專利名稱：圓形截面定子繞組的高壓發電機及其定子的制造方法
技術領域：
本發明涉及發電機領域，尤其涉及一種高壓發電機及其定子的制造方法。
背景技術：
傳統的大型旋轉電機定子線棒由外包介電強度高的環氧為主絕緣的長方 形截面導體組成，為減少渦流損耗，各股線必須彼此絕緣，并沿線棒按復雜的 形狀進行換位。為使電場均勻，避免產生電暈，在繞組端區域必須采用復雜的
措施。發電機的傳統設計使發電機的額定輸出電壓很難超過30 35kV(我國目 前最高為20kV)。相反，電網傳輸電壓逐漸提高，目前最高已達800kV。
傳統的中、小型電機中，都采用空氣作為冷卻介質。當空氣從電機內部流 過時，將電機所產生的熱量帶走。當電機的容量很大時，這種冷卻方式的局限 性就很突出。所以大型電機使用氫氣、油或非導電水作為冷卻介質，但氫氣容 易與空氣混和發生爆炸，還必須有一套控制設備來保證外界空氣不會滲入到電 機內部，如以油為介質存在有泄漏、引起火災的隱患，而當用水作為冷卻介質 時，水必須采用過濾非導電水，需要另外的過濾設置。
發明內容
本發明為了解決現有發動機所存在的額定輸出電壓小、渦流損耗大、設備 繁雜的問題，以及現有冷卻系統的局限性，而提出了一種圓形截面定子繞組的 高壓發電機及其定子的制造方法。
本發明的圓形截面定子繞組的高壓發電機由定子和轉子組成；定子由機座 1、鐵芯2、定子繞組3和散熱水管4組成；定子繞組3的截面為圓形；定子
繞組3由內M外依次為導體3-1，內部半導體層3-2，絕緣層3-3，外部半導體 層3-4組成，導體3-l為單股導線或鉸繞的多股導線，外部半導體層3-4和地 電勢相連；沿鐵芯2徑向方向開有浪型繞組槽2-l;定子繞組3置于鐵芯2的 浪型繞組槽2-1內，定子繞組3與浪型繞組槽2-1間隙配合；鐵芯2軛的圓周 方向上均勻開有至少四個圓形散熱槽2-2,散熱水管4置于圓形散熱槽2-2內。 圓形截面定子繞組的高壓發電機定子的制造方法的步驟如下
步驟一固定鐵芯2:將鐵芯2安裝于機座1上；
步驟二定子繞組3下線將一組或一相繞組的一根定子繞線的一端從鐵 芯2的一端沿浪型繞組槽2-1穿過，并到達鐵芯2的另一端，按節距要求再從 鐵芯2的另一端穿回，往復進行；下線順序為每一組或每一相繞組的定子繞 組3都依次從槽底向槽口方向下線，直到該組線圈下線完畢，再下另一組或另 一相繞組；
步驟三將散熱水管4穿入到圓形散熱槽2-2內；
步驟四把定子繞組3的端部和散熱水管4的端部綁扎整齊，固定在機座 1的綁扎環上。
本發明具有以下優點
效率使用本發明電機的電廠的效率比一個常規電廠的效率高0. 5 2, 0%。 對于一個120MW的電廠，則效率高1.5%。這意味著具有本發明電機的電廠 將比常規電廠多產1. 8MW的電，將有效的提高電廠的經濟效益。
無功功率容量本發明的發電機減少了升壓變壓器的無功功率的損耗，但 其自身的無功損耗有所加大，是由于高壓發電機的耐用設計，但它能比無功功 率補償器更長時間的處在過載情況下。這點在高壓傳輸電網的擾動情況下是非 常有利的。
維護可利用率因為由高壓發電機組建的電廠相對于傳統電廠有更少的 元件，因此維護起來比較方便簡單。高壓發電機在高電壓低電流的情況下工作， 因此，定子繞組上產生的熱量將比相同功率等級的傳統發電機的定子繞組產生 的熱量低。由此，高壓發電機能在低溫下運行，使得定子繞組的材料承受較低 的壓力，這樣將使它產生更少的故障和更高的可利用率。
故障電流本發明的電機與傳統發電機比較，突然短路電流比預計的要小 很多。
投資比較將冷卻系統簡化，克服了使用氫冷易發生爆炸；使用水冷需過 濾裝置的缺點；直接采用純凈自來水，無需過濾，省去了相應設備，使成本大 大降低；與傳統發電機比較，建設本發明發電機的電站比建設傳統發電機電站 的總投資也有減少，設備造價可節約10%左右。
環保因素使用能量變換器的電站對環境的重要貢獻緣于效率的提高,從
而減少對自然資源的需求。由于省去了升壓變壓器，所以就避免了變壓器漏油 起火等環境和安全問題。
工藝安全由于繞組不需要換位，省去了復雜的換位工藝使下線工藝簡化
且綁扎工藝簡單；實現了繞組下線和裝配一體化；運行時端部為零電位，能 很好保證操作人員安全。
利用本發明可以取消發電機側開關、母線、沖擊電壓保護器、升壓變壓器 及它們相應的基建，也簡化了它本身的冷卻系統，使總體造價大幅度降低；同 時也沒有了這些設備帶來的有功和無功損耗，使用該高壓電機可以直接并網， 使發電、升壓一體化，總體結構可靠，占地少，維護少，總效率高，使電廠的 效率和效益提高；由于設備減少，系統的可用率提高，可靠性提高，維護費用 降低；它通常比傳統發電機的慣性常數(GD^大，有利于電力系統的安全、穩 定運行；它的運行穩定性與常規發電機比較有較大提高；它的效率高，生產同 樣的電能所用燃料減少，可降低廢氣排放；由于取消了升壓變壓器，消除了因 漏油、著火等帶來的危害，因此高壓發電機的利用對環境保護也大有益處。
圖l是本發明的縱向剖視圖；圖2和圖3是定子繞組3的結構示意圖；圖 4是定子繞組3的絕緣層3-3均勻纏繞時鐵芯2徑向剖視圖；圖5是圖4的a 部放大圖；圖6是定子繞組3的絕緣層3-3均勻纏繞時嵌有槽楔2-3的鐵芯2 徑向剖視圖；圖7是圖6的b部放大圖；圖8是定子繞組3的絕緣層3-3階梯 步進纏繞時鐵芯2徑向剖視圖；圖9是圖8的c部放大圖；圖10是定子繞組 3的絕緣層3-3階梯步進纏繞時嵌有槽楔2-3的鐵芯2徑向剖視圖；圖11是圖 10的d部放大圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結合圖1 圖11說明本實施方式，本實施方式由定子 和轉子組成；定子由機座l、鐵芯2、定子繞組3和散熱水管4組成；定子繞 組3的截面為圓形；定子繞組3由內而外依次為導體3-l，內部半導體層3-2， 絕緣層3-3，外部半導體層3-4組成，導體3-1為單股導線或鉸繞的多股導線， 外部半導體層3-4和地電勢相連；沿鐵芯2徑向方向開有浪型繞組槽2-l;定 子繞組3置于鐵芯2的浪型繞組槽2-1內，定子繞組3與浪型繞組槽2-1間隙
配合；鐵芯2軛的圓周方向上均勻開有至少四個圓形散熱槽2-2，散熱水管4 置于圓形散熱槽2-2內。定子繞組3的截面為圓形，從麥克斯韋方程可知，圓 形導體在周圍產生均勻的電場。具有導致發電機輸出電壓的增長，使它發出的 電壓超過36kV以使它能直接和輸配電網相連，達到和傳輸網絡相同的電壓等 級，高壓發電機將傳統發電機和變壓器的功能合二為一，并使電場強度達到 10kV/mm，由于高壓發電機的定子電壓大幅度提高，那么它的定子電流遠遠低 于同功率常規發電機的定子電流。低電流就意味著端部繞組的機械力降低了， 繞組端部的問題相對于常規發電機簡單了。為了保證外皮維持在地電位，定子 繞組3的外部半導體層3-4具有一定的導電能力，使電場局限在電纜內，不必 像在常規發電機中那樣，控制端部線圈區域中的電場，簡化了電場控制。在繞 組的全體區域，都沒有局部放電或電暈的危險；由于線圈端部區域處于地電勢， 人身安全得到了保障。導體3-l采用單股導線或鉸繞的多股導線，解決了渦流 損耗問題。大多數的熱在定子鐵芯中產生，定子鐵芯被限制在地電勢。不具有 輻射性風道的軸向冷卻系統的一個優點是定子鐵芯變得均勻，這就縮短了總的 鐵芯長度而且提高了效率。由于散熱系統被限制在地電勢，所以就沒必要用傳 統水冷定子繞組中的去離子水。因此，普通自來水可以用作高壓發電機定子鐵 芯的冷卻介質，而轉子和端部用空氣冷卻方式。
具體實施方式
二結合圖4 圖7說明本實施方式，本實施方式與具體 實施方式一不同點在于置于浪型繞組槽2-1內的定子繞組3的絕緣層3-3均勻 纏繞在內部半導體層3-2上。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖8 圖11說明本實施方式，本實施方式與具體 實施方式一不同點在于置于浪型繞組槽2-l內的定子繞組3分為m組，m》2， 從鐵芯2的圓心向圓周方向分布的第一組到第m組的定子繞組3的絕緣層3-3 的厚度分組逐漸遞增。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。本實施方 式中的定子繞組3的絕緣3-3采用的是階梯步進纏繞，這是因為發電機的感應 電壓從定子繞組中性點到線末端逐漸增加，使得電纜沿著繞組方向產生不同的 電應力。因此，在繞組的前幾匝使用較薄的絕緣，隨后的匝數依次增加絕緣厚 度，使用階梯步進絕緣還可以確保定子齒寬的恒定，這種階梯步進式絕緣纏繞 使疊壓鐵芯也得到優化利用。
具體實施方式
四結合圖2和圖3說明本實施方式，本實施方式與具體實施方式
一不同點在于絕緣層3-3采用硅電介質交聯聚乙烯。其它組成和連接 方式與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖6、圖7、圖10和圖11說明本實施方式，本實 施方式與具體實施方式
二不同點在于浪型繞組槽2-l的一個長邊為直線邊，并 增加了槽楔2-3，槽楔2-3由可塑性材料制成的管狀物結構，槽楔2-3設置于 定子繞組3和浪型繞組槽2-l的槽壁之間，槽楔2-3的管中注滿液體硅膠，液 體硅膠與槽楔2-3的管壁固化定型為一體結構。其它組成和連接方式與具體實 施方式一相同。浪型繞組槽2-l很深且齒很長，機械上容易造成齒的彎曲剛度 降低，產生低頻共振，為了確保定子繞組3和鐵芯2之間有良好的電接觸采用 槽楔2-3固定，同時可減少定子繞組3在浪型繞組槽2-1中振動而引起外部半 導體層磨損。
具體實施方式
六結合圖4 圖11說明本實施方式，本實施方式與具體 實施方式一不同點在于散熱水管4是交聯聚乙烯水管。其它組成和連接方式與具體實施方式
一相同。交聯聚乙烯水管的運用可以消除管子和鐵芯間短路的危 險，也可以消除在接頭和管子中產生渦流的問題。
具體實施方式
七本實施方式的高壓發電機定子的制造方法的步驟如下步驟一固定鐵芯2:將鐵芯2安裝于機座1上；步驟二定子繞組3下線將一組或一相繞組的一根定子繞線的一端從鐵 芯2的一端沿浪型繞組槽2-l穿過，并到達鐵芯2的另一端，按節距要求再從 鐵芯2的另一端穿回，往復進行；下線順序為每一組或每一相繞組的定子繞 組3都依次從槽底向槽口方向下線，直到該組線圈下線完畢，再下另一組或另 一相繞組；步驟三將散熱水管4穿入到圓形散熱槽2-2內；步驟四把定子繞組3的端部和散熱水管4的端部綁扎整齊，固定在機座 1的綁扎環上。
具體實施方式
八本實施方式與具體實施方式
七不同點在于步驟二的下 線過程中增加了分瓣式的保護套，將橢圓形分瓣式的保護套安裝在定子繞組3 穿線過程中浪型繞組槽2-1穿入端口的內壁上。其它步驟與具體實施方式
七相 同。分瓣式的保護套使定子繞組3在穿線時不會被刮破，當該槽下線完畢時， 可以很方便地拆下保護套。在下線時， 一定要注意電纜在穿入端要捋直放正。
具體實施方式
九本實施方式與具體實施方式
七不同點在于步驟二中增 加了插入槽楔2-3，當定子繞組3完成一個浪型繞組槽2-1的下線時，將可塑 性材料制成的管狀物槽楔2-3置于直線邊與定子繞組3之間的空隙中，向槽楔 2-3的管腔中注入液體硅膠直至注滿，等待液體硅膠與槽楔2-3的管壁固化定 型。其它步驟與具體實施方式
七相同。
權利要求
1、圓形截面定子繞組的高壓發電機，它由定子和轉子組成；其特征在于定子由機座(1)、鐵芯(2)、定子繞組(3)和散熱水管(4)組成；定子繞組(3)的截面為圓形；定子繞組(3)由內而外依次為導體(3-1)，內部半導體層(3-2)，絕緣層(3-3)，外部半導體層(3-4)組成，導體(3-1)為單股導線或鉸繞的多股導線，外部半導體層(3-4)和地電勢相連；沿鐵芯(2)徑向方向開有浪型繞組槽(2-1)；定子繞組(3)置于鐵芯(2)的浪型繞組槽(2-1)內，定子繞組(3)與浪型繞組槽(2-1)間隙配合；鐵芯(2)軛的圓周方向上均勻開有至少四個圓形散熱槽(2-2)，散熱水管(4)置于圓形散熱槽(2-2)內。
2、 根據權利要求1所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機，其特征在于 置于浪型繞組槽(2-l)內的定子繞組(3)的絕緣層(3-3)均勻纏繞在內部半導體層 (3畫2)上。
3、 根據權利要求1所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機，其特征在于 置于浪型繞組槽(2-l)內的定子繞組(3)分為m組，m》2，從鐵芯(2)的圓心向圓 周方向分布的第一組到第m組的定子繞組(3)的絕緣層(3-3)的厚度分組逐漸遞 增。
4、 根據權利要求2或3所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機，其特征 在于絕緣層(3-3)采用硅電介質交聯聚乙烯。
5、 根據權利要求1所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機，其特征在于 浪型繞組槽(2-l)的一個長邊為直線邊，并增加了槽楔(2-3)，槽楔(2-3)由可塑性 材料制成的管狀物結構，槽楔(2-3)設置于定子繞組(3)和浪型繞組槽(2-l)的槽 壁之間，槽楔(2-3)的管中注滿液體硅膠，液體硅膠與槽楔(2-3)的管壁固化定型 為一體結構。
6、 根據權利要求1所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機，其特征在于 散熱水管(4)是交聯聚乙烯水管。
7、 圓形截面定子繞組的高壓發電機定子的制造方法，其特征在于它步驟 如下步驟一固定鐵芯(2):將鐵芯(2)安裝于機座(1)上；步驟二定子繞組(3)下線將一組或一相繞組的一根定子繞線的一端從鐵芯(2)的一端沿浪型繞組槽(2-l)穿過，并到達鐵芯(2)的另一端，按節距要求 再從鐵芯(2)的另一端穿回，往復進行；下線順序為每一組或每一相繞組的 定子繞組(3)都依次從槽底向槽口方向下線，直到該組線圈下線完畢，再下另 一組或另一相繞組；步驟三將散熱水管(4)穿入到圓形散熱槽(2-2)內；步驟四；把定子繞組(3)的端部和散熱水管(4)的端部綁扎整齊，固定在機 座(l)的綁扎環上。
8、 根據權利要求7所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機定子的制造方 法，其特征在于步驟二的下線過程中增加了分瓣式的保護套，將橢圓形分瓣式 的保護套安裝在定子繞組(3)穿線過程中浪型繞組槽(2-l)穿入端口的內壁上。
9、 根據權利要求7所述的圓形截面定子繞組的高壓發電機定子的制造方 法，其特征在于步驟二中增加了插入槽楔(2-3)，當定子繞組(3)完成一個浪型 繞組槽(2-l)的下線時，將可塑性材料制成的管狀物槽楔(2-3)置于直線邊與定子 繞組(3)之間的空隙中，向槽楔(2-3)的管腔中注入液體硅膠直至注滿，等待液 體硅膠與槽與(2-3)的管壁固化定型。
全文摘要
圓形截面定子繞組的高壓發電機及其定子的制造方法，它涉及電動機領域，本發明解決了現有發動機所存在的額定輸出電壓小、渦流損耗大、設備繁雜的問題，其電機的定子繞組截面為圓形；其由內而外依次為導體，內部半導體層，絕緣層，外部半導體層，導體為單股或鉸繞的多股導線；沿鐵芯徑向方向開有浪型繞組槽；定子繞組置于鐵芯的浪型繞組槽內間隙配合；鐵芯軛的圓周方向上均勻開有至少四個圓形散熱槽，散熱水管置于其內。其定子的制造方法為首先將鐵芯安機座上；其次將定子繞組的一端從鐵芯的浪型繞組槽一端穿到另一端，按節距要求再從另一端穿回，往復進行；之后將散熱水管傳入到圓形散熱槽內；最后幫扎整齊。它的結構簡單、穩定性高、冷卻系統簡化。
文檔編號H02K3/04GK101212155SQ20071014492
公開日2008年7月2日 申請日期2007年12月25日 優先權日2007年12月25日
發明者戈寶軍, 梁艷萍, 陶大軍 申請人:哈爾濱理工大學