(57)【要約】ロータ（１０）と、軸方向に延びるコイル（２２）と同心のコイル端（２８）とを含むロータ巻線と、隣り合うコイル端の間に置かれ、それによってその各々が隣接するスペースブロックと隣接するコイル端とによって境界づけられる複数の空洞（１４２）を形成する複数のスペースブロック（１４０）とを含むガス冷却式発電電動機械が提供される。界磁コイル端領域の銅末端巻線からの熱伝達率を高めるために、スペースブロックの１つ又はそれ以上は、該スペースブロックと係合するコイル端からの熱伝達を改善するために、高熱伝導性材料で形成されるか、あるいは該材料で被覆される。
2004516795.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部分（１４）と、軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分（１４）の少なくとも１つの端部（１８）を超えて軸方向に延びる複数のコイル端（２８）を形成する末端巻線（２７）とを有するロータ（１０）と、
隣り合う前記コイル端（２８）の間に置かれ、それらの間に空洞（１４２）を形成する少なくとも１つのスペースブロック（１４０、２４０、３４０）と、
を含み、
該スペースブロック（１４０、２４０、３４０）が、高熱伝導性を有する材料で（１）形成されるか、及び（２）該材料からなる表面層（２４６、３４６）を有するかのいずれか１つである、
ことを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
【請求項２】
前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０）が、高い電気抵抗を有する材料で（１）形成されるか、及び（２）該材料からなる表面層（２４６、３４６）を有するかのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項３】
前記スペースブロック（１４０）が、高熱伝導性プラスチック材料で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項４】
前記スペースブロック（２４０、３４０）が、前記高熱伝導性材料を含む表面層（２４６、３４６）を有する高強度芯材（２４４、３４４）を含むことを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項５】
前記表面層（２４６）が、高熱伝導性フォーム材料の被覆を含むことを特徴とする、請求項４に記載の発電電動機械。
【請求項６】
前記表面層（２４６）が、高熱伝導性カーボンフォーム材料を含むことを特徴とする、請求項５に記載の発電電動機械。
【請求項７】
前記表面層（３４６）が、高熱伝導性材料のフィルムを含むことを特徴とする、請求項４に記載の発電電動機械。
【請求項８】
前記高熱伝導性材料のフィルムが、アルミニウム、銅、黒鉛、金、炭化ケイ素、ロジウム、銀、タングステン、亜鉛、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、モリブデン、高熱伝導性プラスチック、及び高熱伝導性カーボンフォームからなる群から選ばれた材料を含むことを特徴とする、請求項７に記載の発電電動機械。
【請求項９】
複数のスペースブロック（１４０、２４０、３４０）があり、該スペースブロックの各々が、高い熱伝導性と高い電気抵抗とを有する材料で（１）形成されるか、及び（２）該材料からなる表面層（２４６、３４６）を有するかのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１に記載の発電電動機械。
【請求項１０】
スピンドル（１６）と本体部分（１４）とを有するロータ（１０）と、
前記本体部分（１４）上に置かれた軸方向に延びるコイル（２２）と、前記本体部分（１４）の少なくとも１つの端部（１８）を超えて軸方向に延びる、互いに間隔を置いて配置された同心のコイル端（２８）とを含み、該コイル端（２８）と前記スピンドル（１６）とがそれらの間に環状空間（３６）を形成している、ロータ巻線と、
前記コイル端（２８）の隣り合うコイル端の間に配置され、それによって複数の空洞（１４２）を形成する複数のスペースブロック（１４０、２４０、３４０）と、
を含み、
前記空洞の各々が、隣接するスペースブロックと隣接するコイル端とによって境界づけられ、かつ前記環状空間（３６）に対して開放されており、
少なくとも１つの前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０）の空洞に面する表面が、高熱伝導性を有する材料で（１）形成されるか、及び（２）該材料からなる表面層を有するかのいずれか１つである、
ことを特徴とするガス冷却式発電電動機械。
【請求項１１】
前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０）が、高い電気抵抗を有する材料で（１）形成されるか、及び（２）該材料からなる表面層を有するかのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１０に記載の発電電動機械。
【請求項１２】
前記スペースブロック（１４０）が、高熱伝導性プラスチック材料で形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の発電電動機械。
【請求項１３】
前記少なくとも１つスペースブロックが、前記高熱伝導性材料を含む表面層（２４６、３４６）を有する高強度芯材（２４４、３４４）を含むことを特徴とする、請求項１０に記載の発電電動機械。
【請求項１４】
前記表面層（２４６）が、高熱伝導性フォーム材料の被覆を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の発電電動機械。
【請求項１５】
前記表面層（２４６）が、高熱伝導性カーボンフォーム材料を含むことを特徴とする、請求項１４に記載の発電電動機械。
【請求項１６】
前記表面層（３４６）が、高熱伝導性材料のフィルムを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の発電電動機械。
【請求項１７】
前記高熱伝導性材料のフィルムが、アルミニウム、銅、黒鉛、金、炭化ケイ素、ロジウム、銀、タングステン、亜鉛、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、モリブデン、高熱伝導性プラスチック、及び高熱伝導性カーボンフォームからなる群から選ばれた材料を含むことを特徴とする、請求項１６に記載の発電電動機械。
【請求項１８】
複数の前記スペースブロック（１４０、２４０、３４０）が、高い熱伝導性と高い電気抵抗とを有する材料で（１）形成されるか、及び（２）該材料からなる表面層を有するかのいずれか１つであることを特徴とする、請求項１０に記載の発電電動機械。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機ロータの冷却を向上させるための構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大型ターボ発電機のような発電電動機械の出力定格は、導電体の絶縁に必要な温度限界の故に、一定量を超える電流をロータ界磁巻線に供給できる能力によってしばしば制限される。従って、ロータ巻線の効果的冷却は、その機械の出力能力に直接貢献する。このことは、これらの機械の典型的な構造故に直接的な強制冷却が難しく、コスト高になるロータ端部領域において特に言えることである。現今の市場傾向は、低コストでより高い効率と信頼性とを有しかつより高い出力密度を有する発電機を必要としているから、ロータ端部領域の冷却が限定要因となっている。
【０００３】
ターボ発電機ロータは、典型的にはロータのスロット内に取り付けられた同心の矩形コイルで構成される。ロータ本体による支持を超えるコイル末端部分（一般にコイル端と呼ばれる）は、典型的には保持リングにより回転力に抗して支持される（図１参照）。相対的位置を維持し、かつ熱負荷のような軸方向負荷に対する機械的安定性を加えるために、同心のコイル端の間には支持ブロックが断続的に置かれる（図２参照）。更に、銅コイルは、それらの外径において、遠心力に抗する保持リングにより半径方向に拘束される。スペースブロックと保持リングとの存在は、銅コイルに曝される多数の冷却媒体領域を生じる。主要な冷却媒体通路は、スピンドルとコイル端底部との間の軸方向通路である。また、コイルの境界面と、ブロックと、保持リング構造の内表面とによりコイルの間には、互いに分離された空洞が形成される。コイル端は、回転力によりコイル端の半径方向下方からこれらの空洞内へ送り込まれる冷却媒体に曝される（図３参照）。この熱伝達は低くなりがちである。その理由は、コンピュータを用いた流体力学センサ分析により算出された回転する単一のコイル端空洞内における流跡線によれば、冷却媒体流は、空洞に入り、主循環を横切り、空洞から流出するからである。通常この循環は、特に空洞の中心部付近において熱伝達係数が低くなる。従って、これはコイル端における熱除去のための手段ではあるが、能率は比較的良好でない。
【０００４】
より多くの冷却ガスをロータ端部領域内に流すために、様々な方式が使用されてきた。これらの冷却方式は全て、（１）導電体内に溝を機械加工するか、あるいは通路を形成することにより、銅製導電体内に直接冷却通路を作って、次に機械のどこか他の領域へガスを圧送すること、及び／又は（２）冷却ガスを導電体の表面上に強制的に流すために、バッフル、流路、及びポンプ要素を付け加えて、比較的高圧及び低圧の領域を作り出すことに依存している。
【０００５】
一部のシステムにおいては、冷却ガスをロータコイル端に沿って直接圧送しエアギャップ内に排出可能にするために、高度に応力が加わる保持リングに半径方向の孔を貫通させているが、このようなシステムは、保持リングに加わる大きな機械的応力及びその疲労寿命を考慮した場合、限られた有用性しか持つことができない。
【０００６】
従来の強制的ロータ端部冷却方式が使用される場合には、ロータの構造が著しく複雑となりコストが高くなる。例えば、直接冷却される導電体は、冷却通路を形成するために機械加工されるか、あるいは冷却通路が形成されるように製造されなくてはならない。これに加えて、ロータ内のいずれかの場所でガスを排出させるために、出口マニフォルドが設けられなくてはならない。強制冷却方式は、ロータ端部領域が別々の圧力区域に分割されることを必要とし、これに加えて多数のバッフル、流路、及びポンプ要素をも必要とし、この場合もこれらが複雑さとコストを増大させる。
【０００７】
これらの強制又は直接冷却方式が使用されない場合には、ロータコイル端は受動的に冷却される。受動冷却は、同心のロータ巻線間に形成されるブラインドの行止り空洞内でガスを循環させるために、ロータの遠心力と回転力とに依存する。ロータコイル端の受動冷却は、時として「自由対流」冷却とも呼ばれる。
【０００８】
受動冷却は、直接及び強制冷却を行う能動的システムと比較すると、熱除去能力は低下するが、複雑さとコストが最少化されるという利点をもたらす。典型的な空洞の４つの「側壁」は、同心の導電体とこれらの導電体を隔てる絶縁ブロックとによって形成され、「底」壁（半径方向外側の）は、回転に抗してコイル端を支える保持リングによって形成されるというように、これらの空洞はいずれにしても周囲を囲われているから、同心のロータ巻線間の空洞内へ入る全ての冷却ガスは、流入したのと同じ開口を通って出て行かなくてはならない。冷却ガスは、導電体とロータスピンドルとの間の環状の空間から入る。従って熱除去は、空洞内におけるガスの低い循環速度と、これらの空間に出入りできるガスの限られた量とによって制限される。
【０００９】
典型的構成においては、端部領域内の冷却ガスは、ロータ速度に達するほどにはまだ十分に加速されていない、つまり冷却ガスはロータ速度の何割かの速度で回転している。ロータと流体との間の相対的速度による衝突によって、流体が空洞内へ送り込まれるので、流れ方向で言えば下流であり、流体が高いモーメントで流入し、しかも流体冷却媒体が最も低温であるスペースブロック付近において、熱伝達係数は一般的に最高になる。熱伝達係数はまた、一般的に空洞周縁付近でも高い。空洞の中心部は、冷却される度合いが最も低い。
【００１０】
受動冷却システムの熱除去能力を増大させることは、低コストで単純かつ高信頼性の構造という利点を保ちながら、ロータの許容電流能力を増大させ、発電機の定格能力を増大させることになる。
【００１１】
参考文献としてその開示内容が本明細書に組み込まれている米国特許第５，６４４，１７９号は、自然発生するフローセル内に追加的な冷却流を、フローセルと同一方向に直接導入することにより、大きな単一のフロー循環セルの流速を増させて、熱伝達を増大させるための方法を記載している。この方法は、循環セルの強さを増強することにより、空洞内における熱伝達を増大させるが、それでもなおロータ空洞の中央領域は低速度のままであり、従って低熱伝達のまま取り残される。隅部領域にも同じ低熱伝達がまだ存続する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、隅部領域を含む空洞からのより良好な熱除去を促進して現在経験されている低熱伝達率を大きく向上させるために、発電機コイル端アセンブリ内で高熱伝導性のスペースブロックを使用することにより、界磁コイル端領域の銅末端巻線からの熱伝達率を高める。この領域における末端巻線の冷却を改善することは、所定の機械の出力定格を増大させて、ドル／キロワット時に基づいて算定される原価を改善する機会をもたらす。コイル端領域には、通常、最大温度の制約を満たすことに関して限界があるから、この領域における改善は、大きな性能上の利点を生じることになる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
高熱伝導性のスペースブロックは、循環する冷却流体に対する熱伝達のために利用できる表面積を増大することにより、末端巻線から空洞内の流体領域への熱エネルギー伝達を促進させるために、高熱伝導性材料で形成されるか、あるいはそのような材料で被覆される。スペースブロック及び／又はその被覆の材料はまた、高い電気抵抗の材料であることが好ましい。別の実施形態においては、スペースブロック又はその被覆は、電位差のあるコイル間に直接的な電気経路が存在することのないように、適当な絶縁体によって二分されることができる。
【００１４】
従って、本発明は、軸方向に延びるコイルと複数のコイル端を形成する末端巻線とを有するロータと、隣り合うコイル端の間に置かれそれらの間に空洞を形成する少なくとも１つのスペースブロックとを含むガス冷却式発電電動機械において具体化される。スペースブロックは、高熱伝導性を有する材料で形成されるか、あるいはそのような材料からなる表面層を有する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の上記及びその他の目的並びに利点は、添付図面と関連してなされる本発明の現在好ましいとされる例示的な実施形態に関する以下の一層詳細な説明を注意深く検討することによって、より完全に理解され、その真価が認められるであろう。
【００１６】
図面において種々の図を通して同一参照符号は同じ要素を示しているが、その図面を参照すると、図１及び図２は、ガス冷却式発電電動機械のためのロータ１０を示しており、この発電電動機械はまた、ロータを取り囲むステータ１２を含む。ロータは、ロータスピンドル１６上にこれを中心にして置かれ、軸方向に対向する端面を有するほぼ円筒形の本体部分１４を含み、図１には、これら２つの端面のうちの１つの端面の一部分１８が示されている。本体部分には、ロータ巻線を構成する同心に配設されたコイル２２を受けるための、円周方向に間隔を置いて配置された複数の軸方向に延びるスロット２０が設けられる。解り易くするために、ロータコイルが５つだけ図示されているが、実用に際しては通常もっと多くのロータコイルが使用される。
【００１７】
具体的に言うと、ロータ巻線の一部を構成する多数の導電体バー２４が、個々のスロット内で積み重ねられる。隣り合う導電体バーは、電気絶縁層２６によって隔てられる。積み重ねられる導電体バーは、銅などの導電性材料で作られ、典型的にはウェッジ２６（図１）によりスロット内に保持される。本体部分の対向する各端部において、導電体バー２４は末端巻線２７により相互に接続され、末端巻線は、端面を超えて軸方向に延び、積み重ねられたコイル端２８を形成する。末端巻線も電気絶縁層によって互いに隔てられる。
【００１８】
特に図１を参照すると、遠心力に抗してコイル端を定位置に保持するために、本体部分の各端部における末端巻線２７の周りには、保持リング３０が置かれる。保持リングは、その１つの端部において本体部分に固定され、ロータスピンドル１６を覆って延びる。保持リング３０の遠位端には、中心リング３２が取り付けられる。当技術分野では知られているように、保持リング３０と中心リング３２とは、上記とは異なるやり方で取り付けることも可能であることに注目されたい。ガス入口通路３４を形成するために、中心リング３２の内径はロータスピンドル１６から半径方向に間隔を置いて配置され、また環状の領域３６を形成するために、コイル端２８はスピンドル１６から間隔を置いて配置される。冷却ガスをコイル２２へ送給するために、スロット２０に沿って形成された多数の軸方向冷却通路３８は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。
【００１９】
次に図２を参照すると、ロータ１０の各端部におけるコイル端２８は、多数のスペーサ又はスペースブロック４０により、円周方向と軸方向とに隔てられる。（図示を明瞭にするために、図１にスペースブロックは示されていない。）スペースブロックは、隣り合うコイル端２８の間の空間内に置かれた、絶縁材料からなる細長いブロックであり、コイル端の半径方向の深さ全体を超えて環状空隙３６内まで延びる。従って、末端巻線２７（以下においてはコイル端と呼ぶ）の同心の積み重ねの間の空間は、幾つかの空洞に分割される。これらの空洞は、その頂部を保持リング３０により、また四方を隣接するコイル端２８とスペースブロック４０とにより境界づけられる。図１において最もよく分るように、これらの空洞の各々は、環状領域３６を介してガス入口通路３４と流体連通している。従って、ガス入口通路３４を介して、コイル端２８とロータスピンドル１６との間の環状領域３６に入る冷却ガスの一部は、空洞４２に入り、その内部で循環し、次いでコイル端とロータスピンドルとの間の環状領域３６に戻る。図１及び図３には、空気流が矢印で示されている。
【００２０】
次に図４を参照すると、ここには矢印Ｘで表した回転方向を有するコイル端空洞１４２を示す、ロータコイル端の部分断面図が示されている。本発明の実施形態においては、発電機界磁コイル端の冷却効果を改善するために、少なくとも１つの、好ましくは各々のスペースブロック１４０、２４０、３４０は、高熱伝導性と高い電気抵抗とを有する材料で形成されるか、あるいはそのような材料からなる表面層を含む。末端巻線２７／コイル端２８によって形成される空洞壁と接触する本発明を具体化したスペースブロック１４０、２４０、３４０は、循環する冷却流体に対する熱伝達のために利用できる表面積を増大させることにより、それらの空洞壁から空洞１４２内部の流体領域への熱エネルギー伝達を促進する。
【００２１】
図５に示す本発明の第１の例示的実施形態においては、スペースブロック１４０は、サイズ及び形状において従来のスペースブロック４０とほぼ対応するが、ペンシルバニア州エクストンのＬＮＰ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｐｌａｓｔｉｃｓによって供給される熱可塑性複合材料であるＫｏｎｄｕｉｔのような高い熱伝導性を有するプラスチック材料で形成される。Ｋｏｎｄｕｉｔは、普通の熱可塑性プラスチックより何倍も大きな熱伝導性を発揮すると報告されている。このことは、コイル端から熱を放射させて除去することを可能にする。この材料は、熱膨張係数が小さいという更に別の有利な特性を示す（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇｃｅｎｔｅｒ．ｃｏｍ／ｍｅｄ／ａｒｃｈｉｖｅｓ／０９００／０９００ｄｄ．ａｓｐ参照）。
【００２２】
図６に示す本発明の第２の例示的実施形態においては、スペースブロック２４０は、分厚い高熱伝導性の表面層２４６を有する高強度の芯材２４４を含む。中実の芯材２４４は、隣接するコイル端２８の末端巻線を互いに離しておくのに必要な強度を提供する。他方、分厚い表面層２４６は、より高い熱伝達率を得るための高められた熱伝達経路を提供する。例示的実施形態においては、芯材はガラス繊維を充填したエポキシ（Ｇ−１０）のような適当な強度のある材料で形成され、表面層は高熱伝導性カーボンフォームのような高熱伝導性フォームの分厚い被膜である。例えば、Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ（ＯＲＮＲ）は、極めて高い熱伝導性のカーボンフォームを製造するための比較的単純な技術を開発した（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｓ．ｏｒｎｌ．ｇｏｖ／ｏｔｔ／ｅｅ０９．ｈｔｍ参照）。報告によれば、この材料は、同様密度のＫｅｖｌａｒ（登録商標）ハニカム複合材に匹敵する圧縮強度を示すので、幾つかの実施例においては中実の芯材２４４を省いて、スペースブロック全体を高熱伝導性カーボンフォームで作ることが可能となる。
【００２３】
図７に示す第３の例示的実施形態においては、スペースブロック３４０は、高熱伝導性表面層３４６を有する芯材３４４を含むという点では、図６の実施形態と同様である。この実施形態においては、スペースブロックの基材、即ち芯材３４４は、従来のスペースブロック４０と同一又は類似のサイズ、形状、及び材料であってよい。所望の高熱伝導性を与えて熱伝達を促進するために、芯材３４４は、高熱伝導性材料３４６の薄い表面層（又は厚いフィルム）で被覆される。所望の高熱伝導性を与えるための例示的フィルム材料には、アルミニウム、銅、黒鉛、金、炭化ケイ素、ロジウム、銀、タングステン、亜鉛、ダイヤモンド、酸化ベリリウム、酸化マグネシウム、モリブデン、図５を参照しながら前に言及したタイプの高熱伝導性プラスチック材料、及び図６を参照しながら前に言及したタイプの高熱伝導性カーボンフォームが含まれる。
【００２４】
厚いフィルム被覆が高い電気抵抗を有する材料である場合には、芯材３４４は、金属などの高熱伝導性材料で形成し熱伝達を更に高めることができる。別の実施形態において、厚いフィルム被覆が高い電気抵抗を有する材料であるなしに拘らず、芯材３４４は、Ｇ−１０などの繊維充填エポキシ系の材料とすることができる。
【００２５】
上に述べたように、好ましい実施形態において、スペースブロックは、高い熱伝導性及び高い電気抵抗を示す材料で形成されるか、もしくは被覆される。厚いフィルム被覆に適しているとして上で特定した材料のうちの幾つかは、高熱伝導性を示すが、電気抵抗は低い。それらの材料は、コイル等の間の電位差による問題がない場合に、任意選択的に使用されることになる。そうでない場合でも、それがスペースブロックであれその表面層であれ、電位差のあるコイル間に直接的な電気経路が存在することのないように、Ｇ−１０などの適当な絶縁体によって二分されるならば、低電気抵抗材料を使用することができる。
【００２６】
本発明を、現在最も実用的で好ましいと考えられる実施形態に関連させて説明してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、添付の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様々な変更及び等価な構成を保護することを意図していることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロータと向かい合うステータを備える発電電動機械ロータのコイル端領域の一部分の断面図。
【図２】図１の線２−２に沿って見た、発電電動機械ロータの平面断面図。
【図３】コイル端空洞に入り、これを通過する受動ガス流を示す概略図。
【図４】本発明の実施形態による高熱伝導性スペースブロックを示すロータコイル端の部分断面図。
【図５】本発明の第１の実施形態を示す、図４の線Ｉ−Ｉに沿って見た断面図。
【図６】本発明の第２の実施形態を示す、図４の線Ｉ−Ｉに沿って見た断面図。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す、図４の線Ｉ−Ｉに沿って見た断面図。
【符号の説明】
１０  ロータ
１２  ステータ
１４  本体部分
１６  ロータスピンドル
１８  本体部分の１つの端部
２２  コイル
２４  導電体バー
２６  ウェッジ
２７  末端巻線
２８  コイル端
３０  保持リング
３２  中心リング
３４  ガス入口通路
３６  環状領域
３８  軸方向冷却通路
【国際公開パンフレット】
2004516795.tif 000003
2004516795.tif 000004
2004516795.tif 000005
2004516795.tif 000006
2004516795.tif 000007
2004516795.tif 000008
2004516795.tif 000009
2004516795.tif 000010
2004516795.tif 000011
2004516795.tif 000012
2004516795.tif 000013
2004516795.tif 000014
2004516795.tif 000015
2004516795.tif 000016
2004516795.tif 000017
2004516795.tif 000018
2004516795.tif 000019
2004516795.tif 000020
2004516795.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004516795.tif 000022
2004516795.tif 000023
【国際調査報告】
2004516795.tif 000024
2004516795.tif 000025
2004516795.tif 000026