JP6612102B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、タービン発電機などの回転電機に関し、より詳細には、固定子のコイルエンドを冷却する回転電機に関する。

タービン発電機などの回転電機では、固定子と回転子が電磁気的及び機械的な要因で発熱する。この発生した熱を除去するために、空気や水素等の冷却ガスが使用される。

図１は、タービン発電機の全体構成の例を示す図である。図１に示したタービン発電機では、固定子１と回転子２に設けた通風流路に冷却ガスを流すことで、固定子１と回転子２に発生した熱を除去する。

タービン発電機は、電磁誘導により電流を発生する円筒形の固定子１と、固定子の内径側に設置され界磁磁束を発生しながら回転する回転子２とを備える。回転子２は、回転軸１４の周りに回転する。以下では、回転軸１４に平行な方向を「軸方向」と称し、軸方向に垂直な方向を「径方向」と称する。この「軸方向」は、円筒形の固定子１の軸方向と一致する。

固定子１は、積層鋼板からなる固定子鉄心３と、固定子鉄心３に巻かれた固定子コイル４とを備える。固定子コイル４の、固定子鉄心３の外に突出した部分は、コイルエンド１２と呼ばれる。固定子鉄心３の軸方向の端部には、固定子鉄心３を押さえる固定子鉄心押さえ部材５が設置される。固定子１は、固定子鉄心押さえ部材５で締め付けられて固定され、固定子フレーム１５で覆われる。

回転子２は、回転子鉄心６と、回転子鉄心６に挿入された回転子コイル７と、回転子鉄心６の外に突出した回転子コイル７の端部の外周を覆う保持リング８とを備える。

固定子１と回転子２で電磁気的及び機械的な要因により発生した熱を除去し、固定子１と回転子２の温度が過度に高くなることを防止するために、送風ファン９が回転子２の軸方向の端部に設置される。送風ファン９は、空気や水素等の冷却ガス１０を送風する送風装置であり、冷却ガス１０を固定子フレーム１５内に流し、回転電機内の各部を冷却する。回転電機内を通過して高温化した冷却ガス１０は、クーラ１１で除熱され、再び送風ファン９に送られる。高温化した冷却ガス１０は、外部に排気されることもある。

図２は、コイルエンド１２の概略構造図である。図３は、固定子１の径方向外側から見たコイルエンド１２の概略展開図である。固定子コイル４は、上コイル１０１と底コイル１０２とからなる。コイルエンド１２では、上コイル１０１と底コイル１０２は、互いに対向するインボリュート形状を形成し、互いに接続する。コイルエンド１２の上コイル１０１と底コイル１０２とが互いに接続する部分を、シリース接続部１３と呼ぶ。シリース接続部１３は、全体が絶縁性キャップ２０１で覆われている。

図４は、固定子コイル４の断面図であり、上コイル１０１と底コイル１０２の断面を示している。上コイル１０１と底コイル１０２は、素線絶縁材１０４で被覆された素線１０３が複数束ねられて形成され、さらに、束ねられた素線１０３の全体が主絶縁材１０５で覆われた構造を有する。

シリース接続部１３では、上コイル１０１と底コイル１０２との電気的接続性を良くするために、固定子コイル４から素線絶縁材１０４と主絶縁材１０５とが全て剥され、素線１０３がむき出しとなっている。シリース接続部１３における固定子コイル４の素線１０３がむき出しとなった部分（素線絶縁材１０４と主絶縁材１０５とが剥された部分）を、コイル裸部と呼ぶ。

図５は、シリース接続部１３におけるコイル裸部の断面図である。上コイル１０１と底コイル１０２は、シリース接続部１３では、素線１０３がむき出しとなったコイル裸部１０６となっている。上コイル１０１と底コイル１０２の端部は、どちらもコイル裸部１０６であり、接続板２０２によって互いに接続される。接続板２０２は、径方向に延伸する導電性の板状部材である。接続板２０２により、上コイル１０１と底コイル１０２は、互いに電気的に接続される。なお、図５では上コイル１０１と底コイル１０２の両側面に接続板２０２を配置して２枚の接続板２０２を用いているが、上コイル１０１と底コイル１０２の一側面だけに１枚の接続板２０２を配置してもよい。

図２、３に示したように、シリース接続部１３は、絶縁性キャップ２０１で覆われている。絶縁性キャップ２０１は、電気絶縁性の覆いであり、シリース接続部１３のコイル裸部１０６と接続板２０２の全体を覆い、隣り合うシリース接続部１３との間で気中放電や沿面放電を防止する。絶縁性キャップ２０１の内部には、電気絶縁性物質（例えば、絶縁性コンパウンド）が隙間なく充填され、コイル裸部１０６での短絡や放電が防止される。シリース接続部１３は、絶縁性コンパウンドが充填されたこのような絶縁性キャップ２０１により絶縁保護される。

このような構造のコイルエンド１２を冷却するための技術として、例えば、特許文献１〜３に記載の技術がある。特許文献１には、クーラから出た冷却ガスがコイルエンドを通過するように配置された案内板を備える回転電機が記載されている。特許文献２には、送風ファンを出た冷却ガスがコイルエンドを通過してクーラに短絡するための通気孔を備える回転電機が記載されている。両文献とも、コイルエンドの表面近傍で風速を増大（熱伝達率を増大）させて冷却性能を向上させる構造を開示している。特許文献３には、絶縁性キャップの内部に主に径方向の通風路を設けて冷却ガスを流すことでコイル温度を下げる電気機械が記載されている。

近年では、タービン発電機の小型化と大容量化が求められ、コイルに流れる電流（コイルでのジュール発熱）がさらに増大する傾向にある。このため、コイルエンド１２をより一層効率的に冷却する必要がある。

しかし、特許文献１、２に記載の風速を増大する技術では、シリース接続部１３では絶縁性キャップ２０１や絶縁性コンパウンドといった構造体の熱抵抗が大きいので、この構造体の熱抵抗のためにコイルエンド１２の温度を十分に低減できなくなってきている。また、特許文献３に記載の技術は、コイル素線の間に通風路を設ける加工が必要であるため、コストが増大する要因となりうる。

特開２０１３−３４３３２号公報 特開２０１３−１７６２３５号公報 特開平１０−２４３６０８号公報

本発明は、固定子が通風により冷却され、固定子のコイルエンドが冷却性能に優れたシリース接続部を備える回転電機を提供することを目的とする。

本発明による回転電機は、次のような特徴を備える。上コイルと底コイルとからなる固定子コイルと固定子鉄心とを備える円筒形の固定子と、前記固定子の内径側に設置された回転子と、前記固定子コイルのコイルエンドで前記上コイルと前記底コイルとが互いに接続する部分であるシリース接続部を覆う電気絶縁性の覆いと、冷却ガスを送風する送風装置とを備える。前記覆いは、前記固定子の軸方向の両端部に開口部を備える。前記覆いの内部で前記上コイルと前記底コイルとの間には、隙間が形成されている。前記覆いの内部には、前記開口部と前記隙間とにより、前記軸方向に延伸し前記冷却ガスが流れる空洞である冷却流路が形成されている。

本発明により、固定子が通風により冷却され、固定子のコイルエンドが冷却性能に優れたシリース接続部を備える回転電機を提供することができる。

タービン発電機の全体構成の例を示す図である。 固定子のコイルエンドの概略構造図である。 固定子の径方向外側から見たコイルエンドの概略展開図である。 固定子コイルの断面図である。 シリース接続部におけるコイル裸部の断面図である。 本発明の実施例１による回転電機の、シリース接続部とその付近を示す図である。 実施例１において、図６の矢印Ａの方向から見たシリース接続部とその付近の縦断面図である。 実施例２において、図６の矢印Ａの方向から見たシリース接続部とその付近の縦断面図である。

本発明による回転電機は、例えばタービン発電機等の回転電機に用いることができ、通風により冷却される固定子を備える。固定子のコイルエンドは、通風により冷却され、気中放電や沿面放電の発生を防止する絶縁性キャップで覆われたシリース接続部を備える。絶縁性キャップは冷却ガスが流れる冷却流路を内部に備えるので、絶縁性キャップの内部に冷却ガスを供給することができる。このため、シリース接続部は、冷却性能に優れ、効率的に冷却することができる。

以下、本発明の実施例による回転電機を、図面を用いて説明する。以下では、本発明の回転電機をタービン発電機に適用した実施例を説明する。なお、本実施例におけるタービン発電機の全体構成は、図１と同様であるので説明を省略する。固定子１のコイルエンド１２の構成も、上述したので説明を省略する。以下では、シリース接続部１３と絶縁性キャップ２０１の構成を主に説明する。但し、従来技術と共通する部分は、その説明を省略する。また、以下に示す図６〜図８において、図１〜図５と同一の符号は、図１〜図５と同一または共通する要素を示す。

図６は、本発明の実施例１による回転電機の、シリース接続部１３とその付近を示す図である。図６では、絶縁性キャップ２０１の内部を示すために、絶縁性キャップ２０１を一部だけ示している。回転軸１４（図１を参照）に平行な方向（軸方向）のうち、固定子１の軸方向の中央から外側に向かう方向を軸方向外側と呼び、外側から中央に向かう方向を軸方向内側と呼ぶ。図６では、矢印４０１が軸方向外側の方向を示し、矢印４０２が軸方向内側の方向を示す。

図７は、図６の矢印Ａの方向から見たシリース接続部１３とその付近の縦断面図である。

前述したように、シリース接続部１３において、上コイル１０１と底コイル１０２のコイル裸部１０６は、接続板２０２によって互いに接続される。上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６は、互いに離れて設けられ、互いに直接接触しない。従って、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間には、隙間が形成される。シリース接続部１３には、コイル裸部１０６と接続板２０２との全体を覆うように、絶縁性キャップ２０１（以下、キャップ２０１とも呼ぶ）が設けられている。

キャップ２０１は、軸方向の両端部（軸方向外側と軸方向内側の端部）に開口部を備え、冷却ガス１０がキャップ２０１の内部に流れる。キャップ２０１の軸方向外側の開口部２０１ａの端面２０１ｂは、コイル裸部１０６及び接続板２０２の軸方向外側の端面よりもさらに軸方向外側に位置する。冷却ガス１０には、空気や水素等を用いることができる。

キャップ２０１の内部には、上コイル１０１と底コイル１０２との間に、電気絶縁性の管状部材２０３が設けられる。管状部材２０３は、軸方向に貫通する中空部２０３ａを有し、例えば角パイプを用いることができる。管状部材２０３は、キャップ２０１の内部で軸方向内側の位置に配置され、一部又は全部が上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間に位置する。管状部材２０３の軸方向外側の開口部は、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間の隙間に連通する。管状部材２０３の軸方向内側の開口部は、キャップ２０１の軸方向内側の開口部に連通する。

管状部材２０３と上コイル１０１との間と管状部材２０３と底コイル１０２との間には、コイル裸部１０６での放電防止のために絶縁部材２０４が配置される。絶縁部材２０４には、例えば電気絶縁性のフェルトを用いることができる。

キャップ２０１の内部には、電気絶縁性物質２０５（例えば、絶縁性コンパウンド）が配置される。電気絶縁性物質２０５は、軸方向の一部、具体的には軸方向において管状部材２０３が存在する位置に配置される。従って、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間の隙間は、電気絶縁性物質２０５に埋められることはない。

キャップ２０１は、このような構成により形成された空洞を内部に備える。この空洞は、軸方向に延伸し、冷却ガス１０が流れる冷却流路２０６である。すなわち、冷却流路２０６は、キャップ２０１の軸方向の両端部の開口部と、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間の隙間と、管状部材２０３の中空部２０３ａとで形成される。管状部材２０３は、上コイル１０１と底コイル１０２との間の隙間が電気絶縁性物質２０５で塞がるのを防ぎ、冷却流路２０６の形成を確実にする。また、接続板２０２は、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６とを接続するので、冷却流路２０６の一部を構成する。

なお、管状部材２０３は、電気絶縁性物質２０５が冷却流路２０６を塞がれなければ、設けなくてもよい。すなわち、キャップ２０１の軸方向の両端部の開口部同士が連通できて冷却流路２０６を確保できれば、管状部材２０３を設ける必要がない。

キャップ２０１は軸方向外側の端部に開口部を備えるので、この開口部の存在によって隣り合うシリース接続部１３との間で気中放電が発生する懸念がある。しかし、キャップ２０１の軸方向外側の開口部２０１ａの端面２０１ｂが、コイル裸部１０６及び接続板２０２の軸方向外側の端面よりもさらに軸方向外側に位置するので、隣り合うシリース接続部１３との間での気中放電を防止できる。また、コイル裸部１０６から上コイル１０１と底コイル１０２の表面に沿う沿面放電は、電気絶縁性物質２０５及び絶縁部材２０４によって防止できる。従って、本実施例では、シリース接続部１３の電気絶縁を確保できる。

従来のシリース接続部１３では、キャップ２０１は、軸方向の両端部に開口部を備えず、内部に管状部材２０３を備えず、内部が（上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間の隙間も含めて）電気絶縁性物質２０５で隙間なく充填されている。従って、従来のシリース接続部１３では、キャップ２０１の内部に冷却流路２０６が存在しない。本実施例では、キャップ２０１の内部に冷却流路２０６が存在するので、キャップ２０１の内部に冷却ガス１０を供給することができ、シリース接続部１３を効率的に冷却することができる。

さらに、本実施例では、キャップ２０１の内部の冷却流路２０６によって、冷却ガス１０がコイル裸部１０６と接続板２０２の表面に直接供給される。このため、キャップ２０１の内部が全て電気絶縁性物質２０５で充填されている従来の構成と比較して、シリース接続部１３のジュール発熱を効率的に除熱でき、シリース接続部１３の冷却性を高めることができる。

さらに、本実施例には、冷却流路２０６を形成するのに固定子コイル４に何ら余分な加工を行う必要がなく、キャップ２０１の構造も単純なため、固定子１を容易に製作できるという利点もある。

なお、接続板２０２が上コイル１０１と底コイル１０２の一側面だけに配置されている構成であっても、本実施例による構成によってシリース接続部１３の冷却性を高めることができるのは明らかである。

本発明の実施例２による回転電機は、実施例１の回転電機のシリース接続部１３において、接続板２０２の形状が異なっている。以下では、実施例１と異なる構成について説明する。

図８は、図６の矢印Ａの方向から見たシリース接続部１３とその付近の縦断面図である。シリース接続部１３において、上コイル１０１と底コイル１０２のコイル裸部１０６は、導電性のＴ字型接続板３０１によって互いに接続される。Ｔ字型接続板３０１は、上コイル１０１と底コイル１０２の両側面に配置しても一側面だけに配置してもよい。

Ｔ字型接続板３０１は、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６とを電気的に接続するように径方向に延伸するとともに、径方向の一部が軸方向内側に突出しているＴ字形状である。Ｔ字型接続板３０１の軸方向内側に突出している部分（突出部）は、管状部材２０３に接する。

冷却流路２０６のうち、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間の隙間は、側面が全てＴ字型接続板３０１に覆われる。このため、キャップ２０１の内部において、電気絶縁性物質２０５を軸方向の全体に配置することができる（図８）。Ｔ字型接続板３０１により、上コイル１０１のコイル裸部１０６と底コイル１０２のコイル裸部１０６との間の隙間は電気絶縁性物質２０５に埋められず、キャップ２０１の軸方向の両端部の開口部同士が連通できて、冷却流路２０６を確保できる。

さらに、Ｔ字型接続板３０１は、実施例１の接続板２０２よりも冷却ガス１０と接する面積が大きいので、冷却ガス１０による除熱効果を増大することができる。すなわち、Ｔ字型接続板３０１は、シリース接続部１３の冷却性をより高めることができる。水素より熱伝導率が小さい空気を冷却ガス１０として使用する場合や、キャップ２０１や電気絶縁性物質２０５に熱伝導率の大きい材料を使用する場合でも、Ｔ字型接続板３０１を使用することにより、シリース接続部１３の冷却性を高めることができる。また、キャップ２０１の内部において、電気絶縁性物質２０５を軸方向の全体に配置することができるので、冷却流路２０６を除くキャップ２０１の内部全体に、電気絶縁性物質２０５を充填することができ、シリース接続部１３の冷却性をさらに高めることができる。

なお、実施例１の接続板２０２の径方向の全体を軸方向内側に突出させても（すなわち、接続板２０２の軸方向の幅を全体的に大きくしても）、Ｔ字型接続板３０１を用いたのと同じ効果が得られる。しかし、Ｔ字型接続板３０１を用いると、接続板に使う材料を削減できるとともに、接続板を軽量化できる利点がある。

また、キャップ２０１の内部において、電気絶縁性物質２０５が実施例１と同じ位置（すなわち、軸方向において管状部材２０３が存在する位置）に配置されている構成や、Ｔ字型接続板３０１が上コイル１０１と底コイル１０２の一側面だけに配置されている構成であっても、本実施例による構成によってシリース接続部１３の冷却性を高めることができるのは明らかである。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、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、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、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る。また、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、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…固定子、２…回転子、３…固定子鉄心、４…固定子コイル、５…固定子鉄心押さえ部材、６…回転子鉄心、７…回転子コイル、８…保持リング、９…送風ファン、１０…冷却ガス、１１…クーラ、１２…コイルエンド、１３…シリース接続部、１４…回転軸、１５…固定子フレーム、１０１…上コイル、１０２…底コイル、１０３…素線、１０４…素線絶縁材、１０５…主絶縁材、１０６…コイル裸部、２０１…絶縁性キャップ、２０１ａ…絶縁性キャップの開口部、２０１ｂ…絶縁性キャップの開口部の端面、２０２…接続板、２０３…管状部材、２０３ａ…管状部材の中空部、２０４…絶縁部材、２０５…電気絶縁性物質、２０６…冷却流路、３０１…Ｔ字型接続板、４０１…軸方向外側の方向を示す矢印、４０２…軸方向内側の方向を示す矢印。

Claims (7)

1. 上コイルと底コイルとからなる固定子コイルと固定子鉄心とを備える円筒形の固定子と、
   前記固定子の内径側に設置された回転子と、
   前記固定子コイルのコイルエンドで前記上コイルと前記底コイルとが互いに接続する部分であるシリース接続部を覆う電気絶縁性の覆いと、
   冷却ガスを送風する送風装置と、
   を備え、
   前記覆いは、前記固定子の軸方向の両端部に開口部を備え、
   前記覆いの内部で前記上コイルと前記底コイルとの間には、隙間が形成され、
   前記覆いの内部には、前記開口部と前記隙間とにより、前記軸方向に延伸し前記冷却ガスが流れる空洞である冷却流路が形成されており、
   前記上コイルと前記底コイルとは、板状部材によって互いに電気的に接続され、
   前記覆いの前記軸方向の外側の前記開口部の端面は、前記板状部材の前記軸方向の外側の端面よりも前記軸方向の外側に位置する、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記冷却流路は、一部が前記板状部材により形成されている、
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記覆いの内部には、前記上コイルと前記底コイルとの間に、前記軸方向に貫通する中空部を有する電気絶縁性の管状部材が設けられ、
   前記冷却流路は、一部が前記管状部材により形成されている、
   請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記板状部材は、一部が前記軸方向に突出している突出部を有するＴ字形状である、
   請求項２に記載の回転電機。
5. 前記覆いの内部は、前記覆いと前記冷却流路との間の少なくとも一部が電気絶縁性物質で充填されている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記覆いの内部には、前記上コイルと前記底コイルとの間に、前記軸方向に貫通する中空部を有する電気絶縁性の管状部材が設けられ、
   前記冷却流路は、一部が前記管状部材により形成されており、
   前記板状部材は、一部が前記軸方向に突出している突出部を有するＴ字形状であり、前記突出部が前記管状部材に接する、
   請求項２に記載の回転電機。
7. 前記覆いの内部は、前記覆いと前記板状部材との間が電気絶縁性物質で充填されている、
   請求項６に記載の回転電機。

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