JPS58175955A - 突極回転子形回転電機の通風冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、固定子鉄心に軸方向に冷却風を流通すると
ともに、界磁極間に軸方向に冷却風を制限して通して冷
却し、風損を低下した突極回転子形回転電機の通風冷却
装置に関する。

突極回転子形回転電機、例えば、突極回転子形の水車発
電機や発電電動機では、大容量になると回転子の周速度
は非常に大きくなり、風損が相当大きい値になる。機械
の能率を向上させるためには、風損を極力低減すること
が必要となる。

従来の突極回転子形回転機の通風冷却装置は、第１図及
び第２図に縦断面図及び正面断面図で示すようになって
いた。図は発電電動機の場合を示し、（１）は回転軸で
、水車（図示は略す）に直結されている。

（２）は回転子スパイダ、（３）はこのスパイダにはめ
られ固定された回転子リムで、多数枚の打抜き薄鋼板を
積層し、多数本の締付はボルト（図示は略す）で締付け
られてなり、半径方向の通風ダクト（４）が軸方向に対
し複数個所に形成されている。（５）は回転子リム（３
）の薄鋼板に固着され通風ダクト（４）を形成する多数
個宛のダクト片、（６）は回転子リム（３）の外周部に
取付けられた複数の磁極鉄心で、界磁コイル（７）を装
着していて界磁極を形成している。（８）は回転子リム
（３）に積層長の中心位置に固定された仕切板、（９）
は多数枚の打抜き薄電気鉄板を積層し締付けられてなる
固定子鉄心で、半径方向の通風ダクトＱ１が軸方向に対
し複数個所に形成されている。（１１）は固定子鉄心（
９）の薄電気鉄板に固着され通風ダクトα０を形成する
多数個宛のダクト片、ａ匂は固定子鉄心（９）をクラン
パ０３を介し締付ける複数本の締付はボルト、０蜀は固
定子鉄心（９）のスロット（９ａ）に挿入逼れ、スロッ
トくさび（Ｉ５）により固定された固定子コイルで、コ
イル端部（１４ａ）、（１４ｂ）が出されている。川は
固定子鉄心（９）を収容し固定する固定子フレームで、
両端に通風穴（１６ａ）があけられである。、（１７）
及び州はこの固定子フレーム（１四の両端側に収付けら
れた端囲い、四はこれらの端囲い内に取付けられた導風
板、西は端囲いりη、σ〜にそれぞれ取付けられた電動
による送風機で、機内に冷却空気を圧入する。（財）は
固定子フレーム瑣の背部に取付けられた空気冷却器、四
は固定子フレーム（１〜の外周を間隔をあけて囲う風胴
部である。

上記従来の装置による通風冷却作用は、次のようになっ
ていた。空気冷却器ｃ２］、ｌを通って温度が低下され
た冷却空気が、両方側の送風機例にょシ吸引式れ、機内
に矢印ＡＩ＋Ａ２のように圧入される。

圧入芒れた冷却空気の大部分は矢印Ｂ１．Ｊ：１２のよ
うに界磁コイル（７１間に軸方向に入り、界磁極の遠心
ファン作用が加えられさらに昇圧され、半径方向に方向
転換し、エアギャップを経て固定子鉄心（９）の各通風
ダクトαＯＫ流入する。通風ダクトαＱを矢印Ｃのよう
に流通する冷却空気により、固定子コイルＯ蜀の直線部
及び固定子鉄心（９）が冷却され、昇温した冷却空気は
固定子鉄心（９）の背部に出る。

機内に圧入された冷却空気の一部は、矢印Ｄｌ＋Ｄ２の
ように回転子スパイダ（２）に軸方向に入り、回転子リ
ム（３）の各通風ダクト（４）を流通し、各ダクト片（
５）により昇圧され、各界磁極部底部間で風路が縮少さ
れて、るる程度の損失を生じて各界磁コイル（７）間に
流出し、矢印Ｂｌ、Ｂ２の軸方向の冷却空気主流に合流
し、通風ダクトαＱに流入する。

また、圧入された冷却空気の他部は、各コイル端部（１
４ａ　）間及び各コイル端部（１４ｂ）間を矢印１ｉ１
１及びＦ２のように通り冷却して昇温し、通風穴（１６
１Ｌ）を経て固定子鉄心（９）の背部に出る。

このようにして、固定子鉄心（９）の背部に出た３通風
系路の冷却空気は、空気冷却器（２）を通り熱交換され
て冷却され、丹び送風機−に吸引式れる。

このように、風胴部局に囲われ外部とはしやへいされた
状態で冷却空気が循環する、いわゆる、全閉内冷式とな
っており、揚水式発電所などの大容量発電電動機の代表
的な通風方式にされている。

上記従来の発電電動機において、冷却に必要な総風ｔＱ
０のうち、固定子コイル端部（１４ａ）　、　（１４ｂ
）の冷却風量Ｑ、を除いた大部分をなす風量Ｑ、　（は
＃ＥｊＱ０の８０％にも達する）は、最終的に界磁極の
遠心ファン作用を受けて界磁極の外周部の周速にまで加
速される。この空気の角運動量の増加に擬する動力Ｗは
空気比重量ρ、界界磁極同周速とすると、　　Ｗ＝ρＵ
　　Ｑ、　　　　　　で与えられる。

３００　ＭＶＡ　、　４００　ｒｐｍ級の発電電動機で
は、はぼ、ρ＝　１．２ｋｇ／ｍ３．　Ｑ、　＝　７２
００ｍ３／ｍｉｎ、　Ｕ＝４１６．４ｍ／ｓ程度の値に
なるので、動力Ｗは、 ｗ　＝　１９５１　（ｋｗ） もの大きい値になる。この動力は発電運転の場合、原動
機である水車から供給される。また、この外に送風機−
の動力Ｗ、は、 Ｗｂ　”　ｐ、Ｑ、／η　　　　として、圧力Ｐ０＝　
８０　ｋｇ／ｍ２．　　総風ｉ　Ｑ０＝＝　９０００ｋ
ｇ／ｎｎ１ｎ　。

効率η＝　０．８５の場合を想定すると、補機動力とし
て、Ｗ　ｂ　＝（８Ｘ　９８０　Ｘ　９２００　Ｘ　１
０６／６０）　Ｘ　１０−　”　Ｘ　ｌ／　０．８５＝
　１４．ｌ　（ｋＷ） を歎する。

従来の通風冷却装置は、上記のように大きい動力を消費
し、省エネルギ上好ましくなく、効率がそれだけ低下し
ていた。殊に、今後、水力発電システムにおける発電電
動機の大容量高速化は、ますます進展する傾向にあるが
、その場合、冷却風量Ｑ、により要する動力は、Ｗ＝ρ
Ｕ２Ｑ８であシ、冷却風ＩＱ、が現状のままであっても
、界磁極外周速の自乗に比例して大きな動力が要ること
になり、極めて効率の悪い冷却となる。

この発明は、送風機によシ冷却空気の大部分を固定子鉄
心に軸方向に流通し、固定部を冷却するとともに、冷却
空気の一部を回転子の各界磁間に軸方向に制限して流通
して冷却し、回転子の回転による風損を大幅に低減し、
高周速てらっても効率よく冷却し、通風に要する動力を
大きく低減するようにした、突極回転子形回転電機の通
風冷却装置を提供することを目的としている。

第３図及び第４図はこの発明の一実施例による突極回転
子形回転電機の通風冷却装置を示す、発電電動機の場合
の縦断面図及び正面断面図であり、（１）　、　（２）
　、　（６）　、　（ｙ）、　（＋４１　、　（１４ａ
）　、　（ｘ４ｂ）　、　（１５）は上記従来装置と同
一のものである。回転子スパイダ（２）の両端部には風
止め部材０１）を取付け、風損を低減している。に）は
スパイダ（２）にはめられ固定された回転子リムで、多
数枚の打抜き薄鋼板を積層し、多数本の締付はボルト（
図示は略す）で一体に締付けられてなっている。■は回
転子リムに）の外周両端側に取付けられ、隣接する各界
磁極間にはめられた風止め部材で、軸方向の通風を制限
し風損を低減する。

つぎに、に）は多数枚の薄電気鉄板を積層し締付はボル
ト０′４によシ締付けられてなる固定子鉄心で、スロッ
ト（３４ａ）に固定子コイル（１４）を挿入し固定して
いる。固定子鉄心−には、軸方向に貫通する多数の通風
孔（３４ｂ）が配設式れている。燐は固定子鉄心■の両
端を押える１対のクランパで、通風孔（３４ａ）に連通
ずる多数の連通孔（３５ａ）が配設されておる。に）は
内部に固定子鉄心−を保持する固定子フレームで、一方
の端板に通風穴（３６ａ）がるけられである。（ロ）は
固定子フレーム（至）の一端側に取付けられた一部の端
囲いで、コイル端部（１４ａ）に通風間隔をあけて囲う
導風板（至）が設けられてあり、圧入する冷却空気を固
定子部及び界磁極部に導く。

この端囲いに）で導入側通風路を形成している０■は固
定子フレームに）の他端側に取付けられた他方の端囲い
で、コイル端部（ｘ４ｂ）に通風間隔をあけて囲う導風
板（転）が設けられてアシ、固定子部及び界磁極部を流
通した冷却空気を固定子フレームに）の背部に導く。こ
の端一い■で導出側通風路を形成している。鵠は端囲い
（ロ）に取付けられた電動による送風機で、機内に冷却
風を圧入する。四は固定子フレーム（至）の背部に取付
けられた空気冷却器、卿は固定子フレーム（７）の外周
を間隔をあけて囲う風胴部でおり、連通通風路をなす。

上記一実施例の装置の作用は、次のようになる。

空気冷却器□□□を通って降温した冷却空気が、送風機
■に吸引され、端囲いＱ内に矢印Ｇのように圧入ちれる
。圧入された冷却空気の主流は、コイル端部（ユ４ａ）
を矢印Ｈのように通って冷却し、固定子鉄心−の各通風
孔（３４ｂ）を軸方向に矢印Ｊのように流通する。これ
らの通風孔（３４ｂ）を流通する冷却空気によシ、固定
子コイル（ロ）の直線部及び固定子鉄心一部からの発熱
を、通風孔（ｓ４ｂ）の内周の伝熱面を経て除去する。

固定子コイル（６）及び固定子鉄心一部の発熱は、固定
子鉄心■内を熱伝導によシ通風孔（３４ｂ）の伝熱面ま
で熱輸送される。

各通風孔（ｓ４ｂ）を流通した冷却空気は、コイル端５
（１４ｂ）　Ｎの室に出てから、矢印にのようにコイル
端部（１４ｂ）を通って冷却し、導風板（イ）と端囲い
■とにより形成された風路Ｖこ向う。

−他、端囲いに）内に圧入された冷却空気の一部は、矢
印りのように、各界磁極間に風量を制限されて流入し、
各界磁コイｋ（７）間を矢印ＭのようＶこ流通し、界磁
コイル（７）の発熱及び通風摩擦損による発熱を除去し
、矢印Ｎのように端一いに）内に向う０ 各部を冷却して昇温し端囲い曽内の風路に至った冷却空
気は、矢印Ｐのように固定子フレーム（至）の外周側に
向い、空気冷却器−を通って冷却される。また、固定子
フレーム（至）の外周側に向った冷却を気の一部は、固
定子フレームに）の通風穴（３６ａ）を矢印只のように
流入し、空気冷却器（６）を通って冷却される。空気冷
却器（ハ）を通って降温された冷却空気は、再び送風機
−に吸引され循環を繰返えす。

次に、上記一実施例の装置による通風冷却機能を、具体
例を示して説明する。ｌＮ４図は固定子鉄心−に設けら
れた通風孔（３４ｂ）の配置の一例を示している。各通
風孔（３４ｂ）の孔径をり、、孔数をＮとすると、固定
子コイルα慟及び固定子鉄心−の除熱に必要な風ｊｌＱ
、を流すに要する風速は、ｕ　＝　Ｑ、／　（π／４Ｄ
：ｍ）　　　　　　　　−−−−−（１）で与えられる
。これによる熱伝達率αは、次式で与えられる。

α＝λ／Ｄ　ｏ　Ｘ　０．０２３　（Ｄ　ｏｕ／ν）０
°８ｐ、９．４−−−−−　（２）たたし、λ：全空気
熱伝導率、シ：空気の動粘性係数　ｐｒ　：空気のプラ
ントル数 一方、伝熱面積Ａは次式で与えられる。

Ａ＝πＤＪＬ　　　　　　　　　　　−−−−−（３）
ただし、Ｌ：鉄心長　また、熱コンダクタンスは、Ｇ＝
Ａα＝πλＮＬＸ０．０２３　（Ｄｏｕ／ν）０．８ｐ
、’Ｌ’−−−−（４）となる。発熱量Ｈとして空気の
温度上昇Δθは次式になる。　　Δθ＝Ｈ／（ａρＱ、
）　　　　−−−−−（５）ただし、Ｃ：空気の比熱、
ρ：空気比重量よって、冷却空気の熱抵抗Ｒは、 Ｒ＝Δθ／ｍ＋１７（Ａα）で与えられ、整理すると、
Ｒ＝１／（πλＮＬＸ０．０２３Ｘ（４ＱＯ／（πＤＯ
Ｎす）０°８Ｐβ’）＋１／（ｃρＱ、）−−−−−（
６） となる。固定子鉄心の開孔比１５％の通風孔と考え、次
の条件の場合、 Ｑ０＝　５０００　ｍ３／ｗｉｎ　　　ＤＯ＝　４ｃｍ
　　（ｕ＝　５ｖ、５９ｍ／ｓ）Ｎ　＝　１１５２’　
　　　　　Ｌ　＝　４００ｃｍν＝　０．１５６　　　
　　　λ＝０．０２２１　　　Ｃ＝０．２４ρ＝　１．
１６６　　　　　　Ｐｒ＝　Ｏ，’７１熱抵抗は次のよ
うになる。

Ｒ＝＝　８．３９７４　Ｘ　１０　　℃ｓ／ｃａｌこの
熱抵抗は、冷却特性として妥当なものであシ、Ｈ＝　１
５００ｋＷ　　に対しても温度上昇値は３０．１℃程度
に収まる。

他の付加熱抵抗としては、固定子鉄心の沿層熱抵抗、固
定子コイルの絶縁熱抵抗がめるが、特に、この発明にお
いては、固定子鉄心■内を熱がすべて沿層方向に流れる
ので、これに基づく熱抵抗は空気の熱抵抗に比べて小さ
い。絶縁熱抵抗については、従来と同様の値と見なして
よい。

上記のように、この発明においては、固定子鉄心（ロ）
及び固定子コイル０４）の冷却風に、界磁極によって回
転角運動量を与えることがないので、従来のｗ　＝　ｘ
９５９（ｋｗ）に対応する動力損をなくすることができ
、省エネルギ上極めて有効な通風構造となっている。

界磁コイル（７）の冷却のため、冷却空気の一部を界磁
極間通風路に流通てせているが、これに要する風量は少
ないことと、風止め部材に）によって界磁極のファン効
果を抑制できることとにより、これらに基づく動力は非
常に小さくなる。こうして全体として、従来装置に比べ
多大の動力が低減される。

今後、水力発電システムにおける揚水発電所の発電電動
機は、ますます高速化に進展する傾向にある。その場合
、従来の装置では、冷却風蓋に歎する動力は、Ｗ＝ρＵ
　Ｑ、で示すように、冷却風量Ｑ、は現状のままでおっ
ても、界磁極外周部の自乗に比例して増大し、極めて不
合理な冷却手段を強いられることになる。

しかしながら、この発明では固定子コイル及び固定子コ
イル幀の冷却空気を、直接固定部に軸方向に通し、従来
のような界磁極外周部からの半径方向の冷却風を通すこ
とをなくし、界磁極間の通風量を抑制しており、高速化
による通風動力の増大はわずかとなる。こうして、この
発明による装置は、今後の通風冷却の主流になるものと
考えられる。

なお、上記実施例では、通風孔（３４ａ）は円形にした
が、これに限らず、放熱のよい個の形状にしてもよく、
場らに、配設位置及び個数は、必要に応じ適当に定める
ことができる。

また、上記実施例では、界磁極間の通風を制限風止め部
材（ト）を、両端側に設けたが、場合により、いづれか
一方備でもよく、中間部に１個宛でもよく、あるいは、
両端側と中間部とに複数個宛設けてもよい。

なおまた、上記実施例では導入側通風路及び導出側通風
路は、端囲いに）及び（至）によったが、それぞれ基礎
側に取付けた風胴により形成してもよい。

嘔らにまた、上記実施例では、回転電機として水力発電
システムなどでの、両方向回転する発電電動機の場合に
ついて説明したが、これに限らず、他の種の突極回転子
形回転電機の基本的通風システムとして適用できるもの
である。

以上のように、この発明によれば、固定子側に送風機を
装着し、固定子鉄心に軸方向の通風孔を複数箇所に配設
し、上記送風機からの冷却空気の主流を流通させて冷却
し、各界磁ｉ間に形成された軸方向の通風路に風止め部
材を投け、上記送風機からの冷却空気の一部を制限して
通して冷却し、各部を冷却して昇温した冷却空気を、固
定子フレームに装着した空気冷却器に通して降温し、上
記送風機に吸引されるようにしたので、固定子側は従来
のような界磁極側からの遠心ファン作用の冷却空気によ
ることなく、別途に冷却空気の流通により直接冷却され
、界磁極の回転による風損を大幅に低減し、高周速機で
あっても効率よく冷却され、通風機構が簡単になシ価格
が低下される。また、通風に費する動力が大幅に減少し
、大きな省エネルギとなり、機械の効率を大きく向上す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の突極回転子形回転電機の通風冷却装置を
示す発電電動機の縦断面図、第２図は第１図の■−■線
における断面図、第３図はこの発明の一実施例による突
極回転子形回転電機の通風冷却装置を示す発電電動機の
縦断面図、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線における断面
図でおる。 ６・・・磁極鉄心、７・・・界磁コイル、１４・・固定
子コイル、１４ａ　、　１４ｂ・・・コイル端部、３２
・・・回転子リム、３３・・・風止め部材、３４・・・
固定子鉄心、３４ａ・・・スロット、３４ｂ・・・通風
孔、３６・・・固定子フレーム、３７・・・導入側通風
路をなす端囲い、３９・・導出側通風路をなす端囲い、
４１・・・送風機、４２・・・空気冷却器、４３・・・
連通風路をなす風胴部 なお、図中同一符号は同−又は相当部分を示丸代理人　
葛野信−（外１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 固定部に装着されてあり、降温された冷却空気を吸引し
   機内側に圧入して循環させる送風機、複数のスロットに
   固定子コイルを装着し、固定子フレーム内に保持されて
   おり、軸方向の通風孔が複数箇所に配設されていて冷却
   空気の主流が流通される固定子鉄心、それぞれ界磁コイ
   ルを装着した複数の磁極鉄心が回転子リムの外周に取付
   けられ、上記各界磁コイル間に軸方向の通風路が形成さ
   れた複数の界磁極、上記回転子リムの外周に取付けられ
   、上記各界磁極間にはめられて上記軸方向通風路の通風
   を制限する風止め部材、上記固定子フレーノ・に取付け
   られ、機内を流通し昇温した冷却空気を通し降温させる
   空気冷却器、上記固定子フレームの一端側を囲って形成
   され、上記送風機からの冷却空気の主流を導き、上記固
   定子コイルの一部のコイル端部を経て上記固定子鉄心の
   各通風孔に流入させるとともに、上記送風機からの冷却
   空気の一部を上記各界磁極間の軸方向通風路に流入させ
   る導入側通風路、上記固定子フレームの他端側を囲って
   形成され、上記固定子鉄心の各通風孔を流通し上記固定
   子コイルの他方のコイル端部を通夛冷却して昇温した主
   流の冷却空気と、上記各界磁極間を軸方向に過多冷却し
   て昇温した一部の冷却空気とを導き、上記空気冷却器に
   通す導出側通風路、及び上記空気冷却器を通り降温した
   冷却空気を上記送風機に導く連通通風路を備えた突極回
   転子形回転電機の通風冷却装置。