(57)【要約】固定子枠２の外被を冷媒中に浸漬して冷却するようにした外被冷却型回転電機において、電磁鋼板１１を固定子枠２の内壁面に接触させて積層固定して得られる固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間隙部１３に熱伝導性部材層１５を形成する。熱伝導性部材層１５は、主としてグラファイトシートからなり、固定子鉄心１の背面または固定子枠２の内壁面のいずれに取り付けてもよい。運転中に固定子鉄心１で発生する熱の固定子枠２への放熱を妨げ、固定子巻線３の冷却性能を低下させる固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間に存在する間隙部１３を無くして、冷却性能の優れた外被冷却型回転電機を提供できる。
2009025093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁鋼板を固定子枠の内壁面に接触させて積層固定して得られる固定子鉄心を、前記固定子枠の外被を冷媒中に浸漬して冷却するようにした外被冷却型回転電機の固定子において、
前記固定子枠の内壁面または前記固定子鉄心の外周面のうち少なくとも一方の面にグラファイトシートからなる熱伝導性部材の層が形成されていることを特徴とする外被冷却型回転電機の固定子。
【請求項２】
電磁鋼板を固定子枠の内壁面に接触させて積層固定して得られる固定子鉄心を、前記固定子枠の外被を冷媒中に浸漬して冷却するようにした外被冷却型回転電機の固定子において、
前記固定子枠の内壁面と前記固定子鉄心の外周面とで形成される間隙部にグラファイトシートからなる熱伝導性部材を挟入したことを特徴とする外被冷却型回転電機の固定子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の固定子を備えた外被冷却型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブ水車発電機や潜水艇用の水中電動機や冷却ガス雰囲気で使用されるガス冷却式回転機等の冷媒雰囲気中で運転される外被冷却型回転電機、およびその固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
外被冷却型回転電機の代表例として、ここでは、バルブ水車発電装置を例に挙げ、図７、図８を参照して説明する（特許文献１および特許文献２参照）。バルブ水車発電装置は、低落差・大流量用の水車発電所に適用される水力発電装置であり、水路中に埋設されて水流により図示しない水車ランナーを回転させ、その回転エネルギーを前記した水車ランナーに直結された発電機に伝送して発電を行う。【０００３】
図７は、一般的なバルブ水車発電機の要部縦断面図であり、図８は、図７におけるＡ部を拡大して示した固定子枠２と固定子鉄心１の部分拡大縦断面図である。図７に示すように、バルブ水車発電機は、水路１０中に固定子枠２を兼ねたトップカバー１２で構成されたバルブの内部に発電機が組み込まれている。水路１０の下流側には前記した図示しない水車ランナーが発電機の回転子軸８に取り付けられている。また、固定子枠２の内壁部には固定子鉄心１に固定子巻線３が装着された固定子４が密着固定され、その内側には回転子軸８とともに回転する磁極７ａに界磁コイル７ｂを巻装した回転子７が設けられている。【０００４】
このバルブ水車発電機の運転時においては、固定子巻線３を装着した固定子４と、界磁コイル７ｂが巻回された回転子軸８とのそれぞれの発熱は、空気冷却器９からの冷却ガス６により冷却される。また、固定子４の冷却には、空気冷却器方式と外被水冷却方式とがある。空気冷却器方式は、前記した空気冷却器９からの冷却風６を固定子鉄心１に設けた半径方向のダクトを通して、固定子鉄心１と固定子枠２との間に設けた図示しない通風用のダクトを介して前記空気冷却器９へ循環する方式である。また、外被水冷却方式は、空気冷却器９を設けないで、固定子鉄心１を水路１０の冷却水５で冷却されている固定子枠２の内壁部に直接密着固定して冷却する方式である。外被水冷却方式の固定子枠２の内壁部に直接に固定子鉄心１を密着する冷却構成では、前記した固定子鉄心１と固定子枠２との間に通風用のダクトを設けないので、発電機の径方向の寸法及び空気冷却器９の容量を小さくできるという特徴を有している。
【特許文献１】特開平８−１４９７５６号公報
【特許文献２】特開平６−１４４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した外被冷却方式、すなわち、固定子枠２に固定子鉄心１を密着して冷却する構成において、固定子４で発生する熱の固定子枠２への熱伝達を良くするためには、固定子鉄心１と固定子枠２の熱的接触を良くすること、すなわち、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との接触部に間隙部（空気層）が無く、均一に密着した構造とするのが望ましい。従って、固定子４は、発電機の運転中における固定子巻線３の発熱による径方向の熱膨張により、固定子鉄心１が固定子枠２の内壁部に所定の面圧を保持しながら接触するように構成されている。【０００６】
しかしながら、図８に示したように、固定子枠２の内壁部と固定子鉄心１の外周部との間には、固定子枠２の内壁部の機械加工面の凹凸部、及び固定子鉄心１を構成する電磁鋼板１１を積層したときに生じる端部の不揃いによって、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間に間隙部１３を生ずる。この間隙部１３は、固定子枠２の内壁部と固定子鉄心１の背面との境界部において、通常の場合、０．２〜０．３ｍｍ程度であり、固定子枠２の内壁部と固定子鉄心１とは部分接触からなる構造となっている。【０００７】
間隙部１３はガス層であり、熱伝導率は固定子鉄心１に比べてかなり小さいために、この間隙部１３は熱抵抗となり、固定子４で発生する熱の固定子枠２への放熱を妨げ、固定子巻線３の冷却性能を低下させるという課題があった。【０００８】
本発明は上記課題に対応するものであって、外被冷却型回転電機の固定子の冷却性能を向上することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の課題を解決するため、本発明に係る外被冷却型回転電機の固定子の一つの態様は、電磁鋼板を固定子枠の内壁面に接触させて積層固定して得られる固定子鉄心を、前記固定子枠の外被を冷媒中に浸漬して冷却するようにした外被冷却型回転電機の固定子において、前記固定子枠の内壁面または前記固定子鉄心の外周面のうち少なくとも一方の面に主としてグラファイトシートからなる熱伝導性部材の層が形成されていることを特徴とする。【００１０】
また、本発明に係る外被冷却型回転電機の固定子の他の一つの態様は、電磁鋼板を固定子枠の内壁面に接触させて積層固定して得られる固定子鉄心を、前記固定子枠の外被を冷媒中に浸漬して冷却するようにした外被冷却型回転電機の固定子において、前記固定子枠の内壁面と前記固定子鉄心の外周面とで形成される間隙部に主としてグラファイトシートからなる熱伝導性部材を挟入したことを特徴とする。【００１１】
また、本発明に係る外被冷却型回転電機は、上記固定子のいずれかを備えた外被冷却型回転電機である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、固定子鉄心と固定子枠との間の間隙部が主としてグラファイトシートからなる熱伝導性部材で置換される。グラファイトシートは、熱伝導率が高く、しかも可撓性、弾力性を有するので、固定子鉄心と固定子枠の両方に常に密着してこれらの間の熱的接触を保つことができる。これにより、固定子鉄心から固定子枠への熱伝導が促進され、外被冷却型回転電機の固定子の冷却性能を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施形態における固定子枠内壁面に形成する熱伝導性部材の形成状況の一部を拡大して示す横断面図。
【図２】本発明の第１の実施形態における固定子鉄心と固定子枠の組立状況の一部を拡大して示す横断面図。
【図３】本発明の第１の実施形態における固定子鉄心背面と固定子枠の組立状況の一部を拡大して示す縦断面図。
【図４】本発明の第１の実施形態における固定子鉄心の組立状況を示す斜視図。
【図５】本発明の第２の実施形態における固定子鉄心の組立状況を示す斜視図。
【図６】本発明の第３の実施形態における固定子鉄心背面と固定子枠の組立状況の一部を拡大して示す横断面図。
【図７】従来のバルブ水車発電機の縦断面図。
【図８】図７の固定子枠と固定子鉄心間の部分拡大縦断面図。
【符号の説明】
【００１４】
１：固定子鉄心、２：固定子枠、３：固定子巻線、４：固定子、５：冷却水、６：冷却ガス、７：回転子、７ａ：磁極、７ｂ：界磁コイル、８：回転子軸、９：空気冷却器、１０：水路、１１：電磁鋼板、１２：トップカバー、１３：間隙部、１４：ダブテールキー、１５、１６：熱伝導性部材層、１７：熱伝導性部材、１９：ダブテール、２０：スロット
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る外被冷却型回転電機の代表的な実施形態について図１ないし図６を参照して説明する。【００１６】
なお、本実施形態においては、上述した背景技術と同一または類似の構成部分については、同一符号を付して説明を省略し、主として固定子鉄心と固定子枠の組立方法と構造について説明する。【００１７】
（第１の実施形態）
本発明に係る外被冷却型回転電機の第１の実施形態について、図１ないし図４を参照して説明する。【００１８】
図１は、第１の実施形態に係る外被冷却型回転電機における固定子鉄心を装着する前の固定子枠の一部を示す部分横断面図であり、図２は、図１の固定子枠に固定子鉄心を装着した構成を示す部分横断面図である。また、図３は、第１の実施形態に係る外被冷却型回転電機の固定子周りの基本構成を示す要部縦断面図である。また、図４は、バルブ水車発電機の固定子鉄心だけを取り出して示した斜視図である。【００１９】
第１の実施形態においては、次のようにして、固定子鉄心１が固定子枠２の内側に組み立てられる。【００２０】
まず、固定子鉄心１の背面（外側面）の外側に対向する固定子枠２の内壁面には熱伝導性部材層１５が形成されている。本実施形態において、熱伝導性部材層１５は、固定子枠２の内壁面にグラファイトシートを貼り付けることにより形成される。バルブ水車発電機の固定子鉄心１は、図４に示すように、セクタ状の珪素鋼板からなる電磁鋼板１１を複数枚（図では７枚）で円環板状になるようにして、これを軸方向に複数枚積層して形成される。【００２１】
グラファイトシートは、例えばポリイミドなどの樹脂をグラファイト化して、それを面状に規則正しく並べて成形したシート状のものである。【００２２】
電磁鋼板１１の外径側には固定子枠２の内面に形成されたダブテールキー１４に嵌り得るダブテール１９が設けられており、内径側には固定子巻線が収納されるスロット２０が複数個設けられている。【００２３】
固定子枠２と固定子鉄心１とは、固定子枠２の内面に形成されたダブテールキー１４と固定子鉄心１の外周に形成されたダブテール１９とを嵌合して固定される。本実施形態では、固定子枠２の内面と固定子鉄心１の背面との間には前記したように熱伝導性部材層１５が介在して構成される。【００２４】
第１の実施形態によれば、電磁鋼板１１を積層して固定子鉄心１を形成した際に外周表面に生じた凹凸面が、固定子枠２の内壁面に形成した熱伝導性部材層１５が変形することによって埋められる。このため、運転時には従来技術と比較して固定子鉄心１の外周面と固定子枠２の内壁面との間隙部１３が熱伝導性部材層１５で満たされることになり、熱伝導率の小さいガス層が熱伝導率の大きい熱伝導性部材層１５によって置き換えられるため、固定子鉄心１から固定子枠２への熱伝達が促進される。【００２５】
このように、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間隙部１３に介在する熱伝導率の小さい冷媒ガス層が熱伝導性部材層１５に置き換えられることから、固定子鉄心１の背面と固定子枠２との間の熱抵抗が小さくなり、固定子鉄心１から固定子枠２への熱伝達が促進されるので、固定子の冷却性能を向上させることができる。【００２６】
特に、熱伝導性部材層１５としてグラファイトシートを用いていることから、次のような効果がある。グラファイトシートは、熱伝導率が極めて高く、通常、銅やアルミニウムなどの高熱伝導金属の２倍以上の熱伝導性を有する。このため熱伝導特性が良い。【００２７】
また、グラファイトシートは、柔軟で、可撓性、弾力性を有するので、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面の間の間隙形状に適合して変形してその間隙を埋めることができる。しかも、外被冷却型回転電機では、起動・停止などの運転モード変化に伴う各部の温度変動による各部の熱膨張によって生じる固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面の間の間隙形状が変化するが、グラファイトシートは、この間隙形状の変化に追随するので、熱的接触を常に良好に保つことができる。【００２８】
さらに、グラファイトシートは、アルミニウムの１／３程度の軽さであり、柔軟で曲げ加工が容易、という長所も持っている。また、グラファイトシートは、面方向の熱伝導性が厚さ方向の１０倍程度の高さを有するので、固定子鉄心１と固定子枠２の間の環状部にグラファイトシートを配置することにより、周方向および軸方向の温度不均一を緩和することができる。【００２９】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る外被冷却型回転電機の固定子について図５を用いて説明する。図５は、電磁鋼板１１を積層して形成した固定子鉄心１を示す斜視図である。固定子枠２の内壁面と対向する固定子鉄心１の背面には、熱伝導性部材層１６が形成されている。本実施形態において、熱伝導性部材層１６は、固定子鉄心１の背面にグラファイトシートを貼り付けることにより形成されている。本実施形態では、このように固定子鉄心１の背面に熱伝導性部材層１６を形成させてから固定子枠２の内壁面に固定子鉄心１を組み立てた後、固定子巻線３をスロット２０内に装着して固定子４を形成する。【００３０】
第２の実施形態によれば、固定子鉄心１の背面は積層構造であるため、固定子鉄心１の外周表面には凹凸が生じるが、この表面の凹凸は熱伝導性部材層１６によって埋められる。そのため、運転時には従来と比較して固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間の間隙部１３に生じる熱伝導率の小さいガス層が熱伝導性部材層１６と置き換えられる。【００３１】
これにより、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間隙部１３に介在する熱伝導率の小さいガス層がなくなるため、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間の熱抵抗が小さくなり、固定子の冷却性能を向上させることができる。【００３２】
熱伝導性部材層１６としてグラファイトシートを用いていることから得られる特有の効果は第１の実施形態と同様である。【００３３】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る外被冷却型回転電機の固定子について、図６を参照して説明する。図６は、第３の実施形態における固定子枠２と固定子鉄心１との組立状況を示す部分横断面図である。図６に示すように固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間には、運転中の熱膨張を許容するために一定の間隙部１３が設けられている。本実施形態においては、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間隙部１３にある程度の強度を有し、柔軟性を有する熱伝導性部材１７を挿入する。熱伝導性部材１７としては、柔軟性、可撓性ならびに弾力性に優れたグラファイトシートを使用する。運転時には固定子鉄心１は熱膨張するため、組立時においては、熱伝導性部材１７を挿入した後も、固定子枠２と固定子鉄心１の背面との間に多少の間隙部が存在しても良く、運転時に間隙部がなくなるように構成すれば良い。よって、熱伝導性部材１７は間隙部なく介挿する必要が無いため挿入作業は比較的容易にできる。【００３４】
第３の実施形態によれば、固定子鉄心１は積層構造のため、その外周表面には凹凸があるが、これらの表面形状に応じて熱伝導性部材１７が変形する。そのため、運転時には、従来例と比較して固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間の間隙部１３に熱伝導率の小さいガス層がほとんど介在しなくなる。【００３５】
これにより、固定子鉄心１の背面と固定子枠２の内壁面との間隙部に介在する熱伝導率の小さいガス層が熱伝導率の高い熱伝導性部材１７で置き換えられるため、固定子鉄心１の背面と固定子枠２との間の熱抵抗が小さくなり、固定子の冷却性能を向上させることができる。【００３６】
特に、熱伝導性部材層１７としてグラファイトシートを用いていることから得られる特有の効果は第１の実施形態と同様である。
【図１】
2009025093.tif 000003
【図２】
2009025093.tif 000004
【図３】
2009025093.tif 000005
【図４】
2009025093.tif 000006
【図５】
2009025093.tif 000007
【図６】
2009025093.tif 000008
【図７】
2009025093.tif 000009
【図８】
2009025093.tif 000010
【国際調査報告】
2009025093.tif 000011
2009025093.tif 000012