JPS59106853A - 回転電機の集電装置 - 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】 〔発明の利用分野〕 本発明は回転電機の集電装置に係六特に回転軸に電気的
絶縁体を介して嵌合固定され、回転軸と共に回動する集
電環、この集電環の外周面と摺動接触するブラシ、この
ブラシを保持するフ゛ラシ保持器（以下、保持器と称す
る）、これら集電環、ブラシおよび保持器を覆っている
ブラシ室を備え、集電項四りには入気ダクト、隔壁、風
道および通風ファンを介して流通する冷却風の一部が流
通する回転電機の集電装置に関するものである。

〔従来技術〕

回転界磁形の回転電機では、通常ブラシと集電環の摺動
接触部を介して静止側から回転子巻線に励磁電流を供給
する機械式の集電装置が採用される。そしてこの種集電
装置では、ブラシ摺動部に発生ずる摺動摩擦損等の機械
的損失熱と電流通電時の接触電圧降下等による電気的損
失熱とによって集電環やブラシが温度上昇する。この温
度上昇は、集電環の周速が小さく通電々流の小さな小容
量の回転電機用の集電装置では僅かであり、特に大きな
問題とはならない。しかし単機容量が５０万から１００
万ｋＶＡにも及ぶ事業用タービン発電機等を対象とした
高周速、大電流の装置になると、１つの集電環に取り付
けられるブラシ個数が増加し、過密装着されるので、ブ
ラシ摺動部に発生する損失が増加し、この温度上昇が非
常に大きくなる。これによシブラシの摩耗過大やブラシ
の摺動安定性の低下等の問題が生じる。このため大容量
の集電装置では、集電部に強制的に冷却空気を通風して
冷却する所謂強制通風冷却によって集電部れてきた。そ
してこのような強制通風冷却方式を採用したものでは、
この温度」二昇によるプラン摩耗の増加や摺動安定性の
低下が通常ある温度以上になると急激に加速される性質
があるので、発生損失の大きな大容量の集電装置に々る
程、冷却を強化するため冷却空気の風量を増加させるこ
とが必要であった。このような理由から従来のタービン
発電機を対象としだ集電装置では、近年の発電機単機容
量の大容量化と共に、主として通風ファンの大寸法化（
大容量化）により通風圧力を増加し、集電部の冷却風速
を高く設計することによって通風量の増加が図られてき
た。この結果、最近の大容量集電装置では次に述べるよ
うな種々の弊害が生じ問題となっている。

すなわち通風速度の増加に伴い、本来集電環に一定圧力
かつ一定姿勢で押圧され安定した摺動が行なわれるべき
ブラシが、冷却風の風圧の影響を強く受は集電環上での
不安定な振動、すなわちチャタリング現象を生じ摺動部
を介しての安定した電流供給を妨げ、集電能力を著しく
低下させ易くなってきたこと、通風ファン寸法の増大に
より動力損失が増加し、発電システムの効率（ランニン
グコスト）全低下させること等である。これらのことに
ついて大容量タービン発電機の集電装置の従来例が示さ
れている第１図によシ説明する。

との集電装置は発電機の回転軸１上に電気的絶縁体２を
介して正負一対の集電環３が嵌合され、この集電環３上
にブラシ４が保持器５に保持されて摺動可能に乗置され
、押圧装置（図示せず）によって集電環３の外周面に対
して垂直方向に押圧されている。ブラシ４と集電環３と
の摺動接触部で両者は電気的に接続され、この接触部を
介して電流を静止側（ブラシ４側）から回転側（集電環
３側）に通電し、回転軸ｌの軸中心部または外周に沿っ
て配備される電流リードによって回転子巻線に励磁電流
が供給される。これら集電環３、ブラシ４等で形成され
る集電部はカバー６によって気密に覆われ、仕切板７に
よって正負一対の集電部に共通な通風冷却路の一部を構
成する風道８を軸方向中央部に形成し、通風ファン９に
より冷却風を人気ダクト１０から吸込み、カバ−６内部
の集電部囲りの空間すなわちブラシ室１１を介して図中
に実線の矢印で示されているように風道８から排出する
経路で強制通風して、集電環３およびブラシ４を冷却し
ている。また温度上昇が問題となるブラシ４の摺動部近
傍にできるだけ集中して冷却空気を流通させて冷却効果
を上げるため、摺動部に近接した開口部１２を有する隔
壁１３が設けられている。なお集電環３の外周部には軸
方向に貫通する通風孔３ａが設けられておムブラシ室１
１から風道８側に流通する冷却風により集電環３の部分
を間接的に冷却するようにしている。

このような従来の集電装置では、ブラシ４囲りを冷却す
る冷却風の流速が集電環３の軸方向に沿って隔壁１３側
になる程大きくなる。このため大きな風量が必要な大容
量の集電装置になると、隔壁１３側に近いブラシ４の頭
部４ａを通る冷却風の流速が非常に高速となり、流速の
自乗に比例して増加する動圧によってブラシ頭部４ａが
斜め方向に強く押圧され保持器５内で軸方向に傾き、こ
れによりブラシ４の摺動が不安定となり、前述のような
チャタリング現象が生じ易くなる。すなわち第２図に示
されているようにブラシ４は、その頭部４ａに図中に実
線の矢印で示されているように斜めに当たる冷却風の動
圧（風圧）によるべ矛トルＰと、ばね機構によシ集電環
３の外周面に所要面圧をもって押圧する正規の抑圧成分
ベクトルＱとのベクトル和である押圧力の合成ベクトル
Ｒで押圧される。これによりブラシ４は保持器５との間
に微小間隔δがあるため図中に点線で示されているよう
に傾き、集電環３との接触面のＦ側では集電環３表面と
強く接触し、反対にＧ側では軽い接触か、全く接触しな
い状態となる。しかもこのような状態は非常に不安定で
あり、冷却空気の流速の僅かな変動や摩耗によるブラシ
寸法の変化等によυ上述の押圧成分べ矛トルＰの方向と
大きさとが微妙に変化し、一方正規の抑圧ベクトルＱは
常にブラシ４を正位置に復帰させる方向に作用している
ので、図中実線表示の位置と点線表示の位置との間をブ
ラシ４が往復する状態が繰り返され、この繰り返し周期
とブラシ４部分の固有振動数とが一致するとブラシ４が
激しく共振し、チャタリング現象が生じる。そしてチャ
タリング現象が生じると、ブラシ４の異常摩耗、割損等
が生じ、極端な場合には発電機全体としての軸振動増加
の誘発要因ともなシ、本来これらの問題が生じるのを防
止するために行なっている強制冷却の目的と相反する結
果をきたす。

勿論強制通風される大容量の集電装置に上述のような問
題のあることはある程度知られており、従来からブラシ
の保持装置の改良やブラシ間りの〕ｍ風抵抗の低減等の
対策がとられてきた。しかし前者については問題点の発
生限界を若干向上できる程度で本質的な解決策とは云え
ず、後者については従来構造の延長上で考えると、大容
量の集電装置になる程ブラシが過密装着され、かつ軸方
向のブラシ配列数が増加するためむしろ通風抵抗は増加
するのが普通であり、いずれも上述の従来の集電装置の
問題点を十分に解決できるもので幻ニない。

また集電環内部の通風孔を流通する冷却風を増加し、集
電環内部を介しての放熱量を増加することによって相対
的にブラシ囲シを通る冷却風によって冷却すべき損失量
を低減することも考えられる。このため集電環内通風孔
の通風量の増加手段として、通風孔の形状寸法あるいは
通風孔への導風装置等に関する種々の改良某が提案され
ているが、タービン発電機等の高速回転機を対象としだ
大容量の集電装置では、集電環の機械強度の点から通風
孔の設置し得る数や孔面積には限度があり、同様に複雑
な導風装置を回転体上に装備することも技術的に実施田
畑な場合が多く、実用的でない。

しかも機械確度の点から摺動速度すなわち集電環の周速
の制約から大容量の集電装置になるに従い集電環の外径
を一定として軸方向に長い集電環となるため、大容量の
集電装置になっだからといって通風孔の断面積を大きく
することは現実には不可能で、むしろ大容量の集電装置
になる程通風孔による集電部に対する冷却効果は相対的
に低下するのが普通である。

さらにまた前述のチャタリング現象は非常に微妙な通風
状態の変化やブラシ寸法の変化によって誘発されるので
、何時どのブラシに生ずるかの事前の予測が難しいこと
がこの問題の解決を一層難しいものにしている。このた
め次善の策としてブラシの摺動状態が安定していること
を定期的に確認することを定期的に実施することが行な
われているが、前述の第１図の集電装置はこのような摺
動状態の確認上の点からも望ましくない。それは多数の
ブラシが装備された大容量の集電装置において、総ての
ブラシの摺動状態の良否の判定を短時間にしかも適切に
判定する方法の一つはブラシの摺動音を聞くことである
が、ブラシ間を高流速で通過する風音が大きく、これが
＠１騒音となって摺動音を区別して聞くことを困難にし
ているためである。

〔発明の目的〕

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、その目的
とするところは、冷却風の風圧に起因するブラシのチャ
タリング現象の防止を可能とした回転電機の集電装置を
提供するにある。

〔発明の概要〕

すなわち本発明は、風道を、ブラシ室に隣接し集電環の
軸方向一端部の外周に内径端を近接させた隔壁によって
ブラシ室と気密に仕切り、かつ風道と人気ダクトとを直
管状に形成すると共に、少なくともその受熱部の一部を
ブラシ保持器の一部に埋設し、その放熱部を風道中に露
出するようにした熱伝達装置を設け、ブラシの摺動部に
発生する電気的・機械的損失熱の一部を熱伝達装置の受
熱部を介して風道内に露出する放熱部に伝達し、この放
熱部を風道中の冷却風によって冷却するようにしたこと
を特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、図示した実施例に基づいて本発明を説明する。第
３図には本発明の一実施例が示されている。なお従来と
同じ部品には同じ符号を付したので説明は省略する。本
実施例では風道８ａを、ブラシ室１１に隣接し集電環３
の軸方向一端部の外てブラシ室１１と気密に仕切り、か
つ風道８ａと人気ダクト１０ａとを直管状に形成すると
共に、少なくともその受熱部１４ａの一部を保持器５の
一部に埋設し、その放熱部１４．　ｂを風道８ａ中に露
出するようにした熱伝達装置１４を設け、ブラシ４の摺
動部に発生する電気的・機械的損失熱の一部を熱伝達装
置１４の受熱部１４．　ａを介して風道８ａ内に露出す
る放熱部１４　ｂに伝達し、この放熱部１４ｂを風道８
ａ中の冷却風によって冷却するようにした。そして熱伝
達装置１４を、放熱部１４ｂに放熱フィン１４ｃｉ設け
だヒートパイプ装置で形成した。このようにすることに
よｐ１１重部が間接的によく冷却されるようになって、
ブラシ４周辺に多量の冷却風を流通させなくてもよくな
シ、冷却風の風圧に起因するブラシ４のチャタリング現
象の防止を可能としだ回転電機の集電装置を得ることが
できる。

すなわぢ本実施例の従来の集電装置との相違点は次に述
べる通シである。円周方向に複数個配置される各保持器
５の一部に受熱部１４ａが埋設され、放熱フィン１４Ｃ
を有する放熱部１４ｂが風道８ａ内に突出（露出）する
ように配置された棒状のヒートパイプ装置１４が設けら
れていること、ブラシ室１１と風道８ａとが、その内径
端１３ｂが集電環３の外周面に近接するように形成した
隔壁１３ａによって極力気密に仕切られていること、入
気ダク）１０ａｉ風道８ａの下部空間８ｂと連通ずるよ
うに形成し、通風ファン９によシ風道８ａ中に図中実線
の矢印表示のように強制通風するようにされていること
等でアシ、このような特徴を有している本実施例の集電
装置の冷却作用を次に述べる。

まず回転軸１が回転し集電が行なわれる運転状態に入る
と、摺動部に発生する損失によシ集電環３とブラシ４と
を介しての熱伝導により保持器５が加熱され温度上昇す
る。次にこの温度上昇がある一定淵度以上になるとヒー
トパイプ装置１４が熱抵抗の極めて小さい伝熱素子とし
て作動し、集電部に発生した熱の一部は保持器５が一種
の集熱器としての役目を果たし、受熱部１４ａを介して
風道８ａ内に露出する放熱部１４１〕に効率よく伝達さ
れる。そしてこの風道８ａ内に露出するヒートパイプ装
置１４の放熱部１４ｂ迄伝達された熱を、放熱フィン１
４Ｃ部分を強制通風冷却することによって冷却空気中に
放熱させ、集電装置外に搬出する。一方、集電部に発生
する損失の残りの熱は、従来の集電装置と同様集電環３
の外周部に設けられた通風孔３ａを通る冷却風によって
冷却される。このようにしてブラシ４周辺に多量の冷却
風を流通させることなく集電部を間接的に冷却すること
を可能にした。またとの集電装置に採用するヒートパイ
プ装置１４としては、その高性能伝熱素子としての作動
開始温度が、適正なブラシ４の摺動を維持するために必
要なブラン温度の許容限界値以下のものを用いている。

なお隔壁１３ａに設けられた補助通風孔１５ａ。

１５ｂは、通風孔３ａを通る冷却風およびヒートパイプ
装置１４によって除去できなかったブラシ４および保持
器５囲りの熱がブラシ室１１内に蓄績するのを防止する
ために、図中に矢印の付いた点線表示の経路で流通する
冷却風を供給するだめのバイパス通風路を形成するだめ
のものである。

このバイパス通風路を通る風量中ブラシ４近傍を通る図
中に矢印の付いた点線表示の経路の通風量は、従来の集
電装置のブラシ４囲シを通る通風量に比べ非常に少ない
量で十分なため、このようなバイパス通風路を付加した
ものにはチャタリング現象を生ずる原因となったり、風
音を増加したシすることなくブラシ室１１内の空気の温
度上昇を抑制し、かつ空気の汚れを防止することができ
る効果がある。

このように本実施例によれば集電部囲シに大風量を流通
させないで集電部を間接的にしかも効率よく冷却できる
ので、大容量の集電装置においても従来の集電装置で問
題となっていだ集電部近傍の冷却風速（風圧）の増加に
起因するブラシ４のチャタリング現象の発生を解消でき
る。

また冷却風の流通に基づく集電部門りの風音がブラシ４
囲りを通る冷却風量の減少に伴って低減するので、ブラ
シ室１１内の静音化が可能となって、風音に煩られされ
ることなくブラシ４の摺動音による摺動状態の良否が判
定可能となり、保守性を向上できる。

さらに集電部特にブラシ４囲りを冷却するだめの通風冷
却路が風道８ａ下部の入気ダク）１０ａから上部に向う
曲がり部のない直管状の単純形状となり、かつ通風冷却
路途中に通風断面が極端に小さくなる部分がないため、
通風抵抗が従来の集電装置に比べ著しく低減されるので
、大容量の集電装置に対しても通風ファン９の寸法を大
きく（大容量）することなく、集電部を十分に冷却する
ことができる。

第４図には本発明の他の実施例が示されている。

本実施例では保持器５に２個のヒートパイプ装置１４．
１４゜を設けた。すなわち熱伝導のよい全肉 戦材によって一体的に製作された保持器５の肉厚に形成
した一側壁５ａ中に、２個の棒状のヒートパイプ装置１
４，１４゜の一端１４ａ＋１４ｍをブラシ４の配列方向
全長にわたって熱的に良好な接触を保ち、かつその長手
方向が集電環の回転方向（周方向）およびブラシ４の装
着方向の各々に対し垂直方向となるように埋設した。こ
のようにすることによりブラシ４とヒートパイプ装置１
４゜１４゜との間の熱抵抗を小さくすることができる。

なお同図において、１４ｂは放熱部、１４ｅは放熱フィ
ンである。

〔発明の効果〕

上述のように本発明は、集電部の間接的な冷却をよくし
てブラシ周辺の冷却風を少なくなるようにしだので、ブ
ラシ周辺の冷却風が少々くなって、ブラシの冷却風の風
圧に起因するチャタリング現象が防止できるようになり
、冷却風の風圧に起因するブラシのチャタリング現象の
防止を可能とした回転電機の集電装置を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の回転電機の集電装置の縦断側面図、第２
図は第１図のブラシ囲りを拡大した拡大線図、第３図は
本発明の回転電機の集電装置の一実施例の縦断側面図、
第４図は本発明の回転電機の集電装置の他の実施例のブ
ラシ保持器間りの斜視図である。 １・・・回転軸、２・・・電気的絶縁体、３・・・集電
環、４・・・ブラシ、５・・・ブラシ保持器、８ａ・・
・風道、９・・・通風ファン、１０ａ・・・入気ダクト
、１１・・・ブラシ室、１３ａ・・・隔壁、１４．．４
４゜・・・熱伝達装置（ヒートパイプ装置）、１４ａ、
ｔ４ｍ・・・受熱部、１４ｂ、１４ｂ・・・放熱部、１
４ｃｐ１４ｅ・・・放熱（ほか１名） 第　２　　ａ ４

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、回転軸に電気的絶縁体を介して嵌合固定され、前記
   回転軸と共に回動する集電環と、この集電環の外周面と
   摺動接触するブラシと、このブラシを保持するブラシ保
   持器と、これら集電環、ブラシおよびブラシ保持器を覆
   っているブラシ室とを備え、前記集電環囲シには人気ダ
   クト、隔壁、風道および通風ファンを介して流通する冷
   却風の一部が流通する回転電機の集電装置において、前
   記風道を、前記ブラシ室に隣接し前記集電環の軸方向一
   端部の外周に内径端を近接させた前記隔壁によって前記
   ブラシ室と気密に仕切シ、かつ前記風道と前記人気ダク
   トとを直管状に形成すると共に、少なくともその受熱部
   の一部を前記ブラシ保持器の一部に埋設し、その放熱部
   を前記風道中に露出するようにした熱伝達装置を設け、
   前記ブラシの摺動部に発生する電気的・機械的損失熱の
   一部を前記熱伝達装置の前記受熱部を介して前記風道内
   に露出する前記放熱部に伝達し、この放熱部を前記風道
   中の前記冷却風によって冷却するようにしたことを特徴
   とする回転電機の集電装置。 ２、前記熱伝達装置が、前記放熱部に放熱フィンを設け
   たヒートパイプ装置である特許請求の範囲第１項記載の
   回転電機の集電装置。 ３、前記隔壁が、前記ブラシ室と前記風道とを連通ずる
   補助通風孔を設けて形成されたものである特許請求の範
   囲第１項記載の回転電機の集電装置。