專利名稱：外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機及其定子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及閥式水輪發(fā)電機(valve type water turbine generator)、潛水 艇用水下電動機或冷卻氣體環(huán)境下使用的氣冷式旋轉(zhuǎn)電機(gas-cooled typerotating electric machine)等的冷媒環(huán)境下運行的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機及其定子。
背景技術(shù)：
作為夕卜表冷去卩式旋轉(zhuǎn)電機(externally cooled electric rotating machine)的 代表例，這里舉閥式水輪發(fā)電裝置為例參照圖7、圖8進(jìn)行說明(參照專利文獻(xiàn)1和專利文 獻(xiàn)2)。閥式水輪發(fā)電裝置為適用于低落差、大流量用水輪發(fā)電站的水力發(fā)電裝置，被埋設(shè)在 水道中、利用水流使未圖示的水輪機轉(zhuǎn)輪(water turbine runner)旋轉(zhuǎn)，將其旋轉(zhuǎn)能量傳 送給直接連接在上述水輪機轉(zhuǎn)輪上的發(fā)電機進(jìn)行發(fā)電。 圖7為一般的閥式水輪發(fā)電機主要部分的縱剖視圖，圖8為放大表示圖7中的A 部分的定子框2和定子鐵芯1的局部放大縱剖視圖。如圖7所示，閥式水輪發(fā)電機將發(fā)電 機組裝到水道10中用兼作定子框2的頂蓋12構(gòu)成的閥(valve)的內(nèi)部。在水道10的下 游一側(cè)，上述圖中沒有表示的水輪機轉(zhuǎn)輪安裝在發(fā)電機的轉(zhuǎn)子軸8上。并且，定子鐵芯1上 安裝了定子線圈3的定子4被緊密固定在定子框2的內(nèi)壁上，在其內(nèi)側(cè)設(shè)置有將勵磁線圈 7b纏繞安裝在與轉(zhuǎn)子軸8 —起旋轉(zhuǎn)的磁極7a上的轉(zhuǎn)子7。 該閥式水輪發(fā)電機運行時，安裝有定子線圈3的定子4和纏繞有勵磁線圈7b的轉(zhuǎn) 子軸8各自的發(fā)熱分別被來自空氣冷卻器9的冷卻氣體6冷卻。并且，定子4的冷卻有空 氣冷卻器方式和外表水冷卻方式。空氣冷卻器方式為使來自上述空氣冷卻器9的冷卻風(fēng)6 經(jīng)過設(shè)置在定子鐵芯1上半徑方向的管道，通過設(shè)置在定子鐵芯1和定子框2之間的圖中 沒有表示的通風(fēng)用管道向上述空氣冷卻器9循環(huán)的方式。另外，外表水冷卻方式為不設(shè)置 空氣冷卻器9，將定子鐵芯1直接緊貼固定在用水道10中的冷卻水5冷卻的定子框2的內(nèi) 壁部來進(jìn)行冷卻的方式。將定子鐵芯1直接緊貼在外表水冷卻方式的定子框2內(nèi)壁部的冷 卻結(jié)構(gòu)中，由于不在上述定子鐵芯1與定子框2之間設(shè)置通風(fēng)用管道，因此具有能夠減小發(fā) 電機徑向方向的尺寸和減小空氣冷卻器9的負(fù)載量的特征。
專利文獻(xiàn)1 :日本特開平8-149756號公報
專利文獻(xiàn)2 :日本特開平6-14482號公報 在上述外表冷卻方式——即將定子鐵芯1緊貼在定子框2上進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)中， 為了將由定子4產(chǎn)生的熱良好地傳遞給定子框2，優(yōu)選采用使定子鐵芯1與定子框2良好地 熱接觸——即消除定子鐵芯1的背面與定子框2壁面的接觸部分的間隙部(空氣層)、均勻 地緊貼的結(jié)構(gòu)。因此，定子4采用在發(fā)電機運行過程中定子線圈3由于發(fā)熱而向徑向方向 熱膨脹，由此使定子鐵芯1與定子框2的內(nèi)壁部保持預(yù)定的表面壓力而接觸的結(jié)構(gòu)。
但是，如圖8所示，在定子框2的內(nèi)壁部與定子鐵芯1的外周部之間，由于定子框 2內(nèi)壁部的機械加工面的凹凸部以及層疊了構(gòu)成定子鐵芯1的電磁鋼板(electromagnetic steel plate) 11時產(chǎn)生的端部不平齊，在定子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間產(chǎn)生間隙部13。在定子框2的內(nèi)壁部與定子鐵芯1背面的邊界部處，該間隙部13 —般情況下為 0. 2 0. 3mm左右，成了定子框2的內(nèi)壁部與定子鐵芯1部分接觸的結(jié)構(gòu)。
由于間隙部13為氣體層，熱傳導(dǎo)率比定子鐵芯1小很多，因此該間隙部13成了熱 阻，妨礙定子4所產(chǎn)生的熱量向定子框2散熱，存在使定子線圈3的冷卻性能低下的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是為了對應(yīng)上述問題，其目的是要提高外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子的冷卻性能。 為了解決上述問題，本發(fā)明所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子的一種形態(tài)為將定
子框的外殼浸漬到冷媒中冷卻定子鐵芯的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子，該定子鐵芯是使電磁
鋼板與上述定子框的內(nèi)壁面相接觸地層疊固定而獲得的，其特征在于在上述定子框的內(nèi) 壁面或上述定子鐵芯的外周面中的至少一個的面上形成主要由石墨片構(gòu)成的熱傳導(dǎo)性構(gòu) 件的層。 并且，本發(fā)明所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子的另一種形態(tài)為將定子框的外殼
浸漬到冷媒中冷卻定子鐵芯的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子，該定子鐵芯是使電磁鋼板與上述
定子框的內(nèi)壁面相接觸地層疊固定而獲得的，其特征在于在由上述定子框的內(nèi)壁面與上
述定子鐵芯的外周面所形成的間隙部中夾入有主要由石墨片構(gòu)成的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件。 并且，本發(fā)明所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機為具備上述定子中的任何一個的外表
冷卻式旋轉(zhuǎn)電機。 發(fā)明的效果如果采用本發(fā)明，定子鐵芯與定子框之間的間隙部被主要由石墨片 構(gòu)成的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件所取代。由于石墨片熱傳導(dǎo)率高，而且具有撓曲性和彈性，因此能夠使 定子鐵芯與定子框兩者之間總是緊貼接觸，從而能夠保持它們之間的熱接觸。由此，能夠促 進(jìn)熱量從定子鐵芯向定子框的傳導(dǎo)，能夠提高外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子的冷卻性能。


圖1為放大表示本發(fā)明第1實施形態(tài)的定子框內(nèi)壁面上形成的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件的形 成狀況一部分的橫剖視圖； 圖2為放大表示本發(fā)明第1實施形態(tài)的定子鐵芯與定子框組裝狀況的一部分的橫 剖視圖； 圖3為放大表示本發(fā)明第1實施形態(tài)的定子鐵芯背面與定子框組裝狀況的一部分 的縱剖視圖； 圖4為表示本發(fā)明第1實施形態(tài)中定子鐵芯組裝狀況的透視圖； 圖5為表示本發(fā)明第2實施形態(tài)中定子鐵芯組裝狀況的透視圖； 圖6為放大表示本發(fā)明第3實施形態(tài)的定子鐵芯背面與定子框組裝狀況的一部分
的橫剖視圖； 圖7為現(xiàn)有技術(shù)的閥式水輪發(fā)電機的縱剖視圖； 圖8為圖7的定子框與定子鐵芯之間的局部放大縱剖視圖。 附圖標(biāo)記說明1.定子鐵芯；2.定子框；3.定子線圈；4.定子；5.冷卻水；6.冷 卻氣體；7.轉(zhuǎn)子；7a.磁極；7b.勵磁線圈；8.轉(zhuǎn)子軸；9.空氣冷卻器；10.水道；11.電磁鋼
4板；12.頂蓋；13.間隙部；14.燕尾鍵；15、16.熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層；17.熱傳導(dǎo)性構(gòu)件；19.燕 尾槽(dovetail) ;20.狹槽
具體實施例方式
下面參照圖1至圖6說明本發(fā)明所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機的代表性實施形 態(tài)。 另外，本實施形態(tài)中對于與上述背景技術(shù)相同或者類似的結(jié)構(gòu)部分添加相同的附
圖標(biāo)記，并省略其說明，主要就定子鐵芯和定子框的組裝方法及結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。(第1實施形態(tài)) 下面參照圖1至圖4說明本發(fā)明所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機的第1實施形態(tài)。
圖1為表示第1實施形態(tài)所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機中安裝定子鐵芯之前的定 子框的一部分的橫剖視圖，圖2為表示將定子鐵芯安裝到圖1的定子框上的結(jié)構(gòu)的局部橫 剖視圖。并且，圖3為表示第1實施形態(tài)所涉及的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機定子周圍的基本結(jié)構(gòu) 的主要部分的縱剖視圖。圖4為僅取出閥式水輪發(fā)電機的定子鐵芯來進(jìn)行表示的透視圖。
第1實施形態(tài)中如下所述地將定子鐵芯1組裝到定子框2的內(nèi)側(cè)。
首先，在與定子鐵芯1背面(外側(cè)面)的外側(cè)相向的定子框2的內(nèi)壁面上形成熱 傳導(dǎo)性構(gòu)件層15。本實施形態(tài)中，熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層15通過在定子框2的內(nèi)壁面上粘貼石墨 片而形成。閥式水輪發(fā)電機的定子鐵芯1如圖4所示將多片(圖中為7塊)由扇形硅鋼板 構(gòu)成的電磁鋼板11圍成圓環(huán)板狀、沿軸線方向?qū)盈B多片這樣的圓環(huán)板狀電磁鋼板而形成。
石墨片為例如將聚酰亞胺等樹脂石墨化，將其規(guī)整排列成面狀而成型的片狀物。
在電磁鋼板11的外徑側(cè)設(shè)置有定子框2的內(nèi)側(cè)面上形成的燕尾鍵14能夠嵌入的 燕尾槽19，在內(nèi)徑側(cè)設(shè)置有多個收容定子線圈的狹槽20。 定子框2和定子鐵芯1通過定子框2內(nèi)側(cè)面上形成的燕尾鍵14與定子鐵芯1外 周上形成的燕尾槽19嵌合來固定。本實施形態(tài)采用在定子框2的內(nèi)側(cè)面與定子鐵芯1的 背面之間如上所述地夾設(shè)熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層15的結(jié)構(gòu)。 如果采用第1實施形態(tài)，層疊電磁鋼板11而形成定子鐵芯1時在外周表面上產(chǎn)生 的凹凸面利用定子框2內(nèi)壁面上形成的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層15變形來填平。因此，與現(xiàn)有技術(shù) 相比較，運行時定子鐵芯1的外周面與定子框2的內(nèi)壁面之間的間隙部13被熱傳導(dǎo)性構(gòu)件 層15填滿，熱傳導(dǎo)率小的氣體層被熱傳導(dǎo)率大的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層15所取代，因此能促進(jìn)熱 量從定子鐵芯1向定子框2的傳導(dǎo)。 這樣一來，由于存在于定子鐵芯1背面與定子框2內(nèi)壁面之間的間隙部13中的 熱傳導(dǎo)率小的冷卻氣體層被熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層15所取代，因此定子鐵芯1的背面與定子框2 之間的熱阻變小，促進(jìn)了熱量從定子鐵芯1向定子框2的傳遞，所以能夠提高定子的冷卻性 能。 尤其是由于使用石墨片作為熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層15，因此具有如下效果石墨片熱傳 導(dǎo)率極高，一般具有銅或鋁等高熱傳導(dǎo)率金屬2倍以上的熱傳導(dǎo)性。因此熱傳導(dǎo)特性優(yōu)異。
并且由于石墨片柔軟、具有撓曲性和彈性，因此能夠適應(yīng)定子鐵芯1背面與定子 框2內(nèi)壁面之間的間隙形狀而變形，能夠填平該間隙。而且，雖然外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機隨著 啟動、停止等運行模式的變化，各部分溫度變動引起的各部分的熱膨脹使定子鐵芯1的背面與定子框2內(nèi)壁面之間的間隙形狀發(fā)生變化，但由于石墨片追隨著該間隙形狀的變化而 變化，因此總能夠良好地保持熱接觸。 而且，石墨片具有重量為鋁的1/3左右、柔軟、彎曲加工容易這樣的優(yōu)點。并且，由 于石墨片在面方向的熱傳導(dǎo)性高至厚度方向的10倍左右，因此通過在定子鐵芯1與定子框 2之間的環(huán)形部分配置石墨片，能夠緩和圓周方向和軸線方向上溫度的不均勻。
(第2實施形態(tài)) 下面使用圖5說明本發(fā)明第2實施形態(tài)的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機的定子。圖5為表 示層疊了電磁鋼板11而形成的定子鐵芯1的透視圖。在與定子框2的內(nèi)壁面相向的定子 鐵芯1的背面上，形成有熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層16。本實施形態(tài)中，熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層16通過在定 子鐵芯1的背面上粘貼石墨片而形成。本實施形態(tài)中這樣在定子鐵芯1的背面形成熱傳導(dǎo) 性構(gòu)件層16之后將定子鐵芯1組裝到定子框2的內(nèi)壁面上，然后將定子線圈3安裝到狹槽 20內(nèi)而形成定子4。 如果采用第2實施形態(tài)，由于定子鐵芯1的背面為層疊結(jié)構(gòu)，因此在定子鐵芯1的 外周表面上產(chǎn)生凹凸，但該表面的凹凸被熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層16填平。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比 較，運行時定子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間的間隙部13中產(chǎn)生的熱傳導(dǎo)率小的 氣體層被熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層16所取代。 由此，由于不存在夾在定子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間的間隙部13中 的熱傳導(dǎo)率小的氣體層，因此定子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間的熱阻變小，能夠 提高定子的冷卻性能。 使用石墨片作為熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層16能夠獲得的特有效果與第1實施形態(tài)相同。
(第3實施形態(tài)) 下面參照圖6說明本發(fā)明第3實施形態(tài)的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機的定子。圖6為表 示第3實施形態(tài)中定子框2與定子鐵芯1的組裝狀況的局部橫剖視圖。如圖6所示，在定 子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間設(shè)置有允許運行中熱膨脹的一定的間隙部13。本 實施形態(tài)中在定子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間的間隙部13中插入具有一定程 度的強度、具有柔軟性的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件17。使用柔軟性、撓曲性和彈性好的石墨片作為熱傳 導(dǎo)性構(gòu)件17。由于運行時定子鐵芯1發(fā)熱膨脹，因此只要采用組裝時即使插入熱傳導(dǎo)性構(gòu) 件17以后定子框2與定子鐵芯1的背面之間也多少存在一些間隙部、運行時間隙部消除的 結(jié)構(gòu)就可以。由此，由于熱傳導(dǎo)性構(gòu)件17不必沒有間隙地夾著插入，因此插入作業(yè)能夠比 較容易地進(jìn)行。 如果采用第3實施形態(tài)，由于定子鐵芯1為層疊結(jié)構(gòu)，因此其外周表面存在凹凸， 但熱傳導(dǎo)性構(gòu)件17對應(yīng)這些表面的形狀而變形。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比較，運行時定子鐵 芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間的間隙部13中幾乎不存在熱傳導(dǎo)率小的氣體層。
由此，由于定子鐵芯1的背面與定子框2的內(nèi)壁面之間的間隙部中夾著的熱傳導(dǎo) 率小的氣體層被熱傳導(dǎo)率高的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件17所取代，因此定子鐵芯1的背面與定子框2 之間的熱阻變小，能夠提高定子的冷卻性能。 此外，使用石墨片作為熱傳導(dǎo)性構(gòu)件17能夠獲得的特有效果與第1實施形態(tài)相 同。
權(quán)利要求
一種外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機的定子，將定子框的外殼浸漬到冷媒中冷卻定子鐵芯，該定子鐵芯是使電磁鋼板與上述定子框的內(nèi)壁面相接觸地層疊固定而獲得的，其特征在于在上述定子框的內(nèi)壁面或上述定子鐵芯的外周面中的至少一個的面上形成由石墨片構(gòu)成的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件的層。
2. —種外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機的定子，將定子框的外殼浸漬到冷媒中冷卻定子鐵芯，該 定子鐵芯是使電磁鋼板與上述定子框的內(nèi)壁面相接觸地層疊固定而獲得的，其特征在于 在由上述定子框的內(nèi)壁面與上述定子鐵芯的外周面所形成的間隙部中夾入有由石墨片構(gòu) 成的熱傳導(dǎo)性構(gòu)件。
3. —種外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機，具備上述權(quán)利要求1或2所述的定子。
全文摘要
本發(fā)明提供一種外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機。在將定子框(2)的外殼浸漬到冷媒中進(jìn)行冷卻的外表冷卻式旋轉(zhuǎn)電機中，在定子鐵芯(1)的背面與定子框(2)的內(nèi)壁面之間的間隙部(13)形成有熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層(15)，所述定子鐵芯(1)通過與定子框(2)的內(nèi)壁面相接觸地將電磁鋼板(11)層疊固定而獲得。熱傳導(dǎo)性構(gòu)件層(15)主要由石墨片構(gòu)成，可以安裝在定子鐵芯(1)的背面或定子框(2)的內(nèi)壁面中的任何一個上。消除了在運行過程中妨礙定子鐵芯(1)產(chǎn)生的熱量向定子框(2)的散熱、降低定子線圈(3)的冷卻性能的定子鐵芯(1)的背面與定子框(2)的內(nèi)壁面之間存在的間隙部(13)，冷卻性能優(yōu)異。
文檔編號H02K1/20GK101785170SQ20088010392
公開日2010年7月21日 申請日期2008年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月23日
發(fā)明者南波聰, 向井一馬, 橋立良夫 申請人:株式會社東芝