JP2001016813A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】課題は、回転子巻線の熱交換を向上させること
ができると共に、遠心力に充分耐えられる強度をクリペ
ージブロックにもたせることにある。 【解決手段】クリページブロック９に設けられた通風孔
１０ｃと、回転子巻線７に設けられると共にクリページ
ブロック９に設けられた通風孔１０ｃとは形状の異なる
通風孔１０ａを、クリページブロック９と接する回転子
巻線７の最外径ターン７ａに設けられた通風孔１０ａに
よって滑らかに連通している。これにより、クリページ
ブロック９の面圧を充分に保つことができると共に、回
転子巻線７，クリページブロック９及びウェッジ８を回
転子鉄心１の径方向に流れる冷却風１１の流れが滑らか
になり、冷却風１１が増え、効率の良い熱交換を行うこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガス直接冷却式の
冷却構造を採用した回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービン又は蒸気タービンを駆動源
とした発電設備に用いられる回転電機には、発電時の回
転子巻線の温度上昇を低減するため、回転子巻線を構成
する巻線導体に直接冷ガスを接触させて冷却する、いわ
ゆる直接冷却方式が広く採用されている。直接冷却方式
のなかでも、例えば特公平5−48058号公報に記載されて
いるようなラジアルフロー方式の冷却方式は構造が簡単
であり、熱交換の効率がよい。

【０００３】ラジアルフロー方式は、回転子巻線を格納
するスロットとは別形状のスロット、すなわち回転子軸
方向に形成されたサブスロットに回転子端部から入気し
た冷ガスが回転子径方向に進路を変え、回転子巻線，絶
縁物であるクリページブロック及び回転子巻線を固定す
るウェッジに設けられた通風孔を通り、回転子と固定子
との間の隙間に排気される仕組みのものである。回転子
巻線は回転子径方向に巻線導体が複数ターン積層された
ものであり、通電によって巻線導体のターン数に比例し
た磁束を発生させる。巻線導体は各ターンとも同形状の
ものであると共に同形状の通風孔が設けられている。

【０００４】近年、電力需要の増加に対応して発電設備
が数多く建設されるようになっており、要求される発電
機容量も増加の傾向にある。発電機容量を増加するにあ
たっては、従来と同じ体格ながらより多くの電流や電圧
が必要とされることから、発電機機内の温度上昇抑制が
大きな課題とされている。発電機容量がある程度大きく
なると発電機の冷却には、冷ガスと回転子巻線との間で
直接熱交換をさせる直接冷却方式、特に前述したラジア
ルフロー方式が採用される。

【０００５】ラジアルフロー方式が採用された発電機は
図５に示すように構成され、機内の温度上昇を抑えてい
る。すなわち回転子鉄心１の両端の回転軸上に設けられ
たファン２によって昇圧された冷ガスが回転子鉄心１及
び固定子鉄心３を通り、再びファン２に戻ってくるよう
に構成された通風路を備え、冷却ガスが、通風路の中に
設けられると共に外部との熱交換を行う冷却器４を通過
するように構成されている。

【０００６】回転子鉄心１は、図６に示すように、回転
子鉄心１の外周面軸方向に形成されると共に円周方向に
所定間隔をもって複数設けられたコイルスロット５，コ
イルスロット５のそれぞれの底部に開口すると共にコイ
ルスロット５よりも幅の狭いサブスロット６，コイルス
ロット５に収納された回転子巻線７，回転による遠心力
に対抗して回転子巻線７をコイルスロット５内に固定す
るウェッジ８及びウェッジ８と回転子巻線７との間を絶
縁するクリページブロック９から主に構成されている。

【０００７】ファン２によって昇圧された冷却風１１の
一部は回転子端部からサブスロット６に入気される。サ
ブスロット６に入気された冷却風１１は、回転子巻線７
の軸方向に複数設けられた通風孔１０へ分流される。通
風孔１０のそれぞれに分流された冷却風１１は回転子巻
線７を回転子径方向に流れ、クリページブロック９及び
ウェッジ８に設けられた通風孔を介して回転子鉄心１と
固定子鉄心３との間のエアギャップに排気される。排気
された冷却風１１は、固定子鉄心３内をその外周側に向
かって径方向に流れ、冷却器４によって冷却された後、
ファン２の入気側に戻る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】これまでよりも大容量
の発電機の冷却として上記ラジアルフロー方式を採用す
る場合、例えば特開平9−285052 号公報に記載されてい
るように、回転子巻線７に設けられる通風孔１０ａの形
状や大きさを変え、サブスロット６から回転子巻線７を
通ってエアギャップに抜ける通風路の通風抵抗を小さく
し、冷却効率を高めることが重要になる。

【０００９】ところが、回転子巻線７に設けられる通風
孔１０ａの形状を変えたり或いは通風断面積を大きくし
ても、ウェッジ８に設けられる通風孔１０ｂの形状及び
通風断面積の大きさに強度的な制約が生じる、すなわち
ウェッジ８は強大な遠心力に対抗して回転子巻線７のコ
イルスロット５からの飛び出しを防ぐものであり、ある
程度の強度が保たれなくてはならないものであるので、
サブスロット６から回転子巻線７を通ってエアギャップ
に抜ける通風路の確保には限度がある。従って、図７に
示すように、ウェッジ８に設けられる通風孔１０ｂには
真円形状のものが用いられると共に、通風孔１０ｂ間の
間隔が適度に保たれ、強度的に一番強くなるように設計
されている。

【００１０】また、サブスロット６から回転子巻線７を
通ってエアギャップに抜ける通風路の確保に限度がある
のは以下の理由にもよる。図８は、回転子巻線７がコイ
ルスロット５内に収納された状態であり、ウェッジ８の
通風孔１０ｂ側から覗いた場合における回転子巻線７及
びクリページブロック９の通風孔１０ａ，１０ｃの形状
を示す。図８に示すように、ウェッジ８に設けられる通
風孔１０ｂの形状が真円であるのに対して、回転子巻線
７に設けられる通風孔１０ａの形状が長円であり、通風
孔の形状が異なる。クリページブロック９には、金属物
質であるウェッジ８と電流が流れる回転子巻線７との間
の絶縁を保ちつつ回転による強大な遠心力に耐えるため
に、ウェッジ８と同様な通風孔の制約がある。また、両
者の金属間の絶縁を保つために、厚みをもたせてある程
度の沿面距離を確保する必要がある。

【００１１】さらに、ラジアルフロー方式の場合、回転
子巻線７に設けられた通風孔１０ａは回転軸に対して鉛
直に設けられているが、図８に示すようにウェッジ８と
回転子巻線７の通風孔が必ずしも一致しない。このこと
から、回転子巻線７の通風孔１０ａとウェッジ８の通風
孔１０ｂとを滑らかに連通させる役割をクリページブロ
ック９に持たせ、通風損失を低減させる場合がある。こ
の一例としては、クリページブロック９の回転子巻線７
側に１本の軸方向の通風溝を切った形状のものが従来か
ら知られている。しかしながら、このような方法では、
回転子巻線７とクリページブロック９の接触面積が小さ
くなり、遠心力による圧力がクリページブロック９に相
対的に大きく作用するので、クリページブロック９が遠
心力により押し潰されないように溝幅を決める必要があ
る。

【００１２】本発明の代表的な目的は、回転子巻線の熱
交換を向上させることができると共に、遠心力に充分耐
えられる強度をクリページブロックにもたせることがで
きる回転電機の提供にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の基本的な特徴
は、クリページブロックに設けられた通風孔と、回転子
巻線に設けられると共にクリページブロックに設けられ
た通風孔とは形状の異なる通風孔を、クリページブロッ
クと接する回転子巻線の最外径ターンに設けられた通風
孔によって滑らかに連通したことにある。ここで、最外
径ターンとは、回転子巻線を構成する複数ターンの巻線
導体のうち、回転子鉄心の最も外径側に配置された巻線
導体を意味する。

【００１４】具体的に回転子巻線の最外径ターンに設け
られた通風孔は、サブスロット側からウェッジ側に連通
する径方向の孔部分が、最外径ターン以外のターンに設
けられた径方向の孔部分同士を軸方向に連通させ、かつ
ウェッジ側に連通するよう軸方向に連続的に構成されて
いる。或いは、クリページブロックに設けられた通風孔
と、最外径ターンの直下のターンに設けられた通風孔の
どちらとも回転子鉄心の径方向に連続してつながるよう
に構成されている。ここで、連続してつながるとは、ク
リページブロックに設けられた通風孔と、最外径ターン
の直下のターンに設けられると共にクリページブロック
に設けられた通風孔とは形状の異なる通風孔のどちらと
も同形状のまま連通することを意味する。

【００１５】本発明によれば、クリページブロックと接
する回転子巻線の最外径ターンに通風孔が上記のように
設けられているので、クリページブロックの面圧を充分
に保つことができると共に、回転子巻線，クリページブ
ロック及びウェッジを回転子鉄心の径方向に流れる冷却
風の流れが滑らかになり、冷却風が増え、効率の良い熱
交換を行うことができる。ここで、冷却風が増えると
は、通風損失の低減によって冷却風による冷却効果が向
上し、見かけ上、冷却風が増えたかのようにみえること
を意味する。

【００１６】また、本発明は、回転子巻線の最外径ター
ンにおける回転子鉄心の径方向の厚みを他のターンのも
のよりも大きくしている。この厚みの大きさは１ターン
の厚みを増すことによって達成できる。或いは、２ター
ンを重ね合わせて１ターンとすることで等価的に大きく
し、その２ターンに流れる電流を他の１ターン分とす
る。すなわちその２ターン間を絶縁せず同電位とする。
これにより、電流密度が小さくなり、最外径ターンの発
生熱を低減することができる。従って、ジュール損失を
低減することができる。

【００１７】また、２ターンを重ね合わせて１ターンと
する場合は、それぞれのターンに設けられた通風孔の大
きさを異ならせており、具体的には２ターンのうち、外
径側の１ターンに設けられた通風孔をもう一方のターン
に設けられた通風孔よりも大きくしている。これによ
り、サブスロットから回転子巻線を貫通してきた冷却ガ
スはクリページブロック及びウェッジに滑らかに流入す
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を図面に基づいて
説明する。尚、回転電機の全体構成は、前述した従来の
ものとほとんど同一であり、ここでは本発明により改善
された部分のみを図示して説明する。

【００１９】（実施例１）図１は、本発明の第１実施例
である回転子巻線の最外径ターン及びクリページブロッ
クの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す。回転子
巻線７には、サブスロット６からの冷却風１１を流通さ
せる通風孔１０ａが設けられている。しかし、ウェッジ
８及びクリページブロック９に設けられた通風孔１０
ｂ，１０ｃと回転子巻線７に設けられた通風孔１０ａの
形状が異なる。

【００２０】このため、本実施例では、クリページブロ
ック９と接する回転子巻線７の最外径ターン７ａに設け
られた通風孔１０ａの形状を、回転子巻線７の最外径タ
ーン７ａ以外のターンに設けられた通風孔１０ａとクリ
ページブロック９に設けられた通風孔１０ｃを連通させ
るのに適したもの、すなわち冷却風１１の通風損失を低
減することができ、冷却風１１の冷却効果を向上させる
ことができものとしている。

【００２１】具体的に回転子巻線７の最外径ターン７ａ
に設けられた通風孔１０ａは、サブスロット６側からウ
ェッジ８側に連通する径方向の孔部分が、最外径ターン
７ａ以外のターンに設けられた径方向の孔部分同士を軸
方向に連通させ、かつウェッジ８側に連通するよう軸方
向に連続的に構成されている。すなわち二つの長円形の
通風孔が軸方向に連通し、一つの大きな長円形の通風孔
になっている。これにより、クリページブロック９に設
けられた通風孔１０ｃと最外径ターン７ａ以外のターン
に設けられた通風孔１０ａとを回転子鉄心１の径方向に
滑らかに連通させることができる。従って、冷却風１１
の通風損失を低減することができ、冷却風１１の冷却効
果を向上させることができる。

【００２２】また、クリページブロック９の通風孔１０
ｃをウェッジ８の通風孔１０ｂと同じものとすることが
でき、かつ従来のようにクリページブロック９に通風溝
を形成することがないので、クリページブロック９と回
転子巻線７の接触面積を確保することができる。従っ
て、金属物質であるウェッジ８や回転子巻線７に比べ強
度の弱いクリページブロック９を回転による面圧に充分
耐えられる構造をすることができる。

【００２３】（実施例２）図２は、本発明の第２実施例
である回転子巻線の最外径ターン及びクリページブロッ
クの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す。回転子
巻線７の冷却効率を上げるためには、回転子巻線７の最
外径ターン７ａに設けられた通風孔１０ａの通風孔の面
積を増やし、クリページブロック９に設けられた通風孔
１０ｃと最外径ターン７ａ以外のターンに設けられた通
風孔１０ａとをさらに滑らかに連通させることが必要で
ある。

【００２４】このため、本実施例では、回転子巻線７の
最外径ターン７ａに設けられた通風孔１０ａのクリペー
ジブロック９に設けられた通風孔１０ｃと連通する部分
の形状を、クリページブロック９に設けられた通風孔１
０ｃと同形状の孔、すなわち真円としている。これによ
り、回転子巻線７の最外径ターン７ａに設けられた通風
孔１０ａは、クリページブロック９に設けられた通風孔
１０ｃと、最外径ターン７ａの直下のターンに設けられ
ると共にクリページブロック９に設けられた通風孔１０
ｃとは形状の異なる通風孔１０ａのどちらとも同形状の
まま連続的につなぐことができる。

【００２５】上記のように構成された本実施例によれ
ば、クリページブロック９に設けられた通風孔１０ｃと
最外径ターン７ａ以外のターンに設けられた通風孔１０
ａとを回転子鉄心１の径方向にさらに滑らかに連通させ
ることができる。従って、冷却風１１の通風損失をさら
に低減することができ、冷却風１１の冷却効果をさらに
向上させることができる。

【００２６】また、本実施例では、回転子巻線７に設け
られた通風孔１０ａをターンの幅方向に２列としてお
り、これに合せて回転子巻線７の最外径ターン７ａに設
けられた通風孔１０ａの他のターンに設けられた通風孔
１０ａと連通する部分もターンの幅方向に２列としてい
る。これにより、冷却風１１の通風面積が増え、冷却風
１１の冷却効果をさらに向上させることができる。

【００２７】（実施例３）図３は、本発明の第３実施例
である回転子巻線の最外径ターン及びクリページブロッ
クの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す。前述の
実施例では、回転子巻線７の最外径ターン７ａにおける
回転子鉄心１の径方向の厚みが他のターンにおける回転
子鉄心１の径方向の厚みと同じであるが、最外径ターン
７ａに設けられた通風孔１０ａは他のターンに設けられ
た通風孔１０ａより大きい。これにより、回転子巻線７
の最外径ターン７ａの電流密度が他のターンの電流密度
よりも大きくなる。

【００２８】このため、本実施例では、回転子巻線７の
最外径ターン７ａにおける回転子鉄心１の径方向の厚み
を、他のターンにおける回転子鉄心１の径方向の厚みよ
り大きくしている。これにより、回転子巻線７の最外径
ターン７ａの通電面積が増えるので、電流密度を低減す
ることができる。従って、回転子巻線７の最外径ターン
７ａのジュール熱による発熱が抑えることができ、冷却
風１１の冷却効果をさらに向上させることができる。
尚、本実施例では、回転子巻線７に設けられた通風孔１
０ａがターンの幅方向に１列となっている。

【００２９】（実施例４）図４は、本発明の第４実施例
である回転子巻線の最外径ターン及びクリページブロッ
クの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す。本実施
例は、前述の第３実施例と同様に回転子巻線７の最外径
ターン７ａにおける電流密度を低減させたものであり、
前述の第３実施例とは異なる手段によってそれを達成し
たものである。本実施例では、回転子巻線７の最外径タ
ーン７ａにおける回転子鉄心１の径方向の厚みを、他の
ターンと同じ厚みをもつものを２ターン分重ね合わせて
１ターン分とし、他のターンのものよりも回転子鉄心１
の径方向の厚みを大きくしている。２ターン間は絶縁さ
れず同電位である。これにより、回転子巻線７の最外径
ターン７ａの通電面積が増えるので、電流密度を低減す
ることができる。従って、回転子巻線７の最外径ターン
７ａのジュール熱による発熱が抑えることができ、冷却
風１１の冷却効果をさらに向上させることができる。

【００３０】また、本実施例では、最外径ターン７ａの
２ターンのうち、クリページブロック９側のターンに設
けられた通風孔１０ａを第１実施例の最外径ターンに設
けられた通風孔と同じものとし、サブスロット６側のタ
ーンに設けられた通風孔10ａを他のターンに設けられた
通風孔と同じものとしている。これにより、クリページ
ブロック９に設けられた通風孔１０ｃと最外径ターン７
ａ以外のターンに設けられた通風孔１０ａとを回転子鉄
心１の径方向に滑らかに連通させることができる。従っ
て、冷却風１１の通風損失を低減することができ、冷却
風１１の冷却効果を向上させることができる。

【００３１】また、本実施例によれば、回転子巻線７の
最外径ターン７ａの２ターンにおける回転子鉄心１の径
方向の厚みが他のターンの厚みと同じであり、回転子巻
線７を構成するターン１本自体の厚みがどれも同じにな
るので、回転子巻線７の製作が容易に行うことができ
る。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、クリページブロックに
充分な耐圧をもたせることができると共に、冷却効率の
良い通風を行うことができ、回転電機の温度上昇をこれ
までよりも低減することができる。従って、回転子巻線
の熱交換を向上させることができると共に、遠心力に充
分耐えられる強度をクリページブロックにもたせること
ができる回転電機を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例を示すものであり、回転電
機に採用される回転子巻線の最外径ターン及びクリペー
ジブロックの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す
分解斜視図である。

【図２】本発明の第２実施例を示すものであり、回転電
機に採用される回転子巻線の最外径ターン及びクリペー
ジブロックの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す
分解斜視図である。

【図３】本発明の第３実施例を示すものであり、回転電
機に採用される回転子巻線の最外径ターン及びクリペー
ジブロックの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す
分解斜視図である。

【図４】本発明の第４実施例を示すものであり、回転電
機に採用される回転子巻線の最外径ターン及びクリペー
ジブロックの各々に設けられた通風孔の配置関係を示す
分解斜視図である。

【図５】ラジアルフロー冷却方式を採用した発電機の構
成を示す断面図である。

【図６】ラジアルフロー冷却方式を採用した発電機の回
転子巻線部分の構成を示す断面斜視図である。

【図７】ラジアルフロー冷却方式を採用した発電機に用
いられるウェッジの形状を示す斜視図である。

【図８】ラジアルフロー冷却方式を採用した発電機にお
いて回転子巻線がコイルスロット内に収納された状態を
示すものであり、ウェッジの通風孔側から覗いた場合に
おける回転子巻線及びクリページブロックの通風孔の形
状を示す図面である。

【符号の説明】

１…回転子鉄心、２…ファン、３…固定子鉄心、４…冷
却器、５…コイルスロット、６…サブスロット、７…回
転子巻線、８…ウェッジ、９…クリページブロック、１
０ａ〜１０ｃ…通風孔、１１…冷却風。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面軸方
   向に設けられると共に該回転子鉄心の円周方向に所定間
   隔をもって複数配置されたコイルスロットと、該コイル
   スロットの底部に開口するサブスロットと、前記コイル
   スロットに収納された回転子巻線と、該回転子巻線を前
   記回転子鉄心に固定するウェッジと、該ウェッジと前記
   回転子巻線との間を絶縁するクリページブロックと、前
   記回転子巻線，前記ウェッジ及び前記クリページブロッ
   クに設けられると共に前記回転子巻線，前記クリページ
   ブロック及び前記ウェッジを前記サブスロットから前記
   回転子鉄心の径方向に貫通する通風路とを備え、前記ク
   リページブロックと接する前記回転子巻線の最外径ター
   ンに設けられた通風孔は、前記サブスロット側から前記
   ウェッジ側に連通する径方向の孔部分が、前記最外径タ
   ーン以外のターンに設けられた径方向の孔部分同士を軸
   方向に連通させ、かつ前記ウェッジ側に連通するよう軸
   方向に連続的に構成されていることを特徴とする回転電
   機。
2. 【請求項２】回転子鉄心と、該回転子鉄心の外周面軸方
   向に設けられると共に該回転子鉄心の円周方向に所定間
   隔をもって複数配置されたコイルスロットと、該コイル
   スロットの底部に開口するサブスロットと、前記コイル
   スロットに収納された回転子巻線と、該回転子巻線を前
   記回転子鉄心に固定するウェッジと、該ウェッジと前記
   回転子巻線との間を絶縁するクリページブロックと、前
   記回転子巻線，前記ウェッジ及び前記クリページブロッ
   クに設けられると共に前記回転子巻線，前記クリページ
   ブロック及び前記ウェッジを前記サブスロットから前記
   回転子鉄心の径方向に貫通する通風路とを備え、前記ク
   リページブロックと接する前記回転子巻線の最外径ター
   ンに設けられた通風孔は、前記クリページブロックに設
   けられた通風孔と、最外径ターンの直下のターンに設け
   られた通風孔のどちらとも前記回転子鉄心の径方向に連
   続してつながっていることを特徴とする回転電機。
3. 【請求項３】請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電
   機において、前記回転子巻線の最外径ターンにおける前
   記回転子鉄心の径方向の厚みは、他のターンのものより
   も大きいことを特徴とする回転電機。
4. 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電
   機において、前記回転子巻線の最外径ターンは他のター
   ンの２本分で構成されると共に、その２本間は絶縁され
   ず同電位であり、かつその２本に設けられた通風孔の大
   きさがそれぞれ異なることを特徴とする回転電機。