JP4417970B2 - 回転電機および回転電機の回転子 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に係り、特に、回転子の通風路内の圧力損失を低減する回転子冷却構造に関する。

一般的な回転電機、例えばタービン発電機の回転子構造について、図１３〜図１５を用いて説明する。

図１３は、回転子鉄心の上半部分の構造を示す横断面図、図１４は、図１３におけるコイルスロット部の拡大図、図１５は、回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図である。

図１３において、回転子鉄心１には周方向に複数のコイルスロット２が軸方向にわたり設けられ、コイルスロット２内には回転子コイル４が収納されている。

ここで、図１３に示すように、複数の界磁導体１１をコイルスロット２内に積層して構成された回転子コイル４がコイルスロット２内に収納され、コイルスロット２の開口端部に回転子楔６を挿入して回転子コイル４を保持して回転子が構成されている。また、図１４に示すように、回転子コイル４は回転子鉄心１端部から軸方向に突き出た部分をリング状の保持環９によって外側から保持されている。

回転子コイル４と回転子鉄心１との間、回転子コイル４と回転子楔６との間、および回転子コイル４と保持環９との間にはそれぞれ絶縁材５が介挿され回転子コイル４の絶縁が確保されている。また、図示していないが、各界磁導体１１の間にも絶縁材５が挿入されている。

さらに、コイルスロット２の回転子内周側には、回転子軸方向に冷却ガス８を流通させるためのサブスロット３が設けられており、サブスロット３に冷却ガス８を流通して回転子コイル４を冷却している。

また、回転子コイル４を冷却するための冷却ガス８通路は、図１４に示すように、回転子鉄心１端部から回転子鉄心１中央部に向かって設けたサブスロット３に回転子鉄心１端部から冷却ガス８を導入し、導入された冷却ガス８をコイルスロット２内において回転子鉄心１の内径側から外形側に流通させるコイル通風路７を回転子コイル４、絶縁材５、および回転子楔６を半径方向に貫通するように軸方向に沿って形成し、コイル通風路７と回転子鉄心１全長にわたって設けられたサブスロット３と連通させて冷却ガス８の流路を構成している。

冷却ガス８は、回転子の回転による遠心ファン効果により、図１５の矢印で示すように回転子鉄心１端部からサブスロット３に導入し、回転子鉄心１中央部に向かって流れ、順次コイル通風路７に分岐する。各コイル通風路７を通過する冷却ガス８は、回転子コイル４で発生した熱を冷却・吸収した後、回転子楔６に設けられたコイル通風路７を介して回転子鉄心１外径側に排出される。

冷却ガス８導入用のサブスロット３を備えた回転子コイル４の冷却方式としては、図１５に示した構成例の他に、例えば、特許第３５６４９１５号公報（特許文献１）に示されているようにコイル通風路を複数に分割したり、特許第３７３６１９２号公報（特許文献２）に示されているように斜め孔に構成したり、特開平７−１７０６８３号公報（特許文献３）に示されているように軸方向に通風する方式など様々な方式がある。
特許第３５６４９１５号公報 特許第３７３６１９２号公報 特開平７−１７０６８３号公報

上述したような回転電機においては、回転子コイル４はそれらを構成する絶縁材５の耐熱性能により厳しく温度上限が制限されている。従って、最近の回転電機の単機容量の増大化とともに回転子コイル４の電流密度も上昇する一方で、コイル温度を絶縁材５の耐熱温度よりも低く抑えるためには、回転子の直径を大きくし、鉄心長を長くするなど、より多くの界磁導体１１を回転子のコイルスロット２内に挿入して発熱量を減らし、また、より広い通風面積を確保して冷却ガス８増加させて冷却強化する必要があり、発電機の大型化につながる。

サブスロット３を有する通風冷却方式の場合、回転子鉄心１端部の入口から最も鉄心端側の回転子コイル通風流路７までのサブスロット３には、サブスロット３に連結されるコイル通風路７の全ての冷却ガス８が集中して通るため、流速が早く大きな圧力損失を発生し、コイル通風路７の流路断面積や流路本数を増やしても回転子コイル４内を冷却する冷却ガス８の通風量が確保できないという問題点があった。

また、回転電機の容量が増大し回転電機の鉄心長が長くなると、サブスロット３の軸方向長さが長くなりサブスロット３内の圧力損失も増加するため、ますます冷却ガス８が流れにくくなるという問題点があった。

特に、冷却ガス８として空気を用いる空冷方式の場合は、冷却ガス８の熱容量が小さく冷却ガス８の温度上昇が大きくなるため、できるだけ多くの冷却ガス８を確保する必要が生じる。

このような方式の場合、冷却性能を向上させる方法としては、上記した特許第３５６４９１５号公報に記載された方法のように、コイル通風路７を細分化して伝熱面積を拡大する方法がある。しかしながら、コイル通風路７の面積を増加した割合に対して冷却ガス８風量の増加割合が小さいため、かえってコイル通風路７内の流速が低下して熱伝達率が低くなり冷却性能が悪化させることもある。

また、コイル通風路７を細分化することによって、各コイル通風路７間での流量分布も生じやすくなるため、局所的に回転子コイル４の温度が上昇する可能性も高くなる。

別な方式として、特開２００１−１７８０５０号公報に示された構成のように、回転子鉄心１中央部ほどサブスロット３の流路断面積を小さくして回転子鉄心１中央部の流量が必要以上に増加しないようにする方法などが採用されているが、この方法では、コイル温度の均一化は達成されるが、サブスロット３内の通風抵抗を増加させることとなり、冷却ガスの総風量が減るため回転子コイル４の平均温度はむしろ上昇する。

さらに、特開平１１−１５０８９８号公報や特開２００１−２５８１９０号公報に示された構成のように、サブスロット３の入口損失を低減して冷却ガス８の通風量の増加を図る方式もある。これらの方式では、非常に速い速度で回転しているサブスロット３の開口部に対して冷却ガス８が大きな流入角で流入することで生じる大きな圧力損失を低減するよう工夫がされている。例えば、サブスロット３の入口部を滑らかなＲ形状にして冷却ガスが流入しやすくしたり、回転子鉄心１端部より外側の回転子シャフト１０に冷却ガス８導入用の溝を加工したりする方法がある。

しかしながら、隣接するコイルスロット２やサブスロット３の寸法的制限から、大きな流入角で損失を抑えながら転向しサブスロット３内部へと導入することは非常に困難であり、大きな圧力損失低減効果は期待できない。

そこで、本発明においては、回転子の通風経路内の圧力損失を低減し、回転子コイルを効率的に冷却し、より大きな界磁電流値を許容できる回転電機の回転子を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明においては、円筒状の回転子鉄心の外周に回転子軸方向に沿って設けた複数のコイルスロット内に複数の界磁導体を積層して形成した回転子コイルが絶縁物を介して収納され、前記コイルスロットの開口端部に回転子楔を介挿して回転子コイルを保持するとともに、前記コイルスロット内に回転子コイル、回転子楔および絶縁物を貫通するコイル通風路と、前記コイルスロットの底部に設けられ回転子鉄心端および前記コイル通風路と連通するサブスロットとを備え、前記サブスロット３、コイルスロット２およびコイル通風路７により形成される冷却ガス通路に冷却ガス８を流通させて回転子コイルの冷却を行なう回転電機の回転子において、回転子鉄心端から最も近いコイル通風路までの冷却ガス流通断面積を回転子鉄心中央寄りのコイル通風路位置における冷却ガス流通断面積より大きくなるよう構成したことを特徴とする。

また、本発明においては、回転子鉄心端において、回転方向進み側における冷却ガス流通断面積を回転方向遅れ側における冷却ガス流通断面積より広くしたことを特徴とする。

また、本発明においては、回転方向進み側に位置するサブスロットから回転方向遅れ側に位置するサブスロットに冷却ガスを導入する連通流路を設けたことを特徴とする。

本発明においては、上記のように構成したので、回転子の通風経路内の圧力損失を低減し、回転子コイルを効率的に冷却し、より大きな界磁電流値を許容できる回転電機の回転子を提供することができる。

以下、本発明に係る回転電機の回転子の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第1の実施の形態）
図1は、本発明の第1の実施形態に係る回転電機の回転子の軸方向片側の構成を示す縦断面図である。

図１において、回転子鉄心１には周方向に複数のコイルスロット２が設けられ、コイルスロット２内には回転子コイル４が収納されている。

回転子コイル４は複数の界磁導体１１を積層して構成されており、回転子コイル４はコイルスロット２の開口端部に回転子楔６を介挿して保持されている。また、回転子鉄心１から突き出した外側の回転子コイル４は、リング状の保持環９によって外側から保持されている。

コイルスロット２の回転子内径側には、回転子鉄心１軸方向に沿ってサブスロット３が設けられ、ここを冷却ガス８が流通することにより回転子コイル４から発生するジュール発熱を冷却して回転子コイル４を冷却する。

さらに、回転子コイル４は、回転子コイル４、絶縁材５、および回転子楔６を貫通するように回転子鉄心１半径方向に設けられた複数のコイル通風路７を回転子鉄心１全長にわたって設けられたサブスロット３と連通させて、サブスロット３に導入された冷却ガス８をコイル通風路７に流通させて冷却が行われる。

本実施形態では、回転子鉄心端１８から最も鉄心端側の回転子コイル通風路７ａまでのサブスロット３の深さを回転子鉄心１中央寄りのサブスロット３の深さよりも大きくなるようにサブスロット３が形成されている。

本実施形態においては、上記のように構成したので、冷却ガス８は、回転子の回転による遠心ファン効果により、回転子鉄心端１８からサブスロット３に流入し、回転子鉄心１中央部に向かって流れ、順次コイル通風路７に分岐する。各コイル通風路７を通過する冷却ガス８は、回転子コイル４で発生した熱を冷却・吸収した後、回転子楔６のコイル通風路７を介して回転子鉄心１の外径側より排出される。

回転子鉄心端１８から最も鉄心端側の回転子コイル通風流路７ａまでのサブスロット３は全ての冷却ガス８が集中して流れるが、この部分の流路面積が最も大きくなるようにサブスロット３が形成されているためより多くの冷却ガス８を流通させることが可能となる。

回転子の回転による遠心ファン効果は、回転子鉄心１外径とサブスロット３の半径位置の差によってほぼ決まり、回転子内の圧力損失が、それとバランスするように回転子の風量が定まる。一般的に圧力損失は流速の２乗に比例して変化するため、最も流速の速い部位の圧力損失を低減するほど、大きな効果が得られる。

図１に示した構成例ではサブスロット３から１８本のコイル通風路に分岐する構成となっているが、回転電機では容量が大きくなるほど鉄心長が長くなりコイル通風路本数が増えるため、サブスロット面積に対してコイル通風路の流路面積の合計の方が大きくなるのが一般的である。従って、回転子の通風経路の内最も流速が速い部位は、全ての冷却ガスが集中する回転子鉄心端１８から最も鉄心端側の回転子コイル通風流路７ａまでのサブスロットとなる。

本実施形態に係る回転電機の回転子によれば、最も冷却ガスの流速が速くなる部位の流路面積を大きくすることにより圧力損失を効果的に低減し、より多くの冷却ガスを通風することができるため、回転子コイルを効率的に冷却し、より大きな界磁電流値を許容する回転電機の回転子を提供することが可能となる。

なお、本実施形態では、サブスロット３の深さを変えることによってサブスロット断面積を変化させるようにしているが、サブスロット３の幅を変化させても良いし、その両方を変化させても良い。また、回転子鉄心端１８から最も鉄心端側の回転子コイル通風路７ａまで全て同一のサブスロット深さとしたが、回転子鉄心端１８からその一部でも良いし、複数段で変化しても良いし、また連続的に変化させても良い。また、回転子鉄心１中央寄りのサブスロット３を図２に示すように回転子鉄心中央に進むに従って連続的に断面積を減少させるようにしても良く、また、サブスロット３の幅を回転子鉄心内径側が狭くなるよう形成しても良い。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施形態について図３を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同一または類似の構成には同一の符号を付し説明は省略する。

図３は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機の回転子のコイルスロット部の拡大横断面図である。図において、コイルスロット２内には、界磁導体１１を積層して構成した回転子コイル４が絶縁材５を介して収納され、コイルスロット２外径側に回転子楔６を介挿して回転子コイル４がコイルスロット２内に固定されている。また、絶縁材５、回転子コイル４、および回転子楔６には、コイルスロット２の半径方向に連通するコイル通風路７が回転子鉄心１の軸方向に貫通して形成されている。

一方、コイルスロット２の内径側には、サブスロット３とその内径側に図３から明らかなようにサブスロット３の最小幅より幅の狭い補助スロット１２が回転子鉄心１の軸方法に沿って回転子鉄心１を貫通して、前記コイル通風路７と連通して形成されている。

本実施形態においては、サブスロット３の内径側に補助スロット１２を形成したことにより、回転子鉄心１の冷却ガス８流通断面積を大きくすることができるため、第１の実施形態の構成に比べ、より多くの冷却ガスを通風することができるため、より大きな界磁電流値を許容できる回転電機の回転子を提供することが可能となる。なお、コイルスロット２は機械的強度の制限ぎりぎりまで大きく設計するのが一般的であり、サブスロット３の深さや幅を単純に広げようとしても機械的強度不足により寸法を拡大できないことが多いが、本実施形態では、サブスロット３より幅の狭い補助スロット１２をサブスロット３の内径側に設けることにより、機械的強度不足になることなく、冷却ガス８の流通断面積を拡大することが可能となる。

なお、図３においては、補助スロット１２の幅を一定としたが、内径側から外径側に向かって幅が広くなるように形成しても良い。

また、本実施形態においては、サブスロット３と補助スロット１２が回転子鉄心１の軸方向全面に亘って連通する構成としたが、図４に示すように、サブスロット３の底面から間隔を置いて補助流路１３を軸方向に沿って形成し、補助流路１３の軸方向の一部でサブスロット３と連通する補助連通流路１４を設けるようにしても、同様の効果を得ることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施形態について、図５を用いて説明する。なお、上述した実施形態と同一または類似の構成については、同一の符号を付し説明は省略する。

図５は、本実施形態に係る回転電機の回転子のコイルスロット部近傍の構成を示す要部横断面図である。

本実施例においては、回転子鉄心１の周方向に設けられた隣接するサブスロット３の間、および、回転子鉄心１の磁極部１９に回転子鉄心１の軸方向に沿って補助流路１３を設け、補助流路の軸方向の一部にサブスロット３と連通する補助連通流路１４を設けたもので、他の構成は図１と同様である。

本実施例では、通風流路１３を周方向に配置された隣接するサブスロット３間および磁極部１９に配置したものであり、発明の作用・効果は図４と同様である。

また、図５においては、補助流路１３をサブスロット３の側面に配置するようにしたが、サブスロット３より内径側に配置しても良い。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施形態について図６を用いて説明する。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付し説明は省略する。

図６は、本実施形態に係る回転電機の回転子のコイルスロット部近傍の構成を示す要部横断面図である。

図において、回転子鉄心１の周方向に配置された隣接するサブスロット３の間および磁極部１９に補助流路１３を設けるとともに、回転子の回転方向遅れ側に位置するサブスロット３とのみ連通するように補助連通流路１４を設けたものである。本実施形態の構成は、補助連通流路１４を回転子の回転方向遅れ側に位置するサブスロット３と連通するように設けたことが特徴で、他の構成は図５に示した第３の実施形態の構成と同じである。

本実施形態においては、補助流路１３を回転子の回転方向遅れ側に位置するサブスロット３とのみ連通させるように構成したので、補助流路１３に流入する冷却ガス８は、回転子の回転方向と逆方向に流入してくるため、補助連通流路１４を通ってサブスロット３内の冷却ガス８と合流する際の圧力損失を低減できるため、回転子コイル４を効率的に冷却し、より大きな界磁電流値を許容できる回転電機の回転子を提供することが可能となる。

（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について図７および図８を用いて説明する。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付し説明を省略する。

図７は、本実施形態に係る回転電機の回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図であり、図８は、図７のＡ−Ａ方向矢視図である。

図８において、回転子鉄心１のコイルスロット２の内径側に設けたサブスロット３に対して、回転子鉄心端１８側の開口部において、回転子の回転方向進み側の回転子鉄心端部に切り欠き部１５を設けて、サブスロット３の断面積を回転子鉄心端１８側で大きくなるように構成したものである。

ここで、回転子鉄心端１８のサブスロット３の入口側では、回転子の回転により大きな流入角を持って冷却ガス８が流入するため、各流路入口では回転方向遅れ側に偏った流速分布が生じる。本実施形態では、回転子の回転方向進み側の角を切り欠いたことにより、冷却ガス８が流入しやすくなり、さらに、各流路の流路面積も拡大するため、この部位の圧力損失を低減することができ、回転子コイルを効率的に冷却し、より大きな界磁電流値を許容する回転電機の回転子を提供することが可能となる。

なお、本実施形態では、サブスロット３に対して、回転子鉄心端１８側の開口部に切り欠き部１５を設けて、サブスロット３の回転子鉄心端１８側の断面積を大きくするようにしたが、図９および図９のＡ−Ａ矢視図である図１０に示すように、回転子鉄心端１８に設けたサブスロット３の開口部の回転子の回転方向遅れ側の回転子鉄心端１８に突起部１７を設けるようにしても良い。

（第６の実施形態） 本発明の第６の実施形態について図１１および図１２を用いて説明する。なお、前述した実施形態と同一または類似の構成については同一の符号を付し説明を省略する。

図１１は、本実施形態に係る回転電機の回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図であり、図１２は、図１１のＡ−Ａ方向矢視図である。本実施形態においては、図１２に示すように、隣り合うサブスロット３に対して、回転子の回転方向進み側のサブスロット３ａから遅れ側のサブスロット３ｂに連通する補助連通流路１７を形成したものである。

回転子鉄心端１８のサブスロット３の入口付近では、回転子の回転により大きな流入角を持って冷却ガス８が流入するため、各流路入口では回転方向遅れ側に偏った流速分布が生じるが、本実施形態においては、回転子の回転方向進み側のサブスロット３ａから遅れ側のサブスロット３ｂに連通する補助連通流路１７を設けたことにより、回転子の回転方向進み側のサブスロット３ａに流入した冷却ガス８が補助連通流路１７を通ってサブスロット３ａから遅れ側のサブスロット３ｂへ流入しやすくなり圧力損失が低減されるため、回転子コイル４を効率的に冷却でき、より大きな界磁電流値を許容できる回転電機の回転子を提供することが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の回転子の軸方向片側の構成を示す縦断面図。 本発明の第１の実施形態に係る回転電機の回転子の変形例を示す縦断面図。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の回転子のコイルスロット部の拡大横断面図。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の回転子の変形例を示すコイルスロット部の拡大横断面図。 本発明の第３の実施形態に係る回転電機の回転子のコイルスロット部近傍の構成を示す要部横断面図。 本発明の第４の実施形態に係る回転電機の回転子のコイルスロット部近傍の構成を示す要部横断面図。 本発明の第５の実施形態に係る回転電機の回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図。 図７のＡ−Ａ方向矢視図。 本発明の第５の実施形態の変形例に係る回転電機の回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図。 図９におけるＡ−Ａ方向矢視図。 本発明の第６の実施形態に係る回転電機の回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図。 図１１のＡ−Ａ方向矢視図。 従来の回転電機の回転子鉄心上半部分の構造を示す横断面図。 図１３におけるコイルスロット部の拡大図。 従来の回転電機の回転子の軸方向片側部分の構造を示す縦断面図。

符号の説明

１：回転子鉄心
２：コイルスロット
３、３ａ、３ｂ：サブスロット
４：回転子コイル
５：絶縁材
６：回転子楔
７、７ａ：コイル通風路
８：冷却ガス
９：保持環
１０：回転子シャフト
１１：界磁導体
１２：補助スロット
１３：補助流路
１４：補助連通流路
１５：切り欠き部
１６：突起部
１７：補助連通流路
１８：回転子鉄心端
１９：磁極部

Claims (9)

1. 円筒状の回転子鉄心の外周に回転子軸方向に沿って設けた複数のコイルスロット内に複数の界磁導体を積層して形成した回転子コイルが絶縁物を介して収納され、前記コイルスロットの開口端部に回転子楔を介挿して回転子コイルを保持するとともに、前記コイルスロット内に回転子コイル、回転子楔および絶縁物を貫通するコイル通風路と、前記コイルスロットの底部に設けられた回転子鉄心端および前記コイル通風路により形成される冷却ガス通路に冷却ガスを流通させて回転子コイルの冷却を行なう回転電機の回転子において、
   回転子鉄心端から最も近いコイル通風路までのサブスロット半径方向深さを同一とし、回転子鉄心中央寄りのサブスロット半径方向深さより大きくなるよう構成し、かつ前記サブスロットの底部に回転子軸方向に沿って前記サブスロットの最小幅より幅の狭い溝を形成したことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記回転子鉄心端から最も近いコイル通風路から前記回転子鉄心中央寄りのコイル通風路にかけてサブスロット半径方向深さが次第に小さくなるよう構成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記サブスロットと連通しない補助流路を回転子鉄心軸方向に沿って形成するとともに、前記補助流路に前記サブスロットの少なくとも一箇所と連通する補助連通流路を形成したことを特徴とする請求項１乃至２のいずれか一項に記載の回転電機の回転子。
4. 前記サブスロットの少なくとも片側部に前記補助流路を回転子軸方向に沿って設けたことを特徴とする請求項1乃至２に記載の回転電機の回転子。
5. 前記補助連通流路は、回転方向遅れ側に位置するサブスロットとのみ連通させたことを特徴とする請求項４に記載の回転電機の回転子。
6. 前記サブスロットの回転子鉄心端開口部の幅方向側面に位置する回転子鉄心に対して、回転方向遅れ側から進み側に延びる突起を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回転電機の回転子。
7. 回転方向進み側に位置するサブスロットから回転方向遅れ側に位置するサブスロットへ冷却ガスを導入する連通流路を設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項記載の回転電機の回転子。
8. 前記サブスロットは、少なくとも回転子鉄心端から最も近いコイル通風路位置までの範囲において、回転子鉄心外径側のスロット幅を回転子鉄心内径側のスロット幅より大きくしたことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転電機の回転子。
9. 請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回転子を備えた回転電機。

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