JP2010104202A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の回転子において通風損失を効率的に低減させること。
【解決手段】円筒状の回転子鉄心１０に所定の間隔で設けたコイルスロット１２に磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層して収納された複数段の回転子コイル１４と、複数段の回転子コイル１４の径方向に穿孔され冷却ガスを通過させる複数のラジアルダクト１８と、複数のラジアルダクト１８へ冷却ガスを供給するためコイルスロット１２の内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロット１９とを具備し、回転子鉄心１１の両端部から冷却ガスＣをサブスロット１９に取り込むとともに複数のラジアルダクト１８に分岐させて複数段の回転子コイル１４を冷却するラジアルフロー方式の回転電機の回転子において、サブスロット１９内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部３３Ａが設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、発電機などの回転電機に係わり、特に回転子コイルを冷却ガスにて冷却する構造を有する回転電機の回転子に関する。

発電機などの回転電気機械（回転電機）は、中空円筒形状の固定子と、この中空部の直径よりも幾分直径の小さい円筒形状の回転子とが同心円上に配置された状態で構成されている。この固定子及び回転子は、各々、銅などの電気導電性のバー、いわゆるコイルを軸方向に配しており、回転子側のコイルを励磁した上で回転子を回転させると固定子側に電流が誘起される。この時、固定子や回転子には電気的な損失などに由来する大きな熱が発生するため、特別な冷却を必要とし、回転子にファンを設置するなどして機内に冷却ガスを送ることで強制冷却を行なっている。特に、回転遠心力を冷却ガス駆動力の主とする回転子コイルの冷却性能は、発電機などの回転電機の性能を左右する重要な要素となっている。

回転子コイルの冷却には、そのコイル導体に上述の冷却ガスを直接接触させて冷却するいわゆる直接冷却方式が広く採用されており、いくつかの直接冷却方式のなかで、ラジアルフロー方式やダイアゴナルフロー方式が主流となっている。このうち、前者は構造が簡単なわりには冷却性能の良いことから中容量以上のタービン発電機にて、後者は回転子の中央部からも冷却ガスを供給できることから回転子軸長の長い大容量機にて採用されることが多い。

ラジアルフロー方式およびダイアゴナルフロー方式においては、共に回転子コイルの回転子鉄心のほぼ全長にわたり、コイル長手方向にある間隔をもって穿孔した通風孔を設け、通風孔に冷却ガスを通風して冷却を行っているが、これらの通風孔の形状、冷却ガスの供給方法や流動様式が異なる。

図１５にラジアルフロー方式の回転子を備える回転電機の概略構成および全体通風フローを、図１６に同回転子を側面から見た断面形状および通風フローを、図１７に同回転子を鉄心軸方向から見た断面形状を示す。

図１５に示されるように、回転電機は、固定子１と回転子２とが同心円上にエアギャップＧを介して配置されており、矢印で示される通風フローにしたがって、ガス冷却機３で冷却された冷却ガスＣがファン４により固定子１及び回転子２の内部に取り込まれて冷却が行われるようになっている。回転子２は、図１６，図１７に示されるように、円筒状の回転子鉄心１１に所定の間隔でコイルスロット１２が設けられ、各コイルスロット１２には、スロット底絶縁板１３Ａを最下段に配置し、その上に回転子コイル１４とターン絶縁体１５を複数段収容し、更にクリページブロック１６、および回転子楔１７で固定されたものとなっている。

ラジアルフロー方式の回転子２は、回転子コイル１４の径方向に穿孔され冷却ガスＣを通過させる複数のラジアルダクト（もしくは通風孔）１８と、複数のラジアルダクト１８へ冷却ガスＣを供給するためコイルスロット１２の内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロット１９とを備えている。回転子２の回転による遠心ファン効果により、回転子鉄心１１の両端部から冷却ガスＣがサブスロット１９に取り込まれると、冷却ガスＣは、鉄心中央部に向かって、順次、複数のラジアルダクト１８に分岐して入り込み、複数段の回転子コイル１４の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル１４を冷却した冷却ガスＣは、当該回転子２と固定子１側の固定子鉄心１０との間のエアギャップＧへ送られ、固定子鉄心１０の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。

一方、ダイアゴナルフロー方式の回転子２は、図１８に示されるように、複数段の回転子コイル１４の外径側から内径側に冷却ガスＣを取り込む複数の給気用ダイアゴナルダクト（もしくは通風孔）２１Ａと、複数段の回転子コイル１４の内径側から外径側に冷却ガスＣを排出する複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂとを備えている。例えば、最も外径側に位置する回転子コイル１４は、図１９に示されるようなダイアゴナルダクト２１Ａまたは２１Ｂを備えている。また、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイル１４は、図２０に示されるような冷却溝２２を備えている。冷却ガスＣは、エアギャップＧからかき込むようにして複数の給気用ダイアゴナルダクト２１Ａに取り込まれ、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイル１４の冷却溝２２で折り返されて複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂに入り込み、回転子コイル１４の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル１４を冷却した冷却ガスＣは、当該回転子２と固定子１側の固定子鉄心１０との間のエアギャップＧへ送られ、固定子鉄心１０の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。

上記２つの方式はともに、鉄心軸方向に複数の通風孔が離間して配備されていることから、冷却ガスＣが各通風孔を通過する際の通風損失が異なり、各通風孔の位置によって冷却ガス流量分布に差が生じることが良く知られている。

この風量分布の不均一さを軽減する改良技術としては、様々な手法が考案されており、例えば、ラジアルフロー方式においては、特許文献１の図１に示されるように回転子の鉄心中央部に向かってサブスロットの深さが徐々に小さくなるように構成する手法、同じく特許文献１の図２に示すように回転子の鉄心中央部に向かってサブスロットの深さが階段式に小さくなるように構成する手法が知られている。
特開２００１−１７８０５０号公報

しかしながら、従来の手法によれば鉄心中央部のサブスロット内の通風損失が増加し、鉄心中央部の通風孔内の冷却ガス減少と、鉄心端部近傍の通風孔の冷却ガス増大をもたらす。

特に、発電機やモータの回転子は、冷却設計上においては左右対称としていることが一般的であるが、実機においてはタービンや負荷機と連結している直結側と、その反対側の反直結側では、ファン上流側において構造上の制限により全くの同一であることはなく、直結側と反直結側とで若干の流量アンバランスが生じている。このため、ラジアルフロー方式におけるサブスロット１９内の鉄心中央部や、ダイアゴナルフロー方式における最も内径側に位置する第１段目の回転子コイル１４の冷却溝内の給気の方向が異なる給気孔間などにおいては、設計通りの冷却パスが構成されるとは限らず、図２１に示されるような衝突流Ｓや図２２に示されるような分岐流（もしくは衝突流）Ｂが生じていることが推測され、通風損失の増大を招いている。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、通風損失を効率的に低減させる回転電機の回転子を提供することを目的とする。

本発明の一態様による回転電機の回転子は、円筒状の回転子鉄心に所定の間隔で設けたコイルスロットに磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層して収納された複数段の回転子コイルと、前記複数段の回転子コイルの径方向に穿孔され冷却ガスを通過させる複数のラジアルダクトと、前記複数のラジアルダクトへ冷却ガスを供給するため前記コイルスロットの内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロットとを具備し、前記回転子鉄心の両端部から冷却ガスを前記サブスロットに取り込むとともに前記複数のラジアルダクトに分岐させて前記複数段の回転子コイルを冷却するラジアルフロー方式の回転電機の回転子において、前記サブスロット内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の回転子において通風損失を効率的に低減させることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
まず、図１〜図８を参照して、本発明の第１の実施形態に係るラジアルフロー方式の回転電機の回転子について説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るラジアルフロー方式の回転電機の回転子を側面から見た断面形状および通風フローを示す図である。本実施形態の回転子を備える回転電機の概略構成は、前述の図１５に示されるものと同様である。また、本実施形態の回転子を鉄心軸方向から見た断面形状は、前述の図１７に示されるものと同様である。但し、後述するように、サブスロット１９に関わる構造が従来と異なる。以下、図１５および図１７も併せて参照しつつ説明する。

図１に示されるように、本実施形態に係る回転子２は、円筒状の回転子鉄心１１に所定の間隔でコイルスロット１２が設けられ、各コイルスロット１２には、スロット底絶縁板１３Ａを有するスロット絶縁体１３を介して、複数段（例えば８段）の回転子コイル１４、ターン絶縁体１５が交互に収容され、更にクリページブロック１６、および回転子楔１７で固定されたものとなっている。回転子コイル１４は、磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層されたものであり、段間にターン絶縁体１５を挟んで構成される。

また、本実施形態に係る回転子２は、冷却方式としてラジアルフロー方式を採用し、回転子コイル１４の径方向に穿孔され冷却ガスＣを通過させる複数のラジアルダクト（もしくは通風孔）１８と、複数のラジアルダクト１８へ冷却ガスＣを供給するためコイルスロット１２の内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロット１９とを備えている。回転子２の回転による遠心ファン効果により、回転子鉄心１１の両端部から冷却ガスＣがサブスロット１９に導入されると、冷却ガスＣは、鉄心中央部に向かって、順次、複数のラジアルダクト１８に分岐して入り込み、複数段の回転子コイル１４の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル１４を冷却した冷却ガスＣは、当該回転子２と固定子１側の固定子鉄心１０との間のエアギャップＧへ送られ、固定子鉄心１０の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。

特に、本実施形態に係る回転子２は、従来技術と異なり、サブスロット１９内の所定の位置にて別々の冷却ガスＣが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部３１Ａを備えている。この仕切り部３１Ａは、例えば、鉄心中央部（もしくは給気セクションの中央部）における隣接するラジアルダクトの間の回転子コイル部分に対向する位置に設けられる。これにより、回転子鉄心１１の両端部からサブスロット１９に導入された各々の冷却ガスＣは、鉄心中央部にて混合することなく、通風損失を招く衝突流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数のラジアルダクト１８へ導かれるので、回転子２全体の通風損失を低減させることができる。

なお、図１では仕切り部３１Ａの形状が四角柱である場合を例示しているが、代わりに、図２に示されるように四角錐台の形状を有する仕切り部３２Ａを設けてもよい。この場合、仕切り部３１Ａを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。また、代わりに、図３に示されるように両側に曲面部を有する仕切り部３３Ａを設けてもよい。この場合、仕切り部３２Ａを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。

図１，図２，図３にそれぞれ示される仕切り部３１Ａ，３２Ａ，３３Ａは、回転子鉄心１１の一部として形成されている。すなわち、回転子２の製造工程において、仕切り部およびサブスロット１９を形成するに際し、当該仕切り部を残すように回転子鉄心１１の一部が鉄心軸方向に切削されたものとなっている。このように、当該仕切り部およびサブスロット１９の形成に際して回転子鉄心１１の一部を全長にわたって切削するのではなく、鉄心中央部（もしくは給気セクションの中央部）に仕切り部を残すように切削することにより、製造工数を増加させることなく、当該仕切り部およびサブスロット１９を効率的に形成することができ、さらには、回転子鉄心の剛性をも高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。

また、一定の曲率を有するカッター刃で回転子鉄心１１の一部を鉄心軸方向に当該仕切り部を残すように切削することによりサブスロット１９が形成されていてもよい。この場合、曲面形成のための加工処理を別途行う必要がなく、図３に示されるように脚部表面に一定の曲率を有する仕切り部３３Ａを容易に形成することができる。

また、図１，図２，図３では各仕切り部が回転子鉄心１１の一部である場合を例示したが、代わりに、各仕切り部がコイルスロット１２のスロット底絶縁板１３Ａに取り付けられた部材であってもよい。すなわち、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイルの下にあるスロット底絶縁板１３Ａに、図４，図５，図６に示されるように仕切り部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂが部材として取り付けられる構成であってもよい。なお、図４，図５，図６中の各（ａ）は鉄心軸方向正面から見た断面図を示し、各（ｂ）は軸方向側面から見た断面図を示している。これら仕切り部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂの形状は、それぞれ、前述の仕切り部３１Ａ，３２Ａ，３３Ａの形状と同じである。このように、サブスロット１９内の仕切り部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂをスロット底絶縁板１３Ａに具備させて構成することにより、回転子２の製造後においても仕切り部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂの設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂの形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板１３Ａを設置するに際し仕切り部３１Ｂ，３２Ｂ，３３Ｂが足代わりとなるため、スロット底絶縁板１３Ａが安定し、回転子コイル１４の積層が容易となる。

図７は、図１中の仕切り部３１Ａの鉄心軸方向の幅について説明するための図である。仕切り部３１Ａに最も近い所にある隣接するラジアルダクト１８の間の回転子コイル１４の幅をＷ１とし、仕切り部３１Ａの鉄心軸方向の最も細い部分の幅をＷ２とした場合、Ｗ２は、Ｗ１以下でかつＷ１の半分以上の範囲内に収まっていることが望ましい。この構成により、冷却ガスＣの通風損失をより効果的に低減させることができ、冷却ガスＣを効率良く複数のラジアルダクト１８へ導くことができる。なお、図７の構成は、図４中の仕切り部３１Ｂに対しても同じように適用することができる。

図８は、図３中の仕切り部３３Ａの曲面部の曲率半径について説明するための図である。

サブスロット１９の深さ方向の幅をＨ１とし、サブスロット１９の底から回転子２表面までの高さをＨ２とした場合、仕切り部３３Ａの曲面部の曲率半径は、Ｈ１以上でかつＨ２以下の範囲内に収まっていることが望ましい。図８は、曲面部がＨ１と同じ長さの曲率半径Ｒ１を有する場合の例を示している。ここで、曲面部ができるだけＨ２と同じ長さの曲率半径Ｒ２を有するように構成することにより、冷却ガスＣの曲面部での曲り損失をより効果的に低減させることができ、冷却ガスＣを効率良く複数のラジアルダクト１８へ導くことができる。なお、図８の構成は、図６中の仕切り部３３Ｂに対しても同じように適用することができる。

この第１の実施形態によれば、次のような効果が得られる。

ラジアルフロー方式の回転子２において、サブスロット１９内の鉄心中央部（もしくは給気セクションの中央部）にて別々の冷却ガスＣが鉄心軸方向に合流することを妨げる仕切り部３１Ａを設けることにより、回転子鉄心１１の両端部からサブスロット１９に導入された各々の冷却ガスＣを、鉄心中央部にて混合させることなく、通風損失を招く衝突流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数のラジアルダクト１８へ導くことができるので、回転子２全体の通風損失を低減させることができる。

また、カッター刃の曲率を利用して仕切り部の脚部を円曲状に形成することにより、ベンド管を容易に実現でき、仕切り部での曲がり損失を低減させることができる。

また、期待した通りに通風損失を低減させることができるため、従来よりも冷却効果が高まる回転子２の中央部では、回転子コイル１４に穿孔するラジアルダクトもしくは冷却孔の設置間隔を広げることも可能となる。このことにより、回転子コイル１４は電流を通過させる銅部分の面積を増加させることが可能となり、電流密度、ひいては発熱量を下げる効果を生み、冷却ガスの低減や小型化にも貢献できる。

また、仕切り部を回転子２の鉄心中央部ではない位置に設けることによって、タービンや負荷機と連結している直結側と反直結側との構造の違いを鑑みた左右非対称の冷却を行うことも可能となる。

また、仕切り部およびサブスロット１９の形成に際して回転子鉄心１１の一部を全長にわたって切削するのではなく、鉄心中央部（もしくは給気セクションの中央部）に仕切り部を残すように切削した場合には、製造工数を増加させることなく、当該仕切り部およびサブスロット１９を効率的に形成することができ、さらには、回転子鉄心の剛性をも高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。

また、サブスロット１９内の仕切り部をスロット底絶縁板１３Ａに具備させた場合には、回転子２の製造後においても仕切り部の設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部の形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板１３Ａを設置するに際し仕切り部が足代わりとなるため、スロット底絶縁板１３Ａが安定し、回転子コイル１４の積層が容易となる。

また、本実施形態の回転子２と固定子１とが同心円上に配置された回転電機を構成することにより、回転電機全体としての冷却効率を向上させることができ、冷却ガスの低減や小型化を実現し、より一層安全で安定した運転を行える回転電機を実現することができる。

（第２の実施形態）
次に、図９〜図１４を参照して、本発明の第２の実施形態に係るダイアゴナルフロー方式の回転電機の回転子について説明する。

図９は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機の回転子の断面形状および通風フローを示す図である。本実施形態の回転子を備える回転電機の概略構成は、前述の図１５に示されるものと同様となる。但し、本実施形態に係るダイアゴナルフロー方式の通風フローは、図１５中に示されるラジアルフロー方式の通風フローとは異なる。

図９に示されるように、本実施形態に係る回転子２は、円筒状の回転子鉄心１１に所定の間隔でコイルスロット１２が設けられ、各コイルスロット１２には、スロット底絶縁板１３Ａを最下段に配置し、その上に回転子コイル１４とターン絶縁体１５を複数段収容し、更にクリページブロック１６、および回転子楔１７で固定されたものとなっている。回転子コイル１４は、磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層されたものであり、段間にターン絶縁体１５を挟んで構成される。

また、本実施形態に係る回転子２は、冷却方式としてダイアゴナルフロー方式を採用し、複数段の回転子コイル１４の外径側から内径側に冷却ガスＣを取り込む複数の給気用ダイアゴナルダクト（もしくは通風孔）２１Ａと、複数段の回転子コイル１４の内径側から外径側に冷却ガスＣを排出する複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂとを備えている。冷却ガスＣは、エアギャップＧからかき込むようにして複数の給気用ダイアゴナルダクト２１Ａに取り込まれ、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイル１４よりも更に下側にある部分（後述するサブスロット）で折り返されて複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂに入り込み、回転子コイル１４の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル１４を冷却した冷却ガスＣは、当該回転子２と固定子１側の固定子鉄心１０との間のエアギャップＧへ送られ、固定子鉄心１０の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。

特に、本実施形態に係る回転子２は、従来技術と異なり、コイルスロット１２の内径底部分に鉄心軸方向に沿って、前述のサブスロット１９と同様の構造を有するサブスロット４０が配設され、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイルに、複数の給気用ダイアゴナルダクト２１Ａからサブスロット４０に冷却ガスＣを通過させる複数の給気孔、およびサブスロット４０から複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂに冷却ガスＣを通過させる複数の排気孔が設けられ、かつサブスロット４０内の所定の位置にて別々の冷却ガスＣが鉄心軸方向に合流することを阻止する複数の仕切り部４１Ａが設けられている。これらの仕切り部４１Ａは、例えば、給気の方向が互いに異なる給気孔から流入する別々の冷却ガスＣを分断する位置に設けられる。これにより、給気の方向が互いに異なる給気孔からサブスロット１９に導入された各々の冷却ガスＣは、互いに影響し合うことがなく、通風損失を招く分岐流もしくは衝突流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂへ導かれるので、回転子２全体の通風損失を低減させることができる。また、従来、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイルの冷却溝において逐次変化する圧力バランスによって生じていた冷却ガスの分岐損失もしくは衝突損失に伴う通風損失の問題も解消することができる。

なお、図９では仕切り部４１Ａの形状が四角柱である場合を例示しているが、代わりに、図１０に示されるように四角錐台の形状を有する仕切り部４２Ａを設けてもよい。この場合、仕切り部４１Ａを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。また、代わりに、図１１に示されるように両側に曲面部を有する仕切り部４３Ａを設けてもよい。この場合、仕切り部４２Ａを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。

図９，図１０，図１１にそれぞれ示される仕切り部４１Ａ，４２Ａ，４３Ａは、回転子鉄心１１の一部として形成されている。すなわち、回転子２の製造工程において、仕切り部およびサブスロット４０を形成するに際し、当該仕切り部を残すように回転子鉄心１１の一部が鉄心軸方向に切削されたものとなっている。このように、当該仕切り部およびサブスロット４０の形成に際して回転子鉄心１１の一部を全長にわたって切削するのではなく、各セクションの中央部に仕切り部を残すように切削することにより、回転子鉄心の剛性を高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。

また、一定の曲率を有するカッター刃で回転子鉄心１１の一部を鉄心軸方向に当該仕切り部を残すように切削することによりサブスロット４０が形成されていてもよい。この場合、曲面形成のための加工処理を別途行う必要がなく、図１１に示されるように脚部表面に一定の曲率を有する仕切り部４３Ａを容易に形成することができる。

また、図９，図１０，図１１では各仕切り部が回転子鉄心１１の一部である場合を例示したが、代わりに、各仕切り部がコイルスロット１２のスロット底絶縁板１３Ａに取り付けられた部材であってもよい。すなわち、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイルの下にあるスロット底絶縁板１３Ａに、図１２，図１３，図１４に示されるように仕切り部４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂが部材として取り付けられる構成であってもよい。なお、図１２，図１３，図１４中の各（ａ）は鉄心軸方向正面から見た断面図を示し、各（ｂ）は軸方向側面から見た断面図を示している。これら仕切り部４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂの形状は、それぞれ、前述の仕切り部４１Ａ，４２Ａ，４３Ａの形状と同じである。このように、サブスロット４０内の仕切り部４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂをスロット底絶縁板１３Ａに具備させて構成することにより、回転子２の製造後においても仕切り部４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂの設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂの形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板１３Ａを設置するに際し仕切り部４１Ｂ，４２Ｂ，４３Ｂが足代わりとなるため、スロット底絶縁板１３Ａが安定し、回転子コイル１４の積層が容易となる。

この第２の実施形態によれば、次のような効果が得られる。

ダイアゴナルフロー方式の回転子２において、コイルスロット１２の内径底部分に鉄心軸方向に沿ってサブスロット４０を配設し、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイルに、複数の給気用ダイアゴナルダクト２１Ａからサブスロット４０に冷却ガスＣを通過させる複数の給気孔およびサブスロット４０から複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂに冷却ガスＣを通過させる複数の排気孔を設け、かつサブスロット４０内の所定の位置にて別々の冷却ガスＣが鉄心軸方向に合流することを妨げる複数の仕切り部４１Ａを設けることにより、給気の方向が互いに異なる給気孔からサブスロット１９に導入された各々の冷却ガスＣを、互いに影響させることなく、通風損失を招く分岐流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数の排気用ダイアゴナルダクト２１Ｂへ導くことができるので、回転子２全体の通風損失を低減させることができる。また、従来、最も内径側に位置する第１段目の回転子コイルの冷却溝において逐次変化する圧力バランスによって生じていた冷却ガスの分岐損失もしくは衝突損失に伴う通風損失の問題も解消することができる。

また、カッター刃の曲率を利用して仕切り部の脚部を円曲状に形成することにより、ベンド管を容易に実現でき、仕切り部での曲がり損失を低減させることができる。

また、期待した通りに通風損失を低減させることができるため、従来よりも冷却効果が高まる部分では、回転子コイル１４に穿孔する給気孔や排気孔の設置間隔を広げることも可能となる。このことにより、回転子コイル１４は電流を通過させる銅部分の面積増加させることが可能となり、電流密度、ひいては発熱量を下げる効果を生み、冷却ガスの低減や小型化にも貢献できる。

また、仕切り部およびサブスロット４０の形成に際して回転子鉄心１１の一部を全長にわたって切削するのではなく、各セクションの中央部に仕切り部を残すように切削した場合には、回転子鉄心の剛性を高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。

また、サブスロット４０内の仕切り部をスロット底絶縁板１３Ａに具備させた場合には、回転子２の製造後においても仕切り部の設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部の形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板１３Ａを設置するに際し仕切り部が足代わりとなるため、スロット底絶縁板１３Ａが安定し、回転子コイル１４の積層が容易となる。

また、本実施形態の回転子２と固定子１とが同心円上に配置された回転電機を構成することにより、回転電機全体としての冷却効率を向上させることができ、冷却ガスの低減や小型化を実現し、より一層安全で安定した運転を行える回転電機を提供することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るラジアルフロー方式の回転電機の回転子を側面から見た断面形状および通風フローを示す図。 図１の変形例として仕切り部が四角錐台の形状を有する場合の断面形状および通風フローを示す図。 図１の変形例として仕切り部が曲面部を有する場合の断面形状および通風フローを示す図。 同実施形態の仕切り部がスロット底絶縁板に取り付けられた部材である場合の断面形状を示す図。 図４の変形例として仕切り部が四角錐台の形状を有する場合の断面形状を示す図。 図４の変形例として仕切り部が曲面部を有する場合の断面形状を示す図。 図１中の仕切り部の鉄心軸方向の幅について説明するための図。 図３中の仕切り部の曲面部の曲率半径について説明するための図。 本発明の第２の実施形態に係るダイアゴナルフロー方式の回転電機の回転子の断面形状および通風フローを示す図。 図９の変形例として仕切り部が四角錐台の形状を有する場合の断面形状および通風フローを示す図。 図９の変形例として仕切り部が曲面部を有する場合の断面形状および通風フローを示す図。 同実施形態の仕切り部がスロット底絶縁板に取り付けられた部材である場合の断面形状を示す図。 図１２の変形例として仕切り部が四角錐台の形状を有する場合の断面形状を示す図。 図１２の変形例として仕切り部が曲面部を有する場合の断面形状を示す図。 回転電機の概略構成および全体通風フローを示す図。 ラジアルフロー方式の回転電機の回転子を側面から見た断面形状および通風フローを示す図。 ラジアルフロー方式の回転電機の回転子を鉄心軸方向から見た断面形状を示す図。 ダイアゴナルフロー方式の回転電機の回転子を正面から見た断面形状および通風フローを示す図。 最も外径側に位置する回転子コイルを外径側から見た平面図。 最も内径側に位置する回転子コイルを外径側から見た断面図。 図１６の回転子において衝突流が生じている様子を示す図。 図１７の回転子において分岐流が生じている様子を示す図。

符号の説明

１…固定子、２…回転子、３…ガス冷却機、４…ファン、１０…固定子鉄心、１１…回転子鉄心、１２…コイルスロット、１３…スロット絶縁体、１３Ａ…スロット底絶縁板、１４…回転子コイル、１５…ターン絶縁体、１６…クリページブロック、１７…回転子楔、１８…ラジアルダクト、１９…サブスロット、２１Ａ…給気用ダイアゴナルダクト、２１Ｂ…排気用ダイアゴナルダクト、２２…冷却溝、３１Ａ，３１Ｂ，３２Ａ，３２Ｂ，３３Ａ，３３Ｂ…仕切り部、４０…サブスロット、４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ…仕切り部、Ｃ…冷却ガス、Ｇ…エアギャップ。

Claims (11)

1. 円筒状の回転子鉄心に所定の間隔で設けたコイルスロットに磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層して収納された複数段の回転子コイルと、前記複数段の回転子コイルの径方向に穿孔され冷却ガスを通過させる複数のラジアルダクトと、前記複数のラジアルダクトへ冷却ガスを供給するため前記コイルスロットの内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロットとを具備し、前記回転子鉄心の両端部から冷却ガスを前記サブスロットに取り込むとともに前記複数のラジアルダクトに分岐させて前記複数段の回転子コイルを冷却するラジアルフロー方式の回転電機の回転子において、
   前記サブスロット内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部が設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 請求項１に記載の回転電機の回転子において、前記仕切り部は、所定の隣接するラジアルダクトの間の回転子コイル部分に対向する位置に設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
3. 請求項２に記載の回転電機の回転子において、前記仕切り部の鉄心軸方向の最も細い部分の幅は、前記所定の隣接するラジアルダクトの間の回転子コイル幅と同等以下でかつ当該回転子コイル幅の半分以上の範囲内に収まっていることを特徴とする回転電機の回転子。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子において、前記仕切り部は、別々の冷却ガスを前記サブスロットから前記所定の隣接するラジアルダクトへそれぞれ導く曲面部を有することを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項４に記載の回転電機の回転子において、前記曲面部の曲率半径は、前記サブスロットの深さ方向の幅と同等以上でかつ前記サブスロットの底から回転子表面までの高さ以下の範囲内に収まっていることを特徴とする回転電機の回転子。
6. 円筒状の回転子鉄心に所定の間隔で設けたコイルスロットに磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層して収納された複数段の回転子コイルと、前記複数段の回転子コイルの外径側から内径側に冷却ガスを取り込む複数の給気用ダイアゴナルダクトと、前記複数段の回転子コイルの内径側から外径側に冷却ガスを排出する複数の排気用ダイアゴナルダクトとを具備し、冷却ガスをエアギャップから前記複数の給気用ダイアゴナルダクトに取り込むとともに前記複数の排気用ダイアゴナルダクトからエアギャップに排出して前記複数段の回転子コイルを冷却するダイアゴナルフロー方式の回転電機の回転子において、
   前記コイルスロットの内径底部分に鉄心軸方向に沿ってサブスロットが配設され、最も内径側に位置する回転子コイルに前記複数の給気用ダイアゴナルダクトから前記サブスロットに冷却ガスを通過させる複数の給気孔および前記サブスロットから前記複数の排気用ダイアゴナルダクトに冷却ガスを通過させる複数の排気孔が設けられ、かつ前記サブスロット内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部が設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
7. 請求項６に記載の回転電機の回転子において、前記仕切り部は、給気の方向が互いに異なる給気孔から流入する別々の冷却ガスを分断する位置に設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子において、前記仕切り部は、前記回転子鉄心の一部として形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
9. 請求項８に記載の回転電機の回転子において、前記サブスロットは、一定の曲率を有するカッター刃で前記回転子鉄心の一部を鉄心軸方向に前記仕切り部を残すように切削して形成されていることを特徴とする回転電機の回転子。
10. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子において、前記仕切り部は、前記コイルスロットのスロット底絶縁板に取り付けられる部材として形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回転電機の回転子と、固定子とが、同心円上に配置されたことを特徴とする回転電機。

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