(57)【要約】【課題】運転状態や機内の温度分布に対応して冷却ガス流通量を調節でき、風損を必要最小限に保ち部分負荷時においても効率的に運転できる回転電機を提供する。【解決手段】固定子コイル３を装着した固定子２と、回転子コイル１１を装着した回転子１と、回転子コイル１１を励磁する励磁装置１２とを備え、機内に冷却ガス７を流通させて固定子コイル３および回転子コイル１１の冷却を行なう回転電機である。冷却ガス７の流通は、励磁装置１２にて駆動される固定子ファン４によって行なわれ、励磁装置１２の出力変化に追従して冷却ガス流通量の調整が行なわれる。【選択図】図１
2008067471.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させる冷却ガス流通手段と、機内発熱部を冷却して温度上昇した冷却ガスを冷却するガスクーラを有するガス冷却手段とを備えた回転電機において、
前記固定子側に励磁装置を駆動源とする冷却ガス流通手段を設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
冷却ガス流通手段は、前記励磁装置の出力変化に追従して冷却ガス流通量の調整を行なうことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記回転子の回転子軸に、回転電機の無負荷運転時に必要な冷却ガスを機内に流通させる回転子ファンを備えてい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。
【請求項４】
冷却ガス流通手段は、ガスクーラを通った冷却ガスが固定子の半径方向外側から内側に流入するように配置したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項５】
固定子ファンを複数個設置し、固定子および回転子の複数箇所のコイル温度をいずれの箇所においても規格値以下に保つように冷却ガス流通量をファン毎に調整したことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項６】
ガス冷却手段は、前記励磁装置の出力変化に追従して前記ガスクーラの冷却能力を調整する冷却能力調整手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項７】
固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させる冷却ガス流通手段と、機内発熱部を冷却して温度上昇した冷却ガスを冷却するガスクーラを有するガス冷却手段とを備えた回転電機において、
前記ガス冷却手段は、前記励磁装置の出力変化に追従して前記ガスクーラの冷却能力を調整する冷却能力調整手段を備えていることを特徴とする回転電機。
【請求項８】
冷却能力調整手段は、前記励磁装置を駆動源とする冷却水ポンプを備えていることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の回転電機。
【請求項９】
冷却能力調整手段は、前記励磁装置を駆動源とする冷凍機を備えていることを特徴とする請求項６ないし請求項８のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項１０】
ガスクーラを複数個設置し、固定子および回転子の複数箇所のコイル温度をいずれの箇所においても規格値以下に保つように冷却ガスの冷却能力をガスクーラ毎に調整したことを特徴とする請求項２ないし請求項９のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項１１】
前記回転電機が発電機であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項１２】
固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させて前記固定子および前記回転子の冷却を行なう回転電機の冷却方法において、
前記固定子側に、前記励磁装置を駆動源とする冷却ガス流通手段を設け、前記励磁装置の出力変化に追従して前記冷却ガス流通手段のガス流通量を調整し、機内に冷却ガスを循環させるようにしたことを特徴とする回転電機の冷却方法。
【請求項１３】
固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させて前記固定子および前記回転子の冷却を行なう回転電機の冷却方法において、
前記冷却ガスの冷却を、前記励磁装置の出力変化に追従して行なうことを特徴とする回転電機の冷却方法。
【請求項１４】
前記回転電機が発電機であることを特徴とする請求項１２または請求項１３に記載の回転電機の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機などの回転電機、特に冷却ガスを機内に流通させて固定子および回転子の冷却を行なう回転電機、およびその冷却方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
代表的な回転電機の冷却構造について、図面を用いて説明する。図９は回転電機のうち、一般的なタービン発電機における冷却ガス流通経路の構成を示す模式的縦断面図である。
【０００３】
タービン発電機においては、励磁装置１２を用いて回転子１に設けられた回転子コイル１１を励磁して発電機の出力を制御する。一方、回転子軸１ｂに取り付けた回転子ファン５により冷却ガス７を機内に流通させて固定子２および回転子１の冷却を行なっている。
【０００４】
冷却ガス７は回転子軸１ｂに取り付けた回転子ファン５を介して機内に導入される。冷却ガス７は、回転子鉄心１ａ、回転子鉄心１ａの外周側と固定子鉄心２ａの内周側との間に形成されたエアギャップ９、および固定子鉄心２ａの外周側の３方向に分岐する。回転子ファン５を介して回転子鉄心１ａ端部に設けられた回転子保持環８から回転子鉄心１ａ内に流通した冷却ガス７は、回転子１の軸方向を経由し回転子１の中央付近で半径方向に向かう流通パス７ａを流通して回転子コイル１１を冷却し、エアギャップ９に流出する。
【０００５】
固定子２側への冷却ガス７の供給は、回転子ファン５から直接エアギャップ９に流れ込む流通パス７ｂと固定子コイル３の端部３ａを冷却した後に固定子鉄心２ａの外周側に流れ込む流通パス７ｃにて行なわれる。固定子鉄心２ａには半径方向に複数の給排ダクトからなるダクト群１３が設けられている。これらのダクト群は冷却ガス７が固定子鉄心２ａの外径側から内径側へ流れる給気ダクト１３ａに基づく給気セクションと、流通パス７ａが固定子鉄心２ａの内径側から外径側へ通じる排気ダクト１３ｂに基づく排気セクションに区切られている。この給排セクションの構成には、冷却ガス７が全て固定子鉄心２ａの内径側から外径側に流れる方式や給排セクションを交互に多数配設して冷却ガス７を流通する方式などさまざまなものがある。図９は固定子鉄心２ａを２つの給気セクションと３つの排気セクションに分割した構成例を示すものである。
【０００６】
流通パス７ｃを経由して固定子鉄心２ａの外径側に供給された冷却ガス７は給気ダクト１３ａに導かれ、固定子鉄心２ａおよび固定子コイル３を冷却した後、エアギャップ９に導入され、回転子１からの排気ガスおよび回転子ファン５から直接エアギャップ９内に流れ込む流通パス７ｂと合流する。流通パス７ａ，７ｂ，７ｃを経由して合流した冷却ガス７は排気ダクト１３ｂを流れて、固定子鉄心２ａおよび固定子コイル３を冷却し、固定子２の外径側で合流する。固定子２および回転子１を冷却して高温となった冷却ガス７は流通パス７ｆを経由して水冷式のガスクーラ６で冷却され、風導１０を通って再び回転子ファン５へと循環する。
【０００７】
固定子コイル３および回転子コイル１１はそれらを構成する絶縁物の耐熱性能により厳しく温度上限が制限されており、発電機の設計においては、これらの温度が規格値以下に保たれるように通風ガス量を決定する必要がある。
【０００８】
また、水冷式のガスクーラ６に供給される冷却水には川水等が用いられ、その水温は通常３０℃前後、ガスクーラ６出口での冷却ガスの温度は４０℃前後である。
【０００９】
冷却ガス７は回転子ファン５を通過する際に回転子ファン５の損失によって温度が上昇する。図９に示した構成例の場合、ガスクーラ６から出た低温の冷却ガス７が回転子ファン５を通過し、ファン損失により温度上昇した後に発電機内の冷却を行なうこととなり効率的ではない。この点を改善するために、リバースフロー型と呼ばれる冷却ガス流通形式が採用される場合もある（図示せず）。
【００１０】
リバースフロー型の場合、ガスクーラから出た低温の冷却ガスで直接発電機の機内各部を冷却するため、効率的に冷却することができるが、固定子鉄心の外径側で合流した高温の冷却ガスを回転子ファンに導くために風導を別に設ける必要があり、図９に示した構成と比較して発電機の軸方向の長さが長くなり、構造も複雑になるという欠点がある。
【００１１】
また、図９に示した構成例では固定子コイル端部３ａを冷却した流通パス７ｃの冷却ガスが固定子鉄心２ａに入り込む構造となっており、固定子２を冷却して温度上昇した冷却ガスで回転子１を冷却することになるため、回転子１の冷却に関しては効率が悪くなる。この点を解消するため、ガスクーラ６から回転子１に冷却ガスを導く風導（図示せず）を設けて低温ガスを直接回転子１に供給する構造も採用されているが、この場合、発電機としての構造はさらに複雑となり、また、発電機全体の軸方向長さも長くなるという欠点がある。
【特許文献１】特開昭５８−２１２３４２号公報
【特許文献２】特開平８−３１７６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
タービン発電機等の回転電機においては、冷却ガスの流通量や流通経路は、回転電機の定格運転時にそれぞれの規格温度値以下に保つように設計される。
【００１３】
図１０はタービン発電機における冷却ガスの機内通風量と固定子コイル温度および風損との関係を示したものである。
【００１４】
固定子コイルの温度は冷却ガス流通量の増大に応じてほぼ直線的に低くなる。一方、風損は機内の冷却ガス流通量のおよそ３乗に比例して増加する。このため、必要以上に機内の冷却ガス流通量を確保すると発電機効率が低下する。回転子コイルに関しても同様であり、高い発電機効率を得るためには、冷却ガス流通量および流通経路を最適設計し、固定子および回転子コイル温度を規格値以内に保つ最低限の冷却ガス流通量で発電機を冷却する必要がある。
【００１５】
また、図１０では、固定子コイルが温度上限になるように機内通風量を設計している。しかし、実際の発電機では負荷の大小にかかわらず回転子の回転速度が一定になるように制御される。このため、回転子ファンの回転速度は一定であり、機内通風量を運転中に調節できない。そのため、ある程度の裕度を持って設計風量を決定することになり、さらに発電機効率は低下してしまう。
【００１６】
これらの設計は発電機の定格運転時を基準として行なうが、発電機の運転は電力需要と連動して変動し、定格より低い負荷で運転することも少なくない。図１１に発電機出力と発電機損失の関係を示す。発電機の電気損は発電機の出力が低くなると減少する。しかし、回転子にファンを取り付けた場合、発電機の出力に対応して冷却ガス流量を変化させることはできない。このため、定格以下で運転する場合は必要以上に冷却ガスを機内に流通させることとなり、発電機出力が低くなっても風損については定格運転時と変わらないため、発電機効率は低下する。
【００１７】
逆にガスクーラの異常や過負荷運転により固定子や回転子コイルが温度上限を超えて発熱した場合は、冷却ガス流通量を増やして冷却を強化する等の手段がないため、発電機を停止させなければならない。
【００１８】
また、水冷式のガスクーラに用いる冷却水は通常川水等を用いるため季節によって水温が変動する。発電機は冷却水温度として運転環境の最高温度を用いて設計するため、設計水温より冷却水温度が低い場合は、たとえば冬などは必要以上に冷却ガスを流通させることとなり効率的でない。
【００１９】
このように部分負荷時の効率が低下するという問題を改善するために、ファンを回転子に取り付けるのではなく、固定子側に別置きとして、そのファンの回転数をコイル温度等により制御して風量を調整する方式（特許文献１）が提案されている。また、同様にガスクーラ冷却水量を調節する方式（特許文献２）や、ガスクーラに供給する冷却水温度を調整する方式等が提案されている。これらの方式はいずれの場合も、コイル温度等を検知して別置きファン、冷却水ポンプ、冷却水を冷却する冷凍機を制御する方式であり、複雑な制御回路を必要とする。また、別置きファンまたは、冷却水ポンプ、冷却水を冷却する冷凍機を回転電機と独立した電源で駆動する場合には、その電源の供給が何らかの原因で止まった場合には、機内各部を十分に冷却することができなくなるため、機内各部の過熱によりコイル絶縁等の破損や回転電機が故障する可能性が高くなるという課題を有している。
【００２０】
さらに、図９の構成例のように回転子軸１ｂに回転子ファン５を取り付けた場合、冷却ガス７は必ず回転子軸１ｂを通らなければならず、また冷却ガス７を回転子ファン５へ導くための風導１０が必要となり、発電機の構造が複雑となる。特に、効率的に冷却するためにリバースフロー型の冷却ガス流通経路を採用した場合は、発電機の構造が複雑となり発電機の軸方向長さも長くなる。
【００２１】
また、固定子鉄心２ａの内径側から外径側に冷却ガス７が流れる排気ダクト１３ｂには、回転子１を冷却した後の冷却ガスや、給気ダクト１３ａを経て固定子コイル３と固定子鉄心２ａを冷却した後の冷却ガスが供給される。冷却ガスの流通経路が、「回転子→固定子排気ダクト」、「固定子給気ダクト→固定子排気ダクト」のように直列になると下流ほどガス温度は上昇するため、下流に位置する部位の温度が上昇する。固定子コイルの温度は局所的な最高温度で制限されるため、排気ダクト部に位置する固定子コイル温度が規格値以内に保たれるように冷却ガス流通量を設計する必要がある。したがって、上流側に位置する回転子１や給気ダクト部に位置する固定子コイル温度は規格値よりも必要以上に低い温度となり効率的ではない。
【００２２】
以上説明したように、従来の発電機の通風方式においては、発電機の運転状態や、発電機機内の温度分布に対応して冷却ガス流通量を調節することができず、発電機の効率低下や信頼性低下を招くという課題があった。
【００２３】
そこで本発明においては、回転電機の運転条件に対応して、風損を必要最小限に保ち効率的に運転できる回転電機およびその冷却方法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】
【００２４】
上記の目的を達成するため、本発明に係る回転電機は、固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させて前記固定子および前記回転子の冷却を行なう回転電機において、前記固定子側に、前記励磁装置を駆動源とし、機内に冷却ガスを循環させる冷却ガス流通手段を設けたことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る回転電機は、固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させる冷却ガス流通手段と、機内発熱部を冷却して温度上昇した冷却ガスを冷却するガスクーラを有するガス冷却手段とを備えた回転電機において、前記ガス冷却手段は、前記励磁装置の出力変化に追従して前記ガスクーラの冷却能力を調整する冷却能力調整手段を備えていることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る回転電機の冷却方法は、固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させて前記固定子および前記回転子の冷却を行なう回転電機の冷却方法において、前記固定子側に、前記励磁装置を駆動源とする冷却ガス流通手段を設け、前記励磁装置の出力変化に追従して前記冷却ガス流通手段のガス流通量を調整し、機内に冷却ガスを循環させるようにしたことを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る回転電機の冷却方法は、固定子コイルを装着した固定子と、回転子コイルを装着した回転子と、前記固定子コイルまたは回転子コイルを励磁する励磁装置とを備え、冷却ガスを機内に循環させて前記固定子および前記回転子の冷却を行なう回転電機の冷却方法において、前記冷却ガスの冷却を、前記励磁装置の出力変化に追従して行なうことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、回転電機の運転条件に対応して、冷却ガスの機内流通量を必要最小限に抑え、効率の良い冷却を行なうことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明に係る回転電機の個々の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００３０】
ここで、相互に同一または類似の構成部分には共通の符号を付して重複する説明は省略する。なお、各実施形態で、回転電機は、たとえば発電機であるが、電動機であってもよい。
【００３１】
［第１の実施形態］
本発明に係る回転電機の第１の実施形態について図１、図２を用いて説明する。図１は第１の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図であり、図２は第１の実施形態の構成に係る回転電機出力と冷却ガス風量及び回転電機効率の関係を示すグラフである。
【００３２】
図１において、回転子１側には図９に示した冷却ファン５を設けずに、固定子２の冷却ガス流通路内（ここではガスクーラ６の端部側）に固定子ファン４を設置し、この固定子ファン４を駆動して冷却ガス７を機内に循環させて回転子１および固定子２を冷却するよう構成されている。固定子ファン４は、図示しない直流電動機にて駆動され、その直流電動機は励磁装置１２に接続されて、励磁装置１２の出力に応じて、たとえば比例して、ファン風量が変化するように構成されている。
【００３３】
冷却ガス７は、回転子１、回転子鉄心１ａの外径側と固定子鉄心２ａの内径側との間に形成されたエアギャップ９および固定子２の外径側の３方向に分岐する。固定子２側に設けられた風導１０を通り回転子保持環８に導入された冷却ガス７は、回転子鉄心１ａの端部から回転子鉄心１ａ内に流入し回転子鉄心１ａの軸方向を流通して回転子コイル１１を冷却しエアギャップ９へと排出される。
【００３４】
固定子鉄心２ａへの冷却ガス７の供給は、固定子鉄心２ａの端部から直接エアギャップ９に流れ込む流通パス７ｄと、固定子コイル端部３ａを冷却した後に固定子鉄心２ａの外径側に流れる流通パス７ｃにより行なう。固定子鉄心２ａには半径方向に多数のダクト群１３が配設されている。これらのダクト群１３は固定子鉄心２ａの外径側から内径側へ流れる給気ダクト１３ａと内径側から外径側へ流れる排気ダクト１３ｂに区切られる。これらのダクト群１３の構成には、すべて冷却ガスが固定子鉄心２ａの内径側から外径側に流れる方式や給気ダクトと排気ダクトを交互に多数配設して冷却ガスを流通する方式などさまざまな方式があるが、図１は固定子鉄心２ａを２つの給気セクションと３つの排気セクションに分割した構成例である。
【００３５】
固定子鉄心２ａの外径側に供給された冷却ガス７は流通パス７ｃを経由して給気ダクト１３ａに導かれ、固定子鉄心２ａおよび固定子コイル３を冷却した後、エアギャップ９に排出され、回転子１から流通パス７ａを経て排気された冷却ガスおよび固定子ファン４から流通パス７ｄを経由して直接エアギャップ９内に流れ込む冷却ガスと合流する。合流した冷却ガスは排気ダクト１３ｂを流れて、固定子鉄心２ａおよび固定子コイル３を冷却し、固定子鉄心の外径側で合流する。固定子コイル３、固定子鉄心２ａ、および回転子１を冷却して高温となった冷却ガスは流通パス７ｅを経由してガスクーラ６により冷却され、固定子ファン４へと循環する。
【００３６】
本実施形態によれば、固定子ファン４の冷却ガス流通量を励磁装置１２の出力に比例して変化するよう構成したため、回転電機の負荷に比例してファン風量が変化するため、冷却ガス通風量を必要最小限に抑えることができ、発生熱に応じた効率の良い冷却を行なうことができる。
【００３７】
また、固定子ファン４は励磁装置１２を駆動源としており別電源を用いていないため、回転電機の運転時、すなわち励磁装置１２が稼動しているときは常に固定子ファン４も運転状態となるため、回転電機の運転中に固定子ファン４の電源が故障して冷却ガスが供給されず冷却できないということがない。
【００３８】
本実施形態によれば、回転電機の負荷に対応して冷却ガスの機内通風量を調整できるため、部分負荷運転時等の発生熱の少ない運転時に風損を小さくでき、回転電機効率を向上させることができる。
【００３９】
また、固定子ファンを設計するにあたっては、回転子ファンと比較してファンの形状寸法など自由度が大きいためファン効率の高い設計を行なうことが可能で、風損を低減して回転電機効率を高くすることができる。
【００４０】
ここで、回転電機負荷と冷却ガス通風量および発電機効率との関係を示す図２により本実施形態の効果を説明する。たとえば発電機の出力は、電力需要や発電機運転条件により常に変動する。一方、回転子ファンは回転子とともに一定の回転速度を維持する。そのため、回転子ファンのみで冷却ガスを流通する場合、その流通量は発電機定格運転条件に合わせて決定され、発電機負荷が変化しても一定の冷却ガスが流通される。その結果、発電機負荷が定格よりも低い場合は必要以上に冷却ガスが流通し、風損が大きくなることから、発電機効率は低下する。
【００４１】
本実施形態による回転電機においては、負荷に対応して冷却ガス流通量を最適値に保つことができるため、風損を必要最小限に抑えることができ、回転電機効率の低下を抑えることができる。
【００４２】
また、ガスクーラ６に供給される冷却水には川水等が用いられ、その水温は通常３０℃前後、その冷却水により冷却される冷却ガスの温度は４０℃前後であるが、それらの値は昼夜、季節等の条件により変動する。これらの値も機内通風量が一定の場合は、最も高い冷却水およびガス温度条件を用いて機内通風量を決定せざるを得ない。
【００４３】
さらに、回転電機が過負荷運転状態となった場合でも、本実施形態の回転電機においては、固定子ファンの冷却ガス流通容量を大きくして、冷却ガス流通量を増加させることにより、固定子コイルおよび回転子コイルの温度を規格値以下に保つことができる。これにより、回転電機各部の温度上昇が抑制され、温度異常による回転電機の停止がなくなり信頼性を向上させることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態では回転子端部にファンを取り付ける構成としていないため、回転電機の軸長を短くすることができる。本実施形態では回転子１に冷却ガスを導くために風導１０を設けているが、特に風導１０を設けなくても本発明の作用・効果に影響はない。この場合、さらに回転電機の軸長を短くすることができる。
【００４５】
以上説明したように、本実施形態によれば、高効率かつ高信頼性を有する回転電機を提供できる。
【００４６】
なお、図１の構成は、冷却ガス７を冷却するガスクーラ６を備えた密閉型の回転電機の構成例を示すものであるが、ガスクーラ６を備えず高温となった冷却ガスを外気へ排出する開放型の回転電機に本実施形態を適用しても同様の効果が得られる。
【００４７】
また、図１においては、固定子ファン４は励磁装置１２と接続して、駆動・制御する構成としているが、固定子ファン４を回転電機出力と連携するように接続し、回転電機出力に比例して冷却ファンの流通量を変化させるようにしても同様の効果が得られる。
【００４８】
なお、上記実施形態では励磁装置出力に比例して冷却ファンの冷却ガス流通量が変化するように構成したが、必ずしも比例でなくても、励磁装置出力の増減に合わせて冷却ファンの冷却ガス流通量が増減するようになっていればよい。また、励磁装置の出力と固定子および回転子コイルの温度と機内冷却ガス温度や冷却水温度、または回転電機負荷等の関係を予め調べておき、それらの値によって機内冷却ガス流通量を調整するように構成してもよい。
【００４９】
また、本実施形態では、回転子ファンを設けない構成としたが、固定子ファン４の設置に加えて、回転子軸に回転子ファンを設けるよう構成してもよい。この場合、冷却ガスは回転子ファンと固定子ファンの両方によって機内を循環する。回転子ファンは無負荷運転時にも回転しているため、無負荷運転時における固定子鉄心等の冷却に最低限必要な冷却ガス流通量を回転子ファンにより確保することができる。
【００５０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同一または類似の部分については共通の符号を用い説明は省略する。
【００５１】
図３は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機の基本構成を示すものであり、図中の矢印は機内の冷却ガス７の流れを示している。
【００５２】
本実施形態においては、ガスクーラ６は冷却水ポンプ２０を備えており、冷却水ポンプ２０は励磁電源１２に接続されている。すなわち、冷却水ポンプ２０を励磁装置１２と接続して励磁装置１２の出力に比例してガスクーラ６の冷却水流量を調整できるように構成した点が図１の構成と相違している。その他の基本構成は図１に示した回転電機の構成と同様である。
【００５３】
本実施形態においては、ガスクーラ６を通って回転電機の機内に供給される冷却ガスの温度を、ガスクーラ６への冷却水流量を変化させることによって調節する。
【００５４】
回転電機の出力は、励磁装置１２の出力に比例して変化する。本実施形態によれば、冷却水ポンプ２０の流量が励磁装置１２の出力に比例して変化するため、回転電機の出力に応じてガスクーラ６への冷却水量が変化するため、出力の増大に伴い冷却水量が増大する。これにより、ガスクーラ６の冷却能力が増加し、温度の低い冷却ガスを機内に供給することができる。
【００５５】
本実施形態によれば、回転電機の出力に応じて温度の低い冷却ガスを回転電機に供給することができ、冷却ガスの温度上昇を大きくとることができるため、必要冷却ガス流通量を少なくできる。従って、冷却ガスの機内流通量を必要最小限に設計できるため、風損を削減することができ回転電機効率を向上させることができる。
【００５６】
たとえば、起動時には冷却ガス温度を高く、かつ流通量を多くして運転し、定常運転に入った後は冷却ガス温度を徐々に低く、かつ流通量を減らしていけば、回転電機各部に急激な温度勾配が生じることを防ぐことができる。
【００５７】
なお、図３においては、冷却水ポンプ２０は励磁装置１２と接続して、駆動・制御するようにしているが、冷却水ポンプ２０を回転電機出力と接続し、回転電機出力に比例して冷却水の流量を変化させるように構成しても良い。また、本実施形態では、固定子ファンを設けて、回転子ファンを設けない構成としたが、図９のように回転子ファンを設け、固定子ファンを設けない構成としても良い。
【００５８】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態について図４を用いて説明する。なお、第１または第２の実施形態と同一または類似の部分については共通の符号を付して説明を省略する。
【００５９】
図４は本発明の第３の実施形態に係る回転電機の基本構成を示すものであり、図中の矢印は冷却ガス７の流れを示している。
【００６０】
本実施形態においては、ガスクーラ６に供給する冷却水の温度を調節するために、図３において、冷却水ポンプ２０にて供給される冷却水を冷却する冷凍機２２を備え、冷凍機２２を、励磁装置１２と接続して励磁装置１２の出力に比例して冷凍機２２の出力を変化させるように構成されている点を除けば、その他の構成は第２の実施形態の回転電機の構成と同様である。
【００６１】
本実施形態においては、ガスクーラ６を通って回転電機の機内に供給される冷却ガスの温度を、冷凍機２２を用いて調節する。
【００６２】
冷凍機２２は、励磁装置１２と接続して励磁装置１２の出力に比例して冷凍機出力が変化するように構成されており、励磁装置１２の出力の増加すなわち、回転電機出力の増大に伴ない、温度の低い冷却ガスを供給することができる。
【００６３】
本実施形態によれば、励磁装置１２で駆動される冷凍機２２を設置して回転電機の機内に供給される冷却ガスの温度を、冷凍機２２を用いて調節することにより、従来と比較して温度の低い冷却ガスを回転電機に供給することができる。冷却ガスの温度を下げた場合、冷却ガスの温度上昇を大きくとることができ、必要冷却ガス風量を少なくできるため、風損を削減することができ回転電機の効率を向上できる。
【００６４】
本実施形態では固定子ファンを設けて回転子ファンを設けない構成について示したが、固定子ファンを設ける替わりに回転子ファンを設けて冷却ガスを機内に循環させるようにしても良いし、固定子ファンと回転子ファンの両方を備えた構成にしてもよい。
【００６５】
［第４の実施形態］
本発明に係る回転電機の第４の実施形態について図５を用いて説明する。なお、第１〜第３の実施形態の構成と同一または類似の部分については共通の符号を付して重複説明は省略する。本実施形態は第１の実施形態の変形であって、図５に示すように各軸端部の固定子ファン４を複数個（図示の例では３個）に分割して設置し、固定子２および回転子１のコイル温度が規格値以下に保たれるように冷却ガス７の流通量をファン毎に調整している。その他の基本構成は第１の実施形態と同様である。
【００６６】
本実施形態においては、固定子ファン４を複数個設置したことにより、一つまたはそれ以上のファンが故障した場合でも他の正常に作動する固定子ファン４を用いて冷却ガスを常に必要量流通することが可能となるため、回転電機としての信頼性はさらに向上する。
【００６７】
また、固定子ファン４を複数個に分割して設けたことにより、ファン毎に冷却ガス流通量を制御することが可能となり、コイル温度が高くなる部位に集中して冷却ガスを導入することができるため、回転電機各部を効率的に冷却することができる。
【００６８】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態について図６を用いて説明する。なお、第１〜第４の実施形態と同一または類似の部分については共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００６９】
図６は、本発明の第５の実施形態に係る回転電機の基本構成を示すものであり、図中の矢印は機内の冷却ガス７の流れを示している。
【００７０】
本実施形態では、固定子ファン４ａ、４ｂから吐出された冷却ガスが、ガスクーラ６を通って冷却された後に固定子コイル３、固定子コイル端部３ａ、回転子１等、回転電機の機内を冷却するよう構成したことを特徴とする。
【００７１】
また、本実施形態は第１の実施形態の変形であって、固定子鉄心２ａの外径側から固定子鉄心２ａ、固定子コイル３に冷却ガスを供給する固定子ファン４ａと固定子コイル端部３ａおよび回転子１に冷却ガスを供給する固定子ファン４ｂを備えている。そして、固定子ファン４ａ、４ｂに冷却ガス７を導くように風導１０を形成し、固定子ファン４ａおよび４ｂの冷却ガス流通量を各部分の固定子２および回転子１のコイル温度が規格値以下に保たれるように独立して調整するように構成されている。
【００７２】
本実施形態では、回転電機内の冷却ガス流通経路を固定子鉄心２ａ内と固定子コイル端部３ａに分割してそれぞれに固定子ファン４ａ、４ｂを設け、独立して冷却ガス流通量を制御することにより、コイル温度が高くなる部位に集中して冷却ガスを導入し、効率的に冷却することが可能となる。
【００７３】
なお、本実施形態においては、固定子ファン４ａの固定子鉄心２ａへの流通方向は第１の実施形態の場合とは逆向きにした構成となっている。
【００７４】
冷却ガス７は固定子ファン４ａ、４ｂから吐出され、ガスクーラ６を通過して冷却された後、固定子の半径方向外側から内側に供給される。冷却ガス７は固定子ファン４ｂにより固定子鉄心２ａの給気ダクト１３ａに流通する冷却パスと、固定子ファン４ａにより直接固定子コイル端部３ａに流通する冷却パスに分岐し、固定子コイル端部３ａに供給された冷却ガスはさらにエアギャップ９と回転子１に分岐する。
【００７５】
回転子保持環８から冷却パス７ａを経由して回転子鉄心１ａ内へ入った冷却ガスは、回転子１の軸方向端部から流入し回転子１の半径方向からエアギャップ９に流出して回転子コイルを冷却する。
【００７６】
一方、給気ダクト１３ａに分岐した冷却ガスは、固定子鉄心２ａおよび固定子コイル３を冷却した後、エアギャップ９に排出され、回転子１からの排気ガスおよび固定子コイル端部３ａからエアギャップ９内に流れ込む冷却ガスと合流する。合流した冷却ガスは排気ダクト１３ｂを流通して、固定子鉄心２ａおよび固定子コイル３を冷却し、固定子外径側で合流する。固定子２および回転子１を冷却して高温となった冷却ガスは固定子鉄心２ａ外径側から風導１０を通って固定子ファン４ａ、４ｂへと循環する。
【００７７】
冷却ガスは固定子ファン４ａ、４ｂを通過する際にファンの損失によって温度が上昇するが、本実施形態においては、ファン４ａ，４ｂの下流側にガスクーラ６を配設したことにより、ガスクーラ６を通って冷却された低温ガスを直接回転電機各部に供給して効率的に冷却することができる。
【００７８】
特に、従来のリバースフロー型流通経路の場合は、流通経路の複雑化が避けられないが、ファンを回転子軸ではなく固定子側に別置きにすることにより、比較的容易に本実施形態の構造が実現でき、回転電機の軸長を短くすることができる。
【００７９】
［第６の実施形態］
本発明に係る回転電機の第６の実施形態について図７を用いて説明する。第１〜第５の実施形態と同一または類似の部分については共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００８０】
図７は本実施形態に係る回転電機の基本構成を示すものであり、図中の矢印は機内の冷却ガス７の流れを示している。
【００８１】
本実施形態は第５の実施形態（図６）の変形であって、風導１０を経由して排出された固定子２および回転子１を冷却して温度上昇した冷却ガスを回転子１に直接導入する風導１０を設け、風導１０内に固定子ファン４ｃを設置し、各部分の固定子２および回転子１のコイル温度が規格値以下に保たれるように流通ガス量をファン毎に独立して制御する。
【００８２】
なお、本実施形態は冷却ガスを回転子１に直接流通する固定子ファン４ｃを設置し、冷却ガス流通量を固定子ファン４ａ、４ｂと独立して制御する点を除けば、第５の実施形態で示したものと同様である。
【００８３】
本実施形態では、回転電機の機内の冷却ガス流通経路を固定子鉄心２ａ内と固定子コイル端部３ａと回転子１に分割してそれぞれに固定子ファンを独立して取り付け、独立して冷却ガスの流通量を制御するようにしたことにより、コイル温度が高くなる部位に集中して冷却ガスを導入し、さらに効率的に冷却することが可能となる。特に、ガスクーラ６により冷却され低温となった冷却ガスを回転子１に直接流通する固定子ファン４ｃを設けたことにより、回転子を効率的に冷却することが可能となる。
【００８４】
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に係る回転電機について図８を用いて説明する。第１〜第６の実施形態と同一または類似の部分については共通の符号を付して重複説明は省略する。
【００８５】
図８は本実施形態に係る回転電機の基本構成を示すものであり、図中の矢印は機内の冷却ガス７の流れを示している。
【００８６】
本実施形態は第６の実施形態（図７）の変形であって、固定子鉄心２ａ内に複数（図８では３個）の給気ダクト１３ａを設けた場合に、各給気ダクト１３ａに固定子ファン４ｄ、４ｅ、４ｆを設置している。そして、各部分の固定子鉄心２、固定子コイル３、および回転子１のコイル温度が規格値以下に保たれるように流通ガス量をファン毎に制御する。
【００８７】
本実施形態においては、固定子鉄心２ａ内を３つの給気ダクト１３ａと４つの排気ダクト１３ｂに分割し、給気ダクト１３ａのそれぞれに固定子ファン４ｄ、４ｅ、４ｆを設置している。
【００８８】
なお、本実施形態において、固定子鉄心２ａ内の冷却ガス流通パスを複数に分割して固定子ファンを設置し、それぞれの流通量を独立して制御する点を除けば、第６の実施形態で示した回転電機と同様である。
【００８９】
固定子コイル３は通常その軸方向に温度分布が生じるが、本実施形態では、固定子鉄心２ａ内の冷却ガス流通パスを複数に分割して冷却ファン４ｄ、４ｅ、４ｆを設置し、その各々の流通ガス量を独立して制御することにより、固定子コイル３の軸方向温度分布を均一化し、各セクションの流通ガス量を必要最小限に押さえて効率的に冷却することができ、回転電機効率をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図２】回転電機出力と冷却ガス通風量および発電機効率との関係を示すグラフ。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図７】本発明の第６の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図８】本発明の第７の実施形態に係る回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図９】従来の回転電機の基本構成を示す模式的縦断面図。
【図１０】冷却ガス通風量と固定子コイル温度および発電機効率との関係を示すグラフ。
【図１１】発電機出力と損失との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００９１】
１…回転子、１ａ…回転子鉄心、１ｂ…回転子軸、２…固定子、２ａ…固定子鉄心、３…固定子コイル、３ａ…固定子コイル端部、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆ…固定子ファン、５…回転子ファン、６…ガスクーラ、７…冷却ガス、８…回転子保持環、９…エアギャップ、１０…風導、１１…回転子コイル、１２…励磁装置、１３…ダクト群、１３ａ…給気ダクト、１３ｂ…排気ダクト、２０…冷却水ポンプ、２２…冷凍機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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