CN1220037A - 带有径向冷却的旋转电机 - Google Patents
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Abstract
一种旋转电机,包括一个缠绕有高压电缆的、且装有从一个外磁轭部分(5)径向朝内延伸的定子齿(4)的定子(1),其中至少一个定子齿(4)连接到至少一根冷却管(18)上,冷却管(18)在定子齿(4)中径向延伸,并且连接到一个其中布置有循环的冷却剂(36)的冷却回路(34)上,并且其中把冷却布置成发生在定子齿(4)的至少大部分轴向延伸部分上;还有一种冷却装有高压定子绕组的旋转电机的方法,其中通过使冷却剂(36)在冷却回路(34)中经穿过定子齿(4)径向延伸的冷却导管循环,来冷却定子。
Description
本发明涉及旋转电机，如同步电机、还有双路馈电电机(在异步静态电流换流器诸级中应用)、外极电机和同步磁通电机、以及主要打算用作电站中用来发电的发电机的交流电机。本发明特别涉及这样的电机的定子，并且涉及一个用来冷却定子齿的实施例，并因而还间接涉及构成定子绕组的绝缘导电体。
对于在范围15-30kV内的电压，按常规已经设计了类似的电机，并且30kV通常被认为是上限。在发电机的情况下，这通常意味着发电机必须经变压器连接到电力网上，变压器把电压升压到电力网电压值-在约130-400kV的范围内。本发明打算用于高压，这首先意味着电压超过10kV。对于根据本发明的一种装置的典型工作范围可以是36-800kV。
通过使用高压绝缘导电体，在如下命名的、在定子绕组中的、带有与用来传送电力的电缆中所用的类似的固体绝缘的电缆(例如，交联聚乙烯(XLPE)电缆)中，可以把电机的电压增大到这样的电压值，从而使它可以直接连接到电力网上而不用中间变压器。因而能消除常规的变压器。该概念一般要求，在定子中把电缆置于其中的槽比有关常规技术的深(由较高电压和绕组的较多匝数造成较厚的绝缘)。损耗分布因此将不同于常规电机的损耗分布，这又带来比如与冷却定子齿有关的新问题。
在常规冷却中存在着两种不同的空气冷却系统：其中空气经定子中的毂和径向导管通过定子的径向冷却、和其中借助于轴向风扇把空气吹入气隙中的轴向冷却。
然后把定子划分成由焊接到位的(通常是直的)垫片形成的径向空气导管。由于轴向通过定子叠片的导热性较差，所以空气导管必须频繁地重复。用空气冷却的缺点是，通风损失相当大，并且由于有通风导管定子必须加长。通风导管还可能导致薄弱的机械结构，特别是在带有长齿的所述高压发电机中。
用于高压发电机的例如水冷却系统而不是空气冷却系统具有这样的优点：能消除径向通风导管，在提高效率的同时可得到较短的电机。用于大型交流电机中的定子的水冷却系统通常基于空心的绕组部分，即电导体是空心的，带有用于冷却剂的纵向导管，在某些情况下与轴向插入在定子磁轭中的冷却管相结合。这样的构造是已知的，其中使用沿定子的轴向延伸方向以均匀间隔插入的铝块来冷却定子磁轭。然而，没有用这样的冷却支架直接冷却定子齿的例子，因为这些定子齿是通过定子绕组的水冷却来间接冷却的。
认为在3-25kV的电压范围内，能以良好的效果制造用于旋转发电机的线圈。
然而，开发更高电压的发电机的努力已经进行了很长时间。例如，由“电气世界(Electrical World)”，1932年10月15日，第524-525页，这是显然的。这篇文章描述了如何对于33kV布置由Parson1929年设计的发电机。还描述了在比利时Langerbrugge产生36kV电压的发电机。尽管该文还推测了进一步增大电压值的可能性，但其发展却受到这些发电机所基于的概念的限制。这主要是因为其中在几个分开的层中使用云母油和纸的浸漆层的绝缘系统的缺陷。
参照从1984年4月来自电力研究所(Electric Power Research Institute)的报告，EPRI,EL-3391，对发电机概念加以考虑以便在发电机中实现较高电压，目的是把这样一种发电机连接到电力网上而不用中间变压器。在该报告中评价了这样一种方案，该方案提供了良好的效率增益和大量的财政益处。在1984年认为有可能开始开发直接连接到电力网上的发电机的主要原因是，这时已经开发了超导转子。超导场绕组的相当大的激励容量允许使用具有足够大厚度的气隙的绕组来承受电应力。
通过把根据该方案认为最有希望的概念、设计一种带有绕组的磁路的概念(所谓的“单块筒形电枢”)、一种其中把两个导体筒封入三个绝缘筒内且整个结构在不用齿的条件下连接到一个铁心上的概念相结合，估计用于高压的旋转电机能直接连接到电力网上。这种方案要求主绝缘必须制造得足够厚，以承受网对网和网对地的电位。除了它需要超导转子外，所提出的方案的一个明显缺点是还需要非常厚的绝缘，这增大了电机尺寸。端部线圈必须用油或氟利昂绝缘和冷却，以便控制在端部的强电场。整个电机必须气密地封闭，以防止液态介电介质从大气中吸收水分。
尤其在杂志J.Elektrotechnika1970年第1期第6-8页标题为“水和油冷涡轮发电机TVM-300”的文章中，在US4,429,244的“发电机的定子”中，及在俄罗斯专利文件CCCP Patent 955369中，描述了在关于同步发电机设计的一种新方法中的一些尝试。
在J.Eiektrotechnika中描述的水和油冷却的同步发电机打算用于高达20kV的电压。文章描述了一种由油/纸绝缘物组成的新绝缘系统，这有可能把定子完全浸入油中。油然后能用作冷却剂，并同时用作绝缘物。为防止定子中的油向转子外漏，一个介电油隔离环提供在铁心的内表面处。定子绕组由具有椭圆空心形状、装有油和纸绝缘物的导体制造。带有绝缘的线圈侧借助于楔形件固定在以矩形横截面制成的槽中。作为冷却剂，油既用在空心导体中又用在定子壁的空腔中。然而，这样的冷却系统在端部绕组处伴随着大量油和电的连接。厚绝缘还带来导体的曲率半径增大，这又引起绕组突出部分的尺寸增大。
上述的US专利涉及一种同步电机的定子部分，同步电机包括带有用于定子绕组的梯形槽的层压板磁心。由于定子绕组所需的绝缘朝转子的内部减弱，转子处设置有最靠近中性点布置的绕组部分，所以诸槽是锥形的。此外，定子部分包括最靠近铁心内表面的介电油隔离筒，与缺少这个环的电机相比，这个筒可以增大磁化激励要求。定子绕组由对于每个线圈层具有相同直径的油浸电缆制造。诸层借助于槽中的垫片彼此隔开，并且用楔形件固定。关于绕组的特别之处在于，它包括串联连接的两个所谓的半绕组。两个半绕组之一位于、对中在绝缘套内。定子绕组的导体由周围的油冷却。有这么多油在系统中的缺点是，有泄漏的危险，并且由故障状态可能导致大量的清理工作。绝缘套位于槽外的那些部分带有一个圆柱部分和一个用载流层加强的锥形终端，其目的在于控制电缆进入端部绕组的区域中的电场强度。
由CCCP 955369显见，在升高同步电机的额定电压的另一种尝试中，油冷却的定子绕组包括对所有层具有相同尺寸的常规高压电缆。电缆置于形成为圆形的、对应于电缆的横截面面积及固定和冷却剂必需的空隙而径向设置开口的定子槽中。绕组的不同径向布置层由绝缘管包围，并且固定在其中。绝缘垫片元件把管固定在定子槽中。因为油冷却，所以还需要一个内介电环，以把冷却剂同内气隙封离开。所示的结构没有绝缘或定子槽的递减。该结构在不同定子槽之间显示出非常窄的径向腰部，这意味着有显著影响电机磁化要求的大量的槽漏磁通。
DE2917717表示在一种电机中用于冷却介质的一个冷却段。该段包括布置在段内的内部冷却导管。
US3,447,002表示装有多个环形槽的一个定子铁心，其中布置有导热物体，一个接一个地切向布置在每个槽中，冷却管嵌在冷却物体中。
US2,217,430表示一种发电机，带有通过经定子铁心的水循环来冷却用于这样一种电机的定子的装置。
根据本发明，齿的直接冷却是必要的，并因此间接冷却定子绕组。与常规发电机相比齿还格外长，并且这也使齿的直接冷却成为必要的。
本发明的目的在于提供一种在引言中描述的这种类型的构造，这种构造将允许定子齿的直接冷却，同时间接冷却构成定子绕组的电缆。本发明有利的进一步发展在如下描述中表明。
本发明涉及一种在高压交流发电机之类的高压电机中用来冷却定子齿、和间接冷却定子绕组的构造。
该构造包括径向延伸的、电绝缘的、及以离开相邻环一定轴向距离穿过定子齿置于环中的管。该构造还包括包含冷却剂在其中循环的冷却管的径向延伸冷却支架。冷却支架以与常规通风导管近似相同的轴向距离插入在定子中。诸管沿定子齿的整个径向长度延伸。
根据本发明一个具体的最佳实施例，半导体层至少一个，最好是两个，具有与固体绝缘物相同的热膨胀系数。因而实现决定性的好处：在绕组中有热运动时可避免缺陷、裂缝等。
参照附图将更详细地描述本发明。
图1示意地表示在直径方向穿过旋转电机的定子取出的一部分的立体图；
图2表示根据本发明的高压电缆的横截面图；
图3示意地表示旋转电机的扇区；
图4表示根据本发明的第一实施例；
图5示意地表示根据本发明的第二实施例；
图6a-6d表示根据本发明的冷却管齿的四个实施例的每一个的截面；
图7表示根据本发明的一种冷却回路。
图1表示一种电机的部分，其中已经拆去转子以更清楚地表示定子1的构造。定子1的主要部分由一个定子架2、一个包括定子齿4的定子铁心3、及一个限定一个定子磁轭的的外磁轭部分5构成。定子还包括一个由位于空隙7中的高压电缆组成的定子绕组6，空隙7形状象自行车链条(见图3)，形成在各个单独的定子齿4之间。在图3中，定子绕组6仅由其电导体表示。如在图1中能看到的那样，定子绕组6在定子1的两侧都形成一个端部绕组接头8。由图3还明白，高压电缆的绝缘有几种尺寸，依据电缆在定子1中的径向位置分组布置。
在较大的常规电机中，定子架2通常由一种焊接钢片结构组成。在大型电机中，定子铁心3一般由0.35mm的电工钢片形成，电工钢片划分成具有约50mm的轴向长度的多个叠，它们彼此由形成隔板的5mm通风导管隔开。然而，在根据本发明的电机中，省去通风导管。在大型电机中，通过把适当尺寸的冲压段9装配在一起以形成一个第一层，此后以直角放置每个随后的层以产生定子铁心3的一个完整板状部分，从而形成每叠层片。诸部分和隔板由压紧压力环、指状物或段(未表示)的压力支腿10保持在一起。在图1中仅表示了两个压力支腿。
图2表示根据本发明的高压电缆11的横截面图。高压电缆11包括多股铜(Cu)线12，比如具有圆形横截面。这些股12布置在高压电缆11的中央。绕着股12的是一个第一半导体层13，而绕着第一半导体层13的是一个绝缘层14，例如交联聚乙烯(XLPE)绝缘物。绕着绝缘层14的是一个第二半导体层15。因而，在本申请中的概念“高压电缆”不包括通常包围着用于配电的这种电缆的外保护套。
图3示意地表示电机的一个径向扇区，带有定子1的段9和带有在电机的转子17上的转子极16。如能看到的那样，定子绕组6布置在自行车链条形状的、形成在每个定子齿4之间的空隙7中。每个定子齿4从外磁轭部分5径向朝内延伸。
图4表示本发明第一实施例的简化视图，一根冷却管18在冷却支架19中形成一个冷却管环，冷却支架19具有与段9基本上相同的形状，并且具有齿部20，在齿部分20之间形成象自行车链条的特性槽。图4和5已经简化成矩形，以便简明地表明实施例的原理。根据图3，通过把冷却管18的一端连接到一个进口环22上并把其另一端连接到一个出口环23上，形成一个冷却管环21。
因而冷却剂在冷却管18中从冷却支架外侧24处的进口环22，流入冷却支架19，并朝冷却固定支架25的末端流入，从这里冷却管18在形成于气隙与最上部的高压电缆27之间的空隙26中从齿通到齿。这个空隙由一个槽楔形件(未表示)占用，槽楔形件在管的渐变段可设想为切口，允许所述管通过。还能把这个槽楔形件划分成约三十个小楔形件以为管弯曲提供位置。本发明中冷却支架的有利实施例可以是，通过把随后形成环的管弯成矩形而形成的管状横截面，冷却管环用铝永久地铸在一个盖上。
图5表示本发明第二实施倒的简化视图，一根冷却管18在冷却支架19中形成一个冷却管环，冷却支架19具有与段9基本上相同的结构，并且具有齿部分20，在齿部分20之间形成象自行车链条的特性槽。根据图5，在这个实施例中，通过把冷却管18的一端连接到一个进口环22上并把其另一端连接到一个出口环23上，形成一个冷却管环21。
因而冷却剂在冷却管18中从冷却支架外侧24处的进口环22，流入冷却支架19，并朝冷却固定支架25的末端流入，从这里冷却管在末端处转弯，见箭头，并且在同一冷却固定支架中向外伸回，以在下一个齿中再次形成类似的齿环。
在这个实施例中，还可以通过弯曲矩形横截面的管生产冷却支架。然后把管形成环，冷却管环用铝永久地铸在一个盖上、或者用浇铸化合物固定到中间钢梁上。带有中间钢梁的XLPE管也能嵌入、并作为包括定子轮廓的冷却支架适当地形成，冷却支架由钢垫片隔开，部分填充有填充化合物，例如固化的塑料。
根据图4的实施例的优点在于，管获得比如图5中那样返回到同一齿时的弯曲半径还要大的弯曲半径。
如图4和5中所示，用虚线箭头表示对于进口和出口环并联连接的相邻冷却支架。
图6a-6d表示根据图4-5的冷却固定支架的截面不同的实施例。图6a表示根据表明一个有利实施例的图4的一种冷却固定支架的截面，其中钢冷却管18已经弯曲成基本上为矩形的横截面，并且其后冷却管已经嵌在装有一个盖板29的铝块28中。铝块还可以以绕冷却管装在一起的两半制造。图6b表示根据图4的一种冷却固定支架的截面，齿的冷却管18在两个梁30之间延伸，两个梁30最好是钢的，在冷却管装配期间起隔离和加强梁的作用。在带有钢梁的冷却管装配之后，形成随后用浇铸化合物31填充的垫片。图6c表示根据图5的一种冷却固定支架的截面。在这个实施列中，通过把绕一根梁30(最好是钢的)的柔性空心垫片置于一个环中，并且用浇铸化合物31填充中间空隙，此后除去空心垫片因而形成一个管状导管32，来生产冷却支架。图6d也表示根据图5的一种冷却固定支架的截面，其中XLPE管类型的一根柔性冷却管33置于绕一根梁30(最好是钢的)的冷却管环中。
在这里所示的冷却固定支架中的冷却介质的实施例能在所附的权利要求书的范围内以多种方式变化。比如，铸铝块能制成带有导管的两片，以便插入钢的或XLPE管类型的冷却管。冷却管的横截面可以从圆形到椭圆形变化，或者可以大致为矩形。
布置一种外部冷却回路，见图7，其中所有的冷却管18都连接到一个封闭的冷却回路34上，在所示实施例中的冷却回路34包括一个包含冷却剂36的箱35，冷却剂36可以是水、氢气、或用于回路的其他冷却剂。箱35装有一个用于控制和监视冷却剂液位的液位指示器。箱35还连接到两个由一个进口环37和一个出口环38组成的分配回路上。在进口环37与出口环38之间，布置有多个如图7中示意表示的冷却支架19，每个支架19包括至少一个冷却管环21。所有冷却支架19并联连接在进口环37与出口环38之间。因而把冷却剂36布置成，从进口环37同时经并联连接到出口环38上的每个冷却管环21，循环到一个循环泵39和一个循环过滤器40，经热交换器41，例如板式热交换器，然后返回进口环37。具有约15℃温度的水从水箱经交换器泵42的交换器过滤器(未表示)供给。水经交换器抽吸并且返回水箱。
根据本发明的水冷却系统可以包括，例如装有沿整个定子约每5cm插入的管的冷却支架。如果粘结定子片，则冷却支架之间的间距可以大于5cm。
由于冷却支架必须能够支撑定子的整个重量(如果竖直安装)，还要加上来自任何压力环的压力(总压力在0.5MPa的范围内)，所以在冷却支架中要包含一种机械支撑结构，如图6a-d中所示。冷却管可以是不锈钢的，或者它们可以是早先所述的聚合物，例如XLPE管、Wirsbo-inPEX，它们已经用钢垫片作为弯曲模板在冷却板上直接热弯曲。钢垫片以与常规空气冷却定子相同的方式焊接，并且还以相同的方式承受轴向力。XLPE管也可以在炉中在约130℃的温度下弄平，并且然后随着盖板向下压在其上而正确地定位。然后焊接或粘结诸板。重要的是，冷却管是“扁平的”并且相当大，以便提供足够的冷却表面。钢管能制得比XLPE管小。借助于例如石英填充的环氧树脂，能使浇铸化合物产生足够大的热传导。之后可以用浇铸化合物填充，如早先所示的那样。
本发明不限于作为例子的实施例。在本发明的范围内几种改进是可行的。因而冷却管可以是金属的或聚合物的。冷却板也可以是铸铝块。一种感兴趣的可能性也是，把定子叠片用作支撑结构，并且在剩余的空隙中使用浇铸化合物。
Claims (19)
1．一种旋转电机，包括一个缠绕有高压电缆的、且装有从一个外磁轭部分(5)径向朝内延伸的定子齿(4)的定子(1)，该旋转电机的特征在于，该电机包括一个绕组，该绕组包括一个绝缘系统，该绝缘系统包括至少两个半导体层，每层本质上构成一个等电位表面，并且还包括在其之间安置的固体绝缘物；其特征还在于，至少一个定子齿(4)连接到至少一根冷却管(18)上，冷却管(18)在定子齿(4)中径向延伸，并且连接到一个其中布置有循环的冷却剂(36)的冷却回路(34)上；并且其特征还在于，把冷却布置成发生在定子齿(4)的至少大部分轴向延伸部分上。
2．根据权利要求1所述的电机，其特征在于，诸层中至少一层具有与固体绝缘物基本相同的热膨胀系数。
3．根据权利要求1-2任一项所述的电机，其特征在于，冷却管(18)布置成从外磁轭部分(5)穿入一个冷却固定支架(25)延伸，并且在冷却固定支架(25)的末端处传给下一个冷却固定支架(25)的末端，然后再穿出这个冷却固定支架(25)到外磁轭部分(5)，形成一个冷却管环。
4．根据权利要求1-3任一项所述的电机，其特征在于，冷却管(18)布置成从外磁轭部分(5)穿入一个冷却固定支架(25)延伸，并在冷却固定支架(25)的末端处转弯，且返回穿出所述冷却固定支架(25)到外磁轭部分(5)，形成一个冷却管环(21)。
5．根据权利要求3或权利要求4任一项所述的电机，其特征在于，冷却管环(21)布置在至少一个形状与定子横截面基本相同的冷却支架(19)中。
6．根据权利要求5所述的电机，其特征在于，把冷却管(18)布置成铸在冷却支架(19)中。
7．根据权利要求6所述的电机，其特征在于，冷却支架(19)之间的轴向距离是200mm。
8．根据权利要求3-7任一项所述的电机，其特征在于，冷却管环(21)装有至少一根布置在环中的梁(30)。
9．一种冷却装有高压定子绕组的旋转电机的方法，其特征在于，通过在冷却回路(34)中经穿过定子齿(4)径向延伸的冷却导管循环的冷却剂(36)，来冷却定子。
10．根据权利要求9所述的方法，其特征在于，使冷却剂(36)在一个封闭回路中循环，该回路经过一个用来自水箱的水来冷却回路(34)的热交换器(41)。
11．根据权利要求1-8任一项所述的电机，其特征在于，所述第一层的电位基本等于导体的电位。
12．根据权利要求11所述的电机，其特征在于，把所述第二层布置成基本构成一个绕所述导体的等电位表面。
13．根据权利要求12所述的电机，其特征在于，所述第二层连接到一个预定电位上。
14．根据权利要求13所述的电机，其特征在于，所述预定电位是地电位。
15．根据权利要求11-14任一项所述的电机，其特征在于，至少两个相邻层具有基本相等的热膨胀系数。
16．根据权利要求1-8任一项或权利要求11-15任一项所述的电机，其特征在于，所述载流导体包括多股，仅少数所述股没有彼此绝缘。
17．根据权利要求1-8任一项或权利要求11-16任一项所述的电机，其特征在于，所述三个层中的每一层基本上沿整个连接表面固定连接到相邻层上。
18．一种带有一个用于高压的磁路的电机，该磁路包括一个磁芯和一个绕组，该电机的特征在于，所述绕组由一根电缆形成，所说电缆包括一个或多个载流导体，每个导体有多股；绕每个导体提供的一个内半导体层；绕所述内半导体层提供的一个固体绝缘材料的绝缘层；及绕所述绝缘层提供的一个外半导体层。
19．根据权利要求18所述的电机，其特征在于，所述电缆还包括一个金属屏蔽层和一个护套。
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