JP4054229B2 - 内部冷却電気導体の配置構成 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、それぞれ１つの縦導体と横導体とを備えた、特に発電機回転子のコイル用内部冷却電気導体の配置構成に関する。内部冷却導体とは、特に、半径方向に冷却される導体と異なり、直接内部冷却される導体を言う。
【０００２】
【従来の技術】
例えば約４５０ＭＶＡ以上の出力を持つターボ発電機のコイルのような、高い電流強度に合せて設計された電気導体は、通常、内部の冷却路を用いて冷却される。導体の断面内や導体断面の直近に、大部分は導体に対し平行に、少なくとも１つの冷却路が配置されている。この冷却路又は各冷却路を経て冷却流体、特に冷却ガス、好ましくは水素がかなりの速度で通されるが、その冷却路の流体技術的な構成が直接、流体速度及び冷却効果に、従って発電機の達成可能な出力に影響する。冷却路を備えたこの種電気導体は、例えばドイツ特許第１９５４３３９２号明細書により公知である。この場合、冷却路の入口範囲の流れ抵抗は、導体をこの範囲で分岐することで低減している。
【０００３】
内部冷却導体における流れ抵抗に、特に冷却路の屈曲、特に屈曲の極限例としての屈折が関与し、冷却媒体流の方向転換に起因する流れ抵抗は、曲げ半径が小さければ小さいほど、それだけ大きくなる。各冷却路への入口での損失並びに各出口での損失も考慮せねばならい。
【０００４】
発電機回転子の電気導体は、主にその軸に平行に走っている。端面側、所謂巻線頭部において軸方向の導体部分に接線方向に延びる導体部分が接続される。互いにほぼ垂直な導体部分間のこの接続は、ドイツ特許出願公開第１０３６３７０号明細書で公知のように、導体の屈曲により行われ、冷却路もほぼこの屈曲に応じて屈曲している。この導体と冷却路の構成は、確かに、導体内部及び冷却路の屈折を回避しているが、内部に冷却路を持つ導体の場合、その屈曲のため製造技術的に複雑である。
【０００５】
製造技術的に比較的簡単な方法で、接線又は半径方向に延びる導体部分と軸方向に延びる導体部分を物質的に、特にろう付けで結合することができるが、その場合、個々の導体部分は各々直線状であり、両部分はほぼ直角を成して交わる。このろう付けにより、接続された導体部分の１つ又は複数の冷却路は閉塞されてしまう。この理由から、互いに垂直に接続された導体部分の接続位置に各々１つの別箇のガス入口又はガス出口を設けねばならない。この結果、特に一方では軸方向導体部分の冷却路そして他方では接線方向の冷却路を並列接続する場合、複数の冷却路が互いに大きく異なる長さとなり、それら冷却路内で冷却流体はそれに応じて異なる程度に加熱される。個々の導体部分に異なる熱負荷が現われることは、発電機の達成可能な出力に悪影響を及ぼす。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の課題は、特に発電機回転子のコイル用内部冷却導体の、製造技術的に好適で、かつ冷却媒体の流れの好適な配置構成を提示することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この課題は、本発明によれば、請求項１の特徴により解決される。即ち、本発明では、各１つの縦導体と、これに接続された１つの横導体とを備え、この縦導体又は横導体が各々少なくともほぼ互いに平行に延びる、複数の隣接配置された導体において、第一導体の縦導体の冷却路が、隣接する第二導体の横導体の冷却路に接続される。
【０００８】
その場合本発明は、冷却媒体の流れ構成は内部冷却電気導体の配置構成において、電流の流れに無関係に考察するという考えから出発する。２つの電気的に互いに接続された導体部分の冷却路の直接結合は不必要である。逆に、電気的に互いに接続されていない導体部分の冷却路を流体技術的に結合できる。冷却路を構成する際は流れ抵抗を小さくすることが優先されるので、流れの方向転換はできるだけ大幅に回避すべきである。更に、個々の冷却路の長さも、充分に均一な冷却を保証すべく、余りに大きく異なっていてはならない。
【０００９】
導体内部での縦導体と横導体の直角状の結合は、横又は縦導体の端面を他の導体部分の壁とろう付けにより結合することで形成される。この場合、両導体部分の断面積は互いに異なっていてもよい。各ろう付け部の弱体化を回避すべく、冷却路は横又は縦導体の端面に、ろう付け部を通して真直ぐに敷設できないから、この位置において冷却媒体は流れ方向を変え、例えばこの導体部分の長側面の壁に孔、即ち所謂打ち抜きを設け、これを介して導かれている。冷却媒体を更に流す際に、方向転換の数を最小に制限せねばならない。
【００１０】
１つの導体で形成されたアングルに、同様に、横導体と縦導体とからなる内側導体があり、この両導体の横又は縦導体が僅かな間隔で少なくともほぼ互いに平行に配置される場合、内側導体の横或いは縦導体端面は外側導体の縦又は横導体の壁に対向する。それ故、内側導体のこの自由端面と、外側導体の対向する部分に配置される冷却路との間に接続路が設けられる。この接続路により、冷却媒体の流れは内側導体の部分から外側導体のこれに直角に配置された部分に又はその逆に只１度の方向転換で導かれるので、冷却媒体の流れが良好となる。
【００１１】
ずれて配置された導体はその長さが異なる。この場合、外側導体では、通常縦導体も横導体も内側導体のそれよりも長い。互いに入り交じったアングルの長さは、外から中に向かって減少する。横及び縦導体の冷却路が、導体の部分導体として各々直列に接続されるから、外側導体は熱的に最も大きく負荷を受ける。外側導体の横或いは縦導体の冷却路を内側導体の縦或いは横導体の冷却路に結合することでこの負荷は減少する。同様に、外側の部分導体に接続されていない、内側にある導体の部分導体は、場合によっては、各々１つの横導体と１つの縦導体を備え、全体で少なくとも３つの互いにずれて配置された導体の場合、なお更に内側にある導体の部分導体に結合される。それ故、各々異なる導体の２つの部分導体が接続され、単に最外側導体の部分導体と最内側導体の部分導体が専用の冷却路を備える。この場合、最外側導体の専用冷却は、他の部分導体に比べその長さが長いので、熱負荷を制限する上で特に好都合である。
【００１２】
導体内に又はそれに接して複数の冷却路が配置されている場合、しばしば、唯一の冷却路の利用で充分である。この場合、異なる導体の冷却路間の接続は、接続路がある１つの導体の活きている冷却路を直線的に延長し、これに垂直に配置された他の導体の冷却路の１つに導き、他方導体の各々他の冷却路は、例えば閉鎖部材で閉鎖するよう構成すると有利である。
【００１３】
個々の互いに実質的に平行に走る導体又は例えばコイルの導体束の間には、機械的な機能を果たすと共に個々の導体又は導体束を絶縁して互いに間隔を置いて保持する支持部材が配置される。接続路は、この支持部材又はかかる支持部材の配置に伴い生ずる自由空間を通して導かれる。更にこの支持部材を経て、もう１つの接続路を、部分導体の複数の冷却路の１つと、同一導体の別の部分導体の冷却路との間に設けることができる。
【００１４】
これにより得られる利点は、特に、一方では導体断面内にある又はそれに接する複数の冷却導体が利用できることにある。他方では、部分導体内又はそれに接して流れる冷却流体の部分流のみが接続された部分導体へのロウ接続を迂回する相対的に長い接続路を経てこれに導かれ、一方冷却流体の他の部分が比較的短くかつ直線状の接続路を経て他の導体の冷却路に流入する。ろう接続を迂回する接続路は、冷却流体の部分流だけに合せて設計されるので、支持部材内部に充分スペースがあり、この部材を実際に弱めない程度の小さい断面にできる。この迂回路を経て流れる冷却流体が冷却能力の一部を引き受けるので、冷却流体の流れ速度を減らし、冷却流体循環のためのエネルギー需要を小さくできる。それ故、同じ流速において冷却能力、従って発電機の場合発電機出力を増大できる。
【００１５】
冷却流体が冷却路から出る出口のために、それ自体公知のように、例えば発電機回転子のコイルにおいて半径方向に重なりあっている複数の導体及び冷却路を通して導かれる孔又は打ち抜きを設けることができる。異なる冷却流体の流れを目的に合せて配分すべく、ドイツ特許第１９５４３３９２号明細書から公知のように、冷却路の冷却路挿入体を配置できる。これにより、如何なる冷却流体の流れが如何なる通路に導体から流出するかが定まる。
【００１６】
本発明による利点は、特に異なる導体の冷却路間での、良好な流れの接続により、圧力損失を少なくして均一な冷却を達成可能な点にある。これにより冷却流体の循環に要するエネルギーが減り、導体に通流可能な電流強度が高まるので、全体として発電機のより好ましいエネルギーバランスが生ずる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を、図面に基づき詳しく説明する。
図１は、導体２、３を備え、冷却流体Ｋにより冷却される発電機回転子１を部分的に示す。この導体２、３は、回転子ボディ４の範囲で軸方向に延び、巻線頭部５の範囲で縦導体６、７と、これに直角に接続されて接線方向に延びる横導体８、９とを備えている。複数の導体２、３は各々半径方向に互いに重なって配置され、コイルＧ、Ｈを形成している。部分的に例示したコイルＧ、Ｈは、発電機回転子１に配置したコイルの最外側のそれであり、これらコイルは内側から外側に向かってＡからＨとされ、その長さはＡからＨに向かって増大している。
【００１８】
図２は、縦導体６、７と横導体８、９を備えた巻線頭部５を部分的に示す。この場合、図１と異なり、縦導体６、７を横導体８、９の左側に配置している。個々の導体部分６〜９は、各々２つの冷却路１０を備える。導体２、３間及び導体３の傍に、部分的に示す支持部材１１があり、これはガス入口１２及びガス出口１３により分断されている。冷却流体Ｋは、このガス入口１２及びガス出口１３において少なくとも部分的に図の平面に対し垂直に流れる。導体２、３は縁部のろう付け１４で接続されている。横導体９の端面１５において支持部材１１は中断され、接続路１６が縦導体６の冷却路１０に繋がっている。この場合、接続導体１６の一部を縦導体６の孔１７が形成している。各導体２の縦導体６及び導体３の横導体９の冷却路１０は、従って直列に接続されている。
【００１９】
同様にして、導体３の縦導体７は更に内側にある導体の図示しない横導体に接続されている。各導体２、３内部の冷却路は閉鎖されている。導体２に属する外側の横導体８は、別個のガス入口１２と出口１３を持つ冷却路１０を備える。
【００２０】
図３に示す実施例では、導体２、３の各２つの冷却路１０が活きている。横導体９の端面１５は縦導体７の壁にろう付けで結合されている。縦導体７の端面１８で支持部材１１は中断されている。縦導体７から流出する冷却流体Ｋは、２つの道を経て横導体８、９に流入する。その１つでは、冷却流体Ｋは冷却路１０ａを経て縦導体７の端面１８から流出し、対向して存在する横導体８の冷却路１０に対応の開口１９を経て流入する。もう１つでは、冷却流体Ｋは縦導体７内部の冷却路１０ｂから、移行路２１を形成する支持部材１１の空所を経て横導体９の冷却路１０に導かれる。冷却路１０ａ、１０ｂを経て流れる冷却媒体流を完全に分断する中間壁２０が設けられている。
【００２１】
図３に示す実施例は、各々２つの冷却路１０を少なくとも導体２、３の部分に利用できる利点を持つ。同時に冷却流体Ｋを縦導体６、７から１つ又は複数の横導体８、９に導入する際、冷却流体Ｋの唯一の部分流だけが数回方向を変えることになる。縦導体６の冷却路１０から横導体８の冷却路１０に流入する冷却流体がその例外である。この際縦導体６から流出する冷却流体Ｋを、只一度９０°方向を変えるだけで横導体８の冷却路１０に移行させることは不可能である。しかし、これは最外側導体２内の冷却路１０の問題なので、更に内側の導体３に比べて、移行路２１の流れの良好な形成のために好ましい設置条件が与えられる。
【００２２】
図４ａ〜４ｃは巻線頭部５のガス出口１３を異なる断面で示す。ガス出口１３は発電機回転子１の軸２２に配置され、その断面は図４ａに示すように台形をなしている。内部冷却導体２はガス出口１３の範囲で軸２２に対し直角に延びている。冷却流体Ｋは冷却路１０から軸２２の両側においてこれに向かって流れ、ガス出口１３で９０°方向を変える。ガス出口１３の中央には、各導体２毎に、軸２２の両側からガス出口１３に向かって流れる冷却流体の流れを分離する１つの挿入体２３を配置している。重なり合った冷却路１０は、ガス出口１３の範囲で種々の冷却路１０からこの断面に流れる冷却流体Ｋが多ければ多い程、流路断面積がそれだけ大きくなるよう、異なる大きさで開いている。
【図面の簡単な説明】
【図１】内部冷却導体を備えた発電機回転子を一部破砕して透視図で示す。
【図２】複数の内部冷却導体の断面を部分的に示す。
【図３】付加的な移行路を備えた複数の内部冷却導体の断面を部分的に示す。
【図４】回転子中央部の出口開口を部分的に示し、図４ａは断面、図４ｂは側面、図４ｃは上面を示す。
【符号の説明】
１ 発電機回転子
２、３ 導体
４ 回転子ボディ
５ 巻線頭部
６、７ 縦導体
８、９ 横導体
１０、１０ａ、１０ｂ 冷却路
１１ 支持部材
１２ ガス入口
１３ ガス出口
１４ ろう付け
１５ 端面
１６ 接続路
１７ 孔
１８ 端面
１９ 開口
２０ 中間壁
２１ 移行路
２２ 軸
２３ 挿入体
Ｇ、Ｈ コイル
Ｋ 冷却流体

Claims (7)

1. 各々１つの縦導体（６、７）と、これに接続された１つの横導体（８、９）とを備え、この縦導体（６、７）及び横導体（８、９）が各々少なくともほぼ平行に延びるように、相互に入り交じってかつ互いに間隔を置いて配置されている電気導体の配置構成において、
   縦導体（６、７）の端面側（１８）において冷却路（１０）を直線状に延長して横導体（８、９）の冷却路（１０）に対して直角方向に連通する接続路（１６）を設け、該接続路（１６）を介して、第一の導体（２、３）の縦導体（６、７）の冷却路（１０）を隣接する第二の導体（２、３）の横導体（８、９）の冷却路（１０）と接続してなる内部冷却電気導体の配置構成。
2. 横導体（８、９）の端面側（１８）において冷却路（１０）を直線状に延長し、縦導体（６、７）の冷却路（１０）に対して直角方向に連通する接続路（１６）を備えることを特徴とする請求項１記載の構成。
3. 縦導体（６、７）に複数の平行冷却路（１０ａ、１０ｂ）が配置されたことを特徴とする請求項１又は２記載の構成。
4. 平行冷却路（１０ａ、１０ｂ）の一方が同一導体（２、３）の横導体（８、９）の冷却路（１０）に、平行冷却路（１０ａ、１０ｂ）の他方が隣接する導体（２、３）の横導体（８、９）の冷却路（１０）に接続されたことを特徴とする請求項３記載の構成。
5. 横導体（８、９）に複数の平行冷却路（１０ａ、１０ｂ）が配置されたことを特徴とする請求項１から４の１つに記載の構成。
6. 平行冷却路（１０ａ、１０ｂ）の一方が同一導体（２、３）の縦導体（６、７）の冷却路（１０）に、平行冷却路（１０ａ、１０ｂ）の他方が隣接する導体（２、３）の縦導体（６、７）の冷却路（１０）に接続されたことを特徴とする請求項５記載の構成。
7. 請求項１から６の１つに記載された内部冷却電気導体の配置構成を備えた発電機回転子。

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