(57)【要約】【課題】界磁電流の低減、ならびに損失の低減を図ることができる発電機の固定子を提供すること。【解決手段】回転子１が中心に置かれた発電機の固定子であって、前記固定子は鉄心２を有し、この鉄心に前記回転子の回転軸の軸心に沿うように延在して固定子コイルを格納する複数のコイルスロット５が設けられ、前記固定子コイルは、冷媒により直接または間接に冷却される中実および中空の素線導体で構成され、前記固定子鉄心の両側面から突出した端部で相互に接続される上コイル４ａおよび下コイル４ｂにより構成されるハーフターンコイルを含み、前記素線導体は、前記コイルスロット内に格納された部分で、前記コイルスロットの延在方向に向かって連続的に捩られて転位するように形成された発電機の固定子において、前記ハーフターンコイルを構成する中実素線４ｃの数を中空素線４ｄの数で除して得た比例係数αが２以上で、当該コイルの電流密度βが8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲にある構成。【選択図】図１
2009131041.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子に対し、エアーギャップを介して同心状に配置された発電機の固定子であって、前記固定子は鉄心を有し、この鉄心に前記回転子の回転軸の軸心に沿うように延在して固定子コイルを格納する複数のコイルスロットが設けられ、前記固定子コイルは、冷媒により直接または間接に冷却される中実および中空の素線導体で構成され、前記固定子鉄心の両側面から突出した端部で相互に接続される上コイルおよび下コイルにより構成されるハーフターンコイルを含み、前記素線導体は、前記コイルスロット内に格納された部分で、前記コイルスロットの延在方向に向かって連続的に捩られて転位するように形成された発電機の固定子において、
前記ハーフターンコイルを構成する中実素線の数を中空素線の数で除して得た比例係数αが２以上で、当該コイルの電流密度βが8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲にある
ことを特徴とする発電機の固定子。
【請求項２】
請求項１記載の発電機の固定子において、
前記比例係数αが、３以上であることを特徴とする発電機の固定子。
【請求項３】
請求項１記載の発電機の固定子において、
前記上コイルと前記下コイルとは、前記比例係数αが同一であることを特徴とする発電機の固定子。
【請求項４】
請求項１に記載の発電機の固定子において、
前記上コイルと前記下コイルとは、前記比例係数αが異なることを特徴とする発電機の固定子。
【請求項５】
請求項４記載の発電機の固定子において、
前記比例係数αが、前記上コイルのみα＝４である
ことを特徴とする発電機の固定子。
【請求項６】
請求項４記載の発電機において、
前記比例係数αが、前記下コイルのみα＝１である
ことを特徴とする発電機の固定子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機の固定子に係わり、とくに冷媒を用いて冷却する巻線構造を持った固定子に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機、とくに大容量発電機の小型化を図る上では、固定子コイルおよび回転子コイルの冷却が重要である。発電機のコイルを冷却する方法は種々ある。とくに大容量発電機では、固定子コイルには大電流が流れるため高い冷却能力が必要とされ、コイルを冷媒により直接冷却する方法が採られる。冷媒の流路として、固定子コイルを構成する素線の内部もしくは隣接する部分に空間を設けた構造となっており、中空素線もしくは中実素線を混合させて構成される。
【０００３】
一方、大容量発電機における回転子コイルは、回転子鉄心の周方向に沿って配されたスロットの内部に収められ、回転子楔がスロットの上部に挿入されることによって保持され、一般に機内冷媒で直接冷却される。これに対し、固定子コイルの冷媒には、機内ガスや外部から供給される冷却媒体が使用される。
【０００４】
また、回転子については、回転体であるため、回転子および回転子コイルに供給される冷媒が限定され、一般には回転子コイルの冷却媒体として機内ガスが選択されることとなり、大容量発電機においては回転子コイルの温度が設計上の制約となる場合が多い。
【０００５】
界磁電流による回転子コイルの温度上昇を抑えるために回転子コイルの導体断面積の確保を図ると、回転子強度および磁路の飽和といった制約から、あるいは界磁電流の低減を図り回転子径を大きくする結果、回転子の体格が大型化することとなる。換言すれば、発電機の体格を小型化するには、いかに回転子コイルの温度上昇を抑えるかが課題となる。
【０００６】
上述した課題の直接的対策として、回転子および回転子コイルの通風形状を最適化しコイルの温度上昇を抑えるようにした技術（例えば特許文献１、特許文献２）や、回転子のスロット形状を最適化して界磁電流を低減し、コイルの温度上昇を抑えるようにした技術（例えば特許文献３）が報告されている。
【特許文献１】特開2006-81367号公報
【特許文献２】特開2000-50576号公報
【特許文献３】特開平11-355993号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記各特許文献の開示例は、何れも回転子構造を最適化することにより、温度低減を図っている。
【０００８】
しかしながら、回転子の構造的対策だけでは限度があり、発電機全体としての冷却効果が十分ではない。そこで、回転子についての対策だけではなく、固定子による冷却対策で界磁電流および損失を低減することが望まれている。
【０００９】
本発明は、上述の点を考慮してなされたもので、界磁電流の低減、ならびに損失の低減を図ることができる発電機の固定子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】
【００１０】
上記目的達成のため、本発明は、
回転子に対し、エアーギャップを介して同心状に配置された発電機の固定子であって、前記固定子は鉄心を有し、この鉄心に前記回転子の回転軸の軸心に沿うように延在して固定子コイルを格納する複数のコイルスロットが設けられ、前記固定子コイルは、冷媒により直接または間接に冷却される中実および中空の素線導体で構成され、前記固定子鉄心の両側面から突出した端部で相互に接続される上コイルおよび下コイルにより構成されるハーフターンコイルを含み、前記素線導体は、前記コイルスロット内に格納された部分で、前記コイルスロットの延在方向に向かって連続的に捩られて転位するように形成された発電機の固定子において、
前記ハーフターンコイルを構成する中実素線の数を中空素線の数で除して得た比例係数αが２以上で、当該コイルの電流密度βが8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲にある
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は上述のように比例係数αおよび電流密度βを所定値となるように構成したため、界磁電流の低減による回転子巻線の温度上昇を抑えかつ発電機効率を向上させて同一出力で体格を小型化した発電機を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、図１に示す固定子スロット内に収められた固定子コイルを形成するハーフターンコイルの構成が、コイルを構成する中実素線の数を中空素線の数で除して得た比例係数αが２以上で、かつ当該コイルの電流密度βが8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲にあることを特徴とする。
【００１３】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例につき説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係る大容量発電機の固定子の拡大断面図であり、また図２は、本発明に係る大容量発電機の横断面を示している。図１において、上コイル４aおよび下コイル４bは亀甲形コイルをコイルエンド部分で2分割してハーフターンコイルに形成されたものであり、相互間にスペーサ１４を挟んで固定子スロット５内に挿入され、それぞれのコイル側面にはリップルスプリング１２が配される。また、下コイル４bの下部には下敷板１５が挿入され、上コイル４aの上部に固定子楔７が挿入されることにより、コイル４ａ，４ｂがスロット５内に固定される。
【００１５】
上コイル４aおよび下コイル４bは、図示省略されているガラス被覆絶縁が施された中実素線４cおよび中空素線４dにより構成され、素線はそれぞれ回転軸心方向に沿って連続的に捩られて、代表的には１回転半、つまり５４０度転位される。
【００１６】
そして、上コイル４ａおよび下コイル４ｂは、フィラー１１およびセパレータ１３によって形状が適宜調整された上でその外周を固定子主絶縁層６によって絶縁されている。なお図１においては、素線の列数は２列であるが、４列、６列等、他の列数とした構成としてもよい。
【００１７】
図２は、回転界磁形の発電機の横断面を示したもので、発電機は回転子１と固定子鉄心２とをそなえ、これら両者はエアーギャップ３を挟んで径方向の内、外に同心的に配置されている。固定子鉄心２のスロット５内には、中実素線４cおよび中空素線４dにより構成された上コイル４ａおよび下コイル４ｂが固定子主絶縁層６を介して挿入され、固定子の内径側に挿入された固定子楔７によって保持される。
【００１８】
回転子１には周方向に延びる回転子スロット９が設けられ、回転子スロット９内に収められた界磁コイル８は回転子外径側に挿入された回転子楔１０により保持される。
【００１９】
本実施形態では、ハーフターンコイルによる上コイル４ａおよび下コイル４ｂを、次のように構成することにより冷却効果を挙げることができる。すなわち、上コイル４ａ、下コイル４ｂを構成する中実素線４ｃの数を中空素線４ｄの数で除して得た比例係数α＝２とし、かつ当該コイルの電流密度βを一般的な設計例にしたがって8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲にする。比例係数αは２を下限とし、上限は素線を設計する上での制約により自ずと定まる。
【００２０】
固定子コイルは、冷媒により直接または間接に冷却される中実素線４ｃおよび中空素線４ｄで構成され、上コイルおよび下コイルとして構成される。そして、上コイルおよび下コイルとして構成されるハーフターンコイル４ａ，４ｂは、固定子鉄心の両側面から突出した端部で相互に接続される。
【００２１】
図３に、500MVAクラスのタービン発電機についてα＝２として設計したときの、電流密度βと定格負荷時における界磁巻線の温度上昇値ΔＴｆとの関係を示す。鉄心外形および上コイルと下コイルとの素線構成は同一とし、素線数を変化させて磁界解析により評価した結果である。これにより、電流密度β≧8A/mm2の範囲において、界磁巻線の温度上昇値ΔＴｆが抑えられていることが分かる。
【００２２】
これは、電流密度βを多くすることにより、固定子のスロット寸法が小さくなるため、固定子のスロット背面すなわち鉄心外径側の磁気抵抗が減少し、同一出力に対する所要界磁電流が減少するためである。
【００２３】
図４は、電流密度βと回転子巻線および固定子巻線に発生する合計損失との関係についての特性を示す。この特性上で、8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲を見ると、回転子巻線および固定子巻線に発生する合計損失が8A/mm2と9A/mm2との間で最小となり、その両側で徐々に増加していくものであることが分かる。
【００２４】
このことから、電流密度βを8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲に選べば、発電機損失を低減できると言える。これは、図３に示したように、電流密度βに対して界磁電流が減少して回転子巻線に発生する損失が減少する一方、主に固定子巻線に発生するジュール損失が増加するためである。
【００２５】
以上のように、図１に示す固定子スロット５内に収められた固定子コイルを形成するハーフターンコイル４ａ，４ｂにおいて、ハーフターンコイルを構成する中実素線４ｃの数を中空素線４ｄの数で除して得た比例係数αについてα＝２とし、かつ当該コイルの電流密度βを8A/mm2≦β≦11A/mm2の範囲に選ぶことにより、界磁電流の低減ならびに損失の低減を図ることができる。
【００２６】
この第１の実施例において、上下コイル４ａ，４ｂの寸法、または素線４ｃ，４ｄの構成もしくは寸法が異なる場合においても、α，βが適当に選ばれていれば上述した効果が得られる。
【００２７】
（実施例２）
図５は、本発明の第２の実施例の構成を示す断面図である。この図５に示すように、α＝３の場合の固定子スロットの横断面を示す。なお、実施例１と同一の構成部品には同一符号を付している。
【００２８】
この第２の実施例では、ハーフターンコイルを構成する中実素線の数を中空素線の数で除して得た比例係数αがα＝３となる以外、固定子スロットの構成は第１の実施例と同じである。
【００２９】
このような構成としても、第１の実施例と同等以上の効果が得られる。このとき、上下コイルの寸法、または上下コイルの素線の構成もしくは寸法が異なる場合においても、第１の実施例で述べた以上の効果が得られる。
【００３０】
また、この第２の実施例の変形例として、上コイルのみをα＝４とした場合、下コイルのみをα＝１とした場合においては、第２の実施例で述べた以上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施例における固定子スロットの基本構成を示す横断面図。
【図２】本発明に係る発電機の基本構成を示す横断面図。
【図３】本発明の第１の実施例における電流密度βと定格負荷時における界磁巻線の温度上昇値ΔＴｆとの関係を示す特性図。
【図４】本発明の第１の実施例における電流密度βと回転子巻線および固定子巻線に発生する合計損失との関係を示す特性図。
【図５】本発明の第２の実施例における固定子スロットの基本構成を示す横断面図。
【符号の説明】
【００３２】
１：回転子、２：固定子鉄心、４ａ：上コイル、４ｂ：下コイル、４ｃ：中実素線、４ｄ：中空素線、５：固定子スロット。
【図１】
2009131041.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009131041.tif 000006
【図５】
2009131041.tif 000007