JP2000511393A - 軸方向に冷却を行う回転電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 高圧ケーブルが巻かれ、外側のヨーク部分（２２）から、歯のセクター（１８）の内部に向かって半径方向に延びる固定子の歯（４）を持つ固定子（１）を備える回転電気機械。この場合、少なくとも一つの固定子の歯（４）は、その内部において冷却剤が循環するようになっている冷却回路（２９）に接続している軸方向に延びる冷却ダクトを持つ。また、固定子巻線が、固定子（１）を通して軸方向に延びる冷却チューブ（２５）を通して、冷却回路（２９）内を循環する冷却剤（３１）により冷却される高圧固定子巻線を持つ回転電気機械を冷却する方法。

Description

【発明の詳細な説明】 軸方向に冷却を行う回転電気機械 技術分野 本発明は、同期機械のような回転電気機械のような高圧回転電気機械、また二 重供給機械、非同期静電流コンバータ・カスケードの諸用途、外側回転機械およ び同期磁束機械、並びに電力発生用の発電所で主として発電機として使用される 交流機械に関し、特に前記機械の冷却に関する。 背景技術 高圧、すなわち、１０キロボルトを超える、最大電圧が３０〜３５キロボルト の高圧用の回転電気機械は、通常、前記機械を強制冷却するための冷却システム と一緒に配置される。 高圧回転電気機械は、普通、溶接構造を持つ、薄鋼板の固定子本体と一緒に組 立てられる。積層コアは、通常、ニスを塗った０．３５〜０．５ミリの電気鋼鉄 から作られる。固定子巻線は、薄鋼板のコアのスロット内に位置し、前記スロッ トは、通常、長方形または菱形の横断面を持つ。各巻線の相は、直列に接続して いる多数のコイル・グループを備え、前記各コイル・グループは、直列に接続し ている多数のコイルを備える。前記コイルは、固定子に設置されるコイル側面、 固定子の外側に位置する端部巻線等を含む。コイルは、高さおよび幅の揃った一 つまたはそれ以上の導体を備える。 各導体間には、例えば、エポキシ／ガラス繊維のような薄い絶縁材が存在する 。 コイルはコイル絶縁材、すなわち、機械／アース間の定格電圧に耐えるための 絶縁材により、スロットから絶縁されている。絶縁材としては、種々のプラスチ ック、ニスおよびガラス繊維を使用することができる。通常、絶縁を急速に破壊 する恐れのある部分放電に耐えるために特に製造する、マイカと硬質のプラスチ ックとの混合物である、いわゆるマイカ・テープが使用される。コイルの絶縁は 、コイルの周囲にマイカ・テープを数層巻き付けることにより行われる。絶縁材 は 浸透処理され、アース電位に接続している周囲の固定子との接触を改善するため に、コイル側面には黒鉛をベースとするペンキが塗布される。 発電機の場合には、通常、電圧を約１３０〜４００キロボルトの範囲内の電力 ネットワークのレベルにまで昇圧するトランスを通して、電力ネットワークに接 続しなければならない。本発明は、３６〜８００キロボルトの動作範囲内の高圧 で使用するためのものである。 高圧絶縁電気導体を使用することにより、例えば、架橋ポリエチレン（ＸＬＰ Ｅ）ケーブルのような送電用のケーブルで使用される固体絶縁材に類似の固体絶 縁材を持つ、下記のケーブル、固定子巻線においては、前記機械の電圧を、中間 トランスを使用しないで、電力ネットワークに直接接続することができるレベル にまで昇圧することができる。それ故、従来のトランスを使用しないですむ。こ の方法は、一般的に、従来技術（電圧がもっと高く、巻線の数も多く、そのため もっと厚い絶縁材を必要とする）より、固定子のもっと深いところにケーブルを 設置するためのスロットを必要とする。このことは、損失分布が、従来の機械と は異なり、そのため、例えば、固定子の歯の冷却に関連して新しい問題が必然的 に起こってくる。 例えば、同期機械の巻線を冷却するために、使用できるシステムが三つある。 一つは空冷で、固定子の巻線およびロータの巻線は巻線を通過する空気により冷 却される。空冷ダクトは、固定子およびロータの積層シートに配置される。空気 による半径方向の通風および冷却により、少なくとも、中型および大型の機械の 場合には、積層コアは、自分自身の内部に配置された半径方向および軸方向に延 びる通風ダクトを備える複数のダクトに分割される。冷却空気としては、周囲の 空気を使用することができるが、約１ＭＷ以上の電力の熱交換器を含む閉冷却シ ステムが主として使用される。大型のターボ発電機および大型の同期コンペンセ ータでは、水素冷却が使用される。この冷却方法は、熱交換器を含む空冷と同じ 方法で動作するが、冷却媒体として空気の代わりに水素が使用される。水素は空 気より優れた冷却能力を持っているが、密封および漏洩の検出にいろいろな問題 がある。冷却ダクトは、セグメントを形成する際に積層固定子シートを設置した とき、ダクトを形成する前記積層固定子シートを打ち抜くことにより製造される 。 その結果、ガス冷却ダクトの小さな凹凸により、機械全体にわったて圧力降下が 大きくなる。 ５００〜１０００ＭＷの電力範囲のターボ発電機の場合には、固定子の巻線お よびロータの巻線を冷却するのに水を使用することは周知である。冷却ダクトは 、チューブの形に形成され、固定子の巻線の導体の内側に設置される。大型機械 の場合問題になるのは、冷却が不均一になり、そのため、機械に温度の変動が起 こることである。 回転する発電機用のコイルは、３〜２５キロボルトの電圧範囲内であれば、製 造することができ、好結果を得ることができると考えられている。 しかし、より高い電圧用の発電機を開発する努力が長い間試みられてきた。こ のことは、例えば、１９３２年１０月１５日の「電気世界」の５２４〜５２５ペ ージ（“Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗｏｒｌｄ，Ｏｃｔｏｂｅｒ １５，１９３２，ｐ ａｇｅｓ ５２４−５２５）を読めばはっきり分かる。前記文献は、パーソン１ ９２９が設計した３３キロボルト用の発電機の組立方法を記載している。前記文 献は、また３６キロボルトの電圧を発生する、ベルギーのランゲルブルッゲの発 電機について記載している。前記文献は、前記電圧をさらに高いレベルにする可 能性について述べているが、その開発は、前記発電機の基礎となっているコンセ プトにより挫折した。それは、主として、ニスを含んだマイカ、オイルおよび紙 の複数の層が、いくつかの独立した層で使用されている、絶縁システムの欠点に よるものである。 １９８４年４月付の電力研究所（ＥＰＲＩ）、ＥＬ−３３９１（Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＰＲＩ，ＥＬ− ３３９１，ｆｒｏｍ Ａｐｒｉｌ １９８４）の報告には、、中間トランスを使 用しないで、発電機を電力ネットワークに接続する目的で、前記発電機で高圧を 達成するための発電機コンセプトが記載されている。前記報告によると、前記解 決方法は、効率が高く、かなり経済的であると評価されている。１９８４年の時 点において、前記コンセプトが、電力ネットワークに直接接続するための、発電 機の開発のきっかけになりうると考えられた主な理由は、超伝導ロータがその時 点で開発されたからである。超伝導の磁界巻線はかなりの励起容量を持っている ので、電気ストレスに耐えることができる十分の厚さを持つエアギャップ巻線を 使用することができる。 「モノリス・シリンダ・アーマチャ」と呼ばれる、巻線を持つ磁気回路を設計 するための、本プロジェクトにより最も有望と思われるコンセプトと、導体の二 つの円筒形が、絶縁材の三つの円筒形に囲まれ、全構造体が歯を持たない鉄のコ アに取り付けられている、コンセプトとを組合せることにより、高電圧用の回転 電気機械を電力ネットワークに直接接続することができると評価された。前記解 決法は、必然的に、ネットワークとネットワークとの間、およびネットワークと アースとの間の電位に耐えるだけの十分な厚さを持つ主絶縁材を必要とする。前 記解決法の明かな欠点は、この方法が超伝導ロータを必要とする他に、極度に厚 い絶縁材を必要とすることであり、そのため機械が大きくなる。端部の大きな電 界を制御するために、端部巻線を絶縁し、オイルまたはフレオンで冷却しなけれ ばならない。液体誘電媒体が大気中から湿気を吸収しないようにするために、機 械全体を密閉する必要がある。 とりわけ、１９７０年のジャーナル・エレクトロテクニカ１号、６〜８ページ の「水冷および油冷ターボ発電機、ＴＶＭ−３００」（“Ｗａｔｅｒ−ａｎｄ− ｏｉｌ−ｃｏｏｌｅｄ Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＴＶＭ−３００”ｉｎ Ｊ．Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｋａ，Ｎｏ．１ １９７０，ｐａｇｅ ６− ８）という名称の論文、米国特許第４，４２９，２４４号「発電機の固定子（Ｓ ｔａｔｏｒ ｏｆ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）」およびロシアの文献ＣＣＣＰ特許９ ５５３６９に、同期機械の設計に関する新しい方法によるいくつかの試みが記載 されている。 ジャーナル・エレクトロテクニカに記載されている水冷および油冷同期機械は 、２０キロボルトまでの電圧に対するものである。前記論文は、固定子をオイル の中に完全に埋没させることができる、オイル／紙絶縁材からなる、新しい絶縁 システムを記載している。その後、前記オイルは、冷却剤として使用することが でき、同時に絶縁材としても使用することができる。固定子のオイルがロータの 方に漏れ出すのを防止するために、前記コアの内面に誘電オイル分離リングが設 けられている。固定子巻線は、オイルおよび紙絶縁材を含む中空の楕円形の導体 か ら作られる。その絶縁材を持つコイル側面は、クサビより長方形の断面を持つス ロットに固定される。冷却剤としては、中空の導体および固定子壁部の孔部の両 方にオイルが使用される。しかし、前記冷却システムは、必然的に、端部巻線の ところに、オイルおよび電気の両方の多数の接続を必要とする。前記厚い絶縁材 は、また必然的に導体のより大きな曲率半径を必要とし、その結果、巻線の出っ 張りが大きくなる。 上記米国特許は、固定子巻線用の菱形のスロットを持つ、積層シートの磁気コ アを備える同期機械の固定子部分に関する。前記スロットは先細になっている。 何故なら、中点に最も近いところに位置する巻線の一部が配置される、ロータ内 部に近づくにつれて、必要な固定子の絶縁材の量が少なくなるからである。さら に、前記固定子部分は、このリングがないと、機械の磁化要件が増大する恐れが ある、コアの内面に最も近い誘電オイル分離円筒形を備える。固定子巻線は、各 コイル層と同じ直径を持つ、オイルを浸み込ませたケーブルから作られる。複数 の層は、スロットのスペーサにより、相互に分離されていて、クサビにより固定 されている。前記巻線の特殊な点は、この巻線が直列に接続している二本のいわ ゆる半巻線であることである。二本の半巻線の中の一方は、絶縁スリーブ内に位 置し、そこに中心を持つ。固定子巻線の導体は、周囲のオイルにより冷却される 。システムでこのような大量のオイルを使用する場合の欠点は、漏洩の危険があ ることであり、故障した場合、オイルを除去するのにかなりの大規模な清掃を必 要とすることである。スロットの外側に位置する絶縁スリーブの前記部分は、電 流を流すための層で補強された円筒形の部分と円錐形の部分とを持つ。これら部 分の目的は、ケーブルが端部巻線に入る部分の電界強度を制御することである。 ＣＣＣＰ９５５３６９を読めば、同期機械の定格電圧の数値を上げるための他 の試みの場合、油冷固定子巻線は、すべての層において同じ太さを持つ従来の中 位の電圧用の絶縁導体からなることは明らかである。前記導体は、その断面積に 対応する円形で半径方向の開口部の形をした固定子スロット、および固定作業お よび冷却剤のために必要な空間に設置される。前記巻線のいくつかの半径方向に 位置する複数の層は、絶縁チューブにより取り囲まれ、前記チューブにより固定 される。絶縁スペーサが、前記チューブを固定子のスロットに固定する。オイル で冷却するため、内部エアギャップに対して冷却剤を密封するために、内部誘電 リングが必要になる。図示の設計の場合、絶縁材または固定子スロットはテーパ 状になっていない。前記設計の場合には、いくつかの固定子スロットの間は、非 常に細い半径方向に延びるくびれた部分になっている。このことは、機械の磁化 要件に有意な影響を与える、大量のスロット漏洩磁束が生じることを意味する。 ＥＰ０３４２５５４は、液体冷却媒体により冷却される固定子を備える回転電 気機械を開示している。前記機械の固定子は、その内部に装着された巻線の横断 面に対応する菱形の固定子のスロットと一緒に配置される。 ＥＰ０４９３７０４は、固定子の歯の間に冷却チャネルを備える電気モータを 開示している。前記モータの場合、巻線は、前記歯の間に形成されたスロットの 固定子に不規則に配置されている。 ＥＰ０６８４６８２は、回転電気機械を開示している。前記機械の固定子は、 長方形の固定子スロットおよび長方形断面を持つ導体と一緒にパックされた巻線 と一緒に配置されている。軸方向のガス冷却ダクトは、導体から熱を伝達するた めに、固定子の歯を通して延びる。固定子の歯の半径方向の大部分を冷却するた めに、冷却ダクトが挿入される。このことは、もっと多くの巻線の巻数を含み、 そのため固定子スロットの深さがさらに深くなり、その結果機械的安定性が低下 するより高い電力機械の設計の際に、いくつかの問題が生じることを意味する。 ＥＰ０１５５４０５は、水冷の機械しか持っていない容量を得るために、以前 は空冷であった機械の容量を改善するために、回転ダイナモ電気機械用のガス冷 却装置を開示している。 米国特許第２，９７５，３０９号は、回転機械、特にターボ発電機用の油冷固 定子を開示している。前記機械の固定子は、長方形固定子スロットと対応する断 面を持つ巻線を含む。 米国特許第３，６７５，０５６号は、流体冷却剤回路に接続している密閉ダイ ナモ電気機械を開示している。前記機械の内部は、長方形の断面を持つ巻線を冷 却するために、固定子の三角形の断面を持つダクトを通って流れる冷却剤で満た されている。 米国特許第３，８０１，８４３号は、二相流体冷却剤の助けを借りて、ヒート ・パイプにより冷却されるロータおよび固定子を持つ回転電気機械を開示してい る。前記固定子ヒート・ポンプは、固定子スロット内に位置していて、固定子お よびロータを越えて遠いところまで軸方向に延びる。ロータ・ヒート・パイプは 、また電気導体およびロータを冷却するための熱交換器の働きをする。 発明の目的 本発明の目的は、１０キロボルトから電力ネットワークの電圧レベルまでの範 囲内の高圧回転電気機械用の冷却システムを提供することである。前記回転電気 機械は、トランスを使用しないで、電力ネットワークに直接接続することができ る。 発明の概要 本発明は、高圧交流発電機のような高圧電気機械で、固定子の歯を冷却し、固 定子巻線を間接的に冷却するための手段に関する。 前記装置は、電気的に絶縁され、固定子の歯を通る軸方向の開口部を通る軸方 向に延びるチューブを備える。前記チューブは、冷却剤が前記チューブ内を循環 しているときに、必要な冷却容量を確実に持つことができるように、前記開口部 中に接着されている。前記チューブは、固定子の歯の軸方向全体に沿って延び、 固定子の両端部で接続している。 本発明の特定の好適な実施形態の場合には、複数の半導体層の中の少なくとも 一つ、好適には、両方が、固体絶縁材と同じ熱膨張係数を持つことが好ましい。 それ故、巻線の熱による膨張等による欠陥、ひび割れ等を防止するという非常に 優れた利点を持つことができる。 前記手段は、ポリマのような誘電材で作られていて、固定子ヨークおよび固定 子の歯の軸方向に延びる開口部を通る軸方向に延びる冷却チューブを備える。前 記チューブは、冷却剤が前記チューブ内を循環するときに、確実に優れた熱の移 動を行うことができるように、前記開口部に埋設されている。前記チューブは、 固定子の全長に沿って、固定子ヨークおよび固定子の歯内を延び、必要な場合に は、固定子端部で接続することができる。 ポリマの冷却チューブは、電気を伝えないので、ショートを起こす恐れがない 。その内部で渦電流も発生しない。ポリマ冷却チューブは、常温で曲げて、つな げないで、いくつかの開口部を通すことができる。これは大きな利点である。 ポリマ冷却チューブは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、フツ化 ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレンのような多くの材料から作ること ができ、エラストマで充填および補強することができる。高い密度を持つこれら ポリエチレンの中では、ＨＤＰＥが好適である。何故なら、熱伝導率は密度が大 きくなるにつれて増大するからである。ポリエチレンが過酸化物分割、シラン架 橋または放射架橋により行うことができる架橋処理を受けている場合には、その 高い温度での圧力に耐える能力が増大し、同時に応力腐食の危険がなくなる。架 橋ポリエチレンは、例えば、スウェーデン、ワースボ・ブルクス（Ｗｉｒｓｂｏ Ｂｒｕｋｓ）、ＡＢ社製のＸＬＰＥパイプのような廃物用パイプ用に使用され る。 ある実施形態の場合には、一本のチューブが、他のチューブとの接続を行わず に、一つ以上の開口部を貫通している。 図面の簡単な説明 添付の図面を参照しながら、本発明をより詳細に説明する。 図１は、回転電気機械の固定子を直径方向に切断した断面図の簡単な斜視図で ある。 図２は、本発明の高圧ケーブルの断面図である。 図３は、回転電気機械のセクターの略図である。 図４は、図３に破線で示す、ヨークを持つ固定子の歯のスロット部分に対応す るセクターを示す図である。 図５は、本発明の軸方向の冷却チューブを持つ、ヨーク付きの固定子の歯のス ロット部分に対応する他のセクターを示す図である。 図６は、本発明の冷却回路を示す図である。 図７は、本発明の装置用の一組の孔部を示す図である。 図８は、本発明の前記孔部の他の配置を示す図である。 発明の説明 図１は、固定子１の配置をもっとはっきり示すために、ロータを取り外した電 気機械の一部である。固定子１の主な部分は、固定子フレーム２、固定子の歯４ および固定子ヨーク５を備える固定子コア３からなる。固定子は、また図３に示 すように、個々の各固定子の歯４の間に形成された自転車のチェーンのような形 をしている空間７に位置する高圧ケーブルからなる固定子巻線６を備える。図３ は、固定子巻線６の電気導体だけを示す。図１を見れば分かるように、固定子巻 線６は、固定子１の両側に端部巻線パッケージ８を形成する。同様に図３を見れ ば、高圧ケーブルの絶縁材がいくつかの大きさを持ち、固定子１のケーブルの半 径方向の位置により、いくつかのグループの形で配置されていることがはっきり 分かる。図面を簡単にするために、図１の固定子の各端部には、端部巻線パッケ ージは一つしか図示していない。 より大型の従来の機械の場合には、固定子フレーム２は、多くの場合、溶接薄 鋼板構造からなる。大型の機械の場合には、積層コアとも呼ばれる固定子コア３ は、一般に、隔壁を形成する５ミリの通風ダクトにより、相互に分離している軸 方向の長さが約５０ミリの、複数のスタックに分割された０．３５ミリのコア・ シートから形成される。しかし、本発明の機械は、通風ダクトを使用していない 。大型の機械の場合には、積層材の各スタックは、第一の層を形成するために、 適当な大きさの打ち抜いたセグメント９を一体にすることにより形成される。そ の後、固定子コア３の完全なプレート状の部分を形成するために、後続の各層が 直角に配置される。前記部品および隔壁は、図示していない圧力リング、フィン ガまたはセグメントに対して圧着されている圧力脚部１０により一体に保持され る。図１には、圧力脚部は二つしか示していない。 図２は、本発明の高圧ケーブル１１の断面図である。前記高圧ケーブル１１は 、例えば、円形の横断面を持つ、多数の銅（Ｃｕ）のストランド12を備える。前 記ストランド１２は、高圧ケーブル１１の中央部に配置されている。ストランド １２の周囲には、第一の半導体層１３が配置されていて、第一の半導体層１３の 周囲には、例えば、ＸＬＰＥ絶縁材のような絶縁層１４が配置されている。絶縁 層１４の周囲には、第二の半導体層１５が配置されている。それ故、本特許明細 書のコンセプト「高圧ケーブル」は、電力分配用の前記ケーブルを通常取り巻い ている外側の保護被覆を含まない。前記高圧ケーブルは、２０〜２００ミリの直 径と、８０〜３０００平方ミリの導電面積を持つ。 図３は、前記機械の固定子１のセグメント９を持ち、ロータ１７上にロータ電 極１６を持つ機械の半径方向のセクターの略図である。図を見れば分かるように 、高圧ケーブル１１は、各固定子の歯４の間に形成されている自転車のチェーン の形をした空間７に配置されている。 図４は、歯の先端部１９から自転車のチェーンに似た空間７の外側の端部２０ へ向かって、半径方向にある距離だけ離れている、歯の高さを形成している、図 ３に半径方向に延びる破線で示す一つのスロット・ピッチに対応する歯のセクタ ー１８である。固定子の歯の長さは、歯の高さに等しい。さらに、ヨークの高さ は、自転車のチェーンに似ている空間７の外側の端部２０から固定子コア３の外 側の端部２１へ向かって、半径方向にある距離だけ離れて定義される。後者の距 離は外側のヨーク部分２２の幅を示す。さらに、歯のくびれた部分２３は、固定 子の歯の間の自転車のチェーンに似ている空間７により、各固定子の歯に沿って 形成されたいくつかの狭い部分の一つである。それ故、最大２４までの多数の歯 が、各歯のくびれた部分２３の間に半径方向に形成され、その大きさは、歯の先 端部１９に最も近い最も小さい最大部から、自転車のチェーンに似ている空間７ の外側の端部２０に最も近い最も大きい最大部に増大する。図を見れば分かるよ うに、図示のセクターの外側のヨーク部分の幅は、固定子コア３の外側の縁部２ １の方向に向かって太くなっている。 前記タイプの高圧回転電気機械の場合には、図５に示すように、本発明の少な くとも一つの固定子の歯４は、好適には、冷却チューブ２５の形をしていること が好ましい、その内部で冷却剤が循環するようになっている冷却回路に接続して いる、ほぼ軸方向に延びる少なくとも一つの冷却ダクトを持つ。可能な実施形態 の場合には、前記冷却ダクトは冷却剤としてオイルを使用することができる。効 率的な冷却を行うためには、好適には、冷却ダクト／チューブを各固定子の歯の 中に配列するのが好ましい。図５の本発明の実施形態の場合には、実際の歯を通 して軸方向に延びる四本の冷却チューブが配置されていて、一方、図示のセクタ ーの外側のヨーク部分２２を通して延びる、他の二本の冷却チューブが配置され ている。図を見れば分かるように、少なくとも一本の最大の歯の中に、一本の太 いチューブの代わりに、二本の細い冷却チューブを並べて配置することができる 。前記各冷却チューブは、それ自身の平行な冷却剤回路に属する。その利点は、 冷却チューブが細ければ細いほど、より狭い半径により容易に曲げることができ ることである。細いチューブの他の利点は、太いチューブと比較すると、細いチ ューブの方が磁束を妨害する程度が小さいことである。この利点は、またその長 い方の軸が歯の半径方向を向いている、楕円および卵形のチューブを使用しても 達成することができる。ある実施形態の場合には、すべての最大の歯は、二重の 冷却チューブを持ち、スロット・ピッチ・セクターのすべての冷却チューブは、 半径方向に整合している。他の実施形態の場合には、スロット・ピッチ・セクタ ーの冷却チューブも半径方向に整合している。すべての実施形態の場合、冷却は アース電位で行われる。 巻線への取り付け素子の形をした三角形の空間２６、例えば、または、歯の側 ２７の特別に配置された溝の巻線間に設置された、例えば、冷却チューブのよう な固定子巻線６と一緒に冷却チューブが配置されている他の実施形態も、添付の 請求の範囲内に含まれる。 各冷却チューブ２５は、固定子の歯４の中、または外側のヨーク部分２２の金 属との接触を避けるための絶縁層２８を持つ。取り付けるために、熱を伝達する 接着剤を代わりに使用することができる。他の好適な実施形態の場合には、固定 子の歯４、または外側のヨーク部分２２の金属との電気的な接触を避けるために 、各冷却チューブ２５は、好適には、ＸＬＰＥであることが好ましい、ポリマの ような誘電性材料から作られる。すべての冷却チューブは、熱の伝導性を大きく するために、充填材を含む常温加硫した、二つの成分からなるシリコンゴムと一 緒に、固定子１内を延びる開口部２８に埋設される。充填材は開口部２８に押し 込まれ、その後、チューブ２５が装着される。充填材は、また硬化する前に、過 度の圧力で固定子の一方の側から、開口部２８に押し込まれるようになっている 。 すべての冷却チューブ２５は、図６に示すように、閉冷却回路２９に接続して いる。図示の実施形態の場合には、前記閉冷却回路は、水、水素ガスまたは前記 回路用の他の冷却剤である場合もある冷却剤３１を含むタンク３０を備える。前 記タンク３０は、冷却剤レベルを制御し、監視するためのレベル標識を持つ。前 記タンク３０は、また入口・ループ３２および出口ループ３３からなる二つの環 状導管に接続している。入口ループ３２および出口ループ３３の間には多数の平 行回路が接続しているが、その数は、図６に一つの平行回路３４を示す複数の冷 却チューブを持つ固定子の歯、または歯の側面の数にほぼ対応する。冷却剤３１ は、出口ループ３３への各平行回路３４を通して同時に、入口ループ３２から、 例えば、プレート熱交換器のような熱交換器３７を通って、循環ポンプ３５およ び循環フィルタ３６に循環し、その後入口ループ３２に戻る。水タンクからの水 は、熱交換器ポンプ３８の、図示していない、交換器フィルタを通して、熱交換 器３７の端部を通って供給される。前記水は、前記熱交換器を通してポンプで循 環され、水タンクに戻る。 図７は、８の形成された二重孔部３９に設置された冷却チューブ２５の他の設 計を示す。この配置により、図８に示すように、固定子の歯の最も大きい歯２４ の前記孔部で、二本の冷却チューブ２５を結合することができる。さらに、前記 二重孔部は、同様に、図８に示すように、半径方向に整合している。 本発明に従って冷却される固定子を製造する場合には、複数の冷却チューブ２ ５の間の可能な距離を考慮に入れて、第一の冷却回路２９の大きさを決める。前 記冷却チューブの間の距離は、これらチューブを最大の歯２４のところで、固定 子の歯４の最も広い部分の中央部に置くことができるように、選択する必要があ る。固定子の歯での磁気飽和を避けるためには、このことは磁気についての観点 から見て重要なことである。高圧ケーブルの温度分布を均一にするように、半径 方向および軸方向にの間隔と共に、確実にチューブの数を正確にするために、熱 計算が行われる。固定子を積層させるために、打ち抜きテンプレートに、開口部 が設けられるので、追加の動作は必要なくなる。好適には、スレンレス鋼で作る ことが好ましい、冷却チューブ２５は、積層が完了した後であって、固定子に巻 線が巻かれる前に挿入される。冷却チューブは、最初絶縁され、接着剤を圧入し 、下からチューブを挿入することにより、開口部に接着される。冷却チューブは 、溶接で接合することができる。しかし、各平行回路３４には、電気的に絶縁す る ためのチューブ部材を設置しなければならない。このことは、発電機上でリング 回路３２、３３を接続するために、ポリマ材製のチューブを選択することにより 達成することができる。 前記冷却チューブは埋設しなければならない。何故なら、そうしないと、チュ ーブと固定子との間の熱的抵抗が余りに大きくなってしまうからである。チュー ブと固定子コアとの間の熱伝導を増大させるために、前記空間は架橋させること ができる鋳造コンパウンドで満たされる。前記コンパウンドは粘性の低いポリマ からなっているので、前記空間内に注入される前に、大量の熱伝導性の充填材に よる充填に耐えることができる。前記空間内では、前記コンパウンドは化学反応 により、非流体コンパウンドに変換される。適当なコンパウンドの例としては、 アクリル、エポキシ、不飽和ポリエステル、ポリウレタンおよびシリコンがある が、後者が好ましい。何故なら、毒性を持たないからである。熱伝導充填剤は、 またアルミニウムの酸化物、マグネシウム、鉄または亜鉛、ホウ素またはアルミ ニウムの窒化物、炭化シリコンを含むこともできる。 埋設コンパウンドとしては、シリコン・ゴム、すなわち、例えば、アルミニウ ム酸化物とシリコンの混合物、すなわち、白金触媒の存在下で水素ポリジメチル ・シロキサンと反応するビニール基を含む、ポリジメチル・シロキサンを使用す ることができる。前記埋設コンパウンドは、過大な圧力により、ＸＬＰＥチュー ブと固定子との間の開口部２８に圧入される。その後、ビニール基に加えられる 水素原子により硬化が起こる。 磁束は冷却チューブとアースとの間を流れ、冷却チューブが金属積層材から絶 縁されていない場合には、循環電流が発生する。冷却チューブの絶縁材は薄くし なければならないが、同時に絶緑材に損傷を与えないで開口部に挿入することが できるように、摩耗に対して抵抗力を持つものでなければならない。冷却チュー ブは、ニスの層でコーティングすることもできるし、または絶縁ファイバで巻く こともできる。 一本の冷却チューブ２５が、他のチューブと接合しないで、二つ以上の開口部 ２８を貫通する。冷却チューブのジョイントの数を少なくするために、Ｕ字形の チューブを使用することができる。溶接が、好適な接合方法であるが、Ｏリング ・カップリング、接着、半田付け等の他の方法も使用することができる。 本発明は、例示としての実施形態に限定されない。本発明の範囲から逸脱する ことなしに、いくつかの修正を行うことができる。それ故、各スロット部分のチ ューブを直列に接続する必要はなく、場合によっては、並列に接続することもで きる。同様に、いくつかのスロット部分を直列に配置することもできる。接続は 、例えば、半田付け、溶接、ネジ付きジョイント素子、チューブ・クランプ等の ような、いくつかの異なる方法で行うことができる。冷却回路は、図６に示すよ うに接続する必要はない。開放状態で接続することもできる。その場合、熱交換 器を除去することができる。例えば、その粘度により、接着剤を圧力を加えて、 他の手段により導入することができる。最後に、チューブの絶縁上の必要に応じ て、冷却チューブを他の材料で作ることができる。ポリマ材でも作ることができ る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ９７００３５０−３ (32)優先日 平成９年２月３日(1997．2．3) (33)優先権主張国 スウェーデン（ＳＥ） (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ， ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，Ｅ Ｅ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ， ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｋ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ (72)発明者 カルステンセン，ペーター スウェーデン．エス―141 42 フディン ゲ，スヨヴェゲン 62 (72)発明者 カルディン，ハンス―オロフ スウェーデン．エス―723 46 ヴェステ ロス，グレナドイェルガタン ９

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一つの固定子と少なくとも一つの巻線を備える回転電気機械であって、機 械が少なくとも二つの半導体層を含む絶縁システムを含む巻線を備え、前記 各層が本質的に等電位の表面からなり、またその間に配置された固体絶縁材 を含むことと、歯のセクター（１８）の少なくとも一つの固定子の歯（４） が、ほぼ軸方向に延び、その内部で冷却剤（３１）が循環するようになって いる冷却回路（２９）に接続していることとを特徴とする、回転電気機械。 ２．請求項１記載の機械において、前記複数の層の中の少なくとも一つが、固 定絶縁材とほぼ等しい温度膨張係数を持つことを特徴とする機械。 ３．請求項１または請求項２記載の回転電気機械において、冷却ダクトが、固 定子の歯（４）内に配置されていることを特徴とする機械。 ４．請求項３記載の機械において、前記冷却ダクトが、冷却チューブ（２５） からなることを特徴とする機械。 ５．請求項４記載の機械において、各固定子の歯（４）が、その内部で冷却剤 （３１）が循環するようになっている冷却回路（２９）に接続している、少 なくとも一本の軸方向に延びる冷却チューブ（２５）を持つことを特徴とす る機械。 ６．請求項４−請求項５の何れか１項記載の機械において、各歯のセクター （１８）が、少なくとも四本の軸方向に延びる冷却チューブ（２５）を持ち 、その中の少なくとも三本の冷却チューブ（２５）が固定子の歯（４）内を 延びるように配置され、残りの冷却チューブ（２５）が外側のヨーク部分（ ２２）を延びるように配置されていることを特徴とする機械。 ７．請求項６記載の機械において、固定子の歯（４）内に配置されている冷却 チューブ（２５）が、固定子の歯（４）の最大の歯（２４）の中央に配置さ れていることを特徴とする機械。 ８．請求項４−請求項７の何れか１項記載の機械において、すべての冷却チュ ーブ（２５）が、絶縁層（２８）により固定子（１）から絶縁されているこ とを特徴とする機械。 ９．請求項８記載の機械において、すべての冷却チューブ（２５）が、熱伝導 接着剤により、固定子（１）に接着されていることを特徴とする機械。 １０．請求項８−請求項９の何れか１項記載の機械において、一つで同じ歯のセ クター（１８）に関連する冷却チューブ（３４）が、それぞれ一列に半径方 向を向いていることを特徴とする機械。 １１．請求項１−請求項１０の何れか１項記載の機械において、冷却回路（２９ ）が、絶縁セクションを持つことを特徴とする機械。 １２．高圧固定子巻線を持つ回転電気機械の冷却方法であって、固定子が、固定 子の歯（４）を通って軸方向に延びる冷却ダクトを通って、冷却回路（２９ ）内を循環する冷却剤（３１）により冷却されることを特徴とする方法。 １３．請求項１２記載の方法において、冷却剤３１が、水タンクからの水により 前記回路（２９）を冷却する、熱交換器（３７）を貫通する閉回路内を循環 することを特徴とする方法。 １４．固定子、ロータおよび少なくとも一つの電流を運ぶ導体を備える高圧回転 電気機械であって、前記巻線が、少なくとも一つの電流を運ぶ導体と、前記 導体の周囲に設けられた半導体特性を持つ第一の層と、前記第一の層の周囲 に設けられた固体の絶縁層と、前記絶縁層の周囲に設けられた半導体特性を 持つ第二の層とを備えることと、歯セクター（１８）の少なくとも一つの固 定子の歯（４）が、ほぼ軸方向に延びる少なくとも一つの冷却ダクトを持ち 、その内部で冷却剤（３１）が循環するようになっている冷却回路（２９） に接続していることとを特徴とする、高圧回転電気機械。 １５．請求項１４記載の回転機械において、前記第一の層の電位が、導体の電位 とほぼ等しいことを特徴とする回転機械。 １６．請求項１４または請求項１５記載の回転機械において、前記第二の層が、 前記導体を取り巻くほぼ等電位の面を形成することを特徴とする回転機械。 １７．請求項１６記載の回転機械において、前記第二の層が、予め定めた電位に 接続していることを特徴とする回転機械。 １８．請求項１７記載の回転機械において、前記の予め定めた電位が、アース電 位であることを特徴とする回転機械。 １９．請求項１４、請求項１５、請求項１６、請求項１７または請求項１８記載 の回転機械において、少なくとも二つの隣接する層が、ほぼ等しい熱膨張係 数を持つことを特徴とする回転機械。 ２０．請求項１４−請求項１９の何れか１項記載の回転機械において、前記電流 を運ぶ導体が、多数のストランドを備え、前記ストランドの中の少数だけが 相互に絶縁されていないことを特徴とする回転機械。 ２１．請求項１４−請求項２０の何れか１項記載の回転機械において、前記三つ の層それぞれが、ほぼ全接続面に沿って隣接する層に固定され、接続してい る回転機械。 ２２．磁気コアおよび巻線を備える高圧用磁気回路を持つ回転電気機械であって 、前記巻線が、一つまたはそれ以上の電流を運ぶ導体を備えるケーブルから 形成されていて、各導体が多数のストランドを持ち、内部半導体層が各導体 の周囲に設けられていて、前記絶縁材の絶縁層が前記内部半導体層の周囲に 設けられていて、外側の半導体層が前記絶縁層の周囲に設けられていること と、歯セクター（１８）の少なくとも一つの固定子の歯（４）が、ほぼ軸方 向に延び、その内部で冷却剤（３１）が循環するようになっている冷却回路 （２９）に接続している、少なくとも一つの冷却ダクトを持つことを特徴と する、回転電気機械。 ２３．請求項２２記載の回転機械において、前記ケーブルも、金属シールドおよ び外装を備えることを特徴とする回転機械。 ２４．固定子、ロータおよび巻線を備え、前記ロータが中央に突出している固定 子の歯（４）に向かって、軸方向に延びる外側のヨーク部分（２２）を含み 、前記固定子の歯（４）の間には前記巻線が設置される溝が形成される高圧 回転電気機械であって、固定子の歯が、各凹部が、その間のスロット内に設 置された、複数の巻線の形を示すように形成された多数の凹部を持つことと 、軸方向に延びる冷却チューブ（２５）が、固定子の歯内に装着され、前記 冷却チューブが、その内部において、ガス相または液相の冷却媒体が、循環 するようになっている冷却回路（２９）に接続していることと、冷却チュー ブが、前記凹部の間の固定子の歯内に軸方向に位置することとを特徴とする 、高圧回転電気機械。 ２５．請求項２４記載の回転機械において、前記巻線が、少なくとも一つの電流 を運ぶ導体と、前記導体の周囲に設けられた半導体特性を持つ第一の層と、 前記第一の層の周囲に設けられた固体の絶縁層と、前記絶縁層の周囲に設け られた半導体特性を持つ第二の層とを備えることを特徴とする回転機械。 ２６．請求項２４−請求項２５の何れか１項記載の回転機械において、前記冷却 チューブ（２５）が、前記固定子から電気的に絶縁されていることを特徴と する回転機械。 ２７．請求項２６記載の回転機械において、前記冷却チューブ（２５）が、誘電 材料のチューブを備えることを特徴とする回転機械。 ２８．請求項２６記載の回転機械において、冷却チューブ（２５）が、絶縁層 （２８）により固定子から電気的に絶緑されていることを特徴とする回転機 械。 ２９．請求項２７記載の回転機械において、前記冷却チューブ（２５）が、断面 が円形でないチューブを備えることを特徴とする回転機械。 ３０．請求項２９記載の回転機械において、前記冷却チューブ（２５）が、断面 が楕円形のＸＬＰＥのチューブを備えることを特徴とする回転機械。 ３１．請求項２４−請求項３０の何れか１項記載の回転機械において、前記冷却 チューブ（２５）が、熱伝導接着剤により前記固定子に接続していることを 特徴とする回転機械。 ３２．請求項２４−請求項３０の何れか１項記載の回転機械において、半径方向 の断面の形を持つ少なくとも３本の冷却チューブ（２５）が、固定子の歯内 に配置されていることと、残りの冷却チューブ（２５）が、前記固定子のヨ ーク部分に配置されていることとを特徴とする回転機械。 ３３．固定子と、ロータと、少なくとも一つの巻線とを備える回転電気機械であ って、前記固定子（１）が、誘電材料でできていて、前記固定子を通って軸 方向に延びる開口部（２８）に挿入されている、少なくとも一本の冷却チュ ーブ（２５）を持ち、前記冷却チューブが、その内部で冷却材料（３１）が 循環するようになっている、冷却回路（２９）に連絡していることを特徴と する、回転電気機械。 ３４．請求項３３記載の機械において、前記冷却チューブ（２５）が、ポリマ材 からできていることを特徴とする機械。 ３５．請求項３３記載の機械において、前記冷却チューブ（２５）が、密度の高 いポリエチレン（ＨＤＰＥ）からできていることを特徴とする機械。 ３６．請求項３３記載の機械において、前記冷却チューブ（２５）が、架橋ポリ エチレン（ＸＬＰＥ）でできていることを特徴とする機械。 ３７．請求項３３−請求項３６の何れか１項記載の機械において、前記冷却チュ ーブ（２５）が、架橋可能な鋳造コンパウンドと一緒に、前記固定子（１） の開口部（２８）に埋設されることを特徴とする機械。 ３８．請求項３７記載の機械において、前記冷却チューブ（２５）が、二つの成 分からなるシリコンゴムを含む充填剤と一緒に、前記開口部（２８）に埋設 されることを特徴とする機械。 ３９．請求項３７記載の機械において、前記充填剤が、アルミニウム酸化物、窒 化ホウ素または炭化シリコンからなることを特徴とする機械。 ４０．請求項３３−請求項３９の何れか１項記載の機械において、前記冷却チュ ーブ（２５）が、少なくとも一つの固定子の歯（４）に配置されていること を特徴とする機械。 ４１．請求項４０記載の機械において、各固定子の歯（４）が、その内部で冷却 材料（３１）が循環するようになっている、冷却回路（２９）に連絡してい る少なくとも一本の軸方向に延びる冷却チューブ（２５）を持つことを特徴 とする機械。 ４２．請求項３３−請求項４１記載機械において、各歯のセクター（１８）が、 少なくとも４本の軸方向に延びる冷却チューブ（２５）を持ち、その中の少 なくとも３本の冷却チューブ（２５）が、前記固定子の歯（４）内を延びる ように配置され、残りの冷却チューブ（２５）が外側のヨーク部分（２２） 内を延びるように配置されていることを特徴とする機械。 ４３．請求項４０−請求項４２の何れか１項記載の機械において、前記固定子の 歯（４）内に配置されている冷却チューブ（２５）が、前記固定子の歯（４ ）の最大の歯（２４）の中央に配置されることを特徴とする機械。 ４４．請求項４０−請求項４３の何れか１項記載の機械において、一つで同じ歯 のセクター（１８）に関連するすべての冷却チューブ（２５）が、相互に軸 方向に整合するように配置されていることを特徴とする機械。 ４５．請求項４３または請求項４４記載の機械において、少なくとも一つの最大 の歯が、二つの冷却チューブ（２５）を持つことを特徴とする機械。 ４６．請求項３３−請求項４５の何れか１項記載の機械において、前記冷却チュ ーブ（２５）が、楕円形の断面を持つことを特徴とする機械。 ４７．請求項３３−請求項４６の何れか１項記載の機械において、前記高圧ケー ブル（１１）が、２０〜２００ミリの範囲の直径と、３０〜３，０００平方 ミリの伝導面積を持つことを特徴とする機械。 ４８．前記請求項の何れか１項記載の機械において、前記充填剤が、冷却チュー ブ（２５）が装着された後で、前記開口部（２８）に圧入されることを特徴 とする機械。 ４９．前記請求項の何れか１項記載の機械において、前記充填剤が、硬化する前 に過大な圧力で、前記固定子の一方の側面から、開口部（２８）に圧入され るようになっていることを特徴とする機械。 ５０．請求項３３記載の機械において、前記冷却チューブ（２５）が、ポリエチ レン（ＰＥ）で作られていることを特徴とする機械。 ５１．前記請求項の何れか１項記載の機械において、一本のチューブ（２５）が 、他のチューブと接合しないで、二つ以上の開口部（２８）を貫通するよう に配置されていることを特徴とする機械。 ５２．請求項４５−請求項５１の何れか１項記載の機械において、前記開口部 （２８）が８の形の二重孔部（３９）として形成されていることを特徴とす る機械。