JP5291612B2

JP5291612B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5291612B2
Application number: JP2009294009A
Authority: JP
Inventors: 智市村; 智広森山; 義豊八木橋; 清輝田中; 啓明小島; 東村　　豊
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-12-25
Filing date: 2009-12-25
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-12-25
Also published as: JP2011135718A

Description

本発明はタービン発電機や大型の電動機等の回転電機に係り、特に、絶縁油を利用して絶縁確保している回転電機に関する。

絶縁油を利用して絶縁確保している回転電機として、例えば特許文献１に記載のように、固定子コイル及び固定子鉄心を含む固定子全体をオイルダクトで覆い、このオイルダクト内に絶縁油を充填して絶縁確保を行う構成の回転電機が既に提案されている。

特開２００１−１４５３０２号公報

上記特許文献１に開示の回転電機によれば、絶縁油をオイルダクトに充填することで、固定子コイルを含む固定子の絶縁を確保することができる。

しかしながら、特許文献１に開示の回転電機は、固定子の絶縁確保に対してのみ適用可能な構成であり、固定子及び回転子の冷却のために、絶縁冷却ガスを固定子鉄心の通風ダクトに内外径方向から流通させて冷却を行うタービン発電機や大型の電動機等の回転電機に対しては、適用は困難であった。即ち、特許文献１に開示の回転電機は、固定子鉄心をもオイルダクト内に収納して絶縁油に浸しているので、このような構成において固定子鉄心に通風ダクトを設けて内外径方向から絶縁冷却ガスを流通させることは絶縁油の漏洩管理が難しく、絶縁油と絶縁冷却ガスの併用による回転電機の絶縁性能の向上及び冷却効率の向上は困難であった。

本発明の目的は、絶縁油と絶縁冷却ガスの併用により絶縁性能及び冷却効率を向上す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、固定子鉄心に絶縁冷却ガスを内外径方向から流通させる通風ダクトを設けた回転電機において、固定子コイルの固定子鉄心に組込まれる直線部と固定子鉄心から張出したコイルエンド部との少なくとも一方を油容器で覆い、この油容器内に絶縁油を充填させるように構成したのである。

このように構成することで、仮に、固定子コイルの直線部が油容器で覆われている場合には、固定子コイルの直線部が固定子鉄心の通風ダクトに露出していても油容器で覆われているので、通風ダクトに絶縁油が漏洩することはなく、固定子コイルの絶縁確保を十分に行うことができると共に回転子へ対する絶縁冷却ガスの通風ダクト内の流通を妨げることはない。また、固定子コイルのコイルエンド部が油容器で覆われている場合には、固定子コイルの直線部は通風ダクトを流通する絶縁冷却ガスで直接冷却される。さらに、固定子コイルの直線部とコイルエンド部とが油容器で覆われている場合には、固定子コイル全体が絶縁油で浸漬されるので絶縁性能を向上することができると共に、回転子に対する絶縁冷却ガスの固定子鉄心に形成した通風ダクト内の流通を何等妨げることはないので、冷却効率を向上させることができる。

以上説明したように本発明によれば、絶縁油と絶縁冷却ガスの併用により絶縁性能及び冷却効率を向上す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の実施の形態を示すタービン発電機の縦断側面図。図１のＡ−Ａ線に沿う拡大面図。図１のＢ部の拡大図。図３のＣ−Ｃ線に沿う断面図。本発明による回転電機の第２の実施の形態を示すタービン発電機の縦断側面図。図５のＤ−Ｄ線に沿う拡大面図。図５のＥ部の拡大図。図７のＦ−Ｆ線に沿う断面図。

以下、本発明による回転電機の第１の実施の形態を、図１〜図４に示すタービン発電機に基づいて説明する。

本実施の形態によるタービン発電機１は、大きくは、回転軸２に支持された回転子３と、この回転子３の外周に空隙を介して設置された固定子４とで構成されている。

前記回転子３は、詳細は省略するが、回転軸２と一体に形成された回転子鉄心と、この回転子鉄心に巻装された回転子コイルとを有している。そして、前記回転軸２の回転子３の軸方向両側には軸流ファン５Ａ，５Ｂが支持されている。

前記固定子４は、電磁薄鋼板を積層した固定子鉄心６と、この固定子鉄心６の内径側に形成した巻線溝６Ｇ内に装着され楔６Ｗによって固定された固定子コイル７とを有する。また、固定子鉄心６の積層間には軸方向複数箇所に内外径に亘る通風ダクト（図示せず）を形成している。

前記固定子コイル７は、固定子鉄心６の巻線溝６Ｇ内に装着される直線部７Ａと、巻線溝６Ｇ外に延在するコイルエンド部７Ｂとから形成されている。固定子コイル７は、絶縁被覆された複数の素線導体７ａと、これら素線導体７ａを纏めて絶縁した絶縁層７ｂとで構成されている。このように構成された固定子コイル７の直線部７Ａは、前記巻線溝６Ｇの底部に敷設した下敷き８の上に複数の絶縁スペーサ９Ａ，９Ｂを介して装着され、前記楔６Ｗによって固定されている。

このように構成された固定子４は、その外周側を固定子枠１０によって支持され、この固定子枠１０は、その両側に端蓋となる側枠体１１Ａ，１１Ｂを取付け、この側枠体１１Ａ，１１Ｂに前記回転軸２を軸受（図示せず）を介して回転自在に支持している。

また、前記固定子枠１０には、絶縁冷却ガスを冷却するためのガス冷却装置１２Ａ，１２Ｂが支持されている。そして、これら固定子枠１０の外周には外気の侵入を阻止するハウジング（図示せず）が設けられ、このハウジングを前記側枠体１１Ａ，１１Ｂに連結することにより、密閉型のタービン発電機１を構成している。

上記構成とすることで、回転軸２の回転による軸流ファン５Ａ，５Ｂの作用により、内部の絶縁冷却ガス、例えば空気は、図１に矢印で示すように、回転子３の軸方向中央部に押し出されて回転子３を冷却し、その後、固定子４との空隙を介して固定子鉄心６に形成した通風ダクトを経由して固定子枠１０の外周側に排出され、そこからガス冷却装置１２Ａ，１２Ｂを経由することで冷却され、再び軸流ファン５Ａ，５Ｂによって回転子３側に供給される。

本実施の形態においては、さらに、固定子コイル７のコイルエンド部７Ｂを覆うように、環状の油容器１３が設けられ、この油容器１３内に絶縁油を充填させている。

前記油容器１３は、固定子鉄心６の軸方向端部に位置する押え板６Ｅに固定され環状に形成された内側油密壁１４と、この内側油密壁１４と間隔をおいて位置する環状に形成された外側油密壁１５と、これら内側油密壁１４と外側油密壁１５の外径側端と内径側端とを連結する筒状の外周油密壁１６と内周油密壁１７とで構成されている。

そして、前記内側油密壁１４は、前記固定子コイル７のコイルエンド部７Ｂが貫通する切欠き１４Ｇが形成されており、この切欠き１４Ｇとコイルエンド部７Ｂとの間にシール部材１８を充填し、さらに、内側油密壁１４と固定子鉄心６の端部の内径側６Ｉとの間にもシール部材１９を充填して油容器１３の気密性を確保している。

さらに、固定子鉄心６の両側から張出した左右のコイルエンド部７Ｂを覆う油容器１３の夫々の下部には油供給管２０Ａ，２０Ｂが接続されており、これらは夫々開閉弁Ｂ１，Ｂ２を備え、開閉弁Ｂ３を介して油供給装置２１に接続されている。また、油容器１３の夫々の上部には油供給管２２Ａ，２２Ｂが接続されており、これらは夫々開閉弁Ｂ４，Ｂ５を備え、開閉弁Ｂ６を介して真空排気装置２３に接続されている。

尚、コイルエンド部７Ｂの冷却効率の向上を考慮すると、外側油密壁１５と外周油密壁１６との外表面に冷却フィン２４Ａ，２４Ｂを設けて機内を循環する絶縁冷却ガスと積極的に熱交換させるようにすることが望ましい。この冷却フィン２４Ａ，２４Ｂは、外側油密壁１５と外周油密壁１６との内表面に亘って設けても良く、内表面のみに設けても良い。

以上のように構成した油容器１３に絶縁油を供給するに際し、開閉弁Ｂ１，Ｂ２を閉じた状態で、開閉弁Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６を開いて真空排気装置２３を作動させ、一旦、油容器１３内を真空或いは減圧して排気する。その後、開閉弁Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を開いて絶縁油を油供給装置２１から供給し、油面が油容器１３よりも高い位置になるまで供給する。そして、絶縁油の供給後、絶縁油の劣化を防止するために、真空排気装置２３に変えて不活性ガス供給装置（図示せず）に切換えて例えば窒素ガスを油供給管２２Ａ，２２Ｂを経由して充填し、開閉弁Ｂ１〜Ｂ６を閉じる。

このように、本実施の形態においては、コイルエンド部７Ｂが絶縁油によって満たされているので、コイルエンド部７Ｂの対地絶縁性能は向上し、さらに冷却効果も向上させることができる。

このほか、コイルエンド部７Ｂの対地絶縁性能の向上により、油容器１３の体積を小さくすることができるので、油容器１３に要求される機械的強度を低く設計することができる。

さらに、本実施の形態によれば、固定子全体を覆うオイルダクトが存在しないので、固定子鉄心６に形成した複数の通風ダクトには、回転子３側から絶縁冷却ガスを支障なく流通させることができるので、オイルダクトで固定子全体を覆う構成に比べて回転子３及び固定子４の冷却効果を向上させることができる。

次に、本発明による回転電機の第２の実施の形態を、図５〜図８に示すタービン発電機に基づいて説明する。尚、図５〜８において、図１〜図４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。

本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる第１点は、固定子コイル７の直線部７Ａにも絶縁油を充填させたのである。

即ち、固定子コイル７のコイルエンド部７Ｂを覆う油容器１３は基本的に第１の実施の形態と同じである。しかし、固定子コイル７の直線部７Ａにおける絶縁層７ｂは油浸紙など絶縁油を潤浸可能な絶縁材を用いて形成し、この絶縁層７ｂの外周に、筒状の油容器２５を形成し、この油容器２５内に絶縁油を充填したのである。

油容器２５としては、半導電性の材料を用いて絶縁層７ｂの外周を覆うか、絶縁材料を用いて絶縁層７ｂの外周を筒状に覆った上で、その外表面を半導電性材料で被覆して形成したのである。云い代えれば、絶縁層７ｂの外周にコロナシールド層を形成し、このコロナシールド層内に絶縁油を充填したのである。

尚、油容器２５は、必ずしもコロナシールド層を兼用しなくても良く、油容器２５の外周に改めてコロナシールド層を形成するようにしても良い。いずれにしても、油容器２５は充填した絶縁油が、油容器外に滲み出さないように絶縁材に樹脂を含浸或いは塗布した後、硬化させて筒状に形成したものを用いることが望ましい。

上記の如く本実施の形態においては、固定子コイル７の直線部７Ａ及びコイルエンド部７Ｂを内包する油容器１３，２５を構成し、当該油容器１３，２５に満たされた絶縁油によって固定子コイル７を浸して電気絶縁に供することにより、第１の実施の形態で得られる効果に加え、固定子コイル７の直線部７Ａにおいて絶縁層７ｂ内にも絶縁油が含浸されるので、絶縁層７ｂ形成時の樹脂含浸時に生じ易い残留ボイドによる初期絶縁不良や、マイカと樹脂の剥離等による絶縁性能の経年劣化の問題が減少される等、電気絶縁性能の向上を実現することができる。

ところで、本実施の形態では、素線導体７ａが中空に形成され、その内部に冷媒を流して内部から、固定子コイル７の冷却を行っている。

次に、本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる第２点は、絶縁油の圧力を油容器１３の外部に存在する絶縁冷却ガスの圧力より常に若干正圧とすると油圧調整手段を設けた点にある。

具体的に、絶縁冷却ガスとして大気圧程度の冷却空気をタービン発電機１の内部に循環させているタービン発電機を一例に説明する。このようなタービン発電機において、油容器１３の上部に接続された油供給管２２Ａ，２２Ｂの油容器１３と開閉弁Ｂ４，Ｂ５との間に、軸流ファン５Ａ，５Ｂの高圧側に開口する圧力配管２６を接続し、この圧力配管２６の途中に開閉弁Ｂ７，Ｂ８を設けて油圧調整手段を設けたのである。

このように構成することで、絶縁油を油容器１３に充填後、開閉弁Ｂ４，Ｂ５を閉じて開閉弁Ｂ７，Ｂ８を開くことで、タービン発電機１の運転時に、軸流ファン５Ａ，５Ｂの送風圧力により油容器１３内の絶縁油は加圧されると共に、絶縁油の自重に起因して圧力が増加する。例えば、絶縁油として比重１程度のものを用い、油容器１３の底部から油液面までの高さが２ｍである場合、油容器１３の底部での油圧は油液面の油圧より若干正圧（約０．２気圧）となる。

以上説明したように、本実施の形態によるタービン発電機１においては、油容器１３の内部の圧力は絶縁油注入の過程で外部の冷却空気の圧力より負圧となるが、その後、定常運転に至るまで常に外部の圧力よりも若干の正圧とすることができる。そして、タービン発電機１の運転を停止させても、開閉弁Ｂ７，Ｂ８が開いていることで、若干の正圧が維持される。したがって、油容器１３としては絶縁油充填時の負圧と若干の正圧に耐える機械強度とすれば良く、材料の選定や構造設計が容易になる。また、同様に油容器１３を構成するシール部についても材料選定や構造設計が容易になる。

また、本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる第３点は、油容器１３の下部の外部に隣接して配置され、当該油容器１３から漏れ出した絶縁油を受容する受け皿２７と、当該受け皿２７に溜まった絶縁油を排出する廃油配管２８と、前記油容器１３に絶縁油を補充する手段を有している構成である。

これらの構成により、油容器１３から絶縁油が漏れた際に受け皿２７に一旦溜まる様にし、所定量の絶縁油が溜まったら廃油配管２８に設けた開閉弁Ｂ９を開いて絶縁油を排出するとともに、開閉弁Ｂ４〜Ｂ６を適宜開いて油供給管２２Ａ，２２Ｂを経由して絶縁油を供給することができる。

このように、油容器１３から絶縁油が漏れることを許容できるため、油容器１３を構成する部材の材料選定や構造設計、製作を一層容易にできる効果がある。

本実施の形態の構成において、廃油配管２８と開閉弁Ｂ９とが本発明の油排出手段となり、絶縁油を供給する開閉弁Ｂ４〜Ｂ６と油供給管２２Ａ，２２Ｂとが本発明の油補充手段となる。

ところで以上の各実施の形態においては、固定子コイル７のコイルエンド部７Ｂの外周を油容器１３で覆ったもの、及び固定子コイル７の直線部７Ａとコイルエンド部７Ｂとを夫々油容器２６，１３で覆ったものを説明したが、固定子コイル７の直線部７Ａのみを油容器２６で覆ったものでも、上記実施の形態と同等の効果を奏することは云うまでもない。

以上の説明は回転電機としてタービン発電機を一例に説明したが、固定子鉄心に絶縁冷却ガスを内外径方向から流通させる通風ダクトを設けた回転電機であれば、発電機に限らず電動機にも適用することができるのは勿論である。

１…タービン発電機、２…回転軸、３…回転子、４…固定子、５Ａ，５Ｂ…軸流ファン、６…固定子鉄心、６Ｅ…押え板、６Ｇ…巻線溝、６Ｉ…内径側、６Ｗ…楔、７…固定子コイル、７Ａ…直線部、７Ｂ…コイルエンド部、７ａ…素線導体、７ｂ…絶縁層、８…下敷き、９Ａ，９Ｂ…絶縁スペーサ、１０…固定子枠、１１Ａ，１１Ｂ…側枠体、１２Ａ，１２Ｂ…ガス冷却装置、１３，２５…油容器、１４…内側油密壁、１４Ｇ…切欠き、１５…外側油密壁、１６…外周油密壁、１７…内周油密壁、１８，１９…シール部材、２０Ａ，２０Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ…油供給管、２１…油供給装置、２３…真空排気装置、２４Ａ，２４Ｂ…冷却フィン、２６…圧力配管、２７…受け皿、２８…廃油配管、Ｂ１〜Ｂ９…
開閉弁。

Claims

固定子鉄心に絶縁冷却ガスを内外径方向から流通させる通風ダクトを設けた回転電機において、前記固定子鉄心に形成した巻線溝内に装着された固定子コイルの直線部と固定子鉄心から張出したコイルエンド部との少なくともいずれか一方を油容器で覆い、この油容器内に絶縁油を充填させたことを特徴とする回転電機。
固定子鉄心に絶縁冷却ガスを内外径方向から流通させる通風ダクトを設けた回転電機において、前記固定子鉄心に形成した巻線溝内に装着された固定子コイルの直線部と固定子鉄心から張出したコイルエンド部とのうち少なくともコイルエンド部を油容器で覆い、この油容器内に絶縁油を充填させると共に、前記コイルエンド部を覆う油容器の下部には、油容器から漏洩した絶縁油を受容する受け皿を設置し、さらに、前記受け皿に溜まる油を排出する油排出手段と、前記油容器に絶縁油を補充する油補充手段とを設けたことを特徴とする回転電機。
固定子鉄心に絶縁冷却ガスを内外径方向から流通させる通風ダクトを設けた回転電機において、前記固定子鉄心に形成した巻線溝内に装着された固定子コイルの直線部と固定子鉄心から張出したコイルエンド部とのうち少なくともコイルエンド部を油容器で覆い、この油容器内に絶縁油を充填すると共に、この油容器内の絶縁油の圧力を調整する油圧調整手段を設けたことを特徴とする回転電機。
固定子鉄心に絶縁冷却ガスを内外径方向から流通させる通風ダクトを設けた回転電機において、前記固定子鉄心に形成した巻線溝内に装着された固定子コイルの直線部と固定子鉄心から張出したコイルエンド部とのうち少なくともコイルエンド部を油容器で覆い、この油容器内に絶縁油を充填すると共に、この油容器内の絶縁油の圧力を調整する油圧調整手段を設け、かつ、前記コイルエンド部を覆う油容器の下部には、油容器から漏洩した絶縁油を受容する受け皿を設置し、さらに、前記受け皿に溜まる油を排出する油排出手段と、前記油容器に絶縁油を補充する油補充手段とを設けたたことを特徴とする回転電機。
前記コイルエンド部を覆う前記油容器は、前記固定子鉄心の軸方向端部に位置する押え板に固定され環状に形成された内側油密壁と、この内側油密壁と間隔をおいて位置する環状に形成された外側油密壁と、これら内側油密壁と外側油密壁の外径側端と内径側端とを夫々連結する筒状の外周油密壁及び内周油密壁とで構成され、前記内側油密壁は、前記コイルエンド部が貫通する切欠きが形成されており、この切欠きとコイルエンド部との間にシール部材が充填されており、さらに、前記内側油密壁と前記固定子鉄心の端部の内径側との間にもシール部材が充填されていることを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の回転電機。
前記油容器は前記固定子コイルの直線部を覆い、前記固定子コイルの直線部における絶縁層の外周に絶縁材によって筒状に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記油容器は、コロナシールド層を兼用することを特徴とする請求項６記載の回転電機。
前記油圧調整手段は、絶縁油の圧力を油容器の外部に存在する絶縁冷却ガスの圧力よりも常に若干正圧とするものであることを特徴とする請求項３又は４記載の回転電機。