JPH07212999A - 電気力学的装置の巻線、電気力学的装置のロータ端巻線組立体及び発電機組立体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 所望の出力密度を達成するように、発電機に
おけるストラップ巻きロータコイルの端巻き領域を冷却
するための装置を提供する。 【構成】 ロータ端巻線組立体は、ロータ軸２４の端巻
き部分に巻かれるようになっている導電ストラップの積
層体１６を有する。該導電ストラップは、頂部ストラッ
プ１８、底部ストラップ２０、及びそれ等の間に積層さ
れる多数の中間ストラップ４６を含む。ロータ軸２４と
底部ストラップの間のスペース３８は、区画ブロック３
６により高圧区画３２及び低圧区画３４に分けられてい
る。積層体に画成された階段状冷却材通路４０は、高圧
区画から頂部ストラップに向かって導くと共に区画ブロ
ック及び低圧区画の方向に導く上向き通路４２と、上向
き通路から低圧区画に導く下向き通路４８とを含む。そ
の結果、冷却材は、積層体を効果的に冷却するように高
圧区画から低圧区画へ流れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発電機のような大型の
電気力学的装置の構造に関し、特に、空冷式発電機にお
けるストラップ巻きロータコイルの端巻き領域のための
改良型冷却システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】経済的問題のため、本出願人により製造
されているような型式の大型空冷式発電機は、できるだ
け出力密度が高く設計されており、且つ、製造が簡単で
あることが求められている。

【０００３】発電機の出力密度が高くなればなる程、通
常の運転中にステータ及びロータの巻線で発生される熱
が多くなる。従って、排熱をステータ及びロータの巻線
から排出する必要性のため、達成可能な出力密度は相当
に抑制される。

【０００４】従来は、ストラップ巻きのロータ巻線の端
巻き領域は、効果的に冷却することが困難であった。該
端巻きを冷却する１つの方法は、コイルの端巻き間に配
置されているガラス繊維製のブロック部材に通気路を機
械加工して、コイルの側面から熱を外部に排出すること
である。しかし、かかる通気路の効果は、限られてお
り、上述のような電気力学的装置の設計者が達成しよう
とする出力のレベルで要求されるような冷却を行うのに
は不適当である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術には、発電
機におけるストラップ巻きのロータコイルの端巻き領域
を冷却するための改良型の方法及び装置に対する未だ満
たされていない必要性が長らく存在していたことは明ら
かである。

【０００６】従って、本発明の目的は、発電機における
ストラップ巻きのロータコイルの端巻き領域を冷却する
ための改良型の方法及び装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の上述の目的及び
その他の目的を達成するため、発電機のような電気力学
的装置の改良型巻線は、本発明によると、第１の導電ス
トラップと；該第１の導電ストラップと接触して同第１
の導電ストラップ上にある第２の導電ストラップと；前
記第１の導電ストラップに画成された第１の穴と；前記
第２の導電ストラップに画成された第２の穴とを備え、
前記第２の穴は、前記第１の穴と連通しており、前記第
１の穴及び前記第２の穴は、前記第１の導電ストラップ
の一部が前記第２の穴の上にかかると共に前記第２の導
電ストラップの一部が前記第１の穴の上にかかるよう
に、相互に偏位していて、前記第１の導電ストラップ及
び前記第２の導電ストラップを通る冷却材のための階段
状通路を画成しており、該階段状通路が、階段状ではな
い場合に冷却材による熱伝達にさらされる表面積よりも
大きな表面積を有する。

【０００８】本発明の第２の側面によると、発電機のよ
うな電気力学的装置の改良型巻線は、複数の導電ストラ
ップの積層体を含んでおり、該積層体及び各導電ストラ
ップは、該電気力学的装置におけるロータの端巻き部分
の回りに巻かれるように構成され配列されており、ま
た、該導電ストラップにそれぞれ形成された複数の穴に
よって前記積層体中に形成された冷却材のための階段状
通路を含んでおり、該複数の穴は、第１のストラップに
ある第１の穴が隣接する第２のストラップにある第２の
穴と連通するように配置されると共に、該複数の穴は、
第１のストラップの一部が第２の穴の上にあり、第２の
ストラップの一部が第１の穴の上にあるように該第１の
穴及び該第２の穴を相互に偏位させて、配置されてい
て、かかる配置により、該階段状通路が、階段状ではな
い場合に冷却材による熱伝達にさらされる表面積よりも
大きな表面積を有する。

【０００９】本発明の第３の局面によると、発電機のよ
うな電気力学的装置のための改良型ロータ端巻線組立体
は、ロータ軸と、頂部ストラップ、底部ストラップ、並
びに該頂部ストラップ及び底部ストラップ間に積層され
る多数の中間ストラップを含むと共に、端巻き部分を有
する複数の導電ストラップの積層体と、区画ブロックに
より高圧区画及び低圧区画に分けられて前記ロータ軸及
び前記底部ストラップ間に画成されたスペースと、前記
積層体に画成された冷却材通路とを備えており、該冷却
材通路が、前記高圧区画の近くで前記底部ストラップに
画成された入口穴と、前記多数の中間ストラップにそれ
ぞれ画成されて、前記頂部ストラップに向かって導くと
共に前記区画ブロック及び前記低圧区画の方向に導く上
向き通路を画成する多数の上向き穴とを含む前記冷却材
通路と、前記低圧区画の近くで前記底部ストラップに画
成された出口穴と、一端で前記上向き通路と連通し他端
で前記出口穴と連通する下向き通路を画成して、前記積
層体を効果的に冷却するために冷却材が前記高圧区画か
ら前記低圧区画へ流れるようにする、多数の下向き穴と
を含んでいる。

【００１０】最後に、本発明の第４の局面によると、高
出力密度を可能とするように改良した冷却特性を有する
発電機組立体は、ステータと、該ステータ内に回転可能
に装着されると共に、ロータ軸を有するロータと、頂部
ストラップ、底部ストラップ、並びに該頂部ストラップ
及び底部ストラップ間に積層される多数の中間ストラッ
プを含むと共に、端巻き部分を有する複数の導電ストラ
ップの積層体と、区画ブロックにより高圧区画及び低圧
区画に分けられて前記ロータ軸及び前記底部ストラップ
間に画成されたスペースと、前記積層体に画成された階
段状冷却材通路であって、前記高圧区画の近くで前記底
部ストラップに画成された入口穴を含む前記階段状冷却
材通路と、前記多数の中間ストラップにそれぞれ画成さ
れて、前記頂部ストラップに向かって導くと共に前記区
画ブロック及び前記低圧区画の方向に導く上向き通路を
画成する多数の重なり合う上向き穴と、前記低圧区画の
近くで前記底部ストラップに画成された出口穴と、一端
で前記上向き通路と連通し他端で前記出口穴と連通する
下向き通路を画成して、前記積層体を効果的に冷却する
ために冷却材が前記高圧区画から前記低圧区画へ流れる
ようにする、多数の重なり合う下向き穴とを含んでい
る。

【００１１】本発明を特徴付ける新規なこれ等の構成並
びにその他の様々な構成は、本明細書の一部となってい
る特許請求の範囲に記載されている。しかし、本発明の
利点や、本発明を用いることにより得られる目的を一層
良く理解するためには、図面と本発明の好適な実施例と
に関する下記の説明を参照されたい。

【００１２】

【実施例】同一参照数字は対応する構造を示す図面を参
照すると、先ず図１において、本発明の好適な実施例に
従って構成された発電機組立体（電気力学的装置）１０
は、ステータ組立体（ステータ）１２と、該ステータ組
立体１２内に回転可能に装着されたロータ組立体（ロー
タ）１４とを含んでいる。

【００１３】ロータ組立体１４にある巻線の端巻き部分
は図１に示されており、多数の導電ストラップの積層体
１６を含んでいる。各積層体１６は、頂部ストラップ１
８と、底部ストラップ２０と、多数の中間ストラップ４
６とを含んでおり、中間ストラップ４６は図２及び図３
に最も良く示されている。用いられている巻線パターン
に応じて、隣接するストラップが電気的に接触していな
い場合がある。隣接するストラップは物理的に接触して
いてよいが、それ等の間に若干の隙間及び／又は絶縁材
料があってもよい。本明細書では、隣接するストラップ
は“接触している”ものと考える。頂部ストラップ１８
及び底部ストラップ２０は、最上部及び最下部のストラ
ップを指しており、巻線パターンの結果として、最上部
及び最下部のストラップが全端巻きを通じて同一のスト
ラップとなることはない場合がある。

【００１４】好ましくはガラス繊維からなるブロック部
材２２は、ストラップの積層体１６の間に設けられてい
て、ロータ組立体１４のロータ軸２４の回転中の構造的
支持を与えている。かかる発電機においては普通である
ように、各積層体１６の頂部ストラップ１８上にはスリ
ップ層が設けられており、また、積層体１６と該スリッ
プ層上には保持リング２６が設けられていて、通常運転
における高速回転中にロータ組立体１４の端巻き部分を
構造的に閉じ込めている。

【００１５】発電機組立体（発電機と称することもあ
る。）１０は空冷式のものである。図３を参照すると、
導電ストラップの隣接する積層体１６間に配設されたガ
ラス繊維製のブロック部材２２に多数の通気路２８が画
成されていることが分かる。該通気路２８は主通路であ
って、これを通って冷却材が流れ、ロータ組立体１４の
端巻き部分の冷却を行う。しかし、かかる通気路の冷却
能力は、発電機１０の設計者が進めようとしている高出
力密度を可能とするには不十分である。従って、本発明
の１つの重要な局面は、導電ストラップの積層体１６自
体内に形成される補助通気構造３０を提供することにあ
る。

【００１６】図２及び図３を参照すると、積層体１６の
底部ストラップ２０とロータ軸２４の外周面との間にス
ペース３８が画成されていることが分かる。図２に見ら
れるように、このスペース３８内には、ロータ軸２４と
底部ストラップ２０との間に区画ブロック３６が間挿さ
れている。この区画ブロック３６は、スペース３８を高
圧区画３２と低圧区画３４とに分ける。好適な実施例に
おいては、高圧区画３２及び低圧区画３４における各圧
力は、冷却材の正の圧力を高圧区画３２に加えることに
より生ずる。図２に示すように、多数の階段状冷却材通
路（冷却材通路）４０がストラップの積層体１６内に画
成されていて、高圧区画３２を低圧区画３４と連通させ
ている。また、図２に見られるように、階段状冷却材通
路４０は、高圧区画３２の近くで底部ストラップ２０に
画成された入口穴４４と、多数の中間ストラップ４６に
それぞれ画成された重なり合う多数の上向き穴５２とを
含んでおり、該多数の上向き穴が、頂部ストラップ１８
に向かって導くと共に区画ブロック３６及び低圧区画３
４の方向に導く上向き通路４２を画成する。階段状冷却
材通路４０は、更に、低圧区画３４の近くで底部ストラ
ップ２０に画成された出口穴５０を含んでいる。下向き
通路４８は、第１端で上向き通路４２と連通し、反対側
の第２端で出口穴５０と連通している。下向き通路４８
は、中間ストラップ４６の対応する部分に画成された多
数の重なり合う下向き穴５４によって画成されている。

【００１７】更に、図２に見られるように、上向き穴５
２も下向き穴５４も、第１のストラップにある第１の穴
が隣接する第２のストラップにある第２の穴と連通する
と共に、第１のストラップの一部が第２の穴の上にあ
り、第２のストラップの一部が第１の穴の上にあるよう
に、構成され配列されている。この“階段状”又は段付
き形状の結果、階段状冷却材通路４０は、階段状ではな
い場合に冷却材とストラップの積層体１６との間の熱伝
達にさらされる表面積よりも大きな表面積を有すること
になる。

【００１８】しかし、本発明の様々な特徴及び利点につ
いて、本発明の構成及び作用と共に上に述べたが、その
開示は説明の目的のためであって、各部分の形状、大き
さ及び配列等の詳細は、本発明の原理内で、特許請求の
範囲で使用されている上位概念の用語の意味により表さ
れる全範囲にわたり変更可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の好適な実施例に従って構成された発
電機組立体を、説明上、一部略図で、一部破断して示す
部分斜視図である。

【図２】 図１に示された発電機組立体の一部の部分断
面図である。

【図３】 図２の３ー３線に沿って示す断面図である。

【符号の説明】

１０…発電機（発電機組立体）、１２…ステータ（ステ
ータ組立体）、１４…ロータ（ロータ組立体）、１６…
導電ストラップの積層体、１８…頂部ストラップ、２０
…底部ストラップ、２４…ロータ軸、３０…補助通気構
造、３２…高圧区画、３４…低圧区画、３６…区画ブロ
ック、３８…スペース、４０…階段状冷却材通路（階段
状通路、冷却材通路）、４２…上向き通路、４４…入口
穴、４６…中間ストラップ、４８…下向き通路、５０…
出口穴、５２…上向き穴、５４…下向き穴。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クリフ・エー・ウェルボーン アメリカ合衆国、アラバマ州、フォート・ ペイン、ブライアウッド・アベニュー 410 (72)発明者 アルバート・シー・シスモア・ジュニア アメリカ合衆国、フロリダ州、カッセルベ リー、イーグル・サークル 458 (72)発明者 ロン・ダブリュ・モントゴメリー アメリカ合衆国、フロリダ州、ウインタ ー・スプリングス、コートランド・ループ 4990

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電気力学的装置のための巻線であって、 第１の導電ストラップと、 該第１の導電ストラップと接触して同第１の導電ストラ
   ップ上にある第２の導電ストラップと、 前記第１の導電ストラップに画成された第１の穴と、 前記第２の導電ストラップに画成された第２の穴と、 を備え、前記第２の穴は、前記第１の穴と連通してお
   り、前記第１の穴及び前記第２の穴は、前記第１の導電
   ストラップの一部が前記第２の穴の上にかかると共に前
   記第２の導電ストラップの一部が前記第１の穴の上にか
   かるように、相互に偏位していて、前記第１の導電スト
   ラップ及び前記第２の導電ストラップを通る冷却材のた
   めの階段状通路を画成しており、該階段状通路が、階段
   状ではない場合に冷却材による熱伝達にさらされる表面
   積よりも大きな表面積を有する、電気力学的装置の巻
   線。
2. 【請求項２】 前記第１の穴は前記第２の穴と実質的に
   同一の大きさ及び形状を有する請求項１に記載の巻線。
3. 【請求項３】 電気力学的装置のための巻線であって、 複数の導電ストラップの積層体を備えており、該積層体
   及び各導電ストラップは、前記電気力学的装置における
   ロータの端巻き部分の回りに巻かれるように構成され配
   列されており、 前記導電ストラップにそれぞれ形成された複数の穴によ
   って前記積層体中に形成された冷却材のための階段状通
   路を備えており、該複数の穴は、第１のストラップにあ
   る第１の穴が隣接する第２のストラップにある第２の穴
   と連通するように配置されると共に、該複数の穴は、第
   １のストラップの一部が第２の穴の上にあり、第２のス
   トラップの一部が第１の穴の上にあるように該第１の穴
   及び該第２の穴を相互に偏位させて、配置されていて、
   かかる配置により、前記階段状通路が、階段状ではない
   場合に冷却材による熱伝達にさらされる表面積よりも大
   きな表面積を有している、 電気力学的装置の巻線。
4. 【請求項４】 電気力学的装置のためのロータ端巻線組
   立体であって、 ロータ軸と、 頂部ストラップ、底部ストラップ、並びに該頂部ストラ
   ップ及び底部ストラップ間に積層される多数の中間スト
   ラップを含むと共に、端巻き部分を有する複数の導電ス
   トラップの積層体と、 区画ブロックにより高圧区画及び低圧区画に分けられて
   前記ロータ軸及び前記底部ストラップ間に画成されたス
   ペースと、 前記積層体に画成された冷却材通路とを備え、該冷却材
   通路が、 前記高圧区画の近くで前記底部ストラップに画成された
   入口穴と、 前記多数の中間ストラップにそれぞれ画成されて、前記
   頂部ストラップに向かって導くと共に前記区画ブロック
   及び前記低圧区画の方向に導く上向き通路を画成する多
   数の上向き穴と、 前記低圧区画の近くで前記底部ストラップに画成された
   出口穴と、 第１端で前記上向き通路と連通し第２端で前記出口穴と
   連通する下向き通路を画成する多数の下向き穴とを備え
   ていて、前記積層体を効果的に冷却するために冷却材が
   前記高圧区画から前記低圧区画へ流れるようにする、 電気力学的装置のロータ端巻線組立体。
5. 【請求項５】 前記下向き穴は、第１のストラップにあ
   る第１の穴が隣接する第２のストラップにある第２の穴
   と連通するように、且つ、前記第１の穴及び前記第２の
   穴が互いに偏位していて前記第１のストラップの一部が
   前記第２の穴の上にかかり、前記第２のストラップの一
   部が前記第１の穴の上にかかるように、構成されると共
   に配列されていて、前記下向き通路が階段状通路とな
   り、該階段状通路が、階段状ではない場合に冷却材によ
   る熱伝達にさらされる表面積よりも大きな表面積を有し
   ている、請求項４に記載のロータ端巻線組立体。
6. 【請求項６】 前記上向き穴は、第１のストラップにあ
   る第１の穴が隣接する第２のストラップにある第２の穴
   と連通するように、且つ、前記第１の穴及び前記第２の
   穴が互いに偏位していて前記第１のストラップの一部が
   前記第２の穴の上にかかり、前記第２のストラップの一
   部が前記第１の穴の上にかかるように、構成されると共
   に配列されていて、前記上向き通路が階段状通路とな
   り、該階段状通路が、階段状ではない場合に冷却材によ
   る熱伝達にさらされる表面積よりも大きな表面積を有し
   ている、請求項４に記載のロータ端巻線組立体。
7. 【請求項７】 前記頂部ストラップには、前記冷却材通
   路と連通する穴が画成されていない請求項４に記載のロ
   ータ端巻線組立体。
8. 【請求項８】 高出力密度を可能とする冷却特性を有す
   る発電機組立体であって、 ステータと、 該ステータ内に回転可能に装着されると共に、ロータ軸
   を有するロータと、 頂部ストラップ、底部ストラップ、並びに該頂部ストラ
   ップ及び該底部ストラップ間に積層される多数の中間ス
   トラップを含むと共に、端巻き部分を有する複数の導電
   ストラップの積層体と、 区画ブロックにより高圧区画及び低圧区画に分けられて
   前記ロータ軸及び前記底部ストラップ間に画成されたス
   ペースと、 前記積層体に画成された階段状冷却材通路とを備え、該
   階段状冷却材通路が、 前記高圧区画の近くで前記底部ストラップに画成された
   入口穴と、 前記多数の中間ストラップにそれぞれ画成されて、前記
   頂部ストラップに向かって導くと共に前記区画ブロック
   及び前記低圧区画の方向に導く上向き通路を画成する多
   数の重なり合う上向き穴と、 前記低圧区画の近くで前記底部ストラップに画成された
   出口穴と、 第１端で前記上向き通路と連通し第２端で前記出口穴と
   連通する下向き通路を画成して、前記積層体を効果的に
   冷却するために冷却材が前記高圧区画から前記低圧区画
   へ流れるようにする、多数の重なり合う下向き穴とを含
   む、 発電機組立体。
9. 【請求項９】 前記重なり合う下向き穴は、第１のスト
   ラップにある第１の穴が隣接する第２のストラップにあ
   る第２の穴と連通するように、且つ、前記第１の穴及び
   前記第２の穴が互いに偏位していて前記第１のストラッ
   プの一部が前記第２の穴の上にかかり、前記第２のスト
   ラップの一部が前記第１の穴の上にかかるように、構成
   されると共に配列されていて、前記階段状冷却材通路
   が、階段状ではない場合に冷却材による熱伝達にさらさ
   れる表面積よりも大きな表面積を有している、請求項８
   に記載の発電機組立体。
10. 【請求項１０】 前記重なり合う上向き穴は、第１のス
    トラップにある第１の穴が隣接する第２のストラップに
    ある第２の穴と連通するように、且つ、前記第１の穴及
    び前記第２の穴が互いに偏位していて前記第１のストラ
    ップの一部が前記第２の穴の上にかかり、前記第２のス
    トラップの一部が前記第１の穴の上にかかるように、構
    成されると共に配列されていて、前記階段状冷却材通路
    が、階段状ではない場合に冷却材による熱伝達にさらさ
    れる表面積よりも大きな表面積を有している、請求項８
    に記載の発電機組立体。
11. 【請求項１１】 前記頂部ストラップには、前記階段状
    冷却材通路と連通する穴が画成されていない請求項８に
    記載の発電機組立体。