Вращающаяся электрическая машина и способ ее изготовления
Изобретение относится к электротехнике, а именно к вращающимся электрическим машинам. Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемая электрическая машина включает статор 1 с обмотками, протянутыми через пазы 5 в статоре. Согласно изобретению обмотки состоят из высоковольтного кабеля 6, при этом, по меньшей мере, один из пазов 5 статора 1 на, по меньшей мере, одной торцевой поверхности статора 1 снабжены манжетным средством 13, 16, расположенным между кабелем 6 и пазом 5. Причем манжетное средство 13,16 расположено в осевом направлении на короткое расстояние внутрь паза. Раскрыт также способ изготовления таких вращающихся электрических машин, в котором манжетные средства размещают в, по меньшей мере, одном из пазов в, по меньшей мере, одной торцевой поверхности статора, после чего сквозь манжетные средства протягивают кабель. Технический результат от использования данного изобретения состоит в устранении или снижении риска повреждения наружной поверхности кабеля при его протягивании в пазы статора и в устранении износа его поверхности, вызванной вибрацией при работе электрической машины, способной работать в диапазоне высокого напряжения. 2 с. и 19 з.п.ф-лы, 4 ил.
Согласно первому аспекту настоящее изобретение относится к вращающейся электрической машине типа, описанного в преамбуле п.1 формулы изобретения, такой как синхронные машины и нормальные асинхронные машины, а также машины с двойным питанием, средства, применяемые в асинхронных преобразовательных каскадах постоянного тока, машины с внешним полюсом и машины с синхронным потоком.
Согласно второму аспекту изобретение относится к способу типа, описанного в преамбуле п.13 формулы изобретения. В настоящем описании термины "радиальный", "осевой" и "периферийный" представляют обозначения направлений относительно статора машины, если они не сформулированы специально иначе. Термин "ход кабеля" относится в описании к каждому отдельному отрезку кабеля, проходящего в пазе. Под машиной подразумевается в первую очередь генератор на электростанции для выработки электроэнергии. Машина предназначена для использования с высокими напряжениями. Под высокими напряжениями здесь подразумеваются электрические напряжения, превышающие 10 кВ. Типичным рабочим диапазоном для машины, соответствующей изобретению, может быть 36-800 кВ. Подобные машины обычно были предназначены для напряжений в пределах 6-30 кВ, причем напряжение 30 кВ нормально рассматривалось как верхний предел. Это, в целом, означает, что генератор должен подключаться к энергосистеме через трансформатор, который повышает напряжение до уровня энергосистемы, то есть до пределов, составляющих приблизительно 100-400 кВ. Хотя преобладающая технология подачи энергии в высоковольтную энергосистему для передачи, субпередачи и распределения предусматривает нахождение трансформатора между генератором и энергосистемой, как упоминалось во введении, уже известны попытки исключить трансформатор путем генерирования напряжения, непосредственно соответствующего уровню напряжения энергосистемы. Такой генератор описан в патентах США 4429244, 4164672 и 3743867. Проводник известен из патента США 5036165, в котором изоляция обеспечивается внутренним и наружным слоями полупроводящего пиролизованного стекловолокна. Известным также является снабжение проводников в динамоэлектрической машине такой изоляцией, которая описана, например, в патенте США 5066881, где полупроводящий слой пиролизованного стекловолокна находится в контакте с двумя параллельными стержнями, формирующими проводник, и изоляция в пазах статора окружена наружным слоем полупроводящего пиролизованного стекловолокна. Материал из пиролизованного стекловолокна пригоден для использования, поскольку он сохраняет свое удельное сопротивление даже после обработки пропиткой. За счет использования высоковольтных изолированных электрических проводников, далее называемых кабелями, с твердой изоляцией, подобной изоляции, используемой в кабелях для передачи электроэнергии, в обмотках статора (например, кабели с изоляцией из полиэтилена с поперечными связями), напряжение в машине может быть увеличено до таких уровней, что она может подключаться непосредственно к энергосистеме без промежуточного трансформатора. Концепция, в целом, требует, чтобы пазы, в которые помещены кабели в статоре, были более глубокими, чем при обычной технологии (более толстая изоляция вследствие более высокого напряжения и большее количество витков в обмотке). Это влечет новые проблемы, связанные с охлаждением, вибрациями и собственными частотами в районе вывода катушки, зубьев и обмотки. Закрепление кабеля в пазу также является проблемой, поскольку кабель должен быть вставлен в паз без повреждения его наружного слоя. Кабель подвергается воздействию токов, имеющих частоту 100 Гц, что вызывает тенденцию к вибрации и, кроме производственных допусков касательно наружного диаметра его размеры, будут также изменяться при изменениях температуры (то есть изменениях нагрузки). Настоящее изобретение относится к указанным выше проблемам, связанным с устранением повреждения наружной поверхности кабеля при вставлении в пазы статора и устранением износа поверхности, вызванной вибрацией при работе. Существует особый риск повреждения в точке введения, где кабель может быть поврежден о кромку между пазом и торцевой поверхностью статора. Кабель также может быть поврежден, если он вставлен в паз косо или эксцентрически. Даже при работе существует риск повреждения там, где кабель проходит мимо торцевой поверхности статора, особенно в случае, если получено неправильное угловое положение или центрирование, указанная кромка может тереть наружный полупроводящий слой кабеля и, вследствие относительной жесткости кабеля таким образом повреждать его. В свете этого, задачей настоящего изобретения является устранение или, по меньшей мере, уменьшение риска повреждения кабеля, где он выходит на торцевой поверхности статора во вращающейся электрической машине, способной работать в диапазоне высокого напряжения. Согласно первому аспекту изобретения это достигается путем придания вращающейся электрической машине типа, описанного в преамбуле п.1 формулы изобретения, отличительных признаков, изложенных в отличительной части этого пункта. Определенное манжетное средство уменьшает риск повреждения, когда кабель намотан, поскольку манжета предотвращает вхождение в контакт наружного полупроводящего слоя с кромкой стенки паза при вставлении кабеля, а также обеспечивает направление кабеля в паз по центру и прямо. Риск повреждения при работе также уменьшается, поскольку манжета может изготовляться из более мягких материалов, чем статор и, таким образом, действует как уравнитель давления. В предпочтительном примере осуществления изобретения, манжетное средство простирается в радиальном направлении поверх множества ходов кабеля, предпочтительно, поверх всех ходов кабеля в пазе и имеет профиль, соответствующий профилю паза. Это обеспечивает получение устойчивого и надежного крепления. Преимущества изобретения особенно значительны, когда пазы имеют чередующиеся широкие и узкие части, их профили, таким образом, имеют сходство с велосипедной цепью, и в этом случае стенка паза окружает относительно большую часть каждого хода кабеля. Машина, имеющая такой профиль пазов, таким образом, составляет предпочтительный пример осуществления изобретения. Предпочтительно изготовлять манжетное средство из упругого материала. Он не должен содержать технологических остатков масла, пригодным является силиконовый каучук. Упругость материала облегчает направление кабеля и в значительной степени дает возможность достижения уравнивания давления в точках выхода. В другом предпочтительном примере осуществления изобретения, манжетное средство снабжено на его внутреннем конце фланцем, выступающим в выемку паза. Это дает простой и экономичный способ применения манжеты и получения надежного удерживания манжеты в пазу. С точки зрения облегчения введения кабеля, внутренний профиль манжеты, предпочтительно, несколько расширяется в направлении торцевой плоскости статора. Это также способствует мягкому выходу кабеля, посредством чего дополнительно уменьшается риск повреждения при работе. В следующем предпочтительном примере осуществления изобретения, манжетное средство приспособлено для создания уплотнения между кабелем и стенкой паза. Таким образом, внутри паза формируется закупоренное пространство, которое может быть заполнено опорным составом, впрыскиваемым в паз и затвердевающим в нем. В некоторых случаях, это может быть целесообразным способом поддержки кабеля в пазу. Изобретение в первую очередь предназначено для использования с высоковольтным кабелем типа, который составлен из внутренней жилы, имеющей множество скрученных элементов, окружающего ее внутреннего полупроводящего слоя, изолирующего слоя и, наконец, наружного полупроводящего слоя, и его преимущества подробно здесь отмечены. Изобретение относится в частности с такому кабелю, который имеет диаметр в пределах 20-200 мм и площадь проводящего сечения в пределах 80-3000 мм2. В устройстве, соответствующем изобретению, применяются обмотки, предпочтительно, типа, соответствующего кабелям с твердой, прессованной изоляцией, таким как те, которые в настоящее время используются для распределения энергии, например, кабели с изоляцией из полиэтилена с поперечными связями (ПЭПС) или кабели с изоляцией из этиленпропиленового каучука (ЭПК). Такой кабель содержит внутренний проводник, составленный из одного или более скрученных элементов, внутренний полупроводящий слой, окружающий проводник, окружающий его твердый изолирующий слой и наружный полупроводящий слой, окружающий изолирующий слой. Такие кабели гибки, что является важным качеством в этом контексте, поскольку технология для устройства, соответствующего изобретению, основана прежде всего на системах обмоток, в которых обмотка формируется из кабеля, который изгибается при сборке. Гибкость кабеля с изоляцией из ПЭПС обычно соответствует радиусу кривизны, составляющему приблизительно 20 см для кабеля диаметром 30 мм, и радиусу кривизны, составляющему приблизительно 65 см для кабеля диаметром 80 мм. В настоящем описании термин "гибкий" используется для обозначения того, что обмотка может изгибаться до радиуса кривизны, лежащего в пределах четырех диаметров кабеля, предпочтительно - восьми-двенадцати диаметров кабеля. Обмотка, предпочтительно, должна иметь такую конструкцию, чтобы она сохраняла свои качества даже в изогнутом состоянии и когда она подвергается тепловому напряжению при работе. В этом контексте очень важно, чтобы слои сохраняли связанность друг с другом. Качества материала слоев имеют решающее значение, в особенности их упругость и относительные коэффициенты теплового расширения. В кабеле с изоляцией из ПЭПС, например, изолирующий слой состоит из полиэтилена низкой плотности с поперечными связями, и полупроводящие слои состоят из полиэтилена в который примешаны сажа и металлические частицы. Изменения объема в результате колебаний температуры полностью поглощаются в виде изменения радиуса кабеля и, благодаря сравнительно малой разности в коэффициентах теплового расширения слоев относительно упругости этих материалов, радиальное расширение может иметь место без потери связи между слоями. Указанные выше комбинации материалов должны рассматриваться только как примеры. Другие комбинации, обеспечивающие получение указанных условий, а также условия обладания качеством полупроводника, то есть обладания удельным сопротивлением, лежащим в пределах 10-1-106 Ом


Формула изобретения
1. Вращающаяся электрическая машина, включающая статор (1) с обмотками, протянутыми через пазы (5) в статоре, отличающаяся тем, что обмотки состоят из высоковольтного кабеля (6), и что, по меньшей мере, один из указанных пазов (5) на, по меньшей мере, одной торцевой поверхности статора (1) снабжен манжетным средством (13, 16), расположенным между кабелем (6) и пазом (5), причем указанное манжетное средство расположено в осевом направлении на короткое расстояние внутрь паза. 2. Вращающаяся электрическая машина по п. 1, отличающаяся тем, что манжетное средство (13, 16) содержит манжету, расположенную в радиальном направлении поверх множества ходов кабеля, предпочтительно поверх всех ходов, и имеет профиль в радиальном сечении, который по существу соответствует профилю паза. 3. Вращающаяся электрическая машина по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что манжетное средство содержит множество манжет, круглых в радиальном сечении, причем каждая манжета окружает ход кабеля. 4. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что паз имеет профиль, который в радиальном сечении имеет широкие части (7) и узкие части (8). 5. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-4, отличающаяся тем, что манжетное средство (13, 16) выполнено из гибкого материала. 6. Вращающаяся электрическая машина по п. 5, отличающаяся тем, что материал не содержит масла и, предпочтительно, состоит из силиконового каучука. 7. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-6, отличающаяся тем, что манжетное средство (13, 16) имеет протяженность в осевом направлении, составляющую 2-6 см, и его самый наружный в осевом направлении конец расположен непосредственно внутри торцевой поверхности (19) статора. 8. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-7, отличающаяся тем, что манжетное средство (13, 16) снабжено на его внутреннем в осевом направлении конце фланцем (16), выступающим в выемку (17), проходящую в радиальной плоскости в стенках паза. 9. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-8, отличающаяся тем, что манжетное средство (13, 16) вокруг каждого хода кабеля имеет внутренний профиль (14) с меньшим диаметром, по существу соответствующим наружному диаметру кабеля (6), и конически расширяющийся в направлении торцевой плоскости (19) статора. 10. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-9, отличающаяся тем, что манжетное средство (13, 16) установлено так, что оно примыкает с уплотнением к обеим стенкам (5) паза и к кабелю (6). 11. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 1-10, отличающаяся тем, что применен кабель (6) типа, содержащего жилу с множеством элементов (31) пучка, внутренний полупроводящий слой (32), окружающий жилу, изолирующий слой (33), окружающий внутренний полупроводящий слой, и наружный полупроводящий слой (34), окружающий изолирующий слой (33). 12. Вращающаяся электрическая машина по п. 11, отличающаяся тем, что высоковольтный кабель (6) имеет диаметр, лежащий в пределах 20-200 мм, и площадь проводящего сечения, лежащую в пределах 80-3000 мм2. 13. Вращающаяся электрическая машина по п. 11 или 12, отличающаяся тем, что обмотка гибкая, и в ней слои находятся в контакте друг с другом. 14. Вращающаяся электрическая машина по п. 13, отличающаяся тем, что слои состоят из материалов с такой упругостью и таким соотношением между коэффициентами теплового расширения материалов, что изменения объема слоев, вызванные колебаниями температуры при работе, поглощаются упругостью материалов так, что слои сохраняют их сцепление друг с другом при колебаниях температуры, происходящих при работе. 15. Вращающаяся электрическая машина по п. 13 или 14, отличающаяся тем, что материалы слоев имеют высокую упругость, предпочтительно, с модулем упругости меньше 500 МПа, наиболее предпочтительно - меньше 200 МПа. 16. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 13-15, отличающаяся тем, что коэффициенты теплового расширения материалов слоев имеют по существу одинаковое значение. 17. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 13-16, отличающаяся тем, что сцепление между слоями, по меньшей мере, той же величины, что и сцепление наименее прочного из материалов. 18. Вращающаяся электрическая машина по любому из пп. 13-17, отличающаяся тем, что каждый из полупроводящих слоев, по существу, составляет одну эквипотенциальную поверхность. 19. Способ изготовления вращающейся электрической машины, включающей статор с обмотками, протянутыми через пазы статора, отличающийся тем, что в машине выполняют обмотку из высоковольтного кабеля, а манжетные средства располагают, по меньшей мере, в одном из пазов в, по меньшей мере, одной торцевой поверхности статора так, что манжетные средства проходят на короткое расстояние внутрь паза, причем внутренние размеры манжетных средств допускают прохождение кабеля, после чего кабель наматывают в пазах сквозь манжетные средства. 20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что манжетное средство смазывают антифрикционным веществом перед прохождением сквозь него кабеля. 21. Способ по п. 19 или 20, отличающийся тем, что манжетное средство применяют в соответствии с вариантами исполнения, описанными в любом из пп. 1-10. Приоритет 03.02.1997 по пп. 1-12, 19-21; 28.11.1997 по пп. 13-18.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4