JPH04229049A - 電気機械の回転子の液体冷却 - Google Patents

電気機械の回転子の液体冷却

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JPH04229049A
JPH04229049A JP3156079A JP15607991A JPH04229049A JP H04229049 A JPH04229049 A JP H04229049A JP 3156079 A JP3156079 A JP 3156079A JP 15607991 A JP15607991 A JP 15607991A JP H04229049 A JPH04229049 A JP H04229049A
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JP
Japan
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rotor
coolant
liquid
passages
machine
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Withdrawn
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JP3156079A
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English (en)
Inventor
Emil D Jarczynski
エミル・デビット・ジャークズィンスキ
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
    • H02K9/197—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil in which the rotor or stator space is fluid-tight, e.g. to provide for different cooling media for rotor and stator

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  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の表示】この出願は、本出願人の米国特許出
願第５３９，８２９号（１９９０年６月１５日出願）の
発明「電気機械の固定子冷却システム」と技術的に関連
している。
【０００２】
【産業上の利用分野】この発明は、一般に発電機や電動
機（モータ）のような回転電気機械、特に、このような
電気機械の回転子（ロータ）を液体冷却する方法および
装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】発電機や電動機のような回転電気機械は
周知であり、古くから産業上利用されてきた。このよう
な電気機械には、作動中に、種々の機械部品に発生する
熱的エネルギー、すなわち熱として現れるエネルギー損
という問題があることもよく知られている。このような
機械のうち多くの高電力、高負荷用の例では、平常運転
中にこのような熱を積極的に取り除くことも必要である
。
【０００４】大抵は、回転部品（すなわち、「回転子」
部品）を空気または他のガスで冷却している。必要なガ
ス冷却ダクトを組み込むのが比較的簡単だからである。 しかし、高電力密度の機械では、ガス冷却ダクトと関連
した体積が大きいことが、機械の内部でのものと熱交換
器などへの外部流れ通路の両方ともに、小型化（コンパ
クトさ）という設計上の目標と矛盾する。したがって、
多くの電気機械（たとえば、高速発電機および駆動電動
機）では、回転子部品の液体冷却が特に適切である。
【０００５】発生する熱の大部分は多くの場合、回転子
界磁巻線導体のジュール発熱によるから、従来の解決法
では、冷却液通路を直接巻線導体の１つ以上に設けてい
る。しかし、当業者には明らかなように、冷却液を電気
導体と実際に接触させて導く場合、その冷却液が誘電体
として作用する必要がある。従来、たとえばイオン交換
水を使用している。しかし、適切にイオン交換した冷却
材（たとえば水）の供給を維持するのに必要な補助装置
が、この技術の大変望ましくない点となる。
【０００６】他の従来の解決法では、巻線スロット内で
電気導体と熱的に結合しているが、電気的にはこれらの
導体から絶縁された冷却材通路を使用する。たとえば、
冷却チューブを巻線スロットの底に置き、巻線スロット
内にかつ巻線スロット内の絶縁導体間に配設された種々
の熱的フィン構造を介して熱的に結合する。しかし、本
出願人の知る限りでは、この種の従来の解決法は、（冷
却材移送通路を軸受潤滑油供給通路に通していたから）
、冷却材として液体軸受潤滑油の使用に限定されていた
。このような潤滑油冷却材は熱的な特性が最適ではない
ので、この従来の方法では、冷却材通路内に内部熱伝導
フィンを設ける必要があった（そのため費用、複雑さ、
圧力降下、占積率などが増加した）。
【０００７】勿論、回転子の加熱は、界磁巻線のジュー
ル発熱のほかにいくつかの熱源にも原因があることも知
られている。たとえば、回転子磁極本体の磁気回路内に
誘導されるうず電流が、磁極本体自体のジュール発熱の
原因となる（代表的には、積層回転子の個々の積層板内
だけであっても、磁極本体もある程度導電性である）。 さらに、回転子を周囲雰囲気などに通気すると、回転子
の外面に有意な伴風、すなわち空気摩擦による熱源も生
じる。
【０００８】高電力密度の電気機械では、電力出力を最
大にするために種々の方法を使用している。たとえば、
磁束密度を増加したり、磁束を切る速度を増加したり（
たとえば、回転子速度または電気周波数を高くすること
により）、その両方を行うことができる。巻線導体に流
れる電流密度を増加することもできる。しかし、このよ
うな材料および空間の最大利用は必然的に、回転子構造
の強い内部加熱につながる。
【０００９】回転子巻線の電気絶縁は限られた温度定格
に従うので、機械部品の有効作動温度により機械の最終
的な総合電力定格が限定される。さらに、機械部品に熱
的に誘導される応力が過酷なものとなり、（作動温度が
高いかその分布が不均一であると、アンバランスな回転
や振動を引き起こす）可能性がある。
【００１０】小型化が設計目標である場合（そうである
ことが多い）、明らかに、冷却用通路に割ける機械空間
は最小のものとならざるを得ない。しかし、代表的な通
常の機械設計では、機械の比容積および比重量は厳格に
制限されておらず、そのためかなり大きなガス流れダク
トや熱表面が許容されている。したがって、発電機およ
び電動機の大部分は、設計および製作が簡単であるので
、空冷回転子を採用している。回転子のもっと効果的な
冷却が必要なときには（たとえば、大きな発電所用発電
機の場合）、周囲空気以外のガス（たとえば水素）を使
用するのが普通である。
【００１１】
【発明の概要】一般に、設計目標の一つは、最小数の適
切に配設した最小寸法の冷却材通路から十分な冷却能力
を得、すべての回転子部品を十分に冷却することである
。もっと高い電力密度の機械では、機械内に分布する内
部熱源からもっと多量の有意な量の熱が発生するので、
すべての部品からもっと効果的に熱を除去する必要があ
る。したがって、体積流れ区域が相対的に小さい液体冷
却の方が有利になる。
【００１２】先に述べたように、従来の高電力密度発電
機はすでに液体冷却回転子を採用しているが、従来の設
計には前述した理由でまだ大きな改良の余地がある（使
用する冷却材の選択の幅を大きくして、熱的特性、入手
しやすさ、特定の用途に基づいて冷却材を選択できるよ
うにする、など）。
【００１３】最近の一連の詳しい熱的性能計算に基づい
て、本発明者は、従来考えられていたのより大きな割合
の回転子損が、（たとえば、巻線損とは対照的に）実際
には磁極損であることを見出した。すなわち、回転子磁
極本体のうず電流損および／または風摩擦発熱が全回転
子損の極めて大きな部分に寄与する。このような損失は
、回転子磁極本体の半径方向最外側部分での熱源を代表
している。
【００１４】このような研究と関連して、本発明者は、
電気機械の液体冷却回転子内での液体冷却材通路および
熱伝導路の最適な配置を見出した。
【００１５】特に、この発明によれば、主として電気回
転子巻線と熱的に結合した通常の液体冷却材通路に加え
て、主として回転子磁極本体と熱的に結合した冷却材通
路を設ける。電気導体のうち巻線スロット内に配置した
冷却材通路から相対的により離れた導体への（磁極本体
自体を介しての）熱的結合も達成するように、そのよう
な追加の冷却材通路を配置するのが最適である。したが
って、この発明による追加の冷却材通路は、大きな磁極
損を直接抑制するだけでなく、巻線損を一層よく抑制す
るのにも役立つ。代表的には、このような最適な配置は
、回転子外面と巻線スロット内の冷却材通路の位置との
半径方向に中間の位置にある。
【００１６】この発明の実施例の一般的な配置は、（用
途はこの特定種の機械に限定されないが）突極ＡＣ電気
機械の各磁極段内に「２パス」の冷却材流れを設けるも
のと考えることができる。冷却材流れの１つの「パス」
はコイルスロット自体を通る通常通りのものである。界
磁巻線からの熱の除去は、コイル導体間に冷却材通路と
接触して配置した高熱伝導性フィンおよびウェッジによ
り補助する。冷却材の第２の、つまり戻り「パス」は、
磁極本体を介して、（たとえば、うず電流損および風損
による）熱を磁極外面から消散する作用をなす。
【００１７】シャフト装着した回転式交流発電機（また
は励磁機）を用いて、励磁電力を主回転界磁巻線に供給
する場合、この発明の冷却システムは、同時に交流発電
機を冷却するように構成することもできる。たとえば、
回転式交流発電機を部分的に中空にしたシャフトに、（
たとえば、回転子磁極本体および巻線スロット内の冷却
材通路へ向かう途中で）冷却材がシャフトを通り抜ける
ように、取り付けることができる。こうすれば、回転式
交流発電機内で発生する熱を優先的に半径方向内方へ、
シャフトに向けて、またシャフトを経て冷却材通路へ伝
えることができる。このような半径方向内向きの伝熱路
は、高熱伝導性端板を組み入れ、また交流発電機の積層
磁気コア内に高熱伝導性非磁性積層板を介在させること
によって、改良することができる。たとえば、前記関連
出願に記載した技術をこの目的に使用することができる
。
【００１８】この発明による電気機械の回転子（ロータ
）用の冷却構造は、周知の発熱部品すべてから熱を効果
的に除去し、こうして（特に高電力密度の機械設計で）
作動温度を許容範囲内に維持する。機械の内部に用いる
冷却材通路が占める体積が最小であるのが好ましい（外
部支持装置、たとえば熱交換器、ポンプ、フィルタなど
もそうであるように）。
【００１９】冷却材の選択が十分に融通性あるもので、
必要な熱的性能、入手しやすさ、用途への適性のみに基
づいて選択できるようにするのが好ましい。冷却材の選
択は、システムに用いる流れ通路材料との全般的適合性
によってのみ限定される（電気導体との電気的接触や軸
受潤滑油などとの共通通路によらない）。
【００２０】この発明による高電力密度電気機械は、熱
的性能が高く、信頼性が高く、複雑さが少ない。特別な
用途には、たとえば、船舶用発電機、宇宙船用発電機、
および駆動電動機、浮上プラットホーム発電機などがあ
り、信頼性を下げることなく機械の体積および重量を最
小にするのが望ましいあらゆる用途に適当である。
【００２１】この発明のこれらのまた他の目的および効
果をもっと良く理解できるように、以下にこの発明の好
適な実施例を添付の図面を参照しながら詳しく説明する
。
【００２２】
【具体的な構成】図１に示す液体冷却構成は、電気機械
１２（たとえば発電機または駆動モータ）の回転子（ロ
ータ）１０用のものであり、電気機械１２は適当な固定
子（ステータ）構造１４および中心駆動シャフト１６も
有する。ここに図示した用途は突極型の高速高電力密度
回転子に関する例示であるが、この発明はこの形態に限
定されない。
【００２３】機械が発電機である場合、この機械は、図
１に矢印１８で線図的に示すように（たとえば、蒸気ま
たはガスタービンおよび適当なカップリングにより）適
切に駆動される。（たとえば、主回転子界磁巻線に励起
電力を供給するために）シャフト装着ＡＣ発電機２０を
用いる場合、これも同じ液体流れシステムで冷却するこ
とができる（たとえば、半径方向に延在する伝熱性構造
２２により、発生した熱を、半径方向内方へ液体冷却材
２４が流れているシャフト１８の部分的に中空にした部
分に伝達する）。
【００２４】高速ＡＣ機械では、熱源がいくつかの構成
要素に分布している。主回転子界磁巻線に流れる電流か
らジュール発熱が生じる。回転子表面には、電機子（ア
ーマチャ）巻線により誘導された高周波調波うず電流か
らの発熱がある。そして、（たとえば、機械を周囲雰囲
気に換気する場合）回転子の周速度が高いため、空気摩
擦発熱がある。さらに、前述したように、交流発電機２
０を用いると、これも熱源の一つになる。液体冷却材２
４用の冷却システムは、回転子に予想される高電力密度
運転の間、すべての熱源から熱を除去し、回転子のすべ
ての構成要素の作動温度を適切な値に維持することがで
きなければならない。
【００２５】液体冷却材の固有の熱的特性のため、液体
の場合の冷却材の通路は気体の冷却材の場合より小さく
できる。同様に、外部配管２６および熱交換機、ポンプ
など２８が全液体システム中で占める容積も小さい。も
しも冷却液が露出した電気導体（すなわち、絶縁されて
いない部分）と直接接触しないならば、選択基準は流体
冷却材の誘電特性に左右されない。たとえば、水を回転
子冷却液として使用する場合、イオン除去の必要はない
。したがって、イオン交換装置の体積とコストを節約で
きる（たとえば、直接導体内部にまた導体を通して流す
ためにイオン交換水を使用しなければならない多くの通
常の回転子冷却システムと比べて）。
【００２６】図１に示したシステムは、冷却材流体通路
を電気導体から電気的に分離するだけでなく、回転子潤
滑システム（すなわち、軸受油）からも分離する。した
がって、図１の例示の実施例における冷却材流体の選択
は、厳密にその熱的性能および特定の用途への適性に基
づいて、行うことができる。
【００２７】速度が可変の用途には、冷却材流れを外部
ポンプ（たとえば、適当な冷却システムコントロール３
２の制御下のポンプ３０）により圧送するのが特に有利
である。（自己圧送式ガス冷却回転子とはまったく違っ
て）流量を、回転子速度とは本質的に無関係に制御でき
るからである。
【００２８】図１に略図的に示したように、回転子１０
は全体として中心軸線４０のまわりに回転可能な本質的
に円筒形の部材である。軸線方向に延在する流体通路５
０、５２が、この実施例では、主として巻線スロット内
の巻線に熱的に結合されている。軸線方向に延在する流
体冷却液通路６０、６２が、この実施例では、主として
回転子１０の磁極本体に熱的に結合されている。図１に
線図的に示すように、磁極に結合された液体通路６０、
６２は、代表的には、巻線スロット冷却液通路５０、５
２に関して半径方向外方に配置されている（たとえば、
うず電流損のような磁極損および風損に一層適切に結合
するように）。
【００２９】図１の実施例に示すように、軸線方向に延
在する冷却材通路５０、５２は軸線方向に延在する冷却
材通路６０、６２と並列に、半径方向に延在する入口／
出口通路７０、７２により流体連結されている。これら
の連結通路７０、７２も、駆動シャフト１６の部分的に
中空な部分に形成した中心の連結用流体通路と流体圧関
係で連通する。
【００３０】このようにして、普通の回転式液体移送カ
ップリング８０を介して、入力冷却液流れ９０（たとえ
ば、制御されたポンプ３０からの出力）が駆動シャフト
１６の右側部分に流れ込む。この入力流れは最終的に、
半径方向に延在する入力通路７０を通って、軸線方向に
延在する通路５０、５２および６０、６２の入力側に進
む。これらの並列に連結され、分割された流路は出力側
で半径方向に延在する出力通路７２により再び一緒にな
って、環状の中空なシャフト通路９２となり、出力冷却
液流れ９４を熱交換器２８Ａおよび２８Ｂ（当業者に明
らかなように適当な別の冷却媒体９６と熱を交換する）
に送り出す。
【００３１】図１に示すように２パスの冷却材流れを主
回転子本体に通す場合、冷却材通路がコイルスロット（
界磁巻線熱が発生する）と磁極本体（高周波うず電流発
熱および風損を磁極面から除去できる）との間に分布す
る。この配置では、冷却材通路を種々の別々の熱源にご
く近く配置し、これにより（従来みられるような）普通
のコイルスロットだけを通しての単一パスの冷却材通路
構造と比較して、熱伝導温度勾配を著しく小さくする。
【００３２】図１の図示例では、磁極スロット１つにつ
き１つの通路を、そして同じ段の磁極本体を通る第２の
冷却材通路を設けている。回転子１０のまわりにＮ個の
磁極を円周方向に間隔をあけて配置し、離間した隣同士
の磁極本体それぞれの間に１つのコイル巻線スロットを
設ける。しかし、流れ「パス」１つにつきもっと小さい
多数の通路をもっと立体的に配置して設けてもよい。
【００３３】流れ構造は、図１に示すように通路５０お
よび６０を並列に連結することで実現することができる
。あるいは、図２に示すように、一端に戻りマニホルド
連結部１００を組み込むことにより２つの通路を直列に
連結するように、冷却液流体回路を構成してもよい。 いずれの場合にも、シャフト１６の駆動端１８とは反対
側に、回転式流体移送カップリング８０を用いて、冷却
材を中空なシャフト端に導入するとともに、流体冷却回
路を通過した後の冷却材を回転子から排出する。
【００３４】以上の説明から分かるように、流れの方向
は、熱源の分布や特定の回転子設計で予測される回転子
ホットスポット（高温点）の分布に応じて、実施例に図
示した方向とは反対にしたり、その他空間的にシフトし
たりすることができる。
【００３５】さらに、回転する交流発電機または励磁機
２０を用いる場合、これを内部に冷却材が流れている中
空シャフト部分に装着することができ、またしたがって
、冷却液（前述したように適当な半径方向に延在する伝
熱構造により励磁機の熱を廃棄することができる）で冷
却することができる。
【００３６】図１において軸線方向に延在する冷却液通
路５０、５２および６０、６２を相互連結する半径方向
に延在する通路７０、７２は、中実な回転子シャフトを
適当にドリル穿孔することにより形成できる（その後、
穿孔した穴の端部を溶接などにより適当に閉塞する）。 必要なら（たとえば、積層回転子の場合）、そのような
通路に適当な管インサートを入れてもよい。
【００３７】回転子１０自体を半径方向に穿孔するのが
望ましくないなら、図３Ａおよび図３Ｂの実施例を利用
するのがよい。ここでは、軸線方向に延在する液体通路
２００および２０２（回転子１０にドリル穿孔するのが
もっとも好都合である）を、シャフト１６の被駆動端で
Ｕ形通路２０４により直列に連結する。この構成では、
軸線方向に延在する通路への入力／出力流体連結部のす
べてを回転子１０の本体の外部に設けることができる。
【００３８】たとえば、図３Ａおよび図３Ｂに線図的に
示すように、中空なシャフト通路への連結部を、励磁機
２０と回転子１０の端部との間に配置した適当なマニホ
ルドブロック２０４を介して行うことができる。ブロッ
ク２０４に設けた通路は、直列に連結された軸線方向に
延在する通路２００、２０２の端部と中空シャフト通路
との間に流体連通しており、一方、中空シャフト通路は
（図１の実施例と同様な）普通の回転式液体移送カップ
リング８０と連通している。
【００３９】図４の略図的断面図に、代表的な突極型回
転子構造１０を詳細に示す。具体的には、円周方向に間
隔をあけて配置されたＮ個の透磁性磁極本体３００のい
くつかを、それらの間に介在する回転子界磁巻線コイル
スロット３０２と共に示してある。図４からすぐ分かる
ように、軸線方向に延在する冷却液通路５０は、巻線ス
ロット３０２の半径方向最内端に位置する。通路５０は
、主として、熱伝導性（たとえば銅製）の伝熱フィン構
造３０６、３０８、３１０、３１２（軸線方向に延在す
る冷却材通路５０の外部にしまりばめされた管状に巻い
た要素３１４を含む）を介して、絶縁電気導体巻線３０
４と熱的に結合されている。熱伝導性（たとえば、非透
磁性アルミニウム製）のウェッジ３１６、３１８も、巻
線スロット３０２内の絶縁電気巻線３０４と伝熱フィン
構造３０６、３０８、３１０、３１２、３１４と流体通
路５０との間の熱的結合を良好にするのに役立つ。
【００４０】図４には、半径方向に延在する入力通路７
０も破線で示してある。なお、通路７０の半径方向外端
（すなわち、軸線方向冷却材通路６０を越えたところで
）をドリル穿孔後に閉塞しておくのが適当である。図４
に示すように、これらの通路７０は中空なシャフト１６
を介して冷却材供給源と連通している。
【００４１】前述したように、回転子の外周（たとえば
図４に矢印４００で示す）では磁極損により有意な量の
熱が発生することを確かめた。勿論、有意な熱源は電気
巻線導体３０４のジュール発熱を通してのものであるこ
とは周知である。追加の液体通路６０を磁極本体３００
に注意深く配置する（したがって、主として磁極本体３
００に熱的に結合する）ことにより、磁極損熱源を効率
よく制御することができる。同時に、半径方向最外側の
導体３０４は冷却材通路５０に差程強く結合されていな
いので、これらの最外側の導体から磁極本体の側壁を通
して冷却材通路６０への熱伝導も少しある。通路６０を
適切に配置して、外周４００と隣接する巻線スロット３
０２から磁極本体へ入ってくる熱との組み合わせからの
複合熱伝導を最大にするのが好ましい。
【００４２】したがって、図４に示すように、冷却材通
路６０は、関連する磁極本体において回転子外周４００
からの熱（たとえば、高周波調波電流および風損による
）と、界磁コイル３０４から磁極本体３００の側面を通
して伝達される熱をともに消散する。勿論、冷却材チュ
ーブ５０も付属のフィン組立体３０６などとともにコイ
ルスロット３０２内に配置して、主として界磁コイル３
０４に発生する熱を除去する。
【００４３】これまでの説明から、図５の軸線方向断面
図は大体見ただけで明らかである。図５でも、すでに説
明したのと同じ符号を用いてある。図から分かるように
、冷却材は、回転式流体移送カップリング８０を介して
中空シャフト１６の非駆動側に入り、スロット冷却材チ
ューブ５０と磁極本体通路６０とに分流する。反対端で
、冷却流体は再び中空シャフト１６に入り、いろいろな
流れが再び一緒になる。全体の入口流れ９０および出口
流れ９４は、中空シャフト１６の内部で適当な分割手段
により分離されていることが、当業者には明らかである
。
【００４４】したがって、図５の例示実施例では、冷却
材は、回転式流体移送カップリング８０を通って回転子
に入り、中空なシャフト１６内を軸線方向に冷却材マニ
ホルド（たとえば、半径方向に延在し、そして幾分かは
軸線方向にも延在する内部穿孔した入力／出力マニホル
ド通路７０、７２）に向かって流れる。入口流れ９０は
出口流れ９４から、中空なシャフト１６の内部に装備し
た普通の環状の分割部材により分離されている。勿論、
出口流れ９４は共通な流体移送カップリング８０を通し
て出てゆく。
【００４５】図示した実施例では、回転子を中実な鍛造
品からつくり、これをドリル穿孔して直接磁極本体流体
通路を形成することができると仮定している。中実な鍛
造品からは、熱源と冷却材との間に中実な連続な熱伝導
路が得られる。しかし、シャフトに装着した磁気積層品
のような他の構造も可能である。積層構造では、冷却材
チューブを磁極本体内の穴に挿入して流体を収容する。 いずれの場合にも、シャフトに複数組の半径方向穴をド
リルして、流体を回転子本体内に導入し、またそれを中
空なシャフトに戻すことができるようにする。
【００４６】ここに図示した２パス流れシステムおよび
突極構造の場合（たとえば、この例で仮定したように１
「パス」に単一の冷却材通路を有する）、形成すべき冷
却材通路の数は磁極の数Ｎとコイルスロットの数（たと
えばＮ）との和に等しい。しかし、前に述べたように、
１つの流れ「パス」につき多数の通路を使用してもよい
。
【００４７】コイルスロット３０２内の冷却材通路を、
スロット３０２の半径方向内方部分に配置したチューブ
５０から形成する。チューブ５０を冷却材マニホルドに
流体圧関係で連結する。マニホルドは、中実なシャフト
の大きい直径に拡径した一体部分とすることができ、ま
た１組の半径方向の入口および出口穴を有する（ドリル
穴の回転子表面に最初露出していた端部のすべてをその
後溶接で閉鎖し、流体回路を閉じ込める）。冷却材チュ
ーブ５０を高熱伝導率フィン３０６などを介してスロッ
ト３０２内の界磁コイル３０４に熱的に結合し、一方フ
ィン３０６をウェッジ３１６、３１８（同じく、アルミ
ニウムのような高熱伝導率の材料で形成する）により絶
縁界磁コイル導体に対して圧着状態に保持する。界磁コ
イル３０４は、各導体と関連した普通の絶縁により電気
的に分離する。フィン組立体は、図４に示すように冷却
材チューブ５０のまわりにぴったり取り付ける。
【００４８】中実な回転子鍛造品の場合、磁極本体３０
０内の冷却材通路６０は、図５に示すように、中空なシ
ャフトボアに貫入する半径方向ドリル穴７０、７２に交
差する連続なドリル穴から簡単につくることができる。 半径方向および軸線方向ドリル穴の最外端を、（前述し
たように）ドリル穿孔後に塞ぎ、最終的な流体通路網を
適切に閉じ込める。軸線方向に延在する穴６０の半径方
向位置は、穴６０が回転子周囲に比較的近接するように
最適化することができ、これにより高周波うず電流およ
び風摩擦からの熱、ならびに界磁コイルから磁極本体側
部を通って横方向に流れる熱を除去する。
【００４９】界磁コイル導体を包囲する電気絶縁により
作動温度の熱的限界が決められる。したがって、コイル
熱の流路を冷却材通路流れ５０、６０両方に露出するこ
とにより、局部的ホットスポットを緩和し、単一通路だ
けの場合より均一な温度が得られる。
【００５０】並流の実施例では、図５に示すように、入
口および出口マニホルドをシャフトの反対端に配置する
のがよい。
【００５１】直流の実施例（たとえば、図３Ａおよび図
３Ｂ）では、２組の入口および出口穴を１つの共通なマ
ニホルド２０４内で軸線方向にずらせ、両者間に適当な
流れ分割部材を設ける。コイルスロットチューブ５０を
冷却材マニホルドに流体圧関係で連結して、連続な流れ
通路を形成する。半径方向入口穴を通り過ぎた後、流れ
は軸線方向に方向転換して各コイルスロット３０２内に
配置した冷却材チューブ５０に入る。この直流の実施例
では、回転子本体１０の反対端でチューブから出た後、
流れは磁極本体３００の通路６０を通る第２パスに戻り
そこに再進入する。
【００５２】戻り通路は様々に構成することができる。 たとえば、軸線方向冷却材チューブ５０、６０を主磁気
回転子本体１０の長さを僅かに越えさせ、ここで「Ｕ」
形ジョイントを介して１８０°反転させ、こうして流れ
を磁極本体３００の軸線方向穴を通して回転子に再び入
れる。入口穴は最初界磁コイルの半径方向下側に（たと
えば磁極本体３００の基部に）位置させ、回転子本体へ
のアクセスを可能にする。この後、さらに簡単なドリル
穿孔（半径方向および軸線方向の交差穴）で、磁極本体
冷却材通路６０を先より大きな半径の位置に持ち出し、
最適な位置とすることができる。簡単な「Ｕ」形ジョイ
ント連結の代わりに、スロット冷却材チューブ５０の出
口を、（シャフトボアへの半径方向穴が不要であること
以外は）入口端と同様なシャフト出力マニホルドにつな
げることができる。この場合、流れはマニホルドに入る
と排出チューブに向け直されるだけで、排出チューブに
より回転子本体１０に戻される。
【００５３】この発明のいくつかの実施例だけを詳しく
説明したが、この発明の新規な特徴と効果をほとんど維
持しながら、これらの実施例に種々の変更や変形を加え
得ることが、当業者には明らかである。したがって、こ
のような変更例や変形例もこの発明の要旨の範囲内に含
まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】回転子内の複数の冷却液流れ通路を、互いに半
径方向にずらせ、回転式液体移送カップリングを介して
冷却液の供給される部分的に中空にした中心シャフト内
の冷却液供給通路と並列に流体連結した、この発明の第
１の実施例を示す概略軸線方向断面図である。
【図２】電気機械の回転子内の半径方向にずらせた複数
の冷却液通路を直列に連結した別の実施例の一部を示す
略図である。
【図３】冷却液流路を直列に連結し、冷却材入力／出力
連結部を、主回転子部品の端部から軸線方向に離した（
好ましくは励磁機コイル部材と主回転子部品との間に配
置した）部分的に中空な中心シャフト兼マニホルドシス
テムを介して形成した、この発明の別の実施例の図で、
図３Ａは平面図、図３Ｂは側面図である。
【図４】２パス冷却システムを例示する回転子本体の半
径方向断面図である。
【図５】２パス並流構成を例示する、図４に示したのと
同じ回転子本体の軸線方向断面図である。
【符号の説明】
１０　　回転子 １２　　電気機械 １６　　中空シャフト ２０　　交流発電機 ２４　　冷却液 ４０　　中心軸線 ５０、５２　　軸線方向流体通路 ６０、６２　　軸線方向流体通路 ７０、７２　　半径方向連結通路 ８０　　液体移送カップリング ３００　　磁極本体 ３０２　　巻線スロット ３０４　　巻線

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】円周方向に間隔をあけて配置されたＮ個の
    透磁性磁極本体を含む、中心軸線のまわりに回転可能な
    円筒形回転子を有し、上記磁極本体は機械の作動中に誘
    導うず電流により熱を発生する電気機械において、上記
    磁極本体の少なくとも１つに配置され、うず電流に起因
    する熱に熱的に結合された少なくとも１つの液体冷却材
    通路と、上記液体冷却材通路と流体連結され、機械の作
    動中に液体を上記冷却材通路に出し入れする回転可能な
    液体移送カップリングとを備える電気機械。
  2. 【請求項２】各磁極本体が上記液体冷却材通路を少なく
    とも１つ含む請求項１に記載の電気機械。
  3. 【請求項３】上記回転子が、各磁極本体間に配置され、
    回転子外周から半径方向内方へ延在する界磁コイル巻線
    スロットと、各巻線スロット内に設けられ、そこに配置
    された電気巻線に熱的に結合された別の液体冷却材通路
    とを含む請求項１または２に記載の電気機械。
  4. 【請求項４】上記回転子が１対の液体通路を画定する少
    なくとも部分的に中空な中心シャフトを含み、これら１
    対の液体通路が上記液体移送カップリングの流体入口／
    出口ポートおよび上記液体冷却材通路の入口／出口端の
    間に半径方向に延在する流体連通通路を介して流体連結
    された請求項１または２に記載の電気機械。
  5. 【請求項５】さらに、回転する界磁コイル励起交流発電
    機が上記中空中心シャフトに回転自在に装着され、それ
    に熱的に結合され、冷却材が中空シャフトに流れるとき
    熱を半径方向に交流発電機から中空中心シャフトに伝達
    する請求項４に記載の電気機械。
  6. 【請求項６】円周方向に間隔をあけて配置されたＮ個の
    透磁性磁極本体を含む、中心軸線のまわりに回転可能な
    円筒形回転子を有し、上記磁極本体は機械の作動中に誘
    導うず電流により熱を発生する電気機械を冷却するにあ
    たり、主として上記磁極本体およびうず電流に起因する
    熱に熱的に結合された少なくとも１つの通路に液体冷却
    材をポンプ供給する工程を含む電気機械の冷却方法。
  7. 【請求項７】冷却材を各磁極本体の通路にポンプ供給す
    る請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】上記回転子は、各磁極本体間に配置され、
    回転子外周から半径方向内方へ延在する界磁コイル巻線
    スロットを含み、各巻線スロットの半径方向最内側部分
    に設けられ、主としてそこに配置された電気巻線に熱的
    に結合された別の液体冷却材通路を通して液体冷却材を
    ポンプ供給する請求項６に記載の方法。
  9. 【請求項９】冷却材を最初に記載した液体冷却材通路お
    よび別の液体冷却材通路に並列にポンプ供給する請求項
    ８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】さらに、熱を回転する界磁コイル励起交
    流発電機から中空な中心シャフトに半径方向に伝達し、
    ポンプ供給された液体冷却材の流れを中心シャフトを通
    して回転子の液体冷却材通路に出し入れする工程を含む
    請求項６に記載の方法。
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