JPS6053539B2 - 回転電機の集電環冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、例えばタービン発電機あるいは水車発電機
などの大容量回転電機に採用されている集電環の冷却装
置に関するもので、静止体のブラシから回転体の集電環
に電流を可逆的に伝える装置において、ブラシの摺動接
触の摩擦損及び接触抵抗損によつて発生する集電環表面
近傍熱を強制的 に平衡をもたせ全体を一様に冷却する
ようにした冷却装置に関するものである。

集電環の冷却手段としては、油冷却や水冷却などの特
殊な場合もあるが、ごく一般には強制通風冷却のものが
採用されている。

最近のように回転電機が大容量化してくると界磁電流も
増加し、それに伴つて同一集電環に装着するブラシ個数
も増加し、ブラシ取付け密度（装着密度）が大きくなる
。このような状況における通風冷却方式では通風路が著
しく制限され、すべてのブラシが一様に、かつ十分な冷
却できなくなつてくる。このような状況下ではブラシ温
度の不均衡に基因する摩擦特性、通電々流の不平衡を生
じ、その結果、局部的なブラシ異常摩耗やブラシ火花の
発生を誘発し、それが他の正常ブラシにも連鎖的に波及
し、遂には回転電機の運転不能という大事故を生じる。
このような欠点を是正するために従来はこの通風冷却
に、さらに第１図に示すように集電環の一Ｊ部に熱を移
動させる手段を埋設して冷却するようにしたもの、すな
わちヒートパイプを利用し集電環を冷却するようにした
ものが考えられている。

この図は集電環のまわりを示したもので、回転子軸１の
表面に電気的絶縁体２を介して配された集電環３があり
、そしてその上にはブラシ４がブラシ保持器５に保持さ
れて摺動可能に乗置されている。回転子軸１の同軸上に
は冷却ファン（図示しない）が設けられ、それによつて
図中矢印のように冷却ガスが流れる。この冷却ガスは、
集電環周囲を冷却した後案内ガイド６によつて外部へ排
出される。集電環３の軸方向の両端面には端板７が当て
がわれ、この端板７と集電環３にはその円周方向に間隔
をもつて軸方向に貫通した複数個の穴が穿設されている
。端板７のそれぞれの穴には、一方の端板から他方の端
板に跨つて外筒管８が挿入固定されている。外筒管８の
端板７よりの突き出し部分には環状の放熱器９が取付け
られ、外筒管８の中には蒸発潜熱の大きい凝縮液体１０
が封入された密封室１１が形成されている。すなわちヒ
ートバイブが形成されている。このような集電環を運転
した場合、集電環３とブラシ４の抵抗損あるいは摺動摩
擦損につて生じた熱はヒートバイブにより低温部へ伝搬
される。すなわち、集電環３及びブラシ４の発熱につて
密封室１１内に封入されている凝縮液体１０は蒸発し、
密封室１１内の内部圧力が上昇する。この場合、この外
部の両端は放熱器９により冷却されていることから、密
封室１１て発生する蒸気はこの冷却部分との圧力差につ
て密封室１１から両端の外筒管８の突き出し部へ移動す
る。

蒸気はこの部分で凝縮され再び密封室１１内へ押し戻さ
れ、蒸発一凝縮の同じサイクルを連続的に繰返し、蒸発
部から凝縮部へと熱を伝搬する。このよ−うにしてブラ
シと集電環により発生する熱を軸方向へ伝搬して効果的
に取り去り、速やかに熱平衡して一定温度に保持するよ
うに理論上はなるわけである。しかし、実際には蒸発部
と凝縮部とではそれぞれ加熱及び冷却による温度差が非
常にわず．かであり、容易には熱移動がなされないのが
普通である。蒸発部と凝縮部との温度差をできるだけ大
きくして熱の伝導量を増すために一般には放熱器９の冷
却が充分に行なわれるように、多の量の冷却風を放熱器
９に当てるようにしている。しかしながら実際には冷却
風量にも限度があり、したがつて凝縮部の放熱量を大き
くするためには放熱器９を大形としなければならなくな
る。しかしこの放熱器を大きくするにも限度がありいた
ずらに大きくすることはできない。したがつて、この従
来のものでは熱の伝搬が乏しくなり、例えは第６図に示
す集電環表面温度分布関係の曲線Ｐのように、集電環の
軸端部４ａ，４ｇでは低温であるが、中央部分４ｃ〜４
ｅでは高くなつてしまう。この対策としては、この部分
に冷凍機等を設けることも考えらるが、大型化や構造が
複雑化するので実用的ではない。

本発明はこれにかんがみなされたもので、その目的とす
るところは、上充の欠点の無い、すなわち構成簡単にし
て集電環全体を一様に冷却することのできるこの種冷却
装置を提供するにある。

すなわち本発明は集電環に設けられている密封室を、内
筒管及び外筒管によりニ重の筒状室になすとともに、内
筒管と外筒管との間に凝縮液体を封入して両端を密栓し
、かつ前記内筒管内の空間に冷却ガスを軸方向に流通せ
しめるようになし密封室内の熱の伝搬を径方向及び軸方
向に行うようにして初期の目的を達成するようにしたも
のである。以下図示した実施例に基づいて本発明の詳細
な説明する。

第２図は本発明を実施したタービン発電機の集電部のま
わりを示すもので、図中、第１図と同様の部分には同じ
符号が付してある。

集電環３の軸方向の両端面の端板７には、従来と同様に
円周方向に所定の間隔をもつて軸方向に貫通した穴が穿
設されている。

この端板７のそれぞれの穴には一方の端板から他方の端
板に跨つて内筒管１２を有する二重円筒状の外筒管８が
挿入され固定されている。外筒管８の端板７よりの突き
出し部分は環状の放熱器９が取付けられている。そして
内筒管１２の内部は、軸方向に冷却ガスが流通できるよ
うに冷却ガス流通孔１３となつている。外筒管８と内筒
管１２及び密栓１４とで形成される密封室１１の中には
蒸発潜熱の大きい凝縮液体１０が封入されている。密栓
１４には、ガス流通孔１３の径とほぼ同径の孔が穿設さ
れ、冷却ガスは図中矢印で示すように、ガス流通孔１３
内を軸方向に流れる。これにより、第３図に示すように
凝縮液体１０の蒸発蒸気はガス流通孔１３の冷却によつ
ても凝縮が行なわれる。すなわち凝縮液体１０の蒸発一
凝縮は次のように行なわれるものである。集電環３の回
転に基づく遠心力により凝縮液体１０は密封室１１の一
側（回転子軸に対して外側）に片寄る。この場合この片
寄りは集電環の摺動表面側すなわち加熱側でもあり、こ
の状態で凝縮液体の蒸発が行なわれる。蒸発した蒸気は
径方向に同密封室内の片側（回転子軸１側）へ移動する
が、その途中に冷却された内筒管１２があるため蒸気は
この部分で凝縮される。そして凝縮された凝縮液体は再
び回転子軸に対して外側の方へ移動し、循環をくり返す
のである。勿論この場合この蒸発一凝縮の径方向循環と
同時に従来同様軸方向循環も行なわれる。すなわち蒸発
した蒸気は、第２図に点線で示すように径方向と同時に
軸方向にも移動し、端部の放熱器９の部分で冷却され凝
縮するのである。このようにこの構成によれば熱の放熱
は、密封室内部で径方向にも行なわれることから、たと
え軸方向に長大な集電環であつたとしても、その長さは
関係なく集電環の一様な冷却をはかることができるのて
ある。

なお以上の説明では内筒管で形成したガス流通孔の冷却
媒体として、冷却ガスを流通させるようにしたが、この
冷却媒体は常に冷却ガスでなければならないわけではな
く、例えば冷却水を流通させるようにしても同様な効果
が得られることは勿論である。

しかし一般にはブラシの部分も含めた集電部分の冷却に
は冷却ガスが用いられていることから、冷却ガスを用い
るようにすると構造の簡単さやメインテナンスの点から
非常に有利である。

又このガス流通孔の冷却媒体として冷却ガスを流通させ
る場合にも、外筒管８及び内筒管１２の形状はいかなる
もの、例えば第４図に示すようにほぼ角形のものであつ
ても勿論よいが、製造の面からみれば円形の方が有利で
ある。

又この内筒管１２は外筒管８に対して同心の二重筒構造
ではなく、第５図のように例えば内筒管８に外筒管１２
に対してブラシ摺動表面側すなわち加熱側へ偏つた非同
心に配することもでき、この場合熱交換の点から非常に
有利である。次に第６図より従来のものと本発明のもの
をその効果より比較してみる。

この図は前述もしたが、集電環の軸方向位置とその位置
における温度さの関係を表わしたもので、本発明の冷却
装置は”温度曲線Ｑで示されている。これによると、集
電環の軸方向全長に対してほぼ一様な温度分布となり、
さらに従来の冷却装置の温度曲線Ｐに比し十分低い温度
となることがわかる。以上説明してきたように、本発明
は集電環に設けられている密封室を、内筒管及び外筒管
によりニ重の筒状室になすとともに、内筒管と外筒管と
の間に凝縮液体を封入して両端を密栓し、かつ内筒管内
の空間に冷却ガスを軸方向に流通せしめるようにしたか
ら、集電環の摺動部近傍の発生熱は径方向の短い距離を
伝搬して放熱される。

従つてたとえ軸方向に長大な大容量回転電機の集電環で
あつても一様に冷却することが可能であり、ブラシの摺
動に異常現象等の起ることのないこの種冷却装置が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の集電環冷却装置及びその周囲を示す縦断
側面図、第２図は本発明の集電環冷却装置及びその周囲
を示す縦断側面図、第３図は第２図のＲ矢印方向より見
た正面図、第４図及び第５図は第３図と同部分を示す他
の実施例の正面図、第６図は集電環軸方向位置と温度と
の関係を表わす曲線図てある。 １・・・・・・回転軸、２・・・・・・絶縁体、３・・
・・・・集電環、１１・・・・・・密封室、１０・・・
・・・凝縮液体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転子軸上に電気的絶縁を介して乗置された集電環
   と、該集電環の外周近傍で軸方向に伸び、かつ端部が集
   電環の端部より露出して設けられ、かつ内部に凝縮液体
   を封入した筒状の密封室と、前記集電環の周囲に冷却ガ
   スを流動せしめる通風装置とを備えた回転電機の集電環
   冷却装置において、前記密封室を、内筒管及び外筒管に
   より二重の筒状室になすとともに、内筒管と外筒管との
   間に凝縮液体を封入して両端を密栓し、かつ前記内筒管
   内の空間に前記通風装置よりの冷却ガスを軸方向に流通
   せしめるようにしたことを特徴とする回転電機の集電環
   冷却装置。 ２ 前記密封室を非同心の二重筒状に形成したことを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転電機の集電環
   冷却装置。