JP4576309B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、冷却ガスが封入されたケーシング内に固定子および回転子が収容され、ケーシング内部にガス冷却器を備えたタービン発電機等の回転電機に関するものである。

冷却ガスが封入されたケーシング内に固定子および回転子が収容され、ケーシング内にガス冷却器を備えた回転電機が、例えば特許文献１に開示されている。
特許文献１に開示された回転電機は、特許文献１の図１に示されているように、冷却ガスを封入したケーシング内に固定子、回転子が配設され、固定子は、鉄心部分の軸方向に適正間隔で外周方向に冷却ガスが通過する複数の冷却通路を備え、固定子の内周側にガス空隙を介して回転可能に支持された回転子が配置され、この回転子の軸端側にファンを備え、軸端部で軸受により回転自在に支持されている。固定子の軸方向端部および回転子の軸方向端部には、冷却ガスが流入するガス空間を形成する内側防風板を配置し、内側防風板とケーシングとの間に外側防風板を配置し、ファンから送出された冷却ガスを冷却器に導く第１の通風路と、固定子を冷却した冷却ガスをファンに導く第４の通風路を形成し、冷却器を出た冷却ガスを固定子鉄心の半径方向冷却通路に導く第２の通風路形成手段と、冷却ガスを固定子鉄心の端部に導く第３の通風路形成手段を備えた構成が示され、ガス冷却器は固定子の外周端部の冷却ガス通路に配置されている。

このように構成された回転電機では、ファンによって動圧を与えられた冷却ガスがベアリングブラケットおよび内側油切りのある方向に吹き出し、第１の通風路を通ってガス冷却器に至り、ガス冷却器で冷却された冷却ガスが固定子鉄心部の吸気セクションと、固定子鉄心端部と内側防風板とで囲われたセクションに分かれて流入し、固定子鉄心部の吸気セクションに流入した冷却ガスは、固定子鉄心の吸気セクションの通風ダクトを通過し、風導を通って内側防風板と外側防風板に囲われた第４の通風路を通りファンに至る。
固定子鉄心の端部と内側防風板とで囲まれたセクションに流入した冷却ガスは、一部は回転子に流入して回転子を冷却して固定子鉄心の排気セクションに合流し、他は固定子鉄心部を冷却した後、固定子鉄心の排気セクションに合流するように循環する。

このように構成された従来の回転電機は、固定子鉄心中央部および固定子鉄心端部を冷却した冷却ガスは、ファンを通過した後にガス冷却器を通過し、ガス冷却器により冷却された冷却ガスが直接固定子鉄心側に送られるので、従来のようにファンのロスによる加熱が回避されるものである。また、ファンと軸受けの内側油切りの間のセクションがファンの流出側で正圧となっており、従来のようにベアリング室の油を機内に引き込むことがなくなるというものである。

特開平０６−２６１５００号公報

上記のように構成された特許文献１の回転電機は、ガス冷却器を通った冷却ガスが、直接固定子鉄心側に送られ、ファンのロスによる加熱が回避される構成であり、ファンと軸受けの内側油切りの間のセクションがファンの流出側で正圧となっており、ベアリング室の油を機内に引き込むことがなくなるという特徴を有するものである。
しかし、特許文献１の構成は、冷却ガスを軸方向に送出する冷却ファンを使用しているために、冷却ファンの軸方向の前後に大きなスペースを必要とし、回転軸の長さが長くなり回転電機の寸法が大きくなる問題点があった。

この発明は、回転電機の冷却ガス循環用冷却ファンを軸方向の前後にスペースを必要としない構成として回転軸の長さを短縮し、回転電機の小型化を図ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、冷却ガスが封入されたケーシング内に配設され、軸方向に所定の間隔で冷却ガスが外周方向に通過する冷却ガス通路が設けられた固定子鉄心および固定子コイルからなる固定子と、この固定子の内周側に空隙を介して配置され、回転軸、回転軸に装着され回転子磁極を形成する回転子鉄心、回転子鉄心を励磁する回転子コイルからなり、回転軸の両端部が軸受により回転自在に支持された回転子と、固定子端部に端部ガス空間を形成する端部ガス空間仕切手段と、端部ガス空間仕切手段より軸受側の位置で回転軸に装着され、冷却ガスを軸心側から吸気し、外周方向に送出する遠心ファンと、この遠心ファンの周囲を囲い、端部ガス空間仕切手段より軸受側に配置されたガス風洞とからなる遠心送風機と、端部ガス空間仕切手段の外周部軸受側に配置され、流入する冷却ガスを通過させて冷却して端部ガス空間に送出する主ガス冷却器と、遠心送風機のガス風洞に接続され、ガス風洞から送出される冷却ガスを主ガス冷却器へ流入する反転風洞とを備えたものである。

このように冷却ガスを遠心送風機により循環する構成にしたことにより、遠心送風機の軸方向前後に設ける空間が短くなり、従来の軸方向に流出する冷却ファンを使用した場合よりも回転軸が短くなり、回転電機の小型化が実現できる。

実施の形態１．
実施の形態１の回転電機の構成を図１に示す。図１は回転電機の回転軸中心より上部を断面で示した半断面図である。
この回転電機は、固定子１０と、固定子１０の内径部に配置された回転子２０と、固定子１０の外周部を囲い冷却ガスを封入したケーシング２５と、ケーシング２５内に冷却ガスを循環させる遠心送風機３０と、冷却ガスを冷却する冷却ガス冷却器３５とで構成している。

固定子１０は、固定子鉄心１１が軸方向に所定の間隔で冷却ガス通路１１ａを設けた状態に積層され、固定子鉄心１１の内周部のスロットに固定子コイル１２が挿入された構成である。
回転子２０は、固定子１０の内周部にガス間隙Ｄが確保できる外径に製作され、回転軸２１と磁極を形成する回転子鉄心と回転子コイルが挿入された回転子鉄心部２２とで構成し、回転子鉄心部２２の内部には図示していないが冷却ガスの通路を設け、両端部で軸受２３により回転自在に支持している。
固定子１０の両端部には、端部ガス空間仕切手段１５で囲い、端部ガス空間Ｃを形成している。

回転軸２１両端部の端部ガス空間仕切手段１５の軸受側の位置に装着した遠心ファン３１と、この遠心ファン３１の周囲を囲い、端部ガス空間仕切手段１５の軸受側に配置し、冷却ガスが外周方向に流出するガス風洞３２とで遠心送風機３０を構成し、回転子２０が回転することにより、遠心ファン３１が回転して冷却ガスに動圧を与える。

循環する冷却ガスの冷却する主ガス冷却器３５は、端部ガス空間仕切り手段１５の外周部軸受２３側に配置し、遠心送風機３０のガス風洞３２から送出される冷却ガスが固定子１０の外周側から主ガス冷却器３５に流入するように反転風洞３６により接続している。
冷却ガスは、主ガス冷却器３５に冷却水等の冷却媒体を循環させることにより熱交換されて冷却される。

回転電機内に封入されている冷却ガスは、回転子２０が回転することで遠心送風機３０によって軸心側から外周方向に送出され、ガス風洞内ガス通路Ａから反転風洞３６の反転空間Ｂで反転して主ガス冷却器３５に送られ、端部ガス空間Ｃに送出され、回転子２０の冷却通路と、固定子１０内径部と回転子２０の外径部との間のガス間隙Ｄとに流入し、固定子１０の冷却ガス通路１１ａを通過して固定子外周空間Ｅに送出され、固定子外周部空間Ｅで両端側に分かれて冷却ガス帰還通路Ｆを通り、遠心送風機３０の軸心側に帰還する循環経路で循環する。

回転電機をこのように構成したことにより、冷却ガスを循環させる遠心送風機３０は、冷却ガスが軸心側から吸気して外周方向に送出し、ガス風洞３２から主ガス冷却器３５に流入し、遠心送風機３０の軸方向には空間を必要としないので、回転子１１の軸方向長さを短くすることができる。

実施の形態２．
実施の形態１では、冷却ガスを冷却する主ガス冷却器３５を端部ガス空間形成手段１５の軸受２３側外周部に配置した構成としたが、実施の形態２は、実施の形態１の固定子１０の外周部にも補助冷却器４２を設けたものである。
実施の形態２の構成図を図２に示す。図２は図１と同様に回転電機の回転軸中心より上部を断面で示した半断面図である。

図２において、固定子１０は、固定子鉄心１１が所定の間隔で冷却ガス通路１１ａを設けた状態に積層し、固定子鉄心１１の内周部に設けられたスロットに固定子コイル１２が挿入された構成である。回転子２０は、固定子１０の内周部にガス間隙Ｄが確保できる外径で、回転軸２１と磁極を形成する回転子鉄心と回転子コイルが挿入された回転子鉄心部２２とで構成し、回転子鉄心部２２の内部には冷却ガスの通路が設けられ、両端部で軸受２３により回転自在に支持された構成である。固定子１０の両端部を端部ガス空間仕切手段１５で囲い、端部ガス空間Ｃを形成した構成、回転軸２１両端部の端部ガス空間仕切手段１５の軸受２３側の位置に装着した遠心ファン３１と、この遠心ファン３１の周囲を囲い、端部ガス空間仕切手段１５の軸受側に配置したガス風洞３２とで遠心送風機３０を構成した点は実施の形態１の図１と同一である。
図１とは、固定子１０外周部に冷却ガス集合筒４１を設け、この部分に補助ガス冷却器４２を付加した点が相違している。

このように固定子１０の外周部に補助ガス冷却器４２を付加すると、冷却性能が向上し、必要な冷却容量が主ガス冷却器３５と補助ガス冷却器４２に分担させることで主ガス冷却器３５の寸法が小さくなり、ケーシング２５の外径を小さくすることが可能となる。従って実施の形態１に比較してケーシング２５の外径が小さくなり、回転電機の寸法がさらに小型化できる。

実施の形態３．
実施の形態１および実施の形態２では、冷却ガスを循環させる遠心送風機３０の通風ダクト３２は１方向の場合について示したが、冷却された冷却ガスの固定子１０と回転子のガス間隙Ｄへ流入する循環経路が一経路のみであると、固定子１０の冷却ガス通路１１ａへの冷却ガス流量の偏りがあり、冷却効率があまりよくない。

実施の形態３は、固定子１０と回転子２０の間のガス間隙Ｄに流入する冷却ガスの流入量を均一化にするように、遠心送風機３０から送出する冷却ガスが少なくとも２方向に送出されるガス風洞とし、固定子１０と回転子２０の間のガス間隙へは複数の方向から流入するように構成したものである。

図３に冷却ガスを例えば３方向に送出する構成とした場合の遠心送風機の正面図を図３に示す。この遠心送風機５０は、回転軸２１に装着された遠心ファン５１と、遠心ファン５１の周囲を囲い３方に冷却ガスを送出する冷却ガス送出風洞５２を備え、図１に示した端部空間仕切手段１５の軸受２３側に配置したガス風洞５２とからなり、冷却ガス送出風洞５２の各冷却ガス送出口をそれぞれ主ガス冷却器３５に接続している。
回転電機の構成は実施の形態１の図１および実施の形態２の図２の構成と同一である。

このように冷却ガスを複数の方向に送出する遠心送風機５０を使用すると、回転電機の固定子１０の内径と回転子２０の外径との間のガス間隙Ｄには少なくとも２方向から流入するので、冷却ガスは、固定子１０と回転子２０の間のガス間隙Ｄから固定子１０の冷却ガス通路１１ａにほぼ均一な流量で流入させることができ固定子１０内部がほぼ均一に冷却される。
図３の構成は冷却ガスの送出方向が２方向または４方向としてもよい。

実施の形態１の回転電機の構成を示す半断面図である。 実施の形態２の回転電機の構成を示す半断面図である。 冷却ガスを循環させる遠心送風機の正面図である。

符号の説明

１０ 固定子、１１ 固定子鉄心、１１ａ 冷却ガス通路、１２ 固定子コイル、
１５ 端部ガス空間仕切手段、２０ 回転軸、２２ 回転子鉄心部、２３ 軸受、
２５ ケーシング、３０ 遠心送風機、３１ 遠心ファン、３２ ガス風洞、
３５ 主ガス冷却器、３６ 反転風洞、４１ ガス集合筒、４２ 補助ガス冷却器、
５０ 遠心送風機、５１ 遠心ファン、５２ ガス風洞。

Claims (3)

1. 冷却ガスが封入されたケーシング内に配設され、軸方向に所定の間隔で冷却ガスが外周方向へ通過する冷却ガス通路が設けられた固定子鉄心および固定子コイルからなる固定子と、該固定子の内周側に空隙を介して配置され、回転軸、該回転軸に装着され回転子磁極を形成する回転子鉄心、該回転子鉄心を励磁する回転子コイルからなり、上記回転軸の両端部が軸受により回転自在に支持された回転子と、上記固定子端部に端部ガス空間を形成する端部ガス空間仕切手段と、上記端部ガス空間仕切手段より上記軸受側の位置で上記回転軸に装着され、冷却ガスを軸心側から吸気し、外周方向に送出する遠心ファンと、該遠心ファンの周囲を囲い、上記端部ガス空間仕切手段より上記軸受側に配置されたガス風洞とからなる遠心送風機と、上記端部ガス空間仕切手段の外周部軸受側に配置され、流入する冷却ガスを通過させて冷却し、上記端部ガス空間に送出する主ガス冷却器と、上記遠心送風機のガス風洞に接続され、該ガス風洞から送出される冷却ガスを上記主ガス冷却器へ流入する反転風洞とを備えたことを特徴とする回転電機。
2. 上記固定子外周部を囲い固定子外周部に外周部ガス空間を形成する固定子外周部ガス風洞を備え、該固定子外周部ガス風洞に補助ガス冷却器を設けたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 上記遠心送風機のガス風洞は、冷却ガスが上記固定子の周方向に、少なくとも２方向に送出する複数の冷却ガス送出口を備え、該複数の冷却ガス送出口にそれぞれ上記反転風洞を介して上記主ガス冷却器を接続し、該主冷却ガス冷却器から送出される冷却ガスは上記端部ガス空間に少なくとも２方向から流入するように接続されていることを特徴とする請求項１〜請求項２のいずれかに記載の回転電機。

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