旋转电机适用的电压通常超过10kV且最大可达到30-35kV，旋转 电机通常装有定子芯，定子芯设有多个槽，定子绕组设置在这些槽 中。在最常见的旋转电机中，定子槽和导体的横截面为矩形或梯形。 所谓的定子齿形成在这些槽之间。每一个绕组相包括多个串联的线圈 组，而每一个线圈组则包括多个串联的线圈。线圈包括多个聚在一起 的导体。对于线圈的不同部分，设置在定子芯中的部分被称为线圈 边，而在定子芯之外的部分被称为端绕组。在每一个导体之间有一层 薄绝缘，例如环氧/玻璃纤维。利用线圈绝缘使线圈本身与槽电绝 缘，线圈绝缘即能够耐受电机对地的额定电压的绝缘。各种塑料、漆 和玻璃纤维材料可以用作绝缘材料。通常，使用所谓的云母带。通过 在线圈周围缠绕若干层云母带，可为线圈提供绝缘。绝缘经过浸渍， 接着使线圈边涂有一种石墨基油漆以改善其与周围定子的接触，周围 定子与地电位连接。定子芯可由层叠的钢片、正常结构钢或各向异性 钢片构成，或可由其它材料构成，诸如非晶材料或基于粉末的材料。 还有一些电机，其中的输出绕组设置在转子中，而励磁绕组设置在定 子中。
就发电机来说，必须通过变压器使发电机与输电网或配电网(下 面称之为电力网)相连。变压器使发电机的电压升高到电力网的电压 等级-通常超过130kV。
上述类型的常规旋转电机通常设有用于对电机进行强制的冷却 系统。
通常存在两种不同类型的空气冷却系统：径向冷却，其中迫使空 气通过电机中的径向导管；以及轴向冷却，其中利用轴向风扇将空气 吹入到极隙中。
对于大型交流电机的冷却，经常采用的是对定子和转子进行气体 冷却。通常使气体通过冷却导管沿径向传过定子，冷却导管是由径向 设置的分隔器形成的。分隔器将定子的叠片芯分成轴向长度约为30mm 的单元，所述分隔器通常是6mm高和2mm厚的直线式矩形钢元件。
可以根据不同原理来布置气体的循环。例如，水力发电机是一种 多极发电机，其特征在于，大的定子直径和凸极。水力发电机中的转 子可以设有径向冷却导管以使空气沿径向被输送到转子和定子的内 部。通常还利用在电机两端上的风扇使气体沿轴向被压入到空气间隙 中，然后所述气体转向90°并通过定子导管沿径向离开。涡轮发电机 具有很少几个磁极，即2或4个磁极，其特征在于，大致呈圆柱形的转 子，以及通常利用在轴向导管内输送的气体对转子导体进行冷却，其 中所述轴向导管与转子导体相连。通过径向导管将热气体释放到空气 间隙中。涡轮发电机中的定子通常被分成不同的冷却室，在这些冷却 室中的气体流动方向是可以改变的以便能够迫使冷空气进入到在某 些冷却室中的空气间隙中并使暖空气可以从其它冷却室中的空气间 隙排出。为一些涡轮电机提供所谓的反向冷却，即，利用转子风扇将 气体从空气间隙中吸出，而不是将空气压入到空气间隙中。转子风扇 叶片被设置在转子挡圈的顶部上，而不是被径向地安装在转子挡圈的 后面。
冷却空气可以包括周围空气，但是在功率超过1MW的情况下，通 常使用带有热交换器的封闭式冷却系统。
在涡轮发电机和高达大约400MW的大型同步调相机中，通常使用 氢冷却。这种冷却方法的工作方式与带有热交换器的空气冷却是相同 的，只是用氢代替空气作为冷却剂。氢气比空气具有更好的冷却能 力，但是在密封和监视漏泄方面存在一定的困难。
对于功率范围在500至1000MW的涡轮电机，对定子绕组和转子绕 组采用水冷也是已知的。在这种情况下，冷却导管被做成位于绕组中 导体内侧的管。在大型电机中的问题是冷却趋向变得不均匀，在电机 中产生温度变化。
在高压旋转电机领域中的一种新近改进是PowerformerTM of Asea Brown Boveri AB，它是一种基于固体绝缘高压电缆的旋转电机，固 体绝缘高压电缆如在WO97/45919中所描述的。利用在定子绕组中的 高压绝缘导体，可以使电机的电压增加到这样等级，即，能够在没有 中间变压器的情况下直接与电力网相连，所述高压绝缘导体所具有的 固体绝缘与电力传输电缆中所用的类似。这样的电机通常在超过10- 15kV的电压下工作，并且通常在从36kV至800kV或更高电压的范围内 工作。与常规技术比较，这要求其中布置有高压电缆的定子槽较深(由 于电压越高而使绝缘越厚并且绕组中匝数越多)。
对于冷却，在定子绕组中具有高压电缆的上述类型的电机允许在 地电位进行强制冷却。
WO97/45914描述了一种用于对在定子绕组中具有固体绝缘高压 电缆的旋转电机的定子齿进行冷却的方案。这种方案包括轴向延伸的 且穿过在定子齿中的轴向孔引出的电绝缘管。这些管永久地粘结在所 述孔中以便当冷却剂在管中循环时保证良好的冷却性能。
WO99/17429还描述了一种用于对在定子绕组中具有固体绝缘高 压电缆的旋转电机进行冷却的方案。通常利用在定子导管中流动的水 对定子进行冷却，利用常规的转子风扇驱动气体对转子进行冷却，并 且在位于转子和定子之间的空气间隙中设置绝热筒体以防止定子被 来自转子的热气体加热。
发明概述
本发明涉及一种用于对高压旋转电机进行冷却的新原理。
一般地，本发明的一个目的是，为高压旋转电机提供有效的冷 却，这样的旋转电机将用于从15kV到电力网电压等级的高压。
本发明的另一个目的是，为包括这样的高压旋转电机的电能转换 系统提供有效的冷却。
特别地，本发明的一个目的是，为具有基于固体绝缘高压电缆的 绕组的旋转电机提供有效的冷却。
由后面的权利要求所限定的技术方案能够达到本发明的这些和 其它目的。
本发明主要涉及包括至少一个磁芯和至少一个电绕组的旋转电 机，绕组包括导体、包围半导电的内半导电层、包围内半导电层的固 体绝缘层以及包围绝缘层的外半导电层，从而能够包围电场。
概括地讲，在本发明中，当用于驱动旋转电机或者被旋转电机驱 动的附带动能的介质流动接触并流经一个或多个磁芯和一个或多个 固体绝缘绕组时，利用这种介质以直接接触的方式对磁芯和固体绝缘 绕组的至少一部分进行冷却。这意味着，旋转电机被至少部分地设置 在用于驱动旋转电机或者被旋转电机驱动的介质的流动路径内，并且 旋转电机和整个能量转换系统构成了一种能够使介质流动接触磁芯 和固体绝缘绕组以便以直接接触的方式对磁芯和固体绝缘绕组进行 冷却的开放式系统。
本发明所涉及的冷却原理无需强制冷却管路和独立驱动的冷却 管路。
附带能量的介质例如可为：在水力电站中用于驱动旋转电机的流 动水、由与马达驱动旋转电机轴向相连的叶轮所泵送的水以及用于驱 动风力电站的流动空气。
绕组最好是由类似于在电力分配中所用的具有固体挤压绝缘的 高压电缆制成，诸如XLPE(交联型聚乙烯)电缆。这样一种固体绝缘 高压电缆通常包括导体、包围半导电的内半导电层、包围内半导电层 的固体绝缘层以及包围绝缘层的外半导电层。
由于可利用一种适合的聚合物系统对电缆的外层进行涂覆使固 体绝缘得到强化，因此电绕组可以与能量附带介质直接接触的方式工 作。
另外，利用这样一种高压电缆可使旋转电机的电压增大到这样的 等级，即，能够在没有中间升压变压器的情况下直接与电力网相连。 这样的旋转电机通常在超过10-15kV的电压下工作，并且通常在从 36kV至800kV或更高电压的范围内工作。一般说来，额定功率超过 1MW，最好超过5MW。
为了防腐蚀，最好利用一种适合的聚合物对所有磁路进行涂覆， 所述聚合物用作防水和防潮的阻挡层。
位于磁芯外侧的端绕组区域中的绕组部分最好以与介质直接接 触的方式被冷却，而位于磁芯内的绕组部分主要是利用磁芯的冷却而 被冷却的。但是，应该理解的是，少量介质可流入到用于将绕组放置 于其中的槽中以达到对绕组进行直接冷却的效果。
一般地讲，本发明不仅涉及磁芯和电绕组的冷却，而且还涉及以 直接接触的方式对与旋转电机相连的电连接器件以及功率电子器件 进行冷却。最好也利用一种聚合物对这些器件进行涂覆以使它们能够 防水或防潮。
为了进行进一步的冷却，一个或多个磁芯可设有一个或多个能够 使附带能量的介质流过的通孔。在一种旋转电机中，定子齿以及定子 芯的一个轭部最好设有轴向延伸的通孔以使定子芯得到有效的冷却 以及能够对缠绕在位于定子齿之间的定子槽中的定子绕组进行间接 的冷却。同样，转子芯可设有轴向延伸的通孔。
根据本发明，可被冷却的电能转换系统的优选实施例是浸没在流 动水中的水力电站、一种浸没在水中的高压泵送系统、高压压缩机和 以及额定功率为3MW或更高的多极风力电站。
根据本发明的另一个方面，旋转电机的转动部分(也被称为旋转 部件)是由电磁元件(诸如电磁转子)和机械能量转换装置(诸如涡 轮机)构成的整体组件。
例如，这种原理能够使水力电站的水力涡轮机与旋转电机的转子 结合成一个整体。
本发明具有下列优点：
-以一种简单的方式进行有效的冷却；
-无需强制冷却；
-无需冷却管路和热交换器，使旋转电机的整体制造更容易；以 及
-节省电站的空间。特别是，可大大地减少用于水力电站的石室 (rock chamber)的体积。
从下面对本发明的实施例的说明中可以清楚地理解本发明所提 供的其它优点。
附图的简要说明
从下面参照附图的描述中可以非常清楚地理解本发明以及本发 明的其它目的和优点，在附图中：
图1是表示本发明所涉及的水力电站布置方案的相关部分的一个 简图，它一个部分截面图；
图2是表示用于本发明所涉及的水力电站中的一个简单的电路 图；
图3是表示本发明所用一种电缆的视图，其中的一些部分已被剥 离；
图4是表示本发明所涉及的磁路的一个扇区的轴向端视图；以及
图5是表示本发明所涉及的风力电站布置方案的相关部分的一个 简图，它一个部分截面图。
本发明实施例的详细描述
在附图中，相同的附图标记表示相同的或相似的部件。
这里所述的旋转电机不仅包括常规的同步旋转电机，而且还包括 双路馈电电机(double-fed machine)、异步转换器联级应用 (applications of asynchronous converter cascades)、外极电 机、同步通量电机(synchronous flux machines)、交流电机以及 它们的组合。
这里所述的电能转换一般是指例如在可将机械能转换成电能和/ 或将电能转换成机械能的电站中进行的能量转换。因此，水力电站、 风力电站、泵站都是电能转换系统的实例。有时，“电能转换”一词 的含义还包括“机电能量转换”以及“电磁能量转换”。
图1是表示本发明所涉及的水力电站的一个简单示意图。水力电 站基于旋转电机10，旋转电机10主要包括定子1A和转子2A，定子1A具 有定子绕组1B，转子2A具有转子绕组2B。绕组1B、2B最好是由固体绝 缘高压电缆制成，下面将参照图3对固体绝缘高压电缆进行详细描 述。水力涡轮机3与转子2A结合成一个整体并且转子/涡轮机2A、3围 绕轴4转动。旋转电机10浸没在流动水11中并利用开放式框架结构(未 示出)使旋转电机10与电站的引水隧洞的壁12相连，所述开放式框架 结构包括与转子轴4相连的常规推力轴承。图1中所示水力电站的基本 上为开放式的结构体系能够使流动水11接触并流经定子芯1A、转子芯 2A以及绕组1B、2B，从而可利用水流以直接接触的方式对这些芯以及 绕组中的固体绝缘高压电缆进行冷却。
从图1中可以看出，利用与流动水直接接触的方式使定子的磁芯 和转子以及端绕组得到冷却。一些水将流入到用于将绕组设置于其中 的槽中以有利于对绕组的线圈边的冷却。但是，位于磁芯内的绕组部 分主要是利用磁芯的冷却而被冷却的。
最好利用一种适合的聚合物对包括定子芯、转子芯和绕组的整个 磁路进行涂覆。在水中，高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯以及脂族聚 酮(aliphatic polyketones)都是适合的聚合物的实例。
尽管未在图1中明示，但是应该理解的是，也可利用流动水直接 接触的方式对与旋转电机、功率电子器件、电抗器以及其它辅助设备 相连的电连接器件进行冷却。所有这样的器件最好被一种聚合物涂覆 以防水或防潮。
最好每一个定子芯1A和转子芯2A都设有轴向延伸的通孔(如图4 中所示)，水11可流入到这些通孔中以为这些芯提供进一步的冷却。
定子绕组1B的高压电缆通常在电缆接合8处从无屏蔽电缆7转变 成屏蔽电缆9。如图2中所示，利用断路器17使屏蔽电缆9或多或少地 直接与电力网18相连。电缆9也可设有电涌放电器16以及其它用于与 电力网18相连的常规辅助设备。
应该理解的是，可利用多种方法获得旋转电机和整个电能转换系 统的开放结构体系以使流动水与能够在其中产生电损耗的磁路接 触。所述结构体系可具有不同的开放程度，开放程度在从一种具有无 壳式(casing-free)旋转电机的几乎完全开放式系统到具有可使流 动水与磁芯和绕组接触的流动路径的部分开放系统的范围内。
图1中所示的电站最好被设计成用于为电力网提供电压的发电站 或者被设计成由电力网驱动的泵站。在图1中所示的电站被设计成由 电力网驱动的泵站时，电站的旋转电机作为用于驱动泵叶轮的马达。
水力电站的旋转发电机通常位于发电机房中，发电机房通常采用 石室的形式。水力涡轮机位于流动水中并且利用公共轴与在石室中的 发电机相连。
可以明显的看出，本发明所涉及的冷却原理无需常规水力电站所 要求的大体积石室。另外，将水力涡轮机与转子结合成一个整体能够 使水力发电机的结构更加紧凑。
本发明所涉及的水力电站通常为能够在从15kV至800kV或更高电 压的范围内工作的多极系统，其额定功率超过1MW。这种水力电站最 好具有8个以上的极，工作电压超过36kV并且额定功率超过5MW。
图3示出了用于本发明所涉及的旋转电机中的高压电缆的一个逐 步剥离端视图。电缆20包括至少一个导体21，导体21最好是由多股导 线构成，多股导线合在一起使导体21具有圆形截面。内半导电层22包 围导体21，内半导电层22被固体绝缘层23包围。固体绝缘层23被外半 导电层24包围。
在电力工程领域中，电线与电缆之间没有明显的差别。通常，“电 线”一词指的是一个单独的固体金属导体，可有绝缘层或没有绝缘 层，而“电缆”一词指的是一种多股的导体或者绝缘导体的组合形式。 因此，在所披露的内容中使用的是“电缆”一词。
当电缆用作电绕组时，电缆应该是可弯曲的以能够形成绕组。另 外，统组应该保持其特性，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。在这个方面，保持各层之间的粘附性能是重 要的。在这里，各层的材料特性是决定性的，特别是它们的弹性和相 对热膨胀系数。热膨胀系数应该被协调以便在绕组中出现热移动时防 止出现缺陷、开裂或类似的问题。
绝缘层23例如可以由固体热塑材料、交联材料或橡胶构成，固体 热塑材料诸如有低密度聚乙烯(LDPE)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚 丙烯(PP)、聚丁烯(PB)、聚甲基戊烷(PMP)，交联材料诸如有 交联聚乙烯(XLPE)，橡胶诸如有乙烯丙烯橡胶(EPR)或硅橡胶。
内半导电层22和外半导电层24可以由相同的基本材料制成，但是 其中混有诸如烟灰(诸如碳黑)或金属粉末的导电材料的微粒。半导 电层22、24的导电率足以使沿各层的电位大致相等。外半导电层24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由于在 层的纵向上所形成感应电流而引起相当大的损耗。内半导电层22是以 这样的方式设置的，即，使其所处电位与导体所处电位基本相同，外 半导电层是以这样的方式设置的，即，使其基本上构成了一个围绕导 体的等电位表面。外半导电层与一个选择电位相连。根据本发明，最 好利用周围水的导电性和/或低电阻的连接器件使外半导电层保持在 地电位。对于其它关于绕组接地的内容，参见WO97/45929和WO99/ 17428。
在一种所谓的XLPE电缆(也被称为PEX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有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作为电缆半径变化被完全吸收， 并且由于相对于这些材料的弹性，各层中热膨胀系数之间有比较微小 的差别，所以能在不降低层间粘附性能的情况下发生径向膨胀。
关于高压电缆作为旋转电机中绕组的更多细节，参见WO97/ 45919。
从图3中可以看出，最好除去通常包围电力分配电缆的机械性保 护外皮和金属防护层。而是，通过在外半导电层上涂覆一种适合的聚 合物系统使在外半导电层得到加强以提高防水和防潮的性能。这样一 种聚合物系统可利用多种材料生产，诸如高密度聚乙烯或者防水性能 更好但略硬的材料(诸如聚丙烯和脂族聚酮)。但是，应该注意的是， 在利用聚合物对外半导电层涂覆之前，外半导电层是接地的。
图4是本发明所涉及的磁路的一个扇区的轴向端视图。所示扇区 30示出了定子的一个区段31和转子的一个区段35，转子区段35具有一 个转子极34。多个齿32从定子的径向最靠外的一端径向向内地伸向转 子。在齿32之间具有相应的多个槽33，电缆20缠绕在槽33中以形成旋 转电机的定子绕组。电缆20的使用允许较深的槽，这些槽的形状通常 类似于自行车链条的形状。为了能够对定子芯和基于电缆的绕组进行 进一步的冷却，定子芯最好设有一个或多个基本上为轴向延伸的通孔 36，流动水可流过通孔36。为了能够进行有效的冷却，多个通孔36最 好设置在每一个定子齿中，定子齿的通孔36是径向对准的。另外，定 子的外轭部分可设有多个通孔。
同样，转子以及转子极也可设有轴向延伸的通孔36。
图5是表示本发明所涉及的风力电站布置方案的相关部分的一个 简图，它一个部分截面图。图5中所示的风力电站的整体结构与图1中 所示的水力电站类似，不同之处在于，水平设置以及涡轮机没有整体 地结合在转子中。风力电站基于旋转电机，旋转电机主要包括定子1A 和转子2A，定子1A具有定子绕组1B，转子2A具有转子绕组2B。以与结 合图1所描述的水力电站相同的方式，绕组1B、2B是由固体绝缘高压 电缆制成。利用公共轴4使风力涡轮机13与转子2A相连。图5中所示的 基本上为开放式的结构体系使带有磁芯和电绕组的旋转电机暴露在 用于驱动风力涡轮机13的流动空气11下。这样，当流动空气接触并流 经磁芯和绕组时能够利用流动空气以直接接触的方式对旋转电机径 向冷却。利用开放式框架结构(未示出)支承旋转电机10，所述开放 式框架结构包括与转子轴4相连的常规推力轴承。
对于邻海建立的风力电站，用于驱动风力电站的空气11中通常海 盐含量较高。为了防止腐蚀，最好利用一种聚合物对磁芯、与电机相 连的电连接器件和功率电子器件进行涂覆。在空气中，适用的聚合物 种类较多。例如，聚合物涂层适用的材料可是上述在高压电缆中的绝 缘层所用的任何一种材料。对于基于电缆的绕组1A、1B，外半导电层 本身可提供足够的防潮和防含盐的空气性能。当然，也可利用另外一 个由聚合物构成的层对外半导电层进行强化。
本发明所涉及的风力电站是一个多极系统，其工作电压通常超过 15kV，其额定功率超过1MW。最好，这种风力电站的工作电压超过 36kV，额定功率超过3MW或更高。这种风力电站具有30个以上的极， 并且最好具有50个以上的极。
在其它方面，图5中所示的风力电站与图1中所示风力电站类似， 包括用于流动空气的轴向延伸通孔，并且旋转电机与电力网直接相 连。
上述实施例仅是作为示例提供的，应该理解的是，本发明不限于 这些。例如，应该理解的是，在一种旋转电机中，磁路可位于电机的 定子或转子中，或者位于电机的定子和转子中。其它符合这里所披露 的和请求保护的基本原理的变型、改进和修正都在本发明的保护范围 内。