專利名稱：一種旋轉電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種在權利要求1的前序部分所描述的那種類型的旋轉電機，例如同步電機和標準異步電機以及雙端饋電的電機，應用于異步靜態電流級聯變換器、外電極電機以及同步電機。
在本中請中，術語“徑向”、“軸向”以及“周向”是對定子進行的方向限定，除非有明確的說明外，術語“電纜導入”在本申請中指的是穿過定子槽的各個段電纜的長度。
該機器主要是在發電站中用來產生電力的發電機。該機器用于高壓。在此高壓應理解為超過10KV以上的電壓。對于與本發明相應的該機器其特有運行范圍可以在36-800KV內。
類似的機器傳統上電壓都設計在6-30KV范圍內，而且30KV通常被認為是上限。通常這意味著發電機必須通過使電壓逐步提高到電力網電壓的變壓器連接到電力網上，即大約為100-400KV。
盡管在向用來輸送、二次輸電以及配電的高壓電網提供電流時目前主流技術是必須在發電機和電力網之間安裝如前面在簡介中所提到的變壓器，但通過直接產生達到電力網水平的電壓來努力消除變壓器已是眾所周知的(方法)。這樣的發電機在US-4,429,244、US-4,164,672、US-3,743,867中公開過。
在US-5,036,165中公開了一種導線，在這種導線中，在其內部和外部熱解玻璃纖維半導體層上都具有絕緣體。在電機中為導線提供如在US-5,066,881中公開的絕緣體是眾所周知的，其中，半導體的熱解玻璃纖維層與形成導線的兩根平行的線接觸，且在定子槽中的絕緣體是由外部熱解玻璃纖維半導體層包圍的。熱解玻璃纖維材料被描述為比較適用，因為即使在經過浸漬處理后依然保持其電阻率。
通過在定子繞組(即XLPE電纜)中使用帶有與用來傳輸電力的電纜中使用的那種絕緣體相似的固體絕緣體的高壓絕緣導電線(在下面用術語稱之為電纜)，可以使發電機的輸出電壓增加到可以不需要中間變壓器而直接連接到電力網上。
這種原理通常要求定子中的安放電纜的定子槽較傳統技術中要深(由于高壓而所需絕緣層較厚且繞組匝數較多)。這就引發了一些與線圈末端區段、定子齒以及繞組的冷卻、振動以及固有頻率相關的問題。
在定子槽中安裝電纜也是一個問題，即如何在其外層不被破壞的情況下將電纜插進定子槽中。電纜承受著頻率為100Hz的電流會造成一種振動的趨勢，而且，除了外徑的制造公差外，其尺寸也會隨著溫度波動(即負載波動)而發生變化。
本發明涉及上面提到的問題防止在將電纜插進定子槽時電纜的外部遭到破壞，防止在工作期間由振動對表面造成的磨傷。
一種特有的缺點是電纜可能會在進入定子槽的狹窄部分和寬闊部分之間的過渡區段時被定子槽壁損傷。如果定子槽是由用于電纜導入的帶環形擴大部分的兩個面對的平滑定子槽壁組成，就會在定子槽壁內形成鋒利的邊緣，這些擴大部分就構成了寬闊部分。這些鋒利的邊緣不但在繞制線圈過程中可能會損傷電纜而且會在運轉過程中也會損傷電纜。通過壓力元件將電纜壓在定子槽壁的一面或兩面上，在運轉期間使電纜至少被逐點支承是很重要的。該目的是為了減小電纜中的振動。這樣電纜就存在電纜被壓在這些鋒利邊緣的一個上的缺點，且部分由于不能完全抑制振動的原因以及部分由于熱效應在電纜中造成的運動的原因，外部半導體層就因此可能產生磨損或遭到損傷。
在傳統的旋轉電機(例如在低于高壓范圍工作的電機)中，其具有用于繞組的定子槽，定子槽具有交替的寬闊部分和狹窄部分，這種電機很早就在FR2594271中公開，其定子槽就沒有任何鋒利邊緣，這是由于在這種機器中定子槽的尺寸相對較小。在這些定子槽中，沒有精心確定寬闊部分和狹窄部分之間的過渡部分，因此在該過渡部分處會出現鋒利的邊緣。這樣的機器不能解決本發明所指向的問題，即在能夠在高壓范圍內運轉的機器中防止電纜遭到鋒利邊緣的損壞。
本發明的目的是消除或至少降低在能夠在高壓范圍內工作的旋轉電機中以這種方式產生損傷的缺陷。
根據本發明，該目的可以通過具有在其特征部分限定的特定技術特征的權利要求1的前序部分中描述的那種旋轉電機來實現。
所描述的具體問題通過改變定子槽壁的斷面形狀來實現，從而在電纜能夠與定子槽壁產生接觸處沒有尖角產生。而且通過繞組的特定的特征，這種機器可以用于高壓范圍內。
在與本發明相應的結構中，繞組由帶固態壓擠絕緣體的那種類型的電纜構成，像目前用于配電的那些電纜，如XLPE-電纜或帶EPR絕緣體的電纜。這樣的電纜包括一根具有一根或多根絞合線的內芯、包圍在內芯上的內部半導線層、包圍在內部半導線層上的絕緣層、以及包圍在絕緣層上的外部半導線層。這樣的電纜是柔性的，由于用于與本發明相應的裝置的技術主要是以繞制線圈系統為基礎，其中繞組是電纜組成的，電纜在安裝過程中會被彎曲，所以電纜的柔性是很重要的性質。XLPE-電纜的柔度通常相當于直徑為30mm長度約為20厘米的電纜的曲率半徑。在本申請中，術語“柔性”通常被用來表示繞組的柔度，可使曲率半徑小到為電纜直徑四倍的程度，比較好的為電纜直徑的八倍到十二倍。
形成的繞組在其被彎曲時和在運轉期間經受熱應力時要保持其特性。在這種情況下各疊層彼此間保持緊密接觸是至關重要的。在此疊層的材料的性質是起決定性的，特別是其彈性和相對熱膨脹系數。例如，在一種XLPE-電纜中，絕緣層由低密度的交聯聚乙烯組成，而半導體層由混有碳黑和金屬微粒的聚乙烯構成。由于溫度波動造成的體積變化作為在電纜半徑方面的變化被完全吸收，而且由于在各層的熱膨脹系數的之間差別相對于這些材料的彈性相對較小，所以盡管產生徑向膨脹但各層間不會產生分離。
上述材料組合僅僅作為例子。其它組合也可以實現這種規定的條件且也可實現電阻率在10-1-106歐姆/厘米范圍內的半導電條件，例如1-500歐姆/厘米或10-200歐姆/厘米，自然也落在本發明的范圍內。
絕緣層可以由一種固態熱塑材料組成，如低密度的聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(PMP)、如交聯聚乙烯(XLPE)的交聯材料、或如乙丙橡膠(EPR)或硅橡膠那樣的橡膠。
內部和外部半導體層可以是相同的原料但帶有像混入的碳黑或金屬粉末那樣的導電材料的微粒。
這些材料的機械性能，特別是它們的熱膨脹系數，受是否混入碳黑或金屬粉末的影響相對較小，至少在所需達到的與本發明相應的必要的導電率方面是這樣。因此絕緣層和半導體層實質上具有相同的熱膨脹系數。
乙烯乙酸乙烯酯共聚物/腈橡膠、丁基接枝聚乙烯、乙烯乙酸丙烯酯共聚物以及乙烯基丙烯酸乙酯共聚物也可以構成用作半導電層的適當的聚合物。
即使在各層中使用不同類型的材料時，也可以使它們的熱膨脹系數基本相同。這是上面列出的材料的組合的情況。
上面列出的材料具有相對較好的彈性，彈性模量E＜500MPa，最好＜200MPa。
這種彈性足以使各層中的材料的熱膨脹系數之間的微小的差別由徑向方向的彈性變形所緩沖，從而不會出現裂紋或任何損傷，且從而各層彼此之間也不會剝離。各層中的材料是有彈性的，且各層間的粘附力至少與所有材料中的最小的粘附力的數量級相同。
兩層半導體的導電率足以使沿著各層的電勢基本相等。外層半導體層的導電率達到足以屏蔽電纜中的電場，但小到不足以產生由在該層的縱向方向感應出的電流的顯著損失。
因此比較好的是，兩層半導體層的每一層都構成一個等勢面且具有這些(半導體)層的繞組將基本上將電場屏蔽在其中。
但這并不限制在絕緣層中安裝一層或多層附加的半導體層。
本發明特別涉及這樣一種電纜，其直徑在20-200mm范圍之間，導電面積在80-3000mm2范圍之間。
與本發明相應的旋轉電機的這些和其它的優選實施例將用權利要求1的從屬權利要求進行限定。
在下面參照附圖的實施例的說明中對本發明進行詳細的解釋。


圖1所示的是與本發明那種類型的電機定子的一部分的原理性端視圖，圖2是用于與本發明相應的電機中電纜的橫斷面圖，圖3是定子槽徑向斷面圖的一部分，示出本發明的第一個實施例，圖4是示出本發明第二個實施例的定子槽的徑向橫斷面的局部放大圖，圖5是圖示本發明第三個實施例的定子槽的徑向橫斷面視圖，圖6是圖示本發明第三個實施例的定子槽的徑向橫斷面視圖，在圖1所示的電機定子1的一部分的原理性的軸向視圖中，其轉子用附圖標記2來表示。定子按照慣例是由一個疊片鐵芯構成。該圖所示的是與單極單元相應的電機的一個區段。一些定子齒4從位于徑向方向的最外部的鐵芯的軛(yoke)部分3沿徑向方向向內伸向轉子2，定子齒4由用來安裝定子線圈的定子槽5分隔開。繞組線圈中的電纜6是高壓電纜且基本上是與用于電力分配的那些高壓電纜相同，如XLPE電纜。一個區別是通常包圍在電纜外部的機械保護套和金屬屏蔽物可以去掉。因此電纜可以僅僅有導線、內部半導體層、絕緣層和外部半導體層組成。因此對于來自電纜外部的機械損壞敏感的半導體層就暴露在外。
在該圖中，對電纜6作了示意性的表示，只有電纜的中心導電部分或線圈邊緣被畫出來了。正如所能看到的，每一個定子槽5都有交替的狹窄部分8和寬闊部分7的變化的交會變化區段。寬闊部分7基本上呈環形且將電纜的引入部分包圍起來，因此在這些寬闊部分之間的收斂腰部形成狹窄部分8。收斂部分對電纜導入部分起到了徑向定位的作用。定子槽的橫斷面作為一個整體在徑向方向上也變得比較窄。這是因為電纜導入部分的應力越低電纜就越沿徑向方向靠近定子的最內部。因此在此處使用電纜導入部分就要細一些，而越往外所使用的電纜就越粗。在圖示的例子中使用了三種不同尺寸的電纜，并被安裝在尺寸與之相適應的定子槽5的三個區段9、10、11。
圖2所示的用于本發明的高壓電纜6的橫斷面視圖。高壓電纜6具有的一些由銅制成的絞合線31，并具有環形斷面。這些絞合線部件31位于電纜6的中心。圍繞著絞合線31是第一半導體層32。圍繞著第一半導體層32是絕緣層33，即XLPE-絕緣體，而圍繞著絕緣層33是第二半導體層34。因此，在本申請中“高壓電纜”的概念不必包括通常包圍在用于電力分配的電纜外部的金屬屏蔽物和套。
圖1中的每一個定子槽5能夠基本上被描述成由帶有平滑徑向壁的定子槽構成，在該壁上設有作為電纜通道的環形擴大部分。因此采用這種基本形式，在每一個寬闊部分7和狹窄部分8之間的過渡部分就會產生鋒利邊緣。
這在圖3中表示出來，圖3是一個與圖1中所示的定子槽5相似的定子槽放大的徑向斷面圖，但為了解釋發明的構思而有些變化。
在該圖的下部，畫出了一個電纜導入部分6，由壁面輪廓形成的尖角，在尖角處包圍電纜的環形區段與定子槽的狹窄區段8b相交，尖角用附圖標記14來標記。當電纜在工作期間受到振動時和當電纜在受到來自于用于使電纜到位的夾緊裝置(圖中為給出)的徑向和/或切向方向的力的作用而被固定并壓向定子槽壁時，這樣的尖角會極大地損傷外部半導體層34。
圖中的上部，在寬闊部分7a和7b之間，圖示出狹窄部分8b是如何根據本發明的優選實施例進行設計的。此處的定子槽壁的輪廓在相鄰的弧形部分15和19之間的狹窄部分8a內采用的是一個弧17的形狀。該弧17與弧15和19在其外側點16和18相切。因此狹窄部分8a和相鄰的寬闊部分7a之間的過渡部分就比較平緩，且沒有像尖角14那樣的會損傷位于寬闊部分7a和7b內的電纜導入部分的外部半導體層的尖角。
正如所提到的，圖3的目的僅僅在于解釋本發明且需要明確的是與本發明相應的定子槽沒有任何與尖角14相同的尖角由于所有的狹窄部分都形成圖3中的8a部分那樣。
盡管定子槽壁的狹窄部分的整個區段17在此是一種弧形，需要明確的是這也并不是必須的。重要的是區段15和19之間的過渡部分沒有尖角，這能夠通過將僅僅在過渡區段內的側面磨圓就可達到。這樣的實施例在圖4中圖示出來。
該圖(圖4)圖示出位于狹窄部分8內的三種不同的側壁輪廓。13表示的與圖3相應的輪廓13，即在該處會存在電纜6受到尖角14損傷的缺點。17指的是整個狹窄部分采用圖3中在8a處所示弧形17的形式。20、21、22指的是與本發明的另一個實施例相應的輪廓。在此，一段較短的弧20、22與寬闊部分的弧15和19相連，這兩個弧形部分由直線21連接起來。在此處形成了尖角23、24，但弧形區段20、22的長度足以確保這兩個尖角遠離電纜，從而不存在電纜與其中任何一個尖角接觸的缺點。因此，重要的是避免尖角位于電纜的相鄰位置。弧形部分20、22也可以由其它曲線代替，包括直線，使之在切點處與寬闊弧形區段15和19相連。當然，區段20和22之間的區段21也可以有其它可以選擇的形狀。
即使在定子槽5的寬闊部分7和狹窄部分8是非對稱時本發明也可以使用。圖5和6所示的就是這樣的非對稱定子槽的兩個例子。圖5所示的是一個平滑定子槽壁和一個設有由狹窄部分形成的波浪形的定子槽壁。在圖6中每一個狹窄部分都由一個位于一側的平滑定子槽壁和位于另一側的波浪形定子槽壁構成，平滑和波浪形的側壁在定子槽的兩壁上交替布置。
權利要求
1.一種旋轉電機，將繞組穿過定子的槽(5)而安裝在定子中，其特征在于繞組是由高壓電纜(6)組成的，該電纜是柔性的且包括以下部分由內部半導體層包圍著導電內芯、包圍在內部半導線層上的絕緣層、以及包圍在絕緣層上的外部半導線層；所述各層之間彼此緊密接觸，各層由具有彈性的材料構成，并這些材料的熱膨脹系數之間具有這樣關系，即在運轉過程中溫度波動造成的在體積變化可被這些材料的彈性變形吸收，從而在運轉期間各層在溫度波動的情況下彼此仍保持粘附力，而且定子槽(5)具有由定子槽的兩個壁形成的沿著徑向方向交替出現的狹窄部分(8)和寬闊部分(7)，在徑向方向區段內的側壁具有沒有凸出尖角的輪廓，至少在側壁頂靠電纜(6)的表面處的輪廓沒有尖角。
2.如權利要求1所述旋轉電機，其特征在于所述的輪廓沒有尖角。
3.如權利要求1或2所述旋轉電機，其特征在于所述的輪廓，沿著至少一個側壁，在寬闊部分(7)處設有凹入的弧形區段(15，19)和在狹窄部分(8)處設有將弧形區段(15，19)連接起來的凸出的曲線區段(17，20，22)。
4.如權利要求3所述旋轉電機，其特征在于凸出的曲線區段(17，20，22)是弧形。
5.如權利要求3或4所述旋轉電機，其特征在于形成區段(17，20，22)的狹窄部分(8)是凸出的曲線。
6.如權利要求5所述旋轉電機，其特征在于形成區段(17，20，22)的狹窄部分(8)是弧形。
7.如權利要求1-6中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于定子槽(5)相對于經過定子槽中間的徑向平面是對稱的。
8.如權利要求1-6中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于定子槽的一個壁(25)基本上是平直的。
9.如權利要求2-6中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于每一個定子槽壁的輪廓都有平直區段(26)交替地將兩個寬闊部分(7)彼此連接起來并與兩個寬闊部分(7)的弧形區段(15)相切。
10.如權利要求1-9中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于電纜(6)是一種含有帶多根絞合線部分(31)的內芯的電纜。
11.如權利要求1-10中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于高壓電纜(6)的直徑在20-200mm范圍內，導電面積在80-3000mm2范圍內。
12.如權利要求10或11所述旋轉電機，其特征在于構成所述電纜的各層中的材料具有較高的彈性，彈性模量E小于500MPa，最好是小于200MPa。
13.如權利要求10-12中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于構成所述電纜的各層中的材料的熱膨脹系數基本上是同一大小。
14.如權利要求10-13中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于構成所述電纜的各層之間的粘附力至少與材料中最弱的粘附力是同一的。
15.如權利要求10-14中的任何一項所述旋轉電機，其特征在于每一個半導體層基本上都構成一個等勢面。
全文摘要
本發明涉及一種旋轉電機,在定子1上安裝有穿過定子槽5的繞組。根據本發明,繞組由高壓電纜6組成,其中,定子槽5在徑向方向上具有由定子槽的兩個壁形成的交替的狹窄部分8和寬闊部分7。在沿著徑向的斷面內側壁的斷面輪廓內,位于寬闊部分和狹窄部分之間的過渡區段沒有凸出的尖角,且側壁頂靠著電纜。
文檔編號H02K3/12GK1246974SQ9880226
公開日2000年3月8日 申請日期1998年2月2日 優先權日1997年2月3日
發明者索恩·貝里格倫, 馬茨·萊永 申請人:Abb阿西亞布朗·勃法瑞公司