JP2018014827A - 回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子の冷却機能を効果的に高めた回転電気機械を提供する。【解決手段】ステータ４は鋼板を積層して成る鉄心４ｂを有し、鉄心４ｂの内周側にスロット４ｅを形成してステータコイル５を装填し、スロット４ｅの開口端にコイル押え５０を装着するとともに、鋼板４ｂ、４ｂ間に間隔をあけるためのディスタンスピース４ｃを隣接するスロット４ｅ、４ｅ間に放射状に配置してステータコイル５ａ、５ａ間にディスタンスピース４ｃによって回転方向に分割された通風ダクト４ｄを形成した回転電気機械において、ディスタンスピース４ｃの内方端に、流入する冷却空気Ａを回転方向遅れ側に区画された通風ダクト４ｄ２に導く導風板４ｇを設けることとした。【選択図】図１

Description

本発明は、固定子の冷却機能を高めた回転電気機械に関する。

従来、電気から機械，または機械から電気へとエネルギーを変換する役割を担う同期機のような回転電気機械１にあっては、図６に示すように円筒形状の固定子であるステータ４と、このステータ４内で回転するように配置された４個の突極６ｃ，６ｃ（図中、２個のみ記載）を有する回転子たるロータ６とを備えたものが知られている。前記ステータ４にあっては、円板状の鋼板を紙面垂直方向に多数積層して鉄心４ｂを形成するとともに、一部の鋼板間に図７に示すように放射状に延びるディスタンスピース４ｃを介在させて通風ダクト４ｄを形成し、この通風ダクト４ｄに冷却空気を導いてステータ４の冷却効果を高めるようにしたものが多用されている。この円筒状のステータ４の内周側にはその全長にわたって放射状に延びる複数のスロット４ｅが設けられており、これらスロット４ｅにはステータコイル５が嵌入され、スロット４ｅの開口端は紙面垂直方向に延びるウェッジと称されるコイル押え５０で閉止されている。コイル５には位相の異なる交流電流（以下、電流という）が流れるように構成されている。

この種の回転電気機械１にあっては、ステータ４のスロット４ｅに嵌入されるコイル５に電流が流れると、ロータ６およびステータ４に熱が発生し、これらを冷却する必要が生じている。このため、図６に示すロータ６からは冷却ガスの一例である冷却空気Ａが流出するように構成してあり、この冷却空気Ａを前記通風ダクト４ｄに導入することで、通風ダクト４ｄの両側に位置するステータコイル５の冷却が行われるようにしている。特許文献１はそのような冷却構造を備えたものの一例である。

実公平２−１８６８２号公報

ところで、図８に示すように、ロータ６から流出した冷却空気Ａはロータ４の回転方向と同じ旋回速度成分を持っている。このため、冷却空気Ａはステータ４の通風ダクト４ｄへ速度ｖで斜めに流入しようとする。しかしながら、冷却空気Ａはコイル押え５０と衝突しない位置からでないと通風ダクト４ｄに入れないため、回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１へは入り易いが、回転方向遅れ側に区画された通風ダクト４ｄ２へは殆ど入ることができない。

さらに、回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１へ流入した空気はステータコイル５の右側面５ａの表面に沿って流れるのに比べて、回転方向遅れ側に区画された通風ダクト４ｄ２へ流入した空気はディスタンスピース４ｃの表面に沿って流れ、ステータコイル５の左側面５ｂの表面に沿っては流れない。

このため、ステータコイル５の右側面５ａは回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１を流れる冷却空気Ａ１によって冷却されるのに対し、ステータコイル５の左側面５ｂは回転方向遅れ側に区画された通風ダクト４ｄ１を流れる冷却空気Ａ２が微小であることから殆ど冷却されず、冷却効果が不十分なものとなっている。

上記特許文献１はロータ側において冷却機能の改善を図っているが、ステータに冷却空気が適切に導入されなければステータ冷却機能の実効が図れない。

本発明は、このような課題に着目してなされたものであって、固定子側において冷却機能の改善を図った回転電気機械を提供することを目的としている。

本発明の回転電気機械は、固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、当該鉄心の内周側にスロットを形成してステータコイルを装填し、スロットの開口端にコイル押えを装着するとともに、前記回転子の軸方向に沿って前記固定子の鋼板間に間隔をあけるためのディスタンスピースを隣接するスロット間に放射状に配置してステータコイル間に前記ディスタンスピースによって回転方向に分割された通風ダクトを形成した回転電気機械において、前記ディスタンスピースの内方端に、流入する冷却ガスを回転方向遅れ側に区画された通風ダクトに導く導風板を設けたことを特徴とする。

このようにすれば、回転方向遅れ側に区画された通風ダクトへ流入する冷却ガスが増量する。かつ、流入した冷却ガスをステータコイルの表面に沿って流すことが可能である。このため、回転方向進み側に区画された通風ダクト内の冷却ガスとともに、ステータコイルを左右両側面から効果的に冷却することが可能となる。

また、本発明の回転電気機械は、固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、当該鉄心の内周側にスロットを形成してステータコイルを装填し、スロットの開口端にコイル押えを装着するとともに、前記回転子の軸方向に沿って前記固定子の鋼板間に間隔をあけるためのディスタンスピースを隣接するスロット間に放射状に配置してステータコイル間に前記ディスタンスピースによって回転方向に分割された通風ダクトを形成した回転電気機械において、前記コイル押えの一部に、回転方向遅れ側に区画された開口とのオーパーラップを避ける切欠を設けたことを特徴とする。

このようにしても、回転方向遅れ側に区画された通風ダクトへ流入する冷却ガスが増量する。このため、回転方向進み側に区画された通風ダクト内の冷却ガスとともに、ステータコイルを左右両側面から効果的に冷却することが可能となる。

あるいは、本発明の回転電気機械は、固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、当該鉄心の内周側にスロットを形成してステータコイルを装填し、スロットの開口端にコイル押えを装着するとともに、前記回転子の軸方向に沿って前記固定子の鋼板間に間隔をあけるためのディスタンスピースを隣接するスロット間に放射状に配置してステータコイル間に前記ディスタンスピースによって回転方向に分割された通風ダクトを形成した回転電気機械において、前記ディスタンスピースの内方端に、流入する冷却ガスを固定子の回転方向遅れ側に区画された通風ダクトに導く導風板を設けるとともに、前記コイル押えの一部に、回転方向遅れ側に区画された開口とのオーパーラップを避ける切欠を設けたことを特徴とする。

このようにすれば、上記両構成による相乗効果が奏される。

以上説明した本発明によれば、通風ダクト内もしくはその付近の構造を若干変更するだけで、固定子の冷却機能を効果的に高めた回転電気機械を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る回転電気機械のステータ内周付近をロータ軸と直交する面で切断した状態で示す図。 同ステータ内周に存するコイル押えの一部を正視した状態で示す図。 図１の変形例を示す図。 同回転電気機械の全体構成を一部破断して示す図。 図４におけるＶ−Ｖ線拡大断面図。 従来の回転電気機械のロータとスロットのエアギャップ付近を示す図。 同従来例の不具合を説明するための図。 図７の拡大図。

以下、本発明の一実施形態に係る回転電気機械の一例である同期機１を、図面に基づき説明する。

図４および図５はかかる同期機１の基本構成を示している。同図に示すように、同期機１の基台２にはステータ取付台３が固定されている。このステータ取付台３は、その両端付近では横断面が小径のＵ字状をなしかつ中央付近では横断面が拡開されたＵ字状をなすＵ字部３ａを有している。また、このＵ字部３ａは両端部で固定子である円筒形状のステータ４を支持してこれと一体となるように固定され、同時に中央付近でステータ４の外周との間に冷却ガスの一例である冷却空気が通過する空気通過路４ａが形成されるように構成されている。

前記ステータ４は、円板状の薄板を回転軸方向に多数積層してなる鉄心４ｂを複数個放射状に延びる複数のディスタンスピース４ｃを介して重ね合わせる構造となっている。これにより、隣接する鉄心４ｂ、４ｂ間にはその半径方向に延びる通風ダクト４ｄが形成され、この通風ダクト４ｄを通過する冷却空気によりステータ４が冷却され、また通風ダクト４ｄを通過する冷却空気がステータ４の熱を吸収後、前述の空気通過路４ａから排出されるように構成されている。この円筒状のステータ４の内周側には、その全長にわたって放射状に延びる複数のスロット４ｅが設けられている。このスロット４ｅには、亀の甲形状に巻き上げられたステータコイル５が嵌入されており、このステータコイル５は絶縁処理され、交流電流（以下、電流という）が位相を変えて流れるように構成されている。スロット４ｅの開口端にはウェッジと称される絶縁材製のコイル押え（図５では図示省略）が装着されている。このコイル押えは図７において紙面垂直方向に延びる長尺板状のもので、断面が概略台形状をなし、最大幅はスロット４ｅの開口端よりも幅広となっている。

前記ステータ４の内周側には、両端中央部から水平方向に延びるロータ軸６ａを有する回転子たるロータ６が配置されており、このロータ６のロータ軸６ａは軸受ケース７により軸支され、端部が軸受ケース７から外部に露出するように配置されている。このロータ軸６ａにはそれぞれファン６ｂが取付けられており、ロータ軸６ａの回転にともなって、ロータ６の端面側から冷却空気がロータ６の内部に供給されるように構成されている。また、前記ロータ軸６ａの一方の端部には接合部（図示せず）が形成されており、外部からの回転を受けたり、外部に回転を伝達したりできるように構成されている。

前記ロータ６は、ロータ軸６ａを中心に直交する方向に延びる４個の突極６ｃを有し、各突極６ｃには絶縁処理されたロータコイル９が多層に巻回され、対向する一対の突極６ｃ，６ｃおよび隣接する突極６ｃ，６ｃがＮ極、Ｓ極いずれかの極性を有するように構成されている。

前記突極６ｃには、前記ロータコイル９がロータ６の回転時に生じる遠心力で突極６ｃから飛散しないように、絶縁板（図示せず）を介してポールシュー１０が取付けられている。さらに、隣接する二つの突極６ｃ，６ｃ間には各突極６ｃに巻回されるロータコイル９，９を押さえて遠心力による膨らみを防止するコイル押さえ１１が突極６ｃの延びる方向に配置され、ボルト１２によりロ−タ６に一体に固定されている。これにより、ロータコイル９に遠心力が加わっても、ロータコイル９が遠心力により飛散しない構成が得られている。

前記基台２には、前記ロータ軸６ａを露出させながらステータ取付台３およびロータ６の周囲を取り囲むように軸受ケース７が取付けられている。この軸受ケース７の上部にはトップカバー１３が取付けられており、これら軸受ケース７およびトップカバー１３により冷却空気循環空間が形成されている。前記トップカバー１３には空気冷却器１４が取付けられており、この空気冷却器１４の下方には前記ステータ取付台３の上部を囲む空気取込口１４ａが、また空気冷却器１４の上部には冷却空気を吐出する吐出口（図示せず）が設けられている。これにより、ステータ４に形成される通風ダクト４ｄを通過して発電機の熱を吸収した冷却空気が空気冷却器１４に取り込まれて、再び冷却された冷却空気が吐出口から前述の冷却空気循環空間に吐出される構成が得られる。

以上のように、図示の回転電気機械１は、ステータ４と、ステータ４の内側にエアギャップを介して配置されるロータ６とを備え、ステータ４は鋼板を積層して成る鉄心４ｂを有し、鉄心４ｂの内周側にスロット４ｅを形成してステータコイル５を装填し、スロット４ｅの開口端にコイル押え５０を装着するとともに、ロータ６の軸方向に沿ってステータ４の鋼板４ｂ、４ｂ間に間隔をあけるためのディスタンスピース４ｃを隣接するスロット４ｅ、４ｅ間に放射状に配置している。これにより、ステータコイル５、５間にディスタンスピース４ｃによって回転方向に分割された通風ダクト４ｄ（４ｄ１、４ｄ２）が形成されている。

次に本実施形態の要部について説明する。

図７に示したように、冷却空気Ａがロータ６の周速にほぼ等しい速度ｖで通風ダクト４ｄに斜めに流入しようとする場合、回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１には円滑に流入できるため、流入後の冷却媒体Ａ１はステータコイル５の右側面５ａへ衝突し、同側面５ａに沿って流れて、ステータコイル５を適切に冷却することができる。

しかしながら、回転方向遅れ側に区画された通風ダクト４ｄ２に対しては、冷却空気Ａの向きとの関係、或いはコイル押え５０が障壁となることとの関係により、冷却空気Ａが流入しにくく、流入したとしてもステータコイル５の左側面５ｂに沿って流れる冷却空気Ａ２の流量は右側面５ａに沿って流れる冷却空気Ａ１の流量に比べて遥かに少ない。さらに、回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１へ流入した空気はステータコイル５の右側面５ａの表面に沿って流れるのに比べて、回転方向遅れ側に区画された通風ダクト４ｄ２へ流入した空気は、ディスタンスピース４ｃの表面に沿って流れ、ステータコイル５の左側面５ｂの表面に沿っては流れない。

このため、ステータコイル５の左側面５ｂは右側面５ａに比べて放熱量が少なくなり、これによってステータコイル５全体の温度が上昇するという課題がある。

そこで本実施形態は、図１に示すように、通風ダクト４ｄ内に導風板４ｇを取り付けている。この導風板４ｇは、山形（への字形）に屈曲した状態に構成されて、頂部がディスタンスピース４ｃのうちロータ６に近い内方端側に当接もしくは近接する位置に配置され、スロット４ｅの開口に近い側の屈曲片４ｇ１はディスタンスピース４ｃに対して所定角度θ１をなし、スロット４ｅの開口から遠い側の屈曲片４ｇ２はディスタンスピース４ｃに対して所定角度θ２となるように配置されている。この実施形態ではθ１＜θ２であり、好ましくは０＜θ１＜６０°、５＜θ２＜７０°とすることが好ましい。また、導風板４ｇの内方端からステータ４の内周４ｚまでの距離ａは０〜５０ｍｍとする。導風板４ｇはディスタンスピース４ｃとともに鉄心４ｂを構成する鋼板に溶接されている。

また本実施形態は、図１及び図２に示すように、コイル押え５０の一部に、当該コイル押え５０が通風ダクト４ｄ（特に回転方向遅れ側の通風ダクト４ｄ２）の開口を塞ぐことを避けるための切欠５０ａを設けている。切欠５０ａの位置におけるコイル押え幅Ｗ２は、それ以外の位置におけるコイル押え幅Ｗ１のほぼ１／２としている。

このように構成した場合、回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１に対して冷却空気Ａは従来の構造の場合と同じく適切に流入した後、冷却空気Ａ１としてステータコイル５の右側面５ａに沿って流れてこれを冷却する。一方、ディスタンスピース４ｃの内方端に設けた誘導板５ｇに衝突した冷却空気は、ディスタンスピース４ｃに対して角度θ１をなす屈曲片４ｇ１及び角度θ２をなす屈曲片４ｇ２によって回転方向遅れ側の通風ダクト４ｄ２に向かって誘導される。その結果、冷却空気Ａ１とほぼ等しい流量の冷却空気Ａ２を回転方向遅れ側の通風ダクト４ｄ２に流すことができ、かつ、流入した冷却空気をステータコイル５の左側面５ｂの表面に沿って流すことが可能である。これにより、鉄心４ｂ内の通風ダクト４ｄを通過する冷却空気量（Ａ１＋Ａ２）は従来構造に比べてほぼ２倍に増加することとなる。

すなわち、ステータコイル５の左右両側面５ａ、５ｂを流れる冷却空気（Ａ１＋Ａ２）として、ロータ６から流出した冷却空気Ａの量にほぼ近い量を確保することができる。その結果、ステータコイル５の放熱を効果的に行うことができ、従来構造に比べてステータコイル５の温度上昇を有効に低減することが可能となる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、各部の具体的な構成は、上述した実施形態のみに限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では導風板４ｇをディスタンスピース４ｃとは別体に設けたが、図３に示すように、誘導板４ｈをディスタンスピース４ｃと一体に設けても構わない。この場合、ディスタンスピース４ｃを従来品よりも少し長めにしてロータ６に近い内方端側を適宜形状に塑性変形加工すれば簡単に構成することができる。

また、同図に示す導風板４ｈのように、その形状は屈曲形状に限らず湾曲形状に設けることもできる。

さらにコイル押え５０に関しては、図２に示すように、回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１とのオーバーラップを避ける位置にも切欠５０ｂを設けても構わない。このようにすれば、図１において僅かに進入の妨げとなるコイル押え５０の右側エッジ部分が開口するため、冷却空気Ａ１が回転方向進み側に区画された通風ダクト４ｄ１にもより入り易くなり、ステータコイル右側面５ａに対する冷却効果をより高めることが可能となる。

その他の構成も、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、導風板４ｇを設ける構成と、コイル押え５０に切欠５０ａを設ける構成とを併用したが、導風板４ｇだけを設ける構成や、切欠５０ａだけを設ける構成を採用しても、上記実施形態に準じた作用効果が奏される。

１…回転電気機械（同期機）
４…固定子（ステータ）
４ｂ…鉄心
４ｃ…ディスタンスピース
４ｄ…通風ダクト
４ｄ１…回転方向遅れ側の通風ダクト
４ｄ２…回転方向遅れ側の通風ダクト
４ｅ…スロット
４ｇ、４ｈ…導風板
５…ステータコイル
６…回転子（ロータ）
５０…コイル押え
５０ａ…切欠
５０ｂ…切欠

Claims (3)

1. 固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、当該鉄心の内周側にスロットを形成してステータコイルを装填し、スロットの開口端にコイル押えを装着するとともに、前記回転子の軸方向に沿って前記固定子の鋼板間に間隔をあけるためのディスタンスピースを隣接するスロット間に放射状に配置してステータコイル間に前記ディスタンスピースによって回転方向に分割された通風ダクトを形成した回転電気機械において、
   前記ディスタンスピースの内方端に、流入する冷却ガスを回転方向遅れ側に区画された通風ダクトに導く導風板を設けたことを特徴とする回転電気機械。
2. 固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、当該鉄心の内周側にスロットを形成してステータコイルを装填し、スロットの開口端にコイル押えを装着するとともに、前記回転子の軸方向に沿って前記固定子の鋼板間に間隔をあけるためのディスタンスピースを隣接するスロット間に放射状に配置してステータコイル間に前記ディスタンスピースによって回転方向に分割された通風ダクトを形成した回転電気機械において、
   前記コイル押えの一部に、回転方向遅れ側に区画された開口とのオーパーラップを避ける切欠を設けたことを特徴とする回転電気機械。
3. 固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、当該鉄心の内周側にスロットを形成してステータコイルを装填し、スロットの開口端にコイル押えを装着するとともに、前記回転子の軸方向に沿って前記固定子の鋼板間に間隔をあけるためのディスタンスピースを隣接するスロット間に放射状に配置してステータコイル間に前記ディスタンスピースによって回転方向に分割された通風ダクトを形成した回転電気機械において、
   前記ディスタンスピースの内方端に、流入する冷却ガスを固定子の回転方向遅れ側に区画された通風ダクトに導く導風板を設けるとともに、前記コイル押えの一部に、回転方向遅れ側に区画された開口とのオーパーラップを避ける切欠を設けたことを特徴とする回転電気機械。
   
   
   
   

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