JPS6137858B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回転電機の集電環冷却装置に係り、特
にタービン発電機あるいは水車発電機などの大容
量回転電機に好適な集電環冷却装置に関する。

周知のように油冷却や水冷却などの特殊な場合
を除き、一般に採用されている集電環の冷却装置
は強制通風冷却が普通である。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。このような状態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、かつ十分な冷却が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、通電電流の不均衡が生じ、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。

第１図は集電環まわりを示したもので、回転子
軸１の表面に電気的絶縁物２を介して嵌合された
集電環３があり、そしてその上にはブラシ４ａ〜
４ｇがブラシ保持器５に保持されて摺動可能に載
置されている。回転子軸１の同軸上には冷却フア
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
冷却後案内ガイド６によつて外部へ排出される。
集電環３の外周近傍における同一円周上に互に所
定の間隔をあけて軸方向に伸びる複数個の貫通穴
７が穿設されており、これらの貫通穴７には、蒸
発潜熱の大きい凝縮液体８が封入された密封管
９、すなわちヒートパイプ１０が嵌挿され、端板
１１を介して溶接などにより集電環３に固着され
ている。また、前記ヒートパイプ１０の端板１１
から突出した両端部には環状の放熱フイン１２が
溶接などで取付けられている。

このような集電環を運転した場合、集電環３と
ブラシ４ａ〜４ｇの抵抗損あるいは摺動摩擦損に
よつて生じた熱はヒートパイプ１０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
ａ〜４ｇの発熱によつて密封管９内に封入されて
いる凝縮液体８は蒸発し、密封管９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フイン１２に
より冷却されていることから、密封管９の軸方向
中央部分の蒸発部で発生する蒸気は上記冷却部分
（凝縮部）との圧力差によつて両端の凝縮部へ移
動する。蒸気はこの部分で凝縮され再び中央の蒸
発部へ還流され、蒸発−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、ブラシと集電環より発生す
る熱を軸方向に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、実際には蒸発部のブ
ラシ発熱部から凝縮液体８への熱の伝搬にはヒー
トパイプ１０を構成する密封管９が介在してい
る。このため、集電環３と密封管９の接触部にお
ける熱抵抗が高いので、集電環３の径方向への熱
伝達が悪く、熱は殆んど集電環３の外周部分を軸
方向に伝搬して温度の低い集電環３の両端部に移
動されるだけで、ヒートパイプの機能が十分発揮
されない。

この対策としては、ヒートパイプの蒸発部と凝
縮部とのそれぞれ加熱及び冷却による温度差をで
きるだけ大きくして熱の伝導量を増すために、放
熱フイン１２の冷却が充分に行なわれるように、
多量の冷却ガスを放熱フイン１２に当てるように
したり、放熱フイン１２を大きくしなければなら
ない。しかし、カバー等で覆われていない回転体
露出部の大型化や構造が複雑化するので、実用的
ではない。

また、第２図に示すように、集電環３に穿設さ
れた貫通穴７に直接凝縮液体８を封入する方式も
知られている。この場合には、貫通穴７の両端部
に配置された各端板１１の端面にそれぞれ放熱フ
イン１２を有する外筒管１３を溶接などで固着す
ることによつて、密封室１４が構成されている。
外筒管１３の端面には、凝縮液体８を外部から注
入したり、あるいは外部へ排出するためのねじ穴
からなる注排口１５が設けられ、この注排口１５
は密栓１６の螺合によつて閉塞されている。な
お、１７は外筒管１３と密栓１６との間をシール
するパツキングである。

このような構造であれば、ブラシ４ａ〜４ｇと
集電環３からの発生熱は、直接密封室１４内の凝
縮液体８に伝導されるので、集電環３の内部径方
向でも熱の放散が効果的に行なわれ、温度の均等
化は改善されて、例えば第４図に示すように、集
電環表面温度分布関係曲線は、第１図の従来構造
では曲線Ｐのようであつたものが、この構造では
曲線Ｑのようになり、温度を低減できる。

なお、注排口１５の目的は、一般に集電環３の
素材としては機械強度と耐摩耗性の大きい高炭素
鋼が用いられており、腐食を発しやすい材料であ
るために、凝縮液体による腐食を考慮して設けた
ものである。すなわち、タービン発電機のように
ライフサイクルの長い回転電機の集電環内部の腐
食の発生はこの部分が高温、高ストレスとなる部
分であり、信頼性の確保には腐食に対し十分な配
慮をしなければならない。このため、凝縮液体に
予め腐食抑制剤を入れてあるが、運転停止する定
期点検時などを利用して、注排口より凝縮液体の
点検、あるいは交換するために設けておくもの
で、この種のヒートパイプ構造では欠かせないも
のである。通常、凝縮液体の点検、あるいは交換
は回転電機の１〜２年毎の定期点検時に行なわれ
ている。

この場合、最も問題になるのは個々の密封室内
へ注入する凝縮液体の注入量の配分である。すな
わち、タービン発電機のように高周速で回転する
回転電機では、集電環密封室内の凝縮液体のわず
かな不均等配分でも振動が大となつて、運転停止
という重大事故を招く。そこで、凝縮液体を均等
に注入するために細心の注意を払つて行なわれる
が、多数個の密封室が設けられる大容量の回転電
機では容易な作業ではない。さらには、凝縮液体
の気密を保持するためには、高周速回転体である
ためにその機能上、密封構造が複雑化し、大型化
する。このため、集電環の側面の余分な回転露出
物となつてブラシの点検、あるいは交換作業の危
険性が高まつてきている。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除
き、各密封室内に凝縮液体を均等に配分して、不
安定振動を生じることなく集電環全体を一様に冷
却することのできる冷却装置を提供するにある。

この目的を達成するため、本発明は、全ての密
封室の端部を互に連通する周方向に伸びる連通路
を設け、かつこの連通路に連なつてその径方向内
側に、周方向に伸びるダムを形成することによ
り、回転によつて働く遠心力を利用して凝縮液体
を各密封室内に均等に配分するようにしたことを
特徴とする。

以下、本発明の一実施例を第３図について詳細
に説明する。第３図はタービン発電機の集電部ま
わりを示すもので、図中、第１図および第２図と
同一符号は同一物または相当物を示す。

集電環３の外周近傍における同一円周上には、
集電環３の一端部側のブラシ４ｇの位置する摺動
面下付近から他端部側のブラシ４ａの位置する摺
動面下付近まで軸方向に伸びる、各密封室１４を
形成するための複数個の円形穴１８が互に所定の
間隔をあけて穿設されるとともに、これらの円形
穴１８の一端部と互に連通する環状の溝１９が穿
設されている。この環状の溝１９の径方向幅は円
形穴１８の径方向外端から径方向内端より内方に
伸び、その開口部を環状の蓋２０で覆うことによ
つて、径方向内側にダム室２２を有する連通路２
１が形成されている。ダム室２２はできるだけ広
くとる方が熱交換の点から望ましい。なお、環状
の蓋２０には、第２図と同様な１組または２組の
注排口１５、密栓１６、パツキング１７が設けら
れている。

このように構成された本実施例の集電環冷却装
置では、注排口１５から注入された凝縮液体８
は、発電機の停止時にはその自重により集電環３
の下方（図示しない）のダム室２２に移動して、
そこに溜つているが、発電機の運転により集電環
３が回転すると、それ自身の遠心力によつて、各
密封室１４におけるブラシ４ａ〜４ｇの摺動面側
に片寄り、この状態で凝縮液体８の蒸発が行なわ
れ、蒸発した蒸気は、破線矢印で示すように、各
密封室１４内の回転軸１側、すなわち径方向内側
部分を通つて温度の低い集電環３の両端部側へ流
れ、ここで冷却されて凝縮され、再び中央の蒸発
部へ還流される。この際、集電環３の一端部側に
はダム室２２が設けられているため、凝縮部の表
面積が拡大されることになり、ブラシと集電環よ
り発生する熱の伝搬が促進される。

この場合、凝縮液体８の気液境界面の半径方向
位置は常に同一半径上に収まる。すなわち、同一
遠心力を受けるので、集電環３の同一円周上に所
定の間隔をもつて軸方向に設けられたそれぞれの
密封室１４内において、凝縮液体８は均等に配分
されるのである。

このように、従来密封室内への凝縮液体の注入
には余分な労力を費やしていたが、本実施例では
凝縮液体を一カ所の注排口より注入するだけで、
均等に配分されるので、それぞれの密封室の密栓
等は不要となる。また、集電環の軸方向の両端面
で行なわれていた熱の伝搬が集電環内部でも行な
われるようになる。すなわち、放熱は凝縮部の表
面積が拡大し、集電環内部の径方向でも行なわれ
ることから、第１図および第２図に示す集電環３
の端板１１から突出する放熱フイン１２を有する
部分を取除いても、ほぼ同様な効果が得られる。
その結果、集電環３の側面に余分な回転露出部が
なくなるので、ブラシ保守時の危険性は軽減され
る効果も得られる。

次に第４図により従来のものと本実施例のもの
をその冷却効果より比較してみる。第４図は前に
も述べたが、集電環の軸方向位置と温度との関係
を表わしたもので、本実施例の冷却装置は温度曲
線Ｒで示されている。これによると、第２図に従
来の冷却装置の温度曲線Ｑに対し、それ程大きな
冷却効果はみられないが、密封室内への凝縮液体
の注入作業がきわめて容易になるとともに、複雑
な回転露出部を省くことができ、従来の冷却装置
に比し構造簡易にして信頼性が非常に大きい。

以上説明してきたように、本発明によれば、集
電環内部に設けられた各密封室の端部を互に連通
する周方向に伸びる連通路を設けるとともに、こ
の連通路に連なつてその径方向内側に、周方向に
伸びるダムを形成し、回転によつて働く遠心力を
利用して凝縮液体を各密封室に均等に配分するよ
うにしたので、不安定振動を生じることなく集電
環全体を一様に冷却することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は従来の集電環冷却装置の
各例を示す縦断側面図、第３図は本発明の一実施
例に係る集電環冷却装置を示す縦断側面図、第４
図は集電環の軸方向位置とブラシ温度との関係を
示す特性図である。 １……回転軸、２……絶縁物、３……集電環、
８……凝縮液体、１４……密封室、１５……注排
口、１６……密栓、１９……環状溝、２０……環
状蓋、２１……導通路、２２……ダム室。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 回転軸上に電気的絶縁体を介して嵌合された
   集電環と、この集電環の外周近傍における同一円
   周上に所定の間隔をあけて設けられた軸方向に伸
   びる複数個の密封室と、これらの密封室内に封入
   された凝縮液体とを備えたものにおいて、前記全
   ての密封室の端部を互に連通する周方向に伸びる
   連通路を設け、かつこの連通路に連なつてその径
   方向内側に、周方向に伸びるダムを形成したこと
   を特徴とする回転電機の集電環冷却装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記連通路
   およびダムを、前記集電環の端面に形成された周
   方向に伸びる溝と、この溝の開口を覆う蓋とによ
   り構成したことを特徴とする回転電機の集電環冷
   却装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記ダム内
   に前記凝縮液体を外部から注入、あるいは外部へ
   排出するための注排口を設け、この注排口を密封
   部材で塞いだことを特徴とする回転電機の集電環
   冷却装置。