JPH1198727A - 回転電気機械固定子鉄心組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 回転電気機械固定子鉄心の中の冷却ダクト内
での熱伝達率を改善する手段に関するものである。 【解決手段】 隣り合うラミネーション・パッケージ
（２２）が複数の半径方向に延在するスペーサ・ブロッ
ク（２４、４２、５０、６０）によって分離されてい
て、各々の隣り合う対のスペーサ・ブロックが軸方向に
隔たって隣り合うラミネーションと共に冷却ダクトを画
成している回転電気機械固定子鉄心組立体において、各
々の冷却ダクト内に複数の乱流発生要素（２６、３４、
４４、５２）を有し、各々の乱流発生要素が前記軸方向
に隔たって隣り合うラミネーションの内の少なくとも一
方（３２、３６、４６、５４）の側から前記ダクトの中
へ突き出している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は一般に回転電気機械
に関するものであり、更に詳しくはこのような機械の固
定子鉄心の通気に使用されている冷却ダクト内での熱伝
達率を改善する手段に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】発電機の設計に熟達した者には通常理解
されているように、現在の発電機の容量は物理的寸法に
よって制限され、またコストを最小にするには物理的寸
法を最小にすべきである。設計者は更に、国内および外
国の地上輸送システムによって課せられる寸法および重
量についての制約を認識している。

【０００３】また通常理解されているように、固定子内
の磁気損および抵抗損により発生される熱を散逸させて
電気機械の故障を避けるようにしなければならず、また
これらの磁気損および抵抗損により所与の物理的寸法の
機械の容量に重大な制約が課せられる。製造者は、物理
的な輸送容積および熱的負荷についての制約内で顧客か
らの容量増大の要求を満足させるために、過去に高い熱
容量および熱導電率の水素ガスを首尾良く開発した。水
素ガス冷却の複雑さおよびコスト増を好まない顧客のた
めに、製造者は熱的負荷を増大させる手段を工夫しなけ
ればならず、これは所与の物理的寸法の機械の容量をど
うにかして増大させようとする努力を必要とする。

【０００４】現在の技術では、典型的には、図１に示さ
れ且つ後で詳述するように半径方向に設けられた内部ス
ペーサ・ブロックによって固定子鉄心ラミネーション
（ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）を分離することによって半径
方向のダクトが形成されている。ガス流体の流れは固定
子の後ろのプレナム領域から回転子−固定子間空隙へ半
径方向内向きの方向に進むように作られる（半径方向外
向きの方向の流れも可能である）。これらの半径方向の
ダクトはパッケージとして知られているものの中に配列
される。パッケージは、積み重ねられた幾枚かの（一例
では、７０枚の）鋼のラミネーションで構成される。パ
ッケージ同士は半径方向に延在する内部スペーサ・ブロ
ックによって分離され、内部スペーサ・ブロックは隣接
のパッケージの隣接のラミネーションと共に半径方向の
通気ダクトを画成する。

【０００５】鉄心ラミネーション・パッケージ内の流体
の流れは、対流熱伝達によってオーミック損（抵抗損）
および磁気損を除く。当業者にとっては、この構成が共
通のものであり、且つこの流れがダクトの歯（半径方向
内側）領域において流体力学的に乱流であるということ
が認識されよう。また、本発明者の知る限りでは、乱流
増大または表面積増大手段によって固定子鉄心ダクト内
の熱伝達を増大させようとする努力は従来なされていな
い。また本発明者の知る限りでは、航空機用ジェットエ
ンジンのタービン羽根の内部冷却通路内の冷却率を高め
るために乱流発生手段が使用されているが、タービン発
電機の固定子に対して何ら乱流発生手段は用いられてい
ない。

【０００６】

【発明の開示】本発明の重要な用途は、所与の物理的寸
法のタービン発電機の出力容量を増大させて、この結果
として出力の毎ＭＷ当りの製品コストを低減することで
ある。この代わりに、本発明では、所与の定格の機械の
物理的寸法を小さくして、その結果として同様なコスト
低減を行うことが出来る。本発明の別の用途は、寄生の
冷却流ポンプ損および風損を低減して、その結果として
全体の効率を改善し且つ知覚騒音レベルを低減すること
である。本発明は既存の固定子鉄心設計の小さな修正の
みを必要とし、何ら新しい部品を追加する必要はない。
本発明の直接的な用途は、冷却のために空気または水素
ガスの流れ（或いは可能性として、ヘリウムのような他
のガス）を利用する大形の回転電気機械である。

【０００７】典型的な実施態様では、本発明は、固定子
鉄心冷却ダクトの中へ突き出した、以後「乱流発生器」
または乱流発生要素と呼び、また熱伝達の分野でリブま
たはトリップとして知られているような複数の突起を有
する。乱流発生器の主要な機能は、ダクトの壁に隣接し
た加熱された流体とダクトの中心線付近の比較的冷たい
流体との間の乱流による流体力学的混合の程度を増大さ
せることである。この混合レベルの増大により、比較的
冷たい流体がダクト壁に接触するようになり、熱伝達の
可能性を大きくする。ダクトに設けた乱流発生器の第２
の機能は、対流冷却ガスに露出される表面積を増大させ
ることである。第３の機能は、乱流発生器の近辺におい
てダクト内に局部的な流体力学的分離および再付着が生
じる領域を作ることであり、この領域では熱伝達の局部
的な増大が生じる。

【０００８】本明細書で説明する本発明は、大容量のタ
ービン発電機の電機子巻線からの熱除去率の増大により
上述の要件を満足させることである。本発明はまた、本
発明の結果として発電機に何ら新しい部品を導入する必
要がないという理由で、益々重要になる在庫管理の要求
を満足させる。最後に、本発明は、当業者によって将来
の用途として期待され又は現在使用されている任意の気
体または液体冷却媒体に適用できるので、全製品ライン
にわたる広範な適用性についての要求を満足させる。

【０００９】本発明は、寄生の冷却流ポンプ損で固定子
導体のターンと冷たいガス温度との間の温度降下をかな
り低減させることである。この能力の増大により、所与
の物理的寸法に対して出力を増大した発電機を設計する
ことが出来る。この代わりに、本発明は、所与の定格お
よび物理的寸法に対して、寄生の冷却流ポンプ損および
風損を低減して、その結果として効率を増大し且つ騒音
を低減することが出来る。

【００１０】本発明はまた、所与の機械寸法に対して、
特に装置の容量が異なる冷却技術相互間の移行点付近に
ある場合、増大した出力を顧客に提供する。例えば、本
発明は、空気冷却式機械を、水素冷却式機械が必要とな
るような定格で使用できるようにする。これは商業上魅
力的な特徴である。というのは、多くの顧客がコスト
増、安全性の問題および水素冷却の複雑さ避けようとし
ているからである。また別の例では、本発明は、水素冷
却式機械を、液体冷却式固定子バーの設計が必要となる
ような定格で使用できるようにする。この場合、脱イオ
ン水スキッドのコストおよび複雑さが軽減される。

【００１１】本発明の特別な利点は、完全に受動的な熱
伝達増大法であり、何ら化学的添加物や音響入力や他の
能動的な刺激を必要としないことである。本発明は特に
製造が容易であり、パンチプレスによるラミネーション
の形成段階の内の１つの段階として簡単なスリット形成
および成形作業だけを必要とする。本発明は、期待通り
に機能させるために精密な許容差を必要としない。最後
に、本発明は空気冷却式および水素冷却式機械の両方に
の全製品ラインに適用可能であり、また事実上どんな液
体および気体冷却媒体に対しても適用可能である。

【００１２】本発明の第１の実施態様では、それぞれの
冷却材通路を形成している２つのラミネーションの内の
一方のラミネーションのヨーク領域または半径方向外側
領域に乱流発生器が形成される。乱流発生器は各々の半
径方向ダクト内で互いから半径方向に間隔を置いて設け
られる。乱流発生器は流れの方向に対して大体直角に延
在し、ダクトの高さ（内部スペーサ・ブロックによって
定まる隣り合うラミネーションの間の寸法）のほぼ２０
％だけダクトの中に突き出す。

【００１３】本発明の第２の好ましい実施態様では、同
様な乱流発生器が主にそれぞれのラミネーションの歯領
域に形成されて、ヨーク領域にはその一部分にのみ設け
られる。

【００１４】本発明の第３の実施態様では、各々の乱流
発生器が一対のタブによって形成され、一対のタブはほ
ぼＶ字形を成すように配置方向が定められる。乱流発生
器はヨーク領域内にのみ設けられるが、歯領域にも設け
てもよい。

【００１５】本発明の第４の実施態様では、各々の乱流
発生器が冷却材の流れに整列した単一のフィンまたはタ
ブによって形成され、これらの乱流発生器はヨークおよ
び歯領域全体にわたって半径方向に設けられる。この構
成は、流れを横切る向きに装着された乱流発生器に比べ
て圧力降下が小さくなる。

【００１６】以上の実施態様の全てにおいて、乱流発生
器自身だけでなく、ラミネーションからフィンまたは乱
流発生器を形成したことにより生じるダクト表面中の凹
所によっても得られる粗さにより、熱伝達が増大すると
期待される。

【００１７】いずれの場合も、乱流発生器の全部および
一部を形成するタブまたはフィンを切り出して、ラミネ
ーションの平面から約３０°乃至約９０°の範囲内の角
度に、好ましくは約３０°乃至約４５°の範囲内の角度
に、折り曲げる。

【００１８】従って、本発明の広義の面では、本発明
は、積み重ねたラミネーションの隣り合うパッケージが
複数の半径方向に延在するスペーサ・ブロックによって
分離されていて、各々の隣り合う対のスペーサ・ブロッ
クが軸方向に隔たって隣り合うラミネーションと協働し
て冷却ダクトを画成している回転電気機械固定子鉄心組
立体の改良に関し、そのために、各々の冷却ダクト内に
複数の乱流発生要素を設けて、各々の乱流発生要素が前
記軸方向に隔たって隣り合うラミネーションの内の少な
くとも一方の側から前記ダクトの中へ突き出すようにす
る。

【００１９】本発明の他の目的および利点は、以下の説
明から明らかとなろう。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１には従来の固定子鉄心ラミネ
ーション組立体１０の一部分が示されている。この組立
体は、例えば、「パッケージ」内にほぼ７０枚の個別の
ラミネーションを有する。後で特に示すものを除いて、
これらのラミネーションは典型的には厚さが０．０１４
〜０．０１８インチであり、ラミネーション・パッケー
ジは厚さがほぼ１〜３インチである。複数の内部スペー
サ・ブロックまたはロッド１６がラミネーション・パッ
ケージの最も外側のラミネーション１４に固定されて、
ラミネーションのヨーク領域１８に沿って半径方向に延
在する。長い方のスペーサ・ブロックまたはロッド１６
はヨーク領域１８に沿って半径方向に延在するだけでな
く、半径方向内側の歯領域２０に沿っても延在する。内
部スペーサ・ブロックに溶接されるラミネーションは、
パッケージ内の残りのラミネーションよりも厚くされ、
典型的にはその厚さは０．０２５インチである。内部ス
ペーサ・ブロック１６は断面が大体Ｉビーム形状であり
（図２参照）、平坦な両面が隣接の固定子鉄心ラミネー
ション・パッケージに係合して、隣り合うスペーサ・ブ
ロックの間に複数の半径方向に延在する冷却通路または
ダクトを画成する。特定の冷却装置に依存して、冷却材
の流れの方向は半径方向内向きまたは半径方向外向きに
なる。典型的には、内部スペーサ・ブロックは約０．２
５０インチの高さを持ち、従ってこれにより冷却通路の
高さも定められる。スペーサ・ブロックの幅も約０．２
５０インチである。

【００２１】次に図３を参照すると、本発明の第１の実
施態様が図示されている。固定子鉄心ラミネーション・
パッケージ２２は、隣り合うラミネーション・パッケー
ジの２つの隣り合うラミネーションと半径方向に延在す
るスペーサ・ブロック２４とによって半径方向を向いた
冷却通路が形成されるという理由で、図１に示したもの
と同様である。図３はまた、各々の半径方向に延在する
冷却ダクト内にある複数の乱流発生器２６の位置および
向きを例示している。図から判るように、乱流発生器２
６は半径方向に一定の間隔を置いて設けられ、且つ円周
方向に固定子鉄心組立体の曲率に大体従って配置され
る。また図から判るように、乱流発生器２６はヨーク領
域２８にのみ設けられ、歯領域３０には設けられていな
い。

【００２２】図４を参照すると、乱流発生器２６は、冷
却ダクトの１つの壁を形成するラミネーション・パッケ
ージ内の多数のラミネーション３２、３２ａ、３２ｂ、
３２ｃ等の内の１つのラミネーション３２だけに形成さ
れていることが判る。この実施態様では、乱流発生器２
６は幅を０．３８０インチとし、ラミネーション組立体
の平面に対して直角（９０°）な向きにすることが出来
る。然し、乱流発生器は、図７について後で説明するよ
うにラミネーションの平面に対して、例えば３０°〜４
５°の角度に形成し得ることが理解されよう。これらの
乱流発生器は、ラミネーションからパンチングにより切
り出して、冷却通路の中へ突き出すように折り曲げたリ
ブまたはタブによって形成される。もちろん、この作業
はそれぞれのラミネーション・パッケージの組み立ての
前に行われる。乱流発生器が形成されるラミネーション
は厚さが約０．０２５インチであり、ラミネーション・
パッケージ内の他のラミネーションは厚さが約０．０１
４インチである。従来の場合と同様に、ラミネーション
・パッケージは約７０枚のラミネーションを有する。乱
流発生器の半径方向間隔（例えば、約０．３７５イン
チ）と乱流発生器の高さ（例えば、約０．０２５イン
チ）との比は約１５であるのが好ましいが、約５〜２０
であってもよい。

【００２３】乱流発生器を取り付けるために何らスポッ
ト溶接を必要としないことに留意されたい。これはスポ
ット溶接のための余分な製造工程を不必要にするばかり
でなく、乱流発生器がダクト表面から分離して強い磁界
により発電機の周りを進行することが無いようにする。
しかしながら、乱流発生器は、ダクトを構成するラミネ
ーションに直接に溶接することも出来る。

【００２４】本発明による内部スペーサ・ブロック２４
は大体矩形の断面を持ち、その高さがほぼ０．１２５イ
ンチである。乱流発生器が約０．０２５インチの高さを
持つ場合、乱流発生器は、冷却通路の高さの約２０％ま
で、またはダクトの流体圧直径の約１０％まで、冷却通
路の中に突き出す。

【００２５】従来のやり方に従って、冷却通路の壁を形
成するラミネーション３２は一般的に炭素鋼で作られ、
ラミネーション・パッケージ内の他のラミネーション３
２ａ、３２ｂ、３２ｃ等は珪素鋼で作られる。しかしな
がら、本発明による材料の選択および材料の厚さは一般
的に、例えば図１に例示した従来の構成における同じ寸
法／パラメータのものと変わらないことに留意された
い。

【００２６】次に図５、図６および図７を参照すると、
本発明の別の好ましい実施態様が図示されている。この
実施態様では、乱流発生器３４がラミネーション３６に
形成されていて、主にラミネーションの歯領域３８に設
けられ、ヨーク領域にはその一部分にのみ設けられる。
前と同様に、乱流発生器３４は、隣り合うラミネーショ
ン・パッケージの隣り合うラミネーションと半径方向に
延在する内部スペーサ・ブロック４２とによって画成さ
れた半径方向の冷却通路内に形成される。乱流発生器の
半径方向間隔および乱流発生器の形成するやり方は図３
および図４に関連して説明したものと同様である。しか
し、１つの変更は、乱流発生器３４がラミネーション３
６からパンチングにより切り出されて、ラミネーション
３６の平面に対して３０°〜４５°の角度を成して突き
出すように形成されていることである。これは主に、乱
流発生器を形成するカットおよびパンチング・プロセス
を容易にするために行われる。冷却通路の中への乱流発
生器３４の突き出しは最大約０．０２５インチである。

【００２７】次に図８および図９を参照すると、本発明
の更に別の実施態様が図示されている。この実施態様で
は、乱流発生器４４が、それぞれのラミネーション・パ
ッケージのそれぞれのラミネーション４６に一対のタブ
４８によって形成され、一対のタブ４８はほぼＶ字形の
渦発生器を成すように配列されている。流れを示す矢印
は、流れに対する乱流発生器の正規の配置方向を表すた
めに記してある。しかし、配置方向は変更してよい。乱
流発生器４４の半径方向間隔は、Ｖ字形の半径方向成分
を反映して、乱流発生器３４の場合よりも大きくしてあ
る。それ以外では、隣り合うスペーサ・ブロック５０の
間の固定子鉄心ラミネーションのヨーク領域内の乱流発
生器の全体的な配列は、図３および図４に示したものと
同様である。しかし、この実施態様では、パンチプレス
作業を用いて、一対の乱流発生要素を切り出して折り曲
げることにより、上述したほぼＶ字形の形状が生じる。
この実施態様は、ラミネーションからフィンすなわち乱
流発生器を形成することによって生じるダクト表面内の
一層大きな凹所５１に伴う粗さにより、熱伝達が更に増
大するものと期待される。

【００２８】次に図１０を参照すると、本発明の更に別
の実施態様が図示されている。この実施態様では、乱流
発生器５２がそれぞれのラミネーション・パッケージの
固定子鉄心ラミネーション５４に沿って歯領域５６およ
びヨーク領域５８の両方に半径方向に延在しているだけ
でなく、乱流発生器５２の向きすなわち配置方向が変更
されて、タブがスペーサ・ブロック６０に平行に且つ流
れの方向に平行に延在するようになっている。

【００２９】以上の実施態様の各々において、乱流発生
器はそれぞれの冷却ダクトの一方の側だけから突き出す
ように図示されていることに注意されたい。しかしなが
ら、乱流発生器は冷却ダクトの両側から突き出し、また
半径方向に一列に揃った状態または食い違い配列状態に
なるように配置することが出来る。

【００３０】図５、６および７に示した好ましい構成と
同様な乱流発生器を設けた冷却ダクトについて試験を行
ったところ、乱流発生器を設けた壁における熱伝達性能
が滑らかな流れの冷却通路の場合の約２倍になることが
判った。

【００３１】本発明を最も実用的で好ましいと考えられ
る実施態様について詳述したが、本発明は上記の実施態
様に限定されず、むしろ特許請求の範囲内に含まれる種
々の変更および等価な構成を包含するものであることを
理解されたい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の固定子鉄心のラミネーション組立体の一
部の正面図である。

【図２】図１に示されているラミネーション組立体に組
み込まれたスペーサ・ブロックの断面図である

【図３】本発明の第１の実施態様による固定子鉄心ラミ
ネーション組立体の一部の正面図である。

【図４】図３に示されている乱流発生器の拡大斜視図で
ある。

【図５】本発明の第２の実施態様による固定子鉄心ラミ
ネーション組立体の一部の正面図である。

【図６】図５の一部分の拡大図である。

【図７】図６の線７−７に沿って見た断面図である。

【図８】本発明の第３の実施態様による固定子鉄心ラミ
ネーション組立体の一部の正面図である。

【図９】図８に示されている乱流発生器の拡大斜視図で
ある。

【図１０】本発明の第４の実施態様による固定子鉄心ラ
ミネーション組立体の一部の正面図である。

【符号の説明】

１０ 固定子鉄心ラミネーション組立体 ２２ ラミネーション・パッケージ ２４ スペーサ・ブロック ２６ 乱流発生器 ２８ ヨーク領域 ３０ 歯領域 ３２ ラミネーション ３４ 乱流発生器 ３６ ラミネーション ３８ 歯領域 ４０ ヨーク領域 ４２ スペーサ・ブロック ４４ 乱流発生器 ４６ ラミネーション ４８ タブ ５０ スペーサ・ブロック ５１ 凹所 ５２ 乱流発生器 ５４ ラミネーション ５６ 歯領域 ５８ ヨーク領域 ６０ スペーサ・ブロック

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 積み重ねたラミネーションの隣り合うパ
   ッケージが複数の半径方向に延在するスペーサ・ブロッ
   クによって分離されていて、各々の隣り合う対のスペー
   サ・ブロックが軸方向に隔たって隣り合うラミネーショ
   ンと共に冷却ダクトを画成している回転電気機械固定子
   鉄心組立体において、 各々の冷却ダクト内に複数の乱流発生要素を有し、各々
   の乱流発生要素が前記軸方向に隔たって隣り合うラミネ
   ーションの内の少なくとも一方の側から前記ダクトの中
   へ突き出していることを特徴とする電気機械固定子鉄心
   組立体。
2. 【請求項２】 各々の前記乱流発生要素が、前記ダクト
   の高さの約２０％または前記ダクトの流体圧直径の約１
   ０％に等しい高さを有する請求項１記載の回転電気機械
   固定子鉄心組立体。
3. 【請求項３】 各々の前記乱流発生要素が、前記軸方向
   に隔たって隣り合うラミネーションの内の前記少なくと
   も一方から部分的に切り出された一体のタブで構成さ
   れ、この一体のタブによりそれぞれの冷却ダクトに沿っ
   て凹所が形成されている請求項１記載の回転電気機械固
   定子鉄心組立体。
4. 【請求項４】 前記乱流発生要素が、前記軸方向に隔た
   って隣り合うラミネーションの両方の側から前記ダクト
   の中へ突き出している請求項１記載の回転電気機械固定
   子鉄心組立体。