JP4482001B2 - 強制冷却型回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、タービン発電機や電動機等の回転電機における内部機器の冷却を行うために、回転軸に設けられた自冷ファンや別置の送風ファンによって冷却気体を強制的に流通させるように構成した強制冷却型回転電機に係り、特に、変動磁界に晒されて昇温する固定子鉄心の冷却に好適な強制冷却型回転電機に関する。

一般に、固定子鉄心の冷却を冷却し、固定子鉄心の軸方向（珪素鋼板の積層方向）の温度分布を均一化させるために、例えば特許文献１に示すように、固定子鉄心の軸方向に複数のエアダクトを設けた強制冷却型回転電機が既に提案されている。

このような強制冷却型回転電機は、機種や構造によって、隣接するエアダクト間の鉄心積圧を同じにした上でエアダクトの通風断面積を変化させて固定子鉄心の軸方向の温度分布を均一化したり、同じ通風断面積を有する隣接するエアダクト間の鉄心積圧を変えて固定子鉄心の軸方向の温度分布を均一化したりするものである。

特開２００６−１０９６１６号公報（図６及び図７）

上述のように、エアダクトの断面積を変えたり、エアダクト間の鉄心積圧を変えたりすることで、冷却気体をバランスよく固定子鉄心の軸方向に分散できるので、ある程度、固定子鉄心の軸方向の温度分布を均一化させることは可能である。

しかしながら、このような工夫を講じた強制冷却型回転電機でも、実機組み立て後の通風試験によれば、冷却気体の循環流路の長さの違いによる流路抵抗の差異により、当初の設計通りの温度分布とはならず、満足が得られるものは少なかった。そのために、当初から冷却能力を高めるために余裕を持った強制冷却型回転電機を設計して使用しなければならず、強制冷却型回転電機の大型化は避けられなかった。

本発明の目的は、設計した温度分布に接近させて大型化を回避できる強制冷却型回転電機を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために、通風溝を設けたウエッジと通風溝を設けないウエッジとを用いてエアダクトを通過する冷却気体の流量を調節するようにしたのである。

このように、通風溝を設けたウエッジと通風溝を設けないウエッジとを用いることで、固定子鉄心の温度が低い部分に設けられたエアダクト（流路抵抗が小さい循環流路内のエアダクト）には通風溝のないウエッジを用いて流量を制限し、その分、他の通ダクト（流路抵抗が大きい循環流路内のエアダクト）へ冷却気体をまわすと共に、固定子鉄心の温度が高い部分に設けられたエアダクト（流路抵抗が大きい循環流路内のエアダクト）には通風溝を設けたウエッジを用いて積極的に冷却気体を流通させることができるので、固定子鉄心の軸方向の温度分布を均一化させることができる。その結果、固定子鉄心の軸方向の温度分布を設計した温度分布に接近させることができるので、冷却能力に余裕を持たせて大型化させる必要のない強制冷却型回転電機を得ることができる。

以下本発明の強制冷却型回転電機の第１の実施の形態を、図１〜図６に示す強制冷却型タービン発電機に基づいて説明する。尚、ここに示す強制冷却型タービン発電機は、外気を用いずに冷却気体を機内で循環させる強制冷却型タービン発電機であり、冷却気体の種類は問わない。

強制冷却型タービン発電機１は、図１及び図６に示すように、大きくは、回転軸２に形成された回転子３と、この回転子３の外周に隙間Ｇを介して設置された固定子４と、前記回転軸２を軸受５を介して支持する端枠６と、この端枠６に固定され前記固定子４を支持する固定子枠７と、この固定子枠７を覆って前記端枠６とで密閉構造を形成するハウジング７Ｈとで構成されている。

前記回転軸２の回転子３を挟む両側には、図１に示すように、夫々ファン２Ｆが設けられており、これらのファン２Ｆによって冷却気体は、回転子３と前記固定子４との間の隙間Ｇに導入され、回転子３の軸方向中央部側に向かって供給される。

前記回転子３は、図示は省略するが、界磁鉄心とこの界磁鉄心に巻回された界磁巻線とを有し、周方向に複数の磁極を構成している。

前記固定子４は、珪素鋼板を前記回転軸２の方向に積層してその積層端をエンドクランプ８Ｅで締め付けられて形成した固定子鉄心８と、この固定子鉄心８の内径側から外径側に向かって深さを有し、かつ、固定子鉄心８の全積層方向に亘って形成されると共に、周方向に等間隔に複数形成されたＵ字状の巻線溝９と、この巻線溝９に組み込まれた固定子巻線１０と、前記巻線溝９の開口側に形成されたウエッジ溝９Ｗに打ち込まれて前記巻線溝９内の固定子巻線１０を固定するウエッジ１１とから構成されている。

前記固定子鉄心８は、冷却用のために、所定枚数毎に積層した珪素鋼板間にダクトスペーサ１２（図３）を介在させて内径から外径に至る複数のエアダクト１３を形成している。これらエアダクト１３は、同間隔に形成され、また、エアダクト１３間に位置する珪素鋼板の積層単位であるパケット８Ｐの厚さも夫々同じ厚さに形成されている。

さらに、前記固定子鉄心８の背面側（外径側）には、複数パケットごとに隔壁１４を設置して内径側から外径側に向かって冷却気体が流通する通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２と、外径側から内径側に向かって冷却気体が流通する通風ゾーン１５Ｂとを交互に複数形成している。

上記構成の強制冷却型タービン発電機１の固定子４の冷却は、ファン２Ｆで加圧された冷却気体が、回転子３と固定子４との隙間Ｇに導入され、この隙間Ｇの軸方向中央側に向かって供給される。そして、通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２に対向するエアダクト１３では、冷却気体が内径側から外径側に向かって流れて固定子鉄心８の背面側に流れ、そこから図示しない冷却器を経由してファン２Ｆに至る。他方、通風ゾーン１５Ｂに対向するエアダクト１３においては、ファン２Ｆで加圧された冷却気体が図示しないエアダクトを介して固定子鉄心８の背面側に導かれ、そこからエアダクト１３の外径側から内径側に向って流れ、隙間Ｇを経由して隣接する通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２のエアダクト１３に至り、そこの内径側から外径側に向かって流通して固定子鉄心の背面側に至り、そこから図示しない冷却器を経由してファン２Ｆに至る。

上記冷却気体の流通によって、固定子鉄心８は冷却されるのであるが、当然ながら、ファン２Ｆに近い通風ゾーン１５Ａ１に対向するエアダクト１３には大量の冷却気体が流れ、ファン２Ｆから遠い通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂには少量の冷却気体が流れる。云い代えれば、ファン２Ｆ及び各エアダクト１３を経由する冷却気体が流れる冷却気体流路である循環流路の長さの違いによる流路抵抗の差によって冷却気体の流通量に差が生じる。このような冷却気体の流通量の不均一は、そのまま冷却温度の不均一となる。そのために、固定子鉄心８の軸方向両端部に較べて軸方向中央部の温度上昇が顕著になり、この温度上昇の最高値を持ってタービン発電機を設計しなければならない問題がある。

そこで、本実施の形態においては、ウエッジ１１によって冷却気体の流通量の不均一を調節して均一化している。即ち、ファン２Ｆに近い通風ゾーン１５Ａ１に対向するエアダクト１３を経由する冷却気体の循環流路は短く流路抵抗が小さいので、大量の冷却気体がエアダクト１３流れる。そこで、通風ゾーン１５Ａ１に対向する固定子鉄心８には、図２に示すような全長に渡って同じ台形状の断面を有するウエッジ１１Ａを適用することで、エアダクト１３に臨むウエッジ１１Ａが、図３に示すように、抵抗部材となるので、エアダクト１３に流れ込む冷却気体を絞り込んで流通量を制限する。他方、ファン２Ｆから遠い通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂに対向するエアダクト１３を経由する冷却気体の循環流路は長く流路抵抗が大きいので、冷却気体の流通量が制限される。そこで、通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂに対向する固定子鉄心８には、図４に示すようにエアダクト１３に対向する位置に通風溝１１Ｇを設けたウエッジ１１Ｂを適用することで、図５に示すように、エアダクト１３に臨む抵抗部材がなくなるので、エアダクト１３に流入及び流出する冷却気体の流通量を増加させることができる。ここで、ウエッジ１１Ａ，１１Ｂが本発明による冷却気体流路の流路抵抗を平均化する流路抵抗調整手段及び冷却気体流路の流通量を平均化する流通量調整手段になる。

以上のように、通風溝なしのウエッジ１１Ａと通風溝１１Ｇ付きのウエッジ１１Ｂとを通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂに対向するエアダクト１３毎に使い分けることで、図７に示すように、冷却気体温度及び固定子鉄心の軸方向の温度分布を平均化させることができた。

即ち、図７に示すように、冷却気体温度が固定子鉄心８の軸方向中央部側でが高くなっていた従来例Ｂに較べて、本実施の形態Ａは、軸方向両端部の温度を上昇させて軸方向中央部の温度を下げることで、ほぼ均一化させることができた。その結果、固定子鉄心８の軸方向の温度分布も、従来例ｂに較べて本実施の形態ａによれば、ほぼ平均化させることができた。尚、従来例Ｂ，ｂとは、冷却気体の流通量を均一化するために、エアダクトの設置間隔を軸方向両端部で粗く、軸方向中央部で細かくした場合である。そして、従来例において、エアダクトの設置間隔を軸方向両端部で粗くすることで、軸方向両端部における珪素鋼板の積層単位であるパケット８Ｐの厚さも厚くなり、その結果、この部分における温度上昇はパケット厚さの２乗に比例して上昇するために、図７に示すように、固定子鉄心の軸方向両端部における温度上昇が顕著となっている。しかし、本実施の形態ａは、パケット８Ｐの厚さが固定子鉄心８の軸方向に渡って同じ厚さであるので、冷却気体の温度分布と同じような、ほぼ均一にすることができた。

このように本実施の形態によれば、冷却気体及び固定子鉄心８の軸方向の温度分布をほぼ均一化することができるので、全体の温度上昇を有効に抑えることができ、かつ、突出した温度上昇部位がなくなるので、冷却能力に余裕を持たせるためにタービン発電機を大型化する必要もなくなる。

ところで、上記実施の形態の、例えば、ファン２Ｆに近い通風ゾーン１５Ａ１のエアダクト１３を通過する冷却気体の循環流路は、ファン２Ｆ−隙間Ｇ−エアダクト１３−固定子鉄心背面−ファン２Ｆとなるが、固定子鉄心８の背面側に至った冷却気体が全て一方向、例えば上方向に排出される場合には、エアダクト１３の周方向で冷却気体の循環流路長に差が生じる。即ち、同じエアダクト１３内でも、排出側に近い側を経由する冷却気体の循環流路と排出側から離れた側を経由する冷却空気の循環流路との間には循環流路の長さの違いが生じ、当然ながら循環流路が長い場合には流路抵抗が大きくなるので、そこを流通する冷却気体の流通量は制限される。

そこで、本発明による強制冷却型回転電機の第２の実施の形態は、図８に示すように、同じエアダクト１３内において、冷却気体の循環流路が長くなる側には通風溝１１Ｇ付きのウエッジ１１Ｂを臨ませ、循環流路が短くなる側には全長に渡って同じ台形状の断面を有するウエッジ１１Ａを臨ませたのである。

即ち、本実施の形態においては、冷却気体の排出方向が固定子鉄心８の上方である場合、単純に、エアダクト１３の上半分には、全長に渡って同じ台形状の断面を有するウエッジ１１Ａを用いて冷却気体の流通量を制限し、エアダクト１３の下半分には、通風溝１１Ｇ付きのウエッジ１１Ｂを用いて冷却気体の流通量を増加させる、云い代えれば、エアダクト１３の上半分で流路抵抗を増大させ、下半分では流路抵抗を小さくすることで、冷却気体の流通量の均一化を図ったのである。

尚、本実施の形態においては、エアダクト１３の内径側から外径側へ冷却気体を流通させる場合を説明したが、エアダクト１３の外径側から内径側へ冷却気体を流通させる場合にも適用できるのは云うまでもない。

このように、エアダクト１３の周方向の流路抵抗を、通風溝１１Ｇのないウエッジ１１Ａと通風溝１１Ｇを有するウエッジ１１Ｂとを併用することで変えることができ、その結果、冷却気体の全循環流路の流通量を均一化させることで、固定子鉄心８の周方向における温度分布の均一化を図ることができる。

図９は、本発明による強制冷却型回転電機の第３の実施の形態を示すもので、第１及び第２の実施の形態と異なる点は、間隔が異なるエアダクト１３Ａ，１３Ｂを固定子鉄心８の軸方向に複数設けた点である。そして、エアダクト１３Ａ，１３Ｂ間の珪素鋼板の積層単位であるパケット８Ｐの厚さは夫々同じ厚さとしている。

具体的には、固定子鉄心８の軸方向両端部における通風ゾーン１５Ａ１のエアダクト１３Ａの間隔を狭くし、固定子鉄心８の軸方向中間部となる通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂのエアダクト１３Ｂの間隔を広くしている。

このように構成することで、ファン２Ｆに近い側のエアダクト１３Ａは流通面積が絞られて冷却気体の流路抵抗は大きくなるので冷却気体の流通量は減少し、その分、軸方向中間部となるエアダクト１３Ｂに冷却気体をまわすことができる。さらに、ファン２Ｆに遠い側のエアダクト１３Ｂは流通面積が広がって冷却気体の流路抵抗は小さくなるので冷却気体の流通量は増加する。その結果、ファン２Ｆに近い側と遠い側との冷却気体の流通量を均一化できるので、固定子鉄心８の温度分布を均一化することができる。

ところで、本実施の形態においては、エアダクト１３Ａ，１３Ｂの間隔を変化させることで流路抵抗を変化させているが、さらに、第１及び第２の実施の形態におけるウエッジ１１Ａ，１１Ｂを使用しているので、各エアダクト１３Ａ，１３Ｂを経由する全循環流路を流通する冷却気体の流通量をより均一化させることができる。

以上説明したように、本実施の形態によっても第１の実施の形態と同等の効果を奏することができる。

図１０は、本発明による強制冷却型回転電機の第４の実施の形態を示すもので、図９に示す第３の実施の形態と異なる点は、全エアダクト１３の隙間寸法を同じにし、固定子鉄心８の軸方向両端部における通風ゾーン１５Ａ１に対向するパケット８Ｐ１の厚さを厚くし、通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂに対向するパケット８Ｐ２の厚さを薄くした点である。云い代えれば、この構成は、固定子鉄心８の軸方向両端部における通風ゾーン１５Ａ１のエアダクト１３の数を少なくし、固定子鉄心８の軸方向中間部となる通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂのエアダクト１３の数を多くしたものである。

このように、固定子鉄心８の軸方向中間部となる通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂのエアダクト１３の数を多くすることで、冷却気体の流通量を増やして、固定子鉄心８の軸方向両端部における通風ゾーン１５Ａ１のエアダクト１３の冷却気体の流通量を制限することができ、その結果、固定子鉄心８の軸方向の温度分布を均一化することができるのである。

尚、本実施の形態においても、第１及び第２の実施の形態におけるウエッジ１１Ａ，１１Ｂを使用しているので、各エアダクト１３Ａ，１３Ｂを経由する全循環流路を流通する冷却気体の流通量をより均一化させることができる。

図１１は、使用するウエッジの変形例で、前述の実施の形態においては、図１に示すように、ウエッジ１１Ａ，１１Ｂの長さは、各通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂの長さとほぼ同じ長さを有するものであり、各通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ毎に、ウエッジ１１Ａ，１１Ｂを使い分けたものである。

しかしながら、例えば、図１において、固定子鉄心８の軸方向両端部における通風ゾーン１５Ａ１の全てのエアダクト１３を同じ断面形状のウエッジ１１Ａとした場合、冷却気体の流通量に差が生じる場合には、同じ断面形状の区間Ｌ１と通風溝１１Ｇを有する区間Ｌ２とを混在させた長さＬのウエッジ１１Ｃを用いることも可能である。さらに、このような長さＬのウエッジ１１Ｃを各通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ内に複数設置してもよく、反対に通風ゾーン１５Ａ１，１５Ｂ間及び通風ゾーン１５Ａ２，１５Ｂ間に跨って長さＬのウエッジ１１Ｃを設置してもよい。

以上説明したように、本発明による各実施の形態によれば、冷却気体の循環流路の流路抵抗をエアダクトを通る冷却気体の流通量を、循環流路の長さ、云い代えれば、循環流路の流路抵抗に応じて調節したので、固定子鉄心軸方向の温度分布をほぼ均一化することができる。

ところで以上の各実施の形態においては、強制冷却型回転電機として強制冷却型タービン発電機を一例に説明したが、強制冷却型電動機にも適用できるのは云うまでもない。さらに、以上の各実施の形態においては、冷却気体を機内で循環させる強制冷却型回転電機を説明したが、外気を導入し、冷却後の排気を機外に排出する開放型の強制冷却型回転電機にも適用することができる。尚、開放型の強制冷却型回転電機においては、外気導入用のファンからエアダクトを経由して排気部までの冷却気体の流通路長に当然差があるので、本発明の適用は可能である。さらに、上記実施の形態において、冷却気体の流路抵抗や流通量を平均化しても、必ずしも温度が均一にならない場合がある。そのような場合には、固定子鉄心に設けたエアダクトの回転子に臨む側に、巻線溝内に組み込まれた固定子巻線の温度を平均化する流路抵抗調整手段を設けることで、固定子鉄心軸方向の温度分布をほぼ均一化するようにしてもよい。

本発明による強制冷却型回転電機の第１の実施の形態である強制冷却型タービン発電機の固定子鉄心近傍を示す概略縦断側面図。 第１の実施の形態に用いるウエッジの一つを示す斜視図。 図２のウエッジを用いた固定子の一部を示す拡大斜視図。 第１の実施の形態に用いるウエッジのもう一つを示す斜視図。 図４のウエッジを用いた固定子の一部を示す拡大斜視図。 図１の強制冷却型タービン発電機の外観を示す一部破断斜視図。 第１の実施の形態による固定子鉄心の軸方向の温度分布図。 本発明による強制冷却型回転電機の第２の実施の形態を示す固定子の縦断正面図。 本発明による強制冷却型回転電機の第３の実施の形態を示す固定子の縦断側面図。 本発明による強制冷却型回転電機の第４の実施の形態を示す固定子の縦断側面図。 本発明による強制冷却型回転電機に使用するウエッジの変形例を示す斜視図。

符号の説明

１…強制冷却型タービン発電機、２…回転軸、２Ｆ…ファン、３…回転子、４…固定子、５…軸受、６…端枠、７…固定子枠、７Ｈ…ハウジング、８…固定子鉄心、８Ｅ…エンドクランプ、８Ｐ…パケット、９…巻線溝、９Ｗ…ウエッジ溝、１０…固定子巻線、１１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…ウエッジ、１１Ｇ…通風溝、１２…ダクトスペーサ、１３，１３Ａ，１３Ｂ…エアダクト、１４…隔壁、通風ゾーン１５Ａ１，１５Ａ２，１５Ｂ…通風ゾーン。

Claims (2)

1. 回転軸に形成された回転子と、この回転子の外周に隙間を介して設置された固定子とを備え、この固定子は、珪素鋼板を前記回転軸の長手方向に沿って積層して構成した固定子鉄心と、この固定子鉄心に形成した巻線溝内に組み込まれた固定子巻線と、前記巻線溝の開口部側に形成したウエッジ溝に挿入され前記固定子巻線を前記巻線溝内に固定する断面台形状のウエッジとを有し、前記固定子鉄心は珪素鋼板の積層方向に複数のエアダクトを形成し、これらエアダクトに冷却気体を強制的に流通させるように構成した強制冷却型回転電機において、前記エアダクトを積層鋼板の積層方向に等間隔で設けると共に、前記固定子鉄心の外周側で積層鋼板の積層方向に等間隔に複数の隔壁を設けて複数の通風区間を形成し、この通風区間のうち隣接する通風区間の冷却気体を互いに逆向きに流通させ、かつ、前記ウエッジを断面台形状に形成すると共に、前記エアダクトに対向する位置に前記ウエッジ溝に挿入される部分を切り欠いて通風溝を形成したウエッジと通風溝のないウエッジとを設け、前記通風溝の回転軸方向に沿う寸法は前記エアダクトの回転軸方向に沿う寸法と同じで、通風溝部のウエッジの回転軸周方向に沿う寸法は前記巻線溝の幅寸法と同じに形成することでエアダクトに臨む抵抗部材をなくし、前記通風溝を形成したウエッジは前記通風区間を経由する長い冷却気体流路内のエアダクトに配置し、通風溝のないウエッジは短い冷却気体流路内のエアダクトに配置して冷却気体流路の流路抵抗を平均化する流路抵抗調整手段を形成したことを特徴とする強制冷却型回転電機。
2. 前記回転軸は、前記回転子の軸方向両側に夫々ファンを備えていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。

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