定子及定子的制造方法 本发明涉及根据权利要求1前序部分的旋转电机的定子，根据权利要求23前序部分的旋转电机的定子的制造方法，以及根据权利要求31的旋转电机。
与本发明内容有关的旋转电机的例子包括同步电机、普通异步电机、双端馈电电机、异步换流器级的应用、外极电机和同步流量电机，以及交流电机，它们主要用作发电站中产生电力的发电机。
在下文，大部分讨论同步电机，但是应该注意，本发明不限于这样的电机。
根据常规技术的大多数同步电机在转子中具有励磁绕组，其中由直流产生主磁通，并且在定子中具有AC绕组。大型同步电机的定子架通常由具有焊接结构的钢片制成。叠层铁芯通常由漆包的0.35mm或0.5mm的电片制成。为了径向通风和冷却，至少对于中等尺寸和大型电机，使叠层铁芯分成具有径向通风导管的叠块。对于大型电机，使片冲压成段，借助于楔形件/燕尾件使它们附在定子体上。叠层铁芯由压力指和压力板保持。定子绕组安排在分层铁心中的槽中，这些槽通常具有取矩形或梯形形状的截面。
对于根据现有技术的大型定子铁芯，一个主要缺点是制造及运输这样的铁芯的问题。根据常规，整个定子铁芯和架一起在车间中制造。为了能够把定子铁芯运输到安装现场，于是在考虑到运输方便性地情况下，沿轴向分割面把铁芯分成尽可能少的几个铁芯分段。在安装现场，把铁芯分段组装和保持在一起，并且借助于定子架固定，定子架可能包括若干组装在一起的架分段。绕组可以现场安装或部分地在车间安装。特别是对于非常大尺寸的电机，一种选择是在安装现场执行定子铁芯的更多制造步骤，包括组装铁芯的冲压电片，组装定子架中的铁芯，但是不包括冲压片。
所谓涡轮发电机相对直径来说比其他发电机长得多。它们可能具有约6-7m的长度，但是另一方面，它们的直径通常比其他发电机的直径小得多。涡轮发电机对于铁芯的截面的刚度和硬度具有较高的要求，因为它们通常是具有高旋转速度的双极电机，并且对于大型电机，对于四节点式形状的自然频率通常在100-120Hz附近结束，这个频率接近双极电机的激励频率。这将经常带来振动问题。
根据常规的现有技术，旋转电机是为6-30kV区间的电压而设计，其中30kV通常被认为是上限。在发电机的情况下，这样将通常意味着发电机必须通过变压器与电力网连接，变压器把电压升高到电力网的等级，电力网的电压等级将在130-400kV的范围内。
多年来，已经作出了一定的努力，专门研制用于较高电压的同步电机，特别是发电机。这类例子在“Electrical World”，October 15，1932，pp524-525中，在文章“Water-and-Oil-cooled TurbogeneratorTVM-300”，in J.Elektrotechnika，No.1，1970，pp6-8中，以及在专利出版物US 4,429,244和SU 955 369中叙述。不幸的是，这些例子中没有成功的，并且它们没有带来任何商业上可用的产品。
然而，似乎可能用具有永久绝缘的高压绝缘导电体作为旋转电机中的定子绕组，这些导电体和用于传输电力的电缆类似(例如XLPE电缆)。从而，电机的电压可以增加到这样等级，以至电机可以不用任何中间变压器而直接与电力网连接。这样的绝缘导体或电缆是柔性的，并且是在WO 97/45919和WO 97/45847中更详细叙述的类型。该绝缘导体或电缆的另外叙述能在WO 97/45918、WO 97/45930和WO97/45931中找到。
本发明的目的是解决上述问题，并且提供一种用于上述类型的旋转电机的定子，该定子这样来设计，以便将使得一种新型和非常灵活的制造方法成为可能。该目的还为了提供一种定子的制造方法，以及一种包括该定子的旋转电机。
本发明的另一个目的是使定子和旋转电机适用于高压，高压主要指超过10kV的电压。这样电机的典型工作范围可以是36-800kV，优选地725-800kV。
该目的还通过一种定子来实现，该定子包括如权利要求1所限定的有利特征。对应的方法在权利要求23中限定。最后，该目的还通过根据权利要求31的旋转电机来实现，该旋转电机包括和定子有关的权利要求中任何一个所限定的定子。
因此，权利要求1的定子的特征在于，所述定子由至少两个大致环盘形的自支持定子元件构成，而且所述定子元件的轴向长度由和定子纵轴垂直的一个或多个分割平面来限定。因此，具有这种设计的定子由若干元件制成，这些元件也可以称为“切片”。这种设计特别对于涡轮发电机有利，因为它提供优选地在现场用较短元件组装发电机的可能性，这些较短元件更加容易运输。为了使盘元件自支持，它们的轴向长度优选地大于0.5m。普通涡轮发电机因此可以根据发电机的长度，例如分成2至15个之间的盘元件或切片。盘元件的可能尺寸可以是0.5-4m。一般地，定子所分成的盘元件的数目取决于是否选择对长度设置限制，这主要与元件的容易运输和一般处理有关。
对应方法的特征在于，至少使两个大致环盘形的自支持定子元件沿轴向结合在一起，所述定子元件的轴向长度由和定子的纵轴垂直的一个或多个分割平面来限定。
根据本发明的定子的设计使得有可能构造更大、更长和更重的发电机，因为运输方便得多。
进一步，使盘元件自支持，不仅从运输的观点来看是一个优点，而且为了使发电机能够在操作期间耐受动态条件及避免振动，也是一个重要特征。
根据本发明，作为权利要求1限定的定子的另一个特征，绕组通过绝缘导体来设置，该绝缘导体包括至少一个载流导体，一个设置在所述导体周围的具有半导电特性的第一层，一个设置在所述第一层周围的固体绝缘层，和一个设置在所述绝缘层周围的具有半导电特性的第二层。权利要求23限定的方法包括对应的特征。
如上所述，根据本发明，绕组优选地为这样类型，它和那些具有固体挤压绝缘的电缆类型相同，这些电缆类型即为现今用于配电的电缆类型，例如XLPE-电缆或具有EPR绝缘的电缆。这样的电缆包括一个由一条或多条股线部分构成的内导体，一个环绕该导体的内半导电层，一个环绕该半导电层的固体绝缘层，和一个环绕该绝缘层的外半导电层。这样的电缆是柔性的，这一点在这里是重要的特性，因为根据本发明的定子和方法的技术主要基于绕组系统，其中绕组由组装期间被弯曲的电缆形成。XLPE电缆的柔性通常对应于30mm直径的电缆约20cm的曲率半径，以及80mm直径的电缆约65cm的曲率半径。在本应用中，术语“柔性”用来指绕组可弯曲到电缆直径的约四倍，优选地为电缆直径的八到十二倍的曲率半径。
绕组应该保持其特性，即使当它被弯曲时，或当它在操作期间经受热应力或机械应力时。在这里各层相互之间保持它们的粘附极端重要。层的材料特性在这里是决定性的，特别是它们的弹性和相对热膨胀系数。例如，在XLPE电缆中，绝缘层由交联低密度聚乙烯构成，而半导电层由其中混合碳黑和金属微粒的聚乙烯构成。由温度波动所引起的体积变化完全作为电缆半径变化被吸收，并且由于相对这些材料的弹性，层中热膨胀系数之间有比较微小的差别，所以径向膨胀能在不失去层间粘附的情况下发生。
上述材料组合应该认为只是作为例子。实现规定条件及半导电条件的其他组合自然也属于本发明的范围，半导电即具有10-1-106ohm-cm范围之内，例如1-500ohm-cm或10-200ohm-cm的电阻率。
绝缘层例如可以由固体热塑材料、交联材料或橡胶构成，固体热塑材料例如有低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烯(“TXP”)，交联材料例如有交联聚乙烯(XLPE)，橡胶例如有乙烯丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。
第一内半导电层和第二外半导电层可以为相同的基本材料，但是其中混合导电材料的微粒，例如碳黑和金属粉末。
这些材料的机械特性，特别是它们的热膨胀系数，相对来说很少受到是否混合碳黑或金属粉末的影响，至少这些材料以实现根据本发明所需的导电率而要求的比例混合碳黑或金属粉末。因此绝缘层和半导电层具有大致相同的热膨胀系数。
乙烯-醋酸乙烯酯共聚物/丁腈橡胶(EVA/NBR)、丁基接枝聚乙烯、乙烯-丁基丙烯酸酯共聚物(EBA)和乙烯-乙基丙烯酸酯共聚物(EEA)也可以构成半导电层的适当聚合物。
即使当用不同类型的材料作为各种层的基础时，也希望它们的热膨胀系数大致相同。这是组合以上所列材料的情况。
以上所列材料具有相对优良的弹性，具有E＜500MPa，优选地＜200Mpa的E模量。该弹性足以使层中材料的热膨胀系数之间的任何微小差别在弹性的径向得到吸收，以便无破裂或任何其他损坏出现，以及层相互之间不脱开。层中的材料具有弹性，并且层之间的粘附至少和材料中最弱处具有相同强度。
两个半导电层的导电率足以使沿各层的电位大致相等。外半导电层的导电率足够高，以使电场包含在电缆之内，但是又足够低，以不会在层的纵向由于感应电流而引起相当大的损耗。
因此，两个半导电层各自实质上构成一个等电位表面，并且构成这些层的绕组将大致上使电场封闭在它之内。
当然，不妨碍在绝缘层中安排一个或多个其他半导电层。
通过使用高压绝缘导体，电机的电压可以增加到这样水平，使它可以不通过变压器而直接与电力网连接。这样带来可以省略常规变压器的非常重要的优点。因此，根据本发明的解决方案不论是就经济方面来说，还是就发电厂和包括旋转电机的其他安装地的空间要求和重量来说，都表现重要节省。
本发明的其他优点和特征将从从属权利要求中显而易见。
根据一个优选实施例，各定子元件包括一个自支持定子铁芯元件。根据另一个特征，各定子元件还包括一个自支持定子架元件。应该注意，不要求定子架构成主权利要求的自支持定子元件的一部分。因为定子元件可以非常适当地仅包括定子铁芯元件，并且定子架可以以后在操作现场安装。
定子铁芯元件可以按常规方式，通过可选数目的电片层制成，优选地胶合在一起，或它们可以由压实的金属粉，包括磁粉的合成材料，或任何其他适当的材料制成。
定子有利地设有组装装置，以把自支持定子元件组装在一起。在一个优选实施例中，这些组装装置可以包括螺栓，安排为沿定子铁芯元件中的对应轴向孔施加。优选地，这些螺栓设有一些预张装置，以便把定子元件牢固地固定在一起。所述螺栓可以是螺栓和冷却导管的组合。所述螺栓还可以是螺栓和槽键元件的组合。
可选择地，所述组装装置可以包括把定子元件焊接在一起，或包括粘合剂。
在另一个优选实施例中，组装装置包括从外部施加到定子架上的法兰接合，在这样情况，定子架也将分成几个架部分。自然，通常要求一个以上的法兰接合，数目取决于定子的长度和定子元件的数目。
根据一个特别重要的特征，定子设有第一引导装置，以把一个定子铁芯元件的定子槽引导和相邻定子铁芯元件的定子槽配合。根据另一个重要特征，定子铁芯元件设有用于冷却导管的孔，并且定子设有第二引导装置，以把一个定子铁芯元件的冷却导管孔引导和相邻定子铁芯元件的冷却导管孔配合。当定子是涡轮发电机中的定子时，这些引导装置非常有利，因为涡轮发电机可能具有相当长的定子元件。长定子元件对于绕组槽和用于冷却导管的孔具有高容限要求，以便当把它们插入槽/孔时，避免对绕组和冷却导管的损坏，并且设置的引导装置将保证两个相邻定子铁芯元件中槽/孔之间的良好对应。用于冷却导管的引导装置的例子是一个短套管，部分插入一个定子铁芯，当安装相邻定子铁芯时，所述套管起一个引导装置的作用。引导装置可以是一种在完成组装时被收回的类型，或可以是一种在完成组装之后保留在铁芯中的类型。
冷却导管可能包括定子铁芯中的预装大致轴向的冷却导管。在这样的情况下，可以在沿分割平面的表面中，设置密封部件，例如“O形环”。
冷却导管及绕组槽可以是弯曲形状或直轴形状。
关于绕组中的绝缘导体，这样可能具备若干有利特征。
根据一个优选实施例，绝缘导体或电缆是柔性的。为了能够使该电缆用作绕组，这个特征是重要的。进一步，第一半导电层大致和载流导体处在相同的电位。第二半导电层优选地安排为在所述导体和绝缘层周围构成大致等电位的表面。它还与预定电位，优选地接地电位连接。根据其他特征，至少两个相邻层具有大致相等的热膨胀系数，载流导体可以包括若干股线，其中仅由几条相互之间不绝缘。
作为又一个优点，所述三层，即两个半导电层和绝缘层，各自可以沿大致整个连接表面与相邻层固体连接。根据又一个特别重要的特征，所述层安排为即使当绝缘导体或电缆经受弯曲时也相互粘附。最后，可以提到，优选地电缆具有20-250mm区间的直径，以及80-3000mm2区间的导电面积。
优选地，使用圆形截面的电缆。它们具有更容易弯曲及表现更好电特性的优点。然而，为了获得更好的组装密度，还可以使用具有不同截面的电缆。
根据本发明的方法有利地还包括步骤，通过把螺栓插入定子元件中设置的对应孔，来轴向组装定子元件，定子元件优选地是定子铁芯元件。可选择地，通过在定子架外部施加至少一个轴向法兰接合，来轴向组装定子元件。
其他步骤包括把冷却导管插入定子中设置的对应孔，以及把绕组插入定子齿的绕组槽中。优选地，绕组沿轴向插入绕组槽中。这是插入绕组的简单方法，它由所使用的柔性电缆的类型而成为可能。作为又一个有利特征，定子可以在旋转电机的安装现场组装。
总之，本发明具有优点，它提供一种定子铁芯，这种定子铁芯就制造方法来说简单，而且又容易运输和安装到最终操作现场。这对于涡轮发电机来说特别有利，但是自然不限于这样的发电机。
现在将参考附图中说明的优选实施例，更详细地叙述本发明，其中：
图1表示根据本发明的定子的部分透视示意图；
图2表示具有组装装置的第一实施例的定子的示意图；
图3表示具有组装装置的第二实施例的定子的示意图；以及
图4表示绝缘导电体的截面图。
在图1中，说明了根据本发明的定子1，为了清楚原因，部分被切去。这个定子包括定子铁芯2和定子架6。定子铁芯由定子齿3构成，并且备有示意说明的绕组4。在说明的示例实施例中，定子被沿和定子的纵轴11垂直的若干分割平面(在图1中仅表示了其中的三个8、9、10)分成若干自支持定子元件，仅完整地表示了其中的三个定子元件12、13、14。如所说明，分割平面的数目和定子元件的数目可以根据制造者、用户等的愿意，认为是适当的任何数目。最常认为当根据各元件可以运输的最大轴向长度l来确定元件数时，运输限制将是决定性的。
这些定子元件12、13、14中各自包括一个定子铁芯元件和一个定子架元件。分割平面在说明的实施例中把定子分成相等尺寸，即相等轴向长度l1的定子元件。然而，分成不同轴向长度的元件也是可以想的到的。例如，可以优选地具有相等重量而不是相等轴向长度的定子元件。
定子可以描述为它好像被切成三个切片，其中各切片即定子元件为大致盘形。当然，在包括架的所示实施例中，端元件设有凸架元件，但是这样不会不利地影响盘形的一般印模。
在以下各图中，和图1元件类似的元件用相同的标号表示。
在图2中，说明了用于定子铁芯15的组装装置的第一实施例，它取螺栓16形状，插入铁芯中安排的孔中。这些螺栓优选地设有某些种类的预张装置。定子铁芯通过分割平面20分成两个定子铁芯元件18、19，这些定子铁芯元件18、19用相等的轴向长度l3说明。应该注意，在本示意说明中，与其直径比较，铁芯表示为比通常情况短得多。铁芯还包括冷却导管17。
图3说明的定子25沿两个分割平面30、31分成三个定子元件27、28、29。在本示意实施例中，定子元件具有不同的轴向长度，两端元件比中央元件具有较长的轴向长度是l5，中央元件具有轴向长度l4。定子架对应地分成三个支持架部分35、36、37，以支持在定子铁芯的外周表面表示的相对部分上，以及铁芯的轴端的部分上。这些元件通过设置在支持架部分35、36、37上的两个法兰接合装置33、34，沿轴向组装。因此，架部分在它们各自的接合端设有法兰，这些接合端通过螺丝或螺栓连接。法兰可以焊接到架部分上，或以任何其他适当方式固定。
最后，在图4中，表示了特别适用于根据本发明的定子中绕组的电缆。电缆40包括至少一个载流导体40，由第一半导电层42环绕。在所述第一层外侧，设置一个固体绝缘层43。然后在绝缘层周围，设置第二半导电层44。载流导体可以包括若干股线46，其中至少有些相互绝缘。电缆的三层安排为即使当电缆弯曲时也相互粘附。电缆因此是柔性的，并且这个特性在电缆的整个寿命期间得到保持。所说明的电缆还与常规高压电缆不同，在于它不必要包括任何用来机械保护电缆的外层，也不必要包括任何通常设置在这样电缆上的金属屏蔽。
以上对本发明的优选实施例的叙述仅作为说明例子，而不是限定本发明。在以下权利要求的范围之内，本发明的若干变更自然是可以想的到的。