JP3982491B2

JP3982491B2 - 回転電機

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Publication number: JP3982491B2
Application number: JP2003423958A
Authority: JP
Inventors: 健五岩重; 浩之佐藤; 太桧山; 隆狩野; 貴彦佐野; 健一通澤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: US7247958B2; CN1638240A; US20050135927A1; US20070205677A1; JP2005185025A; CN1297057C

Description

本発明は、回転電機に係り、例えばタービン発電機の固定子端部を効果的に冷却するものに好適な回転電機に関するものである。

タービン発電機においては、固定子や回転子が電磁気的，機械的な要因により熱を発生する。この発生した熱を除去する冷却媒体として空気や水素等が使用される。空気や水素等の冷却媒体を使用し、冷却して発生した熱を除去する方式のタービン発電機の全体構成を図３に、固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図を図４に示す。

タービン発電機は、固定子鉄心６，固定子鉄心６に巻かれた固定子コイル４で構成される固定子１と、この固定子１の内周に配置される回転子鉄心５，回転子鉄心５に設けた複数のスロット（図示せず）に挿入した回転子コイル９，回転子鉄心５の端部に突出した回転子コイル９端部の外周を覆う保持リング１０で構成される回転子２とがエアギャップ８を介して配置されて構成されている。また、固定子鉄心端部７には、一般に固定子鉄心６を押さえる固定子鉄心押さえ部材１１が設置され、この固定子鉄心押さえ部材１１を用いて固定子を固定子枠等に締め付けて固定している。

また、上述した如く、固定子１や回転子２が電磁気的，機械的な要因により熱を発生するが、この発生した熱を除去し、固定子１や回転子２の温度が過度に高くなることを防ぐために、回転子２の端部などに送風ファン３を設け、この送風ファン３を用いて機内の空気や水素等の冷却媒体１４を循環、または排気するようにしている。この回転子２の端部などに設けた送風ファン３からの冷却媒体は、固定子１と回転子２間の流路，固定子１内の流路，回転子２内の流路，固定子鉄心６の背面の流路にそれぞれ分配され、図５のように固定子１の端部と回転子２の端部間の流路入口（エアギャップ８の入口）に設置されたバッフル板１２により、エアギャップ８の入口を部分的に塞いで各流路への流量配分を調整する方法が、非特許文献１に記載されている。この非特許文献１では、バッフル板１２と保持リング１０との間に隙間が設けられ、この隙間を調整することにより各流路への流量を配分している。さらに、同様なものとして、図６のようにシール材が２つの複合リングでサンドイッチされた構造のバッフル板１２が、特許文献１に記載されている。

ところで、タービン発電機においては、固定子鉄心端部７付近は、界磁起電力および電機子起磁力による漏れ磁束が複雑に存在し（特許文献２参照）、軸方向磁束が鉄心端面に入射する。この軸方向入射磁束によって固定子鉄心端部７には渦電流が流れ渦電流損が発生し、固定子鉄心端部７が局所的に発熱する。従来、この発熱は比較的軽微なものであり、前記バッフル板１２は発熱を除去するために冷却媒体の流れを制御する必要はなく、前述のごとく流量の分配を目的に設置されていた。

また、固定子鉄心端部７の固定子鉄心押さえ部材１１に設置したバッフル板全体に複数の穴１７を開けて多孔バッフル板１６とし、多孔バッフル板１６下流の冷却媒体のエアギャップ内流量分布を調整することが特許文献３に記載されている。図７はこの多孔バッフル板１６を使用した軸方向・径方向断面拡大図である。この特許文献３では、エアギャップ内流量分布を均一化し、固定子鉄心６内の流路への流量配分を調整することを目的としているため、複数の多孔バッフル板１６の穴１７を通過した冷却媒体は、固定子鉄心端部７と回転子鉄心５の端部間の流路全体に分散されるため、固定子鉄心端部７の冷却媒体の流速が弱まり、固定子鉄心端部７の冷却性能が不足するという課題が生じる。

近年、タービン発電機の小型化・大容量化が求められ、機内の発熱密度も高くなる傾向があり、固定子鉄心端部７の温度が過度に高くなることを防止するため、より効果的に冷却する必要が出てきた。上述した如く、特に、固定子鉄心端部７付近は、界磁起電力および電機子起磁力による漏れ磁束が複雑に存在し、軸方向磁束が鉄心端面に入射する。この軸方向入射磁束によって固定子鉄心端部７には渦電流が流れ、渦電流損が発生し局所的に発熱している。

このような状況において、従来技術では前記固定子鉄心端部７の冷却に関し十分な配慮がなされていないため、固定子鉄心端部７や固定子鉄心押さえ部材１１の冷却が不足し過熱するなどの課題があった。

特開平６−３８４１１号公報特開平１１−２２５４５５号公報特開昭６１−１６１９３５号公報「大容量タービン発電機の回転子冷却強化の評価手法開発」，東芝谷山賀浩他３名，２００３年５月２３日，電気学会回転機研究会資料ＲＭ−０３−２５

従って、従来技術における解決しようとする課題は、固定子鉄心端部で発生する熱により固定子鉄心端部の温度が過度に高くなることである。
本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、固定子鉄心端部に熱が発生しても該固定子鉄心端部の温度が過度に高くならないように効果的に冷却できる回転電機を提供するにある。

本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、固定子鉄心の端部内周面側に配置され、機内を冷却する冷却媒体を分配するバッフル板を、複数の同心状の盤を径方向に積層して構成すると共に、該バッフル板の最外周の盤と前記固定子鉄心押え部材の内周および／または前記固定子鉄心の端部内周との間の軸方向に冷却媒体を流す隙間を有し、かつ、前記バッフル板の複数の盤間には、前記隙間を流れる冷却媒体と合流し、前記固定子鉄心押え部材の内周および／または前記固定子鉄心の端部内周面に沿った冷却媒体の流れを生じさせる軸方向に貫通した開口部が形成され、この開口部は前記バッフル板の前記固定子鉄心の内周面よりも径方向中心寄りに位置していることを特徴とする。

本発明の回転電機は、固定子鉄心端部の内径側に配置され、固定子鉄心押さえ部材内周および／または固定子鉄心端部内周面に沿った冷却媒体の流れを形成するバッフル板を設けたので、固定子鉄心端部を効果的に冷却でき、固定子鉄心端部に熱が発生しても固定子鉄心端部の温度が過度に高くならないという利点がある。

回転電機の固定子鉄心端部を効果的に冷却するという目的を、従来とほぼ同等の部品点数で、従来の回転電機各流路への流量配分を調整するという機能を損なわずに実現した。

本発明の回転電機の一実施例におけるタービン発電機の全体構成は図３と同様であり、説明を省略する。

図１は、本発明の実施例１を示す固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図、図２は、図１の構造における周方向・径方向断面図である。

本実施例では、バッフル板１８，１９が同心状の２枚の盤からなり、固定子鉄心押さえ部材１１内周とバッフル板１８の間および固定子鉄心端部７内周とバッフル板１８の間に隙間２０を有し、さらに各バッフル板１８，１９同士の間には開口部である隙間２１を有している。同心状の２枚の盤からなるバッフル板１８，１９は、バッフル板支持部材１５に取り付けられ、このバッフル板支持部材１５が固定子鉄心押さえ部材１１に固定された構造であり、固定子鉄心押さえ部材１１内周とバッフル板１８との間の隙間２０、および各バッフル板１８，１９同士間の隙間２１が径方向の部材であるバッフル板支持部材１５により周方向に仕切られている。

図１は、従来のバッフル板の構成を示した図５に相当するものであり、送風ファン３
（図示せず）からの冷却媒体１４が、同心状に配置されたバッフル板１８とバッフル板
１９との間にも流れるようにしたもので、バッフル板１８と１９との間の隙間２１は、固定子鉄心６の内径よりも径方向中心寄りの位置に設けられている。

本実施例では、固定子鉄心押さえ部材１１や固定子鉄心端部７の内周とバッフル板１８の間の隙間２０を通過して流れる冷却媒体が、固定子鉄心押さえ部材１１や固定子鉄心端部７を冷却する。さらにその後、隙間２０を通過した冷却媒体は、固定子鉄心端部の形状に沿って流れの向きをエアギャップ８の内径側に偏向されるが、バッフル板１８とバッフル板１９の隙間２１を通過した軸方向に噴出する冷却媒体と衝突することにより、その向きを変えられ、合流して固定子鉄心６の内周に沿う流れとなり、固定子鉄心６およびその端部７を効果的に冷却することが可能となる。

図８は、本実施例の効果を実験により評価した結果である。横軸はバッフル板を起点とした軸方向の無次元距離を、縦軸は従来技術における固定子鉄心端部の内周側の最高温度を基準とした無次元温度上昇を表している。図８に示すように従来技術（Ａ）に対し、本実施例（Ｂ）が固定子鉄心端部内周の最高温度上昇を約５０％に低減でき、本実施例の方が従来技術に比較して優れていることが理解される。

図９は、本発明の実施例２を示す固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図、図１０は、図９の構造における周方向・径方向断面図である。

本実施例のバッフル板は、実施例１と同様に同心状の２枚の盤から形成され、バッフル板１９が保持リング１０に固定され、バッフル板１９に接続された径方向の部材であるバッフル板支持部材１５で周方向に仕切られ、バッフル板支持部材１５によりバッフル板
１８が、固定子鉄心６と回転子鉄心５または保持リング１０間の空間に保持されている。固定子鉄心押さえ部材１１の内周および／または固定子鉄心端部７の内周と、バッフル板１８の間には隙間２０が設けられ、バッフル板１８とバッフル板１９との間には隙間２１が設けられ、この隙間２１が固定子鉄心６の内径よりも径方向中心寄りに位置しているので、実施例１と同等の冷却効果が発揮できる。

図１１は、本発明の実施例３を示す固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図、図１２は、図１１の構造における周方向・径方向断面図である。

本実施例のバッフル板は、実施例１，２と同様に同心状の２枚の盤から形成され、バッフル板１９が保持リング１０に固定され、バッフル板１８がバッフル板支持部材１５に取り付けられ、固定子鉄心端部７、または固定子鉄心押さえ部材１１に支持されている。固定子鉄心押さえ部材１１の内周および／または固定子鉄心端部７の内周と、バッフル板
１８との間には隙間２０が設けられ、バッフル板１８とバッフル板１９との間には隙間
２１が設けられ、この隙間２１が固定子鉄心６の内径よりも径方向中心寄りに位置しているので、実施例１，２と同等の冷却効果が発揮できる。

図１３は、本発明の実施例４を示す固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図、図１４は、図１３の構造における周方向・径方向断面図である。

本実施例のバッフル板は、実施例１，２，３と同様に同心状の２枚の盤から形成され、バッフル板１８がバッフル板支持部材１５に取り付けられ、固定子鉄心端部７、または固定子鉄心押さえ部材１１に支持されている。バッフル板１９は、バッフル板１８と一体または別部材の径方向の部材により、バッフル板１８とバッフル板１９との間に設けられている隙間２１が周方向に仕切られるように支持されている。固定子鉄心押さえ部材１１の内周および／または固定子鉄心端部７の内周と、バッフル板１８との間には隙間２０が設けられ、バッフル板１８とバッフル板１９との間には隙間２１が設けられ、この隙間２１が固定子鉄心６の内径よりも径方向中心寄りに位置しているので、実施例１，２，３と同等の冷却効果が発揮できる。

尚、本発明の実施例１〜４のバッフル板は、２枚の同心状の盤から構成されているが、３枚以上の複数の同心状の盤から構成されていても良い。勿論、このときの盤間の隙間は固定子鉄心６の内径よりも径方向中心寄りに位置しているものである。

また、本発明の実施例１〜４のバッフル板は、２枚の同心状の盤から構成されているが、リング状の一体構造のみでなく、回転電機の組み立てや施工の利便性を考慮して、周方向に複数に分割し、分割したバッフル板同士を直に、または、接続部材を介して接続し構成することも可能である。

〔参考例〕

図１５は、本発明の参考例を示す固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面図、図１６は、図１５の構造における周方向・径方向断面図である。

本参考例では、固定子鉄心端部７と固定子鉄心押え部材１１の内周側に両者に跨ってバッフル板２３を有し、このバッフル板２３が固定子鉄心端部７と固定子鉄心押え部材１１の内周側に沿って軸方向に伸張し、そして、固定子鉄心端部７の内周とバッフル板２３間に隙間２４を有し、バッフル板２３の外周形状が固定子鉄心および／または固定子鉄心押え部材１１の内周形状に概ね沿う形を有しており、隙間２４の間隔が冷却媒体の流れ方向において、ほぼ同一となるようにバッフル板２３が、バッフル板支持部材１５により固定子鉄心押え部材１１と共に固定されている。

本参考例によれば、固定子鉄心端部７および／または固定子鉄心押え部材１１の内周とバッフル板２３間の隙間２４に流入した冷却媒体１４は、軸方向に伸張したバッフル板２３と固定子鉄心端部７および／または固定子鉄心押え部材１１の間の流路内を拡散することなく流れるので、固定子鉄心端部７を効果的に冷却でき、実施例１，２，３，４と同等の冷却効果が発揮できる。

尚、本参考例のバッフル板は、１枚の盤から構成されているが、リング状の一体構造のみでなく、回転電機の組み立てや施工の利便性を考慮して、周方向に複数に分割し、分割したバッフル板同士を直に、または、接続部材を介して接続し構成することも可能である。

また、本発明の実施例１〜４のバッフル板支持部材１５は、固定子鉄心押え部材１１または保持リング１０に固定されているが、固定子鉄心端部７に固定することも可能である。

本発明の実施例１の固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図。本発明の実施例１の固定子および回転子端部付近の周方向・径方向断面図。本発明の対象であるタービン発電機の全体構成図。図３におけるタービン発電機の固定子端部および回転子端部の周方向・径方向断面拡大図。従来のバッフル板を使用した固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面図。従来の他のバッフル板を使用した固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面図。従来の多孔バッフル板を使用した固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面図。本発明の実施例１の効果を従来例と比較して示した特性図。本発明の実施例２の固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面図。本発明の実施例２の固定子および回転子端部付近の周方向・径方向断面図。本発明の実施例３の固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図。本発明の実施例３の固定子および回転子端部付近の周方向・径方向断面図。本発明の実施例４の固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図。本発明の実施例４の固定子および回転子端部付近の周方向・径方向断面図。本発明の参考例の固定子および回転子端部付近の軸方向・径方向断面拡大図。本発明の参考例の固定子および回転子端部付近の周方向・径方向断面図。

符号の説明

１…固定子、２…回転子、３…送風ファン、４…固定子コイル、５…回転子鉄心、６…固定子鉄心、７…固定子鉄心端部、８…エアギャップ、９…回転子コイル、１０…保持リング、１１…固定子鉄心押さえ部材、１２…バッフル板、１３…固定子鉄心内流路、１４…冷却媒体、１５…バッフル板支持部材、１６…多孔バッフル板、１７…多孔バッフル板の穴、１８…本発明のバッフル板−１、１９…本発明のバッフル板−２、２０…バッフル板と固定子鉄心押さえ部材および／または固定子鉄心端部の内周との隙間、２１…バッフル板−１，−２間の隙間、２２…バッフル板−１，−２間の隙間のバッフル板と一体または別構造の部材、２３…軸方向に伸張したバッフル板、２４…軸方向に伸張したバッフル板と固定子鉄心押さえ部材および／または固定子鉄心端部の内周との隙間。

Claims

固定子鉄心、該固定子鉄心を押える固定子鉄心押え部材、前記固定子鉄心に巻かれた固定子コイルからなる固定子と、該固定子の内周に隙間を介して挿入された回転子鉄心、該回転子鉄心に設けた複数のスロットに挿入された回転子コイル、前記回転子鉄心の端部から突出した回転子コイル端部の外周を覆う保持リングから構成される回転子と、前記固定子鉄心の端部内周面側に配置され、機内を冷却する冷却媒体を分配するバッフル板とを備えた回転電機において、
前記バッフル板は、複数の同心状の盤が径方向に積層されて構成されると共に、該バッフル板の最外周の盤と前記固定子鉄心押え部材の内周および/または前記固定子鉄心の端部内周との間に冷却媒体を流す隙間を有し、かつ、前記バッフル板の複数の盤間には、前記隙間を流れる冷却媒体と合流し、前記固定子鉄心押え部材の内周および/または前記固定子鉄心の端部内周面に沿った冷却媒体の流れを生じさせる軸方向に貫通した開口部が形成され、この開口部は前記バッフル板の前記固定子鉄心の内周面よりも径方向中心寄りに位置していることを特徴とする回転電機。
前記バッフル板は、前記固定子鉄心側に固定された支持部材により、前記固定子鉄心と回転子鉄心または前記保持リングとの間の空間内に保持されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記バッフル板は、前記保持リングまたは前記回転子鉄心側に固定され、前記固定子鉄心と回転子鉄心または前記保持リングとの間の空間内に保持されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記バッフル板が２枚の同心状の盤が径方向に積層されて構成され、前記固定子鉄心側に位置する前記バッフル板は、前記固定子鉄心側に固定された支持部材により支持され、前記回転子鉄心側に位置する前記バッフル板は、前記保持リングに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記バッフル板が周方向に複数に分割され、この分割されたバッフル板同士が直接または接続部材を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。