JP2000516077A - 高圧巻線と巻線を支持する成形合成支持物を含む回転電気機械および該機械を製造する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、巻線が固定子（１）のスロット（５）を通じて引っ張られる固定子を有する回転電気機械に関する。本発明によれば、巻線は高圧ケーブル（６）からなり、ケーブル・リードスルーが各スロット（５）内で成形合成物によって取り巻かれる。本発明はまた、こうした機械を製造する方法に関するが、固定子がまず高圧ケーブルによって巻かれ、その後流動または半流動状態の成形合成物がスロットに導入される。

Description

【発明の詳細な説明】 高圧巻線と巻線を支持する成形合成支持物を含む 回転電気機械および該機械を製造する方法 本発明は、第１の態様において、請求項１の前文で説明された種類の回転電気 機械、例えば、同期機、正常同期機と共に、二重送り機、非同期静的電流変換器 カスケードでの応用、外側回転機および同期流れ機に関する。 本発明の第２の態様は請求項１０の前文で説明された種類の方法に関する。 本出願では、「半径方向」、「軸方向」および「周辺の」という用語は、特に 指示のない限り機械の固定子に関して定義される。「ケーブル・リードスルー」 という用語は、本出願において、スロットを通じて延びるケーブルの個々の長さ の各々のことである。 前記機械は主として、発電所において電力を発生する発電機として使用される 。前記機械は高電圧での使用を目的とする。高電圧とはここでは１０ｋＶを超え る平均電圧であると理解される。本発明による機械の通常の動作範囲は３６〜８ ００ｋＶである。 このような機械は従来６〜３０ｋＶの範囲の電圧用に設計されてきており、普 通３０ｋＶが上限と考えられてきた。これは通常、電圧を電力回路網のレベル、 すなわち約１００〜４００ｋＶの範囲に昇圧する変圧器を介して発電機を電力回 路網に接続することを意味する。 以下のケーブルで、電力伝送用ケーブル（例えば、ＸＬＰＥケーブル）で使用 されるものと同様の固体絶縁材で絶縁された高圧導体を固定子巻線に使用するこ とによって、機械の電圧は、機械を中間変圧器なしに電力回路網に直接接続でき るレベルまで高められる。ＸＬＰＥとは、架橋ポリエチレンのことである。 この概念は一般に、ケーブルが固定子に配置されるスロットは従来の技術の場 合より深い（電圧が高く巻線数が多いため絶縁材が厚い）必要があるということ を意味する。これによって、コイル端部、歯および巻線の領域の冷却、振動およ び固有振動数に関する新しい問題が発生する。 ケーブルをスロットに固定することも、ケーブルの外側の層を損傷せずにケー ブルをスロットに挿入するという問題を生じる。ケーブルは１００Ｈｚの周波数 を有する電流の影響下にあるが、これは振動する傾向を生じ、外形に関する製造 公差の他に、その寸法は温度の変化（すなわち、負荷の変化）によっても変化す る。 電流を伝送、再伝送および分配のため高圧回路網に供給する場合、支配的な技 術は導入部で言及したように発電機と電力回路網の間に変圧器を挿入することで あるが、すでに電圧を直接回路網のレベルで発生することによって変圧器を除去 すべく努力することが知られている。こうした発電機は米国特許第４，４２９， ２４４号、米国特許第４，１６４，６７２号および米国特許第３，７４３，８６ ７号で説明されている。 １０〜２０ｋＶまでの電圧範囲で良好な結果を生じる回転機械用のコイルを製 造することが可能であると考えられている。 例えば、“Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｗｏｒｌｄ”、１９３２年１０月１５日、 ５２４〜５２５ページから明らかなように、これより高い電圧用の発電機を開発 する努力がある時期に進行中であった。これは、Ｐａｒｓｏｎによって１９２９ 年に設計された発電機が３３ｋＶ用に構成された方法を説明する。ベルギーのＬ ａｎｇｅｒｂｒｕｇｇｅにある発電機も、３６ｋＶの電圧を生じたと説明されて いる。この論文はさらに電圧レベルを増大する可能性も考慮しているが、これら の発電機の基礎となった概念の発展は途絶えてしまった。これは主として絶縁シ ステムの欠陥によるが、そこではワニスを含浸した雲母箔と紙の多数の独立した 層が使用されていた。 同期発電機の設計における水平思考のいくつかの試みが、Ｊ．Ｅｌｅｋｔｒｏ ｔｅｃｈｎｉｋａ、第１号、１９７０年の第６頁−第８頁、「水および油冷却式 ターボ発電機ＴＶＭ−３００」（“Ｗａｔｅｒ−ａｎｄ−ｏｉｌ−ｃｏｌｌｅｄ Ｔｕｒｂｏｇｅｎｅｒａｔｏｒ ＴＶＭ−３００”ｉｎ Ｊ．Ｅｌｅｋｔｒｏ ｔｅｃｈｎｉｋａ，Ｎｏ．１ １９７０，ｐａｇｅ ６−８）と題された論文で ある米国特許第４，４２９，２４４号「発電機の固定子」（ＵＳ４，４２９，２ ４４“Ｓｔａｔｏｒ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ”）および、ロシアの特許明 細書であるソ連邦特許第９５５３６９号で説明されている。 Ｊ．Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｋａで説明された水および油冷却式同期機は ２０ｋＶまでの電圧を使用する。この論文は固定子が油に完全に浸るようにする 油／紙の絶縁材からなる新しい絶縁システムを説明している。油は絶縁材を構成 すると同時に冷却剤としても使用される。誘電体油分離リングがコアの内面に提 供され、固定子中の油が回転子の方向に漏出するのを防止する。固定子巻線は、 油と紙の絶縁材を備えた楕円形で中空の形状を有する導体から製造される。絶縁 材を有するコイルの側面は、ウェッジによって矩形断面を有するスロットに保持 される。油は、中空導体と固定子壁の空隙の両方で冷却剤として使用される。し かし、この冷却システムはコイル端部で油と電気の両方について多数の連結部を 必要とする。また、厚い絶縁材は導体の湾曲部の半径の増大に帰結し、それがコ イル・オーバハングの寸法を増大させる。 上記米国特許は、固定子巻線用の台形スロットを有する積層板の磁気コアを含 む同期機の固定子部品に関する。固定子巻線の絶縁の必要は、巻線の中性点に最 も近い部分が位置する回転子の方向に進むに連れて小さくなるので、スロットに は段が付いている。固定子部分には、コアの内面に最も近い位置にある誘電体油 分離シリンダも含まれる。この部分は、このリングのない機械と比較して励起の 必要を増大することがある。固定子巻線は、コイルの各層と同じ直径を有する油 を含浸したケーブルから製造される。各層は、スロットの中でウェッジによって 固定されたスペーサによって互いに分離されている。巻線は、直列に連結された 「半巻線」からなるという特徴を有している。２つの半巻線の１つが絶縁シース の内部の中心に位置している。固定子巻線の導体は周囲の油によって冷却される 。非常に多量の油を使用することの欠点は、漏れの危険と、不良条件の結果生じ る大規模な清掃処理である。スロットの外側に位置する絶縁シースの部分は円筒 形部分と円錐形遮蔽部分を有するが、その役目は電界強度をケーブルがプレート を離れる場所に向けることである。 ソ連邦特許第９５５３６９号から、同期機の定格電圧を増大する別の試みでは 、油冷却式固定子巻線が、すべての層について同じ寸法の中高電圧用絶縁材を有 する導体からなることが明らかである。導体は、導体の断面積と固定および冷却 の ために必要な空間に対応する円形の放射状に配置された開口の形状の固定子スロ ットに配置される。様々な放射状に配置された巻線の層が、絶縁チューブに取り 囲まれその中に固定される。絶縁スペーサ要素がチューブをスロットの中に固定 する。油冷却を考慮して、ここでも油冷却剤を内部エアギャップから密閉する内 部誘電体リングが必要である。例示としての構成では、絶縁材、固定子スロット のどちらにも段付けは示されていない。この構成は、別個の固定子スロットの間 の非常に狭い放射状のくびれを示し、機械の励起の必要に大きく影響する大きな スロットの漏れの流れを必然的に伴っている。 １９８４年４月の電力研究学会ＥＰＲＩの報告ＥＬ−３３９１（Ｅｌｅｃｔｒ ｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＥＰＲＩ，ＥＬ− ３３９１，ｆｒｏｍ Ａｐｒｉｌ １９８４）では、発電機を中間変圧器なしで 電力回路網に接続する目的で発電機においてより高い電圧を達成する発電機概念 が説明されている。この報告の考えるところでは、この解決法は有効で経済的に 有利なため有益である。電力回路網に直接接続する発電機の開発を開始するのが １９８４年に可能と考えられた主要な理由は、この時までに超伝導回転子が開発 されたことである。超伝導電界の大きな励起能力によって電気的ストレスに耐え る十分な厚さを有するエアギャップ巻線の使用が可能になる。 励起回路の構造、つまり本プロジェクトの最も有望な概念を、巻線、いわゆる 「モノリス・シリンダ・アーマチュア」、導体の２つのシリンダが絶縁材の３つ のシリンダの中に密閉され、構造全体が歯なしで鉄製コアに取り付けられる概念 と結合することによって、高圧用回転電気機械が電力回路網と直接接続できると 考えられる。この解決法によって、主絶縁材を回路網−回路網間および、回路網 −接地間の電位に耐えるよう充分に厚くすることが必要になる。超伝導回転子を 必要とすることの他に、提案された解決法の明らかな欠点は、非常に厚い絶縁材 を必要とするため機械の寸法を増大することである。コイル端部は、大きな電界 を端部に導くために、油またはフレオンで絶縁および冷却しなければならない。 機械全体は、液体誘電媒体が大気から水分を吸収するのを防止するため密閉すべ きである。 本発明は、ケーブルを固定子スロットに挿入する際のケーブル表面の損傷を回 避し、運転中の振動によって発生する表面に対する摩耗を回避することに関連す る上記の問題に関する。ケーブルを挿入するスロットは比較的不均一または粗く なっているが、これは、完全に均一な表面を得るよう十分正確に積層板の位置を 管理するのが実際上きわめて困難なためである。粗い表面は鋭いエッジを有し、 それがケーブルを取り巻く半導体層の一部を削り落とすことがある。これが動作 電圧でのコロナ放電や破損につながる。 ケーブルがスロットに配置され十分に締め付けられる場合、運転中に損傷する 危険はない。十分に締め付けることは、作用する力（主として二重電源周波数に よる半径方向に作用する電流の力）が、半導体表面に摩耗を生じる振動を発生し ないということを意味する。外部半導体は運転中の機械的損傷に対して保護され なければならない。 運転中、ケーブルはＸＬＰＥ材料が膨張する熱的負荷の影響も受ける。例えば 、１４５ｋＶ ＸＬＰＥケーブルの直径は温度が２０°から７０°に上昇すると 約１．５ｍｍ増大する。ケーブルは熱膨張によって必要とされる空間を与えられ なければならない。 この背景に対し、本発明の目的は、考慮中の種類の機械の達成に関連する問題 を解決し、ケーブルが振動の結果による巻線中の機械的損傷の影響を受けず、ケ ーブルの熱膨張が許容されるようにすることである。これを達成することによっ て、機械的に保護された外部層を有さないケーブルの使用が可能になる。この場 合ケーブルの外部層は機械的損傷を受けやすい薄い半導体材料からなる。 本発明の第１の態様によれば、これは請求項１の前文で説明された種類の機械 と、この請求項の特徴を示す部分で定義された特徴を与えることによって解決さ れる。 形成合成物のため、高圧ケーブルは長さに沿って締め付けられ、振動の問題を 低減する。従って信号がある重要な周波数範囲で固有振動を発生しないことが確 保される。特に１００Ｈｚの固有振動が避けられる。 特別に設計された固定絶縁のため、機械は非常に高い電圧に対して使用するこ とができる。 本発明の好適実施形態によれば、少なくとも１つの半導体層が、中間固体絶縁 材と同等の熱膨張係数を有する。ケーブルの熱による運動の際欠陥、裂け目等が 避けられる。 本発明は主として、複数のより線部分を有する内部コア、内部半導体層、これ を取り巻く絶縁層および、後者を取り巻く外部半導体層から構成されたケーブル との使用を目的とし、その利点は上記のケーブルと関連して特に明らかになるが 、ケーブルは特に２０〜２００ｍｍの直径と４０〜３０００ｍｍ²の導体面積を 有する。 本適用業務はこうしたケーブルと共に本発明の好適実施形態を構成する。 本発明の好適実施形態では、成形合成物は弾性である。それによって合成物の 可塑的変形なしに、運転中のケーブルの熱膨張のための空間ができる。 製造上の見地から好都合な、効率的な実施形態では、弾性は気泡を含む合成物 によって達成される。 好適実施形態では、合成物は、弾性と気孔を生じることができるという目的に 適した特性を有するシリコンまたはポリウレタン合成物からなる。 スロットは、成形合成物が凝固する前に漏出することを防止するため固定子の 一方または両方の端部表面に密閉部材を備えるべきである。 本発明による機械の上記および他の有利な実施形態は請求項１の従属請求項で 定義される。 本発明の第２の態様では、請求項１０の前文で説明された種類の方法と、この 請求項の特徴を示す部分で定義された特徴を与えることによって目的が達成され る。上記方法は、スロット内のケーブルの周囲の望ましい成形合成物の達成を可 能にするので好都合である。 本発明の好適実施形態によれば、しばらくの後、好適には気孔を生じた後に凝 固する特性を有する成形合成物が導入される。従って、望ましい弾性が成形合成 物において容易に達成される。 好適実施形態では、スロットも固定子の端部表面に配置された密閉部材を備え ている。従って、合成物が挿入の際軸方向に漏出する危険が回避される。 他の好適実施形態では、合成物は、スロットに通じる放射状ダクトに通じる内 向きシース表面に向かう放射状注入開口を通じて各スロットに注入される。 本発明による方法の上記および他の有利な実施形態は、請求項１０の従属請求 項で定義される。 本発明は、以下の添付の図面を参照しながら、好適実施形態の以下の説明でよ り詳細に説明される。 図１は、本発明による機械の固定子のセクターの端面図の概略図である。 図２は、本発明による機械で使用されるケーブルの断面図である。 図３は、本発明による機械の固定子の細部を通じて見た半径方向断面図である 。 図４は、図３の線ＩＶ−ＩＶから見た部分断面図である。 図１で概略的に示された機械の固定子１のセクターの軸方向図では、その回転 子が２として示される。固定子は薄鋼板の積層コアから従来の方法で構成される 。図は、１つの極区分に対応する機械のセクターを示す。半径に沿って最も外部 に位置するコアのヨーク部分３から、多数の歯４が回転子２の方向に半径に沿っ て延び、固定子巻線が配置されるスロット５によって分離される。巻線のケーブ ル６は、電力配電回路網で使用される高圧ケーブルとほぼ同じ種類の、いわゆる ＸＬＰＥケーブルである。１つの相違点は、普通こうしたケーブルを取り巻いて いる外部の機械的保護シースと金属遮蔽体が除去されていることである。すなわ ち、ケーブルは導体、内部半導体層、絶縁層および外部半導体層のみを含む。従 って、機械的損傷の影響を受けやすい半導体層はケーブルの表面に露出している 。 図面では、ケーブル６は、ケーブル・リードスルーまたは充填されたコイル側 面の導電性中央部分だけが概略的に示されている。見られるように、各スロット ５は、幅広い部分７と狭い部分８を交互に有する変化する断面を有している。幅 広い部分７はほぼ円形でケーブル・リードスルーを取り巻き、その間のくびれ部 分が狭い部分８を形成する。くびれ部分は各ケーブル・リードスルーを半径に沿 って位置決めする働きをする。スロットの断面は全体として半径に沿って内側方 向にわずかに狭くなっている。これは、固定子の半径方向内側部分に近い位置に なるほどケーブル・リードスルーの電圧が低いからである。従って、内側では細 いケーブル・リードスルーが使用できるが、外側に向かうに連れて次第にピッチ の粗いケーブル・リードスルーが必要になる。この例では、３つの異なった寸法 のケーブルが使用され、スロット５の３つの異なった寸法の部分９、１０、１１ に配置される。 図２は、本発明による高圧ケーブル６の断面図を示す。高圧ケーブル６は、例 えば、銅（Ｃｕ）製の多数のより線部分３１を含み、円形の断面を有する。この より線部分３１は高圧ケーブル６の中央に配置される。より線部分３１の周囲は 第１半導体層３２である。第１半導体層３２の周囲は絶縁層３３、例えば、ＸＬ ＰＥ絶縁材である。絶縁層３３の周囲は第２半導体層３４である。前記適用業務 における「高圧ケーブル」の概念は、普通電力配電回路網用の同種のケーブルを 取り巻いている金属遮蔽体と外部保護シースを含む必要はない。 図３は、スロットの半径方向内部部分を通じて見た半径方向断面図であるが、 この断面図は固定子の１つの端部板１５を通じて得られる。チャネル１２が端部 板のスロット５の１つの壁に沿って通じる。これはスロットの半径方向全長に沿 って延び、スロットの方向に開いているので、ケーブル・リードスルーの間に形 成されたすべての中間空間に通じる。スロット５とチャネル１２は発泡シリコン またはポリウレタンの合成物が充填されるが、そこでは気孔が合成物の容量の約 ５０〜６０％を占める。従ってケーブル６はスロット５の中で堅固に固定され、 その熱膨張は、気孔のため弾性である合成物によって吸収される。 図４は、端部板１５と積層材１６の隣接する部分を通じて見た、図３の線ＩＶ −ＩＶに沿った断面図である。 図４に見られるように、スロット５は、ケーブル６が固定子を離れるときその 周囲を密閉する密閉部材１４を備えている。半径方向ボア１３が端部板１５に形 成されるが、このボアはチャネル１２に通じ、固定子の内側方向シース表面１７ に開く。 成形合成物が流動または半流動状態で半径方向ボア１３を通じて注入され、こ れを経由して半径方向ダクト１２に出る。 半径方向ダクト１２は成形合成物をスロット内のすべてのケーブル・リードス ルーに分配し、成形合成物はダクト１２から矢印Ａの方向にケーブルに沿って軸 方向に流れ、スロットの軸方向全長を満たす。成形合成物の流出は密閉部材１４ によって防止されるが、密閉部材は固定子のもう一端の端部板にも同様に配置さ れる。スロットが成形合成物で充填されると合成物は凝固するが、その際気泡が 形成され、合成物に望ましい弾性を与える。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 ゴラン，ベングト スウェーデン．エス―723 55 ヴェステ ロス，ヴァレス ヴェグ 13 (72)発明者 イムレル，アンヌ―マリー スウェーデン．エス―724 62 ヴェステ ロス，ヴェッタースルンズガタン 206 (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 ラルソン，ベルティル スウェーデン．エス―724 76 ヴェステ ロス，サムメトスヴァゲン 12

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．固定子（１）のスロット（５）を通じて引っ張られた巻線（６）を有する 前記固定子を含む回転電気機械であって、少なくとも１つの巻線（６）が少 なくとも２つの半導体層（３２、３４）を含む絶縁システムを含み、各層が 本質的に等電位の表面を構成し、これらの層（３２、３４）の間の固体絶縁 材（３３）をも含むことと、前記スロットが少なくとも部分的に成形合成物 によって充填されることとを特徴とする回転電気機械。 ２．請求項１に記載の機械において、前記層（３２、３４）の少なくとも１つ が前記固体絶縁材（３３）とほぼ同じ熱膨張係数を有する機械。 ３．請求項１または請求項２に記載の回転電気機械において、前記ケーブル（ ６）が複数のより線部分（３１）を有するコアを含む種類のものであり、半 導体層（３２）が前記コアを取り巻き、絶縁体層（３３）が前記内部半導体 層を取り巻き、外部半導体層（３４）が前記絶縁体層（３３）を取り巻く回 転電気機械。 ４．請求項１−請求項３の何れかに記載の回転電気機械において、前記ケーブ ル（６）が２０〜２００ｍｍの範囲内の直径と４０〜３０００ｍｍ²の範囲 内の導体面積を有する回転電気機械。 ５．請求項１−請求項４に記載の回転電気機械において、前記成形合成物が弾 性である回転電気機械。 ６．請求項５に記載の回転電気機械において、前記弾性を達成するため前記成 形合成物が気泡を含む回転電気機械。 ７．請求項６に記載の回転電気機械において、前記気泡が前記成形合成物の総 容量の４０〜７０％、好適には５０〜６０％を占める回転電気機械。 ８．請求項１−請求項７の何れかに記載の回転電気機械において、前記成形合 成物がシリコンまたはポリウレタン合成物からなる回転電気機械。 ９．請求項１−請求項８の何れかに記載の回転電気機械において、前記固定子 （１）の少なくとも１つの端部表面で前記スロット（５）が密閉部材（１４ ）を備える回転電気機械。 １０．請求項１に記載の種類の回転電気機械を製造する方法であって、前記固定 子が高圧ケーブルで巻かれ、その後成形合成物が流動または半流動状態で前 記スロットに挿入されることを特徴とする方法。 １１．請求項１０に記載の方法において、前記合成物が前記スロットに導入され た後凝固させられる方法。 １２．請求項１１に記載の方法において、前記合成物が、気泡が内部に形成され る間に凝固させられる方法。 １３．請求項１０−請求項１２の何れかに記載の方法において、密閉部材が前記 固定子の少なくとも１つの端部表面で前記スロットに適用される方法。 １４．請求項１３に記載の方法において、前記密閉部材が前記固定子が巻かれる 前に適用される方法。 １５．請求項１０−請求項１４の何れかに記載の方法において、前記合成物が、 各スロットの１つの壁の近くに配置され、前記スロットに通じる少なくとも １つの放射状ダクトを通じて挿入される方法。 １６．請求項１５に記載の方法において、前記放射状ダクトが前記固定子の端部 板に配置される方法。 １７．請求項１６または請求項１７に記載の方法において、前記合成物が放射状 注入開口を通じて前記固定子の内向きシース表面に挿入され、前記開口が前 記ダクトに通じる方法。