面的和电气方面的，这些问题可以或多或少地得到满意的解决。
根据本发明通过在系统电机中的至少一个内设计磁路可以排除上述问题或使之减少到最小。
图3至5所示为3相异步电动机114，其为机车提供机械动力，并且具有用如在图2中所示的高压电缆构成的绕组。电动机114的绕组具有上述优点。
图3所示为电动机的驱动系统，其包括通过平滑和滤波电路124连接到向3相电动机114供电的直流／3相交流转换器125上的变压器122和半导体开关元件桥123。变压器122具有用如在图2中所示的电缆构成的绕组。因此，该变压器具有上述优点，并且与已知充油变压器相比更轻且体积更小。
图4a所示为包括旋转变电器130的驱动系统，旋转变电器130由直接从集电器112供电的电动机M和通过调节器装置131向3相电动机114供电的发电机G组成。可利用分接头132a、132b控制供应给电动机114的电压和连接以进行粗略速度控制的电极数。
图4b所示为一替代系统，其中最好产生多相，例如六相交流电的旋转变电器130连接在整流器桥133上，整流器桥133通过直流／3相交流转换器125向电动机114供电。图4c所示为另一个替代系统，其中通过交流／交流(ac／ac)频率转换器134从旋转变电器130向电动机114供电。
在图4a、4b、4c中所示的系统中，电动机M和发电机G之一或二者都是用图2所示电缆缠绕而成的。电动机和发电机可以是共用一根共同轴的分立电机，或者作为另外一种选择，如例如在德国专利372390、386561和406371中所述，旋转变电器可由单个单元组成。如在“Das Handbuch der Lokomotiven”，pp．254－255，“ElectrischerBahnen”eb，85．Jahrgang，Heft 12／1987，pp．388－389，或者“Lexiconder Technik”，p．395中所述，旋转变电器也可以是变相器。
在图5所示的系统中，电动机114是由连接在集电器112上的调节器装置135供电的高压电动机。调节器装置最好是直接半导体交流／交流转换器。由于电动机114是用高压供电的，所以不需要变压器或其它电压改变装置，而且该驱动系统具有紧凑且重量轻的优点。
尽管上面提及了某些电压值，但应认为它们是示例性的。类似地，传统设计的电机和备有根据本发明磁路的电机的各种组合也是可行的。因此，本发明不应被认为局限于参考附图所述的系统，而是包括在后附权利要求中限定的各种可行系统。
尽管可取的是电绝缘体应挤压到位，但也可用紧密缠绕的、重叠的多层薄膜或板形材料构成电绝缘系统。半导体层和电绝缘层都可用这种方法构成。绝缘系统可用全部合成的薄膜制造，其内外半导体层或部分用例如嵌入导电颗粒如碳黑或金属颗粒的PP(聚丙烯)、PET、LDPE(低密度聚乙烯)或HDPE(高密度聚乙烯)聚合薄膜制造，绝缘层或部分位于半导体层或部分之间。
对于搭接概念，足够薄的薄膜具有比所谓的Paschen最小量小的对接缝隙，从而使得不必进行液体浸渍。干式缠绕的多层薄膜绝缘体还具有良好的热性质。
电绝缘系统的另一个实例与传统的纤维素基电缆类似，其中薄纤维素基纸或合成纸或非织布材料搭接缠绕在导线上。在这种情况下，在绝缘层每一侧的半导体层可用由绝缘材料纤维构成的纤维素纸或非织布材料制造并嵌入导电颗粒。绝缘层可用相同的基底材料制造，或者也可使用其它的材料。
绝缘系统的其它实例是通过组合薄膜和纤维绝缘材料，或者层叠或者相互搭接来获得的。这种绝缘系统的一个实例是商业上可获得的所谓的纸聚丙烯薄板，PPLP，但薄膜和纤维件的各种其它组合也是可能的。在这些系统中可使用各种浸渍如矿物油。
权利要求
1.由绕组组成的3相牵引电动机，其特征在于，所述绕组包括绝缘体，绝缘体由至少两个半导体层和位于所述半导体层之间的固体绝缘体组成，其中每个半导体层提供基本等电势的表面。
2.根据权利要求1中所述的电动机为异步电动机。
3.根据权利要求1中所述的电动机为同步电动机。
4.机车或大客车用的驱动系统，包括如在权利要求1、2或3中所述的电动机和连接在电动机上的调节器装置。
5.根据权利要求4中所述的系统，其特征在于，所述调节器装置为半导体交流／交流转换器。
6.机车或大客车用的驱动系统，包括具有绕组的变压器、由变压器供电的半导体开关元件桥、和由半导体开关元件桥供电并向牵引电动机供电的直流／交流转换器，其特征在于，所述绕组包括绝缘体，绝缘体由至少两个半导体层和位于所述半导体层之间的固体绝缘体组成，其中每个半导体层提供基本等电势的表面。
7.机车或大客车用的驱动系统，包括一旋转变电器，该旋转变电器具有绕组并布置为向牵引电动机供电，其特征在于，所述绕组包括绝缘体，绝缘体由至少两个半导体层和位于所述半导体层之间的固体绝缘体组成，其中每个半导体层提供基本等电势的表面。
8.根据权利要求7中所述的系统，其特征在于，旋转变电器由具有电动机和发电机功能的单个电机组成。
9.根据权利要求8中所述的系统，其特征在于，旋转变电器是变相器。
10.根据权利要求7、8或9中所述的系统，其特征在于，旋转变电器向调节器装置供电。
11.根据权利要求7、8或9中所述的系统，其特征在于，旋转变电器向整流器桥供电，整流器桥向直流／交流转换器供电。
12.根据权利要求7、8或9中所述的系统，其特征在于，旋转变电器向交流／交流变频器供电。
13.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，至少所述层之一具有与固化绝缘体基本相同的热膨胀系数。
14.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，在电动机、变压器或旋转变电器中磁路铁芯的磁通量通路由层压薄板和／或粗锻铁和／或铸铁和／或粉末基铁构成。
15.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，包围至少一根导线(31)的最里面的半导体层(32)与导线(或多根导线)(31)基本处于相同的电势。
16.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，外面的半导体层(34)连接在选定的电势上。
17.根据权利要求16中所述的电动机或系统，其特征在于，选定的电势是地电势。
18.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，绕组的通电导线由许多股组成，只有少数股没有被相互绝缘。
19.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，所述绕组(或多个绕组)以及系统单元之间的永久绝缘高压连接导线是用电缆(6)制造的，电缆(6)带有高压固体绝缘体并且包括至少两个半导体层(32，34)，和可能绝缘或未绝缘的许多股(36)。
20.根据权利要求19中所述的电动机或系统，其特征在于，高压电缆(6)的导线面积在10到300平方毫米之间，外电缆直径在6到250毫米之间。
21.如在前述权利要求的任一项中所述的电动机或系统，其特征在于，所述绕组设计为承受至少为10千伏的额定电压。
全文摘要
三相牵引电动机,或牵引电动机用的驱动系统中的变压器或旋转变电器,由包括绝缘体的绕组组成,绝缘体由至少两个半导体层(32,34)和位于半导体层之间的固体绝缘体(33)组成,其中每个半导体层分别提供基本等电势的表面。
文档编号H01F27/28GK1279837SQ98811496
公开日2001年1月10日 申请日期1998年11月30日 优先权日1997年11月28日
发明者M·莱永, A·布约尔克兰德, T·许特, L·瓦尔弗里德松 申请人:Abb股份有限公司