JP2000511397A - 回転電気機械の固定子用装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 回転電気機械の固定子（１）上に設けたコイル端パッケージのケーブル間における摩耗損傷を回避するための装置であって、この装置は二つのケーブル（４）が接触する領域に弾性層（１０）を含んでいる。ケーブル（４）は固定装置（１２）によって相互に固定される。弾性層（１０）は、二つの層の接触領域における相対運動を、それらを滑動させることなく弾性材の可撓性によって、許容する。弾性層の厚さは許容相対運動を考慮して選択される。ケーブルは電流を通電する少なくとも一つの導体（６）、この導体（６）の周囲に設けた半導電特性を有する第１の層（７）、この第１の層（７）の周囲に設けた固体絶縁層（８）、およびこの固体絶縁層（８）の周囲に設けた半導電特性を有する第２の層（９）を含んでいる。

Description

【発明の詳細な説明】 回転電気機械の固定子用装置 本発明は回転電気機械、例えば同期機に関し、また双方向供給機械、非同期静 止形電流変換器カスケードにおける応用、アウターポール機（outer pole machi ne）、および同期流体機等に関する。また本発明は、回転電気機械の固定子上に 設けたコイル端パッケージにおいて、ケーブル間に起こる摩耗を回避する装置に 関する。この装置は１０ｋＶを超える高電圧用に設計されている。本発明による この装置の典型的作動範囲は３６ｋＶから８００ｋＶである。 本発明が取り組む課題は、基本的には電力を創り出す発電所の発電機として意 図された高電圧交流電気機械に関連している。従来、こうした機械は１５ｋＶか ら３０ｋＶの範囲の電圧に対して設計され、通常、３０ｋＶは上限と考えられて きた。このことは一般に、発電機を電力ネットワークに接続するに当たって、電 圧をその電力ネットワークのレベル、即ち１３０ｋＶ〜４００ｋＶの範囲に昇圧 する変圧器を介して電力ネットワークに接続しなければならないことを意味して いる。 発明の背景及び解決すべき課題 本発明が取り組む課題は、高電圧交流電気機械について例示することができる 。こうした機械の一つに、電力を生成する発電所の発電機がある。従来、こうし た機械は、１５ｋＶ〜３０ｋＶの範囲の電圧に対して設計され、通常、３０ｋＶ は上限と考えられてきた。このことは一般に、発電機を電力ネットワークに接続 するに当たって、電圧をその電力ネットワークのレベルに昇圧する変圧器を介し て該電力ネットワークに接続しなければならないことを意味している。 高電圧用の回転電気機械を設計するためには、固定子の交流巻線を、その半径 が徐々に増加する幾つかの層に形成し、層間の電圧に不当な上昇が生じないよう にして、高電圧を生成しなければならない。このことは、固定子上の巻線端部は 、各巻線について、幾つかの層少なくとも二以上の層を備えていなければならな いことを意味している。巻線端部の層数を増やすに当たっては、いろいろな問題 がある。巻線端部に複数層があると、電界は固定子内の導体を中心とした半径方 向への広がりから、軸方向への広がりへと偏移するから、巻線端部を包囲する電 界は問題を生じさせる。また、固定子の外側に複数層があると、電界は固定子内 の導体を中心とした半径方向への広がりから、軸方向への広がりへと偏移するか ら、巻線端部を包囲する電界は問題を生じさせる。通常、これらの問題は、いわ ゆる電界制御構造をとることによって軽減される。しかし、この電界制御構造は 、層数の増加に伴って甚だしく複雑となる。 同期機の設計に関しては、これまでにもいくつかの新たな試みが発表され、中 でも、J.Elektrotechnika，No．1，1970，pp6〜8に掲載の“水冷及び油冷式ター ビン発電機ＴＶＭ−３００(Water-and-oil-cooled Turbogenerator TVM-300)” と題する論文、発明の名称を“発電機用固定子(Stator of Generator)”とする 米国特許第4,429,244号、及びロシア国特許公報CCCP 955369等に述べられている 。 上記J.Elektrotechnikaに発表の水冷および油冷同期機は、２０ｋＶまでの電 圧に対して考えられたもので、ここでは固定子を油中に完全に浸漬することを可 能にする、油／紙絶縁からなる新たな絶縁系が述べられている。油は冷却剤とし て使用されると共に、絶縁 材としても使用される。固定子中の油が回転子に向かって漏れ出すことを防止す るため、誘電油分離リング（dielectric oil-separating ring）が、鉄心の内側 表面に設けられる。固定子巻線は、油および紙絶縁を施した楕円形の中空導体に よって構成される。絶縁を施したコイル側は、長方形断面を有するスロットに、 くさび形部材を用いて固定される。冷却剤としての油は、中空導体内と固定子の 壁の穴内の両方に用いられる。しかし、こうした冷却システムは、コイル端にお いて、油と電気との間で非常に多くの接続点をもたらす結果となる。また、厚い 絶縁を施すことは、導体の曲率半径を増加させ、巻線の張り出しサイズを大きく する結果になる。 また、上記米国特許は同期機の固定子部に関し、この固定子部は、固定子巻線 用に設けた台形のスロット、を備えた積層シートからなる磁心を有している。中 性点の最も近くに位置して固定子巻線部分が配置される回転子内部に向かって、 固定子絶縁の必要性はより小さくなるから、スロットにはテーパが付けられてい る。さらに固定子部分は、磁心の内側表面近くに誘電オイル分離シリンダを有し ており、この分離シリンダは、それを持たない同期機に比べて、より強い磁化を 要求する。固定子巻線は、各コイル層について、同じ直径を持つ油含浸ケーブル から構成される。これらの層は、スロット内の空隙によって互いに分離され、く さび形部材によって固定される。この巻線の特異性は、直列に接続された二つの いわゆる半巻線(half-windings)を有している点にある。二つの半巻線の一つは 、絶縁スリーブ内の中心に配置される。固定子巻線の導体は周囲の油によって冷 却される。こうした大量の油を使用することを伴うこのシステムの欠点は、事故 、過失等による油漏れの危険性、およびそうした場合に、油の清浄にかなりな量 の作業を必要とする点にある。スロットの外側に位置する絶縁スリーブの部分は 、円筒部およ び電流通電層によって強化された円錐形端部を有し、これはケーブルが巻線端部 に入る領域における電界強度を制御する。 上記ロシア国特許公報CCCP 955369から明らかな通り、同期機の定格電圧を上 げるもう一つの試みでは、油冷却の固定子巻線は、全ての層について、同じ寸法 の従来形高圧ケーブルを有している。このケーブルは、ケーブルの断面およびケ ーブル固定と冷却剤とに必要な空間に対応する、半径方向に配置された円形の開 口として形成された固定子のスロット内に配置される。異なる半径で配置された 巻線層は絶縁チューブによって囲まれ、その中に固定される。絶縁空間は、固定 子スロット内にそのチューブを固定する。油冷却のため、内部空隙に対して冷却 剤をシールする必要から、ここでも内部の誘電体リングが必要になる。 発明の概要及び実施例 従って本発明の目的は、中間の変圧器を介在させることなく、電力ネットワー クに直接接続することができる回転電気機械を提供することであり、この電気機 械が大形化し過ぎたり、複雑化することなく、巻線の幾層かを有することができ るようにすることである。 上記目的は、請求の範囲の請求項１に記載の回転電気機械によって達成される 。 永久絶縁を施した導体を用いた固定子巻線において、この永久絶縁は、導体を 囲む半導電特性を有する内側層、および絶縁体を囲む半導電特性を有する少なく とも一つの外側層を含んでいる。この半導電特性を有する内側層は、この内側層 の外側電界電位を平均化するように機能し、外側層は一方において、選択した電 位に接続すると共に、他方において、外側層内の導体周囲の電界を囲むことによ って、電位を平均化するように機能する。ここで言う半導電特性を 有する材料とは、導体に比べてかなり低い導電率を有するが、絶縁体のような低 い導電率は有しない材料を指す。例えば、上記内側および外側の半導電層は１０^-6 Ｗｃｍから１００ｋＷｃｍの範囲の抵抗率を有している。欠陥を最小限にして 製造された絶縁層のみを用い、加えて、内側および外側の半導電層を備えた絶縁 層を設けることによって、熱的および電気的な負荷を確実に低減することができ 、中間の変圧器を介在させずに、電力ネットワークに直に接続できるレベルまで 回転機械の定格電圧を上げることができる。従って、逓昇変圧器は排除される。 本発明のさらに他の利点は、絶縁系の設計に当たって、巻線層をさらに自由に配 置することができる点である。巻線端部において、互いに層を交差させ、異なっ た電圧の巻線層を混在させることが可能である。このことによって、回転電気機 械は、仮にそれが幾つかの巻線層から構成されていても、さらに小型化すること が可能になる。 これら高電圧電気回転機械では、ケーブルが相互の関係で振動する傾向を有し 、大きな巻線端部を、主電圧の周波数の倍の周波数、すなわち公称主周波数が５ ０Ｈｚの電源システムであれば１００Ｈｚで、また公称主周波数が６０Ｈｚの電 源システムであれば１２０Ｈｚで振動し、その振幅は約０．１ｍｍになるという 問題が起こる。このことは、半導電層を外周に備えその半導電層によって、その 周囲環境との関係で電位を規定される巻線端部のケーブルが、隣接ケーブルとの 間の接触摩耗によって容易に損傷してしまうことを意味する。このケーブル同士 の擦り合いを最小限にするため、本発明では、位置決め手段を用いて、ケーブル を巻線端部の固定位置に保持し、ケーブルが交差する位置でのそれら同士の擦り 合いを防止している。 以下、添付図面を参照して、本発明をさらに詳しく説明する。図 中： 図１は交流発電機の固定子の一端におけるコイル端パッケージの一部を示す斜 視図、 図２は固定子巻線に使用する形式のケーブルの断面図、 図３は本発明の装置を備えた端部コイルスタック内のケーブルの断面図、そし て 図４はコイル端パッケージ内の二つのケーブルの接触領域を示す図である。 図１は交流発電機におけるコイル端パッケージの一部を示す図である。固定子 １は、その内部垂直表面２により、発電機の回転子を、空隙を介して、取り囲ん でいる。巻線を形成するケーブル４は、固定子１の上部表面３の一つのスロット から突出して弧を作り、固定子の他のスロットに入る。ケーブルすなわちコイル が形成するこれらの弧は、相互に接触するコイル端を形成する。こうした接触点 を図１の参照番号５で示す。 弧状をなすコイル端部は、比較的拘束されず(loose)、滑りやすい。そのため 約１００Ｈｚの周波数で動作させている間、ケーブル接触領域ではケーブル間に 相対運動が起こり、その相対運動の振幅は約０．１ｍｍに達する。こうした運動 は、ケーブルに外装を施してなければ、ケーブル間に摩耗損傷が発生する。 図２は本発明で用いるケーブル４の断面を示す。このケーブル４は、例えば円 形断面を有する多数の銅撚り線からなる導体６を有している。この導体６は、ケ ーブル４の中央に設けられる。この導体６の周囲には第１の半導電層７が設けら れ、さらにこの第１半導電層の周囲には、例えばＸＬＰＥ絶縁体からなる絶縁層 ８が設けられ、最後にこの絶縁層８の周囲に第２の半導電層９が設けらる。こう した関係からこのケーブルは、配電用ケーブルを通常取り巻く保護 外装、を含んでいない。 図３は本発明による装置を備えたケーブルの断面を示す。ケーブルの接触領域 における摩耗損傷を避けるため、ケーブル相互の滑動によるケーブル摩耗を起こ さない程度の相対運動を許しながら、それらを固定しなければならない。このた め、ケーブル４の接触領域にはゴム層１０が設けられる。このゴム層は図の１１ にスリットを有する適当なチューブ又はスリーブで、ケーブルにはめ込むことが できる。ゴム材については特定の材料に限定することはなく、ゴム状の弾性を持 つ材料であれば良い。図４は束ねテープ１２の形をした固定装置によって、二本 のケーブルをその接触点５において、どの様に固定するかを示す図である。また 、ケーブル４を、固定子の上の外側固定点において同様に固定し、弾性材によっ て覆うようにしても良い。 スリーブ１０のゴム層の厚さは、ケーブルが、ゴム層表面間で滑りを起こさな いようにしかも弾性材を曲げながら相対運動するのに十分な、厚さでなければな らない。こうして、ＸＬＰＥ絶縁層上に設けた半導電層の外側をすぐに損傷し勝 ちな摩耗が防がれる。ゴム層の厚さは、１０ｍｍから１５０ｍｍの範囲のケーブ ル直径に応じて、０．５ｍｍから５ｍｍの範囲で変化させれば良い。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 カルディン，ハンス―オルフ スウェーデン国，エス―723 46 ベース トロース，グレナジェールガタン ９ (72)発明者 ベルグレン，セーレン スウェーデン国，エス―724 62 ベース トロース，ベッテルストルプスガタン 30

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転子と、固定子と、数層に構成されると共に該固定子の外側で巻線端部 を形成する巻線とを有する回転電気機械において、前記巻線の少なくとも一つは 、固体絶縁系によって包囲された可撓性の導体からなり、この固体絶縁系は、半 導電特性を有する内側層と、絶縁部と、半導電特性を有する外側層とを含み、前 記少なくとも一つの巻線は、巻線端部が互いに交差する層を含むように構成され ることを特徴とする回転電気機械。 ２．前記層は、それらが交差する位置で相互に擦り合いながら接触することを 防止するため、位置決め手段によって巻線端部において固定された位置に保持さ れることを特徴とする請求項１に記載の回転電気機械。 ３．前記位置決め手段は、二つの前記層が接触する領域に位置する弾性層と、 二つの該層を相互に固定する固定装置とを含み、前記弾性層は、前記二つの層の 接触領域における相対運動を、それらを滑動させることなく当該弾性材の可撓性 によって、許容しまた該弾性層の厚さは、その許容相対運動を考慮して選択され ることを特徴とする請求項２に記載の回転電気機械。 ４．前記弾性層は、交差接触する前記領域において各前記層を覆う、スリット 付ゴムチューブ片からなることを特徴とする請求項３に記載の回転電気機械。 ５．前記固定装置は、前記二つの層の接触位置においてそれらを包む束ねテー プからなることを特徴とする請求項３又は４に記載の回転電気機械。 ６．前記層は、前記固定子の外側の各取付点における固定位置内に保持される ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載 の回転電気機械。 ７．前記位置決め手段は、定義された絶縁性又は導電性を示す抵抗率を備えた 材料から形成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回転 電気機械。 ８．前記少なくとも一つの巻線は、ケーブルからなることを特徴とする請求項 １〜７のいずれか一項に記載の回転電気機械。