(57)【要約】【課題】　本発明は、発電機及びモータのような同期電気機械(10)のための通風システムに関する。【解決手段】　同期電磁機械(10)は、ロータ冷却システム(26)と結合されたロータ(14)と、少なくとも１つのステータ冷却通路(28)を含む、ロータの周りに配置されかつ該ロータとその内面との間にある環状の間隙によって該ロータから分離されているステータ(12)と、少なくとも１つのステータ冷却通路と流体連通し、例えばステータ搭載ファン(38)のような冷却流体駆動装置(39)を備えるステータ通風システムとを含む。【選択図】　　　図１
2004135499.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ冷却システムと結合されたロータと、
　少なくとも１つのステータ冷却通路を含む、前記ロータの周りに配置されかつ該ロータとその内面との間にある環状の間隙によって該ロータから分離されているステータと、
　前記少なくとも１つのステータ冷却通路と流体連通し、前記ステータの外周の周りに配置された冷却流体駆動装置を含むステータ通風システムと、
を含むことを特徴とする同期機械。
【請求項２】
前記冷却流体駆動装置が、少なくとも１つのステータ搭載ファンであることを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
【請求項３】
前記少なくとも１つのステータ搭載ファンが、前記ステータの環状ダクトの外周上に取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の同期機械。
【請求項４】
前記少なくとも１つのステータ搭載ファンが、ステータ巻線の末端巻線の半径方向外側に取り付けられていることを特徴とする、請求項２に記載の同期機械。
【請求項５】
前記通風システムが、熱交換器を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
【請求項６】
極低温に冷却された超伝導ロータコイル巻線を有するロータと、
　前記ロータと同軸に配置され、該ロータの周りに配置されかつ前記超伝導ロータコイル巻線と磁気的に結合されたステータコイルを有するステータと、
を含み、
　前記ステータが、環状の空気間隙によって前記ロータから分離された該ステータの内周から該ステータの外周まで延びる冷却通路を有し、
　前記ロータが、極低温冷却システムと結合されており、
　前記ステータの周りに取り付けられた少なくとも１つのファンを含み、該ステータの前記冷却通路に冷却ガスを供給するステータ通風システムが更に設けられている、
ことを特徴とする超伝導電磁機械。
【請求項７】
前記少なくとも１つのファンのファン速度を調整するファン制御装置を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の超伝導電磁機械。
【請求項８】
前記ファン制御装置がステータ温度信号を受信し、前記ファン速度が、前記ステータ温度信号に基づいて調整されることを特徴とする、請求項７に記載の超伝導電磁機械。
【請求項９】
該超伝導電磁機械が電磁発電機であることを特徴とする、請求項６に記載の超伝導電磁機械。
【請求項１０】
ロータコイル巻線を含むロータと、ステータと、ステータ通風システムとを有する電磁機械を冷却する方法であって、
　（ａ）前記ロータコイル巻線を冷却する段階と、
　（ｂ）前記ステータ通風システム内に含まれる前記ステータを通って流れる冷却ガスを使用して、前記ステータを冷却する段階と、
　（ｃ）少なくとも１つのステータ搭載ファンによって前記ステータを通る冷却ガスを引き出す段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、発電機及びモータのような同期電気機械のための通風システムに関する。具体的には、本発明は、超伝導ロータを有する発電機のための強制ガス式ステータ通風システム用のステータ搭載冷却ファンに関する。
【背景技術】
【０００２】
　発電の過程において、発電機は熱を発生するが、この熱は発電機から放散されなければならない。この熱は、発電機において主に、風損及び摩擦と、電流の流れと、磁気構造体中の時間変化する磁界とに起因して発生する。摩擦による発熱は、発電機中でロータが高速回転することにより生じる。発熱はまた、ロータ及びステータコイルが発電機の磁界内で互いに対して回転する時、これらコイルを通って電流が流れることにより生じる。磁気回路における損失は、例えば同期発電機のステータコア及びロータ極におけるような透磁性材料において、磁界が時間と共に変化することにより発生する。
【０００３】
　発電機には、従来からステータ及びロータから生じる熱を発電機から取り除いて移送するためのガス通風システムのような、冷却システムが備えられている。ガス通風冷却システムは、超伝導コイルを使用しない従来型の発電機及びモータにおいて利用されてきた。これらの発電機及びモータは、冷却を必要とするステータ及びロータを有している。従来型のガス通風システムは、ステータ及びロータに冷却ガスを供給することによって、両者の冷却を緊密に結合している。通風システムは、ロータ及びステータ内のガス通路を通して冷却ガスを強制的に送ることにより、ロータ及びステータを冷却する。従来型の通風システムは、ステータ及びロータを通る冷却ガスの順方向流と逆方向流とを用いている。
【０００４】
　順方向流式通風方式は、冷却ガスがロータを通って流れ、ステータ及びロータ間の機械の空気間隙を通過してステータに入る、直列の流れを有している。逆方向流式通風方式では、冷却ガスがステータ及びロータを通って並行に流れ、その後、２つの流れが機械の空気間隙内で混合した後に機械から再循環又は排出される。逆方向流式通風システムにおいては、ステータ及びロータの冷却ガス流が混合することにより、ステータの冷却とロータの冷却とが結合されることになる。
【０００５】
　ロータ及びステータを通る冷却ガス流が結合しているので、従来型の順方向流式及び逆方向流式通風システムは、ステータ及びロータの両方に適切な冷却をもたらすように構成されている。ロータを冷却するためには、従来型の通風システムにおいては、ステータの冷却に関してロータの冷却要求に適合するように幾つかの妥協をしなければならない場合があり、その逆もまた同様である。ロータ及びステータの両方の冷却を行わなければならない通風システムを用いて、ステータ又はロータの冷却を最適化するのは、困難である。それにもかかわらず、従来から、通風システムにより、大規模な産業用及び事業用発電機のステータ及びロータの両方の冷却を行っている。
【０００６】
　超伝導ロータ用の極低温冷却システムは、ステータを冷却しない。そのような超伝導同期機械のステータは、分離したステータ冷却システムを必要とする。ステータ及びロータ冷却システムが単一の通風システムとして結合されている従来型の機械とは対照的に、極低温ロータの冷却システムとガス冷却ステータとは、分離しかつ独立したものとすることができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
　ステータ通風システムは、超伝導同期機械用として開発されてきた。超伝導同期機械のステータは、空気又は水素などの冷却ガスが、ステータ搭載ファンによって、ステータの冷却通路から強制的に引き出され又は該冷却通路内に送り込まれる強制通風システムにより冷却される。ステータ搭載ファンは、周囲温度、機械負荷、及びその他の運転条件の範囲にわたり、ステータを均一な温度に冷却するように制御されることができる。加えて、従来型の同期機械及び通風システムは、通風システムがステータ及びロータの両方を冷却する場合であっても、ステータ搭載ファンを用いてステータの冷却を強化するように改造されることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
　第１の実施形態では、本発明は同期機械であり、該同期機械は、ロータ冷却システムと結合されたロータと、少なくとも１つのステータ冷却通路を含む、ロータの周りに配置されかつ該ロータとその内面との間にある環状の間隙によって該ロータから分離されているステータと、少なくとも１つのステータ冷却通路と流体連通し、ステータの外周に隣接して配置された冷却流体駆動装置を含むステータ通風システムとを含む。
【０００９】
　別の実施形態では、本発明は超伝導電磁機械であり、該超伝導電磁機械は、極低温に冷却された超伝導ロータコイル巻線を有するロータと、ロータと同軸に配置され、超伝導ロータコイル巻線と磁気的に結合されたステータコイルを有するステータとを含み、該ステータは、該ステータの外周から該ステータの内周まで延びる冷却通路を有し、該ロータは、極低温冷却流体用の冷却路を有しており、ステータの外周の周りに取り付けられた少なくとも１つのファンを含みかつ該ステータの外周と該ステータの通路とに冷却ガスを供給するステータ通風システムが更に設けられている。
【００１０】
　更に別の実施形態では、本発明は、ロータコイル巻線を含むロータと、ステータと、ステータ通風システムとを有する電磁機械を冷却する方法であり、該方法は、ロータコイル巻線を冷却する段階と、ステータ通風システム内に含まれるステータを通って流れる冷却ガスを使用して、該ステータを冷却する段階と、ステータ通風システム内に含まれる少なくとも１つのステータ搭載ファンによってステータを通る冷却ガスを引き出す段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
　ロータ搭載ファンを備える従来型の発電機において、ロータを通る冷却ガス流量は、速度の関数である。６０ヘルツ（Ｈｚ）のグリッド周波数を定格とするそのような発電機（２極発電機の場合には３６００ｒｐｍで作動、又は４極発電機の場合には１８００ｒｐｍで作動）が５０Ｈｚで運転された場合、ロータ速度は３０００ｒｐｍ（２極）、又は１５００ｒｐｍ（４極）に低下し、冷却ガス流量は、おおよそ５０／６０の比率で減少する。このことによって、発電機の熱除去能力が低下し、従って発電機の定格が低下する。従来型のロータ搭載ファンを備える通常の発電機設計で、５０Ｈｚ及び６０Ｈｚの使用の両方において、同一の発電機出力レベルを達成することは困難になる。
【００１２】
　他方、ステータ搭載ファンを使用することによって、ステータコアを通る冷却媒体の流速、従って発電機の熱除去能力は、機械的なロータ速度に依存しないものになる。これにより、発電機の電磁的な設計の変更ではなく、外部ファン制御モジュールの変更によって、発電機設計を５０Ｈｚ又は６０Ｈｚでの運転に合わせてカスタマイズすることが可能になる。
【００１３】
　空気密度は高度の関数であるので、ロータ搭載ファンを備える空冷式発電機の熱除去能力、従って空冷式発電機の定格は、同様に高度の関数である。その結果、発電機が設計された又は定格を定められた高度よりも更に高い場所に設置された場合、それら発電機は定格を低くしなければならない。おおまかな近似では、発電機が海抜１０００メートルで運転される場合、海面の高さで運転するのに比較して、発電機の定格は最大５パーセントほど低くされなければならない。ステータ搭載ファンの通風構成の場合、発電機を通る空気流量は、高度が高くなるにつれ、空気密度の低下及び熱除去能力の低下を補償するために、増大させることができる。これによって、発電機が設置される高度とは関係なく、該発電機の定格を維持することが可能になる。
【００１４】
　図１は、ステータ１２と、冷却ガス（矢印３０）がロータ空気間隙２０からステータを通って流れる順方向流式通風システム２８とを有する例示的な同期電気機械１０を示している。冷却ガスは、ステータ１２内の半径方向ガス通路３２を通って流れる。冷却ガスは、ステータから熱を除去する。ステータ搭載ファン３８が、冷却ガス流量を調整し、それによってステータ温度を調整する。
【００１５】
　機械１０は、ステータ１２とロータ１４とを有する。機械１０は発電機として示されているが、それはまた、電気モータ又は他の同期型電気機械としてもよい。発電機において、ロータは、ステータの円筒形のロータ空洞１８内に嵌まる界磁巻線コイル１６を含む。環状の機械空気間隙２０が、ロータの外周と、該ロータが受けられる円筒形のロータ空洞を形成するステータの円筒形表面との間に形成される。ロータ１４がステータ内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生する磁界は、ステータを通って回転し、ステータコイルの巻線内に電流を発生させる。この電流が、電力として発電機から出力される。
【００１６】
　ロータ１４は、ほぼ長手方向に延びる軸線２２と、全体的に中実のロータコア２４とを有する。中実のロータコアは、高い透磁率を有し、通常は鉄のような強磁性材料で作られる。低電力密度の超伝導機械では、ロータのコアを使用して起磁力（ＭＭＦ）を減少させ、従ってコイル巻線１６に必要とされる超伝導コイル線の量を最小にする。
【００１７】
　ロータ１４は、少なくとも１つの長手方向に延びたレーストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線１６を支持する。別の構成では、ＨＴＳコイル巻線は、サドル形にしてもよく、或いは特定のＨＴＳロータ設計に適した幾つかの他の形状を有してもよい。ＨＴＳコイル巻線１６は、外部の冷却流体の源２６によってロータに供給される極低温流体又はガスにより冷却される。ロータ及びそのＨＴＳコイルの冷却は、ステータ１２などの発電機１０の他の構成部品の冷却システムから独立し、かつ分離されている。
【００１８】
　超伝導同期機械において、ロータ界磁巻線は、それ自体の内蔵型ロータ冷却回路を含む極低温冷却システムによって、極低温度にまで冷却される。低温の極低温冷却剤は、移送継手を通してロータに供給される。冷却剤はロータ内の冷却回路を通って流れ、そこで該冷却剤は超伝導ロータコイルから熱を取りだし、その後移送継手を通って固定冷却システムに戻る。極低温冷却システムは、超伝導機械内のロータを効果的に冷却する。極低温冷却システムは、ステータを冷却しない。
【００１９】
　加熱された冷却ガス３０は、ステータコアの外周３４から、ステータコアを囲みかつ該高温ガスをステータ搭載ファン３８に向ける環状ダクト３６を通って流れる。ファン３８は、環状ダクト３６からの冷却ガスに力を加え、ガスをステータ１２から引き出す。ステータ搭載ファン３８は、ステータを通る冷却ガスの流量を制御し、ステータの冷却を制御する。ステータ搭載ファンは、空気をステータ−ロータ間隙２０内に強制的に送り込み又は該間隙から送り出すロータ搭載ファンで従来達成されていたのよりも大量の冷却ガスをステータを通して引き出す能力を有している。ステータ搭載ファンは、例えばファン速度を調整してステータを通して所望の冷却ガス流量を供給することなどように、ファン制御装置３９によって制御される。高温ガスは、ステータ搭載ファン３８からプレナムチャンバ４０に排出され、熱交換器４２に流れ込む。ガスは、ファンを通って環状プレナム４０に入り、熱交換器４２を通って、発電機の前端にある還流ダクト４４内に入る。
【００２０】
　ステータ通路を通る冷却空気又は水素の流量は、ステータファンによって制御され、該ステータファンは、ファン制御装置によって制御される。ファン制御装置は、本明細書で開示する通風システムの全ての実施形態で使用することができる。例えば、ファン制御装置は、ファン速度を調整し、従って冷却ガス流量を調整して、ステータ巻線の均一な温度を維持するようにすることができる。ステータコア、ステータスロット、又はステータ巻線自体の１つ又は幾つかの場所に配置された温度センサ４１が、ステータ温度の温度フィードバック信号をファン制御装置に供給し、ファン制御装置は、次に、ステータ温度が所望のステータ温度よりも高いか又は低いかに応じて、ステータを通る冷却ガス流量をそれぞれ増加又は減少させるように、ファン速度を調整する。この目的で、個々の場所の温度を測定する（点測定）センサ、又は指定された幾何学的形状の経路に沿った温度分布の情報を提供するセンサ（分散配置式温度センサ）を含む、種々のタイプの温度センサを使用することができる。
【００２１】
　ステータ搭載ファン３８は、ステータの周りに取り付けられて、ステータを囲む環状ダクト３６から高温冷却ガスを引き出す、２つの環状ファン組立体を含むことができる。これらのステータ搭載ファンは、ファン制御装置３９によって制御され、ファン速度を調整して、ステータを所望の比較的均一な作動温度に維持するのに必要な最適冷却流量を供給することができる。加えて、別の環状ステータ搭載ファン３７を、ステータ末端巻線４８に隣接して配置して、末端巻線の上方で冷却ガス４６を引き出すようにすることができる。ステータの異なる部分におけるステータ搭載ファンは、単一のファン制御装置によって制御されるか、又はステータの異なる部分を通る多様な冷却流量を供給するように個別に制御されることができる。
【００２２】
　各ステータファンの寸法、設計、及び制御は、ファンが該ファンと整合しているステータ通路の部分を通る冷却流抵抗に釣り合うように、最適化されることができる。同様に、ステータフレーム上のファンの数及び位置は、ステータ内の機械の軸方向長さに沿ったアーマチュア巻線とステータコアとにほぼ均一な温度をもたらすように選択することができる。
【００２３】
　ファンの制御を調整して、様々な利点を得ることができる。例えば、ファン速度を低下させることにより、機械からの可聴風損ノイズもまた低下する。例えば機械が部分負荷で運転されており、アーマチュア及びステータコアに発生する熱が少ない時には、ファン速度を低下させることができる。更に、ステータ搭載ファンの数及び寸法が、その定格負荷での機械のステータ冷却能力を超えるように選択されている場合には、機械がその定格負荷を越えて運転されるか又は周囲温度が高くなり過ぎた場合に利用可能な付加的なステータ冷却能力があることになる。ステータ搭載ファンの別の有用な利点は、機械が起動する前又は機械が停止した後に、該ファンを作動させて、機械が停止している間ですらステータの冷却を行うようにすることができることである。
【００２４】
　ロータとステータとの間の空気間隙２０を通るガス流量を増加させるために、ロータ搭載ファン６２は、ステータ搭載ファンと共に使用することができるが、ステータ搭載ファンと共に、ロータ搭載ファン６２を使用しない場合もある。ロータ搭載ファンの速度は、ロータ速度の関数であり、従ってロータ速度が増加するにつれ、ロータを通る冷却ガスの流量が増加する。殆どの産業用ガスタービンは、比較的定常なロータ速度で運転されるので、ロータファンは、通風システムを通る冷却ガス流に均一な力を加える。更に、通風方式は、ロータ搭載ファン２６を用いることなく実施されることができ、その場合には、全ての冷却ガスが、ロータ搭載ファンなしでステータコアを通して導かれることになり、これが、大規模な事業用タイプのタービン発電機の最新の通風構成における主要な変化を代表している。
【００２５】
　ステータ及びファンからの高温ガスは熱交換器４２内で冷却され、還流ダクト４４を通って流れ、機械の空気間隙２０に戻る。冷却ガスは、ロータの遠心力によって、ロータ搭載ファン６２によって、及びステータ搭載ファン３８により吸引されるステータを通るガス流によって間隙２０内に送り込まれる。加えて、冷却ガス４６の一部は、還流ダクト通路４４から、ステータコイル巻線の末端巻線４８を冷却するように向けられる。末端巻線を通り過ぎて流れない冷却ガスは、機械の空気間隙２０内に流れ込み、次にロータ空洞１８のステータ内周においてステータ通路３２に入る。
【００２６】
　図２は、発電プラントを取り巻く周囲温度（摂氏温度℃）が発電プラント内の装置の出力（メガワット−ＭＷ）に与え得る影響を示すグラフ５０である。タービン発電機は、２つのタイプの原動機、すなわち蒸気タービン、又はガスタービンのような燃焼タービンによって駆動されることができる。蒸気タービンの出力は、周囲温度条件によって変動しないが、ガスタービンの出力は、周囲温度が上昇すると低下する。蒸気タービン特性は、グラフ５０の線５２に非常によく似て、殆ど平坦である。他方、ガスタービンの出力は、周囲温度の強い関数であり、一般に、グラフ５０に示す線５４に似た下降傾斜をもつ特性を有する。原動機が供給する機械的動力は、発電機によって電力に変換されなければならないので、パワートレーンの出力が発電機能力によって制限されることがないように、発電機の出力特性は、タービン特性と調和させなければならない。２つの異なるタイプの原動機は、２つの異なる出力特性を有している（線５２対線５４）ので、１つの発電機を、異なるタービン特性の両方に費用効果がある状態で適合できるように設計することは困難になる。この困難さにより、全温度範囲にわたってタービン出力に合致させるためには、発電機は常に、周囲温度範囲の殆どの部分において過剰設計されることになる。
【００２７】
　従来型の通風システムを備える発電機の出力は、周囲温度が高いと低下する傾向があり、線５４に似た全体的な傾向線に従う。その入口冷却温度が周囲温度とほとんど関数関係にない熱交換器を通して発電機の熱が廃棄されるようなＴＥＷＡＣ設計におけるよりも、解放型通風空冷式機械における方が、より大きい下降傾斜を示す。
【００２８】
　ステータ搭載ファンを備える通風構成においては、ステータコアを通る冷却ガス流は、発電機出力特性が所望の曲線に沿うように制御されることができる。これによって、周囲温度から切り離された発電機出力特性を得ることが可能になる。具体的には、線５２の一定した出力特性及び線５４の傾斜特性を達成することができ、或いは、それらの間のどのような特性でも達成することができる。そのような通風構成では、同一の公称定格を有するが異なる周囲空気従属特性を有する蒸気及びガスの２つの異なる原動機を備える発電機の出力特性を調和させることが著しく容易である。図３は、周囲温度が上昇するにつれ、ステータ搭載ファンが、ステータを通る冷却ガス流量（立方フィート／分−ｃｆｍ）を増加させることができることを示すグラフ５６である。周囲温度が上昇するにつれてステータ通風システムを通る冷却ガス流量を増加させることにより、図２の線５４によって示されているように、周囲温度が発電機出力に及ぼす影響を減少させるように発電機を冷却する。上昇傾斜線５８によって示すように、ステータ通風システムを通る冷却ガスの流量は、ステータ搭載ファンを制御することによって周囲温度の関数として制御することができる。ファン制御装置３９（図１参照）を使用して、ステータ搭載ファン３８の速度を調整して、図３の線５８で示される冷却ガス流量を達成することができる。ステータ搭載ファン又はファン制御装置を備えていない従来型の通風システムは、線６０で示すように、周囲温度の関数である、ステータを通る比較的一定した冷却ガス流量を有している。
【００２９】
　図４は、傾斜線６４から明らかなように、発電機の負荷が増加したとき、ステータ搭載ファンを使用して、ステータ通風システムを通る冷却ガス流量を増加させることができることを示している。ロータ搭載ファンは、発電機が正常運転速度である時には、比較的一定した速度を有しており、従ってステータを通る流量としての冷却作用は、発電機の負荷が増加する間でも、線６６に見られるように一定である。負荷の増加は、通常、発電機の運転温度を上昇させ、そのような温度変化は、発電機の出力及び効率に影響を与える可能性がある。例えば、図２を参照されたい。ステータ搭載ファンの速度を、ファン制御装置３９によって調整して、発電機の負荷が増加するにつれ、冷却ガスを増加させ、それによって通風システムによるステータの冷却作用を向上させることができる。ステータを通る流量はまた、負荷が増加すると選択したファンのスイッチを入れ、負荷が減少するとスイッチを切ることによって発電機負荷に適合させることができる。
【００３０】
　図５は、ステータ搭載ファンによる発電機効率の改善を示すグラフである。ステータ搭載ファンは、発電機の負荷及び周囲温度の変化による発電機の熱変化を、少なくとも部分的には、補償することができる。通風冷却システムは、例えば、ステータ及び発電機をより一定した温度に維持することなどにより、ステータをより効率的に冷却することができる。従来型のタービン発電機の通風システムは、線６８で示すように、高負荷状態に対して最適化されることができる。低負荷状態の間、例えば負荷能力の５０パーセント以下では、ステータが過剰に冷却され、最適温度よりも低い温度で運転されるので、冷却作用は、最適状態より悪くなる。最適に満たない冷却作用のために、発電機の効率は、低負荷では発電機の通風が原因で、低下の不利を被ることになる。線７０を参照すれば、ステータ搭載ファンは、発電機負荷及び周囲温度の広い範囲にわたり、冷却ガス流量を最適化することを可能にすることによって、発電機の効率を改善する。
【００３１】
　図６は、順方向流式通風ステータ冷却システム８６を有する機械１０の四分の一セクション（ロータ軸方向中心線８２及び長手方向中心線８４を参照）の断面を示している。冷却システムは、冷却ガス８８、例えば周囲空気又は水素を、ステータ１２及び該ステータの冷却ガス通路３２に供給する。ステータ冷却システム８６は、ロータに極低冷却流体を供給する極低冷却システムから独立し、かつ分離されている。
【００３２】
　熱は、冷却ガスがステータ冷却通路３２を通過するにつれ、ステータコイルから取り出される。通路は、ステータコイルの冷却を最適化するように、ステータ内に配置されることができる。例えば、ステータ軸線に沿った冷却通路の頻度及び／又は通路の断面積は、ステータの冷却作用を均等に分布させるか又は他の方法でステータ冷却を最適化するように選択されることができる。
【００３３】
　環状ダクト３６は、ステータを円周方向に囲み、開口とステータ搭載ファン３８用のマウントとを有する外側円筒形壁９２を有することができる。ダクト３６はまた、ステータから円筒形壁９２まで延び、空気をステータ通路３２からファン３８へと向ける環状バッフル壁９４を含むことができる。バッフル壁は、冷却ガスがステータファンに流れることができる開口を有し、全てのステータ通路を通る比較的均一なガス流を助長するように配置されている。
【００３４】
　環状のプレナムチャンバダクト４０は、ファン３８からの高熱高圧又は高速ガスを１つ又はそれ以上の熱交換器４２へ向け、またガス８８を該１つ又はそれ以上の熱交換器４２へと向ける。熱交換器４２は、ガスを再循環させてステータを冷却することができるように、該ガスから熱を取り出す。この実施形態では、熱交換器からの冷却されたガスは、図１に示した通風システムとは対照的に、ステータの末端巻線４８を直接横切って流れる。冷却ガス９０は、末端巻線から流れ出てロータ及びステータの間の機械空気間隙２０に入る。ガスが空気間隙を流れるにつれ、該ガスはロータの全長に沿って分散され、ステータの冷却通路３２に入る。冷却ガスは、ロータ８２の一端だけから入る場合もあれば、両端から入る場合もある。ステータ通風システム８６のこの実施形態では、冷却ガスはステータを通って再循環し、熱交換器４２は、冷却ガスがステータを通って再循環する前に、該冷却ガスから熱を取り除く。
【００３５】
　図７は、ステータ搭載ファンを備える強制空気順方向流式冷却システム９６の第３の実施形態を示す、発電機の四分の一セクションの概略断面図である。第２の通風システムの実施形態８６は、冷却ガスが再循環する閉ループシステム（図６に示すような）であるが、第３の実施形態９６は、冷却ガスが単一経路でステータ１２を通って流れ、次いで周囲空気へと排出される開ループシステムである。開ループ冷却システムの１つの利点は、還流ダクト（図１の４０及び４４を参照）が不要であり、従って機械の全体寸法を縮小できることである。
【００３６】
　第３の実施形態９６では、冷却ガスは、発電機８０の一端又は両端において入口プレナム９８に入る。冷却ガスは周囲空気とすることができる。空気は、ステータ巻線の末端巻線４８の上方にある入口プレナムから空気間隙２０及び冷却ガス通路３２に流れ込み、ステータファン３８を通り、出口プレナム１００を通って流出する。加熱された冷却ガスが大気へ排出され、入口プレナム９８を通して引き込まれた周囲空気によって置き換えられるので、熱交換器は不要である。また、ファンは、ステータフレームの外部でダクト内にある。
【００３７】
　図８は、強制空気逆方向流式冷却システム１０２の実施形態を有する超伝導発電機の四分の一セクションの概略断面図である。逆方向流式通風システムでは、冷却ガス１０４は、ステータの外周３４においてステータ通路に流れ込み、ステータ通路３２を通ってロータ１４とステータ１２との間の空気間隙２０へと流出する。逆方向流式通風システム１０２では、ステータ通路３２を通る流れは、順方向流式通風システムでの冷却ガス流とは反対向きである。
【００３８】
　加熱された冷却空気は、空気間隙２０からステータ巻線の末端巻線４８を横切って流れる。ステータ搭載ファン１０６は、ステータ通路からまた空気間隙から、末端巻線を横切って、冷却ガスを引き出す。ステータ搭載ファン１０６は、ステータ通路を通る流量を制御し、従ってステータの冷却を制御する。ステータ搭載ファンは、発電機の末端にある末端巻線４８の周りに配置されてもよい。冷却ガスは、ステータ搭載ファンを出てステータの周りにあるプレナムチャンバ４０に流れ込み、熱交換器１０８を通り、ダクト３６に流れ込み、その後ステータ通路に再度入る。熱交換器は、冷却ガスがステータ通路を通って再循環できるように、該ガスから熱を取り除く。
【００３９】
　図９は、強制空気又は水素逆方向流式冷却システム１１０の第２の実施形態を有する超伝導発電機の四分の一セクションの概略断面図である。第２の実施形態では、冷却空気１０４は、通風システムを一度通過するだけで、再循環しない。空気は、ステータの周りに配置された入口プレナム１１２に入り、ステータを囲む環状ダクト４０に流れ込む。空気は、ステータ通路３２及び空気間隙２０を通り、ロータの末端の空気間隙から流出する。加熱された冷却ガスは、ステータ巻線の末端巻線４８を冷却するように、該末端巻線を横切って流れる。高温の冷却ガスは、ステータ搭載ファン１０４によって、ステータ、空気間隙、及びステータコイル末端巻線から引き出される。ファンの速度は、冷却ガスの流量を制御し、従ってステータの冷却を制御する。ステータファンからの高温の冷却ガスは、発電機の末端に取り付けられた出口プレナム１１４を通って排出される。
【００４０】
　更に、本明細書に開示したステータ冷却システムは、従来型のロータが超伝導ロータで置き換えられた同期機械に対しても適用可能である。そのような場合には、元の機械の順方向流式通風システムは、逆方向流式システムに変換されてもよい。ステータ搭載ファンを組み込んだ発電機は、将来、ステータ搭載ファンの数を増加するか又は該ステータ搭載ファンの定格を引き上げてステータコアを通る冷却ガス流量を増加させることによって、出力を増大させることができる。
【００４１】
　ここで示したステータ搭載ファンを備えるステータ通風システムは、ステータ巻線を直接冷却するような構成をその範囲に含む。直接ステータ冷却は、大半が軸方向であるアーマチュア巻線の中空の導体を用いて達成することができる。
【００４２】
　本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関連して説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、反対に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる多様な変更及び等価の構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】ステータ搭載ファンを備える強制空気順方向流式ステータ冷却システムを示す、発電機の四分の一セクションの概略断面図。
【図２】従来型のタービン発電機とステータ搭載ファンを備える発電機との両方についての発電機出力対周囲温度の関係を示すグラフ。
【図３】従来型の発電機とステータ搭載ファンを備える発電機との両方についての発電機を通る冷却ガス流量対周囲温度の関係を示すグラフ。
【図４】従来型の発電機とステータ搭載ファンを備える発電機との両方についての発電機冷却ガス流量対発電機負荷の関係を示すグラフ。
【図５】従来型の発電機とステータ搭載ファンを備える発電機との両方についての発電機効率対発電機負荷の関係を示すグラフ。
【図６】ステータ搭載ファンを備える強制空気順方向流式冷却システムの第２の実施形態を示す、発電機の四分の一セクションの概略断面図。
【図７】ステータ搭載ファンを備える強制空気順方向流式冷却システムの第３の実施形態を示す、発電機の四分の一セクションの概略断面図。
【図８】強制空気逆方向流式冷却システムの実施形態を有する超伝導発電機の四分の一セクションの概略断面図。
【図９】強制空気逆方向流式冷却システムの第２の実施形態を有する超伝導発電機の四分の一セクションの概略断面図。
【符号の説明】
【００４４】
　１０　同期電気機械
　１２　ステータ
　１４　ロータ
　１６　界磁巻線コイル
　１８　ロータ空洞
　２０　空気間隙
　２４　ロータコア
　２６　冷却流体の源
　２８　順方向流式通風システム
　３０　加熱された冷却ガス
　３２　ステータ通路
　３４　ステータコアの外周
　３６　環状ダクト
　３８　ステータ搭載ファン
　３９　ファン制御装置
　４０　環状プレナム
　４１　温度センサ
　４２　熱交換器
　４４　還流ダクト
　４６　冷却ガス
　４８　末端巻線
　６２　ロータ搭載ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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