(57)【要約】【課題】回転子及び固定子に対する冷却性能特性を向上させることを可能とする回転電機を提供する。【解決手段】回転軸３と、回転軸３の外周に固定された回転子４と、固定子鉄心８、及び、固定子鉄心８に巻着される固定子コイル９を有し、回転子４の外周に対向配置される固定子５と、回転軸３の軸方向両側において、それぞれ回転軸３の軸方向に直面するようにして設置される軸流ファン１０とを備え、固定子コイル９は、固定子鉄心８から軸方向両外側に突出する固定子コイルエンド９ａを有し、軸流ファン１０は、固定子コイルエンド９ａの径方向内側に位置し、固定子コイルエンド９ａと軸流ファン１０のハネ先端との径方向の間隔をａとし、固定子コイルエンド９ａの径をＤとすると、ａ／Ｄの範囲が０．０３６〜０．０８３であるものとする。【選択図】図２
2020089227.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と、
前記回転軸の外周に固定された回転子と、
固定子鉄心、及び、該固定子鉄心に巻着される固定子コイルを有し、前記回転子の外周に対向配置される固定子と、
前記回転軸において前記回転軸の軸方向に直面するようにして設置される軸流ファンとを備え、
前記固定子コイルは、前記固定子鉄心から前記回転軸の軸方向両外側に突出する固定子コイルエンドを有し、
前記軸流ファンは、前記固定子コイルエンドの径方向内側に位置し、
前記固定子コイルエンドと前記軸流ファンのハネ先端との径方向の間隔をａとし、前記固定子コイルエンドの内径をＤとすると、ａ／Ｄの範囲が０．０３６〜０．０８３である
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
回転軸と、
前記回転軸の外周に固定された回転子と、
固定子鉄心、及び、該固定子鉄心に巻着される固定子コイルを有し、前記回転子の外周に対向配置される固定子と、
前記回転軸において前記回転軸の軸方向に直面するようにして設置される軸流ファンとを備え、
前記固定子コイルは、前記固定子鉄心から前記回転軸の軸方向両外側に突出する固定子コイルエンドを有し、
前記軸流ファンは、前記固定子コイルエンドの径方向内側に位置し、
前記固定子コイルエンドと前記軸流ファンのハネ先端との径方向の間隔をａとし、前記固定子コイルエンドの内径をＤとすると、ａ／Ｄの範囲が０．０４３〜０．０７２である
ことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
内部において、前記回転軸を回転自在に支持するとともに、前記固定子が固定されるフレームと、
前記フレームの上方に配されるケーシングと、
前記ケーシング内部における前記固定子の上方位置に配され、軸方向両側に隔壁が設けられる熱交換器と、
前記固定子鉄心の前記回転軸の軸方向両側にそれぞれ配置され、前記固定子コイルエンドが挿通される貫通孔、及び、該貫通孔の径方向外側に放射状に設けられる複数の通風口を有する仕切板と、
一端面が、前記仕切板における前記回転軸の軸方向外側の面において、複数の前記通風口よりも径方向外側に固定され、他端面が、前記固定子コイルエンドに対向又は当接するようにして設けられる風案内板とを備え、
前記フレームの上板は、前記隔壁より前記回転軸の軸方向内側位置に排気口が形成され、前記隔壁より回転軸方向両外側位置に吸気口が形成される
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軸流ファンを設けたタービン発電機等の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ケーシングで密閉されたタービン発電機等の回転電機においては、運転時に発熱する回転子及び固定子を強制空冷するため、回転子の回転軸方向両端に、回転子ファン（軸流ファン）を設置し、回転子及び固定子に空気（冷却風）を送り込むようにしている（例えば下記特許文献１）。
【０００３】
また、熱交換器と軸流ファンとの間に固定子コイルエンドの一部又は全部を覆うようにして風案内板を設け、さらに、風案内板と固定子コイルエンドとの隙間を埋めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００‐０１４０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した従来の回転電機においては、冷却風の流れを考慮した軸流ファンと固定子コイルエンドとの位置関係が検討されておらず、回転子及び固定子に対する冷却性能特性の維持及び向上を十分に図ることができない。
【０００６】
本発明は、上記技術的課題に鑑み、回転子及び固定子に対する冷却性能特性を向上させることができる回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための第１の発明に係る回転電機は、
回転軸と、
前記回転軸の外周に固定された回転子と、
固定子鉄心、及び、該固定子鉄心に巻着される固定子コイルを有し、前記回転子の外周に対向配置される固定子と、
前記回転軸において前記回転軸の軸方向に直面するようにして設置される軸流ファンとを備え、
前記固定子コイルは、前記固定子鉄心から前記回転軸の軸方向両外側に突出する固定子コイルエンドを有し、
前記軸流ファンは、前記固定子コイルエンドの径方向内側に位置し、
前記固定子コイルエンドと前記軸流ファンのハネ先端との径方向の間隔をａとし、前記固定子コイルエンドの内径をＤとすると、ａ／Ｄの範囲が０．０３６〜０．０８３である
ことを特徴とする。
【０００８】
上記課題を解決するための第２の発明に係る回転電機は、
回転軸と、
前記回転軸の外周に固定された回転子と、
固定子鉄心、及び、該固定子鉄心に巻着される固定子コイルを有し、前記回転子の外周に対向配置される固定子と、
前記回転軸において前記回転軸の軸方向に直面するようにして設置される軸流ファンとを備え、
前記固定子コイルは、前記固定子鉄心から前記回転軸の軸方向両外側に突出する固定子コイルエンドを有し、
前記軸流ファンは、前記固定子コイルエンドの径方向内側に位置し、
前記固定子コイルエンドと前記軸流ファンのハネ先端との径方向の間隔をａとし、前記固定子コイルエンドの内径をＤとすると、ａ／Ｄの範囲が０．０４３〜０．０７２である
ことを特徴とする。
【０００９】
上記課題を解決するための第３の発明に係る回転電機は、
上記第１又は２の発明に係る回転電機において、
内部において、前記回転軸を回転自在に支持するとともに、前記固定子が固定されるフレームと、
前記フレームの上方に配されるケーシングと、
前記ケーシング内部における前記固定子の上方位置に配され、軸方向両側に隔壁が設けられる熱交換器と、
前記固定子鉄心の前記回転軸の軸方向両側にそれぞれ配置され、前記固定子コイルエンドが挿通される貫通孔、及び、該貫通孔の径方向外側に放射状に設けられる複数の通風口を有する仕切板と、
一端面が、前記仕切板における前記回転軸の軸方向外側の面において、複数の前記通風口よりも径方向外側に固定され、他端面が、前記固定子コイルエンドに対向又は当接するようにして設けられる風案内板とを備え、
前記フレームの上板は、前記隔壁より前記回転軸の軸方向内側位置に排気口が形成され、前記隔壁より回転軸方向両外側位置に吸気口が形成される
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る回転電機によれば、回転子及び固定子に対する冷却性能特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施例に係る回転電機を表す断面図である。
【図２】軸流ファン周辺の模式的拡大図である。
【図３】ａ／Ｄと冷却風の風量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明に係る回転電機について、実施例にて図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１３】
まず、図１を用いて本実施例に係る回転電機の構成を説明する。図１は、本実施例に係る回転電機を表す断面図であり、図中の矢印は冷却風の流れ方向を示している。
【００１４】
図１に示すように、本実施例に係る回転電機は、主な構成として、フレーム１内部に軸受２を介して回転自在に支持される回転軸３と、回転軸３の外周に固定された回転子４と、回転子４の外周に（エアギャップを介して）対向配置され、フレーム１内部に固定される固定子５とを備えている、密閉型の回転電機である。
【００１５】
また、回転子４は、回転子鉄心６、及び、回転子鉄心６に巻着された回転子コイル７を備え、固定子５は、固定子鉄心８、及び、固定子鉄心８に巻着された固定子コイル９を備えている。なお、固定子コイル９の固定子鉄心８から回転軸３の軸方向（以下、回転軸方向）両外側に突出している部分を固定子コイルエンド９ａと呼称する。
【００１６】
さらに、本実施例に係る回転電機には、回転軸３に取り付けられた軸流ファン１０と、フレーム１上方のケーシング１５内に設けられた冷却器としての熱交換器１１と、固定子鉄心８の回転軸方向両側にそれぞれ配置された仕切板１２と、仕切板１２に設けられた風案内板１３とが配されている。
【００１７】
軸流ファン１０は、回転軸３における、固定子コイルエンド９ａの径方向内側位置に、回転軸方向に直面するようにして設置されており、内径側に形成される円環状部材１０ａ、及び、円環状部材１０ａの外周面に放射状に複数配される突起部１０ｂを備えている。
【００１８】
これによって軸流ファン１０は、熱交換器１１により冷却された冷却風を、回転軸方向外側から回転軸方向内側に向けて送出し、運転時に発熱する回転子４及び固定子５を強制空冷する。
【００１９】
熱交換器１１は、ケーシング１５内部における固定子５の上方位置に配されており、軸流ファン１０によって循環させられることによって熱交換器１１を下から上へ通過する冷却風を、熱交換により冷却する。熱交換器１１の回転軸方向両側には隔壁１４が設けられており、熱交換器１１で冷却された冷却風は、ケーシング１５内上部に向かって流出するようになっている。
【００２０】
なお、フレーム１の上板には、隔壁１４より回転軸方向内側位置に排気口１ａが形成され、隔壁１４より回転軸方向両外側位置に吸気口１ｂが形成され、冷却風がこの排気口１ａ及び吸気口１ｂを通過可能になっている。すなわち、熱交換器１１は、このうち排気口１ａをフレーム１側からケーシング１５側に向けて流れてきた冷却風を、冷却することになる。
【００２１】
仕切板１２は、固定子コイルエンド９ａが挿通される貫通孔１２ａと、この貫通孔１２ａの径方向外側に放射状に設けられた複数の通風口１２ｂとを有している。
【００２２】
風案内板１３は、一端面が、仕切板１２の回転軸方向外側の面における複数の通風口１２ｂよりも径方向外側に固定され、他端面が、固定子コイルエンド９ａに対向（あるいは図１に示すように当接）するようにして設けられている。
【００２３】
なお、この他端面と固定子コイルエンド９ａとの間に隙間を有する場合には、図示しない別部材を介して該隙間を埋めるようにしてもよい。また、図１では、この他端面が固定子コイルエンド９ａの先端よりも回転軸方向内側位置に対向（当接）しているが、固定子コイルエンド９ａの先端付近に対向（当接）するようにしてもよい。
【００２４】
これによって風案内板１３は、熱交換器１１を通過後の冷却風を固定子コイルエンド９ａの先端側へ誘導するとともに、軸流ファン１０によって送出された冷却風を回転子４側及び固定子コイルエンド９ａ側へ誘導する。
【００２５】
以下では、上記構成とした本実施例に係る回転電機における冷却風の流れを、図１の破線矢印を参照して説明する。
【００２６】
軸流ファン１０の回転により熱交換器１１へ流入した冷却風は、熱交換器１１により冷却されてケーシング１５内上部側へ流出した後、熱交換器１１を覆うケーシング１５の内壁面と隔壁１４との間から吸気口１ｂを通過してフレーム１内部へ流入し、固定子コイルエンド９ａの先端部分を冷却する。
【００２７】
固定子コイルエンド９ａの先端部分を冷却した冷却風は、その後、軸流ファン１０によって回転子４及び固定子５側へ、いくつかの流れに分岐して送出される。
【００２８】
分岐した一部の冷却風は、仕切板１２に形成された貫通孔１２ａを通って回転子４、固定子５を順に冷却し、排気口１ａを通って熱交換器１１へと流れる。また、分岐した別の冷却風は、固定子コイルエンド９ａの固定子鉄心８側に冷却した後、仕切板１２に設けられた通風口１２ｂを通って固定子５の表面を冷却する。
【００２９】
そして、分岐した各冷却風は、排気口１ａと固定子５との間で合流した後、排気口１ａを通過して熱交換器１１に流入する。
【００３０】
ところで、固定子コイルエンド９ａと軸流ファン１０のハネ先端（具体的には突起部１０ｂの径方向端部）との径方向の間隔（以下、ａ［ｍｍ］とする）については、基本的には、小さくなるにしたがって、しめきり圧が大きくなり、軸流ファン１０が送出する冷却風の風量が増加することで、回転子４及び固定子５に対する冷却性能特性が高くなるが、あるしきい値からは、通風抵抗が過大となってしまい、却って風量の減少を招いてしまう。
【００３１】
図２は、軸流ファン１０周辺の模式的拡大図である。図２に示すように、固定子コイルエンド９ａの内径をＤ［ｍｍ］、軸流ファン１０のハネ外径をＤＦ１［ｍｍ］、軸流ファン１０のハネ内径をＤＦ２［ｍｍ］とする。なお、「ハネ内径」とは、軸流ファン１０の軸心から円環状部材１０ａの径方向端部までの幅を指し、「ハネ外径」とは、軸流ファン１０の軸心から突起部１０ｂの径方向端部までの幅を指す。
【００３２】
本願の発明者は、鋭意検討の結果、軸流ファン１０が送出する冷却風による回転子４及び固定子５に対する冷却性能特性は、上述のうちＤ［ｍｍ］とａ［ｍｍ］との比率に最も依存することを導き出した。
【００３３】
そこで本実施例では、発電機体格によって決定されるＤ［ｍｍ］とａ［ｍｍ］との比率を変えた回転電機全体モデルの３次元解析（ＤＦ１［ｍｍ］とＤＦ２［ｍｍ］との比率は固定）を行い、得られた風量から体格に応じた最適なａ［ｍｍ］を求めた。なお、対象とするＤ［ｍｍ］は、１０００，９７０，９２０［ｍｍ］の３パターンとしている。
【００３４】
上記３次元解析によって得られた結果を図３に示す。図３は、横軸がａ／Ｄ、縦軸が軸流ファン１０から送出される冷却風の風量［ｍ3／ｍｉｎ］としており、Ｄ＝１０００，Ｄ＝９７０，Ｄ＝９２０の３パターンについて表示している。
【００３５】
冷却性能特性を考慮したとき、冷却風の風量としては、最大風量比８０％以上を確保するのが好ましく、特に、最大風量比９０％以上を確保するのが好ましい。図３によれば、冷却風の風量が最大風量比８０％以上となるａ／Ｄの範囲は、図中の一点鎖線枠で囲っている０．０３６〜０．０８３となる。また、冷却風の風量が最大風量比９０％以上となるａ／Ｄの範囲は、ハッチングを付した二点鎖線枠内の０．０４３〜０．０７２となる。
【００３６】
このようにしてａ／Ｄを最適範囲に設定することで、本実施例に係る回転電機では、回転子４及び固定子５に対する冷却性能特性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、軸流ファンを設けたタービン発電機等の回転電機として好適である。
【符号の説明】
【００３８】
１  フレーム
１ａ  排気口
１ｂ  吸気口
２  軸受
３  回転軸
４  回転子
５  固定子
６  回転子鉄心
７  回転子コイル
８  固定子鉄心
９  固定子コイル
９ａ  固定子コイルエンド
１０  軸流ファン
１０ａ  円環状部材
１０ｂ  突起部
１１  熱交換器
１２  仕切板
１２ａ  貫通孔
１２ｂ  通風口
１３  風案内板
１４  隔壁
１５  ケーシング
【図１】
2020089227.tif 000003
【図２】
2020089227.tif 000004
【図３】
2020089227.tif 000005