JP2010200578A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ギャップピックアップ冷却方式回転子の冷却性能を確保しつつ、且つ、構造の簡略化を図り、製作性の向上、低コスト化を図り得るギャップピックアップ冷却方式の回転電機を提供する。
【解決手段】回転子３の界磁コイルとなる導体７に冷却媒体６が流通する通風流路８を設ける。界磁コイルを固定するために回転子の外周部に装着したウエッジ１９には、回転子・固定子間のエアギャップ内の冷却媒体６を通風流路８に導く吸気孔１０が設けてある。ウエッジ１９の外表面には、冷却媒体を吸気孔１０に導く吸気ガイド流路２６が形成される。この吸気ガイド流路は、エアギャップの冷却媒体の流れを基準にして、回転子の周方向における吸気孔１０の上流部に配置される。吸気ガイド流路２６は、ウエッジの上流側から下流側の吸気孔１０に向かって吸気孔に連通し、この吸気ガイド流路２６の回転子軸方向の流路幅が下流側より上流側に向かって広がるように変化する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン発電機などの回転子（ロータ）を冷却媒体で冷却する通風機構を備えた回転電機に関する。

一般にタービン発電機などの回転電機では、固定子（ステータ）や回転子に通風流路を設け、この通風流路に冷却媒体である空気や水素を循環させて、ジュール損や鉄損などによって発熱するコイルや鉄心（コア）などを冷却する構造が知られている。回転子の冷却方式には、冷却性能が高いことから、コイルを冷却媒体と接触させて冷却する直接冷却方式が広く用いられているが、大容量化と低コスト化の両立可能な構造が要求されている。大容量化に対しては、長軸化の傾向にある。

ここで、代表的な従来構造について、図１２〜１６を用いて説明する。

図１２は、回転電機の一例として、大容量機に用いられるギャップピックアップ冷却方式の回転子を備えたタービン発電機の概略構成を示す縦断面である。

タービン発電機１は、回転子軸４に固定された回転子３及びその外側にエアギャップ９を介して配置された固定子２を備える。エアギャップ９は、固定子２の内周面と回転子３の外周面間に設けた間隙である。

固定子２は、固定子コア１２と固定子コイル１４を有する。

回転子３は、図１５に示すように、回転子コア（回転子鉄心）３０と、回転子コアの各スロット３１に内挿されたプレートタイプの界磁コイル（積層導体）７と、界磁コイルを固定するためにスロット３１の上部の組み込まれたウエッジ１９を有する。界磁コイル７とウエッジ１９との間には、両者を電気的に絶縁するためのクリページブロック２０が配置されている。

界磁コイル７及びウエッジ１９には、例えば空気或いは水素などの冷却媒体を流通させるための斜め流路８（8a,8b）が複数形成されている。すなわち、界磁コイル７は、斜め方向の複数の通風孔を有した導体を径方向に複数枚積層して構成され、各層導体の通風孔が連通することで、界磁コイル７内に通風流路となる斜め流路８が形成される構造となっている。

斜め流路８は、例えば、界磁コイル７の端面に設けた吸気孔８´から冷却媒体が流入して、ウエッジ１９の外面に設けた排気孔１１を介してエアギャップ９に放出される通風流路８ａと、ウエッジ１９（ウエッジは、図１２では、図示省略され、図１５に示してある）の外面に設けた吸気孔１０から冷却媒体が流入してウエッジの外面に設けた排気孔１１を介してエアギャップ９に放出されるＶ字形の通風流路８ｂとがある。

図１３は、大容量機に用いられる界磁コイル７の積層導体の概略平面図である。また、図１４は、界磁コイル７の各導体を積層して形成されるＶ字形の通風流路の縦断面を示した図で、（ａ）が径方向（Ｒ方向）−周方向（Θ方向）の２次元断面図、（ｂ）が径方向（Ｒ方向）−軸方向（Ｚ方向）の２次元断面図である。図１４（ｂ）では、ウエッジ１９の吸気孔１０及び排気孔１１を介して界磁コイル７の積層導体内に形成されるＶ字形の通風流路８ｂの流路形状が分かりやすいように、１流路のみを白抜きで示した。ここでは、界磁コイル７の各積層導体に通風流路８となるべき通風孔が回転子３の周方向（Θ方向）に２列になって回転子の軸方向（Ｚ方向）に複数配列される例を示した。なお、界磁コイル７の各導体に設ける２列の通風孔８とウエッジ１９に設ける吸気孔１０及び排気孔１１は、孔同士が接するように配置される。

本例では、吸気孔１０のグループと排気孔１１のグループとが交互になって配置されている。図１４に示すように、吸気孔１０及び排気孔１１に対応して、各Ｖ字形通風流路８ｂは、一方の列の吸気孔１０から他方の列の排気孔１１に通じるように形成されている。

一方、固定子２の固定子コア（固定子鉄心）１２には、回転子の吸気孔１０のグループと排気孔１１のグループに対応して複数の固定子冷却ダクト１３が固定子コアの径方向（Ｒ方向）に設けられている。これらの固定子冷却ダクト１３によって、冷却媒体６が固定子冷却ダクト１３内を径方向外向きに流れるフォワードゾーン１８と、逆に径方向内向きに流れるリバースゾーン１７が形成される。

回転子軸４の端部側の一部に、軸流ファン５が配置される。さらに、発電機１内には、各部位の冷却によって昇温した冷却媒体６を冷却するための主（第１）冷却器１５と補助（第２）冷却器１６とが内装されている。固定子２の周りを囲むように、リバースゾーン１７及びフォワードゾーン１８を区画する筒体３４が設けられている。

冷却媒体（例えば水素、流れを矢印で表示）６は、軸流ファン５によってタービン発電機１の各部位に送風される。具体的には、軸流ファン５によって、冷却媒体の一部は、回転子コイル（積層導体）７の一端の吸気口８´から通風流路８ａに送られる。冷却媒体６の残りは、固定子コイル１４の端部を冷却した後、冷却媒体ダクト１６ａを介して補助冷却器１５に流入する。補助冷却器１６で再冷却された冷却媒体は、リバースゾーン１７の各固定子冷却ダクト１３に流入し、鉄心１２や固定子コイル１４を冷却し、エアギャップ１０内に排出される。その冷却媒体６は、回転子３の外表面に設置した吸気孔１０より斜め流路８（8b:通風流路）に導かれ、斜め内向きに流れて界磁コイル７を冷却する。その後、冷却媒体６は、界磁コイル７の底部で方向を変換し、通風流路8bを介して斜め外向きに流れて界磁コイル７を冷却し、排気孔１１よりエアギャップ９内に排出される。エアギャップ９内に排出された冷却媒体６は、フォワードゾーン１８の各固定子冷却ダクト１３内に流入し、鉄心１２や固定子コイル１４を冷却した後、主冷却器１５に流入して降温され、軸流ファン５に戻る一巡した流れを形成する。

図１５は、ギャップピックアップ冷却方式回転子表面の吸排気孔が隣接する部位の従来例を示す鳥瞰図である。ウエッジ１９は、回転子３のスロット３１内に内挿した界磁コイル７が遠心力により動くことを防止するための固定材である。回転子３の回転により、回転子３の表面には、回転子の回転と相対的に冷却媒体６の流れが回転子の周方向に生じる。回転子３の外面には、回転子３の表面上に流れる冷却媒体６を吸気孔１０に導くための吸気ガイド流路２１が設けられている。この吸気ガイド流路２１は、ウエッジ１９表面に設けた通風溝（傾斜溝）２２と回転子コア３０の表面に設けた通風溝（傾斜溝）２３とが結合することで形成される。すなわち、吸気ガイド流路２１は、回転子３内にウエッジ１９が設置されたときに形成される構造である。また、吸気ガイド流路２１は、ウエッジ１９に設けた吸気孔１０と連通される。

図１６は、図１５におけるギャップピックアップ冷却方式回転子の吸気構造の縦断面図である。図１６を用いて、ギャップピックアップによる冷却媒体６の吸気メカニズムについて説明する。

回転子３が回転すると、エアギャップ９内には、冷却媒体６の相対的な周方向（Θ方向）流れが発生する。エアギャップ９内に生じる冷却媒体６の流れは、回転子３の回転数と径に基づく周速相当の速度を有する。その周速度は、約１００〜２００ｍ／ｓである。

従来構造では、このように速い速度を有する冷却媒体６を効率良く吸気孔１０に導くために、回転子３表面に回転子周方向に向けた吸気ガイド流路２１を設ける。吸気ガイド流路２１の軸方向の開口幅は、図１５に示すように、吸気孔１０の径と同一で、周方向の流路長は、吸気孔１０の径に対して約５倍の距離を有する。

エアギャップ９内の冷却媒体６の周方向流れに対し、吸気ガイド流路２１の最上流部より、吸気ガイド流路２１を介して吸気孔１０に徐々に向かう流れを形成させる。しかし、回転子３表面の周速度が速いため慣性力が強く、吸気ガイド流路２１の流路長が短いと、吸気孔１０に向かう流れが形成され難い。

その場合、回転子３内の界磁コイル７に冷却媒体６を導くことができなくなり、界磁コイル７の冷却性能が不十分となるおそれがある。従来構造では、ウエッジ１９表面の通風溝２２と回転子３表面の通風溝２３とで吸気ガイド流路２１の十分な流路長を確保している。また、通風溝２２や２３に径方向（R方向）内向きの傾斜を設け、徐々に径方向内向きの流れを生じさせ、冷却媒体６を安定して吸気孔１０に導く構造となっている。

吸気孔１０に導かれた冷却媒体６は、吸気孔１０の下流内壁面に衝突する方向に流れ、内壁面に近づくに従い静圧が回復し、吸気孔１０内には昇圧域２４が発生する。すなわち、冷却媒体６の動圧が静圧に変換されることになる。そのため、吸気孔１０に向かう冷却媒体６の速度が大きいほど、昇圧域２４での静圧上昇も大きくなる。界磁コイル７内の冷却媒体６の流れは、吸気孔１０の昇圧域２４と排気孔１１との圧力差によって形成される。そのため、界磁コイル７の冷却性能を向上させるためには、より多くの冷却媒体６を界磁コイル７内に導くことが重要となる。

従来構造では、回転子３とウエッジ１９表面に設けた周方向に長い流路長を有する吸気ガイド流路２１によって、エアギャップ９内の冷却媒体６を、より多く吸気孔１０内に吸気させる構造となっている。

以上のような構造を有するギャップピックアップ冷却方式回転子によれば、エアギャップ９における冷却媒体６を界磁コイル７内に導き冷却するための吸排気構造を、軸方向に繰り返すことが可能になる。したがって、界磁コイル７の軸方向に対して同様な複数の冷却経路を実現でき、回転子３の長軸化が可能で、大容量化に対応できると言う利点がある。しかし、界磁コイル７内への冷却媒体６の流量を十分に確保するためには、回転子３表面に流路長の長い吸気ガイド流路２１を設ける必要がある。そのため、ウエッジ１９のみならず、回転子３表面の加工も必要となり、回転子３製作工数が多く、低コスト化が困難になるという問題があった。

また、界磁コイル７内への冷却媒体６の吸気流量を増大させる構造として、特開平１０−１７８７５４号公報に記載されたものが公知である。図１７にその概略を示す。図１７において、（ａ）が吸気部の鳥瞰図、（ｂ）が断面図である。この従来構造では、回転子３表面の吸気孔１０の下流側に突起物２５を設置したことを特徴とする。本構造によれば、回転子３より突き出させた突起物２５の内表面に、エアギャップ９に流れる冷却媒体６を衝突させ、冷却媒体６を吸気孔１０内に導くことが可能となる。突起物２５の突起高さを利用し、より多くの冷却媒体６を吸気孔１０内に導くことが可能となる。そのため、回転子３の外周部に設ける通風ガイド流路を短くしても界磁コイル７を冷却するに十分な冷却媒体６の吸気流量を確保できる可能性がある。これにより、回転子３の通風溝を排除し、その製作工数を削減できる可能性がある。

しかし、回転子３の表面に突起物２５を設置するため、固定子２内に長い回転子３を挿入する際に、固定子２内表面への突起物２５の接触による機器の損傷および組み立て工数の増大を招くおそれがある。

特開平１０−１７８７５４号公報 特開２０００−１３９０５０号公報

従来構造のギャップピックアップ冷却方式回転子は、その通風構造の複雑さにより製作工数が多く、コスト高になる傾向がある。本発明は、ギャップピックアップ冷却方式回転子の冷却性能を確保しつつ、且つ、構造の簡略化を図り、製作性の向上、低コスト化を図り得るギャップピックアップ冷却方式の回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、回転子の外周部に設置するウエッジ表面部の加工のみで冷却媒体を界磁コイル内に導くための吸気ガイド流路を構成する。さらに、この吸気ガイド流路は、固定子・回転子間のエアギャップの冷却媒体の流れを基準にして、回転子の周方向における吸気孔の上流部に配置され、且つウエッジの上流側から下流側の前記吸気孔に向かってこの吸気孔に連通する。さらに、この吸気ガイド流路の回転子軸方向の流路幅が下流側より上流側に向かって広がるように変化する構造を有していることを特徴とする。

本発明の吸気構造を備えた回転電機のギャプピックアップ冷却方式回転子によれば、回転子表面上（エアギャップ）で流れる冷却媒体を、広い領域から集中的に吸気孔内に取り込むことができる。それにより、回転子の周方向に短い吸気ガイド流路でもあっても、界磁コイルの冷却に十分な冷却媒体の吸気流量を確保できる。よって、その吸気ガイド流路をウエッジ表面部の加工のみで構成でき、従来技術に比べて、回転子の製作工数を削減でき、低コスト化が可能となる。

その結果、例えば、大容量の発電機に用いられるギャップピックアップ冷却方式回転子のコストを低減させるという目的を、界磁コイルの冷却性能を損なわずに実現できる。

本発明の実施例１における吸排気構造を示した鳥瞰図。 図２（ａ）は、実施例１の吸気構造のウエッジ部における断面図、図２（ｂ）は、その吸気構造をウエッジ上面からみた部分上面図。 本発明の界磁コイルの積層導体の概略平面図 図４（ａ）は、本発明の通風流路を示した径方向（Ｒ方向）−周方向（Θ方向）の２次元断面図、図４（ｂ）は、その径方向（Ｒ方向）−軸方向（Ｚ方向）の２次元断面図。 実施例１の吸気構造をウエッジ上面からみた上面図であり、ウエッジの長さ方向の範囲を、図２（ｂ）よりも広げて見た図。 本発明の実施例２を示すものであり、図６（ａ）はその吸気構造のウエッジ部における断面図、図６（ｂ）は、その吸気構造をウエッジ上面からみた部分上面図。 本発明の実施例２の吸排気構造の鳥瞰図。 実施例２の変形例を示すウエッジの一部上面図。 本発明の実施例３における吸排気構造を示す鳥瞰図。 実施例３の吸排気構造の変形例を示す鳥瞰図。 本発明の実施例４の吸気構造を示すウエッジの部分上面図。 従来例のギャップピックアップ斜流冷却方式回転子を備えたタービン発電機の縦断面構造概略を示した説明図。 従来例の界磁コイルの積層導体の概略平面図 図１４（ａ）は、上記従来例のＶ字形の通風流路を示した径方向（Ｒ方向）−周方向（Θ方向）の２次元断面図、図１４（ｂ）は、その径方向（Ｒ方向）−軸方向（Ｚ方向）の２次元断面図。 上記従来例の吸排気構造を示す鳥瞰図。 上記従来例の吸気構造を示す断面図。 図１７（ａ）は、上記従来例とは別の従来例の吸気構造を示す鳥瞰図、図１７（ｂ）はその断面図。

本発明の実施例１について、図１〜図４を用いて説明する。

図１は、実施例１のギャップピックアップ冷却方式回転子の吸排気部及び吸気ガイド流路構造を示す一部拡大の鳥瞰図である。図２（ａ）は、その吸気構造のウエッジ部における断面図、図２（ｂ）は、その吸気構造をウエッジ上面からみた部分上面図である。図３は、本発明の実施例１を適用する界磁コイルの積層導体の概略平面図である。また、図４は、界磁コイルの各導体を積層して形成される通風流路の２次元断面を示した図で、（ａ）が径方向（Ｒ方向）−周方向（Θ方向）の２次元断面図、（ｂ）が径方向（Ｒ方向）−軸方向（Ｚ方向）の２次元断面図である。図４（ｂ）では、ウエッジ１９の吸気孔１０及び排気孔１１を介して界磁コイル７の積層導体内に形成される通風流路８の流路形状が分かりやすいように、１流路のみを白抜きで示した。ここでは、界磁コイルの各積層導体に通風流路となるべき通風孔が回転子の周方向（Θ方向）に1列になって回転子の軸方向（Ｚ方向）に複数配列される例を示した。

本発明の実施例１は、回転子３内の通風流路８が、径方向一様に形成されるラジアルフロー冷却方式の回転電機に適用した例である。

本実施例におけるウエッジ１９の外表面に設ける吸気孔１０及び排気孔１１は、互いに一つ置きで交互に配列されている。

さらに、吸気ガイド流路２６の構成が、従来技術とは次のように相違する。

吸気ガイド流路２６は、回転子３表面近傍の冷却媒体６を吸気孔１０に導くために、ウエッジ１９の外表面に回転子の周方向に向けて設けられている。

まず、吸気ガイド流路２６は、ウエッジ１９において、エアギャップを流れる冷却媒体６の回転子周方向の流れを基準にして、回転子３のスロット３１壁と接する上流端側より吸気孔１０に向かうにしたがい、その溝深さが変化する。すなわち、吸気ガイド流路２６は、上流側より下流側に向かうにつれて、回転子３の径方向（R方向）内向きに傾斜を有するスロープ構造になっている。また、吸気ガイド流路２６は、その上流端側より吸気孔１０に向かうにしたがい、回転子軸方向（Z方向）の流路幅が徐々に変化する。

具体的には、ウエッジ１９の上流側（回転子３と接触する側）ほど吸気孔１０の径より広く、下流側（吸気孔１０側）に向かうほど吸気孔１０の径に合わせて狭くなり、最下流部で吸気孔１０と連通する構造となっている。

図２（ｂ）において、吸気ガイド流路２６の上流端および下流端での流路幅（回転子の軸方向の幅）を、それぞれＷ１、Ｗ２で定義した。ここでは、上流端側の幅Ｗ１を取り得る最大とし、下流端側の幅Ｗ２を吸気孔１０の径と同一とし、上流から下流に向かうほど流路幅が連続的に狭くなる構造を示したが、段階的に変化する構造も考えられる。ここで、上流端側の幅Ｗ１を取り得る最大について、図５を参照して説明する。

図５は、図２（ｂ）同様に、吸気構造をウエッジ上面からみた上面図であり、ウエッジの長さ方向の範囲を、図２（ｂ）よりも広げて見た図である。

本実施例のように吸気孔１０及び排気孔１１を交互に配置した場合には、図５に示すように、吸気ガイド流路２６の上流端幅Ｗ１の取り得る最大は、吸気孔１０と排気孔１１のピッチをＷＰとした場合に、２ＷＰとなる。このようにＷ１＝２ＷＰ或いはＷ１≒２ＷＰ（ただしＷ１＜２ＷＰ）のように設定した場合には、吸気孔１０をウエッジ１９の幅Ｗ３（回転子の周方向の幅）の中心に配置しても、吸気ガイド流路２６の吸気ガイド壁２６´の長さＬ１をウエッジ１９内に充分に確保することができる（Ｗ３/２≪Ｗ１）。Ｗ１は、好ましくは、ＷＰ＜Ｗ１≦２ＷＰである。また、吸気ガイド壁２６´の傾斜角αは、一例を挙げるとα＝１５〜３０度程度が望ましい。

本発明の吸気構造を備えた回転子３が回転すると、従来構造と同様にエアギャップ内に相対的な冷却媒体６の周方向（Θ方向）流れが生じる。エアギャップ９内の冷却媒体６は、吸気ガイド流路２６を介して、ウエッジ１９に設けた吸気孔１０に導かれ、回転子３内の界磁コイル７へと流通する。

本発明の構造によれば、吸気ガイド流路２６の流路幅が回転子鉄心のスロット３１の壁面と接触する上流端側でワイドに展開するため、回転子３表面近傍の冷却媒体６を広領域から吸気ガイド流路２６に取り込むことができる。そのため、吸気ガイド流路２６の周方向の流路距離が短くても、界磁コイル７の冷却に十分な冷却媒体６の流量を確保できる。また、吸気ガイド流路２６は、下流側の吸気孔１０に向かうほど径方向（R方向）内向きの傾斜を有し、軸方向の流路幅も吸気孔１０の径に合わせて変化させた構造であるため、冷却媒体６を吸気ガイド流路２６に導いた後、吸気孔１０に集中する流れを形成できる。すなわち、回転子３表面近傍の広領域から取り込んだ冷却媒体６を効率良く吸気孔１０に導くことがでる構造である。

以上のように本発明の実施例１によれば、吸気ガイド流路２５の径方向流路長が短くても回転子３内の界磁コイル７を冷却するに十分な冷却媒体６の流量を確保できる。そのため、吸気ガイド流路２６をウエッジ１９のみの加工で構成でき、回転子３の製作工数を削減できる。これにより、回転子３のコスト低減の効果が期待できる。また、本構造で示した吸排気構造を軸方向に繰り返すことで発電機の長軸化にも容易に対応でき、大容量化にも適用できる。

ちなみに、図１５の従来構造においては、通風流路８内の断面平均流速は、代表的な１例を挙げれば１５〜２５ｍ/ｓであるのに対して、本実施例では、同等以上を確保できる。

本発明の実施例２について、図６及び図７を用いて説明する。

図７（ａ）はその吸気構造のウエッジ部における断面図、図７（ｂ）は、その吸気構造をウエッジ上面からみた部分上面図である。

実施例２の構造は、吸気孔１０の設置位置を、回転子の周方向（Θ方向）の下流端側に設けた点が、実施例１との相違点である。ウエッジ１９内に設ける吸気孔１０を周方向の下流端から中心位置に向けて貫通させて構成する場合、吸気孔１０が径方向（R方向）内周部に向かうに従い傾斜を有する構造となる。ウエッジ１９内の吸気孔１０は、ドリルを用いた加工であるため、傾斜を有した構造でも製作性が困難になることや製作工数が増えることは無い。また、実施例１に比べて、吸気ガイド流路２６から吸気孔１０での冷却媒体６の曲りが大きくなり、流動抵抗が増大し、冷却媒体６の吸気流量減少が懸念される可能性がある。しかし、吸気孔１０から排気孔１１までの一連の通風流路内において、流動抵抗が支配的となる部位が他にあるため、その影響は小さい。流動抵抗が支配的なのは、例えば、通風流路の流路形状が大幅に変化する吸気孔１０と界磁コイル７内の通風路８との接続部（図４参照）などである。

本発明の実施例２は、ウエッジ１９の吸気孔１０の設置位置を、回転子の周方向に対し、より下流側に設けることで、吸気ガイド流路２６の流路長ΔＬ及びガイド壁長Ｌ１を実施例１に比べて長く確保できる構造を実現した。吸気ガイド流路２６の周方向の流路長を実施例１よりも長くできるため、回転子３の表面近傍を周方向に流れる冷却媒体６を吸気ガイド流路２６内に導く流れを形成しやすくなり、実施例１に比べて冷却媒体６の吸気流量を増大させることができ、界磁コイル７の冷却性能がさらに向上する。

図７は、本発明の実施例２の変形例である吸気部構造の鳥瞰図である。２７は吸気ガイド流路２６の最下流部に設けた切り欠き（開口部）であり、この点が前記した実施例２との相違点である。吸気ガイド流路２６の切り欠き２７によって、ウエッジ１９を回転子３に固定した際に、その部位には、回転子３内のスロット３１の内壁面が表われる。本実施例の構造によれば、吸気ガイド流路２６内に導かれた冷却媒体６は、切り欠き２７との接触部である回転子３のスロット内壁面に衝突し、その後、吸気孔１０内に導かれることになる。すなわち、冷却媒体６を回転子３のスロット内壁面に衝突させ、冷却媒体６を吸気孔１０に取り込む構造であり、これは、吸気孔１０の下流側に突起物を設置した構造と等価の効果を得ることができる。

本実施例によれば、ウエッジ１９の吸気孔１０との接触部位を気にすることなく吸気ガイド流路２６を加工できるため、その製作性がさらに向上する。

図８は、本実施例の変形例を示すウエッジの一部上面図である。

本実施例では、吸気ガイド流路２６の上流端の流路幅Ｗ１（コイルスロットと接する位置）を、エアギャップの軸流の方向に合わせて、回転子軸方向の片側のみを長くし、他方は吸気孔１０の回転子軸方向の径一端の位置と一致させたものである。吸気孔１０の半径をＲ/２とし、吸気孔１０と排気孔１１間のピッチをＷｐとした場合、上流端流路幅Ｗ１は、Ｗｐ＋Ｒ/２或いはその近辺値となる。本実施例によれば、既述した実施例１、２同様の効果を期待できるほかに、隣合う排気孔１１との干渉も極力緩和させることができる。

本発明の実施例３について、図９及び図１０を用いて説明する。

図９は、実施例３の吸気部構造の鳥瞰図である。本実施例の吸気ガイド流路２８も、今まで述べた吸気ガイド流路２６同様に、回転子３表面近傍の冷却媒体６を吸気孔１０に導くためにウエッジ１９表面にのみ設けられている。実施例３の吸気ガイド流路２８は、回転子３と接するウエッジ１９上流端側より吸気孔１０に向かって溝深さ（流路深さ）が一定、すなわち平坦であることが実施例１との相違点である。そのため、本実施例の構造では、回転子３にウエッジ１９を固定した際に、吸気ガイド流路２８の最上流部と回転子３との接触部において、吸気ガイド流路２８の溝深さに相当する段差ΔHが形成される。この段差が、回転子３の表面を流れる冷却媒体６を吸気ガイド流路２８に導く流れの形成を阻害する恐れがある。しかし、本発明の構造では、吸気ガイド流路２８の上流側で軸方向の流路幅が広く、回転子３の表面を流れる冷却媒体６を広領域から取り込むことができるため、段差ΔHによる冷却媒体６の吸気流量低減への影響は小さいと考えられる。

本発明によれば、ウエッジ１９に設ける吸気ガイド流路２８の構造が単純化され、その製作性が大幅に向上できる。

図１０は、本発明の実施例３の変形例である吸気構造の鳥瞰図である。本例では、回転子３の回転子コア３０における吸気ガイド流路２８上流端との境界付近に切削面（傾斜面）２９を設けたものであり、この点が前記した実施例３との相違点である。本構造によれば、回転子３にウエッジ１９を固定した際に、回転子３に設けた傾斜面２９によって、実施例３で形成された吸気ガイド流路２８の最上流部と回転子３との接触部の段差を回避できる。

本発明によれば、回転子３に切削面２９を設けるための製作工数が必要となるが、簡単な加工で対応できるため、それによるコスト増大は抑制できる。簡単な加工のみで吸気孔１０への冷却媒体６の吸気流量を確保できる。

本発明の実施例４について、図１１を用いて説明する。

図１１は、実施例４の吸排気部構造の断面図である。３２はウエッジ１９の軸方向に吸気孔１０を所定間隔で複数個配置させて構成した吸気ゾーン（吸気孔グループ）、３３はウエッジ１９の軸方向に排気孔１１を所定間隔で複数個配置させて構成した排気ゾーン（排気グループ）である。本発明の実施例４は、従来技術に示したような、ウエッジ１９の吸気孔１０や排気孔１１が、軸方向に複数個づつ配置される回転電機に適用した例である。

このように吸気孔１０や排気孔１１を軸方向に複数個づつ配置されている本実施例においては、複数個の吸気孔１０は、軸方向に間隔Ｗｐを有して配置される。この場合、吸気ガイド流路２６の最上流部の流路幅Ｗ１は、最大でも吸気孔１０の配置間隔Ｗｐとなる。すなわち、吸気孔１０を軸方向に連続して複数個配置する場合、吸気ガイド流路２６における最上流部の流路幅Ｗ１の最大取り得る流路幅はＷ１＝Ｗｐとなる。吸気孔１０の最大流路幅Ｗ１は、配置間隔Ｗｐと同等もしくはそれ以下とし、下流側（吸気孔１０側）に向かうほど吸気孔１０の径に合わせて流路幅が狭まるように変化させ、最下流部で吸気孔１０と連通する構造となる。流路幅Ｗ１の好ましい範囲は、ＷＰ／２＜Ｗ１≦Ｗｐである。

さらに、本実施例によれば、図１１に示す吸気ゾーン３２及び排気ゾーン３３を形成することにより、固定子側の通風流路の流れが径方向内向きとなるリバースゾーンと、径方向外向きとなるフォワードゾーンを有する固定子に対し、リバースゾーンと回転子３の吸気ゾーン３２を、フォワードゾーンと排気ゾーン３３をそれぞれ対応させた流路構造を構成することができる。ウエッジ１９に設ける吸気孔１０や排気孔１１の配置個数は、固定子のリバースゾーンやフォワードゾーンの軸方向長さに合わせて、任意に選定すれば良い。
本発明によれば、タービン発電機全体として、流動抵抗の少ない冷却媒体６の循環パターンを形成でき、内部を循環させる冷却媒体６の流量を確保でき、固定子など他部位の冷却性能の向上にも寄与できる。

固定子と回転子を備えた回転電機であれば、タービン発電機に限らず、回転子を本発明の吸気構造とすることにより、長軸化による大容量化と低コスト化を実現できる。

１…タービン発電機、２…固定子（ステータ）、３…回転子（ロータ）、４…回転子軸（シャフト）、５…軸流ファン、６…冷却媒体、７…界磁コイル、８…斜め流路（通風流路）、９…エアギャップ、１０…吸気孔、１１…排気孔、１２…鉄心（コア）、１３…固定子冷却ダクト、１４…固定子コイル、１５…主冷却器、１６…補助冷却器、１７…リバースゾーン、１８…フォワードゾーン、１９…ウエッジ、２６…吸気ガイド流路、２７…切り欠き、２８…吸気ガイド流路、２９…切削面、３０…回転子コア、３１…スロット、３２…吸気ゾーン、３３…排気ゾーン、３４…筒体。

Claims (8)

1. 冷却媒体が流通する回転子側の通風流路を有する界磁コイルを装着した回転子と、
   前記回転子の外周側にエアギャップを介して配置され、内部に冷却媒体が流通する固定子側の通風流路を有する固定子と、
   前記界磁コイルを固定するために回転子の外周部に装着されるウエッジと、
   前記界磁コイル内の前記回転子側の通風流路に連通するように前記ウエッジに配設された吸気孔及び排気孔と、を備え、前記エアギャップ内の前記冷却媒体を前記ウエッジの吸気孔より前記界磁コイル内に導き、前記ウエッジの排気孔より前記エアギャップ内に放出させる流れを形成して前記界磁コイルを冷却する回転電機において、
   前記ウエッジの外表面には、前記エアギャップ内で前記回転子の回転に対して相対的に流れる冷却媒体を前記吸気孔に導く吸気ガイド流路が形成され、
   この吸気ガイド流路は、前記エアギャップの冷却媒体の流れを基準にして、前記回転子の周方向における前記吸気孔の上流部に配置され、且つ前記ウエッジの上流側から下流側の前記吸気孔に向かってこの吸気孔に連通し、この吸気ガイド流路の回転子軸方向の流路幅が下流側より上流側に向かって広がるように変化する構造を有していることを特徴とする回転電機。
2. 前記ウエッジの外表面に設けた前記吸気ガイド流路は、前記流路幅が変化するに加えて、前記エアギャップ内の前記冷却媒体の流れを基準にして、上流側より下流側に向かって流路を形成する溝の深さが深くなるように変化する傾斜を有している請求項１記載の回転電機。
3. 前記ウエッジの外表面に設けた前記吸気ガイド流路は、前記流路幅が変化するに加えて、前記エアギャップ内の前記冷却媒体の流れを基準にして、上流側より下流側に向かって流路を形成する溝の深さが一定にしてある請求項１記載の回転電機。
4. 前記ウエッジの外表面に設けた前記吸気ガイド流路は、前記流路幅が上流側では前記吸気孔の径より広く、下流に向かうほど前記吸気孔の径に合わせて狭くなり、下流部で前記吸気孔と連通している請求項１ないし３のいずれか１項記載の回転電機。
5. 前記ウエッジに設けた前記吸気孔は、前記エアギャップ内の前記冷却媒体の流れを基準にして、前記回転子の周方向で下流側の前記ウエッジの一端近くに配置されている請求項１ないし４のいずれか1項記載の回転電機。
6. 前記ウエッジの外表面に設けた前記吸気ガイド流路は、前記エアギャップ内を流れる前記冷却媒体の流れを基準にして、下流側のウエッジ一端に切り欠き部が形成され、この切り欠き部が回転子鉄心に設けたスロットの壁面一部によりカバーされている請求項１ないし５のいずれか１項記載の回転電機。
7. 前記エアギャップ内の前記冷却媒体の流れを基準にして、前記ウエッジの外表面に設けた前記吸気ガイド流路の上流側の端部に隣接する回転子外表面部位に、前記吸気ガイド流路に向けて上流側から下流側に傾斜する斜面が形成され、この斜面を介して前記回転子の外表面と前記吸気ガイド流路とが滑らかに接続している請求項１ないし６のいずれか１項記載の回転電機。
8. 前記ウエッジに設けた前記吸気孔及び排気孔は、前記回転子の軸方向に一定の間隔を有して吸気孔同士及び排気孔同士が複数個づつ並んで配置され、前記ウエッジの外表面に設けた前記吸気ガイド流路も前記吸気孔の数に合わせて軸方向に複数個づつ配置され、前記吸気ガイド流路の流路幅が上流側では前記吸気孔の径より広く前記吸気孔の配置間隔よりも狭く、下流に向かうほど前記吸気孔の径に合わせて狭くなり、下流部で前記吸気孔と連通している請求項１から請求項７のいずれか１項記載の回転電機。

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