JP2003525010A - 高電圧回転装置及びその導体の冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電気的回転装置２、特に少なくとも３０ｋＶの電圧用の高電圧発電機において、効率的な冷却を保証するために、半径方向に延在する冷媒通路１０が設けられており、この冷媒通路内に複数の高電圧導体１４が配置されている。冷媒通路１０は、半径方向において外側に向かうに従い階段状に拡張され、このとき、冷媒通路１０の幅Ｂが増大すると共に、冷媒通路内で半径方向に対して垂直な方向に相互に隣り合うようにして配置された高電圧導体１４の数が増加するように構成されている。好ましくは冷媒として冷却ガスが使用される。冷媒通路１０内における高電圧導体１４の配置によって、高電圧導体１４が直接冷媒と接触し、従って効率的でかつ均一な冷却が行えるという利点が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】

本発明は、ステータ及びステータコイルを備え、前記ステータコイルが複数の
高電圧導体を有している、電気的回転装置、特に発電機に関する。さらに、本発
明は、このような電気的回転装置の冷却方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】

通常の電気的回転装置、例えばタービン発電機は、１０〜２５ｋＶの比較的低
い電圧用に設計されている。本発明に係る回転装置は、これに対して高電圧用に
設計されている。本明細書において、高電圧とは、３０ｋＶ〜数１００ｋＶの範
囲にあるものを意味するものとする。このような高電圧発電機は、特に長距離ネ
ットワークの電源電圧用に設けられており、例えば１１０ｋＶ用等に設計されて
いる。この高電圧発電機の決定的に重要な長所は、この高電圧発電機が変圧器を
必要とせずに長距離ネットワークへ直接電流を供給できる点にある。

【０００３】 従来の発電機と高電圧発電機との間の本質的な違いは、そのコイルの設計、特
にそのステータコイルの設計にある。これは、特に、高電圧発電機において高電
圧導体として構成されている個々の導体に関係する。明らかに高い電圧のため、
この高電圧導体は、原則として従来の発電機の場合の導体とは異なる絶縁を有し
ていなければならない。この高電圧導体は、従来の高電圧ケーブルに似ており、
一般に導体ストランド（Leiterstraengen）の束を有し、この導体ストランドは
、然るべき絶縁体、特にプラスチック絶縁体により取り囲まれている。

【０００４】 明らかに高い電圧のため、高電圧発電機は、電気的／磁気的限界条件の観点、
ならびに必要な冷却の観点から見て異なる構成を必要とする。

【０００５】 国際公開第９７／４５９１４号パンフレットより、このような高電圧発電気用
の冷却システムが知られている。この発電機のステータは、別々のセグメント状
のプレートからなり、このプレートは、半径方向に延在する溝部を形成するよう
に長手方向に積み重ねられている。この溝部内にそれぞれ複数の高電圧ケーブル
が延び、これらの高電圧ケーブルは、半径方向に互いに積み重なって配置されて
いる。この溝部は入り組んだ複雑な形状を有し、その側壁は、個々の高電圧導体
に対応する湾曲部の互いに隣接する連なりから形成されている。このような溝部
の間には、それぞれ軸方向に延在する冷却径路が設けられている。冷媒が流れる
本来の冷却導管は、各冷却径路の内側を案内されている。このような構成は、冷
却導管とそれぞれの歯状のステータセグメントとの間の良好な熱的接触を達成す
るために、冷却導管用の埋め込み材料を必要とする。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】

本発明の課題は、高電圧発電機のための効率的な冷却を保証することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】

前記課題は、本発明により、ステータと、複数の高電圧導体を有するステータ
コイルと、を備えた電気的回転装置、特に発電機において、冷媒通路が設けられ
、この冷媒通路内に複数の高電圧導体が配置されている電気的回転装置、特に発
電機により解決される。

【０００８】 高電圧導体を冷媒通路内に配置することにより、個々の高電圧導体を直接冷却
することが可能になる。熱は、冷媒通路内を流れる冷媒により直に奪い去られる
。冷媒と高電圧導体との間には、伝熱性や、それに伴う冷却効率の妨げになる他
の部材が介在して配置されていない。

【０００９】 冷媒通路内の高電圧導体の配置は、はたして先行技術から知られたステータの
溝部内の配置と類似しているが、決定的に異なるのは、公知の発電機の場合、高
電圧導体は間接的にしか冷却することができないということである。上記の溝部
は、冷媒通路として構成されていない。高電圧導体は、本発明において好適にも
発電機の軸方向または長手方向に延在し、かつ冷媒通路内で半径方向に互いに隣
り合うようにして配置されている。

【００１０】 ステータの簡単な構造のためには、このステータは、複数のステータセグメン
トに分割されていることが好ましく、これらのステータセグメントは、横断面方
向視して円環を形成し、このとき、各ステータセグメントは少なくとも一つの冷
媒通路を有し、その冷媒通路内に高電圧導体が配置されている。冷媒通路を各セ
グメント内に設けることにより、効率的でかつ均一な冷却を実現することができ
る。

【００１１】 この冷媒通路は、冷却ガス通路として構成されていることが好ましく、従って
、例えば空気を用いて、あるいは、特にタービン発電機の場合には水素を用いて
も冷却を行うことができる。このようなガス冷却される発電機は、例えば油で冷
却される発電機と比較して、冷媒循環路の構成に関して長所がある。

【００１２】 とりわけ簡単な構造の形態とするため、好適な実施形態において、冷媒通路は
、四角形の横断面形状を有する。

【００１３】 ステータ内で利用可能な空間を余すところ無く有効に利用するために、冷媒通
路は、半径方向において外側に向かって拡張されていることが好ましい。簡単な
構造においては、冷媒通路は階段状に拡張される。

【００１４】 これにより、好適にも、冷媒通路の幅が増大すると共に、この冷媒通路の中で
半径方向に対して垂直な方向に隣り合うように配置された高電圧導体の数を増加
させることが可能になる。

【００１５】 本課題は、さらに本発明によれば、電気的回転装置の冷却方法、特に発電機の
冷却方法により解決される。このとき、前記回転装置は、ステータコイルを備え
たステータを有し、前記ステータコイルは、複数の高電圧導体を備え、さらにこ
のとき、前記高電圧導体は、直接冷媒により冷却される。

【００１６】 この方法は、好ましくも、冷媒を導く手段として、内部を高電圧ケーブルが通
る通路を利用する。これにより、発電機を直接的、効率的、かつ均一に冷却する
ことが保証される。

【００１７】 この回転装置に関して上述した利点及び有利な態様は、本発明の範囲内で上記
の方法に反映させることができる。さらに好ましい本発明による方法の実施形態
は、下位請求項に記載されている。

【００１８】

【発明の実施の形態】

以下、本発明の実施形態を図面に基づき詳述する。これらの図面は、それぞれ
かなり省略して表されている。

【００１９】 高電圧発電機として構成された図１に係る発電機２の部分的なセグメント状の
横断面図を参照すると、発電機２は、ステータ４を有し、このステータ４が空隙
６を形成しつつロータ８を環状に取り囲んでいる。このステータ４は複数の溝部
を有し、この溝部が冷媒通路１０として形成されている。この冷媒通路１０は、
発電機２の長手方向に延在する、つまり紙面に対して垂直方向に延在し、かつそ
れぞれ半径方向外側に延びている。

【００２０】 各冷媒通路１０は、一つのステータセグメント１２の内側に設けられている。
個々のステータセグメント１２は、概略台形の横断面を有している。この個々の
ステータセグメント１２は、円環状のステータ４を形成している。

【００２１】 冷媒通路１０内部には、それぞれ複数の高電圧導体１４が配置されている。こ
れらの高電圧導体１４は、発電機２の長手方向にステータ４を貫いて延在してお
り、冷媒通路１０の内部で半径方向に互いに隣り合うようにして配置されている
。この高電圧導体１４は、かくして冷媒通路１０の内部で列を形成し、スパンド
レル形状の断面部分が空いている。

【００２２】 この冷媒通路１０、ひいては一列の高電圧導体１４は、ロータ側の内側１６を
始端として半径方向に向かって外側へ延びている。この高電圧導体１４は、ここ
ではこれ以上図示されていないステータ４のコイルを形成する。

【００２３】 この高電圧導体１４を冷却するために、各冷媒通路１０を介して冷媒、特に冷
却ガスが導かれる。従って、冷媒は高電圧導体１４の外周面と直接接触し、これ
により個々の導体の効率的かつ特に均一な冷却が行われる。ステータ４を冷却す
るために、付加的に冷却するものとして、単にそれ自身先行技術から公知の冷却
導管が設けられていてもよい。この冷却導管は、例えば個々の冷媒通路１０の間
、ならびに半径方向で冷媒通路に隣接するように配置される。

【００２４】 空隙６に向かって開いている溝部に高電圧導体１４が配置されている高電圧発
電機の公知の構造と異なる点は、図１による実施形態の場合には、冷媒を意のま
まに導くことができるように、個々の冷媒通路１０が内側１６で閉鎖されている
ことである。冷媒通路１０は、図２及び図３から分かるように、特に楔状部材１
７により密閉されている。

【００２５】 先行技術から公知の湾曲した側壁を備えた複雑な形状は、冷媒通路１０に対し
ても同様に考えられる。しかしながら、四角形の横断面を有する図１の構成は、
好適にも簡単に製造することができ、しかも、発生する磁場および／または電場
の比較的簡単な計算を可能にする。

【００２６】 冷媒通路１０内の高電圧導体１４の配置の利点、もしくは公知の溝部の冷媒通
路１０としての構成の利点は、次のような点にある。すなわち、効率的な冷却の
おかげで、さらなる冷却導管を設ける必要がなくなる。特にガス冷却で十分であ
り、液状の冷媒、例えば水又は油を用いる必要はない。冷媒がケーブル表面に直
に接触することにより、さらに安全でかつ均一な冷却が保証される。さらに、個
々の高電圧導体１４の間の空間が有効に利用される。冷媒通路１０の四角形通路
としての構成は、このとき、比較的大きな流れの断面積を有するため有利であり
、その結果、高い冷却速度が達成される。

【００２７】 図２による個々の冷媒通路１０の拡大図によると、冷媒通路の幅Ｂは、個々の
高電圧導体１４の直径Ｄに適合している。この高電圧導体１４は、好適には個々
の導体ストランドの束として形成されたコア１６を内部に有している。このコア
１６は、絶縁体１８により取り巻かれており、この絶縁体１８は、好適には高電
圧ケーブル用の通常のプラスチック絶縁体である。個々の高電圧導体１４は、冷
媒通路１０の内部で直に隣り合うようして配置される。これらの導体と冷媒通路
１０との間に空洞部２０がそれぞれ形成され、この空洞部内を冷媒が紙面に対し
て垂直方向に流れる。

【００２８】 図３の場合には、冷媒通路１０は、階段状に構成されており、つまり、冷媒通
路は、そのロータ側の内側１６から出発して外側に向かうに従い広くなっている
。段階２２の下側部分の冷媒通路１０の幅Ｂ１は、高電圧導体１４の直径Ｄに適
合しており、段階２２の上側部分の幅Ｂ２は、その直径Ｄの２倍に適合している
ため、２本の高電圧導体１４を冷媒通路１０内に相互に隣接して配置することが
できる。このような冷媒通路１０の半径方向に向かって広がる構成によって、ス
テータ４内の有効な空間利用が保証される。高電圧導体１４の直径Ｄが変らない
場合の上記の階段状の構成に代えて、冷媒通路１０が連続的に拡張しかつこれに
従って同時に特に個々の高電圧導体１４の直径Ｄが増すようにすることで、別の
構成によって空間を余す所無く利用することもできる。

【００２９】 冷媒通路１０として形成された溝部内では、この高電圧導体は、図示されてい
ない保持部材、例えばクランプ及びバネ部材で固定され、これにより、高電圧導
体に作用する力や振動によって引き起こされる高電圧導体１４の相互の相対運動
及びステータ本体に対する相対運動が抑制されることが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 発電機の部分断面図である。

【図２】 四角形の横断面を備えかつ内部に高電圧導体を備えた冷媒通路を
示す図である。

【図３】 階段状に拡張する横断面を備えた冷媒通路を示す図である。

【符号の説明】

２・・・発電機（電気的回転装置） ４・・・ステータ １０・・・冷媒通路（冷却ガス通路） １２・・・ステータセグメント １４・・・高電圧導体

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１４年１月２２日（２００２．１．２２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項４】 ステータコイルを有するステータ（４）を備え、前記ステー
タコイルが複数の高電圧導体（１４）を備えた少なくとも３０ｋＶの電圧用の高 電圧発電機 の冷却方法において、 前記高電圧導体（１４）を直接冷媒により冷却し、このとき、半径方向に延在
する冷媒通路（１０）を通過するように冷媒を案内し、前記冷却ガス通路内に複
数の高電圧導体（１４）を半径方向に互いに隣接するようにして配置し、このと き、前記冷媒通路（１０）を、半径方向において外側に向かうに従い階段状に拡 張し、前記冷媒通路（１０）の幅（Ｂ）を増大させると共に、前記冷媒通路内で 半径方向に対して垂直な方向に相互に隣り合うようにして配置する高電圧導体（ １４）の数を増やすことを特徴とする 冷却方法。

【請求項５】 請求項４に記載の方法において、 冷媒として冷却ガスを使用することを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ， ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，Ｊ Ｐ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，Ｒ Ｏ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ， ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 クラウス・ゼドラツェック ドイツ・45481・ミュールハイム・ロット ドルンボーゲン・23 Ｆターム(参考） 5H603 AA05 AA12 BB02 BB09 BB12 CA01 CA05 CB02 CB17 CB23 CB24 CB26 CC04 CC17 CD02 CD21 CE04 EE12 EE25 5H604 AA01 AA03 BB04 BB10 BB14 CC01 CC05 CC14 DA14 DB01 PB02 PB03 QC04 QC09 5H609 BB03 BB19 PP02 PP08 PP09 QQ03 QQ10 QQ12 QQ16 RR02

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ステータ（４）と、複数の高電圧導体（１４）を有するステ
   ータコイルとを備えた、特に発電機といった電気的回転装置（２）において、 冷媒通路（１０）が設けられ、この冷媒通路内に複数の前記高電圧導体（１４
   ）が配置されていることを特徴とする電気的回転装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置（２）において、 前記ステータ（４）は、その横断面で見て、円環を形成する複数のステータセ
   グメント（１２）に分割され、これらの各ステータセグメント（１２）は、冷媒
   通路（１０）を有しており、この冷媒通路内に前記高電圧導体（１４）が配置さ
   れていることを特徴とする装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の装置（２）において、 前記冷媒通路（１０）は、冷却ガス通路として構成されていることを特徴とす
   る装置。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の装置（２
   ）において、 前記冷媒通路（１０）は、四角形の横断面形状を有することを特徴とする装置
   。
5. 【請求項５】 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の装置（２
   ）において、 前記冷媒通路（１０）は、半径方向において外側に向かうに従い、特に階段状
   に拡張されていることを特徴とする装置。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の装置（２）において、 前記冷媒通路（１０）の幅（Ｂ）が増大すると共に、前記冷媒通路内で半径方
   向に対して垂直な方向に相互に隣り合うように配置された高電圧導体（１４）の
   数が増加するように構成されていることを特徴とする装置。
7. 【請求項７】 ステータコイルを有するステータ（４）を備え、前記ステー
   タコイルが複数の高電圧導体（１４）を備えた、特に発電機といった電気的回転
   装置（２）の冷却方法において、 前記高電圧導体（１４）を直接冷媒により冷却することを特徴とする電気的回
   転装置の冷却方法。
8. 【請求項８】 請求項７に記載の方法において、 冷媒として冷却ガスを使用することを特徴とする方法。
9. 【請求項９】 請求項７または請求項８に記載の方法において、 半径方向に延在する冷却ガス通路（１０）を通過するように冷媒を案内し、前
   記冷却ガス通路内に複数の高電圧導体（１４）を半径方向に互いに隣接するよう
   にして配置することを特徴とする方法。