JP3833262B2 - 電機の回転子巻線 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸及び多数の導電コイルを備え、導電コイルは回転軸に関して放射方向に積層されて、複数の軸方向セクション及び複数の接線方向セクションを形成し、各軸方向セクションはほぼまっすぐに形成され、かつ回転軸に対してほぼ平行に整列され、回転軸に関してその経線方向に整列された固有の第１の冷却チャネルが設けられて全てのコイルを横断し、各接線方向セクションは回転軸を中心に曲げられて、２つの軸方向セクションを互いに連通し、固有の第２の冷却チャネルを有している回転電機の回転子巻線に関する。
このような回転子巻線は欧州特許第０１６０８８７号明細書や、ドイツ特許第３７００５０８号明細書、ドイツ特許出願公告第１０１１０４８号明細書、さらには「Electrical Times」１９９６年３月１０日号、第３５４頁の記事により公知である。
軸に関して「経線」方向とは、軸を含む平面内にある方向の意味である。従って軸に対して放射方向の成分及び軸に対して平行な成分とから合成できるものなら、その方向は経線方向である。このような「経線」の概念は、流体機械の分野及び測地学の分野で広く使用されている。
回転子巻線、特にターボ発電機の技術による発電機のために設計される回転子巻線の組立や、製造、使用に関しては、H. Sequenzによって編集された刊行物「回転電機の巻線の製造」Springer社、Wien und New York、１９７３年、第１６９〜１９９頁に含まれているD. Lambrechtの論文「ターボ発電機の回転子巻線」により、すでに知られているところである。これに関しては、ドイツ特許出願公開第１６１３１９６号明細書、ドイツ特許出願公告第１０３６３７０号明細書、欧州特許出願公開第０１６６９９０号明細書、さらには欧州特許出願公開第０２５０９８０号明細書も関係している。ドイツ特許出願公告第１１４６１８６号明細書は回転子巻線の導体を直接冷却するターボ発電機を取り扱っている。接線方向セクションが軸方向セクションに対して直角に連結されている。接線方向セクションは間接的に冷却され、軸方向セクションは中空導体として構成され、その中を冷却流体が通流する。
冒頭に述べた欧州特許第０１６０８８７号明細書は、軸方向セクションが一部はバレンの内部に、すなわちバレン内に設けられた溝の内部に、一部はバレンの外部に存在する回転子巻線を開示している。バレンの両軸端部に、軸方向セクションのバレンの外部にある部分が接線方向セクションと共に、いわゆるコイルヘッドを形成し、その中で一つの接線方向セクションがそれぞれ２つの軸方向セクションを相互に接続し、コイルヘッドは回転軸に沿ってバレンから突出する軸の外側に配置されている。回転子巻線全体の冷却は冷却ガス、特に空気又は水素によって行われる。特に重要なことは、回転子巻線のコイルヘッドの冷却のことであり、この冷却は、冷却ガスがコイルヘッド自体及びそれに接して設けられ内部に対応する溝が形成された充填ブロックによって形成される蛇行状の冷却チャネル内を導かれることによって行われる。このような回転子巻線は、実用上特に効果的であることが知られており、特に相応に構成された回転子巻線を備えて構成されたターボ発電機は従来技術による方法に対して相当に高められた出力をもって運転することを可能にする。そのような回転子巻線を利用することによって、空気で冷却するターボ発電機を対応する設計のもとで３００ＭＶＡまでの出力で運転することが可能である。冷却ガスとして水素を利用する場合は、冷却特性がさらに向上し、さらに大出力を達成することができる。
「Electrical Times」１９９６年３月１０日号、第３５４頁の記事には、コイルを有する発電機の回転子が記載されている。各コイルは回転子の溝内に軸方向セクション内を導かれ、軸方向セクションは溝の外部で９０°曲げられ接線方向セクションに移行する。接線方向セクションと、軸方向セクションのうち少なくとも溝内に深く潜行する領域とは、中空導体構造として実施され、従ってコイル内を流れる冷却流体によって直接冷却される。軸方向セクションの溝内にある他の領域は、上下に配列されたコイルを放射方向に流れる冷却流体によって冷却される。
冒頭に述べた型の回転子巻線がその優れた運転特性の向上のもとで、特に出力の増大のもとで、その製造コストを低減するために、構造的に簡易化することに関心が寄せられている。
この課題は、本発明によれば、回転軸及び多数の導電コイルを備え、導電コイルは回転軸に関して放射方向に積層されて、複数の軸方向セクション及び複数の接線方向セクションを形成し、各軸方向セクションはほぼまっすぐに形成され、かつ回転軸に対してほぼ平行に整列され、回転軸に関してその経線方向に整列された固有の第１の冷却チャネルが設けられて全てのコイルを横断し、各接線方向セクションは回転軸を中心に曲げられて、２つの軸方向セクションを互いに連通し、固有の第２の冷却チャネルを有している回転電機の回転子巻線において、第２の冷却チャネルはそれぞれ各コイルの内部にあり、コイルの関連する軸方向セクションから流体技術的に分離され、第２の冷却チャネルはそれぞれ周囲方向に開口していることによって解決される。
そうすることによって、接線方向セクションの冷却はコイル内で接線方向セクションを形成してコイル内を走る冷却チャネルによって行われる。軸方向セクションの冷却に対しては、経線的に、特に放射方向に配列された冷却チャネルによる冷却が基本的に維持される。その場合、この冷却方式はもちろん事情に応じてバレンの内部にある軸方向セクションの同一部分に対しても採用でき、またバレン外部のコイルヘッドにある軸方向セクションの部分に対する他の冷却方式を組み合わせることもできる。
好ましくは、軸方向セクションは部分的にバレンの溝の内部にあり、かつ部分的にバレンの外部にあり、接線方向セクションはすべてバレンの外部にあるものとする。その場合、接線方向セクションは軸方向セクションのバレンの外部にある部分と共にコイルヘッドを形成し、バレンの各軸方向端部にコイルヘッドが位置する。第１の冷却チャネルは各溝内に、すなわち特にバレン内に存在させるのが好ましい。この構成においては各軸方向セクションに対し、それに連通する接線方向セクションとバレンとの間に、少なくとも一つのほぼ経線方向に蛇行状に走り、かつ軸方向セクションの外部に配置される第３の冷却チャネルを配設するのがよい。この第３の冷却チャネルは、回転軸に関して複数の接線方向に並列配置される軸方向セクションを有する回転子巻線において形成される。軸方向セクション間に配置された電気的に絶縁する充填ブロックが対応する溝を備え、各溝がそれに接する軸方向セクションと共に第３の冷却チャネルを形成する。
上述の最後に記載したとりわけ有利な構成においては、バレン内の軸方向セクションに対する第１の冷却チャネル、コイルヘッド内の接線方向セクションに対する第２の冷却チャネル、及びコイルヘッド内の軸方向セクションに対する第３の冷却チャネルを含んで全体として３つの冷却チャネル系統が構成される。この構成は特に実用設計に対して大きな柔軟性をもたらし、回転子巻線の温度分布をできるだけ均一にするという目的を達成するのに良好に役立つ。
さらに他の実施形態においては、バレンは２つの軸端部を有し、その軸端部からそれぞれ各接線方向セクションの下に達する軸が突出しており、各軸端部に、それぞれバレンにまで達してそれぞれの軸から隔てる絶縁シリンダの上に各接線方向セクションが配置される。その場合、回転子巻線のコイルヘッドはそれぞれ対応する絶縁シリンダの上に配置される。各絶縁シリンダと軸との間には、特に使用する冷却媒体の導出入のために用いられる空間が形成するので有利である。この構成においては、各接線方向セクションは一つの中央部と２つの端部を有し、各端部で軸方向セクションと連通され、第２の冷却チャネルはそれぞれ一方の端部及び中央部に対して開口しており、各絶縁シリンダは各端部及び各中央部にそれぞれ絶縁シリンダ及び軸間の放射方向の壁によって形成された導入チャネル又は導出チャネルに導く連通孔を備えるものとするのがよい。絶縁シリンダは必ずしも一体に構成される必要はなく、また、必ずしも個々の構造部品を互いに直接接合して構成する必要はない。絶縁シリンダは主として、コイルヘッドの下に冷却ガスの導入・導出チャネルを形成し、冷却ガスの望ましくない漏出入を防止するのに役立つ。この目的のために、他の構造、特にＴ字状の絶縁ブロック等の配置を考慮することもできる。
この構成の範囲内で各コイルヘッドの、いわゆる４通路式冷却を実現することができ、しかもそれはコイルエンド内の軸方向セクションが上述のようにして経線方向に蛇行状に第３の冷却チャネルを備える場合に特に有利である。その場合、冷却媒体の導入は軸方向セクションに接続される接続方向セクションの端部で行うことができる。各端部から第１の冷却媒体流が第２の冷却チャネルを通って接線方向セクションの中央部に、又、第２の流れが第３の冷却チャネルを通ってバレンの方向に、それぞれ周知の方法で放出される。従って各コイルヘッドでは接線方向セクション及びそれに接続された軸方向セクションの部分に対して４つの冷却媒体通路が生じ、そのことから「４通路冷却」という表現が明らかになる。
接線方向セクションと軸方向セクションの間の接続は、各接線方向セクションが２つの端部を有し、各端部でそれぞれ関連する軸方向セクションの一端と、特に硬ろう付けによって接続するのがよい。このために軸方向セクションは接線方向セクションに無関係に作り、後でこれに接続することができる。作るべき接続部は硬ろう付け接続部とするのがよい。これに関連して、各接続方向セクションは回転軸に関して放射方向に平坦に配列するのがよい。このことは、まっすぐな半製品から簡単な一次元的な曲げ加工によって作ることができることを意味している。この構成は接線方向セクションが接続相手の各軸方向セクション上にほぼ直角に当接することを含んでいる。その場合、回転子巻線は接線方向セクションと軸方向セクションとの間の接続箇所に突出した「角部」を持つことになる。
各構成の回転子巻線は回転電機、特にターボ発電機の形式の大出力発電機に対して設計され、それに組み込まれるものに対して特に好適である。
各構成の回転子巻線の運転方法は、回転子巻線が回転軸を中心に回転し、電流を流し、冷却チャネルを通して流れるガス状冷却媒体、特に空気によって冷却されることを含む。
次に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。図面は本発明の特徴を明示するために部分的に概略表示にしたり、やや誇張して表現されたりしている。いずれにしても実施形態に関して図面に示した事項についての補足は必要に応じ、引用された従来技術の文献、特にD. Lambrechtの論文を参照されたい。図面において、
図１は、好ましい実施形態の回転子巻線を、バレンに組み込まれた状態で部分的に切断した斜視図を示し、
図２は、回転子巻線の他の実施形態を示す縦断面図である。
図１で認められる回転子巻線は回転軸１に関して軸対称であり、回転電機、この場合はターボ発電機の運転中は回転軸１を中心に回転し、さらに回転軸１に対して直角な図示していない中心平面に関して鏡面対称である。回転子巻線は回転軸１に関してほぼ放射方向に積層された複数のコイル２を含む。このコイル２は電気的に互いに入り交じって接続され、運転時、磁界、特に静止磁界を作るコイル装置を形成する。
回転子巻線は、通常は金属塊として構成されるバレン３によって支持されている。回転子巻線は、ほぼまっすぐに形成されて回転軸１に対してほぼ平行に整列された軸方向セクション４と、回転軸１の周りに曲げられて２つの軸方向セクション４を相互に接続する接線方向セクション５とを持っている。軸方向セクション４は部分的にバレン３の内部にあり、軸方向セクション４の対応する部分は回転子巻線のバレン領域６を形成する。軸方向セクション４の、バレン３の外部に配置された各部分及び接線方向セクション５は、いわゆるコイルヘッド７を形成する。このコイルヘッド７は一部が示されている。
回転子巻線にはその運転中、大きな電流が流れ、回転子巻線の電気抵抗に基づいてかなりの熱を発生する。この熱を放出するために、回転子巻線は冷却され、しかも冷却ガスによって冷却される。冷却ガスは回転子巻線の冷却系統を通って流れ、発生した熱を取り去り、外部へ導出する。冷却ガスの導管のために各軸方向セクションは固有の第１の冷却チャネル８を持っている。図１にはその開口しか示されていない。第１の冷却チャネル８はそれぞれ回転軸１に関して経線方向に、特に放射方向に整列されていて、すべてのコイル２を横断している。接線方向セクション５の冷却のために、第２の冷却チャネル９が設けられている。第２の冷却チャネル９はそれぞれ各コイル２の内部にあり、軸方向セクション４の通常構成される冷却チャネルとは異なりそれと流体技術的に直接接続されることなく、対応する接線方向セクション５に沿って走っている。
冷却系統の詳細について説明する前に、まず回転子巻線のバレン３内への取付けについて説明する。軸方向セクション４の、回転子巻線のバレン領域６内における部分は、バレン３の溝１０内に配置されており、各軸方向セクション４に対して一つの溝１０が設けられている。各溝１０内には軸方向セクション４の上に周知のごとくばねとして構成されあるいはばね装置として作用する溝頭部絶縁部１１がある。溝頭部絶縁部１１の上に、溝１０を摩擦力により閉鎖し、かつ各軸方向セクション４を運転時に生じる溝１０内の大きな遠心力に対して固定する封鎖くさび１２が配設されている。
図１の実施形態では第１の冷却チャネル８及び第２の冷却チャネル９に対して第３の冷却チャネル１５が付加されている。第３の冷却チャネルはコイルヘッド７内にそれぞれ２つの軸方向セクション４に互いに間隔をあける絶縁充填ブロック１３と協働して形成される。各絶縁充填ブロック１３は、平坦な溝を画成し当接する軸方向セクション４と協働して第３の冷却チャネル１５を形成する凹所１４を有する。第３の冷却チャネル１５はそれぞれ軸方向セクション４に沿い経線方向に蛇行状に走り、バレン３内の軸方向孔１６に開口している。この軸方向孔１６は放射方向孔１７に連通し、第３の冷却チャネル１５を通って流れた冷却ガスがそこでバレン３から放出される。コイルヘッド７の下で、軸端部１８から回転軸１に沿ってバレン３から伸びる軸ブロック１９から離されて、絶縁シリンダ２０が設けられており、それに接線方向セクション５及び軸方向セクション４のコイルヘッド７に属する部分が配置されている。絶縁シリンダ２０と軸ブロック１９との間に、冷却ガスのための導入チャネル２２及び導出チャネル２３を画定する放射方向壁２１が設けられている。導出チャネル２３は各接線方向セクション５の中央部２４の領域内で第２の冷却チャネル９から生じる冷却ガスの放出のために用いられ、そのため各接線方向セクション５は対応する凹所を持っている。その場合、冷却ガスは絶縁シリンダ２０の下で導入チャネル２２に導く孔２６から接線方向セクションの各端部２５の所で接線方向セクション５に生じる。接線方向セクション５の中央部２４の孔２７を通って冷却ガスは導出チャネル２３に流れる。導入チャネル２２に通じる孔２６は第３の冷却チャネル１５に対する冷却ガスの導入にも役立つ。
各コイルヘッド７の冷却チャネル９及び１５の系統は冷却ガスの４つの通路を形成し、その中の２つの通路は孔２６から出発し回転軸１に沿ってバレン３に至り、他の２つの通路はほぼ接線方向に孔２６から孔２７へ至る。かくして、この冷却系統は「４通路冷却」と表現することができる。
充填ブロック１３、絶縁シリンダ２０及び壁２１の機能は、上述の実施形態からも明らかなように、まず第一に回転子巻線を冷却する冷却ガスのための案内装置ということである。この案内装置の組立及び機能については、充填ブロック１３、絶縁シリンダ２０及び壁２１への分割が基本的に同一価値の多くの互換可能性の中からの選択を可能にすることである。図１に示されているような回転子の実際上の実現の際は、案内装置の互換構造、例えば絶縁シリンダの切り抜きや壁を含むＴ字型断面の部材から構成するものも考慮されるべきである。
軸方向セクション４を接線方向セクション５に接続するには、接線方向セクション５の端部２５を軸方向セクション４の端部３１に、特に硬ろう付けによって接続するようにすればよい。その場合、突合わせろう付け部を形成するのがよい。それは、当業者に周知の手段によって問題なく良好な品質で作ることができる。角部２１及び３１には、回転子巻線の突出した「角部」が生じ、そこに軸方向セクション４及び接線方向セクション５が、冷却ガスに対して流体技術的な接続をすることなく、ほぼ直角に相互に当接する。
上述の型の回転子巻線の長所は、すでに説明されているところであるが、ここに改めて指摘しておく。接線方向セクション５に第２の冷却チャネル９を上述のようにして設けることによって２つの接線方向セクション５間の高価な絶縁部材を省略することができるということも付加的に注目すべきである。接線方向セクション５の近くの側に冷却チャネルを形成するために、そのような絶縁部材を用いる必要はもはやなくなる。
図１には、コイルヘッド７を覆いコイルヘッド７を運転中に生じるかなり大きな遠心力に耐えるように支持する外被部材は示されていない。軸方向セクション４の第１の冷却チャネル８は概略的にしか図示されていない。これに関しては、他の実施形態に関する以下の図２の説明を参照されたい。図２の実施例はは図１の実施例に対してほぼ対応する部分を有する。
図２は他の実施形態による回転子巻線のコイルヘッド７及びバレン領域６の断面を示すものである。図２には、（図示していない）回転軸１に沿う縦断面図が示されており、ここではコイル２内の第１の冷却チャネル８も明瞭に認めることができる。
まずコイルヘッド７を覆う外被２８について説明する。コイル２を外被２８から隔てるために、スペーサブロック２９が設けられ、その間に冷却ガス用の導出チャネル２３が形成されている。
図２の実施形態における外被２８の構成に対応する外被は、図１の実施形態にも設けられる。
バレン領域６にもコイルヘッド７にも、回転子巻線をほぼ放射方向に走る第１の冷却チャネル８を認めることができる。バレン領域６では第１の冷却チャネル８は封鎖くさび１２を通って案内され、コイルヘッド７では第１の冷却チャネル８は回転子巻線と外被２８との間の導出チャネル２３に連通している。冷却チャネル８の放射方向の整列は決して強制的なものではなく、実用的には第１の冷却チャネル８は図示のごとく回転軸１に対して直角にするのではなく、回転軸１に対して９０°から多少ずらした角度にしたり曲げたりすることもできる。コイルヘッド７内にも第１の冷却チャネル８が設けられるので、図１の実施形態のような第３の冷却チャネル１５を設ける必要はない。開口が認められる第２の冷却チャネル９の構成は図１の実施形態の構成に概ね対応しているので、ここではこれ以上の説明を省略する。
冷却ガスの導入は軸ブロック１９に沿ってまずコイルヘッド７の下でそこから出発してバレン３の中に設けられコイル２の下に伸びる溝基部チャネル３０内に至り、そこにはバレン領域６の第１の冷却チャネル８が開口する。図１に示されているような絶縁シリンダ２０を場合によっては省略することができる。図２には概略的にしか示されていない実施形態は場合によって冷却チャネル８及び９内に冷却ガスを導入し又はそこから導出する絶縁部材又は充填ブロックによって補完することも勿論可能である。
最後に図１及び２に対して共通に言うべきことは、概略表示のために両図には絶縁層が示されていないことであり、実用的には個々のコイル２相互間やコイル２とバレン３との間に絶縁層が必要とされる。実用的な実施形態の範囲では、そのような絶縁層を設けることは自明のことであり、個々のケースの必要性に応じて適用される。そのような絶縁層は、冷却チャネル、例えば第１の冷却チャネル８がそれを通して通流しなければならないとすれば、場合によっては貫通孔を備えなければならないことが理解されよう。対応する実施形態は特に引用された文献から周知であり、及び場合によっては適当に変更できる。
本発明の回転子巻線は低コストの製造方法であることが特徴であり、運転中に発生する熱の放出に関して特に優れているものである。この回転子巻線は発電機の相応に構成された回転子の冷却系を著しく簡易化し、空気又は他のガスによって冷却される発電機の容量制限を従来例のものに対して明白に向上させるために、特に適したものである。かくして拘束される動作限界の向上によって環境保護に対する寄与も保証され、天然資源の保護を可能にすることができる。

Claims (11)

1. 回転軸（１）及び多数の導電コイル（２）を備え、導電コイル（２）は回転軸（１）に関して放射方向に積層されて、複数の軸方向セクション（４）及び複数の接線方向セクション（５）を形成し、各軸方向セクション（４）はほぼまっすぐに形成され、かつ回転軸（１）に対してほぼ平行に整列され、回転軸（１）に関してその経線方向に整列された固有の第１の冷却チャネル（８）が設けられて全てのコイル（２）を横断し、各接線方向セクション（５）は回転軸（１）を中心に曲げられて、２つの軸方向セクション（４）を互いに連通し、固有の第２の冷却チャネル（９）を有している回転電機の回転子巻線において、第２の冷却チャネル（９）はそれぞれ各コイル（２）の内部にあり、コイル（２）の関連する軸方向セクション（４）から流体技術的に分離され、第２の冷却チャネル（９）はそれぞれ周囲方向に開口していることを特徴とする電機の回転子巻線。
2. 軸方向セクション（４）は部分的にバレン（３）の溝（１０）の内部にあり、かつ部分的にバレン（３）の外部にあり、かつ接線方向セクション（５）はバレン（３）の外部にあることを特徴とする請求項１記載の回転子巻線。
3. 第１の冷却チャネル（８）はそれぞれ各溝（１０）の内部にあることを特徴とする請求項２記載の回転子巻線。
4. 各軸方向セクション（４）に対しそれに連通する接線方向セクション（５）とバレン（３）との間に、少なくとも一つのほぼ経線方向に走りかつ軸方向セクション（４）の外部に配置される第３の冷却チャネル（１５）が配設されていることを特徴とする請求項３記載の回転子巻線。
5. 多数の軸方向セクション（４）が、回転軸（１）に関して接線方向に並置して設けられ、これらの相互間にそれぞれ少なくとも一つの凹面（１４）を有する電気的に絶縁性の充填ブロック（１３）が配置され、凹面（１４）は当接する軸方向セクション（４）と共に第３の冷却チャネル（１５）を形成することを特徴とする請求項４記載の回転子巻線。
6. ａ）バレン（３）は２つの軸端部（１８）を有し、その軸端部からそれぞれ各接線方向セクション（５）の下に達する軸ブロック（１９）が突出し、
   ｂ）各軸端部（１８）に、それぞれバレン（３）にまで達してそれぞれの軸ブロック（３）から隔てる絶縁シリンダ（２０）の上に各接線方向セクション（５）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の回転子巻線。
7. ａ）各接線方向セクション（５）は一つの中央部（２４）と２つの端部（２５）を有し、各端部（２５）で軸方向セクション（４）と連通され、第２の冷却チャネル（９）はそれぞれ一方の端部（２５）及び中央部（２４）に対して開口し、
   ｂ）各絶縁シリンダ（２０）は各端部及び各中央部（２４）にそれぞれ絶縁シリンダ（２０）及び軸ブロック（１９）間の放射方向の壁（２１）によって形成された導入チャネル（２２）又は導出チャネル（２３）に導く連通孔（２６，２７）を備えている
   ことを特徴とする請求項６記載の回転子巻線。
8. 各接線方向セクション（５）は一つの中央部（２４）と２つの端部（２５）を有し、各端部（２５）で軸方向セクション（４）と連通され、第２の冷却チャネル（９）はそれぞれ一方の端部（２５）及び中央部（２４）に対して開口していることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の回転子巻線。
9. 各接線方向セクション（５）は２つの端部（２５）を有し、各端部（２５）でそれぞれ関連する軸方向セクション（４）の一端（３１）と接続され、特に硬ろう付けされていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１つに記載の回転子巻線。
10. 各接線方向セクション（５）は回転軸（１）に関して放射方向に平坦に配列されていることを特徴とする請求項９記載の回転子巻線。
11. 回転子巻線が回転軸（１）を中心に回転し、電流を流し、冷却チャネル（８，９，１５）を通して流れるガス状冷却媒体、特に空気によって冷却されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の回転子巻線の運転方法。

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