(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの径方向冷却ダクトを有し、軸端領域の少なくとも一部分の径方向外周上に配設されることが可能であり、軸端部に向かって径方向内側部で少なくとも部分的に開いており、したがって径方向冷却ダクトに連通して接続されることが可能であり、軸端領域に対して封止されている、少なくとも１つの環状室と、この環状室に連通して接続されている少なくとも１つの低圧ラインであって、環状室は、この少なくとも１つの低圧ラインを介して回転電機内の低圧室に連通して接続されることが可能であり、回転電機内の回転子上のシャフトに取り付けられたファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトに取り付けられたファンの上流にある、少なくとも１つの低圧ラインとを有する、回転電機、特に発電機内の固定子の少なくとも１つの軸端領域を冷却する装置に関する。
2017535242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機（１）、特に発電機、の固定子（２）の少なくとも１つの軸端領域（１１）を冷却する装置（１０）であって、
−  少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクト（３）を有する前記軸端領域（１１）の少なくとも一部分の外周上に径方向に配置され得る少なくとも１つの環状室（１２）であって、前記軸端領域（１１）の方向の径方向内側に少なくとも部分的に開いており、結果として前記径方向冷却ダクト（３）に連通して接続され得るように設計されており、前記軸端領域（１１）に対して封止されている、少なくとも１つの環状室（１２）と、
−  前記環状室（１２）に連通して接続されている少なくとも１つの低圧ライン（１３）であって、前記環状室（１２）は、前記少なくとも１つの低圧ライン（１３）を介して前記回転電機（１）の低圧空間（６）に連通して接続されることが可能であり、前記低圧空間（６）は、前記回転電機（１）の回転子（４）に配置されているシャフトファン（５）により生成され得る冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より上流に配置されている、少なくとも１つの低圧ライン（１３）と
を有する、装置（１０）。
【請求項２】
前記低圧ライン（１３）内の流体流を強化し得る少なくとも１つのファン（１６、１７）が、前記低圧ライン（１３）内に配置されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記低圧ライン（１３）が、前記回転電機（１）の固定子巻線ヘッド（９）を含む高圧空間（８）の径方向に延在する隔壁（１４、１５）を貫通して軸方向に案内されており、前記空間（８）は、前記シャフトファン（５）により生成され得る前記冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より下流に配置されている、請求項１または２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
回転電機（１）、特に発電機であって、
−  径方向に延在する冷却ダクト（３）を有するプレートスタックとして設計されている固定子（２）と、
−  少なくとも１つのシャフトファン（５）が前記固定子（２）の外側に配置されている回転子（４）と、
−  前記シャフトファン（５）により生成され得る冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より上流に配置されている少なくとも１つの低圧空間（６）と、
−  固定子巻線ヘッド（９）を含む少なくとも１つの高圧空間（８）であって、前記シャフトファン（５）により生成され得る前記冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より下流に配置されている少なくとも１つの高圧空間（８）と、
−  請求項１から３のいずれか一項に記載の少なくとも１つの装置（１０）と
を有する、回転電機（１）。
【請求項５】
回転電機（１）、特に発電機、の固定子（２）の少なくとも１つの軸端領域（１１）を冷却する方法であって、前記軸端領域（１１）の少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクト（３）を通って流れる冷却流体が、環境に対して封止されている低圧ラインユニットにより選択的に吸引され、前記低圧ラインユニットは、前記回転電機（１）の低圧空間（６）に連通して接続されており、前記低圧空間（６）は、前記回転電機（１）の回転子（４）に配置されているシャフトファン（５）により生成され得る冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より上流に配置されている、方法。
【請求項６】
前記低圧ラインユニット内の流体流が、前記低圧ラインユニット内に配置されている少なくとも１つのファン（１６、１７）により強化される、請求項５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機、特に発電機の固定子の少なくとも１つの軸端領域を冷却する装置および方法に関する。
【０００２】
本発明は、回転電機、特に発電機にさらに関する。
【背景技術】
【０００３】
エネルギー市場におけるより高い柔軟性への要求に応えて、ガスタービン駆動型の動力装置は、それらが柔軟に使用され得るという理由で、負荷追従モードで動作することが益々一般的になっている。ここで、動作は、動力装置の発電機の出力グラフの不足励磁出力範囲（underexcited output range）内で増大する。この低活性出力範囲は、とりわけ、最大閾値を超過するべきではない、発電機の固定子の軸端領域内の加熱により、制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、回転電機および回転電機を備えた動力装置の有用性を高めることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
回転電機、特に発電機、の固定子の少なくとも１つの軸端領域を冷却する、本発明による装置は、
−  少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクトを有する軸端領域の少なくとも一部分の外周上に径方向に配置され得る少なくとも１つの環状室であって、軸端領域の方向の径方向内側に少なくとも部分的に開いており、結果として径方向冷却ダクトに連通して接続され得るように設計されており、軸端領域に対して封止されている、少なくとも１つの環状室と、
−  環状室に連通して接続されている少なくとも１つの低圧ラインであって、環状室は、この少なくとも１つの低圧ラインを介して回転電機の低圧空間に連通して接続されることが可能であり、この空間は、回転電機の回転子に配置されているシャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより上流に配置されている、少なくとも１つの低圧ラインと、
を備える。
【０００６】
本発明によれば、軸端領域の少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクトを通って流れる冷却流体が、環境に対して封止されている低圧ラインにより、内側から径方向外側に選択的に吸引され、このラインは、回転電機の低圧空間に連通して接続されており、この空間は、回転電機の回転子上に配置されているシャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより上流に配置されている。結果として、固定子の軸端領域は、少なくとも所々、固定子の残部より広い範囲まで冷却される。
【０００７】
軸端領域の強化された冷却により、回転電機の出力グラフにおける不足励磁出力範囲の出力上限が引き上げられることが可能であり、その結果として、不足励磁出力範囲は拡大され得る。これにより、回転電機および回転電機を備えた動力装置が、より広い使用範囲を有することが可能になる。特に、固定子の本発明による冷却と回転電機の出力グラフにおける不足励磁出力範囲の付随する拡大との結果として、必要とされる容量性無効電力が利用可能になり得るため、動力装置が、再生可能エネルギーの高給送により支配されているグリッド環境（grid environment）において、効率的に動作し得る。
【０００８】
回転電機の出力グラフにおける不足励磁出力範囲の対応する拡大は、従来、積層シートを有するシートスタックとして形成されている、回転電機の固定子の軸端領域を再積層することによってのみ、実施されることが可能であった。しかし、これは、例えば、完全な含浸技術を用いて製造された固定子を備えた発電機の場合には、実施されることが不可能である。そのような発電機の場合には、発電機の出力グラフにおける不足励磁出力範囲の拡大を得るために、巻かれた固定子シートスタック全体を、修正された端部区域を有する固定子シートスタックと交換することのみが可能である。
【０００９】
回転電機のその不足励磁出力範囲内での動作中に、プレートスタックとして設計され得る固定子の軸端領域内に最大熱が生じる。そのような軸端領域は、径方向内側に、下降する一連の段を有し得る。本発明の範囲内で、固定子の両軸端領域は、本発明による独立した装置を用いたいずれの場合にも、相応に冷却され得る。
【００１０】
少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクトを有する軸端領域の少なくとも一部分の外周上に径方向に配置され得る環状室は、金属または別の耐熱材料から作製され得る。あるいは、環状室は、複合材料から作製されてもよく、その結果として、プレートスタックおよび回転電機の他の構成要素、例えば隔壁の電気的デカップリングが達成され得る。いずれの場合でも、環状室の接地が確実にされるべきである。環状室は、横断面においてＣ形またはＵ形の設計を有し得る。また、環状室は、２つ以上の径方向に延在する冷却ダクトを備えた軸端領域の部分の外周上に径方向にそれが配置され得るような方法で、軸端領域上に設計され、配置されることが可能である。環状室は、軸端領域の方向の径方向内側に部分的にまたは完全に開いているように設計されており、その結果として、少なくとも１つの径方向冷却ダクトに連通して接続され得る。環状室は軸端領域に対して封止されており、この環状室により、少なくとも１つの冷却ダクトを通って流れる冷却流体のみが吸い出され、環状室の周辺領域の残部にある冷却流体は吸い出されず、この冷却流体は、環状室内へ開いていない、径方向に延在する冷却ダクトを通って固定子を離れる。これは、本発明による冷却の効率性を大幅に低下させ得る。本装置は、互いに隣接して軸方向に配置され得る２つ以上の環状室を有することも可能である。
【００１１】
環状室に連通して接続されている低圧ラインは、金属または別の耐熱材料から作製され得る。低圧ラインは、所定の範囲まで固くまたは柔軟であるように設計され得る。本装置は、２つ以上の対応する高圧ラインを有してもよい。
【００１２】
回転電機の回転子上に配置されているシャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより上流に配置されている回転電機の低圧空間は、従来、回転電機を冷却するために存在している。回転子が回転している場合のシャフトファンの動作の結果として、本発明による、少なくとも１つの環状室および少なくとも１つの低圧ラインにより冷却流体を吸い出すために使用される低圧空間内に、静減圧が生成される。したがって、本発明による冷却を生じさせるために、回転電機に取り付けられなければならない、いかなるさらなる構成要素も必要がない。
【００１３】
低圧ライン内の流体流を強化し得る少なくとも１つのファンが、低圧ライン内に配置されていることが好ましい。搬送能力は高められ、低圧ライン内の流体流は、装置の冷却効果をより大幅に高める、特に、制御可能なファンの挿入の結果として、強化されることが可能である。結果として、回転電機の出力グラフにおける不足励磁出力範囲は、より拡大されることが可能であり、それにより回転電機の有用性がさらに高まる。ファンは、それぞれの冷却の必要性に応じて制御されても、または一定に動作してもよい。２つ以上の対応するファンが低圧ライン内に配置されてもよい。
【００１４】
低圧ラインは、回転電機の固定子巻線ヘッドを含む高圧空間の径方向に延在する隔壁を貫通して軸方向に案内されていることが好ましく、この空間は、シャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより下流に配置されている。高圧空間は、これらの隔壁の一方により、回転電機の低圧空間から分離され得る。さらなる隔壁は、固定子の軸端領域の外周上に径方向に配置され得る。低圧ラインが隔壁を貫通して案内されている結果として、低圧ラインは、回転電機に取り付けられる必要があり得るいかなるさらなる構成要素もこの目的のために必要とされることなく、その所望の位置に保持される。
【００１５】
本発明による回転電機、特に発電機は、
−  径方向に延在する冷却ダクトを備えたプレートスタックとして設計されている固定子と、
−  少なくとも１つのシャフトファンが固定子の外側の位置に配置されている回転子と、
−  シャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより上流に配置されている少なくとも１つの低圧空間と、
−  固定子巻線ヘッドを含み、シャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより下流に配置されている少なくとも１つの高圧空間と、
−  先行する実施形態のうちの１つまたはこれらの任意の組合せによる少なくとも１つの装置と、
を備える。
【００１６】
装置に関して前述されている利点は、回転電機に相応に関連する。回転電機は、発電機、特にタービン発電機として設計され得る。吸引モードまたは送風モードで動作する２つ以上のシャフトファンが、回転子上に配置されてもよい。回転電機は、固定子の各軸端領域のための別個の低圧空間を有し得る。回転電機は、固定子の各軸端領域のための別個の高圧空間をさらに有し得る。回転電機は、固定子の各軸端領域のための少なくとも１つの別個の装置を有し得る。
【００１７】
回転電機、特に発電機、の固定子の少なくとも１つの軸端領域を冷却する、本発明による方法によれば、軸端領域の少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクトを通って流動する冷却流体が、環境に対して封止されている低圧ラインユニットにより選択的に吸引され、このラインユニットは、回転電機の低圧空間に連通して接続されており、この空間は、回転電機の回転子上に配置されているシャフトファンにより生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファンより上流に配置されている。
【００１８】
装置に関して前述されている利点は、本方法に相応に関連する。また、固定子の両軸端領域は、相応に冷却され得る。低圧ラインユニットは、少なくとも１つの環状室と、該環状室に連通して接続されている少なくとも１つの低圧ラインと、により形成され得る。
【００１９】
低圧ライン内の流体流が、低圧ライン内に配置されている少なくとも１つのファンにより強化されることが好ましい。装置の対応する実施形態に関して前述されている利点は、この実施形態に相応に関連する。
【００２０】
本発明による回転電機の好適な実施形態が、添付の概略的な図面を用いて、以下に説明されている。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による回転電機の例示的実施形態の一部の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は、発電機の形態における、本発明による回転電機１の例示的実施形態の部分の図を示す。
【００２３】
回転電機１は、径方向に延在する冷却ダクト３を備えたプレートスタックとして設計されている固定子２を含む。回転電機１は、少なくとも１つのシャフトファン５が固定子２の外側の位置に配置されている回転子４をさらに含む。
【００２４】
回転電機１は、シャフトファン５により生成されることが可能であり、矢印７で指示されている冷却流体流に対して、シャフトファン５より上流に配置されている少なくとも１つの低圧空間６をさらに含む。また、回転電機１は、固定子巻線ヘッド９を含み、シャフトファン５により生成され得る冷却流体流に対して、シャフトファン５より下流に配置されている少なくとも１つの高圧空間８を含む。
【００２５】
回転電機１は、回転電機１の固定子２の図示の軸端領域１１を冷却する少なくとも１つの装置１０をさらに含む。
【００２６】
装置１０は、２つの径方向に延在する冷却ダクト３を有する、軸端領域１１の部分の外周上に径方向に配置され得る環状室１２を含む。環状室１２は、軸端領域１１の方向の径方向内側に少なくとも部分的に開いており、結果として、２つの径方向に延在する冷却ダクト３に連通して接続されているように設計されている。環状室１２は、軸端領域１１に対して封止されている。
【００２７】
装置１０は、環状室１２に連通して接続され、環状室１２を回転電機１の低圧空間６に連通して接続している少なくとも１つの低圧ライン１３をさらに含む。低圧ライン１３は、高圧空間８の径方向に延在する隔壁１４および１５を貫通して軸方向に案内されている。低圧ライン１３内の流体流を強化し得る２つの駆動可能なファン１６および１７が、低圧ライン１３内に配置されている。ただし、ファン１６および１７は、形成された静圧降下が対応する冷却能力を引き起こすのに不十分である場合にのみ必要とされる。環状室１２は、低圧ライン１３と共に、低圧ラインユニットを形成している。
【００２８】
矢印７で指示されている冷却流体の流動方向に関して、冷却流体が冷却するために再度使用され得るように固定子２および回転子４内で加熱された冷却流体を再冷却し得る冷却器１８が、固定子より下流に配置されている。
【００２９】
回転電機１は、固定子２および回転子４の作動部を取り囲んでいるハウジング１９を含む。ハウジング１９は、端壁２０と、固定子２に対して径方向外側に配置されている外壁２１とを含む。
【００３０】
固定子２は、固定子構成要素２２および固定子巻線ヘッド９が締結されている支持ユニット２３を含む。
【００３１】
本発明は、好適な例示的実施形態により、詳細に例示され、記載されているが、本発明は、開示されている例によって限定されず、本発明の範囲を越えることなく、他の変形形態が当業者により導き出されることが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１  回転電機
２  固定子
３  径方向（に延在している）冷却ダクト
４  回転子
５  シャフトファン
６  低圧空間
７  矢印、冷却流体流
８  高圧空間
９  固定子巻線ヘッド
１０  装置
１１  軸端領域
１２  環状室
１３  低圧ライン
１４、１５  隔壁
１６、１７  ファン
１８  冷却器
１９  ハウジング
２０  端壁
２１  外壁
２２  固定子構成要素
２３  支持ユニット
【図１】
2017535242.tif 000003
【手続補正書】
【提出日】平成29年8月3日(2017.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電機（１）の固定子（２）の少なくとも１つの軸端領域（１１）を冷却する装置（１０）であって、
−  少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクト（３）を有する前記軸端領域（１１）の少なくとも一部分の外周上に径方向に配置され得る少なくとも１つの環状室（１２）であって、前記軸端領域（１１）の方向の径方向内側に少なくとも部分的に開いており、結果として前記径方向に延在する冷却ダクト（３）に連通して接続され得るように設計されており、前記軸端領域（１１）に対して封止されている、少なくとも１つの環状室（１２）と、
−  前記環状室（１２）に連通して接続されている少なくとも１つの低圧ライン（１３）であって、前記環状室（１２）は、前記少なくとも１つの低圧ライン（１３）を介して前記回転電機（１）の低圧空間（６）に連通して接続されることが可能であり、前記低圧空間（６）は、前記回転電機（１）の回転子（４）に配置されているシャフトファン（５）により生成され得る冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より上流に配置されている、少なくとも１つの低圧ライン（１３）と
を有する、装置（１０）。
【請求項２】
前記低圧ライン（１３）内の流体流を強化し得る少なくとも１つのファン（１６、１７）が、前記低圧ライン（１３）内に配置されている、請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
前記低圧ライン（１３）が、前記回転電機（１）の固定子巻線ヘッド（９）を含む高圧空間（８）の径方向に延在する隔壁（１４、１５）を貫通して軸方向に案内されており、前記高圧空間（８）は、前記シャフトファン（５）により生成され得る前記冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より下流に配置されている、請求項１または２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
回転電機（１）であって、
−  径方向に延在する冷却ダクト（３）を有するプレートスタックとして設計されている固定子（２）と、
−  少なくとも１つのシャフトファン（５）が前記固定子（２）の外側に配置されている回転子（４）と、
−  前記シャフトファン（５）により生成され得る冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より上流に配置されている少なくとも１つの低圧空間（６）と、
−  固定子巻線ヘッド（９）を含む少なくとも１つの高圧空間（８）であって、前記シャフトファン（５）により生成され得る前記冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より下流に配置されている少なくとも１つの高圧空間（８）と、
−  少なくとも１つの請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（１０）と
を有する、回転電機（１）。
【請求項５】
回転電機（１）の固定子（２）の少なくとも１つの軸端領域（１１）を冷却する方法であって、前記軸端領域（１１）の少なくとも１つの径方向に延在する冷却ダクト（３）を通って流れる冷却流体が、環境に対して封止されている低圧ラインユニットにより選択的に吸引され、前記低圧ラインユニットは、前記回転電機（１）の低圧空間（６）に連通して接続されており、前記低圧空間（６）は、前記回転電機（１）の回転子（４）に配置されているシャフトファン（５）により生成され得る冷却流体流に対して、前記シャフトファン（５）より上流に配置されている、方法。
【請求項６】
前記低圧ラインユニット内の流体流が、前記低圧ラインユニット内に配置されている少なくとも１つのファン（１６、１７）により強化される、請求項５に記載の方法。
【国際調査報告】
2017535242.tif 000004
2017535242.tif 000005
2017535242.tif 000006
2017535242.tif 000007