CN1205723C - 旋转电机和制造定子线圈的方法 - Google Patents

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Abstract

一种旋转电机，具有由柔性电缆(20、22、26)形成的定子线圈，电缆插入定子铁心的定子槽中，定子槽从定子铁心的径向最外端卡箍部径向地朝内向转子延伸，而且定子槽被齿状物(16)隔离开，定子槽形成为具有肩部(24、28)的开口双槽，肩部排列在槽壁上，从槽开口方向来看，线圈的每个新电缆定位于定子槽的先前电缆和新电缆外的邻近肩部之间。一种用来制造这种线圈的方法，开口定子槽为双槽，将第一电缆(20)插过定子槽的开口，并牢固地压到电缆槽中，电缆槽排列在定子槽底部，在电缆被压进时用来保持电缆的位置，将第二电缆(22)插过定子槽的开口，并定位于在第一电缆和一个与第一电缆相对的槽壁的固定肩部(24)之间，将第三电缆(26)插过定子槽开口，并定位于在第二电缆(22)和一个与第二电缆相对的槽壁内的固定肩部(28)之间。

Description

旋转电机和制造定子线圈的方法
技术领域
本发明涉及一种旋转电机，由柔性电缆形成的定子线圈被插入在定子铁心的定子槽中，定子槽从定子铁心的径向最外端卡箍部朝内向转子延伸，而且定子槽被齿状物隔离开。本发明也涉及一种制造这种定子线圈的方法。
背景技术
例如国际专利申请WO97/45919中描述了上述类型的电机。形成这些定子线圈的电缆是适当的高电压电缆，其实质上与那些用来配电的电缆类型相同，也就是说，PEX电缆(PEX＝交叉结合的聚乙烯)。然而，与配电电缆相反的是，该线圈没有通常包围这种配电电缆的金属蒙皮。该电缆实质上只包括导线和绝缘层各边的至少一个半导体层。这些机器可以提供极其高的电压，800kV以及更高，可以提供高达1500MW的极其高的功率。
当为这样的定子制造线圈时，定子通常都具有大体封闭的槽，可沿轴向拉着电缆穿过所述槽。在用于产生几百千伏的极高电压的电机中，定子线圈中的电缆的整个长度将相当大，达到每相几千米。在这样的电机中，定子铁心的定子线圈的槽也必须非常深，以确保在槽中给需要的线圈提供足够的空间，从而会使隔离槽的齿状物变得很长。进一步说，对于这些机器来讲，电缆最外端的半导体层在机器绕线过程中绝对不能受到损害，因为该层对于包围线圈中的电场是很重要的。
在该发明涉及的用于生产低至30-40MW的较低功率和产生较低电压的机器中，定子线圈的电缆直径比用于生产高电压和高功率的机器中的线圈小得多。例如，在国际专利申请SE99/00943和SE99/00944和已公开国际申请WO99/28919中的风力发电站的发电机中，发电机被直接驱动，并以10-25rpm的非常低的速度运行，那么这意味着必须要设计一种具有大量极(pole)的发电机，而许多极会导致发电机尺寸大和重量高。
发明内容
本发明的目的在于消除上述定子重量高和大量的电缆牵引的问题，并提供容易制造类型的电机，同时为线圈保留了一层不会被破坏的外部半导体层。
该发明目的通过以下特征来实现。
即本发明提出一种旋转电机，具有由柔性电缆形成的定子线圈，所述电缆插入定子铁心的定子槽中，定子槽从定子铁心的径向最外端卡箍部径向地朝内向转子延伸，而且定子槽被齿状物隔离开，其特征在于：所述定子槽形成为具有肩部的开口双槽，所述肩部排列在槽壁上，从槽开口方向来看，线圈的每个新电缆定位于定子槽的一个先前电缆和该新电缆外的邻近肩部之间。
本发明也提出一种用来制造定子线圈的方法，所述线圈是通过将柔性电缆插入旋转电机定子芯中的开口定子槽而形成，其特征在于：将所述开口定子槽制成为双槽，第一电缆插过定子槽的开口，并牢固地压到电缆槽中，该电缆槽排列在定子槽底部，在电缆被压进时用来保持电缆的位置，将第二电缆插过定子槽的开口，并定位于在所述第一电缆和一个与第一电缆相对的槽壁的固定肩部之间，将第三电缆插过定子槽开口，并定位于所述第二电缆和一个与第二电缆相对的槽壁的固定肩部之间。
设计有开口定子槽的定子铁心，使定子线圈可以通过在径向将电缆插入槽中而制成。这样不必在轴向拉着电缆穿过槽。进一步说，可以将线圈中的每个新电缆都固定在槽内先前电缆和邻近肩部之间，所述肩部位于那个新电缆外。这样电缆就实现自我固定。在卷绕过程中，将每个新电缆牢固地夹持在先前电缆和新电缆外紧接的肩部之间，使得线圈的制造大大地方便起来。进一步说，通过在定子铁心中形成双槽，该双槽实质上是电缆的两倍，电缆可以安装到一定厚度的定子铁心中，而不是单槽中。因此，所述槽不必很深，齿状物更短，在槽之间的晃动几率更少，而且整个定子铁心的重量也减少了。
与本发明机器最佳实施例一致，定子铁心和肩部的大小要使得插入在定子槽的电缆和相对肩部之间的距离稍微小于电缆直径，最好是少十分之几毫米。为了固定上述电缆来实现其本身功能，所述距离必须一方面稍微少于电缆直径。然而，很重要的是，在制造定子线圈的过程中，电缆不能遭受任何一点变形，这种变形可能导致损失惨重的电磁场浓缩，所以另一方面，在所述距离和电缆直径之间的差异要尽可能的小。
与本发明机器另一个最佳实施例一致，在定子槽底部的槽壁上形成开口的圆形电缆槽，该电缆槽的直径实质上与电缆直径一致，开口稍微少于180度，以便于将第一电缆定位在该电缆槽的定子槽中。电缆槽开口少于180度，将确保在把电缆压进电缆槽中时可以将电缆保持在电缆槽中。然而，很重要的是，槽开口要充分地大，使得将电缆压进过程中穿过开口时，不会使电缆变形，如果槽开口不够大，就可能发生上述使电缆变形的结果。
与本发明机器其它最佳实施例一致，根据本发明，将弹性材料的有形物插入在定子槽的相邻电缆之间的空间中，或者将弹性材料的薄片插入在双槽中两层电缆中的电缆之间。有形物尺寸要适合于吸收电缆尺寸的变化，并将电缆一直压在槽壁上；而且，薄片的厚度也要以相等的方式，适合于吸收电缆尺寸的变化，并将电缆一直压在槽壁上。这样有形物和薄片都可以吸收电缆直径上的变化，还可以确保靠着槽壁的电缆能得到好的冷却效果，并避免电缆的变化和磨损损害，所述这些直径上的变化是由于安装、热膨胀和电缆尺寸偏差引起的。
与本发明机器另一最佳实施例一致，电缆包括绝缘系统，该绝缘系统包围着导电芯，所述系统由两个半导体层组成，所述半导体层在绝缘固体层的各边，半导体层实质上形成等电压表面。这样形成了电场，电缆的外表面可以充分地保持在大地电压。
与本发明机器另一最佳实施例一致，固体绝缘物质和它周围的半导体层的电绝缘强度超过3kV/mm，最好超过5kV/mm。这样无论线圈中电压有多高都可以降低线圈尺寸，进而使机器的整个尺寸都减少了。
附图说明
为了更充分地说明本发明，现在参考附图来描述本发明的实施例。
附图1显示了与本发明一致的适用于绕线型发电机的电缆的横截面示意图；
附图2显示了与本发明一致的发电机中的定子迭层结构的部分示意图；
附图3-5显示了与本发明一致的发电机中的定子铁心的槽中的电缆插入物的不同例子。
具体实施方式
本发明涉及一种绕线型旋转电机。附图1显示了形成定子线圈的电缆1的横截面示意图，该电缆由一种高电压电缆组成，它与那些用来配电的电缆实际上是同样的类型，也就是说，是PEX电缆。高电压电缆1包括具有许多绳索2的导电芯(conducting core)。导线由绝缘系统包围，该绝缘系统具有两个半导体层3、5，这两层各位于绝缘层4的固体层的两边。电缆是柔性的，而且半导体层3、5实际上包括等电位表面。这使电场能结合，以便于电缆1的外表面实际上保持在接地电位，即0V。固体绝缘物4和包围它的半导体层3、5的电绝缘强度超过3kV/mm，最好超过5kV/mm。
这样，电缆特别适于卷绕在高电压定子铁心中，同时还保持对电场的控制，不会有破坏性的部分放电现象(PD)发生的风险。
附图2显示了本发明中定子铁心的定子迭片结构的部分示意图。在迭片结构中制造了双槽6，所述迭片结构从定子迭层结构的径向最外端卡箍(yoke)部分8呈径向向转子延伸，所述转子将排列在槽开口的前面。电缆槽10形成于定子槽的底部，而且电缆槽的直径充分地与电缆直径一致，以便于电缆与槽壁获得好的接触。槽开口稍微少于180度。该槽10用来容纳双槽6中的第一电缆，而且，由于槽开口稍微少于180度，所以当电缆压进时，电缆就被保持在该槽10中。肩部12和14，各自排列在每个槽的相对壁上。肩部12、14的曲率半径稍微少于电缆的相应半径，从而使相邻电缆与肩部弯曲部分密切接触，借助这些肩部，被插入双槽6的每个新电缆都能确保定位于肩部和槽6的先前电缆之间。
双槽6被齿状物16隔离开。在齿状物16中和迭层结构的卡箍部中都有孔18，使得在加工定子铁心时可以将定子迭层结构用螺栓拧在一起。
附图3显示了附图2中所示的双槽，其中已经插入了卷绕电缆。第一电缆20插入在电缆槽的定子槽底部，并定位在附图2所示的电缆槽中。然后将下一个电缆22插入在电缆20和肩部24之间，并定位于定子槽中，所述肩部就紧接在电缆22外面。定子槽和肩部的大小要使电缆20和相对肩部24之间的距离稍微少于电缆22的直径。典型地说来，这个距离可以比电缆22的直径少十分之几毫米。一旦下一个电缆26插入到定子槽中，该电缆就定位在先前的电缆22和肩部28之间了，所述肩部就紧接在电缆26外面。
为了获得满意的冷却效果和避免任何晃动，有必要牢固地将电缆20、22、26压在槽壁上，为达到这一点，在附图4所示的实施例中，在相邻电缆之间的三角形空间中放置了弹性材料的有形物30。有形物30可以是为硅胶或弹性多孔胶的厚壁管或同质带组成。有形物30的大小要适于吸收电缆20、22、26直径上的变化，所述变化是由于定位、热膨胀或加工时的尺寸偏差引起的。
除了插入附图4所示的有形物外，也可以在双槽中电缆20、26...和22、...的两层之间各放置弹性材料例如多孔胶形成的薄片32，见附图5。薄片32的厚度适于牢固地将电缆压在槽壁上，方式与有形物30一样，以便于获得有效的冷却效果和避免磨损引起的晃动，也可以如前所述，吸收电缆直径的变化。在本文中，要注意到的是，所述的电缆的直径介于16和25mm之间，电平介于10和50kV之间。所述旋转电机适合在风力发电站用作直接驱动发电机，功率超过1MW，最好超过1.5MW，特别应当介于3和6MW之间。然而，所述旋转电机也适合用做电动机，根据本发明，其具有比直接驱动风力发电机更高的速度，而在风力发电机中其转子速度是发电机速度的限制因素。另外本机在电动机运行过程中也可以用相当高的功率来驱动。

Claims (18)

1.一种旋转电机，具有由柔性电缆形成的定子线圈，所述电缆插入定子铁心的定子槽中，定子槽(6)从定子铁心的径向最外端卡箍部(8)径向地朝内向转子延伸，而且定子槽被齿状物(16)隔离开，其特征在于：所述定子槽(6)形成为具有肩部(12、14、24、28)的开口双槽，所述肩部排列在槽壁上，从槽开口方向来看，线圈的每个新电缆定位于定子槽的一个先前电缆和该新电缆外的邻近肩部之间。
2.根据权利要求1所述的旋转电机，其特征在于：定子槽(6)和肩部(12、14、24、28)的尺寸要使得插入定子槽中的电缆(20、22、26)和相对肩部之间的距离稍微少于电缆的直径。
3.根据权利要求2所述的旋转电机，其特征在于：该距离比电缆的直径少十分之几毫米。
4.根据权利要求1-3之一所述的旋转电机，其特征在于：肩部(12、1 4、24、28)的曲率半径稍微少于电缆(20、22、26)的相应半径。
5.根据权利要求1-3之一所述的旋转电机，其特征在于：在定子槽(6)底部的槽壁上形成有开口圆形电缆槽(10)，电缆槽的半径与电缆(20)半径一致，开口稍微少于180度，以便于将第一线圈电缆定位于该电缆槽中。
6.根据权利要求1-3之一所述的旋转电机，其特征在于：将弹性材料有形物(30)插入在定子槽中的相邻电缆(20、22、26)之间。
7.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：有形物(30)由厚壁管组成。
8.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：有形物(30)由同质带组成。
9.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：有形物(30)是硅胶的。
10.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：有形物(30)是弹性多孔胶的。
11.根据权利要求6所述的旋转电机，其特征在于：有形物(30)的大小要能吸收电缆(20、22、26)的大小变化，而且能将电缆一直压在槽壁上。
12.根据权利要求1-3之一所述的旋转电机，其特征在于：弹性材料的薄片(32)被插入在双槽中两层轴向设置电缆的各电缆(20、26...和22、...)之间。
13.根据权利要求12所述的旋转电机，其特征在于：薄片(32)是弹性多孔胶的。
14.根据权利要求12所述的旋转电机，其特征在于：薄片(32)的厚度要能吸收电缆(20、22、26)的大小变化，而且能将电缆一直压在槽壁上。
15.根据权利要求1-3之一所述的旋转电机，其特征在于：电缆(1、20、22、26)包括包围住导电芯的绝缘系统，该系统由两个半导体层(3、5)组成，所述两个半导体层分别位于固体绝缘物(4)的各边，所述两个半导体层必须由等电压表面组成。
16.根据权利要求15所述的旋转电机，其特征在于：固体绝缘物(4)和周围的半导体层(3、5)的电绝缘强度超过3kV/mm。
17.根据权利要求16所述的旋转电机，其特征在于：该电绝缘强度超过5kV/mm。
18.一种用来制造定子线圈的方法，所述线圈是通过将柔性电缆插入旋转电机定子芯中的开口定子槽而形成，其特征在于：将所述开口定子槽制成为双槽，第一电缆(20)插过定子槽(16)的开口，并牢固地压到电缆槽(10)中，该电缆槽排列在定子槽底部，在电缆被压进时用来保持电缆的位置，将第二电缆(22)插过定子槽的开口，并定位于在所述第一电缆(20)和一个与第一电缆相对的槽壁的固定肩部(24)之间，将第三电缆(26)插过定子槽开口，并定位于在所述第二电缆(22)和一个与第二电缆相对的槽壁的固定肩部(28)之间。
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