SE510318C2 - Roterande elektrisk maskin med magnetisk kärna - Google Patents

Description

|. i (11 PJ UI 30 510 318 _ PEX~kablar). En sàdan kabel har bl.a. ett yttre halvledande skikt, genom vilket kabelns yttre potential är definierad. lind- Kabeln innesluter därmed det elektriska fältet inne i ningen. Härigenom kan maskinens spänning höjas till sadana nivàer att den kan direktanslutas till kraftnätet utan mellanliggande transformator. Därigenom uppnas saledes bl.a. den mycket betydande fördelen att den konventionella trans- formatorn kan elimineras.

Den isolerade ledaren eller högspänningskabeln som används vid föreliggande uppfinning är flexibel och böjlig och av det slag som närmare beskrivs i PCT-ansökan SE97/00874 och SE97/00875. Ytterligare beskrivning av den isolerade ledaren eller kabeln finns i PCT-ansökningarna SE97/00901, SE97/00902 och SE97/00903.

En liknande kabel där kabeln bestar av en ledande kärna omgiven av tva halvledande skikt och mellanliggande fast isolering är förut känd ocksa genom US 5 036 165. Den kända kabeln är dock icke avsedd att användas i en roterande elektrisk maskin.

Den magnetiska kärnan i maskinen utgöres normalt av en maskinens rotor omgivande stator. Lindningen genom kärnan förlöper vid en sàdan maskin genom axielia spar i statorn. allmänhet radiellt vilket innebär Dessa spar är i riktade, att avstandet mellan spàren tilltar med avstandet fran statorns inre mantelyta. Det innebär att den magnetiska flödestätheten avtar utàt i statorn. Vid yttre delen av sparen har man därför ett överskott av kärnmaterial vilket normalt utgöres av laminerad järnplàt. Maskinen blir därmed onödigt skrymmande och tung.

Detta utgör ej nàgot större problem för mindre maskiner, men med tilltagande storlek hos maskinen accentu- 10 15 20 25 30 35 ” 510 31a eras problemet.

I enlighet med föreliggande uppfinning utgörs lind- ningen av en ledare för högspänning vilket medför att maskinen blir förhållandevis stor med många lindingsparter i varje spår. Att utforma en maskin för högspänning har möjlig- gjorts tack vare att ledaren i enlighet med uppfinningen är försedd med organ för inneslutning av dess elektriska fält, såsom anges i patentkravets 1 kännetecknande del.

Problemet med att en stor del av kärnmaterialet är överflödigt och i onödan ökar maskinens volym och vikt är därför av speciellt stor betydelse vid en sådan för högspän- ning avsedd maskin. Ändamålet med föreliggande uppfinning är mot denna bakgrund att åstadkomma en maskin som direkt kan leve- rera/matas med högspänning och därvid söka minimera maskinens volym och vikt.

Detta har enligt uppfinningen ernåtts genom att en maskin av det i kravets 1 ingress angivna slaget innefattar de speciella särdrag som anges i kravets kännetecknande del.

Tack vare det i kännetecknande delen angivna, det elektriska fältet inneslutande organet åstadkommes att maskinen kan arbeta i högspänningsområdet och således vara ansluten till ett högspänningsnät utan mellankoppling av transformator.

Genom att lindningsparterna uppvisar en förskjut- ning i förhållande till varandra även i omkretsriktningen såsom anges såsom ett ytterligare väsentligt kännetecknande särdrag, kan det radiella avståndet mellan två sådana lind- ningsparter minskas jämfört med om de enbart är radiellt förskjutna. Om båda kabelparterna är runda och har samma diameter 2r och de är förskjutna en exempelvis en sträcka r i förhållande till varandra i omkretsled så finns utrymme att minska det radiella avståndet den emellan med ca 14 %.

En fördel är vidare att sidoförskjutningen ger större flexibilitet för lindningsparternas lokalisering i kärnan, vilket ger ökad möjlighet att optimera lindningen utifrån mekaniska, magnetiska, termiska och andra aspekter. 10 15 20 25 30 35 510 318 4 Lindningsparterna i ett och samma spår kan således anordnas mer kompakt i förhållande till varandra i radial- riktningen. Därmed ges möjlighet att nedbringa spårens ut- sträckning i radialriktningen så att kärnan kan göras i mot- svarande grad mindre, med åtföljande lägre vikt. Detta ger materialbesparing samt fördelar vid tillverkning och trans- port liksom även vid drift och underhåll.

Den möjlighet till radiell kompaktering av lind- ningen som sidoförskjutningen av kabelparterna medger blir naturligtvis större ju mer det genom sidoförskjutningen tillgängliga utrymmet utnyttjas för radiell kompaktering.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen är därför paret av intilliggande lindningsparter så anordnat att den yttre lindningspartens radiellt innersta del är belägen radiellt innanför den inre lindningspartens yttersta del.

Vid en föredragen utföringsform ökar förskjutningen ju längre ut lindningsparterna är belägna. Detta innebär att man vid kompakteringen utnyttjar att det längre ut finns tilltagande utrymme frigjort från ianspråkstagande av kärn- material som kan utnyttjas för ökande förskjutning i om- kretsled och därmed nedbringa volymen i motsvarande till- tagande grad.

Vid en föredragen utföringsform av uppfinningen är spårens geometri sådan att de även har en riktningskomponent i tvärriktningen, vilket utgör en ändamålsenlig anpassning av spårformen till de sidoförskjutna lindningsparterna.

Vid en föredragen utföringsform är denna riktnings- komponent tilltagande i det att spåret är krökt i tvärrikt- ningen. Detta bidrar till att effektivt utnyttja den utåt tilltagande volym som kan utnyttjas mellan kärnmaterialet.

Optimalt är därvid att varje spår i sin helhet är krökt och att alla spår har samma krökningsriktning, vilket därför utgör ytterligare en föredragen utföringsform av uppfinningen. Ett idealiskt utförande utifrån volymutnyttj- ningsaspekten är därvid att alla spår är parallella.

Uppfinningen kan realiseras endera vid utförande med spår med radiellt utåt tilltagande vidd eller vid spår 10 15 20 25 30 35 510 518 5 med konstant vidd. I båda fallen kan spåren med fördel vara av "cykelkedjetypen", dvs. med alternerande vida och trängre partier.

Ledaren, innefattande det det elektriska fältet inneslutande organet, är enligt en föredragen utformning under minst ett helt lindningsvarv flexibel, vilket möjliggör en tillverkningstekniskt fördelaktig lindningsprocess.

Det det elektriska fältet inneslutande organet innefattar enligt en föredragen utföringsform ett ledaren omslutande inre halvledande skikt, ett det inre halvledande skiktet omslutande isolerande skikt och ett det isolerande skiktet omslutande yttre halvledande skikt.

Vid en speciellt föredragen utföringsform är därvid skikten vidhäftande varandra och har i huvudsak samma värme- utvidgningskoefficient, varvid på ett ändamålsenligt sätt tillförsäkras att skikten bibehåller sin funktion vid de under drift uppträdande mekaniska och termiska påkänningarna.

Ovan angivna och andra fördelaktiga utföringsformer av den uppfunna maskinen angs i de av kravet 1 beroende underkraven.

Uppfinningen förklaras närmare genom efterföljande detaljerade beskrivning av föredragna utföringsformer av densamma under hänvisning till medföljande ritningar.

Fig. 1 är en schematisk skiss av en stator i en elektrisk maskin enligt konventionell teknik; Fig. 2 är ett schematiskt radialsnitt av en stator enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen; Fig. 3 - 6 visar exempel på spårformer, för vilka uppfinningen är tillämpningsbar; Fig. 7 är en principskiss förklarande uppfinnings- tanken; Fig. 8 är ett radialsnitt genom en ledare i lind- ningen enligt uppfinningen.

I fig. 1 visas en principskiss för hur statorn vid en konventionell elektriskt roterande maskin normalt är utförd. I kärnan 101 av laminerad järnplåt är spår 102 upp- tagna för lindningarna i statorn. Mellan vardera par av spår 10 15 20 25 30 35 510 318 6 bildas ett i tvärsnitt trapetsformat parti 104, fortsätt- ningsvis kallat en statortand. Avståndet do mellan två spår 102 inne vid statorns inre mantelyta 103 bestäms av den mängd kärnmaterial som erfordras för den magnetiska flödestäthet som är för handen. Med såsom i figuren helt radiella spår med konstant spårvidd kommer mellanliggande statortands vidd att öka utåt och ge ett överskott på kärnmaterial. Med det skuggade partiet av tanden markeras det kärnmaterial som därvid blir "onödigt", medan det nödvändiga kärnmaterialet är beläget mellan de båda streckade linjerna. Resonemanget här skall ses som en principiell framställning där vid olika praktiska tillämpningar modifieringar från principframställ- ningen uppträder i beroende av olika utföranden av maskinens stator. men där den grundläggande aspekten på kärnmaterialets "nyttighet" ändå har relevans i större eller mindre grad.

Grundtanken med uppfinningen är att på olika sätt eliminera det "onödiga" kärnmaterialet så att kärnans vikt och volym kan minskas.

I figur 2 visas ett första föredraget utförings- exempel på ett principiellt utförande av en stator enligt uppfinningstanken, där kärnan 1 är en stator omgivande en (icke visad) rotor. I kärnan 1 är spår 2 för lindningarna upptagna. Spåren 2 är kontinuerligt krökta, där samtliga spår 2 är krökta åt samma håll och parallella. Mellan vardera par av spår 2 bildas en krökt tand 4 med samma huvudform som spåren. Vardera krökt tand har en vidd d, dvs. avståndet mellan intilliggande spårs väggar som är i huvudsak konstant och lika med dess vidd du vid statorns inre mantelyta 3.

Spåren är av s.k. cykelkedjetyp där vida partier alternerar med livpartier, varvid vardera av de vidare parti- erna härbärgerar var sin kabelpart. Vid angivande att tand- vidden d är i huvudsak konstant bortses således från de smärre variationer som uppträder p.g.a. dessa alternerande vida partier och livpartier.

Det spiralformade utförandet av spåren 2 gör att deras radiella utsträckning är mindre än om de varit helt radiella med samma antal kabelparter i spåren. Det skuggade 10 15 20 25 30 35 510 318 7 fältet 102 visar spårlängden vid ett motsvarande radiellt anordnande av spåren, och med AR markeras den radiella ned- bringning av statorn som därmed kunnat uppnås. Statorn blir därmed både mindre och lättare.

Ehuru fig. 2 illustrerar en stator enligt uppfin- ningstanken där dess principer är utnyttjade på ett optimalt sätt finns många alternativa möjligheter att realisera dessa.

Andra hänsynstaganden vid tillverkning, utförande och drift av maskinen kan leda till utföringsformer där uppfinnings- tanken är realiserad i olika modifierade former och med olika grad av kompromiss mellan motstridiga hänsynstaganden.

Vid andra utföringsformer kan vardera spår vara krökt under endast en del av sin utsträckning, vara krökt med föränderlig krökningsradie eller vara krökt åt olika håll i meanderform. Ett spår kan även vara icke-krökt med helt eller bitvis vinklat förhållande till radialriktningen. Avståndet mellan två spår behöver ej heller vara konstant.

I figurerna 3 - 6 visas vidare några exempel på grundformer av spår, för vilka alla uppfinningen kan till- lämpas. Spåren visas i sin grundform, dvs. ej såsom enligt uppfinningen krökta. Spåret 2a i fig. 3 har konstant spår- vidd för ledningsparter där dessa har samma diameter. Spåret 2b i fig. 4 har utåt tilltagande spårvidd för lindning med grövre lindningsparter längre ut. Spåren 2c och 2d i fig. 5 resp. 6 visar motsvarande spår av "cykelkedje"-typen dvs. med alternerande vida partier och livpartier, där de senare har till funktion att fixera lindningsparterna radiellt. Spåren kan även vara utförda avsmalnande utåt.

I fig. 7 visas schematiskt två intilliggande lind- ningsparter förskjutna enligt uppfinningen och där avsikten är att visa principen för uppfinningen.

I fig. 7 är två lindningsparter 5, 6 anordnade i ett spår 2 i en stator enligt uppfinningen. Med pilen A betecknas statorns radialriktning och med 106 markeras hur den yttre av lindningsparterna skulle vara belägen om den vore belägen helt radiellt utanför den inre 5 i ett spår 102, dvs. på konventionellt sätt. För åskâdlighets skull visas lO 15 20 25 30 35 510 518 8 lindningsparterna tangerande varandra, vilket naturligtvis inte alltid är fallet, men den principiella framställningen har relevans även när det inte är så.

Den yttre lindningsparten 6 är förskjuten tvärs radialriktningen en sträcka a jämfört med den konventio- nellt placerade lindningsparten 106. Denna förskjutning har medgivit utrymme att förskjuta lindningsparten 6 även i radialriktningen en sträcka b jämfört med den konventio- nellt placerade lindningsparten 106.

Med radierna r1 och rz hos de båda lindningsparterna blir sträcka b = r, + rg - f(r1 +rg2-az och om rq = rg = r förenklas detta till b = zr - l/Özrz-az. om sidoförskjutningen a = r blir radialförskjutningen b = r(2 - fä) = 0,27 r, dvs innebär i detta fall en minskning av det av den yttre lindningsparten i anspråktagna radiella utrymmet med ca 14 %.

Slutligen visas i figur 8 ett tvärsnitt av en kabel som är särskilt lämplig att använda som lindning i statorn enligt uppfinningen. Kabeln 6 innefattar åtminstone en ström- förande ledare 31 av exempelvis koppar omgiven av ett första halvledande skikt 32. Runt detta första halvledande skikt är anordnat ett isolationsskikt 33 t.ex. PEX-isolation, och runt detta finns i sin tur anordnat ett andra halvledande skikt 34. Den elektriska ledaren kan bestå av ett antal kardeler 31.De tre skikten är utförda så att de vidhäftar varandra även då kabeln böjs. Den visade kabeln är flexibel och denna egenskap bibehålls vid kabeln under dess livslängd. Den illustrerade kabeln skiljer sig även från konventionell hög- spänningskabel genom att det yttre mekaniskt skyddande höljet samt den metallskärm som normalt omger en sådan är elimine- rade.

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 ' 510 318 9 PATENTKRAV

1. Roterande elektrisk maskin innefattande en magne- tisk kärna (1) med en centrumaxel definierande axialriktning, radialriktning och omkretsriktning hos kärnan, vilken kärna (1) uppvisar ett flertal spår (2), vardera spår (2) definier- ande en längdriktning innefattande en axiell riktningskompo- nent och en tvärriktning innefattande en radiell riktnings- komponent där spårets (2) riktningar definieras av dess mittplan mellan spårets (2) väggar, och spåret (2) har en vidd som definieras som avståndet mellan dess väggar, varvid är anordnad elektrisk lindning med ett flertal i längdrikt- ningen förlöpande lindningsparter (5, 6) i vardera spår (2), varvid åtminstone några lindningsparter (5, 6) i åtminstone några spår är belägna radiellt förskjutna i förhållande till varandra, k ä n n e t e c k n a d av att lindningen utgöres av en elektrisk ledare (31) för högspänning vilken ledare (31) under minst ett helt lindningsvarv är försedd med organ (32, 33, 34) för väsentligen inneslutning av dess elektriska fält och att åtminstone ett par intilliggande lindningsparter (5, 6) i ett spår (2) är förskjutna i omkretsled relativt varandra.

2. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 1, vid vilken i nämnda par av intilliggande lindningsparter (5, 6), den yttre lindningspartens (6) radiellt innersta del är belägen radiellt innanför den inre lindningspartens (5) yttersta del.

3. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 1 eller 2, vid vilket minst två par av lindningsparter (5, 6) i spåret är förskjutna i omkretsled i förhållande till varandra och varvid förskjutningen är större ju längre radiellt utåt lindningsparterna (5, 6) är belägna.

4. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- krav 1 eller 2, vid vilken åtminstone något spår (2) längs 10 15 20 25 30 35 510 318 10 åtminstone en del av sin tvärriktning har en riktningskom- ponent i omkretsriktningen.

5. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 4, vid vilket åtminstone något spår (2) är åtminstone delvis krökt i tvärriktningen.

6. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 5, vid vilken vardera spår (2) är krökt längs hela sin tvärrikt- ning och alla spår (2) har samma krökningsradie.

7. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 6, vid vilken alla spår (2) är parallella i såväl längdriktning som tvärriktning.

8. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 6, vid vilken åtminstone något spår (2b, 2d) har utåt längs tvärriktningen ökande vidd.

9. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 7, vid vilken åtminstone något spår (2a, 2c) har i tvärriktningen konstant vidd.

10. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 6, vid vilken åtminstone något spår (2c, 2d) i tvärriktningen har alternerande partier med större och mindre vidd.

11. Roterande elektrisk maskin, enligt patentkravet 10, vid vilken partierna med större vidd har varierande vidd.

12. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 10 vid vilken partierna med större vidd har inbördes samma vidd.

13. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 12, vid vilken ledaren under minst ett helt lind- ningsvarv är flexibel. 10 15 20 25 30 35 510 318 ll

14. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 13, vid vilken nämnda organ innefattar ett leda- ren omslutande inre halvledande skikt (32) ett det halvled- ande skiktet (32) omslutande isoleringsskikt (33) och ett isoleringsskiktet (33) omslutande yttre halvledande skikt (34).

15. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 14, vid vilken vardera halvledande skikt (32, 34) utgör väsent- ligen en ekvipotentialyta.

16. Roterande elektrisk maskin enligt patentkravet 15, vid vilken skikten (32, 33, 34) vidhäftar varandra längs hela lindningen och att nämnda halvledande skikt (32, 34) har i huvudsak samma värmeledningskoefficient som det mellanlig- gande isoleringsskiktet (33).

17. Roterande elektrisk maskin enligt något av patent- kraven 1 - 16, vid vilken nämnda organ (32, 33, 34) är dimensionerat att medge en spänning i ledaren som är större än 72 kV.