JP2012100430A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の課題は、漏れ磁場によって端部固定子コアに生じる渦電流損失を低減する回転電機を得ることにある。
【解決手段】
本発明では、積層鋼板よりなる固定子コア４と、固定子コア４のスロット内に巻回された固定子コイル１と、固定子コア４を軸方向に固定する抑え板１１とを備えた回転電機において、固定子コア４と抑え板１１との間に冷却機構を有する端板５を備え、端板５と抑え板１１の間に複数の電気的に絶縁された金属板を積層して構成されるシールド板３を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機の係り、特に、タービン発電機等の回転電機の固定子コア端部の渦電流損失を改善した回転電機に関する。

タービン発電機等の回転電機の固定子コア端部では、固定子コイル端部や回転子コイル端部より生じる漏れ磁場によって軸方向磁場成分が発生する。この軸方向磁場成分が固定子コア端部に鎖交することで渦電流損失が生じる。通常、固定子コアは、絶縁被膜が施された鋼板が複数積層して形成されるため、固定子コアの温度を、絶縁被膜の耐熱限界以下に抑えるよう冷却する必要がある。
従来の固定子コア端部の冷却技術としては、例えば特許文献１に記載のものがある。この特許文献１は、固定子コアの端部側と固定子コアの内部に径方向通風路が形成され、この径方向通風路を内周側から外周側へ冷却ガスが抜けることによって、固定子コア端部を冷却するものである。
一方、特許文献２には、固定子鉄心と押え板との間に銅板製シールド板が配置され、かつ、前記押え板に冷却溝を備え、固定子端面に入る磁束は、銅板製シールド板でシールドし、磁束により発生した熱は、上記冷却溝内を流れる冷却ガスで冷却することが記載されている。

特開２００５−１６８１０９号公報 特開昭６１−７３５２９号公報

ところで、回転電機が大容量化すると固定子コアの端部に鎖交する軸方向磁場が増え、渦電流損失が増大する。特に、特許文献１では、冷却ガスのみで対処しているため、固定子コアの端部が過熱する可能性がある。また、上記径方向通風路より離れた場所に位置する固定子コアも、端部より浸透する軸方向磁場によって渦電流損失が生じ温度上昇するが、固定子コアは、積層構造であるため、軸方向の熱伝導が低く十分に冷却するのが難しいという問題がある。
一方、特許文献２では、固定子端面に入る軸方向磁場を、１枚の銅板製シールド板でシールドしているが、主磁場である径方向磁場がシールド板内径側に鎖交することで生じる渦電流損失の対策については、まったく考慮されていない。
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、固定子コアの軸方向端部に浸透する軸方向磁場を遮蔽すると共に、固定子コア内部の渦電流損失による発熱を低減し、かつ、主磁場である径方向磁場がシールド板内径側に鎖交することで生じる渦電流損失を低減する回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、積層鋼板よりなる固定子コアと、固定子コアのスロット内に巻回された固定子コイルと、固定子コアを軸方向に固定する押え板とを備えた回転電機において、固定子コアと押え板との間に、冷却機構を有する端板、及び電気的に絶縁された金属板を複数枚積層して形成されるシールド板を設けたことを特徴とする。

本発明によれば、固定子コアの端部側に、複数の電気的に絶縁された金属板が積層して形成されるシールド板を設けることで、固定子コア側に浸透する軸方向磁場を遮蔽し、冷却困難な固定子コア内部の渦電流損失による発熱を低減できると共に、シールド板自身に生じる渦電流損失による発熱は、シールド板に付帯する冷却機構によって適切に除去され、また、シールド板が、電気的に絶縁された金属板を複数枚積層して形成されることで、主磁場である径方向磁場がシールド板内径側に鎖交することで生じる渦電流損失を低減でき、シールド板自身に生じる損失は低く抑えられる効果がある。

本発明の第１の実施例である回転電機の固定子端部を示す断面図である。 図１のA方向（軸方向）より見たシールド板を示す図である。 図１のB-B’断面より見た端板の一例を示す図である。 端板の他の例を示す図３に相当する図である。 本発明の第２の実施例である回転電機の固定子端部を示す断面図である。 本発明の第３の実施例である回転電機の固定子端部を示す断面図である。 図６のC−C’断面より見たスペーサの一例を示す図である。 本発明の第４の実施例である回転電機の固定子端部を示す断面図である。

本発明の第1の実施例に関わる回転電機の構成を図１乃至図３を用いて説明する。本実施例では、図１中Aの方向（積層鋼板の積層方向）を軸方向、これと直交する方向を径方向と言う。
図１に示す如く、固定子コア４は、絶縁皮膜を有する薄い珪素鋼板が、軸方向に複数枚積層されて形成され、かつ、内周側の軸方向に伸延し、周方向に所定の間隔を持って形成されたスロット（図示せず）を有し、このスロット内に固定子コイル１が巻回収納され、固定子コア４の両端には、端板５、シールド板３を介して押え板１１が配置されている。そして、押え板１１を貫通する複数の固定用ボルト１０と固定用ナット９を締結することにより、固定子コア４、端板５、シールド板３、押え板１１が軸方向に密着固定される。固定子コア４の端部には、漏れ磁場によって軸方向磁場２aが、また、回転子（図示せず）側には、主磁場である径方向磁場２ｂが生じている。

図２は、軸方向より見たシールド板３の構造を示す。該図に示すシールド板３は金属製であり、軸方向端部側より見て固定子コア４と端板５の全面を覆うように配置されている。シールド板３の材質には、鉄材やステンレス材を用いても良いが、望ましくは、非磁性材で電気伝導度の高い銅やアルミニウムを用いると良い。電気伝導度の高い材質を用いると、軸方向磁場２aによりシールド板３に生じる渦電流損失が大きくなるが、同時に固定子コア４側へ侵入する軸方向磁場２aを遮蔽する効果が高まる。
シールド板３は、表面を薄い絶縁膜で被覆された同一形状の複数の金属板を密着積層したものからなることは上述したが、全体の厚さは、例えば表皮深さより大きくなるようにすると良い。より簡便に、シールド板３を表皮深さ以上の厚みを持つ1枚の金属板で代替してもよいが、本実施例のように複数の絶縁された金属板を用いてシールド板３を形成すれば、径方向磁場２ｂによりシールド板３の内周側に生じる渦電流損失を低減できる利点がある。特に、シールド板３に銅やアルミニウムなどの電気伝導度が高い材質を用いた場合は、シールド板３の内周側に生じる渦電流損失が大きくなるため、上記のような積層構造を用いることが有効である。
図３は、端板５を図１中のB-B’断面より見た構造を示す。該図に示す如く、端板５は、内部に冷却機構である水冷配管６を有し、シールド板３と固定子コア４との間にシールド板３と全面で密着するよう設置され、この水冷配管６に冷却媒体（例えば水）を流すことでシールド板３、端板５、抑え板１１及び固定子コア４に生じる発熱を冷却するようにしている。
また、端板５の内周側に形成される固定子コイル１の相互に挟まれた歯部１２は、シールド板３において渦電流の集中が見込まれる部位であるため、水冷配管６は歯部１２を十分冷却できるように、歯部１２に沿って設置されている。尚、端板５は、軸方向に固定子コア４を固定する部材を兼ねるため、高強度の非磁性金属、例えばステンレス材製であることが望ましい。

端板５は空冷と水冷を併用する構造であってもよい。図４は、この例を示すもので、図１中のB-B’断面より見た空冷と水冷を併用する方式の端板５の構成を示す。
この例では、端板５は、ステンレス材等の非磁性金属製の細長い板材からなり、それらの周方向間で径方向に延びて径方向に冷却ガス１３Ａを導く流路１３を形成している。更に、端板５の内部に冷却機構である水冷配管（図示せず）を配置して冷却している。また、中・小容量の回転電機であれば、図４の構成において、端板５を絶縁性の強度部材、例えばGFRP製とし、空冷のみで冷却することも可能である。

本実施例によれば、端板５の軸方向端部側に位置するシールド板３において生じる渦電流により、軸方向磁場２aが遮蔽されるため、固定子コア４および端板５に生じる渦電流損失が減少される。一方で、シールド板３に生じる発熱は、シールド板３に隣接する端板５に設けられた冷却機構により効果的に冷却される。更に、絶縁された金属板を複数積層してシールド板３を形成することにより、径方向磁場２ｂによりシールド板３の内周側に発生する渦電流損失を低く抑えることができる。

本発明の第２の実施例に関わる回転電機の構成を図５を用いて説明する。図５は回転電機の固定子端部の断面図であり、実施例１と同一の構成については同一の番号を付している。

通常、端部に発生する漏れ磁場は、押え板１１にも鎖交するが、特に、押え板１１の材質として磁性金属を用いた場合、押え板１１は、一体型のリング形状であるため、内部に周方向磁場が発生し大きな損失が生じる。
これを防ぐために、本実施例では、第１の実施例の構成に加え、押え板１１と電気的に絶縁された金属板よりなるシールド板３aを、押え板１１の軸方向面及び径方向面に設置している。
このような本実施例の構成とすることにより、上述した第１の実施例の効果に加え、押え板１１に生じる渦電流損失も低減することができる。シールド板３aには渦電流損失が生じるが、シールド板３aとシールド板３は、接触熱抵抗が低くなるよう密着させるか、或いは一体構造とすることにより、シールド板３を介した熱伝導によってシールド板３aの発熱は速やかに冷却される。尚、シールド板３aは、シールド板３と同様に積層構造としても良い。

本発明の第３の実施例に関わる回転電機の構成を図６及び図７を用いて説明する。実施例１と同一の構成については同一の番号を付している。
上述した実施例１では、シールド板３は密着させて積層していたが、本実施例では、固定子コア４と端板５との間に、スペーサ７上に相互に絶縁された複数のシールド板３ｂを設置して、このシールド板３ｂの周方向間に径方向通風路１３Ｂを設け、この径方向通風路１３Ｂ内に冷却ガス１３Ａを流し、シールド板３ｂそれぞれの両面に冷却ガス１３Ａを導くことにより、シールド板３ｂそれぞれを効果的に冷却するようにしたものである。シールド板３ｂは金属製であり、全てを合計した厚さが、例えば表皮深さより大きくなるようにする。尚、端板５及びスペーサ７は、軸方向より見ると図７に示す構成であり、その材質は、GFRP或いはステンレス材が好ましい。

本発明の第４の実施例に関わる回転電機の構成を図８を用いて説明する。図８は、回転電機の固定子端部の断面図であり、実施例１と同一の構成については同一の番号を付している。
該図に示す如く、本実施例では、端板５の軸方向両端に、金属製で絶縁被膜を有するシールド板３ｃを1枚ずつ、或いは複数枚ずつ設置したものを、固定子コア４と押え板１１との間に配置したものである。このとき、シールド板３ｃ全てを合計した厚さが、表皮深さより大きくなるようにする。
本実施例では、上記のように構成することにより、固定子コア４に近接してシールド板３ｃが位置することになり、実施例１よりも固定子コア４に入射する軸方向磁場２aをより強く減衰させ、固定子コア４に生じる渦電流損失をより減少させることができる。
尚、本発明は、上記した実施例１乃至４に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…固定子コイル、２ａ…軸方向磁場、２ｂ…径方向磁場、３、３a、３ｂ、３ｃ…シールド板、４…固定子コア、５、端板、６…水冷配管、７…スペーサ、９…固定用ナット、１０…固定用ボルト、１１…押え板、１２…歯部、１３…流路、１３Ａ…冷却ガス、１３Ｂ…径方向通風路。

Claims (6)

1. 絶縁被膜を有する複数の鋼板を軸方向に積層して形成され、かつ、内周側の軸方向に伸延し、周方向に所定の間隔を持って形成されたスロットを有する固定子コアと、該固定子コアのスロット内に巻回された固定子コイルと、前記固定子コアを軸方向に固定する押え板とを備えた回転電機において、
   前記固定子コアと押え板との間に、冷却機構を有する端板、及び電気的に絶縁された金属板を複数枚積層して形成されるシールド板を設けた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、
   前記冷却機構を有する端板は、前記固定子コア側に配置され、この端板と前記押え板との間に、前記シールド板が配置されていることを特徴とする回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記シールド板の軸方向端及び径方向端に、別のシールド板が前記押え板を覆うように配置され、この両者のシールド板は熱的に接合されていることを特徴とする回転電機。
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、
   前記シールド板は、非磁性材で、かつ、アルミニウムの電気伝導度より高い材質であることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記固定子コアと端板との間に、スペーサ上に相互に絶縁された複数のシールド板を設置して、このシールド板の周方向間に径方向通風路を設け、この径方向通風路内に冷却ガスを流通させることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１記載の回転電機において、
   前記端板の少なくとも前記固定子コア側に、金属製で絶縁被膜を有するシールド板を少なくとも１枚設置したことを特徴とする回転電機。

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