JP2005185095A - ロータ末端巻線コイルの熱管理 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、例えばガス冷却式発電機のような機械におけるロータ界磁巻線の末端巻線の冷却方法及びシステムに関する。
【解決手段】 機械（１０）は、（ａ）その各々が末端巻線領域（２６）内に延びた軸方向に延びるコイル（１４）と、（ｂ）末端巻線領域（２６）におけるコイル（１４）間の複数の空洞（２０、３６、３８）と、（ｃ）コイル（１４）間に置かれた複数のスペーサ（１６）とを備えたロータ（１２）を含む。入口（３２）及び出口（３４）を有する通気溝（３０）が、コイル（１４）の少なくとも幾つかが該通気溝（３０）の少なくとも１つを含む状態で、ロータ（１２）内に形成される。通気溝（３０）は、少なくとも１つの第１の空洞（３８）から（ｉ）第２の空洞（３６）又は（ｉｉ）該第１の空洞（３８）の異なる部分の少なくとも１つまでの少なくとも１つのガス流用通路を形成する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には、例えばガス冷却式発電機において用いる冷却方法及びシステムに関し、より具体的には、この種機械におけるロータ界磁巻線の末端巻線の各巻線を冷却することに関する。

発電機は、機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。例えば、ガス又は蒸気タービンからの機械的エネルギーは、固定アーマチュアすなわちステータの内部で回転する回転磁界すなわちロータに供給される。発電機ロータは、その中に軸方向スロットが円周に沿って機械加工された大型の鉄製鍛造品を含む。同心の矩形銅コイルが、これらのスロット内に装着される。隣接するコイルは、電気的に接続される。各コイルは、銅巻線のスタックから成る。全体で、銅コイル及び巻線は、単一回路を形成する。巻線間に絶縁体のストリップを配置して、回路の電気的短絡を防止する。主ロータ本体による支持を越えたコイルの端部分（通常、末端巻線領域と呼ばれる）は、一般的にコイルを包囲する保持リングによって回転力に抗して支持される。末端巻線領域においては、コイルは、ロータの全長に沿って部分的に軸方向に延び、また１つのスロット内の銅巻線の組を異なるスロット内の銅巻線の組に接続するために部分的に円周方向に延びる。末端巻線領域におけるコイル間の異なる位置にスペーサブロックを配置して、コイルを互いに分離した状態に保ちかつ機械的な支持を与える。

銅巻線には電流に関連した抵抗損により熱が発生する。巻線に供給することができる最大電流は、多くの場合、銅巻線間の絶縁体のストリップが到達可能な平均温度及び最高温度に限界値があるので、ロータ界磁巻線を効果的に冷却する能力によって制限される。冷却方法に改良を加えることによって、ロータ界磁巻線に対する電流を増加させ、従って発電機の出力及び出力密度を増大させることができる。高出力密度の発電機の場合、ロータ末端巻線領域の効果的な冷却が、ロータ冷却における制限要因となることが多い。

ロータ末端巻線領域に何らの冷却強化要素もない場合には、その最も基本的な構成において、冷却媒体ガスは、コイルの底部とロータスピンドルと間の環状の領域に供給される。冷却媒体ガスは、ロータ本体の中心から最も遠く離れた最外側コイルから最内側コイルに向かって流れ、該最内側コイルにおいて冷却媒体ガスはロータ本体に流入する。底部における僅かな数のコイル巻線が、この冷却媒体流によって効果的に冷却されることになる。さらに、コイルとスペーサブロックとの間には空洞と呼ばれるオープンスペースがある。その基本的な構成では、これらの空洞は、一側で環状ギャップに開口し、他側で包囲保持リングによって閉鎖されている。冷却媒体流は、底部からこれらの空洞に流入し、コイルの側面を冷却し、その流れが流入したのと同じ側において再び環状ギャップに戻ることができる。これは、空洞が一側で閉鎖されているので、末端巻線領域を冷却する最も効果的な方法ではない。

ロータの出力密度が増大すると、末端巻線領域を効果的に冷却する付加的な手段を設ける必要がある。１つの試みの解決策として、保持リング内に半径方向又は軸方向のいずれかの方向に通路を形成して、空洞に入る流れをロータとステータとの間のスペースであるエアギャップに通気している。しかしながら、保持リングは、発電機における最も高い応力区域の１つであり、また付加的な開口を穿孔することは、機械的応力が増大する傾向になるので必ずしも実用的な方法とはいえない。

従って、ロータ末端巻線を冷却するための熱除去能力を向上させた冷却システムに対する必要性がある。

簡潔に言えば、本発明の１つの実施形態によると、機械は、その各々が末端巻線領域内に延びた軸方向に延びるコイルと、末端巻線領域におけるコイル間の複数の空洞と、コイル間に置かれた複数のスペーサとを備えたロータを含む。入口及び出口を有する通気溝が、コイルの少なくとも幾つかが該通気溝の少なくとも１つを含む状態で、ロータ内に形成される。通気溝は、少なくとも１つの第１の空洞から第２の空洞又は該第１の空洞の異なる部分の少なくとも１つまでの少なくとも１つのガス流用通路を形成する。

本発明のこれら及び他の特徴、態様及び利点は、図面全体にわたって同一の符号が同一の部品を表している添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むとき、一層よく理解されるようになるであろう。

図１は、軸方向に延びるコイル１４を有するロータ１２を含む回転電気機械１０（例えば、発電機又は電動機など）の典型的な部分斜視図を示す。ロータ１２は、一般的に末端巻線領域２６とロータ本体領域２８との総合と見なすことができる。一般的に、ロータ本体２８は、半径方向に延びる歯１８を有する。チムニー２４は、ロータ本体２８内に設置されて冷却ガス用の出口通路を形成する半径方向空洞である。末端巻線領域２６におけるコイル１４間には、末端巻線領域２６内で冷却ガスを循環させるための複数の空洞２０が存在し、また、コイル１４間に置かれた複数のスペーサ１６が、コイル巻線に対して構造的保全性を与えかつコイル１４間の接触を防止する。保持リング２２が、末端巻線領域２６におけるコイル１４を包囲するように設けられる。説明し易くするために、図１では、ロータ本体２８は、平滑に描いているが、一般的にコイルのための軸方向スロット（図示せず）を含み、この軸方向スロットの上部にロータ本体の外径位置においてロータウェッジ（図示せず）が配置される。その上、ロータウェッジ又はロータ歯のいずれかに或いはその両方には、一般的に通気孔（図示せず）が存在する。さらに、スロット間には、ロータの軸線（図示せず）から半径方向に突出したロータ歯１８があり、最内側コイルの２つの側面間の間隔をおいた位置は、極と呼ばれる。

図２は、本発明の実施形態による、図１の機械１０のコイル１４（又はコイル巻線）の平面に展開した平面図を示す。入口３２（少なくとも１つの入口を意味する）及び出口３４（少なくとも１つの出口を意味する）を有する通気溝３０が、コイル１４の少なくとも幾つか内に形成され、第１の空洞３８から第２の空洞３６又は該第１の空洞３８の異なる部分までの少なくとも１つのガス流用通路となる。例えば、通気溝３０は、第１の空洞３８内に開口するように形成された入口３２を有し、出口３４は、第２の空洞３６内に開口するように形成される。別の実施形態では、通気溝３０の出口３４（仮想線で示す）は、第１の空洞３８内に開口するように形成される。ここで、入口３２と出口３４との逆の構成が可能であること、すなわち流れは出口３４から入りかつ入口３２から出ることができることを理解されたい。或る実施形態では、通気溝３０内で複数の入口３２を使用することができる。ここで、図２の実例では、図示した様々の溝は対称的形態で配置されていないが、実際の実施形態では、溝は一般的に軸線５４の周りで対称的に配置されることになることを理解されたい。

通気溝４０、４２は、通気溝３０の別の実施例である。一般的に、少なくとも１つのガス流用通路は、正確には１つの通気溝によって形成されることになる。ガス流用通気溝３０によって形成された通路は、コイル１４又はスペーサ４６、４８のいずれかから空洞内に開口するように形成することができ、空洞２０間にガス流通路を設けるこの種の改良は、本発明の技術的範囲内に含まれることをさらに理解されたい。ロータ本体２８内に設置されたコイルを貫通する半径方向空洞であるチムニー２４は、空洞によって図２のチムニー溝５２に冷却ガスが供給されるとき、末端巻線領域２６からの冷却ガス用の出口通路となる。

上に説明したように、ガス流用通路は、通気溝３０により所望の構成で構成することができる。従って、本発明の熟考した実施形態によると、通気溝は、ガス流を機械内で選択可能な方向に向ける通路を形成する。例えば、通気溝は、ガス流を機械の相対的により低温の領域から相対的により高温の領域に向けるように構成することができる。上記のように、ガス流を向ける構成は、末端巻線領域内に存在する圧力分布プロフィールに基づいて通気溝の入口及び出口を位置決めすることと、流れが高圧領域から低圧領域に向けて起こるという事実を利用することとを含む。しかしながら、通路の両端での圧力差が存在する場合には、ガス流が常に高圧領域から低圧領域に向けて起こることになり、所望の圧力分布を得ることが必ずしも可能でない場合がある。

関連する実施形態によると、末端巻線領域における所望の圧力分布は、次の方法、すなわち、例えば圧力は一般的にスペーサの近傍でより高くなるので、コイル間で通気溝の入口又は出口に対してスペーサ１６を適切に位置決めすることと、コイル間の空洞の大きさを選択することと、コイル面又はロータ面上に多数の突起（凸面形、凹面形又はそれらの組合せ）を設けることとで達成することができる。機械１０又は機械のサブ構成部品のコンピュータ流体力学的モデル試験又は実試験を用いて、末端巻線領域における圧力分布を検討してスペーサ１６の適切な位置決め及び空洞２０の適切な大きさを得るようにすることができる。図３によって示した本発明の別の熟考した態様によると、スペーサ１６上の凹面形突起、凸面形突起又は凹面形突起及び凸面形突起の組合せの１つである少なくとも１つのスクープ４４を、該スペーサ１６の少なくとも１つに設ける。このようなスクープ４４は、スペーサを含む空洞２０内の圧力を変えることができる利点がある。これら及び他の方法を使用して、所望の圧力分布を達成してガス流を機械内で選択可能な方向に向けることができ、全てのこのような方法は本発明の技術的範囲内に含まれる。

一部の既存の機械では、末端巻線領域２６における幾つかの巻線内にいわゆる重量軽減溝５０が存在する。これらは、末端巻線領域２６におけるコイルの重量を軽減するための巻線内部の端部が閉じた溝であり、機械の保持リング２２に作用する機械的応力を低減するために組み込まれる。本発明の実施形態によると、重量軽減溝５０は、空洞間通気溝３０として構成することができる。これは、空洞２０又は空洞３８内に重量軽減溝５０からの入口及び出口を形成することによって達成することができる。入口及び出口を形成することに加えて、重量軽減溝の延長部を適切に形成して、通気溝３０の適切な長さを得ることができる。従って、本明細書に開示した本発明はさらに、末端巻線領域における熱伝達を増大させる１つの解決策をもたらし、またコイル巻線１４の末端巻線領域内に存在する重量軽減溝５０を利用する利点がある。

一部の既存の機械では、流れ通路は、末端巻線領域からロータ本体領域内部までの巻線に続く幾つかの又は全ての銅巻線内部に形成され、流れ（冷却媒体の）は、ロータ本体領域においてロータ及びステータ間のエアギャップに向かって半径方向外向きに向けられる。これら通路の開始位置は、コイルが円周方向に延びるストラップ端部領域内にするか又はコイルが軸方向に延びるコイル側部領域内にすることができる。従来から、溝内の冷却媒体をエアギャップに通気するのに利用できる２つの異なる流れ通路がある。１つの場合では、溝５２内の流れは、図２に示すように、ロータ本体に流入し、流れをエアギャップに通気する銅巻線の半径通路であるチムニー２４を通って流れる。別の選択肢では、流れは、直接的にか又はロータ歯に隣接するスペースブロックを貫通してかのいずれかで、ロータスロット間の鉄製部分であるロータ歯１８に流入した後にエアギャップ内に通気される。

通気溝が少なくとも１つの第１の空洞から第２の空洞又は該第１の空洞の異なる部分の少なくとも１つまでの少なくとも１つのガス流用通路を形成する本発明の上記の実施形態は、全ての通路がチムニー又は通気孔のいずれかに直接連結されている従来型の実施形態によって得ることができる冷却能力よりもその冷却能力を向上させる。さらに、このような実施形態の通気溝が重量軽減溝（つまり、重量の軽減とガス流用通路の形成との両方の目的に役立つ）により構成される場合、簡単かつ効果的に冷却の向上が得られる。

本明細書では本発明の特定の特徴のみを示しかつ説明してきたが、当業者には多くの改良及び変更が想到されるであろう。従って、特許請求の範囲は、そのような全ての改良及び変更を本発明の技術思想に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。

コイルを備えたロータを有する機械の簡略部分斜視図。 平面に展開した、図１のコイルと同様のコイルの平面図。 本発明の態様によるスペーサの斜視図。

符号の説明

１０ 機械
１２ ロータ
１４ コイル
１６、４６、４８ スペーサ
１８ ロータ歯
２０ 空洞
２４ チムニー
２６ 末端巻線領域
２８ ロータ本体領域
３０、４０、４２ 通気溝
３２ 入口
３４ 出口
３６ 第２の空洞
３８ 第１の空洞
５０ 重量軽減溝
５２ チムニー溝

Claims (10)

1. ロータ（１２）を含み、該ロータ（１２）が、
   （ａ）その各々が末端巻線領域（２６）内に延びた軸方向に延びるコイル（１４）と、
   （ｂ）前記末端巻線領域（２６）における前記コイル（１４）間の複数の空洞（２０、３６、３８）と、
   （ｃ）前記コイル（１４）間に置かれた複数のスペーサ（１６）と、を含み、
   入口（３２）及び出口（３４）を有する通気溝（３０）が、前記コイル（１４）の少なくとも幾つかが該通気溝（３０）の少なくとも１つを含む状態で、前記ロータ（１２）内に形成され、前記通気溝（３０）が、少なくとも１つの第１の空洞（３８）から（ｉ）第２の空洞（３６）又は（ｉｉ）該第１の空洞（３８）の異なる部分の少なくとも１つまでの少なくとも１つのガス流用通路を形成している、
   機械（１０）。
2. 前記通気溝（３０）が、前記少なくとも１つの第１の空洞（３８）から前記第２の空洞（３６）までの少なくとも１つのガス流用通路を形成している、請求項１記載の機械（１０）。
3. 前記少なくとも１つのガス流用通路を形成する通気溝（３０）が、少なくとも１つのスペーサ（４６又は４８）を貫通して少なくとも１つの空洞に接続された少なくとも１つの通路を有するように構成されている、請求項１記載の機械（１０）。
4. 前記通気溝（３０）の少なくとも１つが、ガス流を該機械（１０）内で選択可能な方向に向ける構成を含む、請求項１記載の機械（１０）。
5. 前記ガス流を向ける構成が、前記末端巻線領域（２６）内における圧力分布に基づいた前記少なくとも１つの通気溝（３０）の入口及び出口位置を含む、請求項４記載の機械（１０）。
6. 前記コイル（１４）の少なくとも幾つかが各々、複数の重量軽減溝（５０）をさらに含み、前記重量軽減溝（５０）の少なくとも１つが、前記通気溝（３０）の少なくとも１つとして構成されている、請求項１記載の機械（１０）。
7. （ａ）その各々が末端巻線領域（２６）内に延びた軸方向に延びるコイル（１４）と、
   （ｂ）前記末端巻線領域（２６）における前記コイル（１４）間の複数の空洞（２０、３６、３８）と、
   （ｃ）前記コイル（１４）間に置かれた複数のスペーサ（１６）と、
   を含み、
   入口（３２）及び出口（３４）を有する通気溝（３０）が、前記コイル（１４）の少なくとも幾つかが該通気溝（３０）の少なくとも１つを含む状態で、前記ロータ（１２）内に形成され、前記通気溝（３０）の少なくとも１つが、少なくとも１つの第１の空洞（３８）から（ｉ）第２の空洞（３６）又は（ｉｉ）該第１の空洞（３８）の異なる部分の少なくとも１つまでの少なくとも１つのガス流用通路を形成し、
   前記コイル（１４）の少なくとも幾つかが各々、複数の重量軽減溝（５０）をさらに含み、前記重量軽減溝（５０）の少なくとも１つが、前記通気溝（３０）の少なくとも１つとして構成されている、
   ロータ（１２）。
8. 前記通気溝（３０）が、前記少なくとも１つの第１の空洞（３８）から前記第２の空洞（３６）までの少なくとも１つのガス流用通路を形成している、請求項７記載のロータ。
9. 前記通気溝（３０）の少なくとも１つが、ガス流を該ロータ（１２）内で選択可能な方向に向ける構成を含む、請求項７記載のロータ。
10. 前記ガス流を向ける構成が、前記末端巻線領域（２６）内における圧力分布に基づいた前記少なくとも１つの通気溝（３０）の入口及び出口位置を含む、請求項９記載のロータ。

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