WO2016013108A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

　回転子巻線端部の冷却性能を改善し、回転電機の出力を増加させても絶縁不良が発生しない回転電機を得る。回転子鉄心（６）の周りに間隔を空けて巻回された回転子巻線（７）と、回転子巻線（７）が回転子鉄心（６）の軸方向端面に突出して形成された回転子巻線端部（８）と、隣接する回転子巻線端部（８）間に配置された間隔片（１６ａ）と、間隔片（１６ａ）の両側表面に設けられ、頂角（４７）が鈍角である山型の巻線支持部（４１）と、間隔片（１６ａ）の両側表面に山型の巻線支持部（４１）により形成された蛇行通風路（１７ａ）と、蛇行通風路（１７ａ）中に蛇行通風路（１７ａ）に沿って形成された波状の巻線支持部（４２）とを備える。

Description

回転電機

　この発明は、タービン発電機等に用いられる回転電機に関し、特に回転子の通風冷却性能を改善した回転電機に関するものである。

　従来の回転電機の回転子巻線端部は温度低減のため、冷却風路を構成している絶縁物の山型部分に高速流領域と渦流領域を貫く第二の流路を設けることによって、渦流領域を解消し、温度分布の均一化を図っている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９－３２２４５４号公報

　しかしながら、このような回転子を有する回転電機において、回転子巻線端部は、絶縁物である間隔片によって保持された隣接コイル間を流通する冷却ガスにより冷却されているが、回転電機の出力を増加する場合、回転子の界磁電流増加に伴い、回転子温度が絶縁物の耐熱温度以上に上昇するという課題があった。
　この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、回転電機の回転子の回転子巻線端部の冷却性能を改善し、回転電機の出力を増加させても、絶縁不良が発生しない回転子を有する回転電機を得ることを目的としている。

　この発明に係わる回転電機は、回転子鉄心の周りに間隔を空けて巻回された回転子巻線と、回転子巻線が回転子鉄心の軸方向端面に突出して形成された回転子巻線端部と、隣接する回転子巻線端部間に配置された間隔片と、間隔片の両側表面に設けられ、頂角が鈍角である山型の巻線支持部と、間隔片の両側表面に山型の巻線支持部により形成された蛇行通風路と、蛇行通風路中に蛇行通風路に沿って形成された波状の巻線支持部と、を備えたことを特徴とするものである。
　また、この発明に係わる回転電機は、回転子鉄心の周りに間隔を空けて巻回された回転子巻線と、回転子巻線が回転子鉄心の軸方向端面に突出して形成された回転子巻線端部と、隣接する回転子巻線端部間に配置された間隔片と、間隔片の両側表面に設けられた円弧状の巻線支持部と、間隔片の両側表面に円弧状の巻線支持部により形成された蛇行通風路と、蛇行通風路中に蛇行通風路に沿って形成され、円弧状の巻線支持部を繋いだ形状を有する波状の巻線支持部と、を備えたことを特徴とするものである。

　この発明の回転電機によれば、山型の巻線支持部の頂点における流れの剥離が抑制され、山型の巻線支持部背後の渦流領域が小さくなり、蛇行通風路全体にわたって冷却ガスが均一に流れるため、圧力損失を著しく減少させることができる。さらに、間隔片に形成された蛇行通風路における流れを均一化することによって、回転子巻線端部の局所的な温度上昇を抑制することが可能となる。
　この発明の上記以外の目的、特徴、観点及び効果は、図面を参照する以下のこの発明の詳細な説明から、さらに明らかになるであろう。

この発明の実施の形態１における回転電機を用いたタービン発電機の断面側面図である。 図１における回転子巻線端部回りの要部拡大断面図である。 図１における回転子のコイル保持環及びエンドリングを外した状態を示す斜視図である。 図１における回転子巻線端部の要部を示す平面図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の間隔片を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の間隔片を示す側面図である。 比較例における回転電機の間隔片を示す側面図である。 比較例における回転電機の間隔片の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の間隔片の変形例を示す側面図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の間隔片を示す側面図である。 この発明の実施の形態３における回転電機の間隔片を示す側面図である。 この発明の実施の形態３における回転電機の間隔片の変形例を示す側面図である。

　以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態１について説明する。
　なお、各図面中において、同一符号は同一あるいは相当のものであることを示す。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１における回転電機を用いたタービン発電機の断面側面図である。また、図２は、図１における回転子巻線端部回りの要部拡大断面であり、図１の点線で囲んだ領域の側面図である。図３は、図１におけるコイル保持環及びエンドリングを外した状態を示す回転子の斜視図であり、図４は、図１における回転子巻線端部の要部を展開して示す平面図である。

　まず、回転電機１００について説明する。図１に示すように、回転電機１００は、中空円筒形状の固定子１と、この中空部の直径よりも幾分直径の小さい円筒形状の回転子５とが、空隙（エアーギャップ）２５を介して同心上に配置された状態で構成されている。この固定子１及び回転子５は、各々銅などの導電性のコイルを鉄心スロットの軸方向に配しており、回転子５側のコイルを励磁した状態で回転子５を回転させると、固定子１側に電流が誘起される。このとき、固定子１や回転子５には、電気的な損失などに起因する大きな熱が発生するため、特別な冷却を必要とする。そこで、回転電機１００は、回転子５にファン２６を設置して、回転電機１００内に冷却ガスを送ることで強制冷却を行っている。なお、回転電機１００内を冷却する冷却ガスとしては、例えば空気や水素などのガスが用いられている。

　次に、回転電機１００の冷却について説明する。図１に示すように、タービン発電機２００は、固定子１と、回転子５と、ファン２６と、冷却器２７を備えている。また、固定子１は、固定子鉄心２と、固定子巻線３と、ダクト４を備えている。また、回転子５は、回転子鉄心６と、回転子巻線７と、コイル保持環３０と、エンドリング３１と、回転軸１３を備えている。回転軸１３は、軸受（図示せず）に回転自在に支持され、ファン２６が回転軸１３の端部に対称的に取り付けられている。回転子鉄心６の外周と固定子鉄心２の内周間は空隙（エアーギャップ）２５で隔てられている。

　回転軸１３が回転し、ファン２６により圧送された冷却ガスは二手に分かれ、一方の冷却ガスは、エンドリング３１の開口部３１ａ（図２参照）から導入されてコイル保持環３０内の回転子巻線端部８を冷却し、回転子磁極１４（図３参照）の切欠排気路１５から矢印Ａ３の方向に空隙２５内へ吐出される。他方の冷却ガスは、固定子巻線３の端部を冷却して空隙２５内を軸方向に流れ、矢印Ａ３の冷却ガスと合流する。そして、ダクト４内を矢印Ａ４のように流れて固定子鉄心２及び固定子巻線３を冷却した後、矢印Ａ５（図１参照）のように流れて冷却器２７で熱交換されファン２６の吸気側へ還流する。

　また、図３に示すように、回転子巻線７は、各回転子磁極１４の左右の回転子鉄心６に複数設けられたスロット（図示せず）内に、それぞれ回転子磁極１４を中心に集中巻回して成形された鞍形の矩形状の回転子コイル１１を複数個同心状に配置し、これらを直列に接続した複数の界磁コイルからなる。回転子コイル１１は、上記スロット内のコイル辺（図示せず）と回転子鉄心６の端面から突出された回転子巻線端部８とを有している。回転子巻線端部８は、回転子鉄心６の端面から回転軸方向に突出された一対の直線部分９及びこの両直線部分９を連結する連結部分１０を有している。そして、複数の回転子巻線端部８が、相互に間隔を置いて回転子磁極１４の端部に突出して配置されている。

　図２に示すように、コイル保持環３０は、回転子巻線端部８及び隣り合う回転子巻線端部８相互間に配置された間隔片１８の各外周を覆って保持し、その一方の端部は回転子鉄心６の端部に嵌合されている。コイル保持環３０の他方の端部には、エンドリング３１が嵌合され、回転軸方向に貫通して設けた開口部３１ａと回転軸１３との間の空間から回転子巻線端部８を冷却する冷却ガスが矢印Ａ１のように導入される。回転子巻線端部８の周方向幅中心部の下部には、間隔片１８に設けられた蛇行通風路（図示せず）を流れて回転子巻線端部８を冷却した冷却ガスを集め矢印Ａ２（図２参照）のように切欠排気路１５に導出する仕切り板２０が回転軸１３上に設けられている。

　また、図４に示すように、回転子巻線端部８である８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄは、それぞれ各一対の直線部分９である９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄと各連結部分１０である１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄとを有している。そして、直線部分９である９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの相互間には、それぞれ間隔片１６である１６ａ、１６ｂ、１６ｃが配置されている。また、連結部分１０である１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの相互間には、それぞれ間隔片１８である１８ａ、１８ｂ、１８ｃが配置されている。
　各間隔片１６ａ、１６ｂ、１６ｃの両側面部には、当接した各直線部分９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの側壁面の長手方向に沿って、蛇行して延びる蛇行通風路１７である１７ａ、１７ｂ、１７ｃが設けられている。また、各間隔片１８ａ、１８ｂ、１８ｃの両側面部には、当接する各連結部分１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの側壁面の長手方向に沿って、蛇行して延びる蛇行通風路１９である１９ａ、１９ｂ、１９ｃが構成されている。

　これらの蛇行通風路１７ａ、１７ｂ、１７ｃでは、各直線部分９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの側壁面が、それぞれ各蛇行通風路１７ａ、１７ｂ、１７ｃの一壁面を構成している。また、蛇行通風路１９ａ、１９ｂ、１９ｃでは、各連結部分１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの側壁面が、１９ａ、１９ｂ、１９ｃの一壁面を構成している。
　仕切り板２０は、下部が回転軸１３（図２参照）の溝（図示せず）内に差し込まれ、一方の側端面が回転子磁極１４の側壁に当接された一対の側板２０ａと、この一対の側板２０ａの他方の側端面に接合されてエンドリング３１の開口部３１ａ（図２参照）に配置された端板２０ｂとで構成されている。

　ここで、図４を参照して、間隔片１６について簡単に説明する。各間隔片１６ａ、１８ａの両側面部には、各間隔片１６ａ、１８ａの長手方向に向け蛇行し延びる蛇行溝２１（図示せず）が形成されている。そして、間隔片１６ａが直線部分９ａ、９ｂ間に、間隔片１８ａが連結部分１０ａ、１０ｂ間にそれぞれ配置されて組み立てられる。間隔片１６ａの蛇行溝２１（図示せず）と直線部分９ａ、９ｂの側壁面とにより蛇行通風路１７ａが形成される。また、間隔片１８ａの蛇行溝２１と連結部分１０ａ、１０ｂの側壁面とにより蛇行通風路１９ａが形成される。そして、導入された冷却ガスは、矢印Ａ２のように各蛇行通風路１７ａ、１９ａ内を連続して流れながら直線部分９ａ、９ｂ及び連結部分１０ａ、１０ｂを冷却し、仕切り板２０の左右の側板２０ａで囲まれた空間へ導出される。

　図４に示すように、回転子巻線端部８における冷却ガスは、エンドリング３１の開口部３１ａ（図２参照）から矢印Ａ１のように導入された後、間隔片１６ａ、１６ｂ、１６ｃの各両側の蛇行通風路１７ａ、１７ｂ、１７ｃに導入され、一点鎖線で代表して示す矢印Ａ２方向に向かって蛇行通風路１７ａ、１７ｂ、１７ｃから間隔片１８ａ、１８ｂ、１８ｃの各両側の蛇行通風路１９ａ、１９ｂ、１９ｃ内へ連続して流れる。そして、中央部で左右の蛇行通風路１９ａ、１９ｂ、１９ｃからの流れが合流（図示せず）し、仕切り板２０の左右の側板２０ａで囲まれた空間を回転軸方向へ進み、切欠排気路１５へ導出される。
　以上のように、蛇行通風路１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１９ａ、１９ｂ、１９ｃを流れる冷却ガスにより、回転子巻線端部８である８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄにおける電気抵抗損失は吸収され、回転子巻線端部８の温度上昇が抑制される。

　図５は、この発明の実施の形態１における回転電機の間隔片を示す斜視図である。なお、図５は、コイル保持環３０を取り除いた状態を示す。間隔片１６ａは、山型の巻線支持部４１と、蛇行通風路１７ａ中に波状の巻線支持部４２とを備えている。また、図６は、この発明の実施の形態１における回転電機の間隔片を示す側面図である。ここで、山型の巻線支持部４１の頂角４７は、鈍角となっている。
　図５及び図６に示すように、間隔片１６ａに設けられた蛇行通風路１７ａに流入した冷却ガス４８は、波状の巻線支持部４２の端部において二手に分かれる。実施の形態１においては、山型の巻線支持部４１の頂角４７が鈍角となっているため、山型の巻線支持部４１の頂点における流れの剥離は抑制され、山型の巻線支持部４１の背後に発生する渦流領域を生じることなく、蛇行流路全体にわたって冷却ガスが均一に流れる。

　図７は、比較例における回転電機の間隔片の状態を示す側面図である。図７に示すように、通常、厚さが数ｍｍである回転子巻線７は図の縦方向に積層されるため、間隔片１６ａが全域にわたり回転子巻線７の保持力を維持するためには、山型の巻線支持部４１の山の高さ４６を、間隔片の幅４５の半幅以上とし、少なくとも一点でコイルである回転子巻線７を支持する必要があった。そのため、通常、山型の巻線支持部４１の頂角は鋭角となり、蛇行通風路１７ａを流れる冷却ガス４８の流れは、山型の巻線支持部４１の頂点において剥離し、山型の巻線支持部４１の背後には流れの淀んだ渦流領域４９を生じる。この渦流領域４９が存在することにより、実際に冷却ガス４８の流れる流路断面積は縮小され、流速が増大した高速流領域が発生する。その結果、通風路の圧力損失が増大する。加えて、渦流領域４９は回転子巻線端部８と冷却ガス４８の熱交換が抑制された断熱層となる。そのため、渦流領域４９に接する回転子巻線端部８は、高速流領域に接する回転子巻線端部８に比べ高温となる。

　図８は、比較例における回転電機の間隔片の要部を示す斜視図である。比較例における間隔片１６ａにおいても、実施の形態１と同様に、各間隔片１６ａ、１８ａの両側面部には、同じ溝深さＤｉと幅Ｗを有して各間隔片１６ａ、１８ａの長手方向に向け蛇行し延びる蛇行溝２１が形成されている。そして、間隔片１６ａが直線部分９ａ、９ｂ間に、間隔片１８ａが連結部分１０ａ、１０ｂ間にそれぞれ配置されて組み立てられる。間隔片１６ａの蛇行溝２１と直線部分９ａ、９ｂの側壁面とにより蛇行通風路１７ａが形成される。また、間隔片１８ａの蛇行溝２１と連結部分１０ａ、１０ｂの側壁面とにより蛇行通風路１９ａが形成される。そして、導入された冷却ガスは、矢印Ａ２のように各蛇行通風路１７ａ、１９ａ内を連続して流れながら直線部分９ａ、９ｂ及び連結部分１０ａ、１０ｂを冷却し、仕切り板２０の左右の側板２０ａで囲まれた空間へ導出される。

　この発明の実施の形態１においては、実質的に冷媒の流れる流路断面積が比較例の構造に比べ増加することによって、流速は低下し、ひいては流速に二乗に比例する圧力損失を著しく減少することができる。さらに、間隔片１６ａによって構成される蛇行通風路１７ａにおける流れを均一化することによって、回転子巻線端部８の局所的な温度上昇を抑制することが可能となる。
　なお、山型の巻線支持部４１の形状は、三角形に限らず、台形であってもよい（図示せず）。あるいは、図９に示すように、間隔片１６ａの山型の巻線支持部４１の形状は、円弧状であってもよい。この場合は、波状の巻線支持部４２は円弧を繋いだ形状とし、波状の巻線支持部４２によって仕切られた各蛇行通風路１７ａは、流れ方向に対する断面積をなるべく一定にするのがよい。

実施の形態２．
　図１０は、この発明の実施の形態２における回転電機の間隔片を示す側面図である。間隔片１６ａは、山型の巻線支持部４１と、蛇行通風路１７ａ中に波状の巻線支持部４２を備えている。ここで、山型の巻線支持部４１の山の高さ４６は、間隔片の幅４５の１／３以上で、かつ１／２以下とし、頂角４７は鈍角となっている。このため、山型の巻線支持部４１の頂点と波状の巻線支持部４２の谷の部分は、周方向に関して重複する領域４３を有している。
　これにより、実施の形態１で得られる効果に加え、重複領域４３を有するため、積層された回転子巻線端部８の保持力が増加する。
　なお、山型の巻線支持部４１の形状は、三角形に限らず台形であってもよい。あるいは、山型の巻線支持部４１の形状は、円弧状であってもよい。

実施の形態３．
　図１１は、この発明の実施の形態３における回転電機の間隔片を示す側面図である。実施の形態３において、間隔片１６ａは、山型の巻線支持部４１と、蛇行通風路１７ａ中に設けられた波状の巻線支持部４２とを備えている。冷却ガス流入口５０側において、波状の巻線支持部４２は、冷却ガス流入口５０の中央付近まで延びた端部４４を有している。
　よって、実施の形態３においては、実施の形態１または実施の形態２による効果に加え、波状の巻線支持部４２の端部４４が突出する長さによって、波状の巻線支持部４２の左右を流れる流量が均等になるように調節することができる。そのため、回転子巻線端部８の局所的な温度分布をさらに抑制することが可能となる。

　また、図１２は、この発明の実施の形態３における回転電機の間隔片の変形例を示す側面図である。図１２に示すように、間隔片１６ａが、山型の巻線支持部４１と、蛇行通風路１７ａ中に設けられた波状の巻線支持部４２とを備えている。また、波状の巻線支持部４２の端部４４は、冷却ガス流入口５０に向けて延長した構造であってもよい。
　よって、実施の形態３における変形例においても、実施の形態１または実施の形態２による効果に加え、波状の巻線支持部４２の端部４４が突出する長さによって、波状の巻線支持部４２の左右を流れる流量が均等になるように調節することができる。そのため、回転子巻線端部８の局所的な温度分布をさらに抑制することが可能となる。

　なお、いずれの実施の形態においても、蛇行通風路１７ａ中の波状の巻線支持部４２の個数を１個として説明したが、波状の巻線支持部４２は、２つ以上並列していてもよい。また、実施の形態１から実施の形態３においては、直線部分９に設けられた間隔片１６ａについて説明をおこなったが、連結部分１０に設けられた円弧状の間隔片１８ａにおいてもこの発明の実施の形態１から実施の形態３を同様に適用することができる。さらに、この発明は、通風経路を有する回転電機を代表して説明したが、他の通風経路を有する回転電機における間隔片であっても適用可能である。
　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。

１　固定子、２　固定子鉄心、３　固定子巻線、４　ダクト、
５　回転子、６　回転子鉄心、７　回転子巻線、
８、８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ　回転子巻線端部、
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ　直線部分、
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ　連結部分、
１１　回転子コイル、１３　回転軸、１４　回転子磁極、
１５　切欠排気路、１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ　間隔片、
１７、１７ａ、１７ｂ、１７ｃ　蛇行通風路、
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ　間隔片、
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ　蛇行通風路、２０　仕切り板、
２１　蛇行溝、２５　空隙、２６　ファン、２７　冷却器、
３０　コイル保持環、３１　エンドリング、４１　山型の巻線支持部、
４２　波状の巻線支持部、４７　頂角、４８　冷却ガス、
５０　冷却ガス流入口。

Claims (5)

1. 　回転子鉄心の周りに間隔を空けて巻回された回転子巻線と、
   　前記回転子巻線が前記回転子鉄心の軸方向端面に突出して形成された回転子巻線端部と、
   　隣接する前記回転子巻線端部間に配置された間隔片と、
   　前記間隔片の両側表面に設けられ、頂角が鈍角である山型の巻線支持部と、
   　前記間隔片の両側表面に前記山型の巻線支持部により形成された蛇行通風路と、
   　前記蛇行通風路中に前記蛇行通風路に沿って形成された波状の巻線支持部と、を備えたことを特徴とする回転電機。
2. 　前記間隔片は、隣接する前記回転子巻線端部間の軸方向と周方向に設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 　前記山型の巻線支持部の山の高さは、前記間隔片の幅の１／３以上であり、かつ１／２以下である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。
4. 　前記間隔片は、冷却ガスの流入口を有しており、
   　前記波状の巻線支持部の端部が、前記冷却ガスの流入口の中央付近まで突出していることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 　回転子鉄心の周りに間隔を空けて巻回された回転子巻線と、
   　前記回転子巻線が前記回転子鉄心の軸方向端面に突出して形成された回転子巻線端部と、
   　隣接する前記回転子巻線端部間に配置された間隔片と、
   　前記間隔片の両側表面に設けられた円弧状の巻線支持部と、
   　前記間隔片の両側表面に前記円弧状の巻線支持部により形成された蛇行通風路と、
   　前記蛇行通風路中に前記蛇行通風路に沿って形成され、前記円弧状の巻線支持部を繋いだ形状を有する波状の巻線支持部と、を備えたことを特徴とする回転電機。

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