JP4682893B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は回転電機の回転子に係り、例えばタービン発電機の回転子の如く、回転子巻線を構成する軸方向端部の導体に冷却風を流して冷却するための通風路を備えているものに好適な回転電機の回転子に関する。

タービン発電機は、回転軸に支持された回転子が固定子と対向配置して概略構成されている。回転子を構成する回転子鉄心は、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有し、このスロット内に回転子巻線を形成する複数の導体を積層し格納している。導体は、スロットの外周側に配置したウエッジで回転子鉄心に拘束されており、ウエッジは高速回転時にも導体を保持できるように設計されている。

そして、回転子巻線の軸方向端部には、該部分を覆うように絶縁筒を介して保持環が嵌着され、この保持環で導体の遠心力を保持するようにしている。

ところで、一般に保持環の下の導体付近には明確な冷却風が流通する流路がないため、この部分の温度が高くなる。この部分の温度上昇を低減する方法として、導体に冷却風が流通する通風溝を備えることが提案されているが、これは、保持環の下の導体間隔を保持するために隣接する導体間に装着される絶縁物から成るコイル支持部材に通風溝を形成し、ここに冷却風を流通して保持環の下の導体付近を冷却している。

図１１に保持環下部における導体間にコイル支持部材を装着した状態を示す。該図において、コイル支持部材１３は、二つの挟持部１５と、これの略中央部を連結する連結部
１２とで断面略Ｈ状に一体に形成され、このような形状のコイル支持部材１３を回転子巻線１を形成する導体間に装着することで、連結部１２の両側とこれと隣接する回転子巻線１間で空間１１，１４を形成し通風溝としている。

尚、これらに関する従来技術としては特開２０００−３５０４１２号公報が知られている。

特開２０００−３５０４１２号公報

しかしながら、特許文献１では、必ずしも回転子巻線の温度を効率的に低減することはできなかった。

即ち、回転電機の回転子は、定格運転時に毎分３０００回転，３６００回転などの高速で回転するため、回転子巻線を冷却するための冷媒は、固定子と回転子の間の空間から保持環と回転軸の隙間を経由して導入される。ここで冷媒は，回転子から見て軸方向に平行に入気するのではなく、いくらかの回転成分を持った向きで入気するのが普通である。

この入気角度は、回転子の冷媒量や固定子側の構造、固定子側の冷媒の流量などによって変わる。ここで回転子巻線の回転速度は、たとえば直径１ｍ，３６００回転の発電機であれば、π×３６６０／６０×１＝１８８ｍ／ｓとなる。固定子と回転子の間の空間では冷媒が周方向の速度を持たないと仮定すると、冷媒は回転子から見て周方向に１８８ｍ／ｓの相対速度をもつことになる。この位置での冷媒の軸流速度は通常１０〜２０ｍ／ｓ程度であるので、冷媒は軸方向から見て直角に近い角度で入気することになる。

ところが、運転時に巻線に電流が流れて発熱するが、特許文献１では、図１１に示すごとく、コイル支持部材１３では回転子巻線１の冷却面を塞いでしまい、また、導体と連結部１２の両側の回転子巻線１に面するコイル支持部材１３との間に形成される空間１１，１４が狭いために冷却風が入りづらく、この部分での温度の上昇に繋がり、温度低減策としては必ずしも有効ではなかった。

本発明の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、回転子巻線の冷却性能を改善した回転電機の回転子を提供するにある。

本発明の回転電機の回転子は、上記目的を達成するために、固定子と対向配置される固定子であって、該固定子は、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心の各スロット内に格納される固定子巻線と、該固定子巻線の軸方向端部において該固定子巻線間に配置された電気絶縁性を有するコイル支持部材を介して装着された保持環とを備え、
前記コイル支持部材は、二つの挟持部とこれを連結する連結部とで断面Ｈ形状に一体に形成されると共に、該連結部の両側とこれに隣接する回転子巻線間で二つの空間を形成し、かつ、該連結部の径方向上端を該挟持部の径方向上端よりも短くして、径方向で半分よりも外側にのみ設けた連通路を介して該二つの空間を連通させることを特徴とする。

本発明の回転電機の回転子によれば、冷却風の旋回成分を利用して冷却媒体の明確な流路を作り、巻線側面の冷却を促進しているので温度上昇を低減でき、回転子巻線の冷却性能が改善される利点がある。

回転子巻線の冷却性能を改善すると言う目的を、簡単な構成で実現した。以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

本発明の回転電機の回転子が採用されるタービン発電機の構造を図９及び図１０に示す。

該図に示す如く、タービン発電機は、回転軸２に支持された回転子４が固定子５と対向配置して概略構成されている。回転子４を構成する回転子鉄心４ａは、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロット６を有し、このスロット６内に複数の導体が積層して形成される回転子巻線１を格納している。回転子巻線１は、スロット６の外周側に配置したウェッジ７で回転子鉄心４ａに拘束されており、ウェッジ７は高速回転時にも回転子巻線１を保持できるように設計されている。また、回転子巻線１の端部には、周方向間に電気絶縁性を有するコイル支持部材１３が、軸方向間に電気絶縁性を有するコイル支持部材１３ｂが装着され、回転子巻線１の軸方向端部は、該部分を覆うようにコイル支持部材１３，１３ｂを介して保持環３が嵌着されており、この保持環３で回転子巻線１の遠心力を保持するようにしている。

上記したコイル支持部材１３は、図１に示す如く（図１は、回転子巻線１の軸方向端部において、周方向間にコイル支持部材１３を配置した例である）、二つの挟持部１５と、これの略中央部を連結する連結部１２とで断面略Ｈ状に一体に形成すると共に、この連結部１２の両側とこれに隣接する回転子巻線１間で空間１１，１４を形成し、本実施例では、連結部１２の径方向上端を挟持部１５の径方向上端よりも短くし、ここを隣接する空間１１と１４を連通する連通路１２０としている。

このような形状のコイル支持部材１３を回転子巻線１間に装着し、連結部１２の両側とこれに隣接する回転子巻線１との間で空間１１，１４を形成して通風溝とし、両者を連通路１２０で連通することによる冷却風の流れを図２に示す。図２は、図１で示すコイル支持部材１３付近の断面を軸方向から見たものである。

該図に示す如く、旋回成分を持って入気してきた冷却風９は、コイル支持部材１３の連結部１２に衝突し空間１１に流れ込む。このとき、回転子巻線１のコイル側面３１を冷却した冷却風は、連通路１２０を通って空間１４に流れ、空間１４では別スロットの回転子巻線２１のコイル側面３２を冷却し、再度、内径側から排出される。

次に、本実施例における効果について図３を用いて説明する。図３は、導体長手方向位置における回転子導体温度の関係を、本実施例と従来例である特許文献１について比較したものである。

該図から明らかな如く、従来例ではコイル支持部材位置で回転子巻線温度の急激な上昇が見られるのに対し、コイル支持部材の冷却改善を施した本実施例では、コイル支持部材位置において回転子巻線温度が下降しており温度改善が見られる。

このような本実施例の構成とすることにより、流体の旋回エネルギーを有効に使って冷却風を流すことができるため、回転子巻線１の温度を効果的に低減することができ、冷却性能の改善が図られている。

また、本実施例では、図２に示すように、コイル支持部材１３の内周面を回転子巻線１の底面から径方向下方に突き出すように配置しているので、空間１１に流入する冷却風９が増加する効果があるが、コイル支持部材１３の内周面を回転子巻線１の底面と同じ位置に配置しても、空間１１，１４と連通路１２０への冷却風の流入と冷却改善効果は期待できる。

なお，コイル支持部材１３は電気絶縁性を確保するため、絶縁体で製作されるのが通常であるが、冷却の効果を上げるためには熱伝導率の良い材料で製作するのが望ましい。特に、連結部１２は巻線とは接触しないため金属等の導電体を使用し、挟持部１５より熱伝導率の良い材料で製作しても良い。連結部１２の熱伝導率を良くすれば、空間１１，１４を通る冷却風の温度が均一化され、回転子巻線１の温度を均一化することが期待できる。

図４に本発明の第２の実施例を示す。本実施例では、コイル支持部材１３を形成する二つの挟持部１５，１６のうち、一つの挟持部１５の内周側を連結部１２より短くし、他の挟持部１６の内周側を連結部１２と同等の長さにして、連結部１２の下部を露出させている。

このような本実施例の構成とすることにより、冷却風の一部を軸中心側の挟持部１５に衝突させることができ、空間１１に流入する冷却風量を増加させ、冷却を促進する効果が更に期待できる。

図５に本発明の第３の実施例を示す。本実施例では、実施例２の場合に比べて、コイル支持部材１３の挟持部１６も内周側を短くして連結部１２の下部のみが、回転子巻線１の内径側に露出する構造となっている。

このような本実施例の構成とすることにより、コイル支持部材１３が回転子巻線１よりも内径側に位置するため、冷却風が連結部１２の下部に当たり、その冷却風が空間１１に導入されることに加え、コイル支持部材１３の挟持部１５，１６が軸方向通風を妨げないため、下流側に存在するコイル支持部材１３等への流体の流れを妨げることはないので、冷却を促進する効果が更に期待できる。

図６に本発明の第４の実施例を示す。本実施例では、コイル支持部材１３を形成する連結部１２の外周面の位置を挟持部１５，１６と等しくし、かつ、連結部１２に貫通孔120Aを最外周位置より下部に設けたものである。

このような本実施例の構成とすることにより、冷却性能の改善が図られると共に、挟持部１５ａ，１５ｂ及び連結部１２ともに保持環内面に接触するため機械強度が強く、大径，高速の回転電機に有効である。

なお、必要に応じて貫通孔１２０Ａの孔数を複数設けても良い。

図７に本発明の第５の実施例を示す。本実施例では、コイル支持部材１３を形成する連結部１２を、その縦断面が内径側から外径側に向うに従い周方向に幅広となる台形状となるように形成し、空間１１，１４をコイル側面３１，３２と平行にし通風路の通風面積を一定としている。

このような本実施例の構成とすることにより、空間１１，１４の流路面積が一定となるので、流路を通しての流通抵抗が小さくなり冷却効果が増大する。

また、冷却風９の入気角度と風量によっては、空間１１の入口側流入面積が広くなるように連結部１２の形状を変えても良いし、回転方向によらず同一設計の回転電機としたい場合には、空間１１の内周側間隔、空間１４の内周側の間隔を共に広くとるように成形してもよい。

図８に本発明の第６の実施例を示す。本実施例では、第３の実施例を軸方向の動きを拘束するための周方向コイル支持部材１３ｂ（図１０に記載）として使用した例である。即ち、コイル支持部材１３ｂを回転子巻線１の軸方向間に装着した例である。

このような本実施例の構成のように、軸方向の動きを拘束するための周方向コイル支持部材１３ｂとして使用した場合には、本発明の周方向コイル支持部材１３ｂは軸端部のいずれかの位置に使用しても冷却改善の効果が見込める。

本発明の回転電機の回転子の実施例１であるタービン発電機における回転子巻線の軸端部を示す斜視図である。 図１の縦断面図である。 本発明の実施例１における導体長手方向位置と回転子巻線温度の関係を従来例と比較した特性図である。 本発明の実施例２におけるコイル支持部材を示す斜視図である。 本発明の実施例３における回転子巻線の軸端部を示す斜視図である。 本発明の実施例４におけるコイル支持部材を示す斜視図である。 本発明の実施例５における回転子巻線の軸端部の縦断面図である。 本発明の実施例６における回転子巻線の軸端部を示す斜視図である。 本発明の一例であるタービン発電機を一部破断して示す全体斜視図である。 本発明の回転子端部を示す部分斜視図である。 従来の回転子巻線の軸端部を示す斜視図である。

符号の説明

１…回転子巻線、３…保持環、４…回転子、４ａ…回転子鉄心、５…固定子、６…スロット、７…ウェッジ、８，９…冷却風、１１，１４…空間、１２…連結部、１３，１３ｂ…コイル支持部材、１５，１６…挟持部、３１，３２…コイル側面、１２０…連通路、
１２０Ａ…貫通孔。

Claims (7)

1. 固定子と対向配置される固定子であって、該固定子は、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する固定子鉄心と、該固定子鉄心の各スロット内に格納される固定子巻線と、該固定子巻線の軸方向端部において該固定子巻線間に配置された電気絶縁性を有するコイル支持部材を介して装着された保持環とを備え、
   前記コイル支持部材は、二つの挟持部とこれを連結する連結部とで断面Ｈ形状に一体に形成されると共に、該連結部の両側とこれに隣接する回転子巻線間で二つの空間を形成し、かつ、該連結部の径方向上端を該挟持部の径方向上端よりも短くして、径方向で半分よりも外側にのみ設けた連通路を介して該二つの空間を連通させることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１に記載の回転電機の回転子において、
   前記コイル支持部材の少なくとも一方の挟持部内径側を前記連結部の内径側より径方向に短くして、該連結部の下部を前記回転子巻線の内径側に露出させていることを特徴とする回転電機の回転子。
3. 請求項１に記載の回転電機の回転子において、
   前記コイル支持部材の二つの挟持部内径側を前記連結部の内径側より径方向に短くして、該連結部の下部のみが前記回転子巻線の内径側に露出させていることを特徴とする回転電機の回転子。
4. 請求項１に記載の回転電機の回転子において、
   前記連結部に貫通孔が設けられて形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項４に記載の回転電機の回転子において、
   前記連結部の外周面の径方向位置を前記二つの両挟持部と等しくし、かつ、前記貫通孔は、前記連結部の径方向最外周位置より下部に設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
6. 請求項１記載の回転電機の回転子において、
   前記コイル支持部材を形成する連結部を、その縦断面が内径側から外径側に向うに従い周方向に幅広となる台形状となるように形成し、前記空間をコイル側面と平行にし通風路面積を一定としていることを特徴とする回転電機の回転子。
7. 請求項１乃至６に記載の回転電機の回転子において、
   前記コイル支持部材の連結部は、前記挟持部より熱伝導率の良い材質であることを特徴とする回転電機の回転子。

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