JP6147428B2 - 回転電機の回転子 - Google Patents

Description

この発明は、タービン発電機等に用いられる回転電機の回転子に関するものである。特に、回転電機の回転子の通風冷却性能の改善に関するものである。

回転電機の回転子では、出力を増加させると回転子の発熱量が増加し、温度が上昇してその結果、絶縁不良が発生する。このため、より大きな出力を得るには、回転子巻線の各ターンを構成する導体を効率良く冷却して、温度上昇を防ぎ、回転子巻線により多くの電流を流すことができるようにしている。すなわち、回転子巻線を冷却するために、回転子巻線の各導体の重ね方向に貫通する冷却用の通風孔を設け、その通風孔に空気や水素などの冷却ガスを直接流すようにしている(例えば特許文献１)。さらに、冷却ガスによる冷却効率を上げるために、冷却ガスの通風孔の壁面に、回転子の軸方向に平行なリブ状の突起を設け、径方向に流れる冷却ガスを壁面近傍において層流状態から乱流状態にして冷却用通風孔の内壁における放熱性能を向上させている（例えば特許文献２）。

特開昭５９−５３０６０号公報 特開２００１−８６６７９号公報

しかし、従来の装置では、回転子巻線の各導体の重ね方向に貫通する冷却用の通風孔の入口から出口を結ぶ冷却ガスの主流を対象として、乱流による通風抵抗と熱伝達の特性を検討することに留まっていた。
この発明は、回転子が回転運動している状態での冷却ガスの流れに着眼し、回転状態において生じる冷却ガスの二次流れと冷却ガスの主流との関係を考慮して、効率の良い冷却構造を提案するもので、回転電機の回転子の冷却性能を更に改善することによって、絶縁不良が発生しない回転電機の回転子を得ることを目的としている。

この発明に係る回転電機の回転子は、回転子に設けられ、回転軸方向に冷却ガスを通すチャンネルと、前記チャンネルに連通し、導体と層間絶縁層とが積層された回転子巻線に、前記導体と前記層間絶縁層を前記積層の方向に貫通して設けられ、冷却ガスを回転の径方向に通す回転子巻線通風孔とを備え、前記回転子巻線通風孔の前記回転軸方向の断面形状において、負圧側の内壁面を両端部から中央部にかけて傾斜を持たせると共に、前記中央部で傾斜のない形状としたものである。

この発明によれば、冷却ガスの径方向の主流と、回転子の回転運動に伴って生じる冷却ガスの軸方向の二次流れに対して、回転子巻線通風孔の前記回転軸方向の断面形状において、負圧側の内壁面を両端部から中央部にかけて傾斜を持たせると共に、前記中央部で傾斜のない形状とすることによって通風孔の負圧側表面の二次流れを抑制し、冷却ガスの主流の方向、すなわち、径方向の流れの速度を大きくすることができるため、回転子通風孔の負圧側表面の温度境界層が薄くなり、熱伝達が促進される。

回転電機の回転子の断面図である。 回転電機の回転子軸の軸心を通る面で切断した回転子の要部断面図である。 この発明の実施の形態１の回転子巻線を示す部分破断した斜視図である。 この発明の実施の形態１の回転子の一部を取り出した斜視図である。 この発明の実施の形態１による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。 比較のための従来の通風孔の断面形状を示す平面図である。 この発明の実施の形態２による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。 この発明の実施の形態３による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。 この発明の実施の形態４による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。

実施の形態１
この発明の実施の形態１による回転電機の回転子について、図１、図２、図３及び図４に基づいて説明する。
図１は、回転電機の回転子１０の断面図で、図２は、図１中のＡ-Ａ線における回転子軸１の軸心を通る面で切断した回転子の要部断面図で、図３は、この発明の回転子１０に使用される回転子巻線２の１層を示す部分破断した斜視図である。図４は、回転子１０の一部を取り出した斜視図である。

回転子１０は、固定子（図示せず）内に軸受(図示せず)によって支持されており、回転子１０には、回転子軸１を取り囲むように複数の回転子溝３が設けられ、この回転子溝３の内部に回転子巻線２が固定されている。回転子巻線２は、断面の形状が矩形である導体４が多層に巻回されて構成されており、この多層に巻回された導体４の各層の間には層間絶縁層５が配設されて導体４の各層を電気的に絶縁している。
回転子１０が回転すると回転子巻線２に遠心力が生じるが、回転子楔７が回転子巻線２を支えている。回転子巻線２と回転子楔７との間には絶縁物８が設けられている。

この回転子１０には、チャンネル９が設けられている。このチャンネル９は回転子溝３の底部に設けられて冷却ガスを軸方向に流す通路を構成している。
回転子巻線２には回転子巻線通風孔２０が設けられ、絶縁物８にも回転子巻線通風孔２０と同軸的に設けられた絶縁物通風孔が設けられ、回転子楔７にも同様に設けられた回転子楔通風孔が設けられている。これらの回転子巻線通風孔２０、絶縁物通風孔および回転子楔通風孔は径方向に連通されて径方向通風孔を構成している。空隙部１３は回転子と固定子（図示せず）との間のことである。なお、図２中の矢印Ｇは冷却ガスの流れを示している。

つぎに、回転電機の回転子の動作について説明する。回転子巻線２に外部電源（図示せず）により界磁電流が通電されると、回転子巻線２に磁界が発生する。この状態で回転子１０にタービン（図示せず）等からの回転力が伝えられると、回転子１０は回転子巻線２とともに一定速度で回転する。そこで、所定の向きに磁界を発生しつつ回転する回転子１０によって、この回転子１０の外方に設けられた固定子側に交流電力が発生する。

このとき、回転子巻線２には界磁電流が通電されることによって、巻線の電気抵抗によるジュール損が発生し発熱する。この発熱により、回転子巻線２およびそれに近接する層間絶縁層５をはじめとする各絶縁物の温度が上昇する。そして、回転子巻線２および各絶縁物の温度が所定の温度以上に上昇するようなことが起こると、それらの絶縁機能が劣化し、所定の絶縁機能を失い、その結果、回転子軸１と回転子巻線２とが電気的に短絡して回転電機としての機能を失う恐れがある。そこで、回転電機の回転子では、チャンネル９を介して各回転子巻線通風孔２０に冷却ガスを流通させて回転子巻線２を冷却するようにしている。

冷却ガスは、回転子１０の軸方向端部からチャンネル９に供給された後、チャンネル９内を回転子軸１の軸方向に流通し、該軸方向に一定の間隔毎に設けられた各径方向通風孔に分岐される。そして、各回転子巻線通風孔２０に導かれた冷却ガスは、回転子巻線通風孔２０の中を回転子巻線２の導体４および層間絶縁層５を冷却しつつ径方向に流通し、絶縁物８の通風孔を通って、絶縁物８を冷却しつつ径方向に流通し、その後、回転子楔７の通風孔を通って、回転子楔７を冷却しつつ径方向に流通し、空隙部１３に排出される。

回転子巻線２の温度は、径方向通風孔を流れる冷却ガスの通風量、風速あるいはその冷却ガスに接触する回転子巻線２の表面積に依存する。一般的に回転電機の回転子においては、これらの通風孔は、回転子軸１の軸方向に等間隔に配置され、また、径方向通風孔を構成する回転子巻線通風孔２０、絶縁物通風孔および回転子楔通風孔の形状および寸法は同一に構成されている。

図３に示すように、導体４および層間絶縁層５にスリットが設けられており、そのスリットが径方向に連通するように導体４及び層間絶縁層５を積層して回転子巻線２が構成されている。これらの回転子巻線通風孔２０は２個１組で回転子軸１の軸方向に一定間隔毎に形成されている。なお、絶縁物８および回転子楔７にも、回転子巻線通風孔２０と同軸的に絶縁物通風孔および回転子楔通風孔が形成されている。そして、回転子巻線通風孔２０、絶縁物通風孔および回転子楔通風孔が径方向に連なって設けられて径方向通風孔が構成されている。

ここで、回転子巻線通風孔２０の内部における冷却ガスの流れについて説明する。冷却ガスが回転子１０の軸方向端部よりチャンネル９に供給される。そして、冷却ガスは、チャンネル９内を回転子軸１の軸方向に流通し、その軸方向に一定の間隔毎に設けられた回転子巻線通風孔２０に分岐される。回転子巻線通風孔２０に導かれた冷却ガスは、回転子巻線２を冷却した後、絶縁物通風孔中を、絶縁物８を冷却しつつ径方向外方に流通し、その後回転子楔通風孔中を、回転子楔７を冷却しつつ径方向外方に流通し、空隙部１３に排出される。この際、回転子巻線通風孔２０内の流体にはコリオリ力が作用するため、回転子巻線通風孔２０内の中央部には、負圧側から正圧側への二次流れが発生する。これにより、回転子巻線通風孔２０内の中央部の負圧側は、流れ方向の速度が小さくなり、通風孔表面の温度境界層が厚くなり、伝熱性能が低下することになる。

図５は、本発明の実施の形態１による回転電機の回転子１０における回転子巻線通風孔２０の平面図であって、回転子巻線通風孔２０における冷却ガスの二次流れの状態を模式的に表している。
この実施の形態１では、図に示すように、回転子巻線通風孔２０の壁面の負圧側に主流の方向に延びる線状の隆起２１を、開口の中心に対して対称の位置に間隔をあけて二か所形成している。このような構成によれば、隆起２１に囲まれた領域においては、隆起２１によって、負圧側表面の二次流れが抑制されるため、冷却ガスの径方向の流れの速度、すなわち、主流方向の速度が大きくなる。これにより、回転子巻線通風孔２０の負圧側表面の温度境界層が薄くなり、伝熱が促進される。この伝熱性能の向上により、回転子巻線２の発熱が効率的に除熱され、回転子巻線２の温度を低く保つことが可能となり、絶縁物の絶縁劣化が抑えられる。

これに対して、図６に比較例を示す。従来の通風孔の断面形状では、回転子巻線通風孔２０に導かれた冷却ガスは、回転子巻線通風孔２０の中央部において、負圧側から正圧側への二次流れが発生する。これによって、主流の流れ方向の速度が低下するため、伝熱性能が低下することになる。

したがって、図５に示すように、通風孔表面の負圧側に主流の流れ方向に延びた隆起２１を、間隔をあけて形成することで、２次流れの速度が低下するため、主流の流れ方向の速度を低下させることがなくなる。このことによって、回転子巻線２の冷却性能が向上するため、回転電機の出力を増加させても、絶縁不良が発生せず、回転子軸１と回転子巻線２との短絡事故の発生を防止することができる。

なお、以上の説明においては、発明を適用する部分として、冷却ガスを流す通風孔を回転子巻線通風孔２０として説明したが、回転子巻線通風孔２０だけでなく、絶縁物通風孔および回転子楔通風孔の全てを対象としてもよい。しかし、回転子を構成する部品の加工の手間からすると、回転子巻線通風孔２０だけにこの発明を適用することにも産業上の効果がある。

また、回転子巻線通風孔２０の壁面の負圧側に主流の方向に延びる線状の隆起２１を、開口の中心に対して対称の位置に間隔をあけて二か所形成したものを一例として説明したが、必ずしも対称の位置でなくても良く、二次流れに対して薄い乱流層を形成するものであれば、その冷却ガスの径方向の流れと、回転子の回転速度のシミュレーションによって求められる適正な隆起線を配置することによって伝熱効率の最適化を図ることができる。

実施の形態２
図７は、この発明の実施の形態２による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。回転子巻線通風孔２０の内壁面の負圧側に隆起を形成する場合、図５においては、隆起の形状を両側になだらかな、断面が二等辺三角形の形状としたが、図７に示すような段差が生じるような、断面が三角形形状としてもよい。隆起に囲まれた領域においては同様に二次流れが抑制されるため、同様の効果が得られる。

実施の形態３
図８は、この発明の実施の形態３による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。回転子巻線通風孔２０の両端の幅を中央部の幅より負圧側に拡大した形状としている。このように、回転子巻線通風孔２０の内壁面の負圧側を両端部から中央部にかけて傾斜を持たせ、中央部分で傾斜のない形状としている。すなわち、内壁面の所定部分にわずかな形状の変化を形成し、この形状の変化部分によって、回転子巻線通風孔２０の負圧側の中央部の二次流れが抑制される。これにより、回転子通風孔の負圧側表面の流れ方向、すなわち、径方向の速度が大きくなるため、温度境界層が薄くなり、伝熱が促進される。このようにして、回転子巻線２の発熱が効率的に除熱され、回転子巻線２の温度を低く保つことが可能となり、絶縁物の絶縁劣化が抑えられる。

実施の形態４
図９は、この発明の実施の形態４による回転子の通風孔の断面形状を示す平面図である。図８では、回転子巻線通風孔２０の正圧側の面は、回転方向に対して垂直となっているが、図９に示す構造では、正圧側の内壁面を前記負圧側の内壁面と同様に傾斜させて平行としたものである。負圧側の壁面の傾斜の変化している領域においては、冷却ガスの径方向の主流に対して、回転子巻線通風孔２０の負圧側表面の二次流れが抑制されるため、同様の効果が得られる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

Claims (3)

1. 回転子に設けられ、回転軸方向に冷却ガスを通すチャンネルと、前記チャンネルに連通し、導体と層間絶縁層とが積層された回転子巻線に、前記導体と前記層間絶縁層を前記積層の方向に貫通して設けられ、前記冷却ガスを回転の径方向に通す回転子巻線通風孔とを備え、前記回転子巻線通風孔の前記回転軸方向の断面形状において、負圧側の内壁面を両端部から中央部にかけて傾斜を持たせると共に、前記中央部で傾斜のない形状としたことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記回転子巻線通風孔の前記断面形状の両端部の幅を中央部の幅より負圧側に拡大した形状としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記回転子巻線通風孔の前記断面形状を、正圧側の内壁面を前記負圧側の内壁面と同様に傾斜させて平行としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。

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