JP2005210893A - 積層界磁巻線のホットスポット温度を低下させる方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱発生を減少させることにより、発電機界磁巻線における局所ホットスポット温度を低下させる。
【解決手段】 発電機コイルのための方法及び装置は、ロータ（１０）にある複数の積層巻線を含む。積層巻線の個々の巻き（７０）は、ロータ（１０）における側面が互いに平行である半径方向の複数のスロットの中に積層される。それぞれ連続する巻きは、各スロットの一定の幅にほぼ対応する等しい幅を有し、第１の巻きは第１の厚さを有し、第２の巻きは、前記第１の厚さより厚い第２の厚さを有する。第２の巻きは、高温の領域で採用され、それにより、高温の領域の温度を低下させる。
【選択図】 図７

Description

本発明は、一般に、発電機の界磁巻線に関し、特に、ホットスポット温度を低下させるように構成され且つ発電機のロータに配置された発電機界磁巻線に関する。

発電機のロータの周囲に沿って、半径方向の複数のスロットが設けられる。それらのスロットは、界磁巻線又はロータ巻線を受け入れる。界磁巻線は、多数の巻きが半径方向に積層された構造から構成されるコイルから成る。各々の巻き又は巻線は、絶縁体により分離される。巻線は、その全長に沿って、楔によりスロットの内部に保持される。楔と巻線との間に、沿面ブロックが挿入される。

本出願の譲受人から現在入手可能である発電機は、使用される冷媒に基づいて、３つの主要な冷却方式、すなわち、空冷方式、水素冷却方式及び液冷方式のいずれかに分類される。水素冷却型の発電機及び水冷型の発電機は、熱を除去するために、例外なくロータ巻線の直接導体冷却を使用する。小型の２極発電機及び全ての４極発電機は、半径流構造を使用する。その場合、水素は、全長に沿って設けられた補助スロットを通って巻き線に流入し、銅巻線に機械加工又は打ち抜きにより形成された半径方向スロットを経て、ロータ本体の長さに沿って排出される。水素は、導体から沿面ブロック及び楔を通過し、ロータとステータとの間の「エアギャップ」に到達する。水素は、エアギャップからステータコアを通って、水素冷却器へ誘導される。

発電機の定格が高くなり、その結果として、ロータ本体の長さが延長されると、ギャップピックアップ斜流冷却プロセスが採用されるようになる。この方式では、ロータとステータとの間のエアギャップで、低温の水素が汲み上げられ、ロータの界磁巻線を通って斜め内側へ送り出される。この流れにより、水素は、直接熱を除去する。スロットの底部で、水素ガスは、方向を転換し、界磁巻線を通って斜め外側に進み、ステータコア排出部分のエアギャップに到達する。ステータコアの通気は、ロータ冷却ガスの流れと協調されるので、ステータコアを通って出入りする水素の流れが形成される。水素の流れは、ロータを通過し、コアを経て水素冷却器に戻る。

発電機界磁巻線は、押し出し銅から構成される。銅は銅圧延機で延伸された後に、機械加工され、使用可能なコイルの形状に製造される。この数年間に、そのようなコイルは、正方形の角張ったコイルから「Ｃ」形コイルへと姿を変えた。この種のコイルを製造するための銅の横断面は、ほぼ同一のままである。それにもかかわらず「Ｃ」コイルが好まれるのは、費用、サイクル時間及び品質に関連して、「Ｃ」の形状から数多くの利点が得られているためである。しかし、市場で競争できる製品を提供し続けるために、性能の向上を目指して、新たな銅のデザインが絶えず評価されている。絶え間ないデザイン変更に伴って、銅の横断面の面積は拡大し続けている。厚さが増すと、打ち抜き作業により加工される半径流空冷導管の製造はいっそう困難になる。例えば、従来の打ち抜き作業では、銅の幅寸法に容認できないほどの膨れが形成されてしまう。従って、幅寸法に容認できないほどの膨れを形成せずに、銅巻線の横断面を拡大するための通気方式を作成することが必要である。

更に、発電機に関わる工業規格の一部として満たされなければならない設計上の必要条件は、いくつかの等級の絶縁能力の範囲内で、特定の温度上昇条件に適合することを含む。そのような設計上の必要条件の１つは、界磁巻線の最高温度がある限界を超えない状態を維持しなければならないということである。多くの通気界磁巻線において、ホットスポット温度は、電力密度を増加させる上での限定要素である。ホットスポット温度を低下させる方法の１つは、通気流量を増加し、高温領域へ通気流れを誘導することを含む。通気流量を増加する方法の欠点は、ポンプ損失及び風損が増加し、それが直接に発電機の効率低下につながることである。別の方法は、高温領域における熱発生の量を減少させることを含む。例えば、熱発生を減少させる方法の１つは、界磁巻線の銅の横断面面積を増加することにより、抵抗を低くし、局所熱発生を抑制することを含む。

現在、譲受人は、銅の体積を増加することにより、界磁熱容量を増すために、テーパ形状のスロットを有する発電機界磁巻線を製造している。特に、テーパスロット界磁巻線を使用する最近の発電機は、正方形の角張った界磁巻線の構造又はＣコイル界磁巻線構造のいずれか一方を含むテーパスロットを含む。テーパスロット構造では、スロットの幾何学的形状の関係で、幅が可変である巻線を使用することが必要である。これまでは、テーパのうちの幅の狭い部分で、より厚い巻きが使用されていた。更に、平行スロットと比べて、テーパスロットの機械加工には多くの費用がかかり、メーカーにとって、可変幅の巻きの積層構造を製造し、組み立てる技術は複雑である。
米国特許５，９８６，３８０号公報

テーパスロット構造で可変幅の巻きを利用せずに、熱発生を減少させることにより、発電機界磁巻線における局所ホットスポット温度を低下させることが望まれる。

上述の欠点及び欠陥、並びにその他の欠点及び欠陥は、銅巻き厚さを変化させることによって、界磁ホットスポット温度を低下させる方法及び装置により克服又は軽減される。特に、提案される概念は、局所熱発生を減少させることにより（すなわち、銅の横断面面積を増加することによって、巻線の局所抵抗を低くすることにより）、局所ホットスポット温度を低下させる能力を利用する。すなわち、広い面においては、本発明は、ロータにおける巻線の終端巻き構造に関する。巻線の個々の巻きは、ロータにおける側面が互いに平行である半径方向のスロットの中で積層される。それぞれ連続する巻きは、半径方向内側に向かう方向に等しい幅を有する。各積層構造の個々の巻きの終端巻きは、各スロットを規定する両縁部に沿って整列される。巻きの厚さを高温の領域でより厚くし、温度を低下する。巻きの厚さを可変にする構造の補足的な利点は、界磁温度がより均一になり、その結果、界磁巻線構成要素の間の温度勾配が少なくなることによって、熱サイクリングが少なくなり、疲労が減少し、部品の寿命が延びることである。

本発明の上述の特徴及び利点、並びにその他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面から当業者により理解されるであろう。

以下、図面を参照して、本発明を説明する。図面中、いくつかの図を通して、同一の要素は同一の図中符号により示される。

図１は、発電機（又はモータ）の従来のロータ１０を示す。ロータは、動力タービン（又は機械的モード）結合部１４を有する軸１２を有する。軸１２は、軸受（図示せず）により支持される。ロータ軸１２は、ロータ界磁巻線に対して電気的に接合するコレクタリング１６を更に有する。

ロータは、直径の大きな本体１８を有し、ロータ本体１８は、コイル巻線２０を保持する。ロータ本体は、ロータ１０の中心から半径方向外側へ延出する、長手方向に向きを定められた複数のスロットを有する。コイル巻線２０の個々の巻きは、それらのスロットの中に装着されている。それらのスロットは、ロータ本体の全長に沿って延出し、ロータ本体１８の両端部には、環状の保持リング２２がかぶせられている。保持リングは、一端で、ロータ本体により支持される（図２を参照）。保持リング２２に隣接するファン２６は、保持リング及び他のロータ構成要素を冷却する。

図２から明白であるように、保持リング２２は、ロータ本体１８の端部にかぶせられ、従来の焼きばめ工程によりロータ本体１８に装着される。終端巻き２８は、保持リング２２により包囲される。この構造により、ロータ１０により発生される遠心力による終端巻き２８の半径方向外側への移動を防止できる。終端巻き２８は、ロータの周囲に沿って延出し、軸方向に互いに離間して配置される。これに対し、終端巻きの間の巻きは、ロータ軸に対して平行に位置し、互いに周囲方向に離間して配置される。図３に示すように、いずれの場合にも、隣接するコイルの間隔は、ブロック３０により一定の距離に維持される。

図４には、スペーサブロック３０が示される。スペーサブロック３０は、コイルの巻線２８の終端巻きの間における軸方向に離間した位置に配置される。尚、終端巻きは、平行な側面によって垂直方向に整列されており、これは、側面が互いに平行であるスロットを採用するロータ構成では典型的な配列である。ロータにおける側面が互いに平行であるスロットの中に、個々の巻きがどのように配置されているかは、図６に示される。しかし、テーパ形状のスロットを有するロータの場合には、終端巻き２９は、典型的には図５に示されるように見える。図示されるように、スペーサブロック３２は、コイルの巻線２９の終端巻きの間における軸方向に離間した位置に配置される。

図６は、側面が互いに平行であるスロット３６を有するロータ本体１８に巻き付けられた従来の銅界磁巻線の構造を示す。この場合、押し出し銅は、ほぼ矩形の横断面の形状を有し、上面４２と、下面４４と、対向する側面４６及び４８とを含む。従来のシステムでは、スロットは、巻き絶縁体の層により分離された銅巻きの層を含む。銅の長さに沿って、複数の軸方向に離間した全体を通して符号５０で示す穴を形成するために、押し出し銅に対して任意に打ち抜き工程が実行される。図６に、図中符号６０ａ、６０ｂ、６０ｃ、．．．及び６０ｋで示すように、そのような界磁巻線を複数積層した場合、それらに対応する整列された穴５０（例えば、それぞれ、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、．．．及び５０ｋ）は、半径方向直接冷却剤流路を形成する。典型的な発電機構成においては、この冷却剤流路は、軸方向に延出する内側補助スロットから、ロータとステータとの間のエアギャップまで続く。個々の巻線は、絶縁体の条片（図示せず）により分離される。図１から明らかなように、界磁巻線の銅の長さに沿って、そのような半径方向導管が数多く設けられる。導管は、例えば、わずか２インチしか離間しない構成も可能である。

図７を参照して説明すると、一実施例によれば、ロータ本体１８には、複数のスロット３６が形成されており、スロット３６の側面は互いに平行である。巻線の１１の巻き７０ａ〜７０ｋは、少なくとも２つの異なる厚さを有するように厚さが異なり、コイルの構造は変形される。厚さは異なるが、全ての巻きは、側面が互いに平行である巻き挿入スロット３６の一定の幅に対応して、ほぼ等しい幅を有する。スロットの幅と、界磁巻線の巻きの幅が等しくないことは、当業者には認識されるであろう。スロットと、界磁巻線の巻きとの間には許容差があるため、スロット内には、界磁巻線の両側の面を絶縁する絶縁体が配置される。この絶縁体は、スロットアーマと呼ばれる。この構造により、界磁巻線は、各スロットを規定する側壁又は縁部と整列されるが、接触はしない。

換言すれば、図７に示されるような２つの異なる厚さのうちの少なくとも一方を有する各巻き７０ａ〜７０ｋのそれぞれ対向する側縁部４６、４８は、側面が互いに平行である各々のスロット３６の一定のスロット幅（すなわち、テーパは存在しない）を規定する対応する共通の縁部７２に沿って整列される。これは、ホットスポット温度を低下させるという目的のためであり、テーパ形状のスロットを利用する場合とは、設計の意図が異なる。より厚みのある巻きは、高温の領域に配置される。高温の領域とは、例えば、上部の巻き７０ｈ〜７０ｋであり、可変巻き厚さの概念の使用が意図されるような種類の電気機械（例えば、大型蒸気タービン発電機）においては、それらの上部巻きは、一般に、より高い温度を示す。このように、より厚みのある銅巻きを配置することにより、横断面の面積が拡大される。その結果、厚い銅巻きの部分を通過する電気に対する抵抗は、薄い銅巻きを使用する場合と比較して減少し、局所熱発生は低減される。熱発生を管理するために、２種類以上の巻き厚さを利用するような構造の界磁巻線は、局所最大界磁温度を低下させる。従って、巻き厚さが一定である巻きの層（例えば、図６の巻き６０ａ〜６０ｋ）の代わりに、巻き厚さの異なる巻きの層を使用することにより、熱発生が抑制されるため（すなわち、銅線の横断面面積が拡大することによって、巻線の局所抵抗が小さくなるため）、局所ホットスポット温度は低下する。更に、巻き厚さが一定である巻きの層（例えば、図６の巻き６０ａ〜６０ｋ）の代わりに、巻き厚さの異なる巻きの層を使用することにより、図７に示されるように、銅巻きの巻き数及び／又は正味銅巻き厚さ（Ｎｅｔ_T）を増加させずに、銅の横断面面積を増加できる。

図８及び図９は、第１の概念を代表する、図６に示されるような一定の厚さの巻きを発電機ロータ１８に巻き付けた場合と、第２の概念を代表する、図７に示されるような複数の厚さを有する巻きを発電機ロータ１８に巻き付けた場合とについて、実行された詳細な３次元熱解析の結果を示す。いずれの場合にも、正味銅厚さ（Net_T）、巻き数、スロットの幾何学的形状及び巻き絶縁体厚さは同一である。それら２つの概念の唯一の相違点は、一方の概念が一定の厚さの１１の巻きを使用するのに対し、第２の概念は、２種類の厚さを有する１１の巻きを使用するということである。

更に図６〜図９を参照すると、全体を通して図８及び図９の図中符号８０により示されるように、２種類の巻き厚さを使用した場合、上部巻き、すなわち、巻き９及び１１のピーク温度により示されるホットスポット温度は、一定の巻き厚さを使用した場合より約７°C低下したことが当業者には認識されるであろう。尚、ピーク温度８０は、特に巻き番号９及び１１の巻きの長さに沿って、例えば、図９では線８４により示される約１４６°Cのピーク温度を有する約３３インチと、図８では線８６により示される約１５３°Cのピーク温度を有する約５５インチとで発生する。

スロットに挿入される巻きの厚さを３種類以上にすると、ホットスポット温度を更に低下させることが可能であると考えられる。例えば、別の実施例では、銅巻き厚さを３種類にすることが考えられる。任意に、８．９７ｍｍ（０．３５３インチ）の銅厚さを有する巻き８〜１１と、８．２０ｍｍ（０．３２３インチ）の銅厚さを有する巻き５〜７と、７．４４ｍｍ（０．２９３インチ）の銅厚さを有する巻き１〜４とを使用し、全ての巻きは約１．５１４インチの幅を有するものとする。それらの巻きを、一定のロータ導管幅を有するスロットの中に巻き付けることができる。先に述べた通り、図８及び図９を参照すると、側面が互いに平行であるスロットで、一定の巻き厚さを有する巻きではなく、２種類の巻き厚さを有する巻きを使用することにより、少なくとも７°Cの改善が得られる。これに対し、３種類以上の巻き厚さを採用した場合には、７°Cを超える温度の低下が見込まれる。すなわち、巻き厚さを可変にすることで、温度の半径方向変化が少なくなり、発電機のコイル側面に沿ったホットスポット温度は低下する。

発電機のロータにおいて、厚さは可変である（２種類以上）が、幅は一定の巻きを採用することにより、臨界領域の局所熱発生は減少される。従って、臨界度の低い領域を増加することができるので、ホットスポット温度は全体として低下する。この特徴は、通風手段を有する界磁巻線の性能を改善し、その結果として、電力密度の増加及びおそらくは効率の改善を可能にする。特に、銅巻きの一定の幅を維持しつつ、厚さのみを増加して、銅の横断面面積を拡大することによって、巻線の局所抵抗を低下させることにより、局所熱発生は減少される。

一実施例を参照して本発明を説明したが、本発明の趣旨の範囲を逸脱せずに、様々な変更を実施でき、実施例の要素の代わりに同等の要素を使用してもよいことは当業者には理解されるであろう。特許請求の範囲に示される図中符号は、発明の範囲を狭めようとするのではなく、発明の理解を容易にすることを意図している。

コイル巻線及び保持リングを有する発電機ロータの側面図。 保持リングとロータ本体との従来の結合部を示す図１のロータの図１の線２‐２に沿った部分横断面図。 隣接する終端巻きの間の従来のブロッキングを示す、ロータの終端巻きの概略図。 平行なスロットを有するロータの終端巻きの概略軸方向断面図。 図４に類似しているが、中心位置合わせされたテーパスロットを有するロータの場合の終端巻きを示す概略図。 側面が互いに平行である発電機ロータスロットの中に配置された１１の一定の厚さの巻きを示す概略図。 図６に類似しているが、一実施例に従って側面が互いに平行である発電機スロットの中に配置された１１の厚さが異なる巻きを示す概略図。 図６の１１の一定の厚さの巻きのうちのいくつかについて、温度と長さとの関係を表す特性図。 一実施例に従って界磁ホットスポットと関連する温度が低下したことを示す、図７の１１の厚さが異なる巻きのうちのいくつかについて温度と長さとの関係を表す特性図。

符号の説明

１０…ロータ、１８…ロータ本体、２０…コイル巻線、３６…スロット、７０、７０ａ〜７０ｋ…巻き

Claims (10)

1. ロータ（１０）の複数の積層巻線を具備し、前記積層巻線の個々の巻き（７０）は、前記ロータ（１０）における側面が互いに平行である半径方向の複数のスロット（３６）の中に積層され、連続する巻き（７０）は、それぞれ等しい幅を有し、第１の巻き（７０）は第１の厚さを有し、第２の巻き（７０）は、前記第１の厚さより厚い第２の厚さを有し、前記第２の巻き（７０）は、高温の領域で採用され、それにより、前記高温の領域の温度を低下させる発電機コイル。
2. 前記第２の巻き（７０）には、高温の領域及び前記ロータ（１０）の最上部の巻き（７０）（７０ｈ〜７０ｋ）のうちの少なくとも一方が採用される請求項１記載の発電機コイル。
3. 各々の巻き（７０）は、軸方向に延出し且つ横断面の形状がほぼ矩形である１本の銅から構成される請求項１記載の発電機コイル。
4. 各々のスロット（３６）は、巻き絶縁体の層により分離された銅の巻きから構成される前記個々の巻き（７０）の層を含む請求項１記載の発電機コイル。
5. 前記第１の巻き（７０）と前記第２の巻き（７０）との間に配置される前記巻き絶縁体の層は、ほぼ同一の厚さを有する請求項４記載の発電機コイル。
6. 巻き（７０）の正味巻き厚さ及び巻き数は、同一の幾何学的寸法を有する前記各々のスロット（３６）に一定の巻き厚さが採用されたと仮定した場合の正味巻き厚さ及び巻き数と同一である請求項１記載の発電機コイル。
7. 少なくとも２つの異なる巻き厚さが採用される請求項１記載の発電機コイル。
8. １１の巻き（７０）を有し、側面が互いに平行である対応するスロット（３６）において２種類の巻き厚さが採用される場合、前記より高温の領域に対応するホットスポット温度は、一定の巻き厚さを使用したときのスポット温度より約７°C低下する請求項１記載の発電機コイル。
9. ロータ（１０）の巻線の界磁巻線温度を低下させるための方法において、
   前記ロータ（１０）における側面が互いに平行であるスロット（３６）の中に、少なくとも２種類の厚さの異なる巻き（３０）を積層させることにより、個々の巻き（７０）の巻き厚さを変化させることと；
   界磁ホットスポットに対応する領域の抵抗及び局所熱発生を減少させるために、界磁ホットスポットに対応する領域で、より厚い個々の巻き（７０）を採用することとから成る方法。
10. 前記個々の巻きは、軸方向に延出し且つ横断面形状がほぼ矩形である１本の銅から構成される請求項９記載の方法。

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