JP2011254597A

JP2011254597A - 回転電機

Info

Publication number: JP2011254597A
Application number: JP2010125516A
Authority: JP
Inventors: Ryuichiro Iwano; 龍一郎岩野; Shigeki Karashi; 茂樹唐司
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-06-01
Filing date: 2010-06-01
Publication date: 2011-12-15

Abstract

【課題】本発明は、回転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式において風量調節機構を簡単にして信頼性を高めることができる回転電機を提供することにある。
【解決手段】本発明は、回転子４の遠心作用により冷却風を駆動して回転子４から固定子５へ流通させる回転電機において、回転子から固定子を経由して再び回転子に戻る冷却風循環路１５を形成し、この冷却風循環路１５内に位置する固定子５の背面側に、周囲の環境変化に応じて冷却風量を調節する風量調節機構１８を設置したのである。
このように、風量調節機構１８を固定子５の背面側に設置したので、風量調節機構１８は静止した位置に設置されることになり、その結果、風量調節機構１８は回転子４に跨ることなく構成が簡単になると共に、簡単な構成によって動作が単純となるので信頼性を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は水車発電機や大型電動機等の回転電機に係り、特に、回転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式に好適な回転電機に関する。

一般に、水車発電機等の回転電機では、運転中に大量の熱を発生するために、回転子と固定子を夫々冷却する必要があり、そのため色々な冷却方式が採用されている。こうした回転電機における冷却方式の代表的な一つとして、特許文献１に開示のような回転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式の回転電機が既に提案されている。このように特許文献１に開示の回転電機によれば、回転子の遠心作用によって冷却風を回転子及び固定子を通過させて冷却することができる。そして、周囲の環境変化に応じて冷却風量を回転子側で調整して適量の冷却風を送風するようにしている。

特開平１−１３８９４７号公報

上記特許文献１に開示の回転電機によれば、回転子の遠心作用を利用して冷却風を循環させ、また、周囲の環境変化に応じて冷却風量を適量にすることができる。

しかしながら、上記特許文献１に開示の回転電機においては、高速回転している回転子側で冷却風量の調整を行っているので、風量調節機構の設置が回転側と静止側とに跨る複雑な構成となり、信頼性を低下させる問題がある。

本発明の目的は、回転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式において風量調節機構を簡単にして信頼性を高めることができる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、回転子の遠心作用により冷却風を駆動して回転子から固定子へ流通させる回転電機において、回転子から固定子を経由して再び回転子に戻る冷却風循環路を形成し、この冷却風循環路内に位置する固定子の背面側に、周囲の環境変化に応じて冷却風量を調節する風量調節機構を設置したのである。

このように、風量調節機構を固定子の背面側に設置したので、風量調節機構は静止した位置に設置されることになり、その結果、風量調節機構は構成が簡単になると共に、簡単な構成によって動作が単純となるので信頼性を高めることができる。

以上説明したように本発明によれば、転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式において風量調節機構を簡単にして信頼性を高めることができる回転電機を得ることができる。

本発明による回転電機の第１の実施の形態である水車発電機の固定子近傍の概略縦断面図で、（ａ）は風量調節機構が開放した状態を示し、（ｂ）は風量調節機構が閉止した状態を示す。本発明による回転電機の第１の実施の形態の変形例を示し、（ａ）は風量調節機構が開放した状態を示し、（ｂ）は風量調節機構が閉止した状態を示す。本発明による回転電機の第２の実施の形態である水車発電機の固定子近傍を示し、（ａ）は風量調節機構が開放した状態を示す概略縦断面図で、（ｂ）はその平面図。本発明による回転電機の第２の実施例の変形例を示し、（（ａ）は風量調節機構が開放した状態を示す概略縦断面図で、（ｂ）はその平面図。本発明による回転電機である水車発電機を示す概略縦断面図。

以下、本発明による回転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式の回転電機の第１の実施の形態を図１及び図５に示す水車発電機１に基づいて説明する。

水車発電機１は、縦型の回転軸２に支持されたスパイダーアーム３と、このスパイダーアーム３の外周に支持された回転子４と、この回転子４の周囲に空隙を介して配置された固定子５と、この固定子５を支持し図示しない軸受け装置を介して前記回転軸２を支持する固定子枠６とを備えている。固定子枠６は、外側を発電所建屋のコンクリート基礎に支持されたり、コンクリート壁で囲まれたりしている。

前記回転子４は、電磁薄鋼板を軸方向に積層して円環状に形成された継鉄７と、電磁薄鋼板を軸方向に積層して形成され前記継鉄７から外径側に突出するように支持された複数の磁極鉄心８と、この磁極鉄心８に巻装された磁極巻線９とを備え、前記継鉄７には半径方向に延在する通風ダクト１０が軸方向に複数形成されている。

また、前記固定子５は、電磁薄鋼板を軸方向に積層して円環状に形成された固定子鉄心（電機子鉄心）１１と、この固定子鉄心１１の巻線溝（図示せず）に装着された固定子巻線（電機子巻線）１２とを備え、前記固定子鉄心１１には半径方向に延在する通風ダクト１３が軸方向に複数形成されている。

そして、固定子鉄心１１の背面側から固定子鉄心１１の軸方向両端部を覆い、回転子４の継鉄７の軸方向両端に接近するように通風仕切り板１４が設けられており、前記固定子枠６との間で、空気を回転子２から固定子５を経由して再び回転子２に戻す冷却風循環路１５を形成している。即ち、回転子４の回転に伴い遠心作用によって空気は、矢印で示すように、回転子４の通風ダクト１０から放出され、そこから固定子５の通風ダクト１３を通って固定子背面側に放出され、放出された空気は冷却風循環路１５に沿ってスパイダーアーム３側に至る。そして、スパイダーアーム３の隙間３Ｓから回転子４の内径側に戻るのである。尚、回転子４の通風ダクト１０から放出された空気の一部は、固定子鉄心１１の軸方向端部から張り出した固定子巻線１２の巻線端部を経由し、固定子鉄心１１の背面側に設けた支持部材１６に設けた開口１６Ｈから固定子鉄心１１の背面側に放出され通風ダクト１３から放出された空気とともに回転子４側に戻る。

上記構成において、前記冷却風循環路１５内に位置する固定子鉄心１１（固定子５）の背面側に冷却器１７を、固定子鉄心１１（固定子５）の周方向複数個所に設けることで、固定子鉄心１１の背面側に放出された空気は冷却されて冷却風となる。そして、前記冷却風循環路１５を通って回転子４側に戻った冷却風は、回転子の遠心作用によって駆動され回転子４及び固定子５を冷却した後、再度冷却器１７を通過することで冷却される。

ところで、一般的には、水車発電機１の最大発熱量に基づいて冷却能力を設定しているが、発熱量は運転条件変化、外気温度変化等によって変化するので、発熱量が少ない時でも最大発熱量に基づいて設定された冷却能力を発揮するように運転するのは効率が低下する。

そこで本実施の形態においては、図１に示すように、固定子５の背面側に設けた複数の冷却器１７の冷却風放出側に、周囲の環境変化に応じて冷却風量を調節する風量調節機構１８を夫々設置したのである。この風量調節機構１８は、大きく分けると、風量調節部１８Ａと、この風量調節部１８Ａを駆動する駆動部１８Ｂと、この駆動部１８Ｂに駆動指令を与える司令部１８Ｃとで構成されている。

前記風量調節部１８Ａは、夫々の冷却器１７の冷却風放出部全体に亘って横方向に延在する支軸１９によって軸支された複数のダンパ２０と、前記支軸１９に連結された複数のリンク機構２１と、これらリンク機構２１を全て連結した共通の連結体である連結竿２２とから構成されている。そして、隣接ダンパ２０の間隔（開度）を広くすることで、通過する空気の通風面積を拡大させて通風抵抗を低減さ、その結果、風量を多くして回転子４や固定子５の冷却効率を向上させ、反対に、隣接ダンパ２０の間隔（開度）を狭めることで、通過する空気の通風面積を絞って通風抵抗を増加させ、その結果、風量を制限して回転子４や固定子５の冷却効率を制限するのである。

また、前記駆動部１８Ｂは、前記連結竿２２に連結されたねじ式のリニアアクチュエータ２３と、このリニアアクチュエータ２３のねじ部を回転駆動するモータ２４を備えている。

一方、前記司令部１８Ｃは、周囲の環境変化、例えば、風量（風速）、巻線温度、電機子電流及び電圧、回転子４の回転数、周囲の気温等を測定監視する環境状態測定装置２５と、この環境状態測定装置２５からの測定結果に基づいて前記モータ２４の回転を制御する制御装置２６とを備えている。

以上から、周囲の環境変化に応じて冷却風量を調節する風量調節機構１８は、通風抵抗調節機構であり、通風面積調節機構でもある。

以上のように構成したので、例えば、ダンパ２０が適当な開度で隣接ダンパ２０間から冷却風を通過させているとき、環境状態測定装置２５が検出した巻線温度が通常運転時の巻線温度と比較して高いと制御装置２６が判断した場合、制御装置２６はモータ２４に駆動指令を出し、連結竿２２を引き上げて図１の（ａ）に示すように、ダンパ２０の開度を大きくして冷却器１７を通過する冷却風の風量を増加させる。反対に、環境状態測定装置２５が検出した巻線温度が通常運転時の巻線温度と比較して低いと制御装置２６が判断した場合、制御装置２６はモータ２４に駆動指令を出し、連結竿２２を引き下げて図１の（ｂ）に示すように、ダンパ２０の開度を小さくして冷却器１７を通過する冷却風の風量を制限する。

このように、水車発電機１の運転状態や気温等の環境状態を測定し、これらをあらかじめ設定しておいた基準値と比較して冷却器１７を通過する風量を調節することができるので、効率よい冷却を行うことができる。また、風量調節機構１８は固定子５の背面側の静止部材に設置されていることから、従来のように、回転子４側に跨って設置されることがないので、構成を単純にして単純な動作で作動させることができ、その結果、風量調節機構１８の信頼性を高めることができる。

図２は、第１の実施の形態の変形例を示すもので、図１と同符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本変形例が前記第１の実施の形態と異なる構成は、風量調節部１８Ａを、固定子５の背面側で冷却器１７の空気導入側に設置した点であり、その動作及び効果は第１の実施の形態と同じである。

次に、本発明による回転子の遠心作用により冷却風を駆動する自己冷却方式の回転電機の第２の実施の形態を図３に基づいて説明する。尚、図３においても、図１及び図２と同一符号は同一構成部材を示すので、再度の詳細な説明は省略する。

本実施例では、ダンパ２０の支軸１９を冷却器１７よりも外径側で縦方向に延在するように設置し、それに伴ってダンパ２０も縦方向に延在するように配したのである。したがって、隣接するダンパ２０の隙間は、図３の（ｂ）に示すように、回転軸２と平行に固定子５の外周において軸方向に長く形成されることになり、当然、これら支軸１９に連結される複数のリンク２１も横方向に設置され、リンク２１を連結する連結竿２２は横方向に駆動されることになる。その他の構成は第１の実施の形態と同じであり、同様な効果を奏することができる。

次に、第２の実施の形態の変形例を図４に基づいて説明する。

通常、冷却器１７は、固定子５の背面側（外径側）に複数設置されるので、各冷却器１７の冷却風放出側毎に夫々ダンパ２０と支軸１９とリンク２１とが設置されることになる。このような構成において、各冷却器１７毎に設置された複数のリンク２１を、共通の連結体である単一の環状の連結竿２２Ｃで連結したのである。その他の構成及び効果は第１の実施の形態と同じである。

このように構成することで、図１〜図３において、複数の冷却器１７の冷却風放出側に設置された複数の風量調節部１８Ａに対し、夫々駆動部１８Ｂを連結して駆動しているので複数の駆動部１８Ｂが必要であるが、本変形例によれば、一つの環状の連結竿２２Ｃを一つの駆動部１８Ｂで駆動することが可能となり、駆動部１８Ｂの設置台数を低減することができる。

さらに、本実施の形態によれば、水車発電機が軸方向に長い場合には、図１及び図２に示すダンパ２０の支軸１９が横方向に設置される構成に比べて、支軸を縦方向に設置したほうがダンパ２０の数を減らすことができる。

ところで以上の説明は、回転電機として縦型の水車発電機を一例に説明したが、横型の水車発電機でもよく、また、揚水発電所に設置される発電電動機や同期電動機等にも適用することができる。

１…水車発電機、２…回転軸、３…スパイダーアーム、４…回転子、５…固定子、６…固定子枠、７…継鉄、８…磁極鉄心、９…磁極巻線、１０…通風ダクト、１１…固定子鉄心（電機子鉄心）、１２…固定子巻線（電機子巻線）、１３…通風ダクト、１４…通風仕切り板、１５…冷却風循環路、１６…支持部材、１６Ｈ…開口、１７…冷却器、１８…風量調節機構、１８Ａ…風量調節部、１８Ｂ…駆動部、１８Ｃ…司令部、１９…支軸、２０…ダンパ、２１…リンク機構、２２，２２Ｃ…連結竿、２３…リニアアクチュエータ、２４…モータ、２５…環境状態測定装置、２６…制御装置。

Claims

回転子の遠心作用により冷却風を駆動して回転子から固定子へ流通させる回転電機において、回転子から固定子を経由して再び回転子に戻る冷却風循環路を形成し、この冷却風循環路内に位置する固定子の背面側に、周囲の環境変化に応じて冷却風量を調節する風量調節機構を設置したことを特徴とする回転電機。
回転子の遠心作用により冷却風を駆動して回転子から固定子へ流通させる回転電機において、回転子から固定子を経由して再び回転子に戻る冷却風循環路を形成し、この冷却風循環路内に位置する固定子の背面側に流通する冷却風を冷却する冷却器を設置し、この冷却器の近傍に周囲の環境変化に応じて冷却風量を調節する風量調節機構を設置したことを特徴とする回転電機。
回転子の遠心作用により冷却風を駆動して回転子から固定子へ流通させる回転電機において、回転子から固定子を経由して再び回転子に戻る冷却風循環路を形成し、この冷却風循環路内に位置する固定子の背面側に流通する冷却風を冷却する冷却器を設置し、この冷却器の近傍に通過する冷却風量を調節する風量調節部を設置し、この風量調節部を駆動する駆動部を設置し、かつ、周囲の環境変化を測定監視して前記駆動部に駆動指令を与える司令部を設置したことを特徴とする回転電機。
前記回転子には、半径方向に延在する通風ダクトが軸方向に複数形成されており、回転時の遠心作用によりこれら通風ダクトから冷却風を固定子へ流通するように構成されていることを特徴とする請求項１，２又は３記載の回転電機。
前記風量調節部は、複数のダンパと、これらダンパを支持する支軸と、これら支軸を一括して回動させる共通の連結体とを有することを特徴とする請求項４記載の回転電機。
前記ダンパは、支軸が横方向に延在するように配置されていることを特徴とする請求項
５記載の回転電機。
前記ダンパは、支軸が縦方向に延在するように配置されていることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
縦型の回転軸に支持された回転子の遠心作用により冷却風を駆動して回転子から固定子へ流通させる回転電機において、回転子から固定子を経由して再び回転子に戻る冷却風循環路を形成し、この冷却風循環路内に位置する固定子の背面側に流通する冷却風を冷却する冷却器を固定子の周方向複数個所に設置し、これら冷却器の近傍に通過する冷却風量を調節する風量調節部を夫々設置し、これら風量調節部を駆動する駆動部を設置し、かつ、周囲の環境変化を測定監視して前記駆動部に駆動指令を与える司令部を設置すると共に、前記風量調節部は、複数のダンパと、これらダンパを支持する縦方向に延在する支軸と、前記冷却器の近傍に夫々設置した風量調節部のダンパの支軸を一括して回動させるように前記駆動部に連結された共通の連結体とを有することを特徴とする回転電機。