专利名称：旋转电机及该电机的支撑装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种权利要求1的前序部分中所述类型的旋转电机以及该电机的一种支撑装置。
本发明属于旋转电机领域，如同步电机和双端馈电电机、异步静态级联电流转换器中的装置、外电极电机、同步流电机，本发明适用于高电压电机中。此处的高电压是指第一级电压超过10KV。根据本发明的电机的典型运行范围为36KV～800KV。
本发明所强调的问题的重点在于在产生电能的电站中将高压交流电机用作发电机。通常设计的类似的电机的电压范围为6KV～30KV，通常将30KV作为上限。这就意味着利用变压器将发电机与电网相连，该变压器可将电机电压升至电网电压，即大约为130KV～400KV。
通常所有的大型发电机都具有尺寸相同的两层绕组和线圈。每个线圈的一边位于一层上，另一边位于第二层上。所有线圈的端头相互交错。根据传统的技术，定子绕组硬度比较大，它们在线圈的端头相连。
美国专利US5036165中介绍了一种导体，其中的绝缘层是由半导体热解玻璃纤维制成的内层和外层来构成的。在电动机中提供具有这种绝缘的导体也是现有的技术，如在美国专利US5066881中，一个半导体热解玻璃纤维层与形成导体的两平行杆接触，定子槽中的绝缘材料由外层的半导体热解玻璃纤维包围。半导体热解玻璃纤维材料是适用的，因为该材料即使经过浸渍处理之后仍能保持其电阻率。
本发明的目的涉及一种用于高电压的旋转电机。根据本发明，线圈绕组由高压电缆构成。
在这种高压电机中线圈定子槽较深，典型情况下有10～12层或多至18层，在某些情况下甚至有更多绕线层。线圈端头的数目很大并有许多交叉。这样不仅干扰了绕组的运行以及使线圈端头束过大而可能突伸到定子和转子之间的空隙中，而且由于运行中线圈的振动而增加了在线圈间的交错点磨损的危险。
特别地，本发明的目的是解决线圈端头束太大以及减小绕组线圈间的磨损的问题。本发明的这个目的是通过将本发明的权利要求1中所限定的特征给予定子绕组而达到的。
通过支撑装置可完成高压电缆的线圈端头弧的固定。
根据本发明的优选实施例，线圈端头弧固定在定子最内层部分的外部。这样线圈端头弧就不会对转子在定子中的轴向安装形成障碍。
根据本发明进一步的优选实施例，支撑装置为导电的或为绝缘的。
该支撑装置的结构的另外的优点如从属权利要求中所述的本发明的实施例说明的那样。
如下所述，从属权利要求也详细说明了电缆结构的优选实施例。
在下述的高压电缆中，通过利用具有实心绝缘材料高压绝缘导体，电动机的电压可提高到不使用中间变压器而可以直接与电网相连的水平，其中的实心绝缘材料与传送电力的电缆(如XLPE电缆)的材料相同。省却了传统的升压变压器及高电流断路器，这样就减少了整个电站的成本。
本发明首先用于由多个导线束部分为核心组成的高压电缆，一个内层半导体层包围着这个核心，绝缘层包围着该内层半导体层，外层半导体层包围着所述绝缘层，其优点在此特别说明。本发明特别适用于直径在20mm～200mm范围之内、导电区面积在80mm～3000mm2之内的电缆。本发明的这种应用就构成了优选实施例。
本发明的装置中，线圈绕组最好用具有实心、挤压出的绝缘材料制造的电缆来构成，比如目前为进行配电所用的那些电缆，例如，XLPE电缆(XLPE-cables)或具有EPR绝缘性能(EPR-insulation)的电缆。这种电缆包括由一个或多个导线束部分构成的内部导体，内半导体层包围着该导体，一个实心绝缘层包围着该内半导体层，外部半导体层包围着上述实心绝缘层。这种电缆易弯曲，在本发明的内容中这是一项很重要的性能，因为根据本发明的装置的技术是基本上是以线圈绕组系统为基础的，在装配过程中线圈绕组系统中的线圈绕组是由电缆弯曲形成的。XLPE电缆的弯曲度通常与弯曲半径相对应，对直径为30mm的电缆其弯曲半径约为20cm，对直径为80mm的电缆其弯曲半径约为65cm。在本发明的应用中，术语“易弯曲”通常是指线圈绕组易弯曲至弯曲半径为电缆直径的4倍，最好为电缆直径的8～12倍。
线圈绕组在运行过程中即使在弯曲的情况下以及在承受热应力的情况下仍应能保持其性能。在本发明中各层之间保持相互粘结是很重要的。各层材料的性能是具有决定性的，特别是其弹性以及相关的热膨胀系数。比如，在XLPE电缆中绝缘层包括交联的低密度聚乙烯，半导体层包括混合有碳黑和金属颗粒的聚乙烯。由于温度的波动而引起的体积的改变完全由电缆半径的改变而吸收，由于与材料的弹性有关的各层间的热膨胀系数存在微小的差别，因此在不失去各层间黏着力的情况下，就可产生径向膨胀。
上述材料的组合只能作为例子。其他满足条件的组合以及满足作为半导体条件的材料组合，也就是说电阻率范围为10-1-106ohm-cm的材料的组合落入本发明的范围之内，如1-500ohm-cm或10-200ohm-cm的情况自然也落入本发明的范围之内。
绝缘层包括实心热塑性材料，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)、交联材料如交联聚乙烯(XLPE)、或橡胶如乙丙橡胶(EPR)或硅酮橡胶。
内层和外层半导体层除了混和的导电材料微粒如碳黑或金属粉不同外，它们由相同的基本材料构成。
这些材料的力学性能，特别是它们的热膨胀系数受是否混合入碳黑或金属粉的影响比较小，当然，为达到本发明所必须的导电率，混合的碳黑或金属粉的量应至少在所要求的比例之内。这样绝缘层和半绝缘层就具有基本相同的热膨胀系数。
制造半导体层的合适的聚合物由下述材料构成乙烯-醋酸乙烯共聚物/腈橡胶，丁基接枝聚乙烯，乙烯-丁基-丙烯酸脂共聚物及乙烯-乙基-丙烯酸脂共聚物。
在不同的层中即使使用不同类型的基本材料，也可使其热膨胀系数基本相同。利用上面列举的材料的组合就可达到上述情况。
上面列举的材料具有比较好的弹性，其杨氏模量E＜500MPa，最好E＜200Mpa。
对于在弹性的径向方向上被吸收的各层材料来说，该材料的弹性对于各层材料的热膨胀系数间的任何较小的差别都是足够的，因此就不会产生裂纹或其他任何破坏，这样各层间就不会相互分离。各层中的材料是弹性的，各层之间的黏着力至少应与材料的最弱的黏着力相等。
两个半导体层的导电率能够满足基本平衡各层的电位能。外层半导体层的导电率足够大，可包围电缆中的电场，但是也应足够小而不会由于在该层的纬度方向上的感应电流而引起有效损失。
这样，两个半导体层中的每个层实质上都构成一个等势面，具有这些层的线圈绕组基本上就包围了位于其内的电场。
当然，可以在绝缘层内布置一层或多层的辅助半导体层。
参考附图，下面的内容将对本发明做详细介绍，其中
图1为本发明的一条电缆的剖视图；图2为具有多个线圈端头的定子一端头的部分视图，线圈端头从定子的一端面上伸出，图中只画出了几个线圈；图3为根据本发明的具有定子绕组的交流电机的径向半截面视图；图4为从空隙中看过去的一个线圈端头束的径向视图，其中应用了本发明中的支撑装置；图5为与图4中同样的线圈端头束沿朝着定子的方向的轴向视图；图6所示为根据本发明的支撑装置沿一线圈端头束的方向的轴向视图；图7为支撑装置中的一个盘面的俯视图；图8该电机的一部分的侧视图；图9所示为与图6同样观测的视图，但所示的是一个变型实施例。
图1所示为本发明中应用的电缆101的截面视图。电缆101包括具有圆形截面、用铜作材料制成的导体102，比如，导体102包括多个导线部分。导体102布置在电缆101的中央；包围着该导体的是第一半导体层103；在第一半导体层103的周围是绝缘层104，例如，绝缘层104可以为XLPE-绝缘层；包围着绝缘层104的是第二半导体层105。在这种情况下，该电缆不包括外部保护层，所述保护层通常包围着电缆进行配电。所述电缆的大小可按照介绍中所述的尺寸。
图3所示为一具有定子106、转子107的高压电机的径向半剖面视图，定子和转子之间有空隙108。图2所示为朝着空隙108方向的定子的内表面109。定子106具有朝向内部的定子齿110，两定子齿间确定径向槽111以接收线圈绕组电缆101。这样线圈绕组就形成许多穿过深槽111的层，如例子中所示，槽中有12条电缆的位置，每根电缆均处于槽111中的扩大孔112中。术语“线圈绕组层”此处是指从定子的中心轴开始在不同的径向距离上形成的层。但是，“层(stratum)”是指从定子的端面在不同的轴向距离形成的线圈绕组层。
图2显示电缆101如何形成线圈113。电缆101沿轴向伸入或穿出定子106，在定子的端面114外形成弧形线圈端头。一个线圈就由穿过定子的一圈电缆组成。一个线圈组就包括位于一相上的线圈绕组。线圈组的一部分位于一个同样的线圈绕组层中而线圈端头位于不同的层中，此处称为“线圈组部分”。
与以前已知的多层定子绕组相反，根据本发明的线圈113的布置在同样的线圈组部分它们相互不交联。图2显示了这种情况下线圈组部分包括的四个线圈113a、113b、113c、113d的情况，它们的布置是按基本相同的中心沿轴向一个置于另一个之外。因为线圈113a的直径大于线圈113b的直径，按这样的顺序，线圈113b的直径大于线圈113c的直径，线圈113c的直径大于线圈113d的直径，所以这些线圈不相互交联或者不相互接触。在线圈再次进入定子之前由每个线圈搭接的槽111的数目在线圈组部分内变化。也就是说，线圈113d搭接最少的定子槽数，而线圈113a搭接最多的定子槽数。
形成线圈绕组时，线圈中的电缆在从一个方向上的第一个槽内传向相反方向上的第二个槽内时，电缆就在槽中改变位置，转到位于其外且与它最接近的绕组层上去。该位置与其返回第一槽时的位置相同。
图4显示了这种线圈绕组的一个例子，图4所示的是从定子和定子之间的空隙沿径向向外看到的线圈端头束。由图中清晰可见，线圈组部分按这种情况布置，这样交流线圈组部分116就沿径向穿入相邻线圈组117中。这种绕组称为步进叠绕组，它极大地减少了线圈端头束的径向扩展。此外，由图4中可见，这样就形成了径向空间。图5所示为线圈端头束的轴向端，图中显示出也形成了轴向空间。在运行过程中为了振动的原因，这些径向空间和轴向空间可用来支撑线圈端头束，这样可减少端头束中的电缆间的磨损。
图6显示了根据本发明的一个支撑装置120，该图为线圈端头束的轴向视图。它包括插入线圈113之间轴向空隙119的盘121。盘121由插入线圈113之间径向空隙的两个螺栓122来支撑和卡紧。盘121和螺栓122用非导电性材料来制成并固定于外伸的支撑装置123上，例如支撑装置123可从定子体124或定子上的压力盘上伸出。盘121上有两个凹槽125、126用来装设螺栓122。这些凹槽从盘的一边开口以使其能环绕装配各自的螺栓122。由于凹槽125和126基本相互垂直因此可简化安装过程。盘121与线圈113一个接一个地间隔安装，且在螺帽127的辅助作用下盘121压在线圈113上，螺帽127与螺栓122螺纹配合。
为了防止电缆承受过高的表面压力即电缆与电缆或电缆与盘之间产生的过高压力，在电缆之间以及在电缆和盘之间插入容易模塑变形的复合材料。将复合材料弯曲形成能将压力均匀分布的元件，这样可阻止振动时电缆间产生的磨损。复合材料也可用来使电缆间相互绝缘或使电缆间交替的进行相互的电接触。
本发明并不仅限于上述叠绕组，也适合于任何具有轴向空间和径向空间的线圈绕组。
图8显示了根据本发明的装置如何使转子R简便地装入定子S中。图中线圈端头弧用A表示。线圈端头弧受图中所示从区域X延伸至线L的右边的支撑装置的阻止，但线圈端头弧仍保持在线L的左边。这样转子可按图中箭头P所指的轴向方向伸入到定子中去而不受线圈端头A的阻碍。
图9所示为在盘121的表面上提供一软卸载层221，卸载层跨接电缆101。卸载层221最好是导电性的且是接地的，例如，用可接地的编织物。
权利要求
1.一种旋转电机具有转子、定子(106)和定子绕组(101)，定子绕组在定子(106)的轴端形成线圈端头弧(113)，其特征在于，线圈绕组包括高压电缆(101)，在定子(106)的至少一端的线圈端头弧(113)上提供有支撑装置以固定安装线圈端头弧(113)。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，所述的位于定子的至少一端的线圈端头弧(113)应径向地位于定子(106)的最内部分的外部。
3.根据权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，支撑装置(120)在线圈端头弧(113)之间形成轴向和径向空间。
4.根据权利要求1至3之一所述的旋转电机，其特征在于，支撑装置(120)是绝缘的，它包括由非导电性材料做成的盘(121)。
5.根据权利要求1至3之一所述的旋转电机，其特征在于，支撑装置(120)由导电性材料制成且支撑装置包括盘(121)。
6.根据权利要求4或5所述的旋转电机，其特征在于，盘(121)延伸至线圈端头弧(113)之间的轴向空间(119)，盘(121)由延伸进入径向空间(118)的径向螺栓(122)径向夹紧到线圈端头弧(113)上。
7.根据权利要求6所述的一种旋转电机，其特征在于，螺栓(122)由非导电性材料做成。
8.根据权利要求6所述的一种旋转电机，其特征在于，螺栓(122)由导电性材料做成。
9.根据权利要求6-8之一所述的旋转电机，其特征在于，螺栓(122)被卡紧安装在从定子体(124)伸出的支撑装置(123)上。
10.根据权利要求6至9之一所述的旋转电机，其特征在于，盘(121)上提供有至少两个凹槽(125，126)用以装设所述螺栓(122)。
11.根据权利要求10所述的旋转电机，其特征在于，凹槽(125，126)的数目为2。
12.根据权利要求10或11所述的旋转电机，其特征在于，所述凹槽(125，126)从盘(121)的一边开口以使其能够环绕装配各自的螺栓(122)，为了简化安装，两凹槽(125，126)基本相互垂直。
13.根据权利要求1至12之一所述的旋转电机，其特征在于，定子(106)上有接收各层线圈绕组导体(101)的径向槽(111)，各层线圈绕组位于从转子(107)和定子(106)之间的空隙(108)开始的不同的径向距离上，其中导体(101)的一部分穿入及穿出不同层之间的定子(106)每次构成一个线圈(113)，线圈(113)具有从定子(106)的每个端面伸出的弧形线圈端头，在线圈(113)之间独立存在轴向空间和径向空间(118和119)。
14.根据权利要求1-13之一所述的旋转电机，其特征在于，通过在电缆(101)之间及电缆(101)和盘(121)之间有易弯曲均配压力、耐磨损的复合材料。
15.根据权利要求1-14之一所述的旋转电机，其特征在于，高压电缆(101)包括具有多条导线部分的核心(102)，内层半导体层(103)包围着核心(102)，绝缘层(104)包围着所述内层半导体层，外层半导体层(105)包围着所述绝缘层。
16.根据权利要求15中所述的装置，其特征在于，高压电缆(101)的直径范围为20-200mm，其导电面积为80-3000mm2。
17.根据权利要求15-16之一所述的装置，其特征在于，线圈绕组易弯曲，它包括由内半导体层包围的导电核心，包围内半导体层由实心材料制成的绝缘层，包围绝缘层的外层半导体层，各层之间相互接触。
18.根据权利要求17所述的一种装置，其特征在于，所述层由具有弹性的材料构成，且材料的热膨胀系数之间具有如下关系，即在运行过程中由于温度的波动所引起的各层中体积的改变均可由材料的弹性所吸收，因此，运行过程中温度产生波动时，各层间仍能保持相互粘结。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的装置，其特征在于，所述各层的材料具有很高的弹性，其杨氏模量小于500MPa，最好小于200MPa。
20.根据权利要求17-19之一所述的装置，其特征在于，所述层中的材料的热膨胀系数的大小基本相等。
21.根据权利要求17-18之一所述的装置，其特征在于，各层之间的粘着力应至少与材料之间最弱的粘着力相等。
22.根据权利要求17-19之一所述的装置，其特征在于，每个半导体层实质上都包括一个等势面。
23.根据权利要求1-22之一所述的旋转电机中应用的支撑装置，其特征在于，支撑装置包括权利要求中的支撑装置的所有特征。
全文摘要
在旋转电机中的定子绕组中提供有支撑装置。线圈绕组在从转子和定子之间的空隙开始的不同的径向距离上形成绕组层。高压电缆弧形线圈端头从定子端面外伸。线圈间径向空间和轴向空间中有电绝缘装置。它包括由非导电性材料做成的盘,盘伸入线圈之间的轴向空隙,由非导电性材料做成的螺栓径向夹紧在线圈上。螺栓延伸过径向空间并紧固在外伸的支撑装置上,例如外伸装置可从定子体上外伸。
文档编号H02K1/16GK1246978SQ9880225
公开日2000年3月8日 申请日期1998年2月2日 优先权日1997年2月3日
发明者克拉斯·林格伦, 马茨·莱永, 本特·约兰, 奥勒·特雷斯克曼 申请人:Abb阿西亚布朗·勃法瑞公司