устройство из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и элементов обмотки

Формула изобретения

1. Устройство из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и элементов обмотки, которые вложены в соответствующие пазы каркаса, причем каждый элемент обмотки содержит электрически хорошо проводящее основное тело, которое окружено импрегнируемой изолирующей гильзой, которая со своей стороны покрыта электрически слабо проводящим импрегнируемым защитным слоем, между каждым элементом обмотки и по меньшей мере одной стенкой каждого соответствующего паза расположен импрегнируемый разделительный слой, защитный слой через множество мостиков электрически соединен со стенкой паза сквозь разделительный слой, отличающееся тем, что разделительный слой в основном выполнен из листов щипаной слюды, которые плоско лежат между стержнем обмотки и стенкой паза, мостики являются электрически слабо проводящими.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что листы щипаной слюды удерживаются на или в импрегнируемом носителе.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что носитель является электрически слабо проводящим текстилем.

4. Устройство по одному из пп.1 3, отличающееся тем, что мостики состоят из электрически слабо проводящего текстиля.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что мостики образованы по меньшей мере одной лентой из электрически слабо проводящего текстиля, причем лента многократно проведена сквозь разделительный слой и электрически соединена как с защитным слоем, так и со стенкой паза.

6. Устройство по одному из пп.1 5, отличающееся тем, что между разделительным слоем и стенкой паза лежит прокладка из электрически слабо проводящего текстиля.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что прокладка перекрывает стенку паза.

8. Устройство по п.6 или 7, отличающееся тем, что разделительный слой закреплен на прокладке.

9. Устройство по одному из пп.1 8, отличающееся тем, что каждый элемент обмотки покрыт разделительным слоем.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что разделительный слой представляет собой многократно намотанную вокруг элемента обмотки ленту.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что для образования мостиков на элемент обмотки нанесена попеременно сверху и снизу лента из электрически слабо проводящего текстиля с разделительным слоем.

12. Устройство по одному из пп.9 12, отличающееся тем, что на каждом элементе обмотки разделительный слой окружен прокладкой из электрически слабо проводящего текстиля.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что прокладка представляет собой намотанную на разделительный слой ленту из электрически слабо проводящего текстиля.

14. Устройство по одному из пп.1 13, отличающееся тем, что в случае импрегнирования заливочным материалом, в частности отвержденной эпоксидной смолой, каждый паз содержит по меньшей мере один лежащий, в основном, параллельно в стенке паза электрически экранированный разделительный слой, прочность которого меньше прочности других слоев в пазу.

15. Устройство по одному из пп.1 14, отличающееся тем, что оно импрегнировано заливочным материалом, в частности отвержденной эпоксидной смолой, и служит в качестве части большой динамоэлектрической машины, в частности в качестве статора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и элементов обмотки (секций), например, для применения в электрической большой машине с потребляемой или отдаваемой мощностью более примерно 20 МВА, предпочтительно более чем примерно 50 МВА, в частности изобретение относится к такому устройству для применения в качестве статора в турбогенераторе.

Имеющийся в таком устройстве элемент обмотки имеет обычно основное тело с по меньшей мере одним электрически хорошо проводящим металлическим проводом или металлическим стержнем, в частности, с множеством подобных металлических стержней, и окружен изолирующей гильзой, которая покрыта электрически полупроводящим защитным слоем. Изолирующая гильза элемента обмотки состоит обычно из подлежащего импрегнированию или импрегнированного заливочным материалом, содержащего слюду материала; этот материал обычно представляет собой намотанную на основное тело ленту на основе мелкой слюды, а заливочным материалом является синтетическая смола, предпочтительно, термоотверждаемая система эпоксидных смол, например, термоотверждаемая смесь из эпоксидной смолы и кислотного ангидрида. Имеющийся в элементе обмотки металлический провод или металлический стержень может быть полым для прохождения текучего охлаждающего средства. Элементы обмотки известны в виде стержней обмотки с имеющими форму стержня основными телами, в частности примерно прямыми основными телами с отогнутыми концами, а также в виде фасонных катушек с основными телами из намотанных проводов; фасонные катушки имеют, как правило, два приблизительно прямых, вкладываемых в особые пазы сегмента. Стержни обмотки обычно находят применение в динамоэлектрических машинах с очень высокой мощностью, например в турбогенераторах, фасонные катушки используются предпочтительно в динамоэлектрических машинах с малой мощностью.

Наиболее широко распространенный метод изготовления компоненты с элементами обмотки для большой динамоэлектрической машины требует подготовки элементов обмотки, которые до их вкладывания в компоненты уже снабжены импрегнированием их изолирующих гильз и путем отверждения импрегнирования в специальных пресс-формах получили необходимую внешнюю форму. Между тем нашел применение так называемый способ общей пропитки, при котором элементы обмотки получают свое импрегнирование заливочным материалом только после встраивания в соответствующие каркасы; путем введения способа общей пропитки необходимое до сих пор точное придание формы путем прессования или тому подобного в значительной степени могло быть сделано излишним. Также и при способе общей пропитки, содержащие эле- менты обмотки, пазы в каркасе в основном полностью заполнены заливочным материалом, так что элементы обмотки без дальнейших мер подклинивания, которые до сих пор всегда были необходимыми, в самой значительной степени неподвижно фиксированы в пазах каркаса.

При конструировании подлежащего импрегнированию устройства из каркаса и элементов обмотки следует учитывать, что устройство как при импрегнировании заливочным материалом и при последующем отверждении заливочного материала, так и при более поздней эксплуатации в электрической машине подвержено воздействию переменных температур в области между обычными температурами окружающей среды и температурами больше, чем 100^oC; вследствие отличающихся друг от друга коэффициентов расширения каркаса (который обычно состоит из ферромагнитного металла) и заливочного материала (как правило эпоксидной смолы) должны приниматься во внимание и учитываться возможности появления термических напряжений и образования трещин в заливочном материале. Для этого уже необходимо предусматривать между каждым элементом обмотки и по меньшей мере одной стенкой паза, в который он вложен, разделительный слой, прочность которого значительно снижена по сравнению с прочностью других слоев в пазу, так что образование трещин происходит преимущественно в этом разделительном слое; для избежания тлеющих разрядов в таких трещинах (опасность, которая в частности имеет место в статорах больших электрических машин) разделительный слой электрически экранируют за счет того, что его вводят между двумя связанными между собой, электрически по меньшей мере слабо проводящими слоями. Непосредственно примыкающий к элементу обмотки слабо проводящий слой при этом может быть обычно и без того приданным элементу обмотки в качестве "внешней защиты от тлеющего разряда" защитным слоем. Функции другого, противолежащего защитному слою сзади разделительного слоя, электрически по меньшей мере слабо проводящего слоя может брать на себя при некоторых условиях сама стенка паза; однако можно вводить также дополнительный электрически проводящий или слабо проводящий промежуточный слой.

Дальнейшие рассуждения относительно применения способа общей пропитки при изготовлении компонентов для больших динамоэлектрических машин следуют из патентных заявок WO 91/01059 A1 и EP 0379012 A2; оба документа относятся к изготовлению устройств из ферромагнитных и электрически проводящих каркасов и стержневых обмоток, которые должны подвергаться способу общей пропитки описанным выше образом. Названный вторым документ дает кроме того указания, каким образом может быть выполнено крепление стержней обмотки в каркасе при использовании преимуществ, получающихся из способа общей пропитки.

Дальнейшие указания по способу общей пропитки при изготовлении компонентов для динамоэлектрических машин следуют из заявки ФРГ DE 3636008 A1, а также из патента США 3990029. Оба документа относятся только к устройствам со стержнями обмотки, изолирующие гильзы которых при встраивании в каркасы уже являются законченно импрегнированными.

Указания по изготовлению элементов обмотки и обмоток электрических машин, а также указания относительно изоляции в подвергающихся сильной электрической и термической нагрузке машинах следуют из книги, изданной Секвенцем Х. Изготовление обмоток электрических машин, изд., Springer, Вена и Нью-Йорк, 1973. Подробное обсуждение очень важного для изоляции в электрических машинах материала слюды находится в книге Х.-В. Роттера Х.- В. Слюда и изделия из слюды, Сименс АГ, Берлин и Мюнхен, 1985. В частности, в этой работе содержатся рассуждения относительно применения щипаной слюды, под которой следует понимать тонкие, полученные расщеплением больших кристаллов слюды листы, и мелкой слюды, под которой следует понимать подобное бумаге изделие из тонко размолотой слюды. Щипаная слюда и мелкая слюда применяются предпочтительно в виде слюдяных лент, состоящих из слюдяного изделия на носителе типа японской бумаги, стеклоткани или текстиля из синтетического волокна. Согласно второй названной ссылке мелкая слюда является более предпочтительным продуктом для изготовления изоляций в подвергающихся сильной электрической и термической нагрузке машинах, так как изоляции из щипаной слюды вследствие пружинящего действия и склонности к дальнейшему расщеплению листов щипаной слюды существенно больше чем мелкая слюда, склонны к образованию полых пространств и тем самым могли бы вызывать тлеющие разряды в изоляции.

Импрегнируемое заливочным материалом по способу общей пропитки устройство из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и стержней обмотки, при котором уже обсужденным образом между каждым стержнем обмотки и по меньшей мере одной стенкой соответствующего паза расположен разделительный слой, который электрически экранирован для предотвращения тлеющих разрядов, представлено в заявке МО 91/01059 А1. Разделительный слой образован с помощью веществ, которые не смачиваются заливочным материалом; такими веществами могут быть покрытия или пропитанные текстиль или пленки, которые при необходимости за счет перфорации или тому подобного являются проницаемыми для заливочного материала. Для обеспечения экранирования разделительного слоя его располагают между двумя электрически слабо проводящими слоями; эти слои могут или прикасаться друг к другу сквозь разделительный слой и таким образом образовывать электрические контакты, или может использоваться металлический, находящийся в контакте с обоими слабо проводящими слоями контактный провод.

В основе изобретения лежит задача указания устройства из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и элементов обмотки, которые вложены в соответствующие пазы каркаса, причем это устройство подлежит импрегнированию заливочным материалом по способу общей пропитки (причем также изолирующие гильзы элементов обмотки получают свое импрегнирование), и в котором между каждым элементом обмотки и по меньшей мере одной стенкой паза каждого соответствующего паза предусмотрен проницаемый для заливочного материала разделительный слой, а также защитный слой каждого элемента обмотки и стенка паза электрически соединены друг с другом сквозь разделительный слой, причем не должно применяться никакое усложняющее импрегнирование разделительное средство и причем не являются необходимыми никакие особые металлические контактные провода, которые вследствие возможно появляющихся в них потерь на вихревые токи могут приводить к локальным нагревам.

Соответствующее изобретению решение этой задачи представляет собой устройство из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и элементов обмотки, которые вложены в соответствующие пазы каркаса, причем в устройстве:

- каждый элемент обмотки содержит электрически хорошо проводящее основное тело, которое окружено импрегнируемой изолирующей гильзой, которая покрыта электрически слабо проводящим, импрегнируемым защитным слоем;

- между каждым элементом обмотки и по меньшей мере одной стенкой паза каждого соответствующего паза расположен импрегнируемый разделительный слой;

- защитный слой через множество мостиков электрически связан со стенкой паза сквозь разделительный слой и причем в этом устройстве;

- разделительный слой в основном выполнен из листов щипаной слюды, которые плоско лежат между стержнем обмотки и стенкой паза;

- мостики являются электрически слабо проводящими.

Изобретение позволяет, в частности, с выгодой использовать расщепляемость щипаной слюды. Кристаллы слюды и вместе с тем также полученные из кристаллов слюды листы щипаной слюды склонны вследствие кристаллической структуры к дальнейшему разделению в особой плоскости расщепления, причем листы щипаной слюды расщепляются на множество лежащих друг на друге листов с соответственно уменьшенной толщиной. Это свойство используется, чтобы в каждом пазу соответствующего изобретению устройства создать зоны, в которых концентрируется обусловленное процессами усадки расслаивание. Импрегнируемость устройства за счет использования щипаной слюды не ухудшается; при полной пропитке заливочный материал может протекать между листами щипаной слюды или проходить через зазоры между чешуйчато лежащими друг на друге листами щипаной слюды.

Кроме того, изобретение в значительной степени избегает вихревых токов, которые могут создаваться в пазу изменяющимися во времени магнитными полями, так как вместо электрически хорошо проводящего контактного провода применяется слабый проводник для образования электрических контактов сквозь разделительный слой. В соответствии с этим устройство согласно изобретению пригодно, в частности, для изготовления статора для электрически сильно нагруженного генератора, при котором появляющиеся в пазах каркаса переменные магнитные поля являются относительно высокими, и поэтому применение электрически хорошо проводящего контактного провода вследствие возникающих в нем больших вихревых токов имеет недостатки.

Преимущественно листы щипаной слюды в соответствующем изобретению устройстве удерживаются на или в импрегнируемом носителе; предпочтительно могут использоваться пленка щипаной слюды или лента щипаной слюды с листами щипаной слюды на импрегнируемой бумаге или импрегнируемом текстиле, в частности также продукт из щипаной слюды, заключенный между двумя носителями такого вида. В каждом таком случае особенно предпочтительно использовать в качестве носителя электрически слабо проводящий текстиль. Такой текстиль имеется в распоряжении, в самых различных формах; он может быть образован из волокон, которые состоят из электрически слабо проводящих синтетических материалов, которые являются проводящими путем подмешивания электрически проводящих пигментов (например, сажи), или содержат электрически слабо проводящие покрытия.

Понятие "электрически слабо проводящий" согласно изобретению следует понимать следующим образом: протяженный в плоскости, тонкий, проводящий электрический ток предмет (пленка или кусок текстиля) является характеризуемым относительно своей) электрического сопротивления, которое он имеет для электрического тока, протекающего через предмет в плоскости, через так называемое "удельное поверхностное сопротивление"; это удельное поверхностное сопротивление соответствует частному из удельного сопротивления вещества, из которого состоит предмет, и его толщины и равен таким образом электрическому сопротивлению квадрата, через который электрический ток течет перпендикулярно или соответственно параллельно к его сторонам. Электрическое сопротивление имеющей другой вид плоской части соответствует удельному поверхностному сопротивлению, умноженному на коэффициент, причем коэффициент зависит только от формы предмета и не зависит, в частности, от расширения предмета. В качестве "слабо проводящих" в смысле изобретения текстиль или тому подобное должны рассматриваться тогда, когда их удельные поверхностные сопротивления имеют значения, которые примерно соответствуют удельным поверхностным сопротивлениям типичных и известных по себе устройств защиты от тлеющего разряда в динамоэлектрических машинах. В частности, пригодными являются проводящие текстильные материалы, удельные поверхностные сопротивления которых составляют величину между 2 ком и 100 ком, предпочтительно между 5 ком и 30 ком. Данные для характеристики "слабой проводимости" относятся к текстилю после произведенного импрегнирования смолой, обычно импрегнирование смолой значительно повышает удельное поверхностное сопротивление текстиля, за счет того, что смола образует в текстиле изоляцию между волокнами, которые перед импрегнированием были в контакте друг с другом. На практике оказалось, что импрегнирование смолой может увеличить удельное поверхностное сопротивление текстиля в десятки раз.

В рамках любого выполнения устройства согласно изобретению мостики для соединения защитного слоя и стенки паза могут также быть выполненными из электрически слабо проводящего материала; например, части электрически слабо проводящей ленты могут быть продеты сквозь разделительный слой, так что он вступает в электрический контакт как с защитным слоем элемента обмотки, так и со стенкой паза; особенно выгодным является продевать одну единственную электрически слабо проводящую текстильную ленту вдоль элемента обмотки через множество прорезей разделительного слоя так, что она попеременно лежит на обеих сторонах разделительного слоя. Соответствующие изобретению мостики таким образом являются отрезками ленты, которые проступают сквозь разделительный слой.

Другая предпочтительная форма выполнения устройства согласно изобретению любого выполнения состоит во введении выполененной из электрически слабо проводящего текстиля прокладки между разделительным слоем и стенкой паза. Такая прокладка может являться полной облицовкой паза, то есть перекрытием обеих стенок паза и дна паза. При известных условиях однако достаточно перекрывать прокладкой только одну стенку паза. Такая прокладка может способствовать фиксированию элементов обмотки в пазах, так как за счет ее введения разделительный слой получает определенную неровность и таким образом несмотря на образование трещин в разделительном слое избегается возникновение имеющих большую площадь щелей, возможно пересекающих весь паз. Таким образом в разделительном слое несмотря на образование трещин достигается известное фиксирование положения элементов обмотки, что является предпочтительным.

Коль скоро в устройстве согласно изобретению без вреда для других форм выполнения предусмотрена прокладка, она может служить в качестве носителя для листов щипаной слюды разделительного слоя; таким образом количество необходимых для выполнения устройства компонентов поддерживается небольшим и затраты на изготовление снижаются.

Другая возможность для предпочтительного дальнейшего развития устройства согласно изобретению, которое может добавляться при необходимости к другим формам выполнения, является покрытие каждого элемента обмотки собственным разделительным слоем. Таким образом, разделительный слой может формироваться при подготовке элемента обмотки перед его вложением в паз. Это значительно способствует упрощению вложения, так как все подлежащие размещению в паз компоненты могут легко и без помех из-за тесных пространственных условий наноситься на элементы обмотки перед вложением в пазы. Разделительный слой каждого элемента обмотки является предпочтительно намотанной с множеством витков вокруг элемента обмотки, содержащей щипаную слюду лентой.

Предпочтительным образом электрически слабо проводящие мостики образованы лентой из электрически слабо проводящего текстиля, которая закреплена вдоль элемента обмотки за счет того, что образующая разделительный слой лента намотана на элемент обмотки попеременно сверху и снизу.

Предпочтительным далее является наносить на покрытый разделительным слоем элемент обмотки также прокладку в форме электрически слабо проводящего текстиля. Например, элемент обмотки поверх разделительного слоя может быть обмотан электрически слабо проводящей лентой.

Устройство согласно изобретению в рамках любого выполнения является особенно пригодным в качестве части большой динамоэлектрической машины, в частности в качестве статора, после того, как оно будет импрегнировано заливочным материалом, в частности эпоксидной смолой или соответственно смесью эпоксидная смола-кислотный ангидрид.

Устройство согласно изобретению любого выполнения, импрегнированное отвержденным заливочным материалом, в частности, эпоксидной смолой, смесью эпоксидная смола-кислотный ангидрид или другим составом на основе эпоксидной смолы, отличается тем, что каждый паз содержит по меньшей мере один, лежащий в основном параллельно к стенке паза, электрически экранированный разделительный слой, прочность которого меньше, чем прочность других слоев в пазу, и в котором таким образом преимущественно появляются обусловленные термическими процессами усадки трещины, однако без негативных последствий.

Дальнейшее пояснение изобретения производится на основе представленных на чертежах примерах выполнения. Примеры выполнения для подчеркивания существенных для изобретения признаков при необходимости представлены несколько схематизированно и/или искаженно.

На фиг. 1 простой пример выполнения изобретения; на фиг. 2 - пример выполнения согласно дальнейшему развитию изобретения; на фиг. 3 и фиг. 4 -различные виды элемента обмотки, применяемого в рамках особенно благоприятной формы выполнения изобретения.

Фиг. 1 показывает вырез из устройства из ферромагнитного и электрически проводящего, образованного из набранных слоями листов 16 каркаса 1 с двумя элементами обмотки 2, которые вложены в паз 3 каркаса 1. Паз 3 закрыт пазовым запором 15. Каждый элемент обмотки 2 содержит электрически хорошо проводящее основное тело 4, окруженное изолирующей гильзой 5, которая имеет защитный слой 6 в форме намотанной на изолирующую гильзу 5 ленты. В каждом элементе обмотки 2 представлено неструктурированное основное тело 4; следует отметить, что в больших динамоэлектрических машинах каждый элемент обмотки обычно содержит основное тело с множеством металлических стержней или металлических проводов, из которых по меньшей мере часть возможно является полой для прохождения текучего охлаждающего средства, как например, воздуха, водорода или воды. Над защитным слоем 6 каждого элемента обмотки 2 намотан разделительный слой 8; этот разделительный слой 8 образован лентой, которая содержит листы щипаной слюды 10 на носителе 11 из бумаги или волокон. Для представления носителя 11 опущен лист щипаной слюды 10 разделительного слоя 8. Для образования электрически слабо проводящих мостиков 9 между защитным слоем 6 и стенкой 7 паза электрически слабо проводящая лента 12 вместе с разделительным слоем 8 намотана на элемент обмотки 2 таким образом, что лента 12 попеременно лежит сверху и снизу разделительного слоя 8. Таким образом лента 12 приходит в контакт, как с защитным слоем 6, так и со стенкой 7 паза; проходящие через разделительный слой 8 отрезки ленты 12 образуют мостики 9. Так как в представленном случае каждый элемент обмотки 2 полностью окружен разделительным слоем 8, соответствующие изобретению слои с уменьшенной механической прочностью лежат не только между одной единственной стенкой 7 паза и каждым элементом обмотки 2, но и между каждым элементом обмотки 2 и каждой стенкой 7 паза, а также между нижним элементом обмотки 2 и дном 14 паза.

Фиг. 2 показывает дальнейший пример выполнения устройства согласно изобретению из каркаса 1 и элементов обмотки 2, которые вложены в паз 3 каркаса 1. Паз 3 закрыт пазовым затвором 15. Каждый элемент обмотки 2 содержит основное тело 4, изолирующую гильзу 5 и защитный слой 6, и окружен разделительным слоем 8. Между стенкой 7 паза и элементами обмотки 2 введена прокладка 13 из электрически проводящего, предпочтительно слабо проводящего текстиля, причем прокладка 13 уже обсужденным образом еще больше улучшает свойства разделительного слоя 8. Представленной является прокладка 13, которая только покрывает стенку 7 паза; однако очень возможным, а при некоторых обстоятельствах также и предпочтительным является применение U-образного промежуточного слоя, покрывающего обе стенки паза 7 и дополнительно еще дно 14 паза.

Особенно предпочтительная форма выполнения устройства согласно изобретению может быть реализована с применением элемента обмотки 2 с добавлениями, как представлено на фиг. 3 в виде сверху и на фиг. 4 в поперечном сечении перпендикулярно к плоскости наблюдения фиг 3. Элемент обмотки 2 (в представленном примере стержень обмотки) с основным телом 4, изолирующей гильзой 5 и защитным слоем 6 покрыт разделительным слоем 8, который со своей стороны окружен прокладкой 13. Для электрического соединения защитного слоя 6 с прокладкой 13 через прорези 17 в разделительном слое 8 продета электрически слабо проводящая лента 12 попеременно сверху и снизу разделительного слоя 8, так что она находится в контакте, как с прокладкой 13, так и с защитным слоем 6. Мостики 9 образованы посредством отрезков ленты 12, которые проходят сквозь прорези 17. В соответствии с изобретением еще необходимо только вложение представленного на фиг. 3 и фиг. 4 устройства в каркас; все подлежащие размещению в каркас компоненты уже объединены с элементом обмотки 2. Разумеется, что предпочтительным образом изолирующая гильза 5, защитный слой 6, разделительный слой 8 и также прокладка 13 изготавливаются путем последовательной обмотки основного тела 4 лентами, которые при необходимости являются слабо проводящими и/или содержащими слюду; такие возможности вытекают уже из фиг. 1 и фиг. 2 и само собой разумеется могут быть перенесены на устройства согласно фиг. 3 и фиг. 4.

Устройство согласно изобретению из ферромагнитного и электрически проводящего каркаса и элементов обмотки любого выполнения особенно согласовано с требованиями способа общей пропитки для изготовления компоненты для большой электрической машины, в частности статора, как в отношении необходимых технологических затрат, так и в отношении эксплуатационных нагрузок.