JP2009542168A - 電気機械を冷却するための方法と装置 - Google Patents

Abstract

例えば、バルブ水車発電機などのゆっくり回転する機械では、冷却に必要な空気の循環は、もはや自立式冷却装置によっては実現できず、そのための外部換気装置が必要である。そこで、本発明は、冷却機（１２）が換気装置（１０）の被圧側又は吸気側に配置されており、ローター（３）とステーター（４）が換気装置（１０）の吸気側に配置されている、外部換気装置（１０）により電気機械（１）を冷却するための装置と方法を提示するものである。

Description

本発明は、外部駆動式換気装置を用いて、ガス状の冷却媒体を換気サイクルに沿って循環させる、ローターとステーターを備えた電気機械を冷却するための装置と方法に関する。

空冷式発電機では、基本的に、所謂フォワードフロー式とリバースフロー式の冷却システムを区別している、即ち、原則的に、冷却用空気を発電機に通す方向を区別している。フォワードフローでは、換気装置を用いて、熱交換機からの冷やされた冷却用空気を吸い込んで、ローター又は空隙を通し、次にステーターを通して押し出し、そこで温められた冷却用空気を排出し、熱交換機を介して再び循環させている。リバースフローでは、発電機からの温められた冷却用空気を吸い込んで、熱交換機に供給し、そこから、冷やされた冷却用空気をステーターを通してローター又は空隙に流している。

タービン発電機用のリバースフロー式冷却システムが周知であり、例えば、特許文献１〜４を参照されたい。リバースフロー式冷却システムの主な特徴は、前述した通り、換気装置を用いて、発電機からの温められた空気を吸い込んで、冷却機からの冷やされた空気を直接発電機のステーターの冷却用流路に供給する、発電機からの吸引冷却である。大抵の場合、冷却機は、換気装置の被圧側に配置されており、そのため、換気装置によって、冷却機の入口前で温度上昇が起こるが、事前に発電機を加熱するように作用しないという利点が得られる。この場合、ステーター内の流れは、主として半径方向に対して外側から内側に向かっており、タービン発電機が通常非突極式ローターを備えているので、一般的に軸方向に対して空隙を通して吸い出されることとなる。タービン発電機では、ローターが高速に回転しているため、冷却に必要な流れを発生させるための自立式換気装置が、ローター軸上に直接配置されており、そのローター軸によって駆動されている。

例えば、バルブ水車発電機などの、一般的に突極を備えた、ゆっくり回転する水力発電機では、第一に、ローター軸の回転速度が、ローター軸上に設けられた換気装置を用いて必要な冷却用空気の流れを発生させるのに十分でないので、外部駆動式換気装置、即ち、ローター軸上に配置されていない換気装置だけが考慮の対象となる。両方向に回転する水力発電機（例えば、モーター発電機）は、外部換気に関する第二の実施形態となり得るものである。

これまで、水力発電機は、例えば、特許文献５に記されている通り、専らフォワードフロー式冷却システムにより動作しており、換気装置の吸込側に冷却機を配置し、被圧側に発電機を配置して、ステーター内の流れが、主に半径方向に対して内側から外側に向かうようになっている。自立式換気装置を使用した場合、フォワードフロー式冷却システムは、換気装置の吸気流と排気流に関して有利である。大抵、吸気流は、ほとんど渦を発生させない形で生じ、そのため、換気装置の構成が簡単となっている。渦を伴う排気流は、ローター前に渦を生じさせ、そのためローターの入口（例えば、磁極間隙の入口）での圧力損失を低下させることとなる。

自立式換気装置に代わって外部換気装置を使用した場合、そのような利点の大部分は失われてしまう。そして、リバースフローと関連して、更なる欠点が生じる。水力発電機、特に、突極式発電機の場合、磁極間隙の入口での圧力損失が大きくなり、そのような圧力損失が、フォワードフローの場合のように軸方向の終端側で半径方向に対して中央ではなく、空隙領域内で半径方向に対して外側に起こることを考慮しなければならない。より大きな圧力損失が見込まれるために、より出力の高い換気装置が必要となり、そのことは、又もや発電機の全体的な効率を低下させてしまうこととなる。更に、換気装置の配置に依存して、換気装置の入口前に渦が発生し続けるか、或いは換気装置の吸気流が、フォワードフローよりも複雑となる可能性が有る。その場合、換気装置の入口での複雑な流れは、状況によっては、ガイド機器又は調整機器を必要とし、そのことは、冷却システムの設備費用を増大させることとなる。そのような理由から、従来の水力発電機は、リバースフロー式冷却システムにより動作しておらず、専らフォワードフローで動作している。

米国特許公開第５６３３５４３号明細書 米国特許公開第５６５２４６９号明細書 米国特許公開第６３４６７５３号明細書 欧州特許公開第１００６６４４号明細書 特開平０６−２３７５５４号公報

本発明は、独立請求項にもとづく従来検討されていなかった外部換気装置によるリバースフロー式冷却を実現し、前述した優勢な先入観を払拭して、外部換気装置を使用した場合に見込まれるリバースフロー式冷却の欠点が通常危惧されていた程深刻ではなくなるか、或いはそれによって初めて得られる利点によって、その欠点を埋め合わせて余りあるという驚くべき成果を提供するものである。

特に、リバースフロー式冷却を使用することによって、ステータースリットの櫛形領域への熱伝導が小さくなるにも関わらず、ステータースリット内の冷却用空気の温度が低下する、例えば、２０Ｋにまで低下することにより、ステーターをより有効に活用する可能性が得られる。それは、出力が同じ場合に、許容される温度レベルを維持しつつ、ステーターバーの高価な銅材料を節約することが可能になることを意味する。しかし、その場合、個々のケースにおいて、特に、突極式機械では、ローターの磁極領域内の空気の温度が上昇するために、磁極巻線の銅の横断面を大きくする必要がある場合も有るが、ローター用の磁極の銅材料は、ステーター巻線よりも安価である。即ち、要約すると、それによって、リバースフロー式冷却の第一の利点が得られることとなる。更に、出力が同じ場合に、ステーター内の空気の温度が低下することによって、ステーター鉄心を節約することができ、そのことは、又もや電気機械のコストを低減させることとなる。電気機械の利用が増加しない場合、ステーター温度の低下と、そのため積層板の剪断応力の低下又はステーターが座屈する虞の低下が実現される。リバースフローの場合の更に別の有利な効果は、フォワードフロー式冷却では、ローターがステーターよりも温まり難く、そのためローターとステーター間の温度差が大きくなるので、空隙幅の差又は冷やされた状態と温められた状態の間の励磁損の差が小さくなることである。

突極式機械では、リバースフローにおける（半径方向に対して外側に有る）磁極間隙の入口での圧力損失は、周知の（磁極間隙の入口が半径方向に対して中央に有る）フォワードフロー式冷却システムよりも大きい。それにも関わらず、そのような大きな欠点は、前述した利点によって同様に相殺され、そのため突極式機械でも、外部換気装置によるリバースフロー式冷却を採用することが可能である。

リバースフロー式冷却システムでは、巻線端を冷却するための可能性として、有利には、（１）空隙から、場合によっては、磁極間隙から軸方向に流れ出るとともに、回転による副次的な流れとして、一部が半径方向に対して外側に有る巻線端の領域に流入する温められた空気を利用することと、（２）冷却機から流れ出る冷気の一部をパイパスを介してステーター巻線の巻線端に直接送ることが可能であり、そうすることによって、冷却の改善を実現することができることと、（３）渦を低減するとともに、それによって換気装置の吸気流を改善する役割を果たす、空隙と場合によっては、磁極間隙を流れる冷却用空気を巻線端に沿って誘導する、好適な空気の誘導により巻線端を順番に換気することとの複数の可能性が有る。

ローターの冷却の改善又は圧力損失の低減は、冷却媒体を流すことが可能な、ローター内における半径方向の流路によって実現することができる。

更に、特に、バルブ水車発電機では、冷却機から流れ出た冷却媒体をステーターと筐体の間をステータースリットの方に誘導することは、その場合に冷却媒体が発電機の筐体の外側を通過して流れて行く冷たい動力水によって更に冷やされ、それにより場合によっては、冷却機のサイズを小さくすることができるので、有利である。

外部換気装置を発電機の両側に配置することができる場合、軸方向に対して発電機の半分ずつをカバーする二つの冷却サイクルによるリバースフロー式冷却が可能となる。その場合の簡単な手法は、大抵は巻線端に沿って流れを誘導することである、即ち、巻線端を冷却することと流れを整えることの二重の作用を実現することである。

以下では、模式的に例示する、本発明に何ら制限を加えるものではない図１〜６にもとづき本発明を説明する。

本発明のリバースフロー式冷却によるバルブ水車発電機の部分図 発電機のステーターと突極巻線を備えたローターの部分横断面図 リバースフロー式冷却の変化形態の図 リバースフロー式冷却の変化形態の図 リバースフロー式冷却の変化形態の図 リバースフロー式冷却による別形式の発電機の部分図

以下において、本発明を突極式発電機にもとづき説明する。図１は、広く知られているバルブ水車の筐体２の一部を図示しており、その中には、発電機１が配置されている。そのために、回転可能な形で軸支されたシャフト７の一端には、ローター３が、回転しない形で固定されており、従って、シャフト７と一緒に回転する。筐体２の外側のシャフト７の他端には、シャフト７を駆動する、そのため発電機１をも駆動する、ここでは図示されていない、広く知られているタービン、例えば、カプラン水車などが配置されている。

ローター３は、シャフト７と回転しない形で連結されたハブスパイダー８を有し、そのハブスパイダー上には、周知の手法でローター巻線５が配置されている。バルブ水車の発電機１は、典型的には、ゆっくり回転する機械であり、突極巻線を備えたローター３を有し、その詳細は、これ以降図２による。

ここでは、ステーター４は、筐体２内において、筐体２から間隔を開けた支持構造９上に位置を固定された形で、ローター３の周囲にそれと同軸に配置されており、巻線端６が軸方向に突き出たステーター巻線を支持している。

この場合、ローター３とステーター４は、従来通りのものであり、広く知られた形で構成、配置されており、そのため、ここでは詳しく取り上げない。

そのような発電機１は、電気的な損失のために、それに対応して、例えば、図１に図示されているような空冷によって冷却しなければならない。この場合、冷却用空気は、換気装置１０を用いて筐体２内のサイクルに沿って循環させられ、その結果冷却用空気は、発電機の動作している全ての部分、即ち、ステーター４，ローター３、巻線端に渡って誘導されて、そこで温められ、そのため、それらの部分は、同時に冷却されることとなる。そして、温められた冷却用空気は、例えば、熱交換機などの冷却機１２内で再び冷やされる。

図示されている本発明による発電機１を冷却するための装置は、外部駆動式の、即ち、シャフト７上に配置されておらず、シャフトにより直接駆動されない換気装置１０から構成されている。換気装置１０は、例えば、特に図示されていない別個の電気モーターによって駆動することができる。そこで、換気装置１０は、吸気流路１４を介して発電機領域から温められた冷却用空気１５を吸い込むものであり、換気装置１０は、例えば、半径方向又は軸方向の換気装置とすることができる。温められた冷却用空気１５は、換気装置１０から高い圧力で冷却機１２に送られて、冷やされ、冷却機１２から冷やされた冷却用空気１６として出て行く。この冷やされた冷却用空気１６は、供給流路１３を介して、この例では、好適な構造部品９を用いて、筐体２とステーター４の間をステーター４の方に供給される。そこで、冷やされた冷却用空気１６は、ここでは大まかにしか表されていないステーター４のステータースリット２８（図２も参照）を通して押し出される、即ち、ほぼ軸方向からほぼ半径方向に対して内側を向いた流れに方向転換される。しかし、当然のことながら、例えば、ステーターが筐体２の内壁上に直接配置されている場合、ステーター４内の軸方向の流路を通してステータースリット２８の方に冷やされた冷却用空気１６を誘導することも考えられる。

ここで、ステータースリット２８から流れ出る温められた冷却用空気１７は、再び軸方向に偏向されて、軸方向に対して両側に空隙２３を通って外側に流れ、そのような冷却用空気の部分１７ａは、そこで再び温められる。突極巻線を備えたローターでは、ステーターから流れ出た冷却用空気１７は、半径方向に対してもローター３の磁極間隙２０内に押し出され、そのような冷却用空気の部分１７ｂは、そこで再び軸方向に偏向されて、更に温められ、同じく軸方向に対して両側に外側に向かって誘導される。ここで更に温められた冷却用空気１８は、空隙２３又はローター３の軸方向の端部から流れ出て行く。そのような冷却用空気の一部１９は、例えば、相応のバフル板によって、ステーター巻線２４の巻線端６に沿っても誘導される。温められた冷却用空気１５は、纏まって再び換気装置１０によって吸い込まれ、それにより冷却用空気のサイクルが閉じることとなる。この場合、温められた冷却用空気１８は、ハブスパイダー８内の相応の開口部１１を通って発電機の残り半分を貫流して行く。

ステーター４と突極巻線を備えたローター３を通る流れを図２により明らかにする。冷やされた冷却用空気１６は、半径方向に対してステーター４のステータースリット２８内に入る。ステータースリット２８は、広く知られている通り、重なり合ったステーター鉄心２５内のスペーサーブロック２６によって形成されている。冷却用空気１６は、（図２の矢印で表されている通り）半径方向に対して内側に、従来の手法によりスロット内に配置されたステーター巻線バー２４の方に流れる。そこで温められた冷却用空気１７は、半径方向に対してステーター４から流れ出て、次に回転するローター３によって渦となる。そのような温められた冷却用空気１７は、前述した通り、一方では空隙２３を通って軸方向に対して外側に誘導される。冷却用空気１７は、他方において、周知の手法でローター鉄心２２内に配置された、突極巻線を備えたローターのローター巻線２１の間に形成された磁極間隙２０内に入り込み、磁極間隙２０を通って軸方向に対して外側に誘導されている。

当然のことながら、図３〜５にもとづき以下で説明する通り、冷却循環サイクルにおいて、幾つかの変化形態も可能であり、例えば、ローター３も、軸方向の流れに加えて半径方向に貫流することを可能とするスリットを備えることができる。そうすることによって、一方では、ローター３による冷却作用を向上させるために、（図３に図示されている通り）半径方向に対して外側に向かう冷却用空気の流れ３１を更に発生させることができ、その流れは、又もやローター３の磁極間隙２０を通る冷却用空気の軸方向の流れ３０として誘導されるか、空隙２３を通って軸方向に対して外側に誘導されるか、或いはその両方の形態で誘導される。他方において、半径方向に対して内側に向かう流れは、軸方向の流れの低下によって、圧力損失の低下を生じさせることとなる。同様に、図４に図示されている通り、冷やされた冷却用空気１６は、供給流路１３から直接分岐されて、そのような冷やされた冷却用空気３２は、ステーター巻線２４の巻線端６に直接誘導され、そうすることによって、巻線端６の冷却を改善することが可能となる。そのために、例えば、供給流路１３内に相応の分岐又は貫通孔を設け、そこを通して、冷やされた冷却用空気１６を巻線端６に誘導することができる。全く同様に、従来の両側で換気する場合の通り、並びに例えば、図５に図示されている通り、発電機１の各側面に、外部駆動式換気装置１０を配備することが考えられる。そうすることによって、発電機１の半分ずつをカバーする別個の二つの冷却循環サイクルが出来上がり、それぞれ一つの冷却機１２を配備するか、さもなければ二つの冷却サイクルに対して、一つの共通の冷却機１２を配備することもできる。これら変化形態の任意の組合せも考えられる。

しかし、本発明による冷却は、例えば、図６に図示されている通り、バルブ水車発電機形式でない、突極巻線を備えた発電機１でも、或いは突極巻線を備えたモーターでも使用可能である。その場合、冷却循環サイクルは、前述した場合と同様であり、外部換気装置と冷却機だけが別の形態で配置され、その結果そのような場合には電気機械の動作している個々の部分を順番に（例えば、両側に）貫流させることが行われる。温められた冷却用空気１５は、その場合両側に配置された換気装置１０から冷却機１２を介してステーター４の方に流れる。ここで、冷やされた冷却用空気１６は、半径方向に対して、大まかに表されているステータースリット２８を通ってステーター４を貫流して行く。そのような温められた冷却用空気１７は、軸方向に対して外側に空隙２３と磁極間隙２０を通って流れ、更に、巻線端６に沿って流れて行き、再び換気装置１０によって吸い込まれる。巻線端６に沿った流れによって、換気装置の吸気側空間１５内での渦流が低減される。又もや、構造部品９によって、発電機１内における相応の空気の誘導が行われている。
この場合、冷却機１２は、様々な位置に配置することも可能であり、例えば、しばしば垂直式発電機に対して用いられている通り、ステーター筐体の外殻上に配置するか、或いはしばしば水平式発電機に対して用いられている通り、発電機の筐体外の基盤に配置することができる。

当然のことながら、複数の外部換気装置を、例えば、小さい機械の場合には３台の外部換気装置を、大きな機械の場合には１２台までの外部換気装置、或いはそれ以上の外部換気装置を周囲に渡って分散して配備することも同様に可能である。

Claims (16)

1. 少なくとも一つの外部駆動式換気装置（１０）を用いて、ガス状の冷却媒体を電気機械（１）内のサイクルに沿って循環させる、ローター（３）とステーター（４）を備えた電気機械（１）の冷却方法において、
   換気装置（１０）によって、温められた冷却媒体を電気機械（１）から吸い込んで、冷却機（１２）に送り、そこで、温められた冷却媒体を冷やすことと、
   その冷やされた冷却媒体をステーター（４）に供給し、そこで、ステーター積層板（２５）の半径方向のステータースリット（２８）を通して、半径方向に対して内側に誘導して温めることと、
   冷却媒体の一部をステーター（４）とローター（３）の間の空隙（２３）を通して更に温めながら軸方向に対して外側に誘導することと、
   を特徴とする方法。
2. 電気機械（１）が、突極巻線（５）を備えたローター（３）を有し、ステーター（４）から流れ出た冷却媒体の一部をローター（３）の磁極間隙（２０）内に押し出すとともに、磁極間隙（２０）を通して軸方向に対して外側に誘導することを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 空隙（２３）から、並びに場合によっては、磁極間隙（２０）から軸方向に流れ出た冷却媒体の一部をステーター（４）の巻線端（６）に沿って誘導することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 空隙（２３）から、並びに場合によっては、磁極間隙（２０）から軸方向に流れ出た冷却媒体をステーター（４）の巻線端（６）に沿って誘導することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
5. 空隙（２３）から、並びに場合によっては、磁極間隙（２０）から軸方向に流れ出た冷却媒体の一部をローター（３）のハブスパイダー（８）内の開口部（１１）を通してローター（３）の一方の側から他方の側に貫流させることを特徴とする請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. ステータースリット（２８）から流れ出た冷却媒体の一部をローター（３）内の半径方向の流路を通して貫流させることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. 冷却機（１２）から流れ出た冷却媒体の一部をステーター巻線の巻線端（６）に直接誘導することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一つに記載の方法。
8. 冷却機（１２）から流れ出た冷却媒体をステーター（４）と電気機械（１）の筐体（２）の間を通してステータースリット（２８）の方に誘導することを特徴とする請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. 空隙（２３）から、並びに場合によっては、磁極間隙（２０）から流れ出る温められた冷却媒体を、電気機械（１）の両側において、それぞれ少なくとも一つの外部駆動式換気装置（１０）によって吸い込むことを特徴とする請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法。
10. ステーター（４）と、ローター（３）と、ガス状の冷却媒体を電気機械（１）の筐体（２）内のサイクルに沿って循環させるための少なくとも一つの外部駆動式換気装置（１０）と、温められた冷却媒体を冷やすための冷却機（１２）とを備えた、電気機械（１）を冷却するための装置において、
    冷却機（１２）が、換気装置（１０）の被圧側又は吸気側に配置され、ローター（３）とステーター（４）が、換気装置（１０）の吸気側に配置されていることと、
    換気装置（１０）によって、ステーター（４）とローター（３）の間の空隙（２３）から軸方向に流れ出る温められた冷却媒体を吸い込むことが可能であることと、
    を特徴とする装置。
11. 電気機械（１）のローター（３）が、磁極間隙（２０）を有する突極巻線（５）を備えており、換気装置（１０）によって、磁極間隙（２０）から軸方向に流れ出る温められた冷却媒体を吸い込むことが可能であることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 冷却機（１２）から流れ出る冷やされた冷却媒体をステーター巻線の巻線端（６）に直接誘導することを可能とする手段が配備されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
13. 冷却媒体が半径方向に貫流することを可能とする流路が、ローター（３）内に設けられていることを特徴とする請求項１０又は１２に記載の装置。
14. ローター巻線（５）が、ローター（３）のハブスパイダー（８）上に配置されており、ハブスパイダー（８）には、軸方向に貫流することを可能とする開口部（１１）が設けられていることを特徴とする請求項１０から１３までのいずれか一つに記載の装置。
15. ステーター（４）が、電気機械（１）の筐体（１）から半径方向に対して間隔を開けて配置されており、冷却媒体が、ステーター（４）と筐体（１）の間を貫流することが可能になっていることを特徴とする請求項１０から１４までのいずれか一つに記載の装置。
16. 電気機械（１）の各側面に、少なくとも一つの外部駆動式換気装置（１０）が配備されているとを特徴とする請求項１０から１５までのいずれか一つに記載の装置。

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