JPS6039362A - 高圧電気機械の固定子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電気機械工学上の技術、具体的には高圧電気機
械の固定子に関する。本発明は平滑コアの大型ターボ発
電機、特に極低温ターボ発電機に対して有効に用いるこ
とができる。

最近の電気機械工学においては電気機械、特に１５００
　ＭＹの最大出力を有する最新のターボ発電機では、そ
の固定子巻線電流が数１０にムに達し、このことが電流
端子およびスイッチング機器の設計を複雑にしている。

更に従来形のターボ発電機を電力系に接続するためには
昇圧トランスが必要であシ、このようなトランスの製作
に必要な電気材料の量はターボ発電機の製作に用いる材
料の量に比例する。現時点において、電気機械の固定子
電圧の向上は非常に切迫した問題であシ、従来の構造の
ターボ発電機で固定子電圧を５０　ＫＶ以上に上げるこ
とは実際上不可能である。

公知技術による高圧電気機械の固定子（１９７９年の米
国特許第４．１６４，５γ２号参照）鉱絶縁層で分離さ
れたりず巻コイルで構成され、２つの絶縁円筒の間に配
置された３つの相巻線を有する。

絶縁層は誘電性液体を含浸して積層したシート材である
。

このような構造の固定子の欠点は、コイル両端附近で非
常に不均一の電界分布、即ちコイルの両端面領域におけ
る非常に大きな電界を生ずることである。これにより絶
縁材に部分的放電を生じ１更に絶縁破壊となシ得る。こ
の観点から、相間電圧に近い電位差を有する異なる相巻
線のコイル間に配置される絶縁材のセクションは、高電
位コイルと固定子コアの間の絶縁材のセクションと同様
に特に危険である。これは本質的に絶縁材の絶縁耐力を
下げ、機械の電圧向上に対して制限を課す。

従って、例えば固定子巻線を収容する両絶縁円筒の間隙
を大ｆ！ｌｌ極低温ターボ発電機の代表的な値である４
０ｃｍとすると、絶縁破壊の恐れのある場所の電界を均
等にする特別の対策を構じないで２２０〜２５０　ＫＶ
の上記構造の固定子を設計することは実際上不可能であ
る。

更に、上記の固定子では隣接するコイルの高電位セクシ
ョンの間の絶縁材の厚さを増すために巻回数ごとに高さ
を異らせて電界が増す程高さが減るようにコイルが作ら
れる。これは固定子の製作上非常に不都合であシ、製作
費が増大する。

本発明の主要な目的は固定子の外形寸法を増さずに絶縁
材全体の電界を均一化することによ）相巻線間ならびに
相巻線とコアの間で高い絶縁耐力を有する高圧電気機械
の固定子を提供することである。

この目的のために、本発明によれば２つの絶縁円筒の間
に配置され且つ絶縁層によシ互いに分離されたりず巻コ
イルの形状に作られた３つの相巻線を有する高圧電気機
械の固定子において、各相巻線には冷却剤を通す孔を有
し、断面において巻線を囲み、且つ巻線の中立端子に電
気的に接続された静電シールドが設けられる。

相巻線を囲む０電位の静電シールドによシミ界が均一に
なシ、それによシ巻線の高電圧セクションと０電位面の
間の絶縁耐力が増加する。

本発明の一実施例によれば、電気的に直列接続され巻線
の高さに沿って隔てられた複数のセクションから成る各
相巻線には冷却剤を通す孔を有し、各セクションの周囲
に伸長してそれらの端面を閉鎖する付加静電シールドに
同電位の２つのセクションの端子に電気的に接続される
。

相巻線の付加シールドは巻線内の電界をよシ均一にし、
わずかな不均一電界の形成は絶縁材の長期の高信頼度の
使用に対して最適な条件を保証するものである。

本発明の他の実施例によれば、電気的に直列接続され巻
線の高さに沿って隔てられた複数のセクシロンから成る
各相巻線には冷却剤を通す孔を有し、各セクションの周
囲に伸長してそれらの端面を閉鎖する付加静電シールド
が設けられ、最高電位のセクションは電気的に直列接続
され巻線の高さに沿って配列された２つのうす巻コイル
で構成され、他方各低電位のセクションは最高電位コイ
ルの両側に配置され且つ最高電位セクションのコイルの
別の側に配置されて直列接続された２つのコイルにより
各々構成された２つの平行分岐状に電気接続された４つ
のうず巻コイルで構成され、低電位セクションのコイル
の巻線中心から巻線高までの距離はこれらのセクション
の電位の低下に沿って減少し、更に各付加シールドは一
つのセクションのコイルの同電位の端子に接続される。

この場合、電界の均等化は付加静電シールドによるだけ
でなく、セクションの電位が高い程とのセクションのコ
イルが０電位面から遠く隔てられる上記の巻線高に沿う
コイルセクションの配列によっても達成される。

次に本発明を実施例によシ図面を参照しながら詳細に説
明する。

第１図において、高圧電気機械の固定子は２つの絶縁円
筒２．３の間に固定されたりず巻コイルの形状に作られ
た３つの類似の相巻線１を有する。

外側の円筒２は固定子のコア（図示せず）に隣接する。

各相巻線１０間には絶詠材の層４が設けられ、この層は
例えば巻ｍ１の冷却にも用いられる絶縁油を満たした空
隙を有する絶縁板で構成される。固定子の相巻線１を構
成するうず巻コイルは固定子の軸の囲シで湾曲し、それ
によシ固定子軸から各巻線までの半径方向の距離が連続
的に変化する。即ち、各巻線１の一端が内側の円筒３に
より近く、他端が外側の円筒２によυ近く配置される。

第１図は相巻線１を図式的に示すものであシ、相巻線１
を構成するうす巻コイルは図示されない。

各相巻線１は第２図に示すように断面において周囲を静
電シールド５によシ囲まれている。但し図では巻線１の
形状を良く示すためにシールドの一部を切除し、更に簡
潔のため単一のうす巻コイルから成る巻線を示す。

シールド５は対応する巻線１の中立端子に電気的に接続
され、且つ冷却剤を通す孔６を有する。

孔６の数や寸法は巻線１の冷却に必要な冷却剤の流量か
らシールド５の特性を考慮して決定され、シールド５上
の孔の位置は固定子に用いられる冷却剤の循環方式によ
υ決定される。

各静電シールド５は例えば非金属フレーム上に導体や半
導体の層をスパッタリング形成するか、巻線１上に一層
または数層の箔を付着させるか、線材の網とするか、あ
るいは導体または半導体材料の帝を巻線１に巻き付ける
ことに↓り作ることができる。静電シールド５を４電材
料で作る場合はシールド５上の短絡を防止するために狭
い（数面１）間隙７を少なくとも１つ設ける。

本発明の一実施例によれば各相巻線１は直列接続された
複数のセクション（例えば第３図に示す３つのセクショ
ン８，９．１０）を有する。各セクションａ、ｓ、１０
は巻線１の高さに沿って互に積重ねて配置され且つうず
巻コイル状に作られる。これらのコイルは第１図に示す
ものと同じ方法で曲げられているが、第３図では平担に
図示されている。各セク７Ｍン８．９，１０の間には絶
縁層１１が配置され、これは相巻ｗ１の間の層４（第１
図）と同じ方法で但し高電圧設計で作られる。

電気機械の出力を増すためにセクション８，９．１０の
線輪１２（第３図）が巻線１の高さに沿って２分割され
、その間に冷却剤を通す通路１３が形成される。線輪１
２の各分割半部は必要に応じて入替えることができる。

但し絶縁層１１の側からのみ冷却を行えば「一体の」線
輪（即ち高さに沿って断面を分割しない）を用いること
も可能である。いずれの場合も線輪１２は各セクション
８．９．ＩＱの制限以内で類似の高さを持つ。

固定子の上記実施例では各相巻蔭１には付加静電シール
ド、即ちこの場合は２つのシールド１４゜１５が設けら
れ、これらは同電位の２つのセクションの端子に電気接
続される。具体的にはシールド１４はセクシｒｘ　：／
　８の低電位端子とセクション９の高電位端子に接続さ
れ、シールド１５はセクジョン９の低電位端子とセクシ
ョン１０の高電位端子に接続される。セクション１０の
低電位端子は相巻線１の中立端子であシ、シールド５に
電気接続される。付加シールド１４．１５はシールド５
と同様の方法で巻線１の周囲に伸長しているが、その場
合と異シセクション８．９．１０の全断面を覆うのでは
なく第３図に示すようにセクション８．９．１０の底部
と端面の近くだけに伸張している。セクション８，９．
ｉｏの間の電気的な接続経路はシールド１４．１５の突
出部と一致しているためセクション８，９．１０間の電
気的接続は示されない。

シールド１４．１５はシールド５と同じ材料で作られ、
且つ冷却剤を通す孔（図示せず）が設けられている。セ
クション８，９，１０の最終線輪１２領域の電界分布を
改善するために、シールド１４．１５で閉鎖されない部
分９，１０の最終線輪１２の縁を閉鎖する付加セクショ
ン１６をシールド１４．１５に持たせることができる。

更にセクション８の線輪の縁を閉鎖する２つの付加シー
ルド１γを用いることができ、その内の一方はセクショ
ン８の始端に接続され、他方は終端に接続される。

次に本発明の他の実施例を示す第４図において、電気的
に直列接続されて相巻線１を構成する各セクションは２
個または４個のうず巻コイルから成る。即ち最高電位の
セクション（最高電位の端子が相巻線１の端子であるセ
クション）は巻線１の高さに平行な中心に配置された２
個のコイル１８゜１９で構成される。次のセクションは
４個のコイル２０，２１．２２，２３で構成され、その
内コイル２０．２１はそれぞれコイル１８．１９の上に
配置され、コイル２２．２３はそれぞれコイル１８．１
９の下に配置される。更に第３の（この場合最後の）セ
クションも４個のコイル２４゜２５．２６．２７で構成
され、その内コイル２４゜２５はコイル２０．２１の上
にそれぞれ配置さｎ１コイル２６．２７はコイル２２．
２３の下にそれぞれ配置される。

第５図は各セクションのコイルの電気的接続を示し各コ
イルの巻始めを点で示す。相巻線の一端は同一セクショ
ンのコイル１９に直列接続されたコイル１８の巻始めに
接続される。次のセクションではコイル２０はコイル２
３に直列接続され、コイル２２はコイル２１に直列接続
される。コイル２０．２２の巻始めは共にコイル１９の
巻終シに接続され、コイル２１．２３の巻終シは共に一
番外側のセクションのコイル２４．２６の巻始めに接続
される。最も外側のセクションの電気的接続も同じよう
に行われる。即ち、コイル２４はコイル２１に直列接続
され、コイル２６はコイル２５に直列接続され、コイル
２５，２７の巻終シは共に相巻線の中立端子に接続され
る。

上記の２つの外側セクションのコイルの交差接続は並列
接続された分岐を入替えるもので、これは分岐内に循環
電流が生じるのを妨ぐために行われる。

この実施例では上記実施例と同様に各相巻線が巻線１の
両端面側の周囲に伸張する付加静電シールド２８（第４
図）を持つ。シールド２８はコイル２０．２２の巻始め
に接続されて同電位を有し、且つこれらのコイルの端面
ならびにその間に配置されたコイル１８の端面を閉鎖す
る。シールド２９はコイル２１．２３の巻終υに接続さ
れて同電位を有し、且つこれらのコイルの端面ならびに
その間に配置されたコイル１９の端面を閉鎖する。

更にシールド３０はコイル２４．２６の巻始めに接続さ
れて同電位を有し、これらのコイルの端面ならびにその
間に配置されたコイル１８．ノ０゜２２の端面を閉鎖す
る。コイル２５．２７の巻終υは０電位の共通シールド
５に電気的に接続される。

シールド２８，２９．３０はシールド５と同じ材料で作
られ、冷却剤を通す孔（図示せず）が設けられている。

更に第３図の実施例と同様にシールド２Ｂ、２９．３０
（第４図）には付加セクション３１を持たせることがで
き、それに対してコイル１８．１９にはこれらの最終線
輪の縁を閉鎖する付加シールド３２を設けることができ
る。これらのシールド３２の１方はコイル１８の巻始め
に接続され、他方はコイル１９の巻終シに接続される。

第３図と第４図の実施例を比較すると次の点が注目され
る。第４図に示す相巻線セクションのコイルへの分割お
よびこれらのコイルの配列構造は次の点で有利である。

即ちセクションの電位が高い程このセクションのコイル
がＯ電位面（即ち固定子のコアおよび回転子から）遠く
隔てられ、相巻線によシ作られる電界分布が良好になる
。更に上記の各セクションのコイルの配列により付加シ
ールド２Ｂ、２９．３０を巻線１の端面上のみに設ける
ことが可能となシ、それによシ相巻線１の空間利用が有
効になる。それに対して第３図の実施例は構造が簡単で
あシ、その結果電気機械の動作信頼度が改善される。

動作においては、相巻Ｍ１（第１図）の各線輪は加電端
子から中立端子への方向で減少する電位を有し、それＫ
よシ絶縁円筒２，３間の空間に電界を発生する。静電シ
ールド５はこの電界をこれらのシールドで境界付けされ
る３つの等分の領域に分割する。静電シールド５は大き
な曲率の平滑な表面を有するため、シールド５により定
められる領域内の電界はシールド５がない場合に比べて
より均一になる。このことはある相巻線１の端面が他の
相巻線によシ生じる電界に対する影響が避けられるとい
う事実によって説明することができる。この場合相巻線
１の絶縁は相電圧に対して設計することができるが、シ
ールド５がない場合は絶縁は相間電圧に対して設計され
る。これらの要因を合せると相巻線１の各コイルを類似
の高さに設計し、且つコイル間の絶縁層の厚さを一定に
することが可能とな夛、それによシ相６線１の製作が１
４１単になる。

第３図の実施例では、静電シールド１４．１５によシ相
巻線１の電界が一層均等化される。具体的には、相巻艇
１のｌ’−ＵＪで示す加電端子に印加される電位はセク
ション８％ｌ、１０の間で均一なる。これによ）各隣接
シールド１４と１５およな曲率半径のシールド１４，１
５．５の平滑な表面によって各シールド間の空間にはわ
ずかに不均一の電界が生じ、それによシ３００〜４００
ＫＶまでの相電圧における相巻線絶縁の絶縁耐力と信頼
度が増強される。相巻線１をよシ高い相電圧で使用する
場合、当然各相巻線１は多数のセクションに分割される
。

シールド１７（もし存在する場合）ならびにシールド１
４．１５のセクション１６は最終線輪を大きな曲率半径
の平滑な面で閉鎖することによシセクション８，９，１
０の端面領域の電界分布を改善する。

第４図の実施例では（付加シールド２Ｂ、２９゜３０の
効果を考慮しなくても）更に均一な電界分布が達成され
る。これは上記のように相巻線１の断面の高さに平行な
中心部の汲置電位セクションのコイル１８．１９の配列
の結果であり、且つ中心部からの距離が電位の低下と共
に増加する低電位セクションのコイル２０〜２γの配列
の結果である。それによシ、セクションの電位が高い程
コイルが０電位面、例えば固定子コアまたは回転子から
遠く隔てられる。付加シールド２８，２９゜３０ならび
にそれらのセクション３１、および付加シールド３２は
第３図に示す巻線のシールド１４．１５．それらのセク
ション１６および付加シールド１１と同様に機能する。

従って、固定子巻線内の絶縁耐力が増すことにより、本
発明の高圧電気機械固定子内に生ずるわずかな不均一電
界によって高圧電気機械の信頼度が改善される。これに
よＪ　５００ＫＶまでの固定子巻線相電圧の大形平滑コ
アの（待に極低温の）ターボ発電機の製作が固定子の外
形寸法を増さずに可能となシ、更に昇圧トランスの設置
が不要となる。その結果、大量の電気材料が節約される
。

以上に本発明の固定子の実施ｆｊｌを図示し説明したが
、種々の改変が当業者により可能である。例えは巻線の
数や付加静電シールドの数は第３図と第４図に示したも
のと異っても良い。付加シールドの数は要求される電界
不均一性の＆！度および固定子に用いられる絶縁の方式
に依存して決定される。更に巻線の各セクションは互に
重ね合せて配列せずに階段状に互に接線方向に配列して
も良い。

本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の
範囲に明記する以内での実施例からの変更が可能である
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による電気機械固定子のコアを除いた断
面図である。 第２図は第１図に示す固定子の相巻線の１つの全体図で
ある。 第３図は＠１図に示す本発明の一実施例による固定子の
相巻線の断面の半分を示す図である。 第４図は第１図に示す本発す」の他の実施例による固定
子の相巻線の断面の手分を示す図である。 第５図は第４図の相巻線のコイルの電気的接続を示す図
である。 １・・・・・・・・・相巻線、２，３・・・・・・・・
・絶縁内筒、４・・・・・・・・・絶縁層、５・・・・
・・・・・静電シールド、６・・・・・・・・・冷却剤
通路、８，９．１０・・・・・・・・・セクション、１
４．１５・・・・・・・・・付加静電シールド、’１８
．１９・・・・・・・・・最高電位セクションのコイル
、２０〜２１・・・・・・・・・低電位セクションのコ
イル、２８〜３０・・・・・・・・・付加静電シールド
。 エレクトロマシノストロイエニイア

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁層（４）によシ互に分離されて２つの絶縁円
   筒の間に配置されたりず巻コイルの形状に作られた３つ
   の相巻線（１）を有し、各相巻線（１）には冷却剤を通
   す孔（６）を有し且つ断面において相巻線（１）の周囲
   を覆い且つ相巻線（１）の中立端子に電気的に接続され
   た静電シールドが設けられることを特徴とする高圧電気
   機械の固定子。
2. （２）上記の各相巻線（１）は電気的に直列接続され且
   つ相巻線（１）の高さに沿って隔てられた多数のセクシ
   ョン（８，９，１０）を含み、上記各相巻線（１）は冷
   却剤を通す孔を有し且つ該セクション（８，９，１０）
   の周囲に伸長してそれらの端面を閉鎖し且つ同電位の２
   つのセクション（８−と９、および９と１０）の端子に
   それぞれ電気的に接続された付加静電シールド（１４，
   １５）を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の高圧電気機械の固定子。
3. （３）上記の各相巻線（１）は電気的に直列接続され且
   つ相巻線（１）の高さに沿って隔てられた多数のセクシ
   ョンを含み、上記各相巻線（１）は冷却剤を含み、上記
   各相巻線を通す孔を有し且つ該セクションの周囲に伸張
   してそれらの端面を閉鎖する付加静電シールド（２８、
   ２９。 ３０）を有し、最高電位のセクションは電気的に直列接
   続され且つ相巻線（１）の高さに平行な中心部に配列さ
   れた２つのうず巻コイル（１８，１９）で構成され、低
   電位の各セクションのコイル（１８，１９）の両側に対
   をなして配列され且つ電気的に直列接続されてそれぞれ
   ２つの平行分岐をなす４つのうず巻コイル（２０と２３
   ．２２と２１．２４と２１、および２６と２５）で構成
   され、低電位セクションの該コイル（２０，２１，２２
   ，２３および２４．２５，２６．２７）の相巻線（１）
   の高さに平行な中心部からの距離はセクションの電位が
   低下する程増大し、上記各付加シールド（２８，２９，
   ３０）はそれぞれ１つのセクションのコイル（２０と２
   ２．２１と２３、および２４と２６）の同電位の端子に
   接続されることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の高圧電気機械の固定子。