JPWO2016059700A1

JPWO2016059700A1 - 回転電機

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Publication number: JPWO2016059700A1
Application number: JP2016553925A
Authority: JP
Inventors: 洋介内田; 山本　直樹; 直樹山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-10-16
Filing date: 2014-10-16
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2034-10-16
Also published as: CN106797156B; US10447098B2; EP3208916A1; JP6266120B2; US20170047800A1; CN106797156A; EP3208916A4; WO2016059700A1; EP3208916B1

Abstract

この発明に係わる回転電機は、軸方向に貫通するスロットが設けられた回転子鉄心と、回転子鉄心のスロットに装着され、コイルエンド部が回転子鉄心の鉄心端面より軸方向外側に延在する回転子巻線と、回転子鉄心のスロットに回転子巻線の底部に当たって接触し軸方向に延在し回転子鉄心の鉄心端面より軸方向外側に突出して配置されたＵ字状チャンネルと、回転子鉄心のスロット内に装着され、回転子巻線およびＵ字状チャンネルと回転子鉄心とを絶縁するスロットセルと、回転子鉄心の鉄心端面より突出した部分の回転子巻線間に配置された間隔片とを備えた回転電機であって、Ｕ字状チャンネルの突出端面は間隔片の突出端面より軸方向内側に配置したものである。

Description

この発明は、例えばタービン発電機のような回転電機に関し、特に回転電機の回転子における通風冷却性能の改善に関するものである。

従来の円筒形回転子を有する回転電機では、回転子鉄心に軸方向に貫通するスロットをその回転子鉄心の円周方向に複数個設けられており、それらの各スロット内に界磁巻線である回転子巻線を分布巻にして装着し、回転子巻線のコイルエンド部が回転子鉄心の鉄心端面より突出して配置されている。

また、回転子鉄心に設けた各スロットのスロット底部に、幅の細いサブスロットや回転子巻線を支持するＵ字状チャンネルによって空間を設けた円筒形回転子を有する回転電機では、この空間に冷媒気体を通気して回転子巻線を冷却している。

従来の円筒形回転子を有する回転電機において、回転子鉄心のスロットの底部にサブスロットを有する回転子では、サブスロットに隣接して流線形ボディウエッジブロックを配置することによって冷却性能を改善させている。（例えば、特許文献1参照）。

また、回転子鉄心のスロットの底部にＵ字状チャンネルを有する回転子では、Ｕ字状チャンネルの回転子鉄心の鉄心端面より突出する突出端面が隣接する間隔片の回転子鉄心の鉄心端面より突出する突出端面より軸方向に突出しており、冷媒気体が流れ難い構造となっていた。

ところで、回転子鉄心のスロットの底部にＵ字状チャンネルを有する回転子を備えた回転電機としては、例えば図９および図１０に示す構成のものがある。回転子鉄心１のスロット２には回転子巻線３が装着され、回転子巻線３のコイルエンド部は回転子鉄心１の鉄心端面１ａより軸方向外側に延在している。回転子鉄心１のスロット２のスロット底部２ａには回転子巻線３の底部に当たって接触し軸方向に延在するＵ字状チャンネル４が配置され、Ｕ字状チャンネル４の突出端面４ａは回転子鉄心１の鉄心端面１ａより軸方向外側に突出しており、Ｕ字状チャンネル４内を冷媒気体が流通して回転子巻線３を冷却する。

回転子鉄心１のスロット２内にはスロットセル５が装着され、回転子鉄心１のスロット２内の回転子巻線３とＵ字状チャンネル４はスロットセル５によって回転子鉄心１と絶縁されており、スロットセル５の軸方向端面は回転子鉄心１の鉄心端面１ａより軸方向に突出して絶縁している。Ｕ字状チャンネル４はスロットセル５を保護するため、例えばＵ字状チャンネル４の突出端面４ａとスロットセル５の突出端面は同じとなるように軸方向外側に突出している。

回転子鉄心１の鉄心端面１ａより突出した部分の回転子巻線３間に配置された間隔片６は回転子鉄心１の鉄心端面１ａより所定の寸法で突出されており、回転子巻線３とＵ字状チャンネル４にまたがって延在して配置され、回転子巻線３およびＵ字状チャンネル４のそれぞれの相互間の間隔を保持している。

Ｕ字状チャンネル４の突出端面４ａは、周辺部品組立後の位置関係の確認を容易にするため、間隔片６の突出端面６ａよりもＰ値だけ軸方向外側に突出して配置している。そして、冷媒気体は矢印Ｒ１に示すようにＵ字状チャンネル４の突出端面４ａ側からＵ字状チャンネル４内に通気されて回転子巻線３を冷却するようにしている。

特開２００７−２８２４８８号公報（第６−９頁、第６図）

上述した従来の回転電機においては、周辺部品組立後の位置関係の確認を容易にするため、Ｕ字状チャンネル４の突出端面４ａを間隔片６の突出端面６ａよりもＰ値だけ軸方向外側に突出して配置している。Ｕ字状チャンネル４の突出端面４ａが間隔片６の突出端面６ａよりも突出していることにより、Ｕ字状チャンネル４の位置を目視により確認でき、Ｕ字状チャンネル４の突出端面４ａと間隔片６の突出端面６ａとの寸法を測定してＰ値とすることにより、Ｕ字状チャンネル４を所定の位置への取り付けが完了する。

このように、Ｕ字状チャンネル４の突出端面４ａが間隔片６の突出端面６ａよりもＰ値だけ軸方向外側に突出しているので、Ｕ字状チャンネル４内への冷媒気体が流れ難いものとなるという問題があった。

すなわち、冷媒気体は矢印Ｒ１に示すようにＵ字状チャンネル４内に通気されるが、冷媒気体の矢印Ｒ２に示すものはＵ字状チャンネル４の突出部が壁となってＵ字状チャンネル４内に通気されないので、Ｕ字状チャンネル４内への冷媒気体の通気量が制限され、回転子巻線３の冷却性能としては十分であるとは言えないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、Ｕ字状チャンネルの突出端面が間隔片の突出端面よりも軸方向内側とすることにより、冷却性能を向上させることができる回転電機を提供するものである。

この発明に係わる回転電機は、軸方向に貫通するスロットを円周方向に複数個設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に設けられた前記スロットに装着され、コイルエンド部は前記回転子鉄心の鉄心端面より軸方向外側に延在する回転子巻線と、前記回転子鉄心の前記スロットのスロット底部に前記回転子巻線の底部に当たって接触し軸方向に延在し前記回転子鉄心の鉄心端面より軸方向外側に突出して配置されたＵ字状チャンネルと、前記回転子鉄心の前記スロット内に装着され、前記回転子鉄心の前記スロット内の前記回転子巻線および前記Ｕ字状チャンネルと前記回転子鉄心とを絶縁するスロットセルと、前記回転子鉄心の鉄心端面より突出した部分の前記回転子巻線間に配置された間隔片とを備えた回転電機であって、前記Ｕ字状チャンネルの突出端面は前記間隔片の突出端面より軸方向内側に配置したものである。

この発明に係る回転電機によれば、Ｕ字状チャンネルの突出端面を間隔片の突出端面よりも軸方向内側とすることにより、Ｕ字状チャンネルの突出端面部の圧力損失を低減することができ、冷却性能を向上させることができる回転電機を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す要部鳥瞰図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す断面図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機の要部を示す要部断面図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。この発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す図４のＶ−Ｖ線における断面図である。この発明の実施の形態２に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。この発明の実施の形態３に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。この発明の実施の形態４に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。従来の回転電機の要部を示す鳥瞰図である。従来の回転電機を示す図９のＸ−Ｘ線における断面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１ないし図５に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。図１はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す要部鳥瞰図である。図２はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す断面図である。図３はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の要部を示す要部断面図である。図４はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。図５はこの発明の実施の形態１に係わる回転電機を示す図４のＶ−Ｖ線における断面図である。

これら各図において、回転電機の回転子１０は、回転子軸１１の中央部に位置する回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２に軸方向に貫通し、その回転子鉄心１２の円周方向に複数個設けられたスロット１３と、それらの各スロット１３内に装着され、コイルエンド部が回転子鉄心１２の鉄心端面１２ａより軸方向外側に延在して配置された回転子巻線１４と、回転子鉄心１２のスロット１３のスロット底部１３ａに回転子巻線１４の底部に当たって接触し軸方向に延在し回転子鉄心１２の鉄心端面１２ａより軸方向外側に突出して配置されたＵ字状チャンネル１５と、回転子鉄心１２のスロット１３内に装着され、回転子鉄心１２のスロット１３内の回転子巻線１４およびＵ字状チャンネル１５と回転子鉄心１２とを絶縁するスロットセル１６と、回転子鉄心１２の鉄心端面１２ａより突出した部分の回転子巻線１４間に配置された間隔片１７とから構成されている。この間隔片１７は例えばＵ字状チャンネル１５間まで延在されている。

Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａは間隔片１７の突出端面１７ａより軸方向内側に配置し、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部の冷媒気体の通気の圧力損失を低減している。そして、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部には面取り部１５ｂを設けており、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失をさらに低減している。また、間隔片１７の突出端面１７ａ部にも面取り部１７ｂを設けており、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失をさらに一層低減している。Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａは間隔片１７の突出端面１７ａ部の面取り部１７ｂよりも軸方向内側に位置するように配置している。

回転子軸１１には回転子巻線１４のコイルエンド部を保持するリテイニングリング１８が配置され、回転子鉄心１２のスロット１３に装着された回転子巻線１４は回転子楔１９により固定されている。回転子巻線１４にはＵ字状チャンネル１５内と連通する径方向のコイル通気孔１４ａが設けられ、回転子楔１９には回転子巻線１４のコイル通気孔１８ａと連通する楔通気孔１９ａが設けられている。

次に動作について説明する。冷媒気体は回転子軸１１とリテイニングリング１８との間から流入し、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部からＵ字状チャンネル１５内に軸方向に通気され、Ｕ字状チャンネル１５から回転子巻線１４のコイル通気孔１４ａに径方向に通気され、回転子楔１９の楔通気孔１９ａから回転子１０表面に流出され、回転子巻線１４を冷却している。

この実施の形態１においては、Ｕ字状チャンネル１５の取り付け位置の確認をＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａの回転子鉄心１２の鉄心端面１２ａよりの突出量であるＱ値となるように取り付けて確認することができるようにしたので、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａを間隔片１７の突出端面１７ａより軸方向内側に配置することができ、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部の冷媒気体の通気の圧力損失を低減することができる。

すなわち、冷媒気体は矢印Ｒ３および矢印Ｒ４に示すようにＵ字状チャンネル１５内に通気され、矢印Ｒ３の冷媒気体はＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部に設けた面取り部１５ｂによりＵ字状チャンネル１５内に流入し易くなるので、上述した従来の回転電機と比較すると、冷媒気体の通気量としてはＲ３＞Ｒ１となるとともに、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａを間隔片１７の突出端面１７ａの面取り部１７ｂより軸方向内側に配置したので、上述した従来の回転電機においては、冷媒気体のＲ２はＵ字状チャンネル４内に通気できなかったが、この実施の形態においては、冷媒気体のＲ４をＵ字状チャンネル１５内に通気することができる。したがって、上述した従来の回転電機と比較すると、冷媒気体の通気量としては、（Ｒ３＋Ｒ４）＞Ｒ１とすることができ、Ｕ字状チャンネル１５内への冷媒気体の通気量を大幅に増大することができ、回転子巻線１４の冷却性能を著しく向上させることができる。

そして、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部には面取り部１５ｂを設け、間隔片１７の突出端面１７ａ部にも面取り部１７ｂを設け、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失をさらに低減しているので、回転子巻線１４の冷却性能をより一層向上させることができる。

Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への冷媒気体の通気の圧力損失は、ＣＦＤ（ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ、数値流体力学）解析とモデル検証試験により確認した。モデルとしては、リテイニングリング入口→Ｕ字状チャンネルの突出端面部→Ｕ字状チャンネル中（約１ｍ）までをモデル化し、条件としては、回転数３６００ｍｉｎ^−１（定格回転数）、入口風速を約２０ｍ／ｓ、冷媒気体を空気として実施した。その結果、上述した従来のＵ字状チャンネル４の突出端面４ａ部の圧力損失を１００％としたとき、この実施の形態におけるＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部の圧力損失は約３５％となり、圧力損失を約６５％低減することができた。

このように、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失を大幅に低減することができるので、冷媒気体を効率よくＵ字状チャンネル１５内に通気することができる。これにより、Ｕ字状チャンネル１５内への冷媒気体の流入量を著しく増大させることができ、回転子巻線１４の冷却性能を著しく向上させることができる。

また、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａを間隔片１７の突出端面１７ａより軸方向内側に配置したことにより、Ｕ字状チャンネル１５を短縮することができ、コスト低減を図ることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２を図６に基づいて説明する。図６はこの発明の実施の形態２に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。

この実施の形態２においては、Ｕ字状チャンネル１５間まで延在している間隔片１７の隣接する部分をＵ字状チャンネル１５を覆うブロック２０としたものであり、ブロック２０の突出端面２０ａには面取り部２０ｂが設けられ、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａはブロック２０の突出端面２０ａの面取り部２０ｂより軸方向内側に位置するように配置されている。

この実施の形態２においても、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａはブロック２０の突出端面２０ａの面取り部２０ｂより軸方向内側に位置するように配置したことにより、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失を低減しているので、上述した実施の形態１と同様の効果を奏する。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３を図７に基づいて説明する。図７はこの発明の実施の形態３に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。

上述した実施の形態１においては、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部に面取り部１５ｂおよび間隔片１７の突出端面１７ａ部に面取り部１７ｂをそれぞれ設けた場合について述べたが、この実施の形態３においては、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部あるいは間隔片１７の突出端面１７ａ部のいずれか一方にのみ面取り部を設けた構成としたものであり、図は一例として、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部には面取り部１５ｂを設けずに、間隔片１７の突出端面１７ａ部にのみ面取り部１７ｂを設けたものである。

この実施の形態３においても、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａは間隔片１７の突出端面１７ａより軸方向内側に位置するように配置しており、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失を低減できるので、上述した実施の形態１と同様の効果を奏する。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４を図８に基づいて説明する。図８はこの発明の実施の形態４に係わる回転電機の要部を示す鳥瞰図である。

上述した実施の形態１においては、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部に面取り部１５ｂおよび間隔片１７の突出端面１７ａ部に面取り部１７ｂをそれぞれ設けた場合について述べたが、この実施の形態４においては、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部および間隔片１７の突出端面１７ａ部には面取り部を設けていないものである。

この実施の形態４においても、Ｕ字状チャンネル１５の突出端面１５ａは間隔片１７の突出端面１７ａより軸方向内側に位置するように配置しており、冷媒気体のＵ字状チャンネル１５の突出端面１５ａ部への通気の圧力損失を低減できるので、上述した実施の形態１と同様の効果を奏する。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

この発明は、冷媒気体のＵ字状チャンネルの突出端面部の圧力損失を低減することができ、冷却性能を向上させることができる回転電機の実現に好適である。

Claims

軸方向に貫通するスロットを円周方向に複数個設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に設けられた前記スロットに装着され、コイルエンド部は前記回転子鉄心の鉄心端面より軸方向外側に延在する回転子巻線と、前記回転子鉄心の前記スロットのスロット底部に前記回転子巻線の底部に当たって接触し軸方向に延在し前記回転子鉄心の鉄心端面より軸方向外側に突出して配置されたＵ字状チャンネルと、前記回転子鉄心の前記スロット内に装着され、前記回転子鉄心の前記スロット内の前記回転子巻線および前記Ｕ字状チャンネルと前記回転子鉄心とを絶縁するスロットセルと、前記回転子鉄心の鉄心端面より突出した部分の前記回転子巻線間に配置された間隔片とを備えた回転電機であって、前記Ｕ字状チャンネルの突出端面は前記間隔片の突出端面より軸方向内側に配置したことを特徴とする回転電機。
前記間隔片は前記Ｕ字状チャンネル間に延在して配置されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記Ｕ字状チャンネルの突出端面部に面取り部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記間隔片の突出端面部に面取り部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記Ｕ字状チャンネルと前記間隔片にそれぞれ面取り部を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記Ｕ字状チャンネルの突出端面は前記間隔片の前記面取り部より軸方向内側に配置したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の回転電機。
前記間隔片の前記Ｕ字状チャンネル間に延在する隣接する部分は前記Ｕ字状チャンネルを覆うブロックとしたことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。