JP6246388B2 - 回転電機 - Google Patents

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。

従来の回転電機は、ファンの吸気側に設けられた空間Ａ→ファンの周囲を囲む空間Ｂ→ガス冷却器室→ガス冷却器→固定子コイルエンドを含む空間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→固定子の外周とケーシングとの間の空間Ｄ→空間Ａ、の順に冷却ガスが循環する構造で、ガス冷却器が回転電機の側面に４台設置されている（例えば、特許文献１）。

特許第５３８８９６１号公報（段落［００１３］〜［００１５］、図２、図３）

特許文献１開示の回転電機の構造は、回転電機全体が幅方向に大きくなり、広い設置面積を必要とする。このため、設置の自由度が低くなるという問題がある。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、固定子コイルエンドの冷却性を悪化させずに、設置面積を小さくし、設置の自由度を高めることができる回転電機を提供す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固定子コイルの両端部の固定子コイルエンドとを有する固定子と、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、回転軸の両端部付近に装着され、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ケーシングの上部に設けられたガス冷却器室に収容されケーシングの開口部の近傍に設置さ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→ガス冷却器室→ガス冷却器→固定子コイルエンドを含む空間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→固定子の外周とケーシングとの間の空間Ｄ→空間Ａと循環するガス循環経路が形成され、ガス冷却器が各固定子コイルエンドの上部に各１台設置され、固定子コイルエンドの両側に、空間Ｃと、空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスのガス通路とを仕切る仕切壁を設けているものである。

この発明に係る回転電機によれば、固定子コイルエンドが位置するケーシングの上部に設けられたガス冷却器室に収容されケーシングの開口部の近傍に設置されたガス冷却器を備え、ファンの吸気側に設けられた空間Ａ→ファンの周囲を囲む空間Ｂ→ガス冷却器室→ガス冷却器→固定子コイルエンドを含む空間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→固定子の外周とケーシングとの間の空間Ｄ→空間Ａと冷却ガスが循環するガス循環経路が形成され、ガス冷却器が各固定子コイルエンドの上部に各１台設置され、固定子コイルエンドの両側に、空間Ｃと、空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスのガス通路とを仕切る仕切壁を設けているため、固定子コイルエンドの冷却性を悪化させず、回転電機の設置面積を小さくし、設置の自由度を高めることができる。

この発明の実施の形態１の回転電機に係る側面断面図である。 この発明の実施の形態１の回転電機に係る正面断面図である。 この発明の実施の形態１の回転電機に係る平面断面図である。 この発明の実施の形態２の回転電機に係る側面断面図である。 この発明の実施の形態２の回転電機に係る正面断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、ケーシングの上面に設けたガス冷却室内にガス冷却器を各１台設置し、ケーシングの開口部を固定子コイルエンドの真上に設け、固定子コイルエンド部を囲む空間（空間Ｃ）と、固定子外周とケーシングとの間の空間（空間Ｄ）からファンの吸気側空間（空間Ａ）へと向かう冷却ガスの通路とを仕切る仕切壁を設けて、冷却ガスの通路を確保した回転電機に関するものである。

以下、本願発明の実施の形態１に係る回転電機１の構成、動作について、回転電機の側面断面図である図１、回転電機の正面断面図である図２、および回転電機の平面断面図である図３に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の回転電機１を側面から見た断面図であり、回転子の中心軸を通る垂直面の断面図を示している。
図２は、回転電機１の正面断面図であり、図１のＩ−Ｉから見た断面図である。
図３は、回転電機１を上面から見た断面図であり、回転子の中心軸を通る水平面の断面図を示している。

以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。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想定して説明する。
回転電機１は、冷却ガスが封入されたケーシング２内に配設された固定子３と、固定子３の内周側に所定の間隙を介して設置された回転子４と、ケーシング２内に冷却ガスを循環させるファン１２と、冷却ガスを冷却するガス冷却器１４とを備えている。以下これらを順に説明する。

固定子３は、軸方向に積層された磁性鋼板からなる固定子鉄心５と、固定子鉄心５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６とを有し、固定子鉄心５には、軸方向に所定の間隔で、冷却ガスを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６の両端側の固定子コイルエンド７の一方（図では左方）の下部側にはメインリード（図示せず）が接続され、ケーシング２の外部に引き出されている。メインリードは、発電された電力を固定子コイル６から取り出す導体である。

一方、回転子４は、固定子３の内周部に所定の間隙１１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４は、回転軸８と、回転軸８に装着された回転子鉄心９と、回転子鉄心９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８の両端部が軸受１０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８の両端部近傍で軸受１０より内側に、ファン１２が装着されている。ファン１２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２内に充填されている冷却ガスを、ケーシング２内に循環させるためのものである。本実施の形態１では、回転子コイルがある本体部の反対側（軸受１０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７が位置する部分近傍の、ケーシング２の上面には、水冷式のガス冷却器１４が取り付けられている。
図１に示すように、ガス冷却器１４は、ケーシング２の上面に設けられた密閉されたガス冷却器室１３に収容されて、ケーシング２の上面の開口部１５の近傍に設置されており、後述する冷却ガスのガス循環通路内に設置されている。ガス冷却器１４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。

次に、ガス冷却器１４のケーシング２への設置および固定子コイルエンド７の機能について、説明する。
冷却ガスがガス冷却器１４から後述する固定子コイルエンド７部を囲む空間（空間Ｃ）へ向かう通路としてのケーシング２の開口部１５を、固定子コイルエンド７の真上に設ける。固定子コイルエンド７はコイルが網目状に配置されており、そこを冷却ガスが通過するとき、抵抗になる。したがって冷却ガスは固定子コイルエンド７の１ケ所のみを集中して流れることなく、まず固定子コイルエンド７の周囲を流れてから、固定子コイルエンド７の全方向から内側へ流れようとする。これにより固定子コイルエンド７の一部のみが冷却されることを防ぐことができる。
もし、ガス冷却器１４からの冷却ガスが通過する開口部１５と固定子コイルエンド７が軸方向にずれていると、冷却ガスは遮るものがなく、固定子３と回転子４との間隙１１に直接流れ込み、固定子コイルエンド７の一部しか冷却されない。
しかし、ガス冷却器１４からの冷却ガスが通過する開口部１５と固定子コイルエンド７が軸方向にずれがないと、冷却ガスは固定子コイルエンド７を貫通して流れにくく、冷却ガスは分散する。このため、固定子コイルエンド７は均一に冷却される。

冷却ガスをケーシング２内に効率よく循環させるために、ケーシング２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１２の部分から、冷却ガスの流れに従って説明する。
ファン１２の軸受１０側を仕切板で仕切り、この仕切板とケーシング２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。）がファン１２の吸気側空間となる。ファン１２の回転子本体側にも仕切板が設けられ、ファン１２の周囲を囲む空間Ｂが形成されている。空間Ｂの上方、ケーシング２の上面には、ケーシング２に開口部が形成されており、ガス冷却器室１３に連通している。ガス冷却器１４は、ケーシング２上面の開口部１５の近傍に設置されているので、冷却ガスはガス冷却器室１３からガス冷却器１４を通過して固定子コイルエンド７側に送出される。
上記のように、ファン１２からの冷却ガスは、先ずガス冷却器１４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１４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７側へ送出している。

固定子コイルエンド７部は、外周部を仕切って固定子コイルエンド７部を囲む空間Ｃが形成されている。空間Ｃに流入した冷却ガスは、回転子４の内部に形成された図示しないガス通路と、固定子３内径部と回転子４外径部との間の間隙１１とに流入し、固定子３の図示しないガス通路を通過して径方向に抜け、固定子３外周とケーシング２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２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１２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、空間Ｃと、空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスの通路とを仕切る仕切壁１７について説明する。
固定子コイルエンド７の両側に、空間Ｃと空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスの通路とを仕切る仕切壁１７が設けられている。この仕切壁１７の位置は、仕切壁１７の外側は空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスの通路１６が十分に確保され、仕切壁１７の内側は、ガス冷却器１４から来た冷却ガスが固定子コイルエンド７の外周を沿って下側に流れる通路が十分に確保されている。さらに、仕切壁１７と固定子コイルエンド７との絶縁距離が確保されている。

上記のように、ガス循環通路は、回転子４が回転することでファン１２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→ガス冷却器室１３→ガス冷却器１４（ここで冷却ガスが冷却される）→開口部１５→空間Ｃ→間隙１１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、空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスの通路１６を通り、空間Ａに帰還する。

実施の形態１の回転電機１では、ガス冷却器１４が固定子コイルエンド７の上部でケーシング２の上面に各１台設置されており、ケーシング２の幅が従来の構造に比べ狭くなっている。
単純にこのような構成にしたのでは、固定子コイルエンドのガス冷却器出口周辺のみが冷却され、固定子コイルエンドのガス冷却器から離れたところでは、十分に冷却されないという問題がおこる。実施の形態１の発明は、このような問題を解決したうえで、回転電機の設置面積を小さくするものである。

ガス冷却器１４を出た冷却ガスが開口部１５を通過して空間Ｃに侵入して固定子コイルエンド７を冷却するが、開口部１５は固定子コイルエンド７の真上に設けられているため、冷却ガスは固定子コイルエンド７の外周側を流れ、固定子コイルエンド７の全方向から内側へ流れようとする。これにより固定子コイルエンド７の一部のみが冷却されることを防ぐことができる。
さらに、空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスの通路と空間Ｃとの間を、冷却ガスの通路を仕切る仕切壁１７が仕切っており、この仕切壁１７と固定子コイルエンド７との間には絶縁距離が確保されている。これにより、空間Ｄから空間Ａへガスが流れる通路が確保されている。

以上説明したように、実施の形態１の回転電機は、ケーシングの上面に設けたガス冷却室内にガス冷却器を各１台設置し、ケーシングの開口部を固定子コイルエンドの真上に設け、固定子コイルエンド部を囲む空間（空間Ｃ）と、固定子外周とケーシングとの間の空間（空間Ｄ）からファンの吸気側空間（空間Ａ）へと向かう冷却ガスの通路とを仕切る仕切壁を設けて、冷却ガスの通路を確保したものである。したがって、固定子コイルエンドの冷却性を悪化させず、回転電機の設置面積を小さくすることができる。

実施の形態１の回転電機は、設置面積を小さくすることができるため、装置を小型化でき、ガス冷却器台数を削減できるため、省エネルギーおよび耐久性の向上の効果がある。

実施の形態２．
実施の形態２の回転電機は、固定子コイルエンド部を囲む空間内の開口部の下に案内板を設置して、ガス冷却器から固定子コイルエンド部への冷却ガスの流れを分散させる構造としたものである。

以下、実施の形態２に係る回転電機の構成、動作について、回転電機の側面断面図である図４、および回転電機の正面断面図である図５に基づいて実施の形態１との差異を中心に説明する。
図４、５において、実施の形態１の図１、２と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。

図４は、本発明の実施の形態２の回転電機１００を側面から見た断面図であり、回転子の中心軸を通る垂直面の断面図を示している。
図５は、回転電機１００の正面断面図であり、図４のＩ−Ｉから見た断面図である。
回転電機１００を上面から見た断面図は、実施の形態１の図３と同じであるため省略している。

この発明の実施の形態２の回転電機１００と実施の形態１の回転電機１との差異は、固定子コイルエンド部を囲む空間（空間Ｃ）内で開口部１５の下に案内板２１を設けたことである。

図４、図５において、冷却ガスがガス冷却器１４から空間Ｃへ向かう通路の開口部１５の下流側に、冷却ガスが複数の方向に向かって流れるように案内板２１が設けられている。
図４では、案内板２１は、空間Ｃと空間Ｄを仕切るフレーム中枠板２２にボルトまたは溶接で固定した例を示している。
案内板２１は、冷却ガスが複数の方向に向かって流れるように、開口部１５の開口面に対して傾斜角度を有している。案内板２１の形状および傾斜角度は、ガス冷却器１４の容量や固定子コイルエンド７部の形状などを考慮して、決定される。

実施の形態１で説明したように、ガス冷却器１４の出口と固定子コイルエンド７が軸方向にずれていると、冷却ガスは遮るものがなく、固定子３と回転子４との間隙１１に流れ込み、固定子コイルエンド７の一部しか冷却されない。
このように、ガス冷却器１４の出口と固定子コイルエンド７が軸方向にずれがある場合でも、案内板２１を設置することで、冷却ガスは複数の方向に向かって流れて分散され、固定子コイルエンド７は均一に冷却される。

なお、ガス冷却器１４の出口と固定子コイルエンド７が軸方向に一致している場合は、案内板２１を設置することで、冷却ガスはさらに分散され、固定子コイルエンド７はより均一に冷却される。

実施の形態２の回転電機１００のガス循環通路は、以下のようになる。回転子４が回転することでファン１２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→ガス冷却器室１３→ガス冷却器１４→開口部１５→案内板２１→空間Ｃ→間隙１１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、空間Ｄから空間Ａへと向かう冷却ガスの通路１６を通り、空間Ａに帰還する。

以上説明したように、実施の形態２の回転電機は、固定子コイルエンド部を囲む空間内の開口部の下に案内板を設けて、ガス冷却器から固定子コイルエンド部への冷却ガスの流れを分散させる構造としたものである。したがって、固定子コイルエンドの冷却性を悪化させず、回転電機の設置面積を小さくすることができる。
また、実施の形態２の回転電機は、固定子コイルエンドの冷却性をさらに向上させることができる。

なお、本発明は、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、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。

この発明は、固定子コイルエンドの冷却性を悪化させず、設置面積を小さくすることができる回転電機に関するものであり、タービン発電機等に広く適用できる。

Claims (5)

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前記固定子コイルの両端部の固定子コイルエンドとを有する固定子と、
   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付近に装着され、前記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、
   前記固定子コイルエンドが位置する前記ケーシングの上部に設けられたガス冷却器室に収容され前記ケーシングの開口部の近傍に設置さ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→前記ガス冷却器室→前記ガス冷却器→前記固定子コイルエンドを含む空間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→前記固定子の外周と前記ケーシングとの間の空間Ｄ→前記空間Ａと循環するガス循環経路が形成され、
   前記ガス冷却器が前記各固定子コイルエンドの上部に各１台設置され、
   前記固定子コイルエンドの両側に、前記空間Ｃと、前記空間Ｄから前記空間Ａへと向かう前記冷却ガスのガス通路とを仕切る仕切壁を設けた回転電機。
2. 前記冷却ガスが前記ガス冷却器から前記空間Ｃへ向かう経路に設けられた前記ケーシングの前記開口部が、前記固定子コイルエンドの真上に設けられている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ガス冷却器から前記空間Ｃへのガス通路において、前記ケーシングの前記開口部の下流側に、前記冷却ガスを複数の方向に向かって流すために前記開口部の開口面に対して傾斜角度を有する案内板を設けた請求項１に記載の回転電機。
4. 前記ガス冷却器から前記空間Ｃへのガス通路において、前記ケーシングの前記開口部の下流側に、前記冷却ガスを複数の方向に向かって流すために前記開口部の開口面に対して傾斜角度を有する案内板を設けた請求項２に記載の回転電機。
5. 前記仕切壁の外側は前記空間Ｄから前記空間Ａへと向かう前記冷却ガスのガス通路を確保し、前記仕切壁の内側は前記ガス冷却器から流出された前記冷却ガスが前記固定子コイルエンドの外周を沿って下側に流れるガス通路を確保し、かつ、前記固定子コイルエンドとの絶縁距離を確保する位置に前記仕切壁を設けた請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。

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