JP2000139050A

JP2000139050A - 回転電機

Info

Publication number: JP2000139050A
Application number: JP10309835A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Mori; 英明森; Tadashi Sonobe; 正園部; Iemichi Miyagawa; 家導宮川; Hiroshi Kimoto; 寛木本; Takashi Shibata; 孝柴田; Shingo Yokoyama; 真吾横山
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-30
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 2000-05-16
Also published as: EP0998014A2; EP0998014A3; US6288461B1

Abstract

(57)【要約】【課題】通風路に特別な手段を施すことなく、かつ冷却
ガスの通風量を増大させずに冷却性能の向上が図れる回
転電機の提供にある。【解決手段】巻線導体１５を構成する板状導体１６それ
ぞれに複数穿設した貫通孔２１を板状導体幅方向に対し
て貫通孔２１ａ，２１ｂの複数列構成とし、巻線導体１
５に複数形成される冷却ガス通風路２０それぞれを複数
列に分路し、冷却ガスの冷却面積を増加させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回転電機に係り、特
にエアギッャプピックアップ方式の冷却構造を回転子巻
線に備えた回転電機に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回転電機の回転子巻線の冷却構造とし
て、H.Sequenz 編，電機コイルの製作と保守，１９９０
年１月１日発行，開発社，１５１頁に開示のようなエア
ギッャプピックアップ方式と呼ばれるものが知られてい
る。この冷却構造は、巻線導体を構成する複数の板状導
体それぞれに貫通孔を複数穿設し、冷却ガスを回転子鉄
心の径方向に流しつつ回転子鉄心の軸方向に流すＶ字状
の通風路を巻線導体内に複数形成したものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前述の冷却構造を採用
した回転電機は、出力増加に伴い熱負荷が増加しても、
冷却ガス通風路を流れる冷却ガス量の増加が図れなかっ
た。このため、冷却性能の向上が図れず、出力増加が図
れなかった。これは、冷却ガス通風路の入気側で生じる
動圧及び排出側で生じる負圧が、回転子の外径と回転数
により一義的に決まるからであった。すなわち回転子の
外径は２極の場合、材料強度の制約から約１ｍが限界で
あり、回転数は３０００rpm又は３６００rpmと決まって
いる。

【０００４】また、前述の冷却構造を採用した発電機
は、冷却ガス通風路に凹凸を設けて冷却ガスの流れを乱
しても、冷却ガスの熱伝達の増加が図れず、冷却性能の
向上が図れなかった。これは、冷却ガスの通風抵抗の増
加に伴って冷却ガスの温度が上昇し、冷却ガスの熱伝達
の増加分を相殺するからであった。冷却ガス量を増加で
きればよいが、上記の如く増加できない。

【０００５】本発明は、通風路に特別な手段を施すこと
なく、かつ冷却ガスの通風量を増大させずに冷却性能の
向上が図れる回転電機の提供を目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明に係る第１の回転電機は、回転子鉄心に設けられた複
数のスロットに収納され、板状の導体が絶縁物を介して
複数段積み重ねられた巻線導体を有し、複数の導体それ
ぞれ及び複数の絶縁物それぞれには冷却ガスが回転子鉄
心の径方向に流れつつ回転子鉄心の軸方向に流れる複数
の通風路を形成するための貫通孔が複数穿設されてなる
回転子巻線を備えたものであって、複数の貫通孔それぞ
れを導体の幅方向に対して複数列構成としている。

【０００７】上記目的を達成する本発明に係る第２の回
転電機は、回転子鉄心に設けられた複数のスロットに収
納され、板状の導体が絶縁物を介して複数段積み重ねら
れた巻線導体を有し、巻線導体には冷却ガスが回転子鉄
心の径方向に流れつつ回転子鉄心の軸方向に流れる複数
の通風路が形成されてなる回転子巻線を備えたものであ
って、複数の通風路それぞれを導体の幅方向に対して複
数列に分路している。また、本発明に係る第１又は第２
の回転電機において、複数の導体のうち少なくとも最下
段から２段目の導体及び最上段の導体に複数穿設された
貫通孔又は複数形成された通風路を導体の幅方向に対し
て１列構成とすれば、巻線導体の最下段及び最上段の通
風面積を大きくとることができ、冷却ガスの通風抵抗を
小さくできる。

【０００８】また、本発明に係る第１又は第２の回転電
機において、複数の導体のうち下段側の導体に複数穿設
された貫通孔又は複数形成された通風路の前記導体の幅
方向に対する列数を上段側の導体に複数穿設された貫通
孔又は複数形成された通風路の前記導体の幅方向に対す
る列数よりも少なくすれば、スロットの低部に接近する
にしたがって導体の幅寸法が小さく、かつその厚み寸法
が大きな形状をなした場合のものであっても、複数の貫
通孔又は複数の通風路を導体の幅方向に対して複数列構
成とすることができる。

【０００９】また、本発明に係る第１又は第２の回転電
機において、導体の幅寸法をＷＣ、複数列構成の貫通孔
又は通風路の導体の幅方向に対する幅寸法の合計をＷＨ
としたとき、

【００１０】

【数３】０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７ …（数１）の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔又は通風
路の通風面積を設定すれば、電流密度が大きくなり、発
熱量が増加することがない。

【００１１】また、本発明に係る第１又は第２の発電機
において、複数列構成の貫通孔又は通風路の導体の長手
方向に対する幅寸法をＬＨ、複数列構成の貫通孔又は通
風路の列間部分の導体の幅方向に対する幅寸法をＷＬと
したとき、

【００１２】

【数４】５≦ＬＨ／ＷＬ≦２０ …（数２）の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔又は通風
路の列間部分の導体の幅方向に対する幅寸法を設定すれ
ば、複数列構成の貫通孔又は通風路の列間部分であるリ
ガメント部の付根部分に電流が集中して発熱密度が大き
くなったり、リガメント部の断面積の急変により熱抵抗
が大きくなったりして、リガメント部がフィンとして有
効に働かなくなることがない。

【００１３】ここで、導体の幅方向とは、導体の平面を
構成する４辺のうち長さの長い２辺間の広がり方向を意
味する。導体の長手方向とは、導体の平面を構成する４
辺のうち長さの短い２辺間の広がり方向を意味する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る回転電機の実
施の形態を図面に基づいて説明する。

【００１５】図１〜図４は第１の実施の形態であるター
ビン発電機の構造を示している。図面において１は固定
子枠である。固定子枠１の内周側には円筒形状の固定子
鉄心２を嵌合している。固定子鉄心２には軸方向に連続
したスロットを複数形成し、その中に固定子巻線５を収
納している。固定子巻線５の端部には中空の巻線導体に
冷却水を給排しつつ巻線間の電気的接続を担うクリップ
を固着している。固定子鉄心２には径方向に連続したダ
クトを複数形成している。

【００１６】固定子鉄心２の内周側には空隙（エアギャ
ップ）を介して回転子鉄心３を配設している。回転子鉄
心３には軸方向に連続したスロットを複数形成し、その
中には回転子巻線６を収納している。回転子鉄心３の両
端部には環状のリテニングリング７を設け、回転子巻線
６の端部を押圧している。回転子鉄心３の中心部分には
回転軸４を一体形成している。

【００１７】固定子枠１の両端部には環状のブラケット
１０を設けている。ブラケット１０の内周側には軸受装
置９を設け、回転軸４を回転自在に支承している。回転
子鉄心３の両端部の回転軸４上には冷却ファン８を嵌合
している。固定子枠１と固定子鉄心２の間の空間部分に
は冷却器１１を複数設け、冷却ファン８により機内循環
する冷却ガスを冷却している。

【００１８】発電機本体の一端には集電装置１２を設け
ている。集電装置１２は回転軸４の一端上に設けられた
集電環にカーボン製のブラシがブラシ保持装置により保
持されつつ押圧接触されているものであって、回転して
いる回転子巻線６に電流を供給するものである。固定子
枠１の外周側には発電電力を外部に取り出すためのター
ミナル１３（端子）を設けている。

【００１９】次に、回転子巻線６の構造を図２〜図４に
基づいて詳細に説明する。回転子巻線６は巻線導体１５
を有している。巻線導体１５は板状導体１６が相間絶縁
（図示せず）を介して複数段積み重ねられて形成された
ものであり、絶縁板１９を介してスロット１４内に収納
されている。絶縁板１９には例えば耐電気絶縁特性が良
好なＦＲＰ（ガラス繊維を主構成要素とする絶縁物）を
用いている。巻線導体１５の上方にはクリページブロッ
ク１７を設け、巻線導体１５の対地絶縁を確保してい
る。クリページブロック１７の上方にはウエッジ１８を
設け、巻線導体１５のスロット１４からの飛出しを防止
している。

【００２０】巻線導体１５には図２に示すように、冷却
ガスが回転子鉄心３の径方向に流れつつ回転子鉄心３の
軸方向に流れるＶ字状の冷却ガス通風路２０を複数形成
している。このため、最下段の板状導体１６ａを除く板
状導体１６それぞれ及び相間絶縁には図３に示すよう
に、長円状の貫通孔２１ａ，２１ｂの２列構成とした貫
通孔２１を板状導体幅方向に２列として板状導体長手方
向に複数穿設している。また、最下段の板状導体１６ａ
を除く板状導体１６それぞれ及び相間絶縁毎に貫通孔２
１の穿設位置を板状導体長手方向にずらしている。ここ
で、板状導体幅方向とは、板状導体の平面を構成する４
辺のうち長さの長い２辺間の広がり方向を意味する。板
状導体長手方向とは、板状導体の平面を構成する４辺の
うち長さの短い２辺間の広がり方向を意味する。

【００２１】これにより、最下段の板状導体１６ａを除
く板状導体１６それぞれ及び相間絶縁に複数穿設された
貫通孔２１それぞれが回転子鉄心３の軸方向にずれなが
ら回転子鉄心３の径方向に連続する。従って、巻線導体
１５内には入気側通風路２２と排気側通風路２３が複数
形成される。しかも、入気側通風路２２と排気側通風路
２３それぞれは板状導体幅方向に対して２列に分路され
る。図２，図３中の矢印は冷却ガスである水素ガスの流
れを示す。

【００２２】最下段の板状導体１６ａには入気側通風路
２２と排気側通風路２３を連通するＵ字形状の溝２４を
複数設けている。これにより、冷却ガスが回転子鉄心３
の径方向に流れつつ回転子鉄心３の軸方向に流れるＶ字
状の冷却ガス通風路２０が巻線導体１５内に複数形成さ
れる。

【００２３】クリページブロック１７には長円状の貫通
孔２５を板状導体幅方向に２列として板状導体長手方向
に複数穿設している。ウエッジ１８には貫通孔２６を板
状導体長手方向に複数穿設している。貫通孔２６それぞ
れは冷却ガスの入気側と排気側で形状が異なる。冷却ガ
スの入気側では、回転子鉄心３の回転方向に湾曲して回
転子鉄心３外周表面に開口し、冷却ガスの排気側では、
回転子鉄心３の回転方向とは逆の方向に湾曲して回転子
鉄心３外周表面に開口している。

【００２４】これにより、回転子鉄心３の外周表面と冷
却ガス通風路２０が連通する。従って、エアギャップか
ら冷却ガスが冷却ガス通風路２０に入気され、冷却ガス
通風路２０から冷却ガスがエアギャップに排出される。

【００２５】次に、貫通孔２１の加工方法について説明
する。本実施の形態では、パンチング装置による打ち抜
き、或いはカッター装置による切削により、板状導体１
６に貫通孔２１を加工している。パンチング装置による
打ち抜きの場合は、貫通孔２１ａ，２１ｂの形状に合せ
て用意したダイスをパンチング装置に取り付け、板状導
体１６を一面側から打ち抜き、貫通孔２１を加工する。

【００２６】カッター装置による切削の場合は、貫通孔
２１ａ，２１ｂの板状導体幅方向に対する幅寸法に合せ
て用意した２枚のカッター刃を貫通孔２１ａ，２１ｂ間
の板状導体幅方向に対する幅寸法に合せてカッター装置
のカッター軸に取り付け、板状導体１６を両面から切削
し、貫通孔２１を加工する。これらの加工方法によれ
ば、製造工程を増やすことなく一度に２列構成の貫通孔
２１を加工できる。

【００２７】以上説明した第１の実施の形態によれば、
板状導体幅方向に２列として板状導体長手方向に複数穿
設した貫通孔２１を長円状の貫通孔２１ａ，２１ｂの２
列構成としたので、冷却ガス通風路２０それぞれを板状
導体幅方向に２列に分路できる。これにより、冷却ガス
の冷却面積が増加し、冷却性能の向上が図れる。

【００２８】図５，図６は第２の実施の形態であるター
ビン発電機の構造を示している。本実施の形態は第１の
実施の形態の改良であって、板状導体１６のうち最下段
から２段目の板状導体１６ｂ及び最上段の板状導体１６
ｃに複数穿設した貫通孔２７を板状導体幅方向に１列構
成としている。貫通孔２５の巻線導体１５側の板状導体
幅方向に対する開口寸法は貫通孔２７の板状導体幅方向
に対する開口寸法よりも小さくしている。

【００２９】このような構造とするのは、巻線導体１５
の最下段側及び最上段側における通風面積を大きくとる
必要があるためである。すなわち巻線導体１５の最下段
側では溝２４により冷却ガスの通風抵抗が大きくなりや
易く、巻線導体１５の最上段側では貫通孔２５により冷
却ガスの通風抵抗が大きくなりや易い。冷却ガスの通風
抵抗が大きくなると、冷却ガスの通風量が低下し、冷却
ガスの温度が上昇してしまい、冷却面積の増加による効
果を低減する。このようなことから、上述のような構造
としている。

【００３０】また、冷却ガスの通風面積を大きくとる方
法として、溝２４及び貫通孔２５の通風面積を大きくと
ることも考えられるが、この方法では、機械的強度が低
下するので設計上好ましくない。特に、クリページブロ
ック１７は、巻線導体１５の全遠心力により大きな面圧
を受けるにもかかわらず、許容面圧の小さい有機化合物
系の材料から製作されているので、貫通孔２５の通風面
積を大きくとることは好ましくない。従って、上述のよ
うな構造とすることが好ましい。

【００３１】尚、他の構成は前例と同様であることか
ら、その説明は省略する。

【００３２】以上説明した第２の実施の形態によれば、
板状導体１６のうち最下段から２段目の板状導体１６ｂ
及び最上段の板状導体１６ｃに複数穿設した貫通孔２７
を板状導体幅方向に１列構成としたので、巻線導体１５
の最下段側及び最上段側における通風面積を大きくとる
ことができ、巻線導体１５の最下段側及び最上段側にお
ける冷却ガスの通風抵抗を小さくできる。従って、前例
よりも冷却性能を向上できる。

【００３３】図７は第３の実施の形態であるタービン発
電機の構造を示す。本実施の形態はスロット１４の底部
に接近するにしたがって板状導体１６の幅を小さく、そ
の厚みを大きくした場合への適用を考慮したものであ
る。すなわちスロット１４間の鉄心部分であるスロット
ティース部にかかる応力が大きくならないように、スロ
ット１４の幅を底部に接近するにしたがって小さくする
場合がある。このような場合、板状導体１６を上述のよ
うな形状とするので、巻線導体１５の下段側の板状導体
に複数穿設する貫通孔を２列構成とすることができな
い。このため、本実施の形態では、最下段から２段目の
板状導体１６ｂから５段目の板状導体１６ｄに複数穿設
した貫通孔２８を板状導体幅方向に対して１列構成とし
ている。

【００３４】また、貫通孔の列数が変化する部分では冷
却ガスの通風抵抗が大きくなりや易いので、その部分に
おける通風面積を大きくとる必要がある。このため、本
実施の形態では、最下段から６段目の板状導体１６ｅに
複数穿設した貫通孔２９を板状導体幅方向に対して１列
構成としている。そして、スロット１４底部側の板状導
体幅方向に対する開口寸法を貫通孔２８の板状導体幅方
向に対する開口部と等しくし、クリページブロック１７
側の板状導体幅方向に対する開口寸法を貫通孔２１の板
状導体幅方向に対する幅寸法と等しくしている。

【００３５】また、上述と同様の理由により、最上段の
板状導体１６ｂに複数穿設した貫通孔３０を板状導体幅
方向に対して１列構成としている。そして、スロット１
４底部側の板状導体幅方向に対する開口寸法を貫通孔２
１の板状導体幅方向に対する幅寸法と等しくし、クリペ
ージブロック１７側の板状導体幅方向に対する開口寸法
を貫通孔２５の巻線導体１５側の板状導体幅方向に対す
る開口寸法よりも小さくしている。

【００３６】さらに、巻線導体１５の最下段側における
通風面積を大きくとるために、溝２４の板状導体幅方向
に対する幅寸法を、貫通孔２８により形成される入気側
通風路のスロット１４側壁側の側壁から貫通孔２８によ
り形成される排出側通風路のスロット１４側壁側の側壁
までの板状導体幅方向に対する幅寸法よりも小さくして
いる。

【００３７】尚、他の構成は前例と同様であることか
ら、その説明は省略する。

【００３８】以上説明した第３の実施の形態によれば、
最下段から２段目の板状導体１６ｂから５段目の板状導
体１６ｄに複数穿設した貫通孔２８を板状導体幅方向に
対して１列構成とし、貫通孔の板状導体幅方向に対する
列数を巻線導体１５の上段側の板状導体１６に複数穿設
された貫通孔２１の板状導体幅方向に対する構成列数よ
りも少なくしたので、スロット１４の底部に接近するに
したがって板状導体１６の幅を小さく、その厚みを大き
くした場合であっても、巻線導体１５の上段側の板状導
体１６に複数穿設された貫通孔２１を板状導体幅方向に
対して２列構成とすることができる。これにより、冷却
ガスの冷却面積が増加でき、冷却性能の向上が図れる。

【００３９】また、第３の実施の形態によれば、貫通孔
の列数が変化する部分、すなわち最上段の板状導体１６
ｂ及び最上段の板状導体１６ｂの通風面積を大きくとる
ようにしたので、貫通孔の列数が変化する部分における
冷却ガスの通風抵抗を小さくできる。従って、その分冷
却性能を向上できる。

【００４０】以上説明した第１〜３の実施の形態では、
巻線導体を構成する板状導体それぞれに複数穿設される
貫通孔を板状導体幅方向に対して２列構成としたが、貫
通孔の板状導体幅方向に対する列数は３列，４列として
も構わない。また、複数列構成の貫通孔の穿設にあたっ
ては、次の数式が成立するように複数列構成の貫通孔の
通風面積及び複数列構成の貫通孔の列間部分の幅寸法を
設定している。

【００４１】すなわち板状導体の幅寸法値をＷＣ、複数
列構成の貫通孔の板状導体幅方向に対する幅寸法値の合
計値をＷＨとしたとき、

【００４２】

【数５】０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７ …（数１）の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔それぞれ
の通風面積を設定している。

【００４３】また、複数列構成の貫通孔の板状導体長手
方向に対する幅寸法値をＬＨ、複数列構成の貫通孔の列
間部分の板状導体幅方向に対する幅寸法をＷＬとしたと
き、

【００４４】

【数６】５≦ＬＨ／ＷＬ≦２０ …（数２）の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔の列間部
分の幅寸法を設定している。

【００４５】このように、複数列構成の貫通孔の通風面
積及び複数列構成の貫通孔の列間部分の幅寸法を設定す
るのは、板状導体に複数穿設した貫通孔を複数列構成と
して冷却ガスの冷却面積を増加させても、冷却性能の向
上が図れない場合があるということが実験から判明した
からである。以下、図面に基づいて説明する。

【００４６】図８は板状導体に複数穿設した貫通孔を１
列構成とした場合であって、板状導体の幅寸法ＷＣと貫
通孔の板状導体幅方向に対する幅寸法の合計ＷＨの比に
対する巻線導体の温度上昇割合Ｒｔの関係を示す図であ
る。実線３１は最下段から２段目の板状導体、実線３２
は平均半径にあたる部分の板状導体、実線３３は最上段
の板状導体における上記関係をそれぞれ示している。

【００４７】実線３１〜３３はＷＨとＷＣの比が０.
３，Ｒｔが１.０の１点において交わる。実際は貫通孔
の板状導体幅方向に対する幅寸法を製作上一定とするの
で、実線３１〜３３の交点は０.２５〜０.４の範囲に分
布し、Ｒｔは全範囲においてほぼ１.０となる。

【００４８】ここで、貫通孔を１／２列構成とすると、
ＷＨとＷＣの比に対するＲｔの関係は破線３４のように
なる。図面から明らかなように、１列構成の貫通孔の場
合と比べてＲｔが低下する。このようにＲｔが低下した
のは、電流密度が１列構成の貫通孔の場合と比べて小さ
くなったためである。

【００４９】図９は板状導体に複数穿設した貫通孔を１
／２列，２列，３列及び４列構成とした場合であって、
図７と同様にＷＣとＷＨの比に対するＲｔの関係を示す
図である。破線３４は１／２列構成，破線３５は２列構
成，破線３６は３列構成，破線３７は４列構成における
上記関係をそれぞれ示している。実線３８は破線３４〜
３７の極小値を結んだものである。

【００５０】尚、貫通孔の列数が同じでもＷＨとＷＣの
比が変化するのは、ＷＣがスロット内部の位置により変
化するからである。また、貫通孔の列数の増加によりＷ
ＨとＷＣの比が大きくなるのは、貫通孔の板状導体幅方
向に対する幅寸法に加工上の限界があるためである。

【００５１】また、貫通孔の列数が同じでもＷＨとＷＣ
の比に極小値が現れるのは、貫通孔の通風面積の大きさ
により巻線導体の温度が上昇するからである。すなわち
貫通孔の通風面積が小さくなりすぎると、冷却ガスの通
風抵抗が増加し、冷却ガスの温度が上昇し、貫通孔の通
風面積が大きすぎると、電流密度が大きくなり、巻線導
体の発熱量が増加するからである。

【００５２】図面から明らかなように、２〜４列構成の
Ｒｔの極小値分布は０.６の部分に集中している。これ
は、各列数構成ごとに電流密度が最も小さくなり、冷却
ガスの冷却面積の増加による効果が最も顕著になる貫通
孔の通風面積が存在しているためである。従って、貫通
孔を複数列構成とした場合、冷却ガスの冷却面積の増加
による効果が電流密度によりの大きさにより相殺されな
いように、貫通孔の通風面積を設定すればよい。

【００５３】この結果、貫通孔を２〜４列構成とし、Ｗ
ＨとＷＣの比が０.２〜０.７の範囲となるように貫通孔
の通風面積を設定すれば、冷却ガスの冷却面積の増加に
よる効果が電流密度によりの大きさにより相殺されない
ことが確認できた。

【００５４】尚、貫通孔の列数及び貫通孔の通風面積の
条件が満たされたとしても、板状導体の機械的強度が確
保されなければ設計上好ましいとは言えない。例えば貫
通孔の通風面積が大きくなりすぎると、遠心力による板
状導体への面圧が大きくなりすぎるため、板状導体に圧
縮変形が起き易くなる。

【００５５】また、温度上昇に伴い板状導体長手方向の
圧縮又は引っ張り応力が大きくなるため、板状導体長手
方向にクリープ変形が生じ易くなる。これにより、回転
子巻線の端部における巻線導体の変形が顕著となり、巻
線導体間において短絡が生じたりする虞れがある。この
ことを考慮すると、ＷＨとＷＣの比は０.５以下とする
ことが好ましい。

【００５６】また、複数列構成の貫通孔の列間部分（リ
ガメント部）の板状導体幅方向に対する幅寸法が小さす
ぎると、高い遠心力に対して変形し易くなり、冷却ガス
の冷却面積の増加による効果も小さくなる。さらに、リ
ガメント部は一種のフィンとして発生熱を除去する働き
がある。しかし、リガメント部の板状導体幅方向に対す
る幅寸法が小さくなると、リガメント部の付け根に電流
が集中して発熱密度が大きくなったり、断面積の急変に
より熱抵抗が大きくなったりしてフィンとして有効に働
かなくなってしまう。従って、貫通孔の通風面積を最適
とすると同時にリガメント部の板状導体幅方向に対する
幅寸法を最適とする必要がある。

【００５７】図１０は貫通孔を２列構成とした場合であ
って、図１１のハッチングした温度分布解析領域４０の
温度分布を最大温度で規格化したものを示す図面であ
る。図面から明らかなように、リガメント部の温度が他
の部分の温度よりも低くなっている。これは、リガメン
ト部の板状導体幅方向に対する幅寸法が小さく、リガメ
ント部の熱抵抗が大きくなるためである。従って、リガ
メント部の板状導体幅方向に対する幅寸法を大きくと
り、板状導体の温度分布が一定になるようにしなければ
ならない。

【００５８】図１２は貫通孔を２列構成とした場合であ
って、貫通孔の板状導体長手方向に対する幅寸法ＬＨと
リガメント部の板状導体幅方向に対する幅寸法ＷＬの比
に対する巻線導体の温度上昇度合Ｒｔの関係、及びＬＨ
とＷＬの比に対する貫通孔外側の板状導体部分の板状導
体幅方向に対する幅寸法ＷＬ′とＷＬの比の関係を示す
図面である。実線４１はＬＨとＷＬの比に対するＲｔの
関係を示している。ハッチング領域４２はＷＬ′とＷＬ
の比の取り得る範囲を示している。

【００５９】この場合、熱伝導率を無限大と考えた場合
の温度を１としているので、Ｒｔが１.０以上となれば
板状導体の温度分布が一定になる。従って、貫通孔を複
数列構成とした場合、冷却ガスの冷却面積の増加による
効果が現われ、しかも板状導体の温度分布が一定となる
ように、リガメント部の板状導体幅方向に対する幅寸法
を設定すればよい。

【００６０】この結果、ＬＨとＷＬの比が２０以下とな
るようにＷＬを設定すれば、冷却ガスの冷却面積の増加
による効果が現われ、しかも板状導体の温度分布が一定
となることが確認できた。また、貫通孔を３列構成，４
列構成とした場合でも、ＬＨとＷＬの比が２０以下とな
るようにＷＬを設定すれば、上記の効果が現れることが
確認できた。

【００６１】また、この場合、ＷＬを大きくとればＬＨ
とＷＬの比は小さくなるが、板状導体の幅寸法が限られ
ているので、ＷＬ′が小さくなる。従って、ＷＬ′が小
さくならないようにＷＬ′とＷＬの比を１以上としなけ
ればならない。

【００６２】この結果、ＬＨとＷＬの比を６以上とすれ
ば、ＷＬ′とＷＬの比を１以上できることが確認でき
た。尚、ＷＬ′とＷＬの比を１以上とできるＬＨとＷＬ
の比にハッチング領域４２のような幅が現れるのは、板
状導体の幅寸法がスロットの位置により異なるからであ
る。また、貫通孔を３列構成，４列構成とした場合につ
いても同様に検討した結果、ＬＨとＷＬの比を５以上と
すれば、ＷＬ′とＷＬの比を１以上できることが確認で
きた。

【００６３】従って、貫通孔を２〜４列構成とし、ＬＨ
とＷＬの比が５〜２０となるようにリガメント部の板状
導幅方向に対する幅寸法を設定すれば、リガメント部の
付け根に電流が集中して発熱密度が大きくなったり、断
面積の急変により熱抵抗が大きくなったりして、リガメ
ント部がフィンとして有効に働かなくなることがないと
確認できた。

【００６４】

【発明の効果】巻線導体を構成する複数の導体それぞれ
に複数穿設した貫通孔それぞれを導体の幅方向に対して
複数列構成とした本発明に係る第１の回転電機、及び巻
線導体に複数形成された通風路それぞれを導体の幅方向
に対して複数列に分路した本発明に係る第２の回転電機
によれば、冷却ガスの冷却面積が増加するので、通風路
に特別な手段を施すことなく、かつ冷却ガスの通風量を
増大させずに冷却性能の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態であるタービン発電
機の構造を示す斜視図。

【図２】図１の回転子巻線の冷却構造を示す断面図。

【図３】図２のIII−III断面図。

【図４】図３の板状導体に複数穿設された貫通孔の構造
を示す平面図。

【図５】本発明の第２の実施の形態であるタービン発電
機の回転子巻線の冷却構造を示す断面図。

【図６】図５の板状導体に複数穿設された貫通孔の構造
を示す平面図。

【図７】本発明の第３の実施の形態であるタービン発電
機の回転子巻線の冷却構造を示す断面図。

【図８】板状導体の幅寸法と貫通孔の板状導体幅方向に
対する幅寸法の合計の比に対する巻線導体の温度上昇割
合の関係を示す図。

【図９】板状導体の幅寸法と貫通孔の板状導体幅方向に
対する幅寸法の合計の比に対する巻線導体の温度上昇割
合の関係を示す図。

【図１０】板状導体に複数穿設された貫通孔を２列構成
とした場合であって、貫通孔の周囲の温度分布を最大温
度で規格化した温度分布図。

【図１１】図１０の貫通孔の周囲の温度分布解析領域を
示す図。

【図１２】板状導体に複数穿設された貫通孔を２列構成
とした場合であって、貫通孔の板状導体長手方向に対す
る幅寸法とリガメント部の板状導体幅方向に対する幅寸
法の比に対する巻線導体の温度上昇度合の関係、及び貫
通孔の板状導体長手方向に対する幅寸法とリガメント部
の板状導体幅方向に対する幅寸法の比に対する貫通孔外
側の板状導体部分の板状導体幅方向に対する幅寸法とリ
ガメント部の板状導体幅方向に対する幅寸法の比の関係
を示す図。

【符号の説明】

１…固定子枠、２…固定子鉄心、３…回転子鉄心、４…
回転軸、５…固定子巻線、６…回転子巻線、７…リテニ
ングリング、８…冷却ファン、９…軸受装置、１０…ブ
ラケット、１１…冷却器、１２…集電装置、１３…ター
ミナル、１４…スロット、１５…巻線導体、１６…板状
導体、１７…クリページブロック、１８…ウエッジ、１
９…絶縁板、２０…冷却ガス通風路、２１，２５〜３０
…貫通孔、２２…入気側通路、２３…排出側通路、２４
…溝。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１１年１０月８日（１９９９．１０．
８）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【数１】０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７ …（数１）の関係が成立するように、前記複数列構成の貫通孔又は
通風路の通風面積を設定したことを特徴とする回転電
機。

【数２】５≦ＬＨ／ＷＬ≦２０ …（数２）の関係が成立するように、前記複数列構成の貫通孔又は
通風路の列間部分の前記導体の幅方向に対する幅寸法を
設定したことを特徴とする回転電機。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の基本的な特徴
は、巻線導体を構成する複数の板状の導体及び複数の板
状の導体間に挟まれた複数の絶縁物それぞれに設けら
れ、回転子鉄心の外周表面から導入した冷却ガスが回転
子鉄心の径方向に流れつつ回転子鉄心の軸方向に流れる
複数の通風路、すなわち回転子鉄心の軸方向にずれなが
ら回転子鉄心の径方向に連続する複数のＶ字状の通風路
を形成するための貫通孔のそれぞれを導体の幅方向に対
して複数列構成とし、複数のＶ字状の通風路のそれぞれ
を導体の幅方向に対して複数列に分路したことにある。
本発明によれば、通風路に特別な手段を施すことなく、
かつ冷却ガスの通風量を増大させずに冷却性能の向上が
図れる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】また、本発明は、複数の導体のうち少なく
とも最下段から２段目の導体及び最上段の導体に複数穿
設された貫通孔又は複数形成された通風路を導体の幅方
向に対して１列構成としている。本発明によれば、巻線
導体の最下段及び最上段の通風面積を大きくとることが
でき、冷却ガスの通風抵抗を小さくできる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００８】また、本発明は、複数の導体のうち下段側
の導体に複数穿設された貫通孔又は複数形成された通風
路の前記導体の幅方向に対する列数を上段側の導体に複
数穿設された貫通孔又は複数形成された通風路の前記導
体の幅方向に対する列数よりも少なくしている。本発明
によれば、スロットの低部に接近するにしたがって導体
の幅寸法が小さく、かつその厚み寸法が大きな形状をな
した場合のものであっても、複数の貫通孔又は複数の通
風路を導体の幅方向に対して複数列構成とすることがで
きる。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】また、本発明は、導体の幅寸法をＷＣ、複
数列構成の貫通孔又は通風路の導体の幅方向に対する幅
寸法の合計をＷＨとしたとき、

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１０】

【数３】０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７ …（数１）の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔又は通風
路の通風面積を設定している。本発明によれば、電流密
度が大きくなり、発熱量が増加することがない。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】また、本発明は、複数列構成の貫通孔又は
通風路の導体の長手方向に対する幅寸法をＬＨ、複数列
構成の貫通孔又は通風路の列間部分の導体の幅方向に対
する幅寸法をＷＬとしたとき、

【手続補正８】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１２】

【数４】５≦ＬＨ／ＷＬ≦２０ …（数２）の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔又は通風
路の列間部分の導体の幅方向に対する幅寸法を設定して
いる。本発明によれば、複数列構成の貫通孔又は通風路
の列間部分であるリガメント部の付根部分に電流が集中
して発熱密度が大きくなったり、リガメント部の断面積
の急変により熱抵抗が大きくなったりして、リガメント
部がフィンとして有効に働かなくなることがない。

【手続補正９】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１３】尚、本発明において導体の幅方向とは、導
体の平面を構成する４辺のうち長さの長い２辺間の広が
り方向を意味する。導体の長手方向とは、導体の平面を
構成する４辺のうち長さの短い２辺間の広がり方向を意
味する。

【手続補正１０】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００６４】

【発明の効果】本発明によれば、回転子鉄心の外周表面
から導入した冷却ガスが回転子鉄心の径方向に流れつつ
回転子鉄心の軸方向に流れる複数の通風路、すなわち回
転子鉄心の軸方向にずれながら回転子鉄心の径方向に連
続する複数のＶ字状の通風路を形成するための貫通孔の
それぞれを導体の幅方向に対して複数列構成とし、複数
のＶ字状の通風路のそれぞれを導体の幅方向に対して複
数列に分路したので、通風路に特別な手段を施すことな
く、かつ冷却ガスの通風量を増大させずに冷却性能の向
上が図れる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮川家導茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者木本寛茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者柴田孝茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者横山真吾茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内Ｆターム(参考） 5H603 AA09 AA12 BB02 BB05 BB12 CA02 CA04 CB02 CB17 CC03 CC17 CD02 CD21 CE02 EE24 5H609 BB03 BB19 PP02 PP05 PP07 QQ03 QQ18 RR05 RR17 RR26 RR36 RR44 RR53 RR71

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子鉄心に設けられた複数のスロットに
収納され、板状の導体が絶縁物を介して複数段積み重ね
られた巻線導体を有し、前記複数の導体それぞれ及び前
記複数の絶縁物それぞれには冷却ガスが前記回転子鉄心
の径方向に流れつつ前記回転子鉄心の軸方向に流れる複
数の通風路を形成するための貫通孔が複数穿設されてな
る回転子巻線を備えた回転電機において、前記複数の貫
通孔それぞれを前記導体の幅方向に対して複数列構成と
したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】回転子鉄心に設けられた複数のスロットに
収納され、板状の導体が絶縁物を介して複数段積み重ね
られた巻線導体を有し、前記巻線導体には冷却ガスが前
記回転子鉄心の径方向に流れつつ前記回転子鉄心の軸方
向に流れる複数の通風路が形成されてなる回転子巻線を
備えた回転電機において、前記複数の通風路それぞれを
前記導体の幅方向に対して複数列に分路したことを特徴
とする回転電機。
【請求項３】前記複数の導体のうち少なくとも最下段か
ら２段目の導体及び最上段の導体に複数穿設された貫通
孔又は複数形成された通風路を、前記導体の幅方向に対
して１列構成としたことを特徴とする請求項１又は２記
載の回転電機。
【請求項４】前記複数の導体のうち下段側の導体に複数
穿設された貫通孔又は複数形成された通風路の前記導体
の幅方向に対する列数を、上段側の導体に複数穿設され
た貫通孔又は複数形成された通風路の前記導体の幅方向
に対する列数よりも少なくしたことを特徴とする請求項
１又は２記載の回転電機。
【請求項５】前記導体の幅寸法をＷＣ、前記複数列構成
の貫通孔又は通風路の前記導体の幅方向に対する幅寸法
の合計をＷＨとしたとき、【数１】０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７ …（数１）の関係が成立するように、前記複数列構成の貫通孔又は
通風路の通風面積を設定したことを特徴とする請求項１
又は２記載の回転電機。
【請求項６】前記複数列構成の貫通孔又は通風路の前記
導体の長手方向に対する幅寸法をＬＨ、前記複数列構成
の貫通孔又は通風路の列間部分の前記導体の幅方向に対
する幅寸法をＷＬとしたとき、【数２】５≦ＬＨ／ＷＬ≦２０ …（数２）の関係が成立するように、前記複数列構成の貫通孔又は
通風路の列間部分の前記導体の幅方向に対する幅寸法を
設定したことを特徴とする請求項１又は２記載の回転電
機。