JPS6231579B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は立軸水車発電機などのような突極形回
転電機の通風冷却装置に係り、特にブロワーとク
ーラーを併用した通風冷却装置に関する。

水車発電機は高速大容量化される傾向にある
が、それに伴つて自己の持つフアン作用だけでは
充分冷却できないので、外部ブロワーで強制通風
して冷却する場合が多い。

第１図および第２図はこのように従来の通風冷
却装置を示す横断平面図および第１図のＡ−Ａ線
断面図である。これらの図において、１は図示し
ない回転軸に固着されたヨーク、２はこのヨーク
に取付けられた突極である。この突極２間には塞
ぎ板３が設けられており、この塞ぎ板３により突
極回転子はほぼ円筒状に形成されて、風損を低減
し、かつ突極２間を通る冷却空気のほとんどが回
転子を冷却するようになつている。４は固定子鉄
心、５は固定子コイル、６は固定子通風ダクトを
形成するためのダクトピース、７は固定子枠であ
る。この固定子枠７には周方向に間隔をあけて交
互に入気孔８と排気孔９が形成されており、この
入気孔８に対向してブロワー１１が、また排気孔
９に対向してクーラー１０がそれぞれ配設されて
いる。１２はブロワー１１を駆動するための誘導
電動機である。固定子鉄心４の外周と固定子枠７
との間の空間は、仕切板１３により、前記入気孔
８と排気孔９に対応して、入気区分１４と排気区
分１５に仕切られている。１６はコンクリート、
１７，１８は通風ガイド、１９，２０は固定子枠
７の上下に設けられた入気孔である。

このように構成された通風冷却装置において
は、冷却空気は矢印で示すように、固定子側で
は、ブロワー１１により入気孔８を通して入気区
分１４内に送り込まれ、固定子鉄心４の通風ダク
トを外方から内方に向かつて流れた後、エアギヤ
ツプを通つて、再び固定子鉄心４の通風ダクトを
内方から外方に向かつて流れ、暖められた冷却空
気は排気区分１５からクーラー１０を通つて機外
に排出される。一方、回転子側では、固定子枠７
の上下部分に設けられた入気孔１９，２０から固
定子の上下両端を通つて回転子の上下両端に至
り、ここから突極間を軸方向の中央部に向かつて
突極２を冷却しながら流通し、中央部における塞
ぎ板３が設けられていない部分からエアギヤツプ
に抜け、固定子鉄心４の通風ダクト、排気区分１
５およびクーラー１０を経て機外に排出される。

ところで、この種の回転電機は揚水発電所の発
電電動機として使用されることが多い。揚水発電
方式は深夜などの軽負荷時に火力又は原子力の供
給余力を得て揚水し、ピーク負荷時に発電するも
のである。この場合、揚水と発電を繰り返すため
に、発電電動機は起動、停止を頻繁に行なう。そ
のため、発電電動機はヒートサイクルが多くなる
ので、固定子コイルはその導線と絶縁物の熱膨張
率の差による伸縮差で絶縁物の剥離を生じ易い。

また、立軸水車発電機のような突極形回転電機
では、その固定子の外径寸法が非常に大きくな
り、このように外径寸法の大きい固定子では、輸
送制限上の問題から固定子鉄心が円周方向に複数
個のブロツクに分割して製作されるのが一般的で
あるが、これらの各ブロツク間には鉄心自身の熱
伝導率に比べて熱伝導率の小さい空隙やブロツク
の分割面を保護する緩衝用絶縁薄層体を介在させ
ることになるため、固定子鉄心の内部での熱伝導
による円周方向の温度均一化の効果が低下する。
したがつて、通常円周方向の１箇所から固定子枠
に引き出される固定子巻線の出力端子の影響等に
よる円周方向の僅かな通風抵抗のアンバランス、
あるいは固定子コイルとこれを収納する固定子鉄
心のスロツト間の熱抵抗の円周方向各位置におけ
る微妙な違い等により、円周方向に沿つた固定子
の温度分布が一様にならない。

ところが、前記した従来の通風冷却装置では、
ブロワー駆動用電動機１２の速度は常にほぼ一定
で、ブロワー１１が定格負荷時の必要風量を発生
するようになつているため、定格負荷時に設定温
度であつても、軽負荷時には固定子が冷え過ぎ
て、前記した固定子コイルの導線と絶縁物の熱膨
張率の差による伸縮差がさらに激しくなり、絶縁
物の剥離が生じて絶縁耐力が劣化するという問題
があつた。また、小型モーターなどにおいて、そ
の温度上昇が許容値以上になつたことを感熱素子
で検出し、冷却用フアンモータの回転数を上昇し
て冷却効果を高めることも知られている（特開昭
52−40753号）。この冷却方式によれば、小型モー
タなどの温度をその負荷状態の変化にかかわら
ず、常にほぼ一定に保つことが可能である。しか
しながら、立軸水車発電機のような大形回転電機
で、その固定子の外径寸法が非常に大きいもの
に、この冷却方式を適用し、この固定子の温度上
昇に応じて冷却用フアンモータの回転数を上昇し
て冷却効果を高めたとしても、すべてのブロワー
駆動用電動機が同一仕様で、ほぼ同一速度で回転
し、固定子をその周方向においてほぼ均一に冷却
するようになつているため、前記したように、固
定子の温度分布が周方向において一様でない場合
には、固定子の局部的な過冷却や過熱が生じる。
そして、このような固定子の局部的な過冷却や過
熱が生じると、固定子コイルは通常その軸方向両
端部でコイル端支持装置により全体として円周方
向および軸方向に移動しないように機械的に拘束
される構成となつているため、円周方向に沿つた
温度差により各固定子コイルの熱伸長にも差が生
じ、この熱伸量の差によりコイル端支持装置付近
の固定子コイルに過度の内部応力が作用して、こ
の部分でコイル絶縁層に機械的損傷等が生じる。

本発明の目的は、上記した従来技術の欠点を除
き、固定子コイルの絶縁劣化を防止してその絶縁
寿命を延長することができるとともに、外径寸法
の大きい固定子を備えたものにおいて、固定子の
周方向温度分布をほぼ一様にしてその局部的な過
冷却や過熱の発生を防ぎ、固定子コイルの絶縁層
の損傷を防止することのできる突極形回転電機の
通風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、各ブロワ
ーの受持冷却区域内における固定子コイルの温度
を各別に検出する手段と、この検出手段によつて
各別に検出された各受持冷却区域内における固定
子コイルの温度の応じて各ブロワーに付属する各
ブロワー駆動用電動機の速度を各別に変化させる
速度制御装置を設け、各別に検出された各受持冷
却区域内の固定子コイルの温度が常にほぼ等しく
なるように、各受持冷却区域内の各ブロワー駆動
用電動機の回転速度を各受持冷却区域の温度に応
じて各別に制御することを特徴とする。

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図において、２１は突極形発電機で、その
構造は第１図および第２図に示した従来のものと
同じである。また、１０はクーラー、１１はブロ
ワー、１２はブロワー駆動用誘導電動機で、これ
らも従来のものと同じである。

この実施例が、第１図および第２図に示した従
来例と異なる点は、各ブロワー１１およびブロワ
ー駆動用誘導電動機１２ユニツト毎に、温度検出
器２２、信号処理装置２３および速度制御装置２
４からなる速度制御系が設けられることである。
なお、第３図では説明を簡単にするため、１つの
ブロワーおよびブロワー駆動用誘導電動機ユニツ
トにのみ前記速度制御系を設けた場合が示されて
いる。図中、２５は交流電線である。

前記温度検出器２２は、例えば各ブロワー１１
およびブロワー駆動用誘導電動機１２ユニツトが
それぞれ受持つている冷却区域内にある固定子コ
イル５の層間絶縁物中に埋設されたたサーチコイ
ルからなり、固定子コイル５の温度に応じた大き
さの電圧を発生する。また、前記信号処理装置２
３は温度検出器２２で発生する検出電圧の大きさ
に応じた周波数を発生するための電圧一周波数変
換器であり、前記速度制御装置２４は信号処理装
置２３の出力信号によつて制御されるインバータ
のような周波数変換器である。

したがつて、本実施例によれば、発電機２１の
負荷が変動して、固定子コイル５の温度が例えば
上昇しても、その温度上昇は温度検出器２２でた
だちに検出され、信号処理装置２３の出力信号の
周波数が増大し、この出力信号で制御される速度
制御装置２４により、交流電源２５からブロワー
駆動用誘導電動機１２に供給される電力の周波数
が増大し、誘導電動機１２の速度が大となり、ブ
ロワー１１の通風量が増大するため、発電機２
１、特にその固定コイル５の温度は常にほぼ一定
に維持される。その結果、温度変化に起因する固
定子コイルの熱伸縮がほぼ解消されて、その絶縁
寿命を延ばすことができる。

また、ブロワー駆動用誘導電動機１２は発電機
の負荷状態に応じて常に適切な速度で運転される
ため、従来のように常に定格負荷時の状態を基に
して運転する場合に比べて、軽負荷時における誘
導電動機１２の消費電力が少なくて済み、全体と
してその分だけ消費電力を節減することができ
る。

さらに、温度検出器２２、信号処理装置２３お
よび速度制御装置２４からなる速度制御系が、各
ブロワー１１およびブロワー駆動用電動機１２ユ
ニツト毎に設けられているため、発電機２１の外
径寸法が大きくて、その固定子の周方向の温度分
布が一様でなく、前記各ユニツトの受持つ各冷却
区域の温度が異なる場合にも、各冷却区域の温度
に応じた適切な速度で各誘導電動機１２を運転
し、固定子の温度がその周方向においてほぼ一様
になるように冷却することができる。その結果、
固定子の局部的な過冷却や過熱の発生を防ぐこと
ができる。

前記の固定子コイルの絶縁寿命延長の効果を第
４図および第５図について説明する。

温度上昇ΔＴと発熱量（発生損失）Ｗの関係
は、 ΔＴ＝Ｗ／Ｃ_Ｐ・γ・Ｑ ……(1) ただし Ｃ_P：定圧比熱 γ：比重量 Ｑ：冷却風量 である。また、固定子コイルの熱伸びｌと温度上
昇ΔＴの関係は、 ｌ＝ρ・Ｌ・ΔＴ ……(2) ただし ρ：熱膨張率 Ｌ：長さ である。

これらの関係式から従来の通風冷却装置では、
第４図に示すように、発生損失がΔＷのように変
化すると、温度上昇ΔＴの変化Δｔに対する熱伸
びに変化はΔｌになり、この熱伸びの変化Δｌが
繰り返されるため、固定子コイルの絶縁物の疲労
が早く、その絶縁寿命が短かくなる。

これに対して、本発明の実施例によれば、第５
図に示すように、温度上昇ΔＴの変化Δｔに応じ
てブロワーの回転数ＮがΔＮの範囲で変化し、熱
伸びを常に一定の値l₀に保つので、固定子コイル
の絶縁物の疲労が少なく、その絶縁寿命を著しく
延長することができる。

以上説明したように、本発明によれば、固定子
コイルの温度に応じてブロワーの通風量を調整し
て、固定子コイルの温度がほぼ一定となるように
したので、固定子コイルの熱伸びをほぼ一定に保
ち、その絶縁耐力の劣化を防止して、絶縁寿命を
延長することができるばかりでなく、さらに固定
子の外径寸法が大きく、固定子特に固定子コイル
の周方向温度分布が一様にならず、各受持冷却区
域の温度が異なる場合にも、各受持冷却区域の温
度に応じた適切な速度で各ブロワー駆動用電動機
を運転することにより、周方向に沿つて配置され
た各固定子コイルの周方向各位置による温度差を
解消できるので、このような温度差に起因する各
固定子コイル間の熱伸量の差によつてコイル端支
持装置付近などの固定子コイルに生ずる内部応力
を緩和し、過度の内部応力によるコイル絶縁層の
機械的損傷などを防ぐことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の通風冷却装置を示す横断平面
図、第２図は第１図のＡ−Ａ線断面図、第３図は
本発明の一実施例に係る通風冷却装置の概略構成
図、第４図は従来の通風冷却装置の温度上昇に対
する固定子コイルの発熱量および熱伸びを示す特
性図、第５図は本発明に係る通風冷却装置の温度
上昇に対するブロワーの回転数および固定子コイ
ルの熱伸びを示す特性図である。 １……ヨーク、２……突極、４……固定子鉄
心、５……固定子コイル、７……固定子枠、８…
…入気孔、９……排気孔、１０……クーラー、１
１……ブロワー、１２……ブロワー駆動用誘導電
動機、２１……突極形発電機、２２……温度検出
器、２３……信号処理装置、２４……速度制御装
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 突極回転子と、固定子と、この固定子の外周
   を囲むように配置されかつ周方向に互に間隔をあ
   けて複数個の通風孔が設けられた固定子枠と、こ
   の固定子枠の外周に周方向に互に間隔をあけて配
   置されかつ前記通風孔を通して各受持冷却区域に
   冷却空気を循環する複数個のブロワーと、複数個
   のブロワー駆動用電動機と、前記固定子枠の外周
   に周方向に互に間隔をあけて配置されかつ前記冷
   却空気を冷却する複数個のクーラーとを備えたも
   のにおいて、前記各ブロワーの受持冷却区域内に
   おける固定子コイルの温度を各別に検出する手段
   と、この検出手段によつて各別に検出された前記
   各受持冷却区域内における固定子コイルの温度に
   応じて各ブロワーに付属する前記各ブロワー駆動
   用電動機の速度を各別に変化させる速度制御装置
   を設け、前記各別に検出された各受持冷却区域内
   の各固定子コイルの温度が常にほぼ等しくなるよ
   うに、各受持冷却区域内の各ブロワー駆動用電動
   機の回転速度を各別に制御することを特徴とする
   突極回転電機の通風冷却装置。