JP2000078781A - 電気機械の固定子鉄心 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、通風冷却用の通
風ダクトを備えた電気機械の固定子鉄心に係わり、冷媒
ガスによる冷却効果の向上を図った改良されたその構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電気機械には回転電気機械とリニア形電
気機械とが有り、回転電気機械には、円筒形回転子を持
つもの，凸極形回転子を持つものなどが広く知られてい
るが、円筒形回転子を持つ大容量機であるタービン発電
機に代表させて、従来例の電気機械の固定子鉄心の説明
を行うことにする。そうして、まずは、円筒形回転子を
持つ一般例の回転電気機械の冷却に関する構造を主体と
して、その構成の概要について図４を用いて説明する。
ここで図４は、一般例の回転電気機械の主要部を模式化
して示す縦断面図である。

【０００３】図４において、９は、円筒形回転子８と、
固定子７と、ケーシング６と、軸流ファン６９，６９
と、図示しない冷却装置とを備えた一般例の２極の回転
電気機械である。円筒形回転子８の外周面と固定子７の
内周面と間には空隙部９１が介在されている。円筒形回
転子８は、回転軸部８１と、回転軸部８１と一体に構成
されると共に，回転軸部８１と同心の円形の外径を持つ
回転子鉄心部８２と、２極機に対応した１対の回転子巻
線５，５と、保持体８３，８３とを備え、ケーシング６
および図示しない軸受部を介して回転自在に支持されて
いる。

【０００４】回転電気機械９では、各回転子巻線５は、
平角状の断面形状を持つ導体である平角銅線を巻回して
形成された鞍形コイルの複数個を用いて構成されてい
る。それぞれの鞍形コイルは、回転子鉄心部８２の外周
の円周方向に沿わせて形成されている図示しない複数の
コイルスロットに、互いに同心状となる配置関係で装填
されている。回転子巻線５の各鞍形コイルのコイルスロ
ットに収納されている部位には、回転軸部８１の軸長方
向に分布して多数の通気孔８８が形成されている。上述
の構造を持つ１対の回転子巻線５，５は、回転軸部８１
の中心軸線（図４に１点鎖線で示す）Ｘ−Ｘに関して互
いに線対称の関係となる基本構成とされている。回転子
巻線５のコイルスロット内に収納されないことで回転子
鉄心部８２の両端部から突き出される状態に配置される
部位である端部８９，８９は、円筒状をした保持体８３
によってその外周側が保持され、円筒形回転子８が回転
することで発生される強大な遠心力によって変形しない
よう保持されている。

【０００５】それぞれの軸流ファン６９は、円筒形回転
子８，固定子７を冷却する冷媒ガス（例えば、空気や水
素ガス）９９を回転電気機械９内に循環させるために設
けられ、この事例の場合には、図示のように回転子巻線
５の両端部８９の回転軸部８１の軸長方向に関する外側
の位置のそれぞれに配設されている。固定子７は、周知
のように、多数の薄板材製の鉄心板を積層して形成され
て回転軸部８１と同心の円形の内径を持つ固定子鉄心７
１と、固定子鉄心７１に形成されている図示しない複数
のコイルスロットに装填された固定子巻線７２とを備え
る。固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向には、冷媒ガス
９９を通流させるための通風ダクト７３の複数個が形成
されている。

【０００６】次に、ケーシング６が持つ冷媒ガス９９の
通流路について説明する。回転電気機械９では、ケーシ
ング６は、固定子鉄心７１の外周面に外接させて合計４
枚の仕切板６１，６２が固定子鉄心７１の鉄心板の積層
方向に間隔を隔てて図示のように配設されている。端部
側の仕切板６１と内側の仕切板６２とを接続するように
して複数の円筒状の連絡ダクト６３が配置されている。
仕切板６１と仕切板６２とによって区切られたそれぞれ
の空間は排気ダクト６４，６４であり、両側を仕切板６
２で区切られた空間は中央給気ダクト６５である。ま
た、ケーシング６の両端部には、それぞれの軸流ファン
６９に対応させて吸気ダクト６６，６６が備えられてい
る。冷却装置は、円筒形回転子８，固定子７を冷却する
ことで高温となった冷媒ガス９９から熱を除去する周知
の冷却器を備えている。

【０００７】一般例の回転電気機械９は上述のごとくに
構成されているので、それぞれの軸流ファン６９で加圧
されたそれぞれの冷媒ガス９９の流れは、まず、保持体
８３が配置されている付近で大きく３つに分岐される。
すなわち、それぞれの保持体８３の外周部を経て両端部
から空隙部９１に直接流入する冷媒ガス流９９Ａと、固
定子巻線７２の両端部のそれぞれを冷却した後に連絡ダ
クト６３を経て中央給気ダクト６５に流入する冷媒ガス
流９９Ｂと、それぞれの回転軸部８１の外周面と保持体
８３との間の空間のそれぞれから円筒形回転子８に流入
する冷媒ガス流９９Ｃとである。

【０００８】冷媒ガス流９９Ｃは、回転子巻線５の端部
８９を冷却しつつ回転子鉄心部８２の端部に到り、冷媒
ガス流９９Ｃの内の多くの部分はこの端部からコイルス
ロット部に流入し、回転子巻線５および回転子鉄心部８
２を冷却した後、通気孔８８から空隙部９１に順次流入
する。冷媒ガス流９９Ｂは、中央給気ダクト６５に連通
されている通風ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１
および固定子巻線７２を冷却しつつ固定子鉄心７１の積
厚方向の中央部から空隙部９１に流入する。このように
して、空隙部９１で合流されたそれぞれの冷媒ガス９９
は、排気ダクト６４，６４に連通している通風ダクト７
３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を
冷却しつつ排気ダクト６４，６４に到る。

【０００９】排気ダクト６４，６４に到達した冷媒ガス
９９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却したので比較
的に高温になっているが、この高温の冷媒ガス９９は、
図示しない排気風胴（前記冷却装置が備える）を経て冷
却器に流入して除熱される。冷却器で除熱されて再び低
温に戻った冷媒ガス９９は、図示しない吸気風胴（前記
冷却装置が備える）を経て軸流ファン６９に流入され
る。すなわち一般例の回転電気機械９は、冷却装置が備
える冷却器を介して冷媒ガス９９を循環させることで、
比較的に安定な運転温度状態を得ることができており、
コイルスロットに装填された部位を除く固定子巻線７２
および固定子鉄心７１は、通風ダクト７３中を通流する
冷媒ガス９９により冷却されている。

【００１０】次に、従来例の電気機械の固定子鉄心を図
５，図６を用いて説明する。なお、図５，図６を用いて
行う説明では、図４に示した一般例の回転電気機械９と
同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。こ
こで、図５は、図４におけるＱ部に対応した部位におけ
る従来例の電気機械の固定子鉄心を示す部分断面図であ
り、図６は、図５に示した固定子鉄心の要部の図５おけ
るＪ−Ｊ矢視図である。

【００１１】図５，図６において、７１Ａは、複数の鉄
心ブロック４１と、複数の通風ダクト７３と、円筒状の
鉄心支持梁４５と、鉄心押圧部４６、４６と、複数の鉄
心締付部４９とを備えた従来例の固定子鉄心である。固
定子鉄心７１Ａに用いられている鉄心板４２は、この事
例の場合には、大容量のタービン発電機用であるために
大形になる固定子鉄心７１Ａに対応し、その素材の利用
度を向上させるために、周知の扇形鉄心板とされて形成
されている。すなわち、鉄心板４２は、けい素鋼板など
の磁性薄板材を素材に用い、プレス法を用いて加工する
ことで、図６に示した扇形状に形成されている。

【００１２】この鉄心板４２は、固定子巻線（例えば、
固定子巻線７２）を構成している図示しない固定子用コ
イルを装填するためのコイルスロット４３と、コイルス
ロット４３に両側を挟まれることで形成される部位であ
る歯部４４とが交互に、しかも図示のように等ピッチで
形成されている。これ等のコイルスロット４３と歯部４
４とは、空隙部（例えば、空隙部９１）側である固定子
鉄心７１Ａの内周面７ａ側に形成されている。なお、４
２１は、後記する締付用スタッド４９１を装填するため
に、鉄心板４２に形成された貫通孔である。鉄心ブロッ
ク４１は、前記鉄心板４２を円環状に配置しつつ積層す
ることで形成され、鉄心板４２の積層方向の鉄心ブロッ
ク４１の相互間などに、通風ダクト７３が形成されてい
る。

【００１３】固定子鉄心７１Ａでは、通風ダクト７３の
鉄心板積層方向に関する間隔ｄを保持するために、ダク
トピース４が用いられている。このダクトピース４は、
鉄製薄板材を用いて、間隔ｄと同一の幅寸法を持つ細長
い平板状に形成され、通風ダクト７３に面して配設され
る鉄心板４２に溶接法などによって固着されている。こ
のダクトピース４は、長さ方向を冷媒ガス９９の流れ方
向に沿わせて配置されると共に、コイルスロット４３の
配列方向（内周面７ａに関する円周方向）に沿わせて配
列されている（図６参照）。鉄心押圧部４６は、鉄材な
どの磁性金属材で作製された円環状のプレスリング４７
と、非磁性金属の板材で作製されて，プレスリング４７
の鉄心ブロック４１側の側面に溶接法などによって固着
された複数のフィンガ４８とを有している。また、鉄心
締付部４９は、締付用スタッド４９１と、締付用スタッ
ド４９１の両端部のそれぞれに装着されるナット４９２
などを有している。

【００１４】そうして、固定子鉄心７１Ａは、鉄心支持
梁４５の内周側に鉄心板（ダクトピース４が固着されて
いるものも含めて）４２を円環状に配置しつつ順次積層
し、通風ダクト７３が介在された複数の鉄心ブロック４
１を形成する。通風ダクト７３が介在されたこれ等の鉄
心ブロック４１は、両端の鉄心ブロック４１の外側面か
ら鉄心押圧部４６を介して、鉄心締付部４９によって鉄
心板４２の積層方向に高い面圧によって締付けられる。
なお、鉄心支持梁４５には、冷媒ガス９９を貫通させて
通流させるために、図示しない貫通孔が形成されてい
る。なおまた、この事例の場合には、鉄心板４２の積層
方向の両端部分に配設される鉄心ブロック４１は、図５
に示したように、固定子鉄心７１Ａの鉄心板４２の積層
方向の端末部に近い部位ほど、固定子鉄心７１Ａの内径
が徐々にしかも順次に増大されて形成されて、周知の段
落し部が形成されている。

【００１５】従来例の固定子鉄心７１Ａは前記のごとく
構成されているので、固定子鉄心７１Ａで発生する損失
熱と、コイルスロット４３に装填されている部位の固定
子巻線で発生する損失熱の大部分とは、鉄心ブロック４
１内を鉄心板４２の積層方向に伝導し、通風ダクト７３
に面する鉄心ブロック４１の端面から、強制対流によっ
て冷媒ガス９９に伝達され、固定子鉄心７１Ａから除去
される。これにより、固定子巻線および固定子鉄心７１
Ａは、比較的に安定な運転温度状態を得ることができて
いる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固定子鉄心７１Ａを用いた電気機械では、比較的に安
定な運転温度状態を得ることができているが、高出力の
電気機械を得ようとしたり、同一出力において小型な電
気機械を得ようとすると、次記する問題点が浮上してく
る。すなわち、発明者らが検討したところでは、鉄心ブ
ロック４１の端面から冷媒ガス９９に放熱するに際して
の強制対流熱伝達の、冷媒ガス９９の通流方向に沿う方
向の局部熱伝達係数の値は、冷媒ガス９９の下流側とな
るほど低下している（後記する図３に点線で示したグラ
フを参照）。これは、冷媒ガス９９の下流側となるほ
ど、鉄心ブロック４１の端面に接して形成される冷媒ガ
ス９９の周知の温度境界層の厚さが増大することに起因
している。この温度境界層の厚い層が形成されて、鉄心
ブロック４１の端面から冷媒ガス９９に熱伝達する際の
平均熱伝達係数値が抑制されるので、電気機械のより高
出力化や一層の小型化に制限を受ける。

【００１７】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、冷媒ガスによる冷
却効果の向上を図った電気機械の固定子鉄心を提供する
ことにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、 １）固定子用コイルを装填する複数のコイルスロットが
形成された薄板材製の鉄心板の多数枚が積層されると共
に，鉄心板の積層方向に冷媒ガスを通流させる通風ダク
トを備え、通風ダクトはコイルスロットの配列方向に沿
わせて配列された複数のダクトピースにより鉄心板積層
方向の間隔を保持された電気機械の固定子鉄心におい
て、ダクトピースは、細長い平板状であり長さ方向を冷
媒ガスの流れに沿わせて配置されると共に、通風ダクト
の冷媒ガス入口部から冷媒ガス出口部までの直線距離を
複数に分割する長さ方向寸法を持つダクトピース片の複
数により形成され、これ等のダクトピース片は、冷媒ガ
スの流れに対して千鳥状に配置される構成とすること、
により達成される。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において
は、図４に示した一般例の回転電気機械、および、図
５，図６に示した従来例の固定子鉄心と同一部分には同
じ符号を付し、その説明を省略する。図１は、この発明
の実施の形態の一例による電気機械の固定子鉄心の要部
の後記する図２におけるＫ−Ｋ矢視図であり、図２は、
図４におけるＱ部に対応した部位におけるこの発明の実
施の形態の一例による電気機械の固定子鉄心を示す部分
断面図である。また、図３は、この発明による固定子鉄
心の冷媒ガス通流方向に沿う局部熱伝達係数値の変化を
従来例の場合と比較して説明する説明図である。

【００２０】図１，図２において、１は、図５，図６に
示した従来例による固定子鉄心７１Ａに対して、通風ダ
クト７３に替えて通風ダクト１１を用いるようにした、
この発明による固定子鉄心である。そうして通風ダクト
１１は、主としてダクトピース２を用いて形成してい
る。固定子鉄心１の鉄心板積層方向に対する通風ダクト
１１の形成位置と、通風ダクト１１の鉄心板積層方向に
関する間隔ｄの値とは、従来例による固定子鉄心７１Ａ
の場合と同一である。固定子鉄心１で用いるダクトピー
ス２は、この発明の特長として、複数のダクトピース片
３を図示のように千鳥状に配置して形成される。

【００２１】このダクトピース片３は、従来例によるダ
クトピース４と同様に、鉄製薄板材を用いて、間隔ｄと
同一の幅寸法を持つ細長い平板状に形成され、通風ダク
ト１１に面して配設される鉄心板４２に溶接法などによ
って固着されている。ダクトピース片３のダクトピース
４に対する相異点は、ダクトピース片３は、通風ダクト
１１の冷媒ガス９９の入口部（鉄心ブロック４１の内周
面７ａに合致）から冷媒ガス９９の出口部（鉄心ブロッ
ク４１の外周面１ａに合致）までの直線距離Ｌを複数に
分割（固定子鉄心１の場合には、３分割）して得た寸法
にほぼ相当する長さ方向寸法を持つことである。なお、
固定子鉄心１の場合には、コイルスロット４３の背面の
部位では、コイルスロット４３に装填される固定子コイ
ルによって冷媒ガス９９の通流が阻害されることなどを
考慮し、従来例によるダクトピース４を適用している。

【００２２】図１，図２に示すこの発明の実施の形態の
一例による電気機械の固定子鉄心１では前述の構成とし
たので、通風ダクト１１のダクトピース２が配置された
部位を通流する冷媒ガス９９は、千鳥状に配置された２
段目以降のダクトピース片３の先端部（図１にＡ，Ｂで
示す）に衝突することで流れに乱れが生じる。冷媒ガス
９９に生じるこの乱れにより、鉄心ブロック４１の端面
に接して形成されている冷媒ガス９９の温度境界層の一
部が、ダクトピース片３の先端部（Ａ部，Ｂ部）付近で
剥離される。

【００２３】冷媒ガス９９の温度境界層の一部が剥離さ
れれば、その部位の温度境界層の層厚が薄くなるので、
周知のように局部熱伝達係数値が増大される。そうし
て、冷媒ガス９９が先端部Ａ部に衝突することでいった
ん増大した局部熱伝達係数値は、冷媒ガス９９の下流側
となるにしたがって低下していく。やがて冷媒ガス９９
が先端部Ｂ部に衝突して，再度，局部熱伝達係数値は増
大されるが、冷媒ガス９９の下流側となるにしたがって
再び低下していく（図３を参照）。

【００２４】発明者らは、鉄心ブロック４１の端面から
冷媒ガス９９に放熱する強制対流熱伝達に関しての、冷
媒ガス９９の通流方向に沿う方向の局部熱伝達係数値の
変化を、この発明による固定子鉄心１の場合と、従来例
による固定子鉄心４の場合とについて検討した。その結
果を定性的に説明するグラフを、図３に示す。図３で
は、横軸に通風ダクト１１を通流する冷媒ガス９９の通
流位置をとり、縦軸に鉄心ブロック４１の端面から冷媒
ガス９９に放熱する際の局部熱伝達係数の値をとってお
り、固定子鉄心１の場合を実線のグラフで、固定子鉄心
４の場合を点線のグラフで示している。すなわち、図３
を参照して述べれば、鉄心ブロック４１の端面から冷媒
ガス９９に放熱する際の平均熱伝達係数値は、固定子鉄
心１の場合では、従来例の場合よりも増大されて冷媒ガ
ス９９による冷却効果が向上される。

【００２５】この結果、固定子鉄心１を用いた回転電気
機械では、同一体格では高出力化されるし、また、同一
出力においては体格を小型化できる。そうしてこのこと
は、冷媒ガス入口部から冷媒ガス出口部までの直線距離
Ｌを複数に分割した長さを持つダクトピース片を用いて
ダクトピースを形成することで得られるので、製造原価
はほとんど増加しない。また、上記構成は、回転電気機
械ばかりでなく、例えば、リニア機にも適用できる。

【００２６】

【発明の効果】この発明による電気機械の固定子鉄心に
おいては、前記課題を解決するための手段の項で述べた
構成とすることにより、冷媒ガスによる固定子鉄心の冷
却効果が向上されるので、この固定子鉄心を用いた電気
機械では、同一体格で高出力化が可能であるし、また、
同一出力においては体格の小型化が可能である、との効
果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の一例による電気機械の
固定子鉄心の要部の後記する図２におけるＫ−Ｋ矢視図

【図２】図４におけるＱ部に対応した部位におけるこの
発明の実施の形態の一例による電気機械の固定子鉄心を
示す部分断面図

【図３】この発明による固定子鉄心の冷媒ガス通流方向
に沿う局部熱伝達係数値の変化を従来例の場合と比較し
て説明する説明図

【図４】一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示
す縦断面図

【図５】図４におけるＱ部に対応した部位における従来
例の電気機械の固定子鉄心を示す部分断面図

【図６】図５に示した固定子鉄心の要部の図５おけるＪ
−Ｊ矢視図

【符号の説明】

１ 固定子鉄心 ２ ダクトピース ３ ダクトピース片 ４２ 鉄心板 ９９ 冷媒ガス

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固定子用コイルを装填する複数のコイルス
   ロットが形成された薄板材製の鉄心板の多数枚が積層さ
   れると共に，鉄心板の積層方向に冷媒ガスを通流させる
   通風ダクトを備え、通風ダクトはコイルスロットの配列
   方向に沿わせて配列された複数のダクトピースにより鉄
   心板積層方向の間隔を保持された電気機械の固定子鉄心
   において、 ダクトピースは、細長い平板状であり長さ方向を冷媒ガ
   スの流れに沿わせて配置されると共に、通風ダクトの冷
   媒ガス入口部から冷媒ガス出口部までの直線距離を複数
   に分割する長さ方向寸法を持つダクトピース片の複数に
   より形成され、これ等のダクトピース片は、冷媒ガスの
   流れに対して千鳥状に配置されることを特徴とする電気
   機械の固定子鉄心。