JP2012029398A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ガスの循環通路を改善し、ガス冷却器の冷却性能を向上させた回転電機を得る。
【解決手段】ケーシング１に収容された固定子２及び回転子３と、固定子コイルエンド７ａの一端からケーシング１の外部に導出されたメインリード８と、回転軸１０の両端部近傍に装着されたファン４と、ケーシング１の側面開口部に取り付けられたガス冷却器５とを備え、ファン４の吸気側に設けられた空間Ａから吸気された冷却ガスが、ファン４の周囲を囲む空間Ｂ→冷却器室１４→ガス冷却器５→固定子コイルエンド部を囲む空間Ｃ→間隙９及び回転子３と固定子２に形成したガス通路→固定子２外周とケーシング１との空間Ｄ→空間Ａと循環するガス循環通路を形成し、少なくともメインリード８が導出される部分は、空間Ｄと空間Ａとを、空間Ｂ及び空間Ｃを貫通した接続パイプ１７で連絡した。
【選択図】図１

Description

この発明は、冷却ガスが封入されたケーシング内に固定子および回転子が収容され、ガス冷却器を備えた回転電機に関するものである。

ケーシング内部にガス冷却器を備えた従来の回転電機として、例えば、図４に示すような構成が知られている。図４は、回転電機の回転軸中心より上部を断面で模式的に示した半断面図である。
図４において、冷却ガスが封入されたケーシング２１内に、固定子２２および回転子２３が配置され、回転子２３の中心の回転軸２４の両端部側には、冷却ガスを軸心部から吸気し、径方向外周部に送出するファン２５が装着されている。ケーシング２１内は、冷却ガスを効率よく循環させるために適宜仕切板で仕切られて冷却ガスの循環路が形成されており、循環路の途中に冷却ガスを冷却するためのガス冷却器２６が配置されている。
ファン２５へ流入した冷却ガスは、通路Ａからガス冷却器２６を通過し、そこで冷却された冷却ガスが、固定子コイルエンド２２ａが収容された端部ガス空間Ｂ→空隙２７と回転子のガス通路（図示せず）→固定子のガス通路２２ｂ→固定子外周のガス空間Ｃ→通路Ｄ→帰還路Ｅ→ファン２５へと循環し、固定子２２と回転子２３とが冷却されるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−８９２５５号公報（第４頁、図１）

回転電機においては、固定子コイルに電力を供給したり、又は、固定子コイルから電力を取り出したりするためのメインリードが、固定子コイルエンドの一端に必ず接続されており、固定子コイルエンド近傍からケーシングを貫通して外部に引き出されている。
上記特許文献１の回転電機の場合、図４は模式的に表現されているのでメインリードが記載されていないが、メインリードが接続される固定子コイルエンドの部分では、メインリードが障害になり、図４の空間Ｃから帰還路Ｅへ移送される途中の通路Ｄを形成することができない。
従って、特許文献１に記載されたような従来の回転電機では、空間Ｃから帰還路Ｅへの冷却ガスの移動は、メインリードが導出されない側（メインリードがケーシングの上出しの場合はケーシングの下側、メインリードが下出しの場合はケーシングの上側）のみで行われることになり、メインリードが導出される側では、通路Ｄを構成できないため、ファンに帰還する冷却ガスがアンバランスとなる。
このように、ファンの上側から、もしくは下側からのみ冷却ガスが流れ込む場合、ファンから吐出される冷却ガスは一方に偏ってしまうため、ガス冷却器の下部のみ、または上部のみに冷却ガスが集中してしまい、ガス冷却器が十分に機能を発揮できず、冷却性能が低下してしまうという問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、メインリードが導出される側であっても、ファンに冷却ガスが流れ込み、ファンから吐出される冷却ガスを均等化して、ガス冷却器の冷却性能を十分に発揮できる回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、冷却ガスが封入されたケーシング内に配設され、固定子鉄心と固定子コイルとを有する固定子と、固定子コイルの両端部の固定子コイルエンドの一端からケーシングの外部に導出されたメインリードと、固定子の内周側に空隙を介して配置され、回転軸に装着された回転子鉄心及び回転子コイルを有する回転子と、回転軸の両端部近傍に装着され、回転子コイルの反対側を吸気側とし冷却ガスを軸心側から吸気して外周側に送出するファンと、固定子コイルエンドが位置する近傍のケーシングの側面に設けられた冷却器室に収容されてケーシングの側面の開口部に取り付けられたガス冷却器とを備え、ファンの吸気側に設けられた空間Ａからファンにより吸気された冷却ガスが、ファンの周囲を囲む空間Ｂ→冷却器室→ガス冷却器→固定子コイルエンド部を囲む空間Ｃ→回転子と固定子との間隙及び回転子と固定子に形成されたガス通路→固定子外周とケーシングとの空間Ｄ→空間Ａと循環するガス循環通路が形成され、少なくともメインリードが導出される部分は、空間Ｄと空間Ａとが、空間Ｂ及び空間Ｃを貫通した接続パイプで連絡されているものである。

この発明の回転電機によれば、空間Ａからファンにより吸気された冷却ガスが、空間Ｂ→冷却器室→ガス冷却器→空間Ｃ→回転子と固定子との間隙及び回転子と固定子に形成されたガス通路→空間Ｄ→空間Ａと循環するガス循環通路が形成され、少なくともメインリードが導出される部分は、空間Ｄと空間Ａとが、空間Ｂ及び空間Ｃを貫通した接続パイプで連絡されているので、メインリードが導出される側からも冷却ガスが循環してファンに冷却ガスが流入し、ファンから吐出される冷却ガスが、ガス冷却器の上下方向に分散して均等化され、広い範囲を通過することによって、ガス冷却器が冷却性能を十分に発揮できるため、冷却効率を向上させた回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の側面断面図である。 図１のII−IIから見た正面断面図である。 図１の太矢印III部分の平面断面図である。 従来の回転電機の、回転軸中心より上部を模式的に示す半断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、回転電機の側面断面図である。なお、本実施の形態では、回転電機として全閉横型のタービン発電機を例に説明する。
発電機は、冷却ガスが封入されたケーシング１内に配設された固定子２と、固定子２の内周側に所定の間隙を介して配置された回転子３と、ケーシング１内に冷却ガスを循環させるファン４と、冷却ガスを冷却するガス冷却器５とを備えている。以下これらを順に説明する。

固定子２は、軸方向に積層された磁性鋼板からなる固定子鉄心６と、固定子鉄心６の内周部に形成したスロットに挿入された固定子コイル７とを有し、固定子鉄心６には、軸方向に所定の間隔で、冷却ガスを半径方向に流通させるガス通路（図示せず）が形成されている。
また、固定子コイル７の両端側の固定子コイルエンド７ａの一方（図では左方）の下部側にはメインリード８が接続され、ケーシング１の外部に引き出されている。メインリード８は、発電された電力を固定子コイル７から取り出す導体である。

一方、回転子３は、固定子２の内周部に所定の間隙９が確保できる外径を有して回転自在に配設されている。そして回転子３は、回転軸１０と、回転軸１０に装着された回転子
鉄心１１と、回転子鉄心１１の軸方向に形成したスロットに挿入された回転子コイル（図示せず）とで構成され、回転軸１０の両端部が軸受１２により回転自在に支持されている。また、上記スロット部及びコイル部には軸方向へ進み径方向に抜ける冷却ガスのガス通路（図示せず）が設けられている。

回転軸１０の両端部近傍で軸受１２より内側に、ファン４が装着されている。ファン４は、遠心方向に空気の流れを起こすタイプのファンであって、ケーシング１内に充填されている冷却ガスを、ケーシング１内に循環させるためのものである。本実施の形態では、回転子コイルがある本体部の反対側（軸受１２に面する側）を吸気側とし冷却ガスを軸心側から吸気して外周側に送出するようになっている。

また、図１において、固定子コイルエンド７ａが位置する部分近傍の、紙面に垂直方向の手前側と奥側にあるケーシング１の側面には、水冷式のガス冷却器５が取り付けられている。図２は、図１のII−II方向から見た正面断面図であり、図３は、図１の太矢印III
部分、すなわち、ケーシング１端部の平面断面図である。
図２，図３に示すように、ガス冷却器５は、ケーシング１の側面に設けられた、冷却室カバー１３で密閉された冷却器室１４に収容されて、ケーシング１の側面の開口部１ａに縦長に取り付けられており、後述する冷却ガスのガス循環通路内に配置されている。ガス冷却器５に外部から冷却水を導入して内部の細管に循環させ、多数のフィンを介して熱交換されて冷却ガスが冷却されるようになっている。

冷却ガスをケーシング１内に効率よく循環させるために、ケーシング１内部にはガス循環通路が形成されている。そこで、次に、通路の構成について説明する。図１の左側のファン４の部分から、冷却ガスの流れに従って説明する。
ファン４の軸受１２側を仕切板で仕切り、この仕切板とケーシング１とで形成される空間Ａ（図中にアルファベットで示す。以下同様。なお、図４の符号とは対応せず）がファン４の吸気側空間となる。ファン４の回転子本体側と上下にも仕切板が設けられ、ファン４の周囲を囲む空間Ｂが形成されている。空間Ｂの側方、つまり図１で紙面に垂直方向にあるケーシング１の側面には、図３に示すように、ケーシング１に開口部１ｂが形成されており、冷却器室１４に連通している。ガス冷却器５は、ケーシング１側面の開口部１ａに取り付けられているので、冷却ガスは冷却室１４からガス冷却器５を通過して固定子コイルエンド７ａ側に送出される。
上記のように、ファン４からの冷却ガスは、先ずガス冷却器５へ送出して冷却する方式を採用している。そして、ガス冷却器５で冷却された低温の冷却ガスを直近から固定子コイルエンド７ａ側へ送出している。

固定子コイルエンド７ａ部は、外周部を仕切って固定子コイルエンド７ａ部を囲む空間Ｃが形成されている。但し、図１に示すように、メインリード８が導出される固定子コイルエンド７ａ部を有する部分の空間Ｃは、メインリード８の収納部も含んでいる。
空間Ｃに流入した冷却ガスは、回転子３の内部に形成された図示しないガス通路と、固定子２内径部と回転子３外径部との間の間隙９とに流入し、固定子２の図示しないガス通路を通過して径方向に抜け、固定子２外周とケーシング１との間に形成された空間Ｄに送出される。その後、空間Ｄで両端側に分かれてケーシング１の端部方向に折り返して進み、空間Ａへと帰還する循環経路が形成されている。
右側のファン４から送出される冷却ガスも同様（ほぼ対称）に形成された経路をたどって循環する。

ここで、図１に示すように、空間Ｄから空間Ａへの帰還路として、メインリード８が導出されないケーシング１の上部側では、空間Ｃ，Ｂの上部に、連絡通路１５が形成されている。
一方、ケーシング１の下部左側は、固定子コイルエンド７ａの一端側からメインリード８が導出しており、図２に示すように３相のメインリード８は、幅方向の空間を所定の幅で占有するので、上部側と同様の連絡通路を形成することができない。
もし、空間Ｄを空間Ｃに繋げば、回転子３と固定子２を通過して温度上昇した冷却ガスが固定子コイルエンド７ａに触れることになり冷却効果が失われてしまう。
なお、本願の回転電機は、ガス冷却器５を固定子コイルエンド７ａ近傍のケーシング１の側面に配置しているため、メインリード８はガス冷却器５側には引き出せないので、空間Ｃの下部又は上部から導出される構造となる。

そこで、下部側は、空間Ｄと空間Ｃとを仕切板１６で仕切っておき、下部側の空間Ｄと空間Ａとは、空間Ｂ及び空間Ｃを貫通した接続パイプ１７により接続し、両空間を連絡させた点が、本願の特徴部である。
接続パイプ１７は、図２に示すように、３相のメインリード８の間に交差させて所定の絶縁距離を保って配設されている。絶縁距離が確保できる範囲で、接続パイプ１７の径を太くし、また、図２のように回転軸１０の軸方向に見て、複数個の接続パイプ１７を、中心に対して左右にほぼ均等に分散させて配置するのが望ましい。そうすることで、上部側の連絡通路１５とのバランスが良くなる。

また、図１に示すように、メインリード８は、両端の固定子コイルエンド７ａの内の一端側（図１では左側）から導出されており、他端側にはメインリードが接続されないので、他端側（右側）の下部は、上部と同様に、空間Ｃ，Ｂの下部を通って空間Ａに繋がる連絡通路を形成することは可能である。
しかしながら、右側下部も左側下部と同様に接続パイプ１７を設けて空間Ｄと空間Ａとを接続すれば、冷却ガス通路の通風抵抗が、図１方向に見て、左右でほぼ同じになるため、左右のファン４から送り出される冷却ガスをほぼ均等に循環させることができる。

上記のように、ガス循環通路は、回転子２が回転することでファン４が回転し、冷却ガスは、空間Ａの軸心側から吸入されて空間Ｂの外周方向に送出され、空間Ｂ→冷却器室１４→ガス冷却器５（ここで冷却ガスが冷却される）→空間Ｃ→隙間９と回転子及び固定子に形成したガス通路→空間Ｄへと送出され、連絡通路１５がある部分は連絡通路１５を通り、メインリード８の導出部は接続パイプ１７を通り、空間Ａに帰還する。

なお、以上の説明では、メインリード８はケーシング１の下部側から導出するものとした。本実施の形態の構成では、冷却室１４はケーシング１の側面に設けているので、メインリード８をケーシング１の側面からは導出できないが、ケーシング１の上部側から導出することは可能であり、いわゆる「上出し」の場合もある。上出しの場合であれば、図１と上下を逆にした構成にすればよい。つまり、メインリード８の導出側は、メインリード８と交差するように空間Ｄと空間Ａとを接続パイプ１７で接続し、軸周りに１８０度反対側は、空間Ｃ，Ｂの外側を回って両者を接続すればよい。

以上のように、実施の形態１の回転電機によれば、空間Ａからファンにより吸気された冷却ガスが、空間Ｂ→冷却器室→ガス冷却器→空間Ｃ→回転子と固定子の間隙及び回転子と固定子に形成されたガス通路→空間Ｄ→空間Ａと循環するガス循環通路が形成され、少なくともメインリードが導出される部分は、空間Ｄと空間Ａとが、空間Ｂ及び空間Ｃを貫通した接続パイプで連絡されているので、メインリードが導出される側（メインリード上出しの場合はケーシングの上側、メインリード下出しの場合はケーシングの下側）にも、ファンに冷却ガスが流入し、ファンから吐出される冷却ガスが、ガス冷却器の上下方向分散して均等化され、広い範囲を通過することによって、ガス冷却器が冷却性能を十分に発揮できるため、冷却効率を向上させた回転電機を得ることができる。

また、メインリードの導出側と同じケーシング面側にあって、メインリードが接続されない固定子コイルエンド側にある空間Ｄと空間Ａとは、メインリードが導出される側と同様に、空間Ｄと空間Ａとが、空間Ｂ及び空間Ｃを貫通した接続パイプで連絡されており、メインリードの導出側の１８０度反対側のケーシング面側は、空間Ｂ及び空間Ｃの外側に形成された連絡通路で連絡されているので、回転電機の軸方向で、メインリードの導出側とメインリードが無い側とのガス循環路の通風抵抗をほぼ同じにできるため、両側のファンからほぼ均等に冷却ガスが送出でき、軸方向両側をほぼ均等に冷却することができる。

また、接続パイプは複数個で構成し、回転軸の軸方向に見て、複数個の接続パイプが中心に対して左右にほぼ均等に分散されて配置されているので、ファンに流れ込む冷却ガスを、より均等化することができ、冷却効率を高めることができる。

１ ケーシング １ａ，１ｂ 開口部
２ 固定子 ３ 回転子
４ ファン ５ ガス冷却器
６ 固定子鉄心 ７ 固定子コイル
７ａ 固定子コイルエンド ８ メインリード
９ 間隙 １０ 回転軸
１１ 回転子鉄心 １２ 軸受
１３ 冷却器室カバー １４ 冷却器室
１５ 連絡通路 １６ 仕切板
１７ 接続パイプ
Ａ ファンの吸気側空間
Ｂ ファンを囲む空間
Ｃ 固定子コイルエンド部を囲む空間
Ｄ 固定子外周とケーシングとの空間。

Claims (3)

1. 冷却ガスが封入されたケーシング内に配設され、固定子鉄心と固定子コイルとを有する固定子と、前記固定子コイルの両端部の固定子コイルエンドの一端から前記ケーシングの外部に導出されたメインリードと、前記固定子の内周側に空隙を介して配置され、回転軸に装着された回転子鉄心及び回転子コイルを有する回転子と、前記回転軸の両端部近傍に装着され、前記回転子コイルの反対側を吸気側とし前記冷却ガスを軸心側から吸気して外周側に送出するファンと、前記固定子コイルエンドが位置する近傍の前記ケーシングの側面に設けられた冷却器室に収容されて前記ケーシングの側面の開口部に取り付けられたガス冷却器とを備え、
   前記ファンの前記吸気側に設けられた空間Ａから前記ファンにより吸気された前記冷却ガスが、前記ファンの周囲を囲む空間Ｂ→前記冷却器室→前記ガス冷却器→前記固定子コイルエンド部を囲む空間Ｃ→前記回転子と前記固定子との間隙及び前記回転子と前記固定子に形成されたガス通路→前記固定子外周と前記ケーシングとの空間Ｄ→前記空間Ａと循環するガス循環通路が形成され、少なくとも前記メインリードが導出される部分は、前記空間Ｄと前記空間Ａとが、前記空間Ｂ及び前記空間Ｃを貫通した接続パイプで連絡されていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記メインリードの導出側と同じケーシング面側にあって、前記メインリードが接続されない前記固定子コイルエンド側にある空間Ｄと空間Ａとは、前記メインリードが導出される側と同様に、前記空間Ｄと前記空間Ａとが、前記空間Ｂ及び前記空間Ｃを貫通した接続パイプで連絡されており、前記メインリードの導出側の１８０度反対側のケーシング面側は、前記空間Ｂ及び前記空間Ｃの外側に形成された連絡通路で連絡されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は請求項２記載の回転電機において、
   前記接続パイプは複数個で構成し、前記回転軸の軸方向に見て、前記複数個の接続パイプが中心に対して左右にほぼ均等に分散されて配置されていることを特徴とする回転電機。

Images