JPH11178251A

JPH11178251A - 電気機械の電機子

Info

Publication number: JPH11178251A
Application number: JP33960297A
Authority: JP
Inventors: Takashi Obara; 小原　　孝志
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-12-10
Filing date: 1997-12-10
Publication date: 1999-07-02

Abstract

(57)【要約】【課題】磁性薄板材の積層構造を持つ鉄心類の熱伝導性
能が向上された電気機械の電機子を提供する。【解決手段】電気機械（タービン発電機）１は、従来例
に対し、鉄心板３が用いられた固定子鉄心（段落し部７
７を含む）２１と、磁気遮蔽鉄心４，４とを備えた電機
子（固定子）２を有している。鉄心板３の原形材の両板
面に形成されるワニス膜と、磁気遮蔽鉄心４の環状の鉄
心板の両板面に形成されるワニス膜には、粉末状の酸化
チタンを含むワニス膜が用いられている。このワニス膜
には、例えば、樹脂成分をエポキシ樹脂とし、数〔μ
ｍ〕の粒径の粉末状酸化チタンの単体を約９０〔重量
％〕の混入率で混入したコアワニスが用いられる。な
お、前記ワニス膜を鉄心板の一方の板面のみに形成する
ことも、前記鉄心類の鉄心板の積層方向に関する熱抵抗
の低減に有効である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、タービン発電機
などの回転電気機械を含む電気機械が備える電機子に係
わり、電機子が有する磁性薄板材の積層構造を持つ鉄心
類の熱伝導性能を向上するべく改良されたその構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】電機子を備える各種の電気機械の内で現
時点で最も多用されているものは回転電気機械であり、
この回転電気機械の内でも大容量のものとしてはタービ
ン発電機が著名であるので、電気機械の電機子の従来技
術を、このタービン発電機に代表させて説明する。そう
して、まずは一般例のタービン発電機の冷却構造を主体
とする構成の概要の説明を、図４〜図７を用いて行う。
図４は、一般例のタービン発電機の主要部を模式化して
示すその縦断面図であり、図５は、図４に示したタービ
ン発電機のＰ矢視図であり、図６は、図５におけるＡ−
Ｃ断面図であり、図７は、図５におけるＢ−Ｃ断面図で
ある。

【０００３】図４〜図７において、９は、回転子８と、
固定子７と、ケーシング６と、周知の軸流ファンである
ファン６９，６９と、冷却装置９３とを備えた、一般例
の回転電気機械としての２極のタービン発電機である。
そうして、固定子７がこの事例における電機子である。
回転子８の円形状の外周面と，固定子７の円形状の内周
面との間には、ギャップ９１が介在されている。回転子
８は、回転軸部８１と、回転軸部８１と一体に構成され
ると共に，回転軸部８１と同心の円形の外径を持つ回転
子鉄心部８２と、２極機に対応した１対の回転子巻線８
５，８５と、保持体８３，８３とを備えており、ケーシ
ング６および図示しない軸受部を介して固定子７に回転
自在に支持されている。

【０００４】それぞれの回転子巻線８５は、平角状の導
体である平角銅線を巻回し、回転子鉄心部８２の外周の
円周方向に沿わせて形成されている図示しない複数のス
ロット（回転子巻線用のコイルを装填するための溝）
に、それぞれのコイルが異なるスロットに装填されるよ
うにして複数のコイルで構成されている。回転子巻線８
５の各コイルのスロットに収納されている部位には、回
転軸部８１の軸長方向に分布して多数の通気孔８８が形
成されている。

【０００５】そうして、上述の構造を持つ１対の回転子
巻線８５，８５は、回転軸部８１の中心軸線Ｘ−Ｘ（図
４中に１点鎖線で示す）に関して互いに線対称の関係と
なる基本構成とされている。回転子巻線８５のスロット
内に収納されないことで回転子鉄心部８２の両端部から
突き出される状態に配置される部位である端部８９，８
９は、円筒状をした保持体８３によってその少なくとも
外周部が保持をされ、回転子８が回転することで発生さ
れる強大な遠心力によって変形をしないよう保護されて
いる。

【０００６】それぞれのファン６９は、回転子８，固定
子７を冷却する冷媒ガス（例えば、空気）９９を回転電
気機械９内に循環させるために設けられており、この事
例の場合には、図示の如く回転子巻線８５の両端部８９
の回転軸部８１の軸長方向に関する外側の位置のそれぞ
れに配設されている。固定子７は、周知のごとく、多数
の薄板材製の鉄心板を積層してなり，回転軸部８１と同
心の円形の内径を持つ電機子鉄心（固定子鉄心）７１
と、固定子鉄心７１に形成されている図示しない複数の
スロット（電機子巻線用のコイルを装填するための溝）
に装填された複数のコイルよりなる電機子巻線（固定子
巻線）７２とを備えている。そうして、固定子鉄心７１
の鉄心板の積層方向の要所には、冷媒ガス９９を通流さ
せるための通気ダクト７３の複数個が形成されている。

【０００７】ケーシング６は、冷媒ガス９９の通流路を
備えているので、次にこれについて説明をする。まず、
この事例の場合には、ケーシング６は、固定子鉄心７１
の外周面に外接させて合計４枚の仕切板６１，６２が固
定子鉄心７１の鉄心板の積層方向に間隔を置いて図示の
如くに設けられている。外側の仕切板６１と内側の仕切
板６２とを接続するようにして複数の円筒状の連絡ダク
ト６３が配置されている。仕切板６１と仕切板６２とに
よって区切られたそれぞれの空間は排気ダクト６４，６
４であり、両側を仕切板６２で区切られた空間は中央給
気ダクト６５である。また、ケーシング６の両端部に
は、それぞれのファン６９に対応させて吸気ダクト６
６，６６が備えられている。

【０００８】冷却装置９３は、回転子８，固定子７を冷
却することで高温となった冷媒ガス９９から熱を除去す
る周知の冷却器９４と、冷却器９４と排気ダクト６４，
６４とを接続する排気風胴９５と、冷却器９４と吸気ダ
クト６６，６６とを接続する吸気風胴９６，９６とを備
えている。一般例のタービン発電機９は上述のごとくに
構成されているので、それぞれのファン６９で加圧され
たそれぞれの冷媒ガス９９の流れは、まず、保持体８３
が配置されている付近で大きく３つに分岐される。すな
わち、それぞれの保持体８３の外周部を経て両端部から
ギャップ９１に直接流入する冷媒ガス流９９Ａと、固定
子巻線７２の両端部７９のそれぞれを冷却した後に連絡
ダクト６３を経て中央給気ダクト６５に流入する冷媒ガ
ス流９９Ｂと、それぞれの回転軸部８１の外周面と保持
体８３との間の空間のそれぞれから回転子８に流入する
冷媒ガス流９９Ｃとである。

【０００９】冷媒ガス流９９Ｃは、回転子巻線８５の端
部８９を冷却しつつ回転子鉄心部８２の端部に到り、冷
媒ガス流９９Ｃの内の多くの部分はこの端部からスロッ
ト部に流入し、回転子８を冷却した後、通気孔８８から
ギャップ９１に順次流入する。冷媒ガス流９９Ｂは、中
央給気ダクト６５に連通されている通気ダクト７３中を
通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却し
つつ固定子鉄心７１の鉄心板の積厚方向の中央部からギ
ャップ９１に流入する。このようにして、ギャップ９１
で合流されたそれぞれの冷媒ガス９９は、排気ダクト６
４，６４に連通している通気ダクト７３中を通流し、固
定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ排気ダ
クト６４，６４に到る。

【００１０】排気ダクト６４，６４に到達した冷媒ガス
９９は、回転子８，固定子７を冷却したので比較的に高
温になっているが、この高温の冷媒ガス９９は、排気風
胴９５を経て冷却器９４に流入して除熱をされる。冷却
器９４で除熱をされて再び低温に戻った冷媒ガス９９
は、吸気風胴９６，９６を経てファン６９に流入される
のである。

【００１１】次に、従来例のタービン発電機を図８〜図
１１を用いて説明する。なお、図８〜図１１を用いて行
う説明においては、図４〜図７に示した一般例のタービ
ン発電機と同一部分には同じ符号を付してその説明を省
略し、かつ、図４〜図７で付した符号については、極力
代表的な符号のみを記すようにしている。ここで、図８
は、図４におけるＱ部に対応した部位における従来例の
タービン発電機の要部を示すその部分断面図であり、図
９は、図８に示した固定子鉄心の要部を示す図８におけ
るＲ矢視図である。図１０は、図８，図９に示した鉄心
板の概要を示すその平面図であり、図１１は、図１０に
示した鉄心板の主な製作工程の概略を説明する説明図で
ある。図１１では、鉄心板を図１０におけるＤ−Ｄ断面
における一部分として示している。なお、図８には通気
ダクト（例えば、通気ダクト７３）とファン（例えば、
ファン６９）の図示を省略している。

【００１２】図８〜図１１において、９Ａは、回転子８
と、電機子（固定子）７Ａと、ケーシング６と、図示し
ないファン（例えば、ファン６９）とを備えた、従来例
の回転電気機械としての２極のタービン発電機である。
固定子７Ａは、固定子鉄心７１Ａと、固定子巻線７２
と、押圧部７８，７８と、磁気遮蔽鉄心５，５とを備え
ている。固定子鉄心７１Ａは、一般例による固定子鉄心
７１と対比すると、その鉄心板７４の積層方向の両端部
のそれぞれに段落し部７７を有している。固定子鉄心７
１Ａに用いられている鉄心板７４は、この事例の場合に
は、大容量のタービン発電機９Ａ用であるために大形に
なる固定子鉄心７１Ａに対応し、その素材の利用度を向
上させるために、周知の扇形鉄心板とされて形成されて
いる。

【００１３】この鉄心板７４には、固定子巻線７２を構
成しているコイル７２１を装填するためのスロット７４
１と、スロット７４１に両側を挟まれることで形成され
た部位である歯部７６とが交互に、しかも図示のように
等ピッチで形成されている。そうして、これ等のスロッ
ト７４１と歯部７６とは、ギャップ９１側である固定子
鉄心７１Ａの内周面７１ａ側に形成されている。鉄心板
７４は、磁性薄板材であるその素材に板厚が０．５〔ｍ
ｍ〕，０．６５〔ｍｍ〕，０．７〔ｍｍ〕，１．０〔ｍ
ｍ〕などのけい素鋼板を用い、これをプレス法を用いて
加工することで、図１０に示した形状のものを得るよう
にしている。

【００１４】しかしながら、このプレス加工において得
られた鉄心板７４の原形材７４Ａには、図１１（イ）に
示したように、いわゆる，ばり７４ｂが一方の面に生じ
ることは避けられないことである。このために、ばり取
り機７４９を用いて原形材７４Ａからばり７４ｂを除去
する工程が設定されている〔図１１（ロ）を参照〕。し
かしながら、ばり７４ｂの除去工程において、原形材７
４Ａの素材の表面に形成されている電気絶縁性の皮膜７
４ａも共に除去されてしまうことになる。このために、
ばり７４ｂの除去工程を経た原形材７４Ａの両板面に
は、電気絶縁性のワニス膜７５が１０〔μｍ〕前後程度
の厚さに形成をされ、鉄心板７４を得るようにしている
〔図１１（ハ）を参照〕。

【００１５】このワニス膜７５は、鉄心板７４を積層す
る際に隣接される他の鉄心板７４との相互間を電気絶縁
することで、固定子鉄心７１Ａに生じる渦流損を低減す
る周知の役目を担うものである。このワニス膜７５用の
コアワニスには、エポキシ樹脂などの電気絶縁性の樹脂
材よりなる樹脂成分に、ワニス膜７５の主として熱伝導
性能を改善するための充填剤を充填されたものが用いら
れている。ワニス膜７５は、このコアワニスが原形材７
４Ａの両板面に塗布をされ硬化処理が施されることによ
って形成されている。

【００１６】従来技術によるワニス膜７５用の充填剤に
は、硫化亜鉛，硫化バリウム，酸化亜鉛などの無機質材
の粉末状の単体または混合体が一般に用いられており、
この充填剤を樹脂成分に対して重量比で３０〜９０
〔％〕程度混入して用いることが一般である。また、充
填剤の粒径は、ワニス膜７５の膜厚よりも小さいことが
必要であるので、数〔μｍ〕程度に設定されている。ワ
ニス膜７５の熱伝導率値は、周知のごとく充填剤の混入
割合の増大に応じて増大されるが、充填剤の混入割合の
増大はコアワニスの粘度が増大される関係にもある。し
たがって、充填剤のこの混入割合値は、ワニス膜７５の
熱伝導率値，コアワニス塗布工程での作業性などを勘案
して設定されることが一般である。

【００１７】ところで、タービン発電機９Ａが進相運転
をされる場合の電機子電流（固定子電流）による電機子
反作用は、周知のごとくに、回転子８によって生成され
た主磁束に対する増磁作用を引き起こす。進相運転時に
おけるこの電機子反作用による増磁作用により、ギャッ
プ９１に通流する主磁束である周知のギャップ磁束の密
度が増大されるが、このギャップ磁束密度の増大に伴っ
て、固定子鉄心７１Ａのギャップ９１付近の両端部に形
成される周知のフリンジング磁束の密度も増大される。

【００１８】このフリンジング磁束は、鉄心板７４の板
面にほぼ垂直な状態として固定子鉄心７１Ａに流出入さ
れる成分を多く含む磁束であるので、進相運転時には、
固定子鉄心７１Ａの端部に位置する鉄心板７４の磁束密
度が増大すると共に、その渦流損の割合が増大する。す
なわち、タービン発電機９Ａの進相運転時には、固定子
鉄心７１Ａの端部に高い温度上昇が生じる。このことに
対処するために設置されているのが、段落し部７７，７
７である。

【００１９】この両段落し部７７は、この事例の場合に
は、図８，図９に示したように、固定子鉄心７１Ａの鉄
心板７４の積層方向の端末部に近い部位ほど、電機子鉄
心７１Ａの内径が徐々にしかも順次に増大されて形成さ
れた、その内径寸法が互いに異なる４個のブロックで構
成されている。また、鉄心板７４から段落し部７７を説
明すると、段落し部７７の各ブロックに用いられる鉄心
板７４は、固定子鉄心７１Ａの内周面７１ａ側である歯
部７６の先端を順次短縮をすることで形成されている。
この歯部７６の先端の短縮は、例えば、プレス切断によ
って行われる。

【００２０】このような段落し部７７を設けることによ
り、固定子鉄心７１Ａの両端部に対応する部位における
ギャップ磁束密度が低減をされるので、進相運転時にお
ける固定子鉄心７１Ａの端部における温度上昇を抑制す
ることができている。なお、段落し部７７の歯部７６に
は、フリンジング磁束による渦流損をさらに低減するた
めに、必要に応じてスリット７６ａが形成されている
（図９を参照）。

【００２１】そうして固定子鉄心７１Ａは、段落し部７
７，７７も含めて、鉄心板７４の端末部のそれぞれに備
えられた押圧部７８，７８を介して、図示しない締付用
ボルトによって鉄心板７４の積層方向に高い面圧によっ
て締付けられる。これによって、固定子鉄心７１Ａは、
長期間にわたって、その積厚寸法が安定に保持されるよ
うに構成されているのである。これ等の押圧部７８は、
この事例の場合には、鋼材などの磁性金属材で作製され
た環状のプレスリング７８１と、非磁性金属材製の板材
で作製されて，プレスリング７８１の固定子鉄心７１Ａ
側の側面に溶接法などによって固着された複数のフィン
ガ７８２とを有している。

【００２２】それぞれのフィンガ７８２は、固定子鉄心
７１Ａの歯部７６と対峙する部位に、スリット７６ａが
形成されている場合にはこれを避けて配設されている。
固定子鉄心７１Ａは、フィンガ７８２によってその歯部
７６を加圧されることで、歯部７６に発生し易い経年的
な寸法の緩みに対処している。なお、フィンガ７８２
は、前記対処のために、その先端部に固定子鉄心７１Ａ
側に僅かに（例えば、１〔ｍｍ〕程度）出っ張る図示し
ない爪部を形成する場合もある。なおまた、中容量機な
どの場合には、プレスリング７８１とフィンガ７８２と
を別部材とはせず、プレスリング７８１の内径側にフィ
ンガ状の部分を一体に形成した押圧部の事例も知られて
いる。

【００２３】固定子巻線７２は、この事例の場合には、
コイル７２１に周知の転位コイル（ギッターコイル）が
用いられている。そうして、コイル７２１は、図示しな
いその素線として素線絶縁が施された周知の平角銅線を
用いることで形成されている。このコイル７２１のコイ
ル辺は、周知の対地絶縁層（主絶縁層）などが施された
うえで、前記スロット７４１に、周知の２層巻きとされ
てそれぞれ装填されている。

【００２４】コイル７２１のコイル端は、固定子巻線７
２の端部７９において、タービン発電機９Ａの設計仕様
に合わせて互いに接続されている。ところで、固定子巻
線７２の端部７９においても、固定子電流によって磁束
が発生する。タービン発電機の分野などでは、端部７９
におけるこの磁束は、コイル７２１のコイル端を連ねる
ことで環状に形成されていると見なされる等価的な導体
中を通流する電流によって生じる起磁力に基づくものと
して取り扱われている。

【００２５】そうして、この等価的な環状導体は、端部
７９の高さ（図８にＨで示す）に関して、固定子鉄心７
１Ａの端部からほぼ（２／３）Ｈの位置の端部７９中に
存在するとされている。この等価的な環状導体中を通流
する電流は、リングカレントと呼ばれている。すなわ
ち、端部７９における固定子電流によって生成された磁
束を、リングカレントによって生成された磁束として便
宜的に取り扱うのである。このリングカレントによる磁
束がこのまま存在していると、この磁束がプレスリング
７８１に作用してプレスリング７８１に損失が生じるこ
とになる。この損失は、タービン発電機９Ａの進相運転
時には増大され、特に、プレスリング７８１の内周部ほ
どその増大程度は大きくなる。これに対処するために、
タービン発電機９Ａにはプレスリング７８１に作用する
前記磁束を抑制する措置が施されている。これが、磁気
遮蔽鉄心５である。

【００２６】磁気遮蔽鉄心５は、素材には鉄心板７４に
用いられているものと同様のけい素鋼板が用いられ、こ
れを扇形状に形成したものを鉄心板として用いている。
この鉄心板を両端部における相互間の間隙が極力狭くな
るようにして円環状に並べたものを１層分とし、この鉄
心板の層の各層を、扇形状の前記鉄心板が互いに半重ね
されるようにして複数層を積層することで円筒状とされ
て作製されている。また、磁気遮蔽鉄心５用のそれぞれ
の鉄心板の両板面にもワニス膜７５が形成されている。

【００２７】この磁気遮蔽鉄心５は、この事例の場合に
は、固定子鉄心７１Ａ側とは反対側のプレスリング７８
１の側面に直接に取り付けられている。磁気遮蔽鉄心５
のプレスリング７８１に対する電気絶縁層は、ワニス膜
７５がその役目を果たしている。磁気遮蔽鉄心５が前記
のような構造を持っているので、磁気遮蔽鉄心５はリン
グカレントによって生成された磁束の内のプレスリング
７８１を通ろうとする分をバイパスすると共に、リング
カレントによって生成された磁束の内の磁気遮蔽鉄心５
と鎖交する磁束を打ち消す役目を果たしている。すなわ
ち、磁気遮蔽鉄心５は、リングカレントによって生成さ
れた鎖交磁束に対して短絡コイルとしても作用して、レ
ンツの法則によってこの鎖交された磁束を打ち消すよう
な電流な通流させて、この鎖交磁束を抑制する役目も果
しているのである。

【００２８】その際、磁気遮蔽鉄心５を鉄心板を積層す
る構造にしたのは、磁気遮蔽鉄心５を通る磁束による渦
流損の低減と、磁気遮蔽鉄心５に通流する電流に表皮効
果が現れないようにするためである。そうして、磁気遮
蔽鉄心５がプレスリング７８１の側面に配設されている
ことで、リングカレントによる磁束がプレスリング７８
１に作用する問題が解消されるのである。この磁気遮蔽
鉄心５には、鎖交磁束に対応する電圧Ｖが発生し、この
電圧Ｖによって前記鉄心板の積層体として構成された磁
気遮蔽鉄心５には、磁気遮蔽鉄心５の円環状のループが
持つインピーダンスＺによる電流が流れることで、
「（Ｖ／Ｚ）²×Ｒ（磁気遮蔽鉄心５の円環状のループ
が持つ電気抵抗）」のジュール損が発生する。

【００２９】そうして、タービン発電機９Ａの進相運転
時における前述フリンジング磁束密度の増大は、固定子
巻線７２の端部７９における磁束分布にも影響を与える
ので、進相運転時には磁気遮蔽鉄心５と鎖交する磁束量
は増大する。これによって、磁気遮蔽鉄心５に発生する
損失も増大をする。次に、段落し部７７と磁気遮蔽鉄心
５の冷却構造について説明する。まず、段落し部７７が
持つ各ブロックには、段落し部７７を除く固定子鉄心７
１Ａに形成されている通気ダクト（例えば、通気ダクト
７３）と同様構造の図示しない通気ダクトが形成されて
いる。これ等の通気ダクトには、図示しない冷媒ガス
（例えば、冷媒ガス９９）が通流されることで、段落し
部７７は冷却されている。

【００３０】また、磁気遮蔽鉄心５には、図示しない複
数の貫通孔が、鉄心板を積層方向に貫通して形成されて
おり、さらに、プレスリング７８１にも、磁気遮蔽鉄心
５が持つ前記貫通孔と対向する部位に、複数の貫通孔が
形成されている。そうして、これ等の両貫通孔を貫流す
る経路で前記冷媒ガスの一部が、例えば、固定子巻線７
２の端部７９→磁気遮蔽鉄心５の貫通孔→プレスリング
７８１の貫通孔→フィンガ７８２によって形成された空
間→固定子鉄心７１Ａの背面、による経路で通流するこ
とで、磁気遮蔽鉄心５は冷却されている。

【００３１】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
るタービン発電機９Ａの電機子（固定子）７Ａにおいて
は、段落し部７７を含む電機子鉄心（固定子鉄心）７１
Ａおよび磁気遮蔽鉄心５の温度上昇の抑制をある程度は
達成することが出来ているが、まだ次記する問題があ
り、その解決が課題となっている。すなわち、タービン発電機９Ａの固定子７Ａでは、固定子巻線７
２のコイル７２１の素線で発生した周知の損失に基づく
熱流は、主絶縁層などを貫通して通流して固定子鉄心７
１Ａに到り、固定子鉄心７１Ａ中を鉄心板７４の積層方
向に流れたうえで、通気ダクト（例えば、通気ダクト７
３）内を通流する冷媒ガス（例えば、冷媒ガス９９）に
よって収集されている。そうして、固定子鉄心７１Ａを
通流する前記熱流のほとんどは、コイル７２１のコイル
辺と対向し合う面積が広い歯部７６中を通流することに
なるので、固定子鉄心７１Ａにおいての温度分布は、歯
部７６で相対的に高く、固定子鉄心７１Ａの外周部分
（ヨーク部と呼ばれている）で相対的に低い分布となっ
ている。

【００３２】発明者らは、タービン発電機９Ａにおける
各部の温度値およびその温度差値として、図１２に例示
する調査例を得ている。ここで図１２は、従来例のター
ビン発電機の温度に関する調査例を説明する説明図で、
（ａ）は、各部の温度値に関する説明図であり、（ｂ）
は、各部の温度差値に関する説明図である。なお、図１
２（ｂ）は、温度差に関与する部位に関して図１２
（ａ）と関連付けて示している。また、図１２に記載さ
れている測温抵抗体は、温度計測用の周知の測温抵抗体
であり、この事例の場合には、２層巻きとされてスロッ
ト７４１に装填されているコイル７２１のコイル辺（主
絶縁層などが施されている）の、上側層のコイル辺と下
側層のコイル辺の間に介挿して配設されている。

【００３３】なおまた、図１２の調査例を得たタービン
発電機９Ａの鉄心板７４には、樹脂成分をエポキシ樹脂
とし、充填剤を粒径が数〔μｍ〕程度の硫化亜鉛粉末と
硫化バリウム粉末との混合体とし、この充填剤を約９０
〔重量％〕の混入率で樹脂成分に混入したコアワニスが
用いられている。このコアワニスを用いたワニス膜７５
の熱伝導率は、約０．６〔Ｗ／ｍＫ〕である。

【００３４】図１２を視察することにより、鉄心部温度
差ΔＴ_Fはコイル部温度差ΔＴ_Cよりも小さいことが分
かる。これは、前記熱流に関しては、固定子鉄心７１Ａ
における熱流の通過面積が広いことで、その熱抵抗が小
さいことを意味している。しかしながら、一般に電気機
械の寿命は、周知の如くに電機子巻線などの電気絶縁用
として用いられている電気絶縁材の耐熱寿命特性によっ
て決められるものであるので、タービン発電機９Ａの固
定子７Ａにおいての冷却すべき主対象はコイル７２１で
ある。この観点からすると、コイル部温度差ΔＴ_Cのほ
ぼ１／２の値を持つ鉄心内温度差ΔＴ_Fの値は、大き過
ぎる値であることになる。

【００３５】ところで、コイル７２１の素線で発生した
損失に基づく熱流は、前述したように固定子鉄心７１Ａ
中を鉄心板７４の積層方向に通流するものであり、鉄心
板７４の板厚方向の熱伝導率値は周知のように４０〔Ｗ
／ｍＫ〕程度であることにより、鉄心部温度差ΔＴ_Fに
はワニス膜７５の熱伝導率値が大きく関わっていること
になる。この鉄心板用のワニス膜の熱伝導率を向上させ
るためには、コアワニスに混入する充填剤に、従来品に
用いられている前記無機質材よりも高い熱伝導率値を持
つ無機質材を採用することが考えられる。工業的に採用
可能な高い熱伝導率値を持つ無機質材としては周知のア
ルミナが著名であるが、アルミナが高い硬度を持ってい
ることがその採用を困難にしている。

【００３６】すなわち、アルミナ粉末を混入したコアワ
ニスを塗布した鉄心板を用いた場合には、前述したとこ
ろにより鉄心板が高い面圧で締め付けられるものである
ために、この鉄心板の締め付け時などに、鉄心板やワニ
ス膜がアルミナ粉末によって傷められてしまうのであ
る。したがって、アルミナ粉末を混入したコアワニス
は、特殊な場合を除き通常は採用されないのである。

【００３７】また、発明者らは、タービン発電機９Ａ
に対する測定例において、冷媒ガス用の冷却器（例え
ば、冷却器９４）から流れ出た直後の冷媒ガスに対する
温度上昇値として、段落し部７７を除く部位の鉄心部の
温度上昇値が２０〔Ｋ〕である場合に、段落し部７７の
鉄心部の最高の温度上昇値は約３０〔Ｋ〕，磁気遮蔽鉄
心５の最高温度部の最高の温度上昇値は約６０〔Ｋ〕で
あるとのデータを得ている。この結果は、段落し部７７
および磁気遮蔽鉄心５が共に、その温度上昇がまだ過大
であることを意味している。

【００３８】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、磁性薄板材の積層
構造を持つ鉄心類の熱伝導性能が向上された電気機械の
電機子を提供することにある。

【００３９】

【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、１）板面にワニス膜が形成された磁性薄板材製の鉄心板
の多数を積層してなる電機子鉄心と、電機子鉄心が有す
る複数のスロットにそれぞれ装填された複数のコイルか
らなる電機子巻線とを備える電気機械の電機子におい
て、電機子鉄心の鉄心板に形成されるワニス膜に用いら
れるコアワニスは、その充填剤に粉末状の酸化チタンが
用いられてなる構成とすること、または、２）板面にワニス膜が形成された磁性薄板材製の鉄心板
の多数を積層すると共に，その積層方向に関する端部に
段落し部が形成されてなる円筒形の電機子鉄心と、電機
子鉄心がその内周側に有する複数のスロットにそれぞれ
装填された複数のコイルからなる電機子巻線とを備え、
前記段落し部は、鉄心板の積層方向の端末部に近い部位
ほど電機子鉄心の内径が徐々に増大されるようにして形
成されてなる電気機械の電機子において、電機子鉄心の
少なくとも前記段落し部の鉄心板に形成されるワニス膜
に用いられるコアワニスは、その充填剤に粉末状の酸化
チタンが用いられてなる構成とすること、または、３）磁性薄板材製の鉄心板の多数を積層してなる円筒形
の電機子鉄心と、電機子鉄心がその内周側に有する複数
のスロットにそれぞれ装填された複数のコイルからなる
電機子巻線と、電機子電流により電機子巻線の端部から
発生された磁束の影響を低減するために電機子巻線の端
部に近接されて配設されて，板面にワニス膜が形成され
た磁性薄板材製の鉄心板の多数を積層してなる環状の磁
気遮蔽鉄心とを備える電気機械の電機子において、磁気
遮蔽鉄心が有する鉄心板に形成されるワニス膜に用いら
れるコアワニスは、その充填剤に粉末状の酸化チタンが
用いられてなる構成とすること、または、４）前記１項から３項までのいずれかに記載の手段にお
いて、磁性薄板材製の鉄心板は、その両板面の凹凸度が
ワニス膜の膜厚よりも小さい程度に加工を施されたうえ
で、充填剤に粉末状の酸化チタンが用いられたコアワニ
スによるワニス膜がその一方の板面のみに形成されてな
る構成とすること、により達成される。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。なお、この項の以下の説明
においては、図４〜図７に示した一般例の電気機械、お
よび、図８〜図１２に示した従来例の電気機械と同一部
分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、こ
の項の以後の説明に用いる図中には、図４〜図１２で付
した符号については、極力代表的な符号のみを記すよう
にしている。

【００４１】図１は、この発明の実施の形態の一例によ
る電機子を備えたタービン発電機の要部を図４における
Ｑ部に対応した部位において示すその部分断面図であ
り、図２は、図１に示した鉄心板の概要を示す図面で、
（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は図２（ａ）のＥ−
Ｅ断面における一部分を示すその断面図である。なお、
図１には通気ダクト（例えば、通気ダクト７３）とファ
ン（例えば、ファン６９）の図示を省略している。

【００４２】図１，図２において、１は、図８〜図１２
に示した従来例によるタービン発電機９Ａに対して、電
機子（固定子）７Ａに替えて固定子２を用いるようにし
たタービン発電機である。固定子２は、鉄心板３が用い
られた固定子鉄心２１と、固定子巻線７２と、押圧部７
８，７８と、磁気遮蔽鉄心４，４とを備えている。固定
子鉄心２１を従来例による固定子鉄心７１Ａと対比する
と、段落し部７７を含めて、鉄心板７４に替えて鉄心板
３が用いらていることのみが異なっている。鉄心板３
は、原形材７４Ａの両板面に形成されるワニス膜とし
て、この発明になる特徴的な構成体として、粉末状の酸
化チタンを含むワニス膜３１が用いられている。

【００４３】すなわち、ワニス膜３１に用いられるコア
ワニスには、エポキシ樹脂などの電気絶縁性の樹脂材よ
りなる樹脂成分に対して混入される充填剤として、酸化
チタンを含む粉末状無機質材が用いられている。この酸
化チタンは、アルミナと対比すると、その熱伝導度はア
ルミナの約１．７倍であり、その硬度はアルミナの約半
分であるので、高い面圧によって締め付けられる電機子
の鉄心板に用いられるワニス膜の充填剤として好適な材
料である。この酸化チタンは、二酸化チタンとも呼ば
れ、天然には、それぞれ結晶構造の異なる鉱物として幾
つかの形のものが産出されるが、工業的には、それ等の
内のルチル形とアナタース形とが主とし用いられてい
る。

【００４４】酸化チタンは、磁器の原料になる外、粉末
状化されたものはチタンホワイトとも呼ばれて、塗料，
化粧品，樹脂材，ゴムや紙などの顔料、さらには、医薬
品の保護材や研磨材などとして広く用いられている。ワ
ニス膜３１の形成に用いられるコアワニスでは、この酸
化チタンは、従来品のワニス膜７５の場合と同様の数
〔μｍ〕程度の粒径の粉末状とされて、単体または、従
来品に用いられている粉末状の硫化亜鉛，硫化バリウ
ム，酸化亜鉛などとの混合体として用いることができ
る。

【００４５】また、酸化チタンを含む充填剤を用いるコ
アワニスでは、充填剤の混入割合は従来品と同等に設定
することができ、コアワニス塗布工程での作業性などを
考慮すると最大の混入割合は、充填剤の樹脂成分に対す
る重量比で示した場合に、従来品と同様の９０〔重量
％〕程度である。粉末状の酸化チタンを含むこのコアワ
ニスは、ばり除去工程を経た原形材７４Ａの両板面に形
成され、電気絶縁性と熱伝導性とを兼備するワニス膜３
１が、従来品と同様にして１０〔μｍ〕前後程度の膜厚
に形成をされ、鉄心板３が得られる。そうして、樹脂成
分をエポキシ樹脂とし、粒径が数〔μｍ〕程度の粉末状
酸化チタンの単体を約９０〔重量％〕の混入率で混入し
たコアワニスが用いられたワニス膜３１の熱伝導率は、
約１．０〔Ｗ／ｍＫ〕である。

【００４６】これは、前述した従来品のワニス膜７５の
熱伝導率（約０．６〔Ｗ／ｍＫ〕）に対して約１．７倍
向上されていることになる。熱伝導性能がこのように向
上されたワニス膜３１を持つ鉄心板３を用いた固定子２
では、まず、鉄心板３の積層方向に通流する熱流（コイ
ル７２１の素線で発生した損失に基づく熱流）に対する
熱抵抗が減少されることで、前述の鉄心部温度差ΔＴ_F
が低減され、その分、素線の平均温度Ｔ_Cが低減され
る。これによって、タービン発電機１は、耐熱寿命の延
長，または同一体格のままでその出力を増大することが
できることになる。

【００４７】また、ワニス膜３１が高い熱伝導度を持つ
ことで、固定子２の場合には、前記熱流の一部は、ワニ
ス膜３１を含む鉄心板３を径方向にも流れ、相対的に温
度が低く，かつ熱流に対する通過面積が歯部７６よりも
広い前記ヨーク部を介して通気ダクト（例えば、通気ダ
クト７３）に到る経路を容易にとれることになる。すな
わち、歯部７６を通流する熱流の密度が低減されること
になる。このことによっても、固定子鉄心中を通流する
熱流に関して、固定子鉄心２１では、鉄心部温度差ΔＴ
_Fおよび素線の平均温度Ｔ_Cが低減される。そうして、
鉄心部の温度の低減に関する前記作用・効果は、段落し
部７７の鉄心部にもそのまま働くことになるので、段落
し部７７の鉄心部の温度低減も同時に得られることにな
る。

【００４８】磁気遮蔽鉄心４は、従来例による磁気遮蔽
鉄心５と対比すると、用いられる鉄心板の両板面に形成
されるワニス膜に、前記ワニス膜３１が用いられること
のみが異なっている。したがって、磁気遮蔽鉄心４は、
従来例による磁気遮蔽鉄心５が持つ電磁気的な機能をそ
のまま維持しながら、ワニス膜３１が持つ前記作用・効
果によって、その温度を低減することができることにな
る。

【００４９】次に、図３を用いて、この発明の実施の形
態の異なる例による電機子について説明する。ここで、
図３は、この発明の実施の形態の異なる例による電機子
の固定子鉄心に用いられる鉄心板の概要を示す図面で、
（ａ）はその平面図であり、（ｂ）は図３（ａ）のＦ−
Ｆ断面における一部分を示すその断面図である。図３に
おいて、３Ａは、図２に示したこの発明になる鉄心板３
に対して、鉄心板の原形材７４Ａに替えて原形材３２を
用いると共に、前記ワニス膜３１を原形材３２の一方の
板面にのみ形成するようにした鉄心板である。原形材３
２は、原形材７４Ａと対比すると、原形材７４Ａの場合
の板面の凹凸度が７〜１０〔μｍ〕程度であるのに対し
て、数〔μｍ〕（２〜３〔μｍ〕）程度またはそれ以下
の小さい凹凸度を持つことが特徴的な構成である。とこ
ろで、原形材７４Ａの場合の前記ばり取り機７４９を用
いて行うばり除去作業は原則的に１回であり、前記ばり
７４ｂが持つ突起状部分の一部が除去しきれずに残るこ
とで、前記の大きな凹凸度を持つことになっている。

【００５０】ワニス膜３１の膜厚が１０〔μｍ〕前後程
度であるので、互いに隣接する鉄心板の板面に共にワニ
ス膜３１が形成されていないと、固定子鉄心２１が鉄心
板３の積層方向に高い面圧によって締付けられる際に、
突起状部分が隣接する鉄心板に接触することになるの
で、渦流損の増加などを招く恐れがあったのである。原
形材３２の場合には、これに対して、ばり除去作業を入
念に行うことで、前記の小さい凹凸度になし得ている。
原形材３２では、ワニス膜３１（膜厚は１０〔μｍ〕前
後程度）を一方の板面のみに形成するようにしても、固
定子鉄心の締付時に突起状部分が隣接する鉄心板に接触
することは起こらないのである。

【００５１】鉄心板３Ａを用いた固定子鉄心では、鉄心
板３Ａの積層方向に存在するワニス膜３１の部分の割合
が、鉄心板３を用いる場合に対してほぼ半減されること
で、鉄心板３Ａの積層方向に通流する熱流（コイル７２
１の素線で発生した損失に基づく熱流）に対する熱抵抗
は、前述固定子２を用いた場合よりも減少される。ま
た、ワニス膜３１を原形材３２の一方の板面だけに形成
することで生み出されたスペースに鉄心板３Ａを配設す
れば、固定子鉄心の磁束密度を低減することができて、
固定子鉄心で発生する損失が低減される。

【００５２】これ等が総合されることによって、前述の
鉄心部温度差ΔＴ_Fがさらに低減され、その分、素線の
平均温度Ｔ_Cがさらに低減されることになる。なお、ワ
ニス膜３１を原形材３２の一方の板面にのみ形成するこ
とによる作用・効果は、段落し部（例えば、段落し部７
７）や磁気遮蔽鉄心（例えば、磁気遮蔽鉄心４）に対し
適用した場合でも同等の作用・効果をもたらすことにな
るが、重複を避けてその説明を省略する。

【００５３】前述の説明では、この発明になるタービン
発電機は、段落し部を除く固定子鉄心，段落し部および
磁気遮蔽鉄心の３者に対して、コアワニスに粉末状の酸
化チタンが充填されたワニス膜３１が用いられるとして
きたが、これに限定されるものではなく、段落し部や磁
気遮蔽鉄心の温度上昇は、前述したごとく段落し部を除
く固定子鉄心の温度上昇よりも高いので、段落し部と磁
気遮蔽鉄心の両方あるいはいずれか一方のみにワニス膜
３１を適用することも極めて有効である。

【００５４】また、前述の説明では、この発明になるタ
ービン発電機は、固定子２などは通気ダクトを利用して
冷媒ガスによって冷却されるとしてきたが、これに限定
されるものではなく、例えば、周知のバルブ水車発電装
置のように直接水冷されるケーシング６などを用い得る
場合には、固定子で発生した損失による熱流を固定子鉄
心用の鉄心板を径方向に通流させてケーシング６を介し
て冷媒に放散させることができる。その場合に、けい素
鋼板の熱伝導率値は周知のようにその板厚方向では４０
〔Ｗ／ｍＫ〕程度であるのに対して、けい素鋼板の板面
方向（けい素鋼板が圧延加工を受けた際の圧延方向に沿
っている）では約１８〔Ｗ／ｍＫ〕であるので、この発
明になる前記ワニス膜３１を用いることは、鉄心板の径
方向の熱抵抗を低減できることで極めて有効である。

【００５５】なおまた、前述の説明では、この発明にな
る電気機械の電機子は、回転電気機械であるタービン発
電機の固定子に対して適用されるとしてきたが、これに
限定されるものではなく、磁性薄板材製の鉄心板の多数
を積層してなる構造を持つ鉄心を備えたものであるなら
ば、例えば、各種の発電機や電動機の電機子、さらに
は、リニア形の電気機械の電機子などに適用しても、タ
ービン発電機の固定子において得られる前述作用・効果
と同様の作用・効果を得ることができる。

【００５６】

【発明の効果】この発明になる電気機械の電機子におい
ては、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成
とすることにより、次記する効果を奏する。前記課題を解決するための手段の項の第（１）項によ
る構成とすることにより、磁性薄板材製の鉄心板の多数
を積層してなる電機子鉄心の積層方向および板面方向の
熱抵抗を低減できることで、電機子鉄心および電機子巻
線の温度を低減することが可能となり、電気機械の耐熱
寿命の延長，または同一体格のままでの出力の増大を図
ることが可能になる。また、前記課題を解決するための手段の項の第（２）項によ
る構成とすることにより、磁性薄板材製の鉄心板の多数
を積層してなる段落し部の積層方向および板面方向の熱
抵抗を低減できることで、段落し部および段落し部に隣
接する電機子巻線の温度を低減することが可能となり、
電気機械の耐熱寿命の延長，または同一体格のままでの
出力の増大を図ることが可能になる。また、前記課題を解決するための手段の項の第（３）項によ
る構成とすることにより、磁性薄板材製の鉄心板の多数
を積層してなる磁気遮蔽鉄心の積層方向および板面方向
の熱抵抗を低減できることで、磁気遮蔽鉄心の温度の低
減が可能になる。さらにまた、前記課題を解決するための手段の項の第（４）項によ
る構成とすることにより、磁性薄板材製の鉄心板の積層
方向の熱抵抗をさらに低減できることで、前記〜項
による効果をさらに高めることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態の一例による電機子を備
えたタービン発電機の要部を図４におけるＱ部に対応し
た部位において示すその部分断面図

【図２】図１に示した鉄心板の概要を示す図面で、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は図２（ａ）のＥ−Ｅ断面
における一部分を示すその断面図

【図３】この発明の実施の形態の異なる例による電機子
の固定子鉄心に用いられる鉄心板の概要を示す図面で、
（ａ）はその平面図、（ｂ）は図３（ａ）のＦ−Ｆ断面
における一部分を示すその断面図

【図４】一般例のタービン発電機の主要部を模式化して
示すその縦断面図

【図５】図４に示したタービン発電機のＰ矢視図

【図６】図５におけるＡ−Ｃ断面図

【図７】図５におけるＢ−Ｃ断面図

【図８】図４におけるＱ部に対応した部位における従来
例のタービン発電機の要部を示すその部分断面図

【図９】図８に示した固定子鉄心の要部を示す図８にお
けるＲ矢視図

【図１０】図８，図９に示した鉄心板の概要を示すその
平面図

【図１１】図１０に示した鉄心板の主な製作工程の概略
を説明する説明図

【図１２】従来例のタービン発電機の温度に関する調査
例を説明する説明図で、（ａ）は、各部の温度値に関す
る説明図、（ｂ）は、各部の温度差値に関する説明図

【符号の説明】

１電気機械（タービン発電機）２電機子（固定子）２１固定子鉄心３鉄心板４磁気遮蔽鉄心７７段落し部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板面にワニス膜が形成された磁性薄板材製
の鉄心板の多数を積層してなる電機子鉄心と、電機子鉄
心が有する複数のスロットにそれぞれ装填された複数の
コイルからなる電機子巻線とを備える電気機械の電機子
において、電機子鉄心の鉄心板に形成されるワニス膜に用いられる
コアワニスは、その充填剤に粉末状の酸化チタンが用い
られてなることを特徴とする電気機械の電機子。
【請求項２】板面にワニス膜が形成された磁性薄板材製
の鉄心板の多数を積層すると共に，その積層方向に関す
る端部に段落し部が形成されてなる円筒形の電機子鉄心
と、電機子鉄心がその内周側に有する複数のスロットに
それぞれ装填された複数のコイルからなる電機子巻線と
を備え、前記段落し部は、鉄心板の積層方向の端末部に
近い部位ほど電機子鉄心の内径が徐々に増大されるよう
にして形成されてなる電気機械の電機子において、電機子鉄心の少なくとも前記段落し部の鉄心板に形成さ
れるワニス膜に用いられるコアワニスは、その充填剤に
粉末状の酸化チタンが用いられてなることを特徴とする
電気機械の電機子。
【請求項３】磁性薄板材製の鉄心板の多数を積層してな
る円筒形の電機子鉄心と、電機子鉄心がその内周側に有
する複数のスロットにそれぞれ装填された複数のコイル
からなる電機子巻線と、電機子電流により電機子巻線の
端部から発生された磁束の影響を低減するために電機子
巻線の端部に近接されて配設されて，板面にワニス膜が
形成された磁性薄板材製の鉄心板の多数を積層してなる
環状の磁気遮蔽鉄心とを備える電気機械の電機子におい
て、磁気遮蔽鉄心が有する鉄心板に形成されるワニス膜に用
いられるコアワニスは、その充填剤に粉末状の酸化チタ
ンが用いられてなることを特徴とする電気機械の電機
子。
【請求項４】請求項１から３までのいずれかに記載の電
気機械の電機子において、磁性薄板材製の鉄心板は、その両板面の凹凸度がワニス
膜の膜厚よりも小さい程度に加工を施されたうえで、充
填剤に粉末状の酸化チタンが用いられたコアワニスによ
るワニス膜がその一方の板面のみに形成されてなること
を特徴とする電気機械の電機子。