(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半径方向に延びる複数のスペーサブロック（６８）によって分離された積層薄板（７３）の隣接するパッケージ（６４）を含み、前記スペーサブロック（６８）の隣接する各対が、軸方向に間隔をおいて配置された隣接する薄板（７２）と協働して、複数の半径方向の冷却ダクトを構成し、該ダクトの各々が、複数の凹部（７０）を有する少なくとも１つの薄板表面（７８）を有し、
前記凹部（７０）が、パターン状配置の列（７４）を形成し、該パターン状配置の列は、一列以上からなり、
前記薄板表面から冷却ダクトに延びる乱流発生要素をもたない
ことを特徴とするステータコア組立体（６２）。
【請求項２】
各々の前記凹部（７０）が、２から５ミリメートルの表面直径を有することを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項３】
各々の前記凹部（７０）が、半球形状であることを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項４】
各々の前記凹部（７０）が、０．３から１．５ｍｍの深さを有することを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項５】
Ｄが各々の前記凹部の表面直径であるとき、該凹部（７０）の中心から中心の間隔が、１．１Ｄから２Ｄであることを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項６】
各々の前記凹部（７０）の寸法及び該凹部（７０）の間の間隔が、冷却ダクト内の該凹部（７０）の位置によって変化することを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項７】
各々の前記凹部（７０）が、前記表面（７８）において鋭い縁部（７６）を有することを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項８】
各々の前記凹部（７０）が、前記表面（７８）において湾曲した縁部（１０９）を有することを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項９】
各々の前記凹部（７０）が、半球形状に近い幾何学的形状を有することを特徴とする請求項１に記載のステータコア組立体（６２）。
【請求項１０】
前記パターン状配置の列（７４）は、前記凹部（７０）が互い違い状に並べられた、均等に間隔をおいて配置される複数の列からなることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のステータコア組立体（６２）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
発電機の設計の技術においては、ステータ内部の磁気及び抵抗による損失が熱を発生させ、電気機械的な故障を回避するためにその熱を放散し、除去しなければならないこと、及び、この損失が、与えられた物理的寸法のもとで機械の能力に深刻な制約をもたらすことが知られている。
【０００２】
従来の発電機システムは、通常は、空気又は水素によって、いずれの場合にも流路及び回転領域内での強制的な対流の流れの形態で、冷却される。導体バー間の中心部の温度が所定の限界を超えないことが、発電機コア内のステータバーに対する産業上の要求である。ステータバーの設計及び絶縁、磁束場、コアの設計、及び冷却の設計を含む多くの要因が、運転中に経験される中央部の最高温度に影響を与える。
【０００３】
発電機において高い出力密度に達するために、ステータコアは、薄板の積層体を通しての一定のレベルの冷却を必要とする。従来の発電機においては、ダクトを冷却する冷却気体の流れのための空間を残すために、スペーサリブ又はブロックが、薄板の間に用いられる。空気のような冷却気体が、種々の間隔で、ファンによってステータコアを通り、これらの冷却ダクトを通るように強制される。より具体的には、冷却気体は、ステータコアの半径方向外側の部分から該コアの内側の部分へ運ばれ（又はその逆に）、それにより、該コアを通って流れ、ステータバーを通りすぎる。冷却気体は、ステータコア及びそれに対応するロータから熱を拾い上げ、運び去る。この熱せられた気体は、次に、熱交換器を通って送られ、そこで熱は水のような別の冷却媒体に伝達される。そして、この冷却された気体は、反復かつ連続する工程で、冷却ダクトに再循環させることができる。
【０００４】
従来の発電機において、ステータの冷却ダクトは、平滑な壁の流路、又は乱流発生器を備えた流路を有する。例えば、米国特許第５，８６９，９１２号を参照されたい。米国特許第５，８６９，９１２号においては、隣接するパッケージの積層された薄板が、半径方向に延びる複数のスペーサリブ又はブロックによって分離され、各々の隣接する対のスペーサブロックは、隣接する軸方向に間隔をおいて配置された薄板と協働して、冷却ダクトと各冷却ダクト内の乱流発生器要素を構成しており、各々の乱流発生器要素は、隣接する軸方向に間隔をおいて配置された薄板の一つから該ダクト内に延びる。乱流発生要素の目的は、平滑な壁の流路よりも、熱伝達性能を増加させることである。
【０００５】
乱流発生要素により熱伝達性能は増加するが、ステータの冷却ダクトにおける摩擦損失又は粗構造体損失が高くなることに伴う冷却圧力による不利益が生じ、冷却効率が増加するにつれて圧力低下が増大することにより、全体の発電機の効率が悪影響を受ける。言い換えると、乱流発生要素は、より多くの摩擦を生じさせることがあり、この摩擦は、冷却気体をシステム内に押し込むためにより多くのエネルギーを必要とし、それにより発電機の効率を減少させる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って、従来の発電機の摩擦による不利益を最小限にし又は除きながら、冷却効率を増大させるステータダクト冷却システムの設計を得ることが望ましい。さらに、ステータコアの基本的な大きさを同じに維持しながら、全体の出力効率を増加させることが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半径方向に延びる複数のスペーサブロックによって分離された積層薄板の隣接するパッケージを含み、スペーサブロックの隣接する各対は、軸方向に間隔をおいて配置された隣接する薄板と協働して、複数の半径方向の冷却ダクトを構成し、該ダクトの各々が複数の凹部を有する少なくとも1つの薄板表面を有するステータコア組立体である。
【０００８】
凹部は、ステータコアの冷却ダクトから離れる方向に延びる。凹部は、ダクト壁に隣接する熱せられた気体とダクトの中心線付近の比較的冷たい気体との間の熱伝達の程度を増大させる。この混合の増加した水準が、冷たい気体をダクト壁と接触させ、より大きい熱伝達を可能にする。さらに、凹部は、冷却気体に曝される表面積を増加させる。別の特徴は、各々の凹部において、整った流れの渦が作り出され、そこから放出され、冷たい気体が凹部に流入することを可能にすることである。その結果、本発明によって、（１）冷たい気体と熱せられた気体との混合の増加、（２）冷却気体とダクトとの間の接触のためのより大きい表面積、（３）冷たい気体が凹部に流入しダクトから熱を運び去るのを可能にする渦、のために、より多くの冷却が達成される。
【０００９】
さらに、本発明による設計は、摩擦損失を最小限にしながら、冷却の増大を達成する。このように、本発明は、乱流発生要素を使用する設計に関連した摩擦損失の重要な不利益を解決する。本発明は、乱流発生要素を有する設計（米国特許第５，８６９，９１２号参照）と同一又は同様な利益と有用性を提供するが、乱流発生要素を有する設計に関連した摩擦損失を回避するか又は最小限にするので、より高い全体効率を達成する。
【００１０】
本発明は、新しい機械に容易に組み込むことができ、また、既存の機械に後付けすることができる。現在使用中の、又は、当業者によって合理的に将来の用途が予想される、あらゆる気体又は液体の冷却媒体と共に用いることが可能であるので、本発明を広い範囲の発電機の冷却設計に組み込むことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
上述したように、米国特許第５，８６９，９１２号は、平滑な壁の冷却ダクト又は乱流発生要素をもつ冷却ダクトを有するステータコア薄板組立体について説明している。図１及び図２には、平滑な壁の冷却ダクト１１を有する従来のステータコア薄板組立体１０の一部が示される。この組立体は、１つの「パッケージ」１２の中に約７０の個別の薄板を含むことができる。以下に言及する場合を除いて、これらの薄板パッケージは、およそ１から３インチ（２．５４から７．６２cm）の厚さである。複数の内側スペーサブロック又はロッド１６が、パッケージの「最も外側の」薄板１４に固定され、コア薄板のヨーク部分すなわち領域１８に沿って、半径方向に延びており、また、長い方のスペーサブロック又はロッドが、ヨーク領域１８に沿ってだけでなく、半径方向内方の歯領域２０にも沿うように半径方向に延びている。内側スペーサブロックが溶接された薄板は、パッケージの残りの薄板よりも厚く、通常、０．０２５インチ（０，６３５mm）の厚さである。内側スペーサブロック１６は、隣接するステータコア薄板パッケージ１２に係合する一対の平坦な側面を備えるほぼ長方形又は正方形の形状を有し、よって、隣接するスペーサブロックの間の半径方向に延びる複数の冷却剤通路又はダクトを構成する。内側スペーサブロック１６は、例えばＩビーム断面のような、他の種々の断面を有することができる。特定の冷却構成によっては、冷却剤の流れは、半径方向内向き又は外向きの方向とすることができる。典型的には、内側スペーサブロックは、約０．２５０インチ（６，３５mm）の高さを有し、冷却剤通路の高さも定める。スペーサブロックの幅もまた、約０．２５０インチ（６．３５mm）である。図２は、平滑な壁の冷却ダクト１１（１つのダクト１１のみ示す）を有する従来のステータコア薄板組立体１０の部分断面図である。
【００１２】
図３、図４、及び図５において、乱流発生要素を有する従来のステータコア薄板組立体の部分図が示される。ステータコア薄板パッケージ２２は、半径方向に延びるスペーサブロック２４と隣接する薄板パッケージの２つの隣接する薄板によって半径方向に配向された冷却剤通路が形成されるという点で、図１に示すものとほぼ同様である。図３はまた、半径方向に延びる各々の冷却ダクト内の乱流発生器２６の位置と配向も示している。米国特許第５，８６９，９１２号で説明されているように、乱流発生器２６は、半径方向に規則正しい間隔で配置され、円周方向にステータコア組立体の湾曲にほぼ沿っている。図４は、図３に示す乱流発生器の拡大部分斜視図である。米国特許第５，８６９，９１２号で説明されているように、乱流発生器２６は、冷却ダクトの一方の壁を形成するパッケージ内の、多数の薄板３２、３２ａ、３２ｂ、３２ｃ・・・のうちの一つの薄板３２にのみ形成される。この実施形態において、乱流発生器２６は、０．３８０インチ（９．６５２mm）の幅を有することができ、薄板組立体の平面に対して９０度に配向される。しかしながら、米国特許第５，８６９，９１２号で説明されているように、乱流発生器を、薄板の平面に対して、例えば３０から４５度の間の角度で形成することができる。これらの乱流発生器は、冷却剤通路中に延びるように、薄板から打ち抜かれそして曲げられたリブ又はタブによって形成される。これは、それぞれのパッケージを組み立てる前に行なわれる。乱流発生器が形成される薄板は、約０．０２５インチ（０．６３５mm）の厚さを有し、パッケージ内の他の薄板３２ａ、ｂ、ｃ等は、約０．０１４インチ（０．３５６mm）の壁の厚さを有する。乱流発生器の半径方向の間隔（例えば、約０．３７５インチ(９，５２５mm)）と該乱流発生器の高さ（例えば、約０．２５インチ（６．３５mm））との間の比は、約１５であるが、約５から２０の間であってもよい。図５は、図３に示す従来のステータコア薄板組立体の、線５−５に沿って切り取った部分断面図を示す。乱流発生器の追加の実施形態が、米国特許第５，８６９，９１２号において説明され、示されている。
【００１３】
図６及び図７は、本発明の１つの実施形態によるステータコア薄板組立体６２を示す。ステータコアパッケージ６４は、半径方向に配向された冷却剤通路が、半径方向に延びるスペーサブロック６８と隣接する薄板パッケージの２つの隣接する薄板によって形成されるという点で、図１及び図３に示すものとほぼ同様である。図６はまた、半径方向に延びる各々の冷却ダクト内の複数の凹部７０の位置と配向も示している。示されるように、凹部７０は、ヨーク領域６６又は歯領域６７内に位置させることができる。
【００１４】
より具体的には、この実施形態において、スペーサ板７２には表面凹部７０の列７４が形成される。スペーサ板７２は、他の薄板シート７３とおよそ同じ厚さを有するが、所望ならばより厚くしてもよい。凹部の列７４は、次の特性を有する。
【００１５】
１．スペーサ板７２の最も外側の表面７８にある各々の凹部、すなわち、くぼみ７０は、２から５ミリメートル（ｍｍ）の表面直径を有する開口部７１を有する。
【００１６】
２．各々の凹部７０は半球形状であるが、必ずしも完全な半球ではない。本発明は、半球のセクタ又は弦を含む凹部を含む。例えば、凹部の深さ対表面直径の比は、約０．１０から０．５０とすることができる。凹部の深さ対表面直径の比を０．５０とするとき、該凹部は完全な半球体である。
【００１７】
３．各々の凹部７０は、０．３から１．５ｍｍの最大深さを有する。
【００１８】
４．列７４において凹部７０の中心から中心の間隔は、Ｄが開口部７１における各々の凹部７０の表面直径である場合、約１．１Ｄから２Ｄである。
【００１９】
５．列７４のパターンは、示されるように、列と列の間が互い違い状に並べられた、均等に間隔をおいて配置された凹部７０のパターンとすることができる。しかしながら、ダクトの幅が位置によって変化するので、凹部の寸法及び間隔は、ステータダクト内の位置によって変化すると考えられる。
【００２０】
６．各々の凹部７０は、表面７８との間に角７９を形成する壁７７を有する。さらに、各々の凹部７０は、表面７８において鋭い縁部７６をもつことがあり、それは、角７９が約９０度のときに生じる。しかしながら、例えば、電気的短絡を防ぐ塗装をするために、所望ならば、製造工程において湾曲した縁部を得ることができる。湾曲した縁部を形成する場合には、角７９は、約９０度より大きくなる。図１３は、角７９が約９０度より大きい湾曲した縁部１０９を示す。言い換えると、図１３に示すように、「Ｒ」は、断面図で見て凹部７０の湾曲した縁部１０９に外接しうる最大円の半径である。「Ｒ」は、約０から０．１０インチ（２．５４ｍｍ）である。Ｒ＝０の値は、図８に示すように、鋭い縁部７６となる。
【００２１】
７．凹部７０は、製造方法によって、異なる幾何学的形状（半球体でない）をとることができる。
【００２２】
当業者には、与えられた用途のための正確な又は最適な凹部の設計及び整列状態が、特定の機械の設計条件によって定まることが分かるであろう。幾つかの条件において使用される可能性のある設計を示すために、実現可能な範囲のパラメータを提示してきた。
【００２３】
当業者には、本発明による凹部７０を、多くの方法で形成できることが分かるであろう。以下は、その例に含まれるが、それらに限定されるものではない。
【００２４】
１．プレス加工により予め成形された板。
【００２５】
２．単一の板にパターン状の型打ちをすることによる成形。
【００２６】
３．局所的な道具又は手での型打ちによる成形又はくぼみ付け。
【００２７】
４．道具又は型打ちによる成形で1枚の板に凹部を形成し、次いで、この板を、上にくる板の変形された部分を受けるようにされた貫通穴が切り抜き又は打ち抜きにより形成された第２の板の上に重ねる。（この構造は、図８に示される）。
【００２８】
５．円錐の穴を板に打ち抜く（この構造は、図９に示される）。
【００２９】
６．円形の穴を打ち抜き、続いて、凹部の底部を丸くするための軽い型打ち（この構造は、図１０に示される）。
【００３０】
７．種々の大きさの穴が打ち抜きされた層の積層（種々の構造が、図１１と図１２に示される）。
【００３１】
図８に示すように、コア薄板組立体８１は、凹部７０を有するように形成された第１の板８０を含むステータコアパッケージ８３を有し、第２の板８２には、該第１の板８０の凹部７０を受けるように穴８４が内部に形成される。図７と同様に、図８は、角７９が約９０度である場合には、鋭い縁部７６となることを示す。
【００３２】
図９に示すように、２つ又はそれ以上の薄板９０を、個別に又は一緒に打ち抜きし、互いに積み重ねることができる。薄板９０を一かたまりの積層体として打ち抜く場合には、得られる凹部９２に対し精密で厳しい許容差が可能になる。２つ又はそれ以上の薄板９０の積層体９４を、平坦な底部薄板９６の上に置くことができる。図９には、約０．７ｍｍの厚さ、約２から５ｍｍの凹部９２の開口部９３、及び、各々の薄板９０の斜面９１と積層体９４内の次の板の水平面との間の約４５から５０度の角度を有する積層体９４を示す。
【００３３】
図１０に示すように、１つの薄板１００が、丸い穴１０２を打ち抜かれ、平坦な薄板１０４の上に積み重ねられ、次に凹部１０８の底部１０６を丸くするように軽く型打ちされる。図１０は、約０．３５ｍｍの厚さ、及び、約２から５ｍｍの凹部１０８の開口部１０１を有する薄板１００を示す。
【００３４】
図１１に示すように、各々がそれぞれ異なる大きさの円錐の穴１１２及び１１３を有する多数の薄板１１０及び１１１を、平坦な薄板１１４の上に積み重ねることができる。結果として、一対の傾斜した壁１１５を有する凹部１１６が得られる。
【００３５】
図１２に示すように、各々がそれぞれ異なる大きさの穴１２２及び１２３を有する多数の薄板１２０及び１２１を、平坦な薄板１２４の上に積み重ねることができる。結果として、一対の垂直な壁１２５を有する凹部１２６が得られる。
【００３６】
各々の凹部は、半球体の形状（例えば、図６から図８に示すように）、又は、半球体の形状に近い幾何学的形状（例えば、図９から図１２に示すように）を有する。半球体の形状に近い幾何学的形状を有する凹部は、該凹部の開口部９３の断面積が凹部の底部９５の断面積と等しいかそれより大きく、かつ、少なくとも一つの凹部の断面積が、円形又は実質的に円形の形状である。
【００３７】
説明してきた本発明の各々の実施形態において、凹部は、それぞれの冷却ダクトの一方の側のみから延びるように示されている。しかしながら、凹部は、半径方向に一列に並べられた関係又は互い違い状にされた関係で、ダクトの両側から延びてもよい。例えば、図６と図７に示す実施形態において、凹部７０を有するスペーサ板の表面７８に向き合う隣接するスペーサ板８８の表面８６上に凹部７０を形成して、流れダクトの両方の表面８６及び７８が凹部７０を有するようにすることにより、さらに冷却を増進させることができる。
【００３８】
図６及び図７に示す構成に類似する凹部７０を有する冷却ダクトの試験は、凹部を有する壁における熱伝達性能が、平滑な壁の冷却剤通路で見られる性能と比較して約４０から５０％増大し、また、摩擦の不利益がほとんどないか、又は全くないことを示している。
【００３９】
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、開示された実施形態に限定されず、これに反して、特許請求の範囲の技術思想と技術的範囲内に含まれる種々の変更及び均等の構成を含むように意図していることが理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  平滑な壁の冷却ダクトを有する従来のステータコア薄板組立体の部分側面図。
【図２】  図１に示す従来のステータコア薄板組立体の線２−２に沿って切り取った部分断面図。
【図３】  乱流発生要素を有する従来のステータコア薄板組立体の部分側面図。
【図４】  図３に示す乱流発生器の拡大部分斜視図。
【図５】  図３に示す従来のステータコア薄板組立体の、線５−５に沿って切り取った部分断面図。
【図６】  本発明の１つの実施形態によるステータコア薄板組立体の部分側面図。
【図７】  図６に示すステータコア薄板組立体の、線７−７に沿って切り取った部分断面図。
【図８】  本発明の別の実施形態によるステータコア薄板組立体の部分断面図。
【図９】  本発明の別の実施形態によるステータコア薄板組立体の部分断面図。
【図１０】  本発明の別の実施形態によるステータコア薄板組立体の部分断面図。
【図１１】  本発明の別の実施形態によるステータコア薄板組立体の部分断面図。
【図１２】  本発明の別の実施形態によるステータコア薄板組立体の部分断面図。
【図１３】  本発明の別の実施形態によるステータコア薄板組立体の凹部の部分断面図。
【符号の説明】
６２  ステータコア薄板組立体
６４  ステータコアパッケージ
６６  ヨーク部分
６７  歯部分
６８  スペーサブロック
７０  凹部
７２  スペーサ板
７４  凹部の列
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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