JPH0787709A

JPH0787709A - 突極形回転電機

Info

Publication number: JPH0787709A
Application number: JP22680993A
Authority: JP
Inventors: Akinori Mizuyama; 昭徳水山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1993-09-13
Publication date: 1995-03-31

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、突極形回転電機の回転子と
固定子との分離通風冷却方式を用いて、温度アンバラン
スを低下させ、冷却効果を高めると共に、発電機出力の
向上を得る事にある。【構成】本発明の突極形回転電機は、固定子枠13の上
側外周面に回転子冷却用通風穴22、固定子枠下側外周面
に空気冷却器18、固定子枠の中央部外周面に電動ファン
14を設け、回転子自身のファン作用で回転子に導かれた
冷却空気の排出流を固定子からの排出流と干渉しないよ
うに下側コイルエンド室に導く磁極間仕切板33と、磁極
上側端面の磁極間空間の天井板34と、固定子鉄心の上側
端面に取り付けられた固定子仕切板35からなることを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回転子と固定子の冷却
方法に係わり、特に分離通風冷却を行う突極形回転電機
に関する。

【０００２】

【従来の技術】突極形回転電機は、主として、あまり高
速回転を要求されない水力発電プラントに用いられる。
また、この種の回転電機は空気冷却すなわち通風方式に
より行われることが多いため、冷却媒体としての空気を
循環・冷却する装置を機外に設けるのが一般的である。
特に水力発電に限れば、回転電機の軸に直結された原動
機を回転させる水を熱交換に使用できるので、機内の空
気を循環させる電動ファンによる電力損失、あるいは、
回転電機のファン作用による風損をいかに抑制するかが
問題である。

【０００３】以下、図面を用いて従来例を説明する。図
３は、回転電機の回転軸を通りこれに平行な平面による
断面図の対称部分を省略した図である。回転電機の回転
子11および固定子12を被装する固定子枠13内に設けられ
た強制冷却させる通風用の電動ファン14により固定子枠
13内に流入する事により、冷却媒体としての冷却空気15
は、固定子コイル16や固定子鉄心17で発生した熱を吸収
し、固定子枠13外に設けられた空気冷却器18にて冷却さ
れた後に、回転子に配置される磁極19と固定子鉄心17と
の間隙部（以下、エアギャップ20と称す）に導かれる。
また、一部の冷却空気15は、回転子スパイダ21に設けら
れた通風穴22から回転子スパイダ21内に流入し、回転子
リム23に設けられたリム流路24を通って磁極19のエアギ
ャップ20へ導かれる。冷却空気15がエアギャップ20を流
れる間に磁極19を形成する界磁コイル25および磁極鉄心
26を冷却し、エアギャップ20を超えて固定子鉄心17内の
固定子ダクト27へ入り、ここを通る間に固定子コイル16
および固定子鉄心17を冷却する。固定子枠13の外部に設
けた空気冷却器18を通過する間に熱が取り去られて循環
する。

【０００４】このように、この通風方式では、固定子を
冷却する空気が回転子内を流れてからエアギャップを越
える。このため、固定子に達する以前に回転子コイルの
熱損失により冷却空気は熱され、この空気が固定子に流
入するため、大量の空気を流す必要があった。また、循
環する空気の経路にある程度の自由度が許されるので、
空気の相互干渉による風損も大きく非効率的であった。

【０００５】この結果、回転子周速が130m/sを超えるよ
うな超高速大容量発電機などでは、さらに大量の空気が
必要となるため、所要の通風面積が確保できなくなり、
回転子コイルすなわち磁界コイル或いは固定子コイルに
水などの液体を媒体とする冷却液を通して冷却する直接
冷却方式としていた。そのため、構造が複雑となり高価
である直接冷却方式の回転機を使用せざるを得なかっ
た。

【０００６】図４は、上記の問題を通風方式により解決
しようとした従来例を示す固定子断面図である。すなわ
ち、固定子内径方向に円筒状通風仕切壁28を構成し、固
定子鉄心17と鉄心内の固定子コイル16とを回転子の通風
系から分離する。固定子枠13は円周方向に複数の部屋に
仕切られ、固定子枠13の外周面に強制冷却用電動ファン
14ａ、空気冷却器18ａを仕切られた部屋ごとに交互に配
置するように構成されている。また固定子枠の上側外周
面に複数個の強制冷却用電動ファン14ｂ、固定子枠13の
下側外周面に複数個の空気冷却器18ｂを配置する。

【０００７】また、回転子スパイダ21には通風穴22を設
けず、回転子リム23にも流路を設けないように構成され
る。この場合、回転子を冷却するための空気は、強制冷
却用電動ファン14ｂにより固定子枠13内へ流入し、上側
固定子コイルエンド29ａを冷却した後、磁極19同志によ
り形成される磁極間部30へ入り、ここを軸方向上から下
へ吹き抜け、冷却空気15が流れる間に磁極19の界磁コイ
ル25および磁極鉄心26を冷却する。それに伴い、下側固
定コイルエンド29ｂを冷却した冷却空気15は、空気冷却
器18ｂを通過する間に熱を放出した後再循環されてい
た。

【０００８】一方、固定子鉄心17および鉄心の内固定コ
イル16を冷却するための冷却空気15は、図５に示すよう
に、強制冷却用電動ファン14ａにより固定子枠内の流入
セクション31へ流入し、ここから固定ダクト27へ入り、
半径方向の外側から内側へ向かって流れる。この固定子
ダクト27を通る間に流出セクション32へ流出し、空気冷
却器18ａを通過する間に熱を放出した後再循環される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この種の突
極形回転電機の固定子は、円周方向に吸気チャンバと排
気チャンバに分かれている事を特徴としているが、こう
すると、円周方向或いは軸方向に温度アンバランスが生
じる。特に排気チャンバ側の固定子コイル21の温度が異
常に上昇することにより悪影響を及ぼしてきた。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の突極形回転電機
は、磁極を突出して形成した回転子と、この回転子の外
側に設けた固定子枠で支持された固定子及びこれらを冷
却する冷却媒体を有し、この冷却媒体を循環・冷却させ
て回転電機本体内の回転子と固定子とを分離して冷却す
る手段と、本体内の固定子を冷却する際に温度アンバラ
ンスを生じさせない手段とを有することを特徴とする。

【００１１】また、本体内の回転子および固定子により
形成される間隙部に冷却媒体を誘導させ、回転子はそれ
自身のファン作用、固定子はこの外部に設けた強制冷却
装置のファン作用により前記冷却媒体を案内する手段を
有する事を特徴とする。

【００１２】さらに、本体内の固定子を冷却する際、前
記冷却媒体を回転電機の軸に対して求心方向或いはこの
反対の向きの何れかで送る事により、温度アンバランス
を生じさせない事を特徴とする。

【００１３】

【作用】本発明の突極形回転電機は、本体内部の回転子
と固定子とを分離して冷却する事により回転子の風損を
抑制し、固定子側の冷却効果を向上させ、温度アンバラ
ンスを生じさせない事により回転電機の出力向上を図る
ものである。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１及び図２を参照
して説明する。図１は、本発明のうち、仕切板を設ける
事により分離通風冷却法を採り入れた突極形回転電機の
断面図の一例であり、図２は図１内のＡ−Ａ断面図であ
る。

【００１５】突極形回転電機の回転子11内の磁極19同志
により形成される磁極間部30を磁極間仕切板33により円
筒状に構成し、固定子と回転子との通風系を分離する。
また、磁極間部30を部屋と見立てた時、磁極19および磁
極間仕切板33を側壁とし、部屋の天井にあたるような上
側面に磁極間空間の天井板34を設置する。この部屋は気
密性を保って構成される。さらに、固定子鉄心17の上側
端面に固定子仕切板３５を設置する。そして、図２に示
すように、固定子鉄心１７の背面（以下コアバック36と
称す）の固定子枠13内にチャンバ37を設ける。

【００１６】このコアバックバャンバ38部分の固定子枠
の外周面に複数個の強制冷却用電動ファン14を配置し、
冷却空気を外からチャンバ37に送り込むように構成す
る。従って、チャンバ37は全て吸気チャンバとなる。

【００１７】次に固定子枠13の上側外周面に複数個の回
転子冷却通風穴22を設ける。そして、固定子枠13の下側
外周面に複数個の空気冷却器18を配置する。この空気冷
却器は、原動機に仕事を与え、回転させる水を管路で案
内したもので、熱せられた空気の余熱は、この水により
除去される。

【００１８】ここで、固定子の冷却空気の通風源は電動
ファン14とする。一方、回転子の冷却空気の通風源は回
転子自身のファン作用を利用する。まず、固定子の冷却
空気は、電動ファン14により固定子枠13のチャンバ37に
流入する。

【００１９】次いで、固定子ダクト27へ入り、固定子ダ
クト27を通る間に固定子コイル16及び固定子鉄心17を冷
却する。そして、冷却空気はエアギャップ20へ流出し、
極間仕切板33に当たって軸方向の下方向へ分かれて固定
子室の下側コイルエンド部分29ｂへ入る。そして固定子
枠13の外周に設けた空気冷却器18で熱交換される。

【００２０】一方、回転子11の冷却空気は、回転子スパ
イダ21に設けられた通風穴22から回転子スパイダ21内に
流入し、回転子リム23に設けられた流路24を通って磁極
19の間の空間に導かれる。

【００２１】その後、冷却空気は軸方向の下方向へ流れ
て、磁極空間を流れる間に界磁コイル25及び磁極鉄心17
を冷却した後、磁極間仕切板35に当たって固定子室39内
の下側コイルエンド部分29ｂへ入る。ここで、固定子の
冷却空気と合流し、固定子枠13の外周に設けた空気冷却
器18を通過する間に熱が取り去られ、冷却空気15は再循
環される。今、空気比熱をＣγ、空気比重量をγ、従来
方式の全損失をＬ₀ 、風量をＱ₀、空気の温度上昇をΔ
ｔ₀ とすると熱量のバランスから

【００２２】

【数１】Ｌ₀ ＝Ｑ₀ ・Δｔ₀ ・Ｃγ・γ ………(1) という関係が成り立つ。一方、本発明による回転子を冷
却するのに必要な風量をＱ₁ 、この風量Ｑ₁ が受け持つ
損失をＬ₁ 、そのときの空気の温度上昇をΔｔ₁、ま
た、固定子を冷却するのに必要な風量をＱ₂ 、この風量
Ｑ₂ が受け持つ損失をＬ₂ 、そのときの空気の温度上昇
をΔｔ₂ とすると、

【００２３】

【数２】Ｌ₁ ＝Ｑ₁ ・Δｔ₁ ・Ｃγ・γ ………(2) Ｌ₂ ＝Ｑ₂ ・Δｔ₂ ・Ｃγ・γ ………(3) Ｌ₀ ＝Ｌ₁ ＋Ｌ₂ ………(4) が成り立つ。従来方式の空気の温度上昇Δｔ₀ は、固定
子を冷却する空気が最初回転子内を流れるため、回転子
損による温度上昇と固定子とを分離して通風すれば、そ
れぞれ空気の温度上昇をΔｔ₀ まで許せるので、

【００２４】

【数３】Δｔ₀ ＝Δｔ₁ ＋Δｔ₂ ………(5) とすることが出来る。従って (1)〜 (5)式によりＱ₀ ＝
Ｑ₁ ＋Ｑ₂ という関係が成り立つ。通常Ｌ₁ ＝ 0.4・Ｌ
₀ 、Ｌ₂ ＝ 0.6・Ｌ₀ なので、

【００２５】

【数４】Ｑ₁ ＝ 0.4・Ｑ₀ ₍₆₎ Ｑ₂ ＝ 0.6・Ｑ₀ となり、回転子を冷却するのに必要な風量は、従来方式
に比較して40％でよい事になる。また固定子を冷却する
のに必要な風量も従来方式に比較して60％でよい事にな
る。

【００２６】図６は、従来方式及び本発明による通風特
性曲線であり、曲線51は従来方式の通風抵抗、曲線52は
本発明による回転子側通風回路の通風抵抗、曲線53は固
定子側通風回路の通風抵抗である。図６に示したように
固定子と回転子とを分離して通風した場合、それぞれの
通風抵抗は従来方式に比較して小さくなる。このとき前
記各風量Ｑ₀ 、Ｑ₁ 、Ｑ₂ を発生するのに必要な圧力発
生側ＰＱ特性は従来方式では曲線54、本発明による回転
子側では曲線55、固定子側では曲線56となる。この圧力
発生側ＰＱ特性曲線と前記通風特性曲線の交点が作動点
となる。通常、通風抵抗は風量のほぼ２乗に比例して増
加するので、

【００２７】

【数５】Ｐ′₁ ＝ 0.4² ・Ｐ₀ ₍₇₎ Ｐ′₂ ＝ 0.6² ・Ｐ₀ である。図６より明らかな如く、通風抵抗曲線52及び53
は従来の通風抵抗曲線52を下回るので、所要圧力Ｐ₁ 、
Ｐ₂ は、

【００２８】

【数６】Ｐ₁ ＜ 0.4² ・Ｐ₀ ₍₈₎ Ｐ₂ ＜ 0.6² ・Ｐ₀ となる。これらの風量、圧力を発生するための動力Ｗ
は、ＰとＱとの積に比例するので、従来方式の動力をＷ
₀ とすれば、 (6)式及び (8)式より本発明による回転側
での動力Ｗ₁ 、固定子側での動力Ｗ₂ はそれぞれ

【００２９】

【数７】Ｗ₁ ＜ 0.4³ ・Ｗ₀ Ｗ₂ ＜ 0.6³ ・Ｗ₀ となり、両者の合計は、

【００３０】

【数８】Ｗ₁ ＋Ｗ₂ ＞ 0.28 ・Ｗ₀ である。以上の解析結果より本発明の実施例において、
必要な動力は同出力の下、従来方式と比較して30％以下
となり大幅な動力を減少できる。

【００３１】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように従来方式
では回転子を冷却する空気が最初回転子内を流れ固定子
に達する以前に回転子のジュ―ル熱損失によって加熱さ
れ、固定子で必要な冷却作用を得るために大量の空気流
が必要であったものが、回転子と固定子とを分離して通
風する事により、冷たい空気が固定子内に入るので固定
子を冷却するために要する空気量を大幅に抑制すること
ができる。それに伴い固定子内を流れる冷却空気の流速
が小さくなり、通風抵抗を減少させることができる。そ
のため、従来方式では大出力の強制冷却用電動ファンが
必要であったものを小出力のもので済ませることができ
る。

【００３２】一方、回転子も固定子から分離して通風さ
れるため、回転子を冷却するのに要する空気量が大幅に
少なくて済む。すなわち固定子は、円周方向或いは軸方
向に温度アンバランスがなくなり固定子鉄心及び固定子
コイルは均一に冷却される。また、固定子と回転子との
分離通風を効果的に行ったので、それぞれに流れる冷却
風量を少なくでき、風損も減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す断面図。

【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図。

【図３】従来例を示す断面図。

【図４】他の従来例を示す断面図。

【図５】図４のＢ−Ｂ線における断面図。

【図６】本発明および従来例における通風特性曲線図。

【符号の説明】

11…回転子 12…固定子 13…固定子枠 14…電動ファン 15…冷却空気 16…固定子コイル 17…固定子鉄心 18…空気冷却器 19…磁極 20…エアギャップ 21…回転子スパイダ 22…通風穴 23…回転子リム 24…リム流路 25…界磁コイル 26…磁極鉄心 27…固定子ダクト 28…通風仕切板 29…コイルエンド 30…磁極間部 31…流入セクション 32…流出セクション 33…磁極間仕切板 34…天井板 35…固定子仕切板 36…コアバック 37…チャンバ 38…コアバックチャンバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁極を突出して形成した回転子と、この
回転子の外側に設けられ、固定子枠で支持された固定子
と、前記回転子及び前記固定子を冷却する冷却媒体とを
備えた突極形回転電機において、前記冷却媒体を循環・
冷却させ、かつ、前記回転子と前記固定子とを分離して
冷却する手段と、前記固定子を冷却する際に温度アンバ
ランスを生じさせない手段とを有することを特徴とする
突極形回転電機。
【請求項２】請求項１において、前記回転子および前
記固定子により形成される間隙部に冷却媒体を誘導さ
せ、前記回転子はそれ自身のファン作用、固定子はこの
外部に設けた強制冷却装置のファン作用により前記冷却
媒体を機内に案内する手段を有する事を特徴とする請求
項１記載の突極形回転電機。
【請求項３】請求項１において、前記固定子を冷却す
る際、前記冷却媒体を回転電機の軸に対して求心方向或
いは放射方向の何れか一方向のみで送る事を特徴とする
請求項１または請求項２記載の突極形回転電機。