JP6882347B2 - 冷却チャネルのための間隙を有する水冷式発電機ストリップ - Google Patents

Description

本発明は、並列配置されている少なくとも２つの導体スタックを有している水冷式発電機ストリップ、複数の当該水冷式発電機ストリップを有している電気機械、及び、水冷式発電機ストリップを製造するための方法に関する。

例えばターボ発電機のような電気機械は、導電体の巻線を有している。導電体は、外部環境から、電気機械の積層鉄心から、及び／又は当該巻線の隣り合う巻きから導電体を電気的に絶縁するために、絶縁体によって囲まれている。

例えば図１に表わすような従来技術に基づく電気機械１００の場合には、ステータ２の積層鉄心は、全周に亘って等間隔で並列配置されている凹所（溝とも呼称される）を有しているステータ鉄心の形態とされる。ステータ鉄心それぞれにおいて、同義的にステータのステータストリップとも呼称される複数の直列接続されている発電機ストリップ１１０は、ステータの導電体を収容している。ここで、導体が発電機ストリップの内部に同様に配置されているので、並列配置されている２つの導体スタック１２，１４それぞれに、積層配置されていると共に絶縁体１６によってそれぞれ絶縁されている複数の導体バー８を設けることができる。導体バー８は、角部が丸められた矩形状の断面１８であって、例えば５（長辺）：１（短辺）の辺長比を具備する断面１８を有しており、断面１８の寸法の何倍もの長さを有している。共通する構成では、様々な導体スタックの導体バー８それぞれが、直列接続されている発電機ストリップの間において転置されており、すなわち、導体バー８は、発電機ストリップ同士の間に圧着されており、２つの発電機ストリップの間における移行において導体スタックを変化させる。

導体バー８は、導体スタック１２，１４と同様に、組立の際にセパレータ１２４によって導体スタック同士の間に導かれた硬化樹脂２２によって、互いに対して固定されている。発電ストリップ全体が、少なくとも発電ストリップの周上において、主絶縁体２６によって、ステータ鉄心４に対して電気的に絶縁されている。

ステータ鉄心の内部におけるこのような発電機ストリップ１１０の配置は、冷却回路による電気誘導を通じて導かれる熱を発散させる必要があるということを意味する。従来技術では、このことは、導電スタック１２，１４それぞれに積層配置されている５つ又は７つの導体８（図１では、簡単のため４つの導体８）のうち一の導体を、冷却水を案内するための冷却チャネル１２０に置換することによって達成されていた。導体８と同様に、共通の構成を有する冷却チャネルが転置され圧着されている。

一般的に知られている発電機ストリップ１１０では、例えば３０個の導電バーが、２つの並列配置されている導電スタック１２，１４それぞれに積層配置されているが、当該発電機ストリップでは、約８個〜１２個の冷却水チャネルが、発電機ストリップを通じて導入可能とされ、発電機ストリップの端面それぞれにおいて電気機械１００の水回路に接続可能とされる。

本発明の目的は、構造、製造、及び組立の観点において、特に冷却水回路との一体化に関して簡便な水冷式発電機ストリップを提供することである。

当該目的は、請求項１に記載の発電機ストリップによって達成される。

本発明における水冷式発電機ストリップは、並列配置されている少なくとも２つの導体スタックであって、積層配置されていると共に絶縁体を介して互いから電気的に絶縁されている複数の導体をそれぞれ有している少なくとも２つの導体スタックを備えている。発電機ストリップは、導体スタックそれぞれの絶縁体が形状的に（すなわち、互いに対して相対的な位置で）固定されている構成、及び／又は、好ましくは導体を少なくとも部分的に囲んでいる硬化樹脂によって導体スタック自体が互いに対して形状的に（すなわち、互いに対して相対的な位置で）固定されている構成とされることが望ましい。本発明では、間隙が、導体スタック（１２，１４）同士の間に設けられており、間隙には、冷却水を輸送するための少なくとも１つの冷却チャネルが配置されている。

導体スタックの導体バーから冷却チャネルに至る熱輸送を改善するために、好ましくは、冷却チャネルが、撥水加工が施された外側シェルであって、高い熱伝導率を有する外側シェルを有しており、外側シェルの外面が、導体スタックの導体、特に絶縁体と少なくとも部分的に接触している。このような接触は、特に冷却チャネルの外側シェルと絶縁体との局所的な直接接触を意味することに留意すべきである。好ましくは、絶縁体は、良好な熱伝導率を有する材料を備えている。

この場合には、熱は、中心又は中央に案内された冷却チャネルを介して、発電機ストリップから発散されるが、２つの導体スタックは、必要とされる冷却性能に対して十分な流量を有する冷却チャネルが２つの導体スタックの間の間隙に設置可能な程度に互いから分離されている。

千鳥状に配置された導体ガイドを介して発電機ストリップを例えばさらなる発電機ストリップに接続した場合には、冷却チャネルの中央ガイドが、同様に適切に千鳥状に配置されているならば、複雑な圧着接続によって冷却チャネルを接続する必要が無くなる。このような圧着接続は、導体の代わりに利用される例えば従来技術に基づく上述の冷却チャネルのために必要される場合があるが、例えばＶ２Ａ鋼合金のような高価な材料を必要とする。本発明における中央冷却チャネルは、このような圧着を必要としない。従って、他の一層有益な材料が、当該中央冷却チャネルのために及び／又は適切な場合にはインターフェースのために利用される。

さらに、本発明における発電機ストリップの構成では、垂直積層方向における高さが低くなっている。冷却チャネルのために、導体スタックの内部に５つ〜７つおきに配置する必要が無く、その代わりに導体バーを配置させることができるからである。その結果として、必要とされるステータ溝の深さ及び／又は必要とされるステータ鉄心の直径を小さくすることができる。

言うまでもなく、本発明は、並列配置されている３つ以上の導体スタックを具備する発電機ストリップに適用することができる。この場合には、隣り合う導体ステップ同士の間それぞれに、分離間隙が設けられている。当該分離間隙には、冷却チャネル（本発明においては、“中央冷却チャネル”又は“中間冷却チャネル”とも呼称される）が配置されている。

冷却チャネルの外側シェルの材料が、特に繊維強化高分子材料、耐摩耗性高分子材料、及び／又は非磁性金属材料を備えている。一例として、ガラス繊維強化高分子材料、炭素繊維強化高分子材料、テフロン（登録商標）、アラミド、ケブラー（登録商標）、Ｍｏｌｄｆｌｏｎ（登録商標）、ポリアミド、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）、例えばＶ２Ａ鋼のようなステンレス鋼、及び／又はアルミニウムが挙げられる。

冷却チャネルの外側シェルは、絶縁層を備えている。これにより、適切な幾何学的形状であることを前提として、電気機械の磁場に所望の影響を直接及ぼすことができる。このことは、特定の分野においては望まれている。このために、適切な場合には、強磁性材料も特定の領域にのみ及び／又は重量に従って異なる割合で利用される。

代替的な実施例では、冷却チャネルの外側シェルが、強磁性材料と絶縁層とを備えている。

好ましくは、冷却チャネルが、熱の一様な且つ十分な発散を促進するために、実質的に導体スタックの積層高さ全体に沿って延在している。

導体スタックの特定の積層高さの上方において冷却チャネルを少なくとも幾つかの領域に分割することは、熱の一様な発散を促進するために優位である。このために、少なくとも１つの分離バンドが、特に垂直積層方向に対して横方向に延在しており、冷却チャネルの内部において冷却水の流れを方向づけるために、好ましくは冷却チャネルに設けられている。

熱の一様な発散を促進するための他の好ましい手段は、積層された複数の冷却チャネルを間隙の内部に導入、好ましくは積み重ねることである。この場合には、好ましくは、水冷式発電機ストリップが、複数の冷却チャネルを有しており、冷却チャネルのうち少なくとも１つの冷却チャネルが実質的に導体スタックの積層高さ全体に沿って配置されるように、複数の冷却チャネルが配置されている。

−磁場の達成可能な強度に関連して−必要な空間をさらに最小限に抑えるために、導体スタックの導体は、短辺と長辺とを有する矩形状の断面を有しており、短辺側の表面において冷却チャネルの外側シェルと接触している。当該矩形状の断面は、角部が丸められているか、又は面取りされている。これにより、導体それぞれが絶縁され、製造上一層好ましくなる。

本発明の好ましい発展形態では、導体の断面の角部が丸められているか、又は面取りされているので、導体それぞれからの熱の除去がさらに改善される。高い熱伝導率を有する充填材で少なくとも部分的に充填されている中間空間が、冷却チャネルの外面と導体スタックのうち一方の導体スタックの２つの隣り合う導体それぞれとの間に配置されている。中間空間の境界は、特に冷却チャネルの平坦な外面と、長辺側において互いに接触していると共に短辺側に向かって丸められているか、又は面取りされている導体バーとによって形成されている。当該発展形態では、当該中間空間は、高い熱伝導率を有する充填材で少なくとも部分的に、特に好ましくは完全に満たされている。

これにより、冷却チャネルが矩形状の断面の短辺側に配置されていると同時に断面の角部が丸められている場合であっても、熱の発散が改善される。この場合には、例えば冷却チャネルの外面と直接接触している短辺の長手方向長さの約６０％のみが、中間空間に配置されている充填材を介した“間接的な”熱伝達によって補償される。

利用される充填材の熱伝導率を高くするために、充填材は、例えばエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂を備えている。当該熱硬化性樹脂は、適切な場合には、導体を幾何学的に固定するために利用される樹脂に一致する。このような場合を考慮して、充填材において、酸化アルミニウム材料、窒化ホウ素材料、及び／又は３０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する他の固形材料を備えている板状及び／又は球状の粒子が、当該樹脂に混合されており、好ましくは当該樹脂に略一様に分散配置されている。

水冷式発電機ストリップが、好ましくは２つの端面を有している。電気機械の冷却水回路に対する発電機ストリップの取り付けを可能な限り単純化するために、冷却チャネルが、端面それぞれにおいて、単一の冷却水インターフェースを介して、冷却水回路に接続されている。

本発明における電気機械は、ロータ組立体とステータ組立体とを有しており、複数の直列接続されている本発明における水冷式発電機ストリップをそれぞれ有している複数の導体群を備えている。このような発電機ストリップを利用することによって、例えば電気機械の冷却水回路を単純な構成で実現することができる。

このために、電気機械は、好ましくは導体群のすべての水冷式発電機ストリップに冷却水を供給するための冷却水回路を有している。導体群は、ステータ鉄心の凹所に配置されているすべての発電機ストリップから成る装置を意味することに特に留意すべきである。

水冷式発電機ストリップを製造するための本発明における方法は、特に本発明における発電機ストリップに関するが、他の発電機ストリップにも関連する。当該方法は、高い熱伝導率を有する充填材で冷却チャネルの外面をコーティングするステップであって、冷却チャネルが、高い熱伝導率を有する外側シェルであって、少なくとも特定の領域において強磁性材料及び絶縁層を備えている外側シェルを有している、ステップと、２つの導体スタックを準備するステップと、導体スタックの導体それぞれの絶縁体と充填材とが接触するように、導体スタックとコーティングされた冷却チャネルとを互いに対して位置決めするステップと、導体スタックの組立体と加熱及び／又は加圧することによって位置決めされた冷却チャネルとを硬化させるステップと、を備えている。

充填材で冷却チャネルをプレコーティングすることによって、“セパレータ”と呼称されるものを利用する必要が無くなる。従来技術に基づく発電機の場合には、樹脂が、セパレータが設けられた位置において、並列配置されている２つの導体スタックの間に導入される。冷却チャネルが、言わば“セパレータ”として利用されるからである。“冷却チャネルを取り付ける”ための従来技術に基づく製造ステップと、“（セパレータが設けられた位置において樹脂が充填された）導体スタックのセパレータを取り付ける”ための従来技術に基づく製造ステップとは、このようにして組み合わせられるので、製造を大幅に単純化することができる。

本発明における上述の特徴、特徴及び利点、並びに上述の特徴、特徴及び利点を達成するための方法は、添付図面を伴って詳細に説明する典型的な実施例についての以下の説明と関連して、一層明確になると共に、一層深く理解可能となる。

複数の冷却チャネルを有する既知の発電機ストリップの断面図である。 本発明の一の実施例における、中央冷却チャネルを具備する発電機ストリップの断面図である。 冷却水が流通するように接続されている、図２に表わす発電機ストリップの平面図である。

図１は、既知の電気機械１００の一部である設置環境に配置された、本明細書の冒頭部分で示した既知の発電機ストリップ１１０を表わす。発電機ストリップ１１０は、冷却チャネル１２０を導体スタック１２，１４の内部に配置させる点において製造困難であり、垂直積層方向Ｚに対する高い空間要求を有している。

図２は、電気機械１の、図２におけるターボ発電機の一部を表わす。電気機械１は、本発明の一の実施例における、単一の中央冷却チャネル２０を具備する水冷式発電機ストリップ１０を有している。

図示の水冷式発電機ストリップ１０は、少なくとも２つの導体スタック１２，１４を有している。導体スタック１２，１４は、並列配置されており、導体スタック１２，１４の導体、図２における導体バー８は、導体バー８の周囲１８に（別々に）配置されている絶縁体１６を介して、互いから電気的に分離されている。導体バー８は、硬化樹脂２２と高い熱伝導率を有する硬化充填材２８とを介して、互いに対して形状的に固定されている。間隙２４が、導体スタック１２，１４の間に設けられており、間隙２４には、―垂直積層方向Ｚに関して―導体スタック１２，１４の全範囲に沿って延在している中央冷却チャネル２０が配置されている。

導体バー８の矩形状断面の角部が丸められている（導体バー８の矩形状断面が角丸め部分３４を有している）ことに起因して直接的な接触を実現することができない場合を除いて、中央冷却チャネル２０の外側シェル２１の外面は、導体バー８それぞれの、当該外面に面している短辺３０側の表面と接触している。

中間空間３６それぞれが、角丸め部分３４の存在に起因して、冷却チャネル２０と隣り合う２つの導体バー８それぞれとの間に形成されている。当該典型的な実施例では、中間空間３６には、高い熱伝導率を有する充填材２８が配置されている。充填材２８は、硬化樹脂から成り、硬化樹脂の内部には、熱伝導性粒子が分散配置されている。

長辺３２側の表面と比較して短尺の形態を有する導体バー８の短辺３０側の表面に角丸め部分３４が形成されているにも関わらず、充填材２８を利用することによって、導体バー８から冷却チャネル２０ひいては冷却水に至る適切な熱輸送が確保される。

さらに、冷却水の一様な流動を、特にスタック高さ全体に亘る熱の一様な吸収を確実にするために、ブリッジとも呼称される２つの分離バンド３８が、冷却チャネルの内部に設けられており、（図３から明らかなように）典型的な実施例では、実質的に水冷式発電機ストリップ１０の長手方向範囲Ｘ全体に沿って延在している。

当該典型的な実施例における水冷式発電機ストリップ１０を製造する際には、従来技術に基づく製造ステップである“冷却チャネルを取り付けること”及び“導体スタックの仕切りを取り付けること（樹脂をセパレータに取り付けること）”が、組立のために充填材２８で冷却チャネル２０をコーティングすることによって同時に実施可能となる。充填材２８が、導体スタック１２，１４との組立後に且つ硬化前に中間空間３６に入り込むからである。

図３は、図２に表わす典型的な実施例の平面図である。図３から理解されるように、冷却チャネル２０が水冷式発電機ストリップ１０の長手方向範囲Ｘ全体に沿って延在している。さらに、概略的に図示する冷却水回路４０に対する単一の冷却水インターフェース４２が、水冷式発電機ストリップ１０の第１の端面４４に図示されている。冷却水インターフェース４２は、例えば図１に表わす中央に配置されていない冷却チャネルの場合に必要とされる複数のインターフェースより著しく簡便な態様で構成可能とされる。

図３は、特に第２の端面４６において、適切な場合には正のＸ方向に配置されているさらなる発電機ストリップに対する導体インターフェースも冷却チャネルインターフェースも図示されていない。少なくともこのような冷却チャネルインターフェースも同様に、従来技術に基づく冷却チャネルインターフェースより著しく簡便な態様で構成可能とされるが、例えば図３に表わす冷却水インターフェース４２に類似した態様とすることもできる。

１ 電気機械（ターボ発電機）
８ 導体バー
１０ 水冷式発電機ストリップ
１２ 導体スタック
１４ 導体スタック
１６ 絶縁体
２０ 中央冷却チャネル
２２ 硬化樹脂
２４ 間隙
２８ 硬化充填材
３０ （導体バー８の）短辺側の表面
３２ （導体バー８の）長辺側の表面
３４ （導体バー８の矩形状断面の）角丸め部分
３６ 中間空間
３８ 分離バンド
４０ 冷却水回路
４２ 冷却水インターフェース
４４ （水冷式発電機ストリップ１０の）第１の端面
４６ （水冷式発電機ストリップ１０の）第２の端面
１００ 電気機械
１１０ 発電機ストリップ
Ｘ （水冷式発電機ストリップ１０の）長手方向範囲
Ｚ 垂直積層方向

Claims (11)

1. 水冷式発電機ストリップ（１０）であって、
   並列配置されている少なくとも２つの導体スタック（１２，１４）であって、積層配置されていると共に絶縁体（１６）を介して互いから電気的に絶縁されている複数の導体（８）をそれぞれ有している前記導体スタック（１２，１４）を備えている前記水冷式発電機ストリップ（１０）において、
   前記絶縁体（１６）が、硬化樹脂（２２）によって互いに対して形状的に固定されており、
   間隙（２４）が、前記導体スタック（１２，１４）同士の間に設けられており、前記間隙（２４）には、冷却水を輸送するための少なくとも１つの冷却チャネル（２０）が配置されており、
   前記冷却チャネル（２０）が、高い熱伝導率を有する外側シェル（２１）を有しており、前記外側シェル（２１）の外面が、前記導体スタック（１２，１４）の前記導体（８）の前記絶縁体（１６）と少なくとも部分的に接触しており、前記冷却チャネル（２０）の前記外側シェル（２１）が、少なくとも特定の領域において、強磁性材料と絶縁層とを備えており、
   前記強磁性材料が、異なる重量パーセントで前記外側シェルに利用され、
   少なくとも１つの分離バンド（３８）が、垂直積層方向に対して横方向に延在しており、前記冷却チャネル（２０）の内部において冷却水の流れを方向づけるために、前記冷却チャネル（２０）に設けられていることを特徴とする水冷式発電機ストリップ。
2. 前記冷却チャネル（２０）の前記外側シェル（２１）の材料が、繊維強化高分子材料、耐摩耗性高分子材料、及び非磁性金属材料のうち少なくとも１つの材料を備えていることを特徴とする請求項１に記載の水冷式発電機ストリップ。
3. 前記冷却チャネル（２０）が、前記導体スタック（１２，１４）の積層高さ（Ｚ）全体に沿って延在していることを特徴とする請求項１又は２に記載の水冷式発電機ストリップ。
4. 前記水冷式発電機ストリップ（１０）が、複数の冷却チャネル（２０）を有しており、
   前記冷却チャネル（２０）のうち少なくとも１つの冷却チャネルが前記導体スタック（１２，１４）の積層高さ（Ｚ）全体に沿って配置されるように、複数の前記冷却チャネル（２０）が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の水冷式発電機ストリップ。
5. 前記導体スタック（１２，１４）の前記導体（８）が、角部が丸められた又は面取りされた矩形状の断面であって、短辺（３０）と長辺（３２）とを具備する前記断面を有しており、
   前記導体スタック（１２，１４）の前記導体（８）が、前記短辺（３０）の側において冷却チャネル（２０）の前記外側シェル（２１）と接触していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の水冷式発電機ストリップ。
6. 高い熱伝導率を有する充填材（２８）で少なくとも部分的に充填されている中間空間（３６）が、前記冷却チャネル（２０）の前記外面と前記導体スタック（１２，１４）のうち一方の導体スタックの２つの隣り合う前記導体（８）それぞれとの間に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の水冷式発電機ストリップ。
7. 高い熱伝導率を有する前記充填材（２８）が、熱硬化樹脂（２２）を備えており、
   前記熱硬化樹脂（２２）の内部には、酸化アルミニウム材料、窒化ホウ素材料、及び３０Ｗ／ｍＫより高い熱伝導率を有する他の固形材料のうち少なくとも１つの材料を備えている板状及び球状の粒子のうち少なくとも１つの粒子が配置されている、一様に分散配置されていることを特徴とする請求項６に記載の水冷式発電機ストリップ。
8. 前記水冷式発電機ストリップ（１０）が、２つの端面（４４，４６）を有しており、
   前記端面（４４，４６）それぞれにおいて、前記冷却チャネル（２０）が、単一の冷却水インターフェース（４２）を介して、冷却水回路（４０）、及び、前記水冷式発電機ストリップ（１０）若しくはさらなる発電機ストリップの他の冷却チャネルのうち少なくとも１つに接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の水冷式発電機ストリップ。
9. ロータ組立体とステータ組立体とを有している電気機械（１）であって、複数の直列接続されている請求項１〜８のいずれか一項に記載の水冷式発電機ストリップ（１０）をそれぞれ有している複数の導体群を備えていることを特徴とする電気機械。
10. 前記電気機械（１）が、前記導体群のすべての又は少なくとも幾つかの前記水冷式発電機ストリップ（１０）に冷却水を供給するための冷却水回路（４０）を有していることを特徴とする請求項９に記載の電気機械。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の水冷式発電機ストリップ（１０）を製造するための方法において、
    高い熱伝導率を有する充填材（２８）で冷却チャネル（２０）の外面（２１）をコーティングするステップであって、前記冷却チャネル（２０）が、高い熱伝導率を有する外側シェル（２１）であって、少なくとも特定の領域において強磁性材料及び絶縁層を備えている前記外側シェル（２１）を有している、前記ステップと、
    ２つの導体スタック（１２，１４）を準備するステップと、
    前記導体スタック（１２，１４）の導体それぞれの前記絶縁体（１６）と前記充填材（２８）とが接触するように、前記導体スタック（１２，１４）とコーティングされた前記冷却チャネル（２０）とを互いに対して位置決めするステップと、
    前記導体スタック（１２，１４）の組立体と加熱、加圧、又は加熱且つ加圧することによって位置決めされた前記冷却チャネル（２０）とを硬化させるステップと、
    を備えていることを特徴とする方法。

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