JP2002119018A

JP2002119018A - 高速回転する電気機器

Info

Publication number: JP2002119018A
Application number: JP2001250522A
Authority: JP
Inventors: Jacoby Ralph; ラルフ・ヤコビー; Michael Jung; ミヒャエル・ユング; Markus Lebong; マルクス・レボング
Original assignee: ABB Industrie AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2000-08-23
Filing date: 2001-08-21
Publication date: 2002-04-19
Also published as: BR0103451A; CA2355427A1; EP1182764A1; US20020070615A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】高速回転機器の冷却熱出力を効率よく放散す
る冷却コンセプトを提供する。【解決手段】高速回転する電気機器が、２本の終端巻
線１８，１９を有する回転可能な１つの回転子１１を備
え、そして回転子１１と１つの固定子１２を冷却する手
段２０…２９を備える。回転子１１は、固定子１２から
分離するように１本のエアギャップ１４によって同軸状
に包囲され、冷媒、特に冷気が、循環中にこれらの手段
２０…２９を用いることによって回転子１１と固定子１
２に送られ、そしてこのときにこの冷媒つまり冷気によ
って吸収された熱が、冷却器２０内で再び吸収される。
このような電気機器では、改良されかつ廉価な冷却が、
この冷媒つまり冷気が、固定子１２と回転子１１用の全
く互いに依存しないで第１冷却配管と第２冷却配管２４
又は２５内へ送られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気機器の分野に
関する。本発明は、請求項１の上位概念に記載の高速回
転する電気機器に関する。

【従来の技術】高速回転する電気機器、特に電力範囲が
１〜20MWの非同期機の冷却部では、回転子の高い周速に
起因して適切な冷却コンセプトの選択と個々の要素の構
成とに対して要求が高い。一般に、排除すべき電力損失
は、回転子内でも内部冷却を必要とする値に達する。回
転子と固定子との間のエアギャップや回転子の終端面を
介しただけの熱放散は、その都度の絶縁クラスによって
決定した温度の限界値を守るためには多くの場合に不十
分である。この場合、高圧下にある媒体で冷却され得る
電気機器が、特殊な地位を占める。このとき、例えば、
パイプラインの圧縮機を駆動する電動機を使用する必要
がある。これらの圧縮機は、天然ガスの管内に沿って組
込まれて、 40 と 70 との間の圧力下の輸送媒体（メタ
ン）が、これらの圧縮機を貫流する。この場合、回転子
内部の冷却が、状況に応じて省略できる。回転子の貫流
を必要とする用途では、２つの逆の輸送を満たす必要が
ある。これらの２つの逆の輸送は、特に周速が音速に近
い範囲内のときに極めて重要である。一方では、信頼性
の高い熱放散が、冷媒に必要な十分な質量流量を準備す
ることによって保証されなければならない。これに対し
て、その輸送量は、通風損失に応じて制限される。これ
らの通風損失は、質量流量に比例し、回転子の周速の２
乗又は３乗に比例する。そして、これらの通風損失は、
電気機器全体の効率を著しく損ないうる。しかも、出口
の温度が固定子の許容可能な材料温度を超えるぐらい
に、冷媒が回転子の貫流時に加熱されうる。したがっ
て、 3000 と 3600rpmとの間で作動し、回転子と固定子
を貫流する標準的な電気機器の既存の冷却配管の型式
は、使用できない。

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、高速
回転する電気機器又は非同期機を冷却するため、熱出力
を効率よく放散し、かつ通風損失も大幅に抑えることを
可能にする冷却コンセプトを提供することにある。さら
に、電気機器の作動コストに関する極めて有利な効果
も、このコンセプトによって奏する必要がある。

【課題を解決するための手段】この課題は、請求項１の
特徴の全体によって解決される。本発明の要点は、回転
子と固定子に対して全く互いに依存しない複数の冷却配
管を使用する点にある。このようにして、冷媒つまり冷
気が、両要素の各々に供給される。したがって、多くの
場合に大きな損失に結びつく既に加熱された空気を回転
子から固定子に吸気させたり又は固定子から回転子に吸
気させたりする必要がない。これによって、従来の冷却
コンセプトに比べて一方では両要素の効率のよい冷却を
実現することができ、そして流体力学的な損失をより少
なくすることもできる。本発明の好適な構成は、電気機
器に依存しないで制御可能な１つの付加されたファン
が、冷媒つまり冷気を循環させるために冷却器の前方又
は後方に連結されている点に特徴がある。このファン
は、固定構成部材内で発生する圧力損失を補償する。本
発明のその他の好適な構成は、回転子を冷却する第２冷
却配管内の冷媒つまり冷気が、回転子内に収容された複
数の冷却配管を軸方向に貫流する点、及び、１つの羽根
車が、回転子を貫流する際に発生するこの回転子の圧力
損失を補償するために装着されている点に特徴がある。
特に、この羽根車は、流入する冷媒に面した回転子の前
面に接して配置されている。本発明のもう１つの好適な
構成によれば、複数の放射状の冷却配管が、固定子を冷
却するためにこの固定子内に設けられている。これらの
放射状の冷却配管は、タンジェント状に分割することに
よって複数のスリットセグメントに分割されている。こ
の場合、冷却配管に沿って固定子の背後に配置された収
集分配装置によって、冷却された冷媒は、冷却器から各
スリットセグメントに供給され、加熱された冷媒は、排
気されてこの冷却器に戻される。そして、セグメントの
半分のスリットセグメント内部の冷媒が、外側から内側
に流れ。固定子の導体ロッドの下方で方向転換して、セ
グメントのもう半分内でこのスリットセグメントから再
び流れ出る。この場合、特に固定子のこれらの冷却スリ
ットは、エアギャップから隔絶されている。さらに、第
３冷却配管が、第１と第２の冷却配管に並列に連結され
ていると好ましい。終端巻線が、この第３冷却配管によ
って流入する冷媒に面した固定子の前面で冷却される。
そして、エアギャップが通風される。その他の実施形
は、従属請求項に記載されている。

【発明の実施の形態】以下に、本発明を図面の実施の形
態に基づいて詳しく説明する。図１中には、本発明によ
り冷却された高速回転する電気機器の好適な実施の形態
が縦方向断面に沿って概略的に示されている。この電気
機器１０は、１本の回転子１１を有する。この回転子１
１は、１本の回転子軸１３によって回転軸線１７を軸に
して軸受１５，１６内に沿って回転可能に軸支されてい
る。回転子１１は、前面に終端巻線１８，１９を有する
１つの固定子１２によって同軸状に包囲されている。簡
略化のため、図１中ではこの固定子１２のうちの上半分
だけが示されている。回転子１１と固定子１２は、エア
ギャップ１４によって互いに隔てられている。冷却器２
０が、電気機器１０の上の領域内に配置されている。冷
媒、例えば空気が、この冷却器２０を貫流する。この冷
却器２０を通過するこの冷気の流れは、１つの付加換気
器２１によってもたらされる。この付加換気器２１は、
この示された例では流れの上流方向に沿って配置されて
いるが、冷却器２０の下流に配置してもよい。本発明の
冷却コンセプトの重要な特徴は、回転子１１と固定子１
２に対して互いに全く依存しない２本の冷却配管２５と
２４を使用することである。このようにして、冷却され
た空気が、これらの両要素の各々に供給される。したが
って、多くの場合に大きな損失につながる既に加熱され
た空気の回転子１１から固定子１２への又は固定子１２
から回転子１１への吸気が、必要ない。これによって、
従来の冷却コンセプトに比べて一方では両要素の効率の
よい冷却を実現することができ、そして流体力学的な損
失をより少なくすることもできる。もう１本の冷却配管
２６が、回転子の空気と固定子の空気の経路（冷却配管
２５，２４）に対して平行に存在する。終端巻線１８
が、この冷却配管２６によって冷却されたガスの方で冷
却される。そして、エアギャップ１４が通風される。し
たがって、エアギャップ１４内部の空気が、制御されず
に加熱されることが回避され、かつ、高い周速の電気機
器における相当な摩擦電力（損失）がなくなる。（図
１中に示さなかった）１つの絞り要素（例えば、ラビリ
ンスシール）をエアギャップの入口か又は出口に付加的
に装着して、エアギャップの流量を調節してもよい。さ
らに、第４冷却配管２７が特に存在する。冷却された空
気が、この第４冷却配管２７を経由して「熱い」電気機
器の方に供給される。図１中に略記した冷却コンセプト
は、２つの加圧源を使用する：電気機器１０にほとんど
依存しないで制御可能で冷却器２０の前方か又は後方に
配置されている付加換気器２１は、固定式の構造部材内
で発生する圧力損失を補償する一方で、回転子１１に装
着されたインペラー（羽根車２３）は、回転子の貫流時
に発生する圧力損失を緩和する。電気機器の周速が高い
場合、回転子１１内への冷媒の吸気は、常に決め手とな
る要因である。液体と回転壁との間の高い差動速度が、
流れの激しい分離を引き起こし、ひいては大きな圧力損
失を引き起こす。これらの圧力損失は、一般に使用され
る独立した換気器（２１）の加圧量を場合によっては４
倍程度凌ぐ。その結果、冷却に必要な流量が、回転子１
１内へ最終的に流れ込め得ない。一方では吸気損失を可
能な限り僅かに保持し、他方では回転子１１内の摩擦損
失を補償する加圧量も確保するため、放射状にか又はは
すかいに軸１３に固定された１つの羽根車２３が、この
回転子の稼働部分の「冷却された」前面に装着される。
この回転子１１は、軸線方向に沿った複数の冷却経路３
１によって貫流されて冷却される。これらの冷却経路３
１は、この回転子１１の「加熱された」機器端部の放射
状の排気スリットへ流入する。基本的には様々なコンセ
プトが固定子１２の冷却に適用可能である。しかしなが
ら、これらのコンセプトは、「共通の特徴」としてエア
ギャップ１４から隔絶されていなければならない。その
結果、回転子の冷却媒体流と固定子の冷却媒体流との分
離（冷却配管２４，２５）が保証される。この原理はこ
こでは、例えば固定子１２の複数の放射状の冷却スリッ
トの「タンジェント状の」分割で示されている（図
２）。この分割は、非対称な冷却コンセプトに対して適
用される。何故なら、通気部分を非常に柔軟に構成する
ことができ、かつ全ての概念に良好に組込まれ得るから
である。回転子の背後に装着された収集分配装置２２に
よる複数の収集経路と分配経路の吸気部分と排気部分
は、基本的には電気機器の任意の側面に設置され得る。
さらに、非常に均一な温度分布が、この冷却系によって
固定子１２内で得られる。冷気の供給と加熱された空気
の排気は、既に説明し、そして図２中に略記した固定子
の背後の収集分配経路（２２）によって実施される。分
配器は、「冷却された」電気機器側から供給される一方
で、収集器は、空気を「加熱された」側に排気する（図
１参照）。冷気分配器から出発して、スリットセグメン
ト２８，２９の半分ごとに外側から内側に貫流される
（図２中の矢印）。180 °だけの方向転換が、導体ロッ
ド３０と固定子１２の下方で行われる。引続き、加熱さ
れた空気が収集器へ排気される。このときに注目すべき
点は、固定子のスリットが、エアギャップ１４から隔絶
されていることである。このことは、例えばシリンダ状
の挿入部材（「エアギャップシリンダ」）によって実現
され得る。以上により、熱容量の効率的な排気と、通風
損失の最小限の抑制を可能にする、高速回転する電気機
器用の冷却コンセプトが、本発明により実現される。さ
らに、電気機器の作動コストに関する著しい利点が、こ
のコンセプトによって得られる。何故なら、冷却が、大
気の条件下で実施でき、既に市場で入手できる電気機器
でのように約4barの圧力のヘリウムか又は40-70barのメ
タンで実施する必要がないからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の冷却された電気機器の好適な実施の形
態を縦方向断面に沿って示す。

【図２】図１の電気機器の固定子の典型的に分割された
冷却部を横断面に沿って示す。

【符号の説明】

１０電気機器（高速）１１回転子１２固定子１３回転子軸１４エアギャップ１５，１６軸受（回転子）１７回転軸線１８，１９終端巻線２０冷却器２１付加換気器２２収集分配装置２３羽根車２４，…，２７冷却配管２８，２９スリットセグメント３０導体ロッド（固定子）３１冷却経路（軸線方向に沿った）３２排気スリット（放射状の）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ミヒャエル・ユングドイツ連邦共和国、ヴアルツフート− テイーンゲン、ブロイス− ストラーセ、38 アー (72)発明者マルクス・レボングスイス国、ニーダーロールドルフ、ツエントルム、４Ｆターム(参考） 5H609 BB02 PP02 PP06 PP07 PP08 PP09 QQ02 QQ10 RR03 RR12 RR51 RR69

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２本の終端巻線（１８，１９）を有する
回転可能な１つの回転子（１１）を備え、そしてこの回
転子（１１）と１つの固定子（１２）を冷却する手段
（２０…２９）を備え、この回転子（１１）は、この固
定子（１２）から分離するように１本のエアギャップ
（１４）によって同軸状に包囲され、冷媒、特に冷気
が、循環中にこれらの手段（２０…２９）を用いること
によって回転子（１１）と固定子（１２）に送られ、そ
してこのときにこの冷媒つまり冷気によって吸収された
熱が、冷却器（２０）内で再び吸収される高速回転する
電気機器（１０）において、この冷媒つまり冷気は、こ
の固定子（１２）とこの回転子（１１）用の全く互いに
依存しないで特に平行にある第１冷却配管と第２冷却配
管（２４又は２５）内へ送られることを特徴とする電気
機器（１０）。
【請求項２】電気機器（１０）に依存しないで制御可
能な１つの付加換気器（２１）が、冷媒つまり冷気を循
環させるために冷却器の前方か又は後方に配置されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の電気機器。
【請求項３】回転子（１１）を冷却する第２冷却配管
（２５）内の冷媒つまり冷気が、この回転子（１１）内
に収容された軸線方向に沿った複数の冷却経路（３１）
を貫流すること、及び、１つの羽根車（２３）が、この
回転子を貫流する際に発生する圧力損失を相殺するため
にこの回転子（１１）に装着されていることを特徴とす
る請求項１又は２に記載の電気機器。
【請求項４】羽根車は、流入する冷媒に面した回転子
（１１）の前面に接して配置されていることを特徴とす
る請求項３に記載の電気機器。
【請求項５】複数の放射状の冷却スリットが、固定子
（１２）内の固定子（１２）を冷却するために設けられ
ていて、これらの冷却スリットは、タンジェント状の分
割することによって複数のスリットセグメント（２８，
２９）に分割されていること、冷却配管（２４）に沿っ
て固定子（１２）の背後に配置された収集分配装置によ
って、冷却された冷媒は、冷却器（２０）から各スリッ
トセグメント（２８，２９）に供給され、加熱された冷
媒は、排気されてこの冷却器（２０）に戻されること、
及び、セグメントの半分のスリットセグメント（２８，
２９）内部の冷媒が、外側から内側に流れ、固定子の導
体ロッド（３０）の下方で方向転換して、セグメントの
もう半分内でこのスリットセグメント（２８，２９）か
ら再び流れ出ることを特徴とする請求項１〜４のいずれ
か１項に記載の電気機器。
【請求項６】固定子（１２）の冷却スリットは、エア
ギャップ（１４）から隔絶されていることを特徴とする
請求項５に記載の電気機器。
【請求項７】第３冷却配管（２６）が、第１と第２の
冷却配管（２４，２５）に並列に連結されていて、終端
巻線（１８）が、この第３冷却配管によって流入する冷
媒に面した固定子（１２）の前面で冷却され、そしてエ
アギャップ（１４）が通風されることを特徴とする請求
項１〜６のいずれか１項に記載の電気機器。
【請求項８】エアギャップ（１４）を通過する冷媒の
流量を制御する１つの絞り要素が、このエアギャップ
（１４）の入口若しくは出口又は入口及び出口に配置さ
れていることを特徴とする請求項７のいずれか１項に記
載の電気機器。
【請求項９】第４冷却配管が設けられていて、冷媒
が、流入する冷媒に面した固定子（１２）の前面にある
終端巻線（１９）に供給されることを特徴とする請求項
１〜８のいずれか１項に記載の電気機器。