MXPA99006969A - Un dispositivo en el estator de una maquina electrica giratoria - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a que en un dispositivo para incrementar la rigidez mecánica y la frecuencia natural del estator, en una máquina eléctrica giratoria, en la cual el estator estáprovisto de dientes entre las ranuras (2)que sujetan el devanado (12), los dientes (4,6) del estator, los extremos libres de los cuales están situados en el espacio de aire intermedio que se encuentra entre el estator y el rotor, tienen al menos un yugo (14) formado en una pieza con los dientes adyacentes del estator, acomodado a través de cada ranura del estator, para asegurar mecánicamente los dientes del estator en la dirección tangencial.

Description

UN DISPOSITIVO EN EL ESTATOR DE UNA MAQUINA ELÉCTRICA GIRATORIA CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un dispositivo para incrementar la rigidez mecánica y la frecuencia natural del estator en una máquina eléctrica giratoria, en donde el estator está provisto de dientes que se encuentran entre las ranuras que sujetan el devanado, y los extremos libres de los dientes están situados en el espacio de aire intermedio que se encuentra entre el estator y el rotor. La invención se refiere también a esa máquina eléctrica giratoria .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las máquinas eléctricas de corriente alterna de alto voltaje, tales como generadores, en una estación de energía para generar energía eléctrica, las máquinas de doble alimentación, las máquinas con polos externos, las máquinas sincrónicas y el convertidor en cascadas REF . : 30870 estático, de corriente, asincrónico, han sido hasta ahora diseñados para voltajes que se encuentran en el intervalo de 15 a 30 kV, y 30 kV ha sido considerado como un límite superior. Esto generalmente significa que un generador debe conectarse a la red de energía a través de un transformador que eleva el voltaje hasta el nivel de la red de energía, es decir, a un valor que se encuentra en el intervalo de aproximadamente 130 a 400 kV. En la patente Norteamericana No. 5,036,165, se describe un conductor en el que el aislamiento se proporciona con una capa interna y una capa externa de fibra de vidrio pirolizada, semiconductora. También es conocido proporcionar ese aislamiento a los conductores que se encuentran en una máquina dinamoeléctr ica , como se describe, por ejemplo, en la patente Norteamericana No. 5,066, 881, en donde una capa de fibra de vidrio pirolizada, semiconductora, se pone en contacto con las dos varillas paralelas que forman el conductor, y el aislamiento en las ranuras del estator, está rodeado por una capa externa de fibra de vidrio pirolizada, semiconductora. El material de fibra de vidrio pirolizada se describe como conveniente dado que conserva su resistividad inclusive después del tratamiento por impregnación. Una solución a este problema se describe en la solicitud de patente Sueca No. 9602083-9 que describe un arreglo en el que espaciadores separados, tales como cuñas para ranuras, se insertan en el espacio que se encuentra entre los extremos libres de los dientes adyacentes del estator. Una desventaja de esta solución es que las cuñas para ranuras se aflojan fácilmente como resultado de las vibraciones en el estator y de la expansión térmica diferente en los dientes del estator y en las cuñas para las ranuras. En la patente Norteamericana No. 4,443,725 se describe también un sistema especial de cuñas para ranuras, para insertarse en las ranuras del estator. El propósito de este sistema de cuñas es, no obstante, no incrementar la rigidez de los dientes del estator, sino el de mantener a los conductores eléctricos en su lugar, en las ranuras del estator.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El objetivo de la presente invención es proporcionar una nueva solución al problema de las vibraciones que se presentan en los dientes de estator, en el tipo de máquinas de corriente alterna bajo discusión, y que no se vea afectada con las desventajas de la solución previa. Este objetivo se logra con un dispositivo del tipo descrito en la introducción, que tenga las peculiaridades caracterizantes definidas en la reivindicación 1, y con una máquina tal como se reivindica en la reivindicación 10. Al proporcionar al menos un yugo que incremente la rigidez, a través de las ranuras del estator y formando una pieza con los dientes adyacentes del estator, se elimina el riesgo de que se afloje el yugo que asegura los dientes del estator, en la dirección tangencial. De conformidad con una modalidad preferida del dispositivo de acuerdo con la invención, el yugo está formado en la parte superior de la ranura. Esta ubicación del yugo proporciona el mejor refuerzo mecánico de los dientes del estator. No obstante, de conformidad con otras modalidades ventajosas del dispositivo de acuerdo con la invención, el yugo puede formarse a través de la ranura, a cierta distancia desde la parte superior de la misma, o alternativamente se puede formar una pluralidad de yugos a través de la ranura, a diferentes distancias desde la parte superior de la ranura. De conformidad aún con otra modalidad ventajosa de la invención, para permitir que el yugo absorba las cargas que surgen en la dirección tangencial, el ancho en la dirección de la ranura no deberá ser menor que un límite inferior de típicamente 2 a 3 m . Al cerrar la ranura del estator en esta forma, las propiedades eléctricas de la máquina pueden ser afectadas negativamente causando que el yugo o yugos den lugar a fugas incrementadas en las ranuras, produciéndose una necesidad incrementada para la excitación en la carga, como un resultado, es decir una pérdida incrementada en el devanado inductor. La fuga incrementada en la ranura influencia también la reactancia transiente de la máquina. Cerrar las ranuras también reduce las componentes armónicas de las ranuras, en el flujo por el espacio intermedio de aire, de manera que únicamente queda una fracción, típicamente de 5 a 15%, de las componentes armónicas obtenidas con una ranura abierta. De esta forma, desaparece substancialmente todo el ruido causado magnéticamente por las componentes armónicas de las ranuras . Para reducir el incremento en las pérdidas de excitación, con ranuras del estator, cerradas, de conformidad con las modalidades ventajosas del dispositivo de conformidad con la invención, el yugo se construye de manera tal que sus propiedades magnéticas se desvíen de las propiedades magnéticas de los dientes del estator. El yugo puede así ser construido de manera tal que la permeabilidad magnética relativa en el material del yugo, esté cercana al valor de 1, por ejemplo perforando el yugo, o labrando el material del yugo, por ejemplo con láser, para disminuir su permeabilidad magnética relativa, preferentemente hasta un valor que se encuentre en la proximidad de 1. La invención se pretende usar en primer lugar con una máquina eléctrica giratoria en la que los devanados del estator sean extraídos a través de las ranuras que se encuentran en el estator y en donde los devanados sean enrollados a partir de un cable para alto voltaje, de un tipo que comprenda un núcleo con una pluralidad de partes de hilos, una capa semiconductora interna que rodea al núcleo, una capa aislante que rodea la capa semiconductora interna, y una capa semiconductora externa que rodea la capa aislante. Al usar conductores eléctricos aislados, para alto voltaje, en los siguientes cables denominados cables para alto voltaje, con un aislamiento sólido similar al que se usa en cables para transmitir energía eléctrica (por ejemplo, cables XLPE) el voltaje de la máquina puede incrementarse hasta niveles tales que pueda conectarse directamente a la red de energía sin un transformador intermedio. Por lo tanto se puede eliminar el transformador. En este tipo de máquina, las ranuras en las que están colocados los cables en el estator, son generalmente más profundas que las de la tecnología convencional, dado que se requiere de un aislamiento más grueso, debido al mayor voltaje y al mayor número de vueltas en el devanado. Esto incrementa los problemas de las vibraciones mecánicas naturales que se presentan en los dientes del estator, entre las ranuras del estator. En un estator con ranuras profundas se presentan fácilmente vibraciones dañinas, generadas por las fuerzas electromagnéticas y como resultado de los fenómenos de resonancia, típicamente con una frecuencia de dos veces la frecuencia de la red. Las ventajas del dispositivo de conformidad con la invención se mencionan entonces particularmente para este tipo de máquinas. Con la máquina de conformidad con la invención, los devanados están compuestos preferentemente de cables de un tipo que tiene un aislamiento extruído, sólido, tales como aquellos usados hoy en día para la distribución de energía, por ejemplo cables XLPE o cables con aislamiento EPR. Esos cables son flexibles, la cual es una propiedad importante en este contexto, dado que la tecnología para el dispositivo de conformidad con la invención, se basa principalmente en sistemas de devanado en los que el devanado se forma a partir de cable que se dobla durante su montaje. La flexibilidad de un cable XLPE corresponde normalmente a un radio de curvatura de aproximadamente 20 cm para un cable con un diámetro de 30 mm, y un radio de curvatura de aproximadamente 65 cm para un cable de 80 mm de diámetro. En la presente solicitud el término "flexible" se usa para indicar que el devanado es flexible hasta un radio de curvatura que se encuentra en el orden de cuatro veces el diámetro del cable, preferentemente de ocho a doce veces el diámetro del cable. El cable puede tener preferentemente un diámetro que se encuentra en el intervalo de 20 a 200 mm y un área conductora que se encuentra en el intervalo de 80 a 3000 mm2. En las máquinas de conformidad con la presente invención, los devanado se construyen para conservar sus propiedades inclusive cuando se doblen y cuando se sometan a esfuerzos térmicos durante el funcionamiento. Es vital que las capas conserven su adhesión unas con otras, en este contexto. Las propiedades del material de las capas son decisivas aquí, particularmente su elasticidad y coeficientes de expansión térmica relativos. En un cable XLPE, por ejemplo, la capa aislante consiste de polietileno de baja densidad, reticulado, y las capas semiconductoras consisten de polietileno con partículas de negro de humo y partículas metálicas, mezcladas en el mismo. Los cambios de volumen, como resultado de las fluctuaciones de temperatura, son completamente absorbidos como cambios en el radio de cable y, gracias a la diferencia, comparati amente ligera, entre los coeficientes de expansión térmica en las capas, con relación a la elasticidad de estos materiales, la expansión radial puede tomar lugar sin que se pierda la adhesión entre las capas. Las combinaciones de materiales presentadas anteriormente deberán considerarse únicamente como ejemplos. Otras combinaciones que satisfagan las condiciones especificadas y también la condición de ser semiconductoras, es decir, que tengan una resistividad que se encuentra en el intervalo de 10"1 a 106 ohm-cm, por ejemplo, de 1 a 500 ohm-cm, o de 10 a 200 ohm-cm, naturalmente caen también dentro del alcance de la invención.

La capa de aislamiento puede consistir, por ejemplo, de un material termoplástico sólido tal como polietileno de baja densidad (LDPE, por sus siglas en inglés), polietileno de alta densidad (HDPE, por sus siglas en inglés), polipropileno (PP), polibutileno (PB), polimet ilpent eno (PMP), materiales reticulados tales como polietileno reticulado (XLPE, por sus siglas en inglés), o hule tal como el hule de etilenpropileno (EPR, por sus siglas en inglés) o hule de silicona. Las capas semiconductoras, internas y externas, pueden ser del mismo material básico, pero con partículas de material conductor, tales como polvo de negro de humo o polvo metálico, mezclado en el mismo. Las propiedades mecánicas de estos materiales, particularmente sus coeficientes de expansión térmica, se ven afectadas relativamente poco debido a que se encuentre o no mezclado polvo de negro de humo o polvo metálico, al menos en las proporciones requeridas para lograr la conductividad necesaria de conformidad con la invención. La capa aislante y las capas semiconductoras tienen así substancialmente los mismos coeficientes de expansión térmica. Los copolímeros de etileno-acetato de vinilo/hule de nitrilo, polietileno con injerto de butilo, copolímeros de etileno-acrilato de butilo y copolímeros de etileno-acrilato de etilo pueden también constituir polímeros adecuados para las capas semiconductoras. Inclusive cuando se usen diferentes tipos de material como base en las diferentes capas, es deseable que sus coeficientes de expansión térmica sean substancialmente los mismos. Este es el caso con la combinación de materiales enlistados anteriormente. Los materiales enlistados anteriormente tienen una elasticidad relati amente buena, con un módulo E de E<500 MPa, preferentemente menor que 200 MPa. La elasticidad es suficiente para que cualesquiera menores diferencias entre los coeficientes de expansión térmica de los materiales en las capas sean absorbidas en la dirección radial de la elasticidad, de manera que no aparezcan rupturas, o cualquier otro daño, y de manera tal que las capas no se desprendan unas de otras. El material en las capas es elástico, y la adhesión entre las capas es al menos de la misma magnitud que la resistencia del más débil de los materiales. La conductividad de las dos capas semiconductoras es suficiente para igualar substancialmente el potencial a lo largo de cada capa. La conductividad de la capa externa semiconductora es lo suficientemente grande para encerrar el campo eléctrico en el cable, pero lo suficientemente pequeña para no dar lugar a pérdidas significativas debidas a las corrientes inducidas en la dirección longitudinal de la capa . Así, cada una de las dos capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial y el arrollamiento, con estas capas, encerrará substancialmente el campo eléctrico dentro de las mismas. Por supuesto que no hay objeción por el hecho de que una o más capas semiconductoras, adicionales se encuentren acomodadas en la capa de aislante . Ahora se describirá la invención con mayor detalle, con referencia de los dibujos adjuntos en los que la figura 1 muestra una división de ranura en el estator, con una ranura abierta, la figura 2 una división de ranura diseñada de conformidad con la presente invención, la figura 3 muestra una modalidad alternativa de conformidad con la invención, y la figura 4 muestra una sección transversal a través del cable de alto voltaje usado de conformidad con la invención. La figura 1 muestra una división de ranura del núcleo de lámina de hierro en el estator, que comprende una ranura 2 y una parte de los dientes 4, 6 del estator en cada lado de la ranura 2. La ranura 2 está acomodada para recibir los cables del devanado 12 que se distribuyen axialmente a través del estator y las ranuras 2 son normalmente más profundas en este tipo de máquina de corriente alterna, que en las máquinas convencionales. Esto contrae las desventajas del estator que tiene bajas frecuencias naturales y de las oscilaciones que se presentan fácilmente en el estator 4, 6, tal como se mencionó anteriormente. Como puede observarse en la figura 1, las ranuras 2 en este tipo de máquina, contrario a los generadores convencionales, se asemeja a una cadena de bicicleta con protuberancias 10 entre cada cable 12 en los dientes 4, 6 ubicados entre las ranuras 2, de manera tal que el cable se asegura radialmente. Este tipo de ranura es a menudo conocida como " semi cerrada " , para diferenciarla de las ranuras convencionales, rectangulares, abiertas, con lados perfectamente rectos completamente hacia afuera del espacio intermedio de aire. La ranura 2 está abierta hacia el espacio intermedio de aire, en la parte superior de la ranura, hacia la izquierda en la figura 1. El extremo opuesto de la ranura se denomina el fondo de la ranura. Para manejar los problemas de las vibraciones naturales en el estator, discutidos anteriormente, y para incrementar la rigidez tangencial, se proporcionan los yugos 14 a través de las ranuras, de conformidad con la invención, ver la figura 2. En la modalidad mostrada en esta figura se acomoda un yugo en la parte superior de la ranura y otro yugo se acomoda aproximadamente al centro de la ranura 2. La localización más eficiente del yugo, desde el aspecto mecánico, es en la parte superior de la ranura. Sin embargo puede ser buena idea proporcionar varios yugos en el caso de ranuras profundas, y en ciertos casos puede ser deseable no tener yugo alguno en la parte superior de la ranura, sino que únicamente en puntos más abajo en la ranura. El yugo (o yugos) 14 está fabricado en una pieza con los dientes adyacentes 4, 6 del estator. La estabilidad tangencial lograda por los yugos 14 incrementa la frecuencia natural y proporciona una rigidez considerablemente incrementada en cada diente individual, así como una rigidez de flexión, incrementada, en todo el cuerpo del estator. Otra ventaja importante es que las fuerzas electromagnéticas, tangenciales, en el espacio de aire intermedio, que se derivan de los polos del rotor, están distribuidas uniformemente entre los dientes. Para asegurar que el yugo o yugos 14 proporcionarán suficiente refuerzo mecánico, su anchura d en la dirección de la ranura 2 no deberá caer normalmente por debajo de un límite de típicamente 2 a 3 mm . Como se discutió anteriormente, los yugos causan una fuga incrementada en las ranuras. El flujo de fugas incrementado, limita las corrientes de cortocircuito en el caso de algún cortocircuito, y elimina, o al menos reduce, componentes armónicos de las ranuras, en el flujo del espacio intermedio de aire. Sin embargo, la fuga incrementada en las ranuras causa pérdidas de excitación incrementadas. Por esta razón el yugo o yugos 14 deberían construirse preferentemente de manera tal que sus propiedades magnéticas se desvíen de las propiedades magnéticas de los dientes 4, 6 del estator. El yugo está construido preferentemente de manera tal que la permeabilidad magnética relativa en el material del yugo se encuentre en la proximidad de el valor 1. Esto puede lograrse mediante la perforación de los yugos, tal como se muestra en la figura 3 con el número 16. Sin embargo, debe asegurarse que las perforaciones comprometan la influencia estabilizadora del yugo o yugos. Alternativamente, la permeabilidad magnética en el material del yugo puede reducirse a través del tratamiento adecuado del material, por ejemplo, mediante el tratamiento con láser. La figura 4 muestra una sección transversal a través de un cable de alto voltaje 29 usado en la máquina eléctrica giratoria de conformidad con la presente invención. El cable de alto voltaje 29 está compuesto de un número de partes de hilos 31 que tienen una sección transversal circular y, por ejemplo, fabricados de cobre. Estas partes de hilos 31 están acomodadas en la parte central del cable de alto voltaje 29 y alrededor de las partes de hilos 31 se encuentra una primera capa semiconductora 32. Alrededor de la primera capa semiconductora 32 se encuentra una capa de aislamiento 33, por ejemplo un aislamiento XLPE, y alrededor de la capa aislante 33 se encuentra una segunda capa semiconductora 34.

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por el solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el convencional para la manufactura de los objetos a que la misma se refiere. Habiéndose descrito la invención como antecede se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes:

Claims (18)

REIVINDICACIONES

1. Un dispositivo para incrementar la rigidez mecánica y la frecuencia natural del estator, en una máquina eléctrica giratoria, en donde el estator está provisto de dientes entre las ranuras que sujetan el devanado, los extremos libres de los dientes están situados en el espacio de aire intermedio que se encuentra entre el estator y el rotor, el dispositivo está caracterizado porque al menos un yugo diseñado para incrementar la rigidez, y formado en una sola pieza con los dientes adyacentes del estator, se encuentra acomodado a través de cada ranura del estator para asegurar mecánicamente los dientes del estator en la dirección tangencial .

2. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el yugo está formado en la parte superior de la ranura.

3. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el yugo está formado a través de la ranura, a cierta distancia desde la parte superior de la ranura.

4. Un dispositivo de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la anchura del yugo en la dirección de la ranura, no es menor que un límite inferior típicamente de 2 a 3 mm .

5. Un dispositivo de conformidad con la rei indicación 1, caracterizado porque una pluralidad de yugos se encuentra formada a través de la ranura, a diferentes distancias desde la parte superior de la ranura.

6. Un dispositivo tal como el que se reivindica en cualesquiera de las reivindicaciones de la 1 a la 5, caracterizado porque el yugo está construido de manera tal que sus propiedades magnéticas se desvían de las propiedades magnéticas de los dientes del estator .

7. Un dispositivo de conformidad con lo reivindicado en las rei indicación 6, caracterizado porque el yugo está construido de manera tal que la permeabilidad magnética relativa en el material del yugo, es cercana al valor 1.

8. Un dispositivo de conformidad con lo reivindicado en la rei indicación 6 o en la reivindicación 7, caracterizado porque el yugo es perforado .

9. Un dispositivo de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 6 a la 8, caracterizado porque el material en el yugo está labrado para disminuir su permeabilidad magnética.

10. Una máquina eléctrica giratoria que tiene devanados extraídos en las ranuras en el estator, caracterizado porque los devanados están enrollados a partir de cable para alto voltaje, y porque la máquina está provista de un dispositivo de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las rei indicaciones de la 1 a la 9.

11. Una máquina de conformidad con la reivindicación 10, caracterizada porque el cable para alto voltaje es de un tipo que comprende un núcleo con una pluralidad de partes de hilos, una capa semiconductora interna que rodea al núcleo, una capa aislante que rodea la capa semiconductora interna, y una capa semiconductora externa que rodea la capa de aislamiento.

12. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en la reivindicación 11, caracterizada porque el cable para alto voltaje tiene un diámetro que se encuentra dentro del intervalo de 20 a 200 mm y un área conductora que se encuentra dentro del intervalo de 80 a 3000 mm2.

13. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 10 a la 12, caracterizada porque el devanado es flexible y porque las capas se adhieren unas con otras.

14. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 10 a la 13, caracterizada porque esas capas consisten de materiales con una elasticidad tal y una relación tal entre los coeficientes de expansión térmica de los materiales, que los cambios en el volumen de las capas, causados por las fluctuaciones de temperatura, durante el funcionamiento, son absorbidos por la elasticidad de los materiales, de manera tal que las capas conservan su adhesión unas con otras, a los valores de fluctuaciones de temperatura que se presentan durante el funcionamiento .

15. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en la reivindicación 6 o en la reivindicación 7, caracterizada porque los materiales en esas capas tienen alta elasticidad, preferentemente con un módulo E menor que 500 MPa, y de la manera más preferente menor que 200 MPa.

16. Una máquina de conformidad con cualesquiera de las reivindicaciones de la 10 a la 15, caracterizada porque los coeficientes de expansión térmica para los materiales en las capas son substancialmente de la misma magnitud.

17. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 10 a al 16, caracterizada porque la adhesión entre las capas es de al menos la misma magnitud que la resistencia del más débil de los materiales.

18. Una máquina de conformidad con lo reivindicado en cualesquiera de las reivindicaciones de la 10 a la 17, caracterizada porque cada una de las capas semiconductoras constituye esencialmente una superficie equipotencial .