[发明专利]带有轴向冷却的旋转电机

说明书

本发明涉及高压旋转电机，例如同步电机、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、以及主要打算作为电站中的发电机用来发电的交流电机。本发明特别涉及这样的电机的冷却。

用于高压，即电压超过约10kV具有30-35kV的最大值，的电机，通常布置成带有一个用于电机强制冷却的冷却系统。

旋转高压电机通常建造一个有一个焊接结构的钢片定子体。层叠铁心一般由涂漆的0.35或0.5mm的电工钢片形成。定子绕组位于片状铁心中的槽内，槽通常具有矩形或梯形的横截面。每个绕组相包括多个串联连接的线圈组，并且每个线圈组包括多个串联连接的线圈。线圈的不同部分是用于置于定子中的部分的指定线圈侧、和用于位于定子外部的部分的端部绕组。一个线圈包括按高度和/或宽度聚在一起的一个或多个导体。

在每个导体之间有一种薄的绝缘物，例如环氧树脂/玻璃纤维。

线圈与槽用一种线圈绝缘物隔离开，即一种打算用来承受电机对地的额定电压的绝缘物。作为绝缘材料，可以使用各种塑料、涂漆和玻璃纤维材料。通常，使用所谓的云母带，云母带是云母与硬塑料的混合物，专门生产以提供对能迅速击穿绝缘的局部放电的耐受力。通过把云母带绕线圈缠绕数层，而把绝缘物施加到线圈上。浸渍绝缘物，然后用石墨基油漆涂敷线圈侧，以改进与连接到地电位的周围定子的接触。

在发电机的情况下，电机通常必须经一个变压器连接到电力网上，变压器把电压升压到电力网的电压值-在约130-400kV的范围内。本发明打算用于高压，在36-800kV的工作范围内。

在定子绕组中，在如下所述的电缆中，通过使用高压绝缘的电导体，就与在用来传送电力的电缆(例如交联的聚乙烯(XLPE)电缆)中使用的相类似的固体绝缘物而论，能把电机的电压增大到这样的电压值，它能直接连接到电力网上而不用中间变压器。因而能省去常规的变压器。该概念一般要求，在定子中把电缆置于其中的槽要比关于常规技术的深(由较高电压和绕组的较多匝数造成较厚的绝缘)。这意味着损耗分布因此将不同于常规电机的损耗分布，这又带来与冷却例如定子齿有关的新问题。

对于冷却例如同步电机的绕组，有三种能使用的系统。对于空气冷却，通过流经绕组的空气来冷却定子的绕组以及转子的绕组。空气冷却导管布置在层叠的定子片中以及转子中。就通过空气径向通风和冷却而论，至少对于中等尺寸和大尺寸的电机，把层叠的铁心划分成包括布置在铁心中的径向和轴向通风导管的组。冷却空气可以是周围的空气，但在1MW以上的功率下，主要使用一种带有一个热交换器的封闭冷却系统。氢冷却通常用在较大的涡轮发电机中、和大型同步补偿器中。冷却方法以与带有一个热交换器的空气冷却相同的方式工作，但使用氢而不是空气作为冷却介质。氢比空气具有更好的冷却能力，但在密封和检测泄漏方面出现困难。通过冲压层叠的定子片制造冷却导管，当为建造一段导管而叠置诸片时这些定子片就构成了导管。结果是由于在气体冷却导管中的许多小的凹凸不平之处造成跨过电机的压降增大。

在功率范围500-1000MW的涡轮发电机中，还知道用水冷却定子绕组以及转子绕组。作为置于定子绕组中导体内的管来制成冷却导管。在大型电机中的问题是冷却趋于变得不均匀，并因此在电机中产生温度变化。

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浸漆层云母油和纸的绝缘系统的缺陷。

在从1984年4月来自电力研究所(Electric Power Research Institute)的报告EPRI,EL-3391中，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，以提供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。超导场绕组相当大的激励容量能够使用具有足够厚度的气隙绕组来承受电应力。