WO2016171079A1 - 回転電機の回転子および回転電機 - Google Patents

回転電機の回転子および回転電機 Download PDF

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coil
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rotor coil
cooling gas
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Inventor
メッサウディ　ブラヒム
哲也 永安
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/34—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation

Definitions

  • the present invention relates to a rotor of a rotating electric machine applied to a turbine generator and the like and a rotating electric machine equipped with the rotor.
  • the rotor iron core is provided with a plurality of coil slots in the circumferential direction, and a plurality of rotor coils are laminated in each of these coil slots, It is fixed by a wedge through an insulator.
  • a turn insulator is inserted to insulate the rotor coils from each other, and a slot insulator is inserted to insulate the rotor coil and the coil slot.
  • a sub-slot is provided over the entire length in the axial direction, and the sub-slot and a plurality of radial paths which are ventilation holes penetrating the rotor coil in the radial direction are provided.
  • a cooling gas flow path is formed by communicating. At this time, the cooling gas is introduced into the subslot from the axial end of the rotor core, and is sequentially branched into a radial path by the centrifugal fan effect due to the rotation of the rotor, and after absorbing the heat generated in the rotor coil, It is discharged into the air gap.
  • the insulator of the rotor coil has an allowable heat-resistant temperature, or the amount of heat generation increases due to an increase in the electrical resistance of the rotor coil itself due to the temperature rise. It is necessary to keep it as low as possible. Further, in recent years, the capacity of generators has been increased, and in order to increase the single machine capacity, it is required to flow as much field current as possible with the same rotor diameter.
  • the branch from the subslot to each radial path changes depending on the pressure loss when the cooling gas branches. This pressure loss changes depending on the flow rate in the subslot, which is the main flow, and the flow rate in the radial path, which is the tributary flow, and the pressure loss increases as the difference increases.
  • the flow rate in the radial path is small, and the flow rate in the sub-slot decreases toward the axial center of the rotor core. As a result, a temperature difference occurs in the axial direction of the rotor coil.
  • the rotor coil housed in the coil slot on the outer periphery of the cylindrical rotor core, and the axial direction of the rotor core A sub-slot that feeds cooling gas to the bottom of the slot and a plurality of radial paths that penetrate the rotor coil in the radial direction.
  • the cooling gas is introduced into the sub-slot from the end of the rotor core, and the rotor A rotor of a rotating electrical machine that branches into a radial path of the coil to cool the rotor coil, and the rotor coil has a ventilation hole and a shaft that are obliquely opened in the circumferential direction when viewed in a direction perpendicular to the rotation axis
  • a radial path is formed by ventilation holes opened obliquely in the direction, or ventilation holes opened obliquely in the circumferential direction and the axial direction (see, for example, Patent Document 1).
  • the prior art has the following problems. That is, in the rotor of the rotating electrical machine described in Patent Document 1, the rotor coil is provided with the ventilation holes obliquely when viewed in the direction orthogonal to the rotational axis, so that the pressure loss in the cooling gas flow path is reduced. Since it increases and the total air volume of the cooling gas decreases, the temperature rises from the subslot toward the air gap, and the average temperature of the rotor coil also rises, causing a problem that the coil temperature becomes non-uniform.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a rotor for a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling a rotor coil and allowing a larger field current to flow. For the purpose.
  • a rotor of a rotating electrical machine includes a plurality of stages of rotor coils housed in a coil slot on an outer peripheral portion of a cylindrical rotor core, and a hole in the axial direction of the rotor core.
  • the cooling gas is introduced into the subslot from the axial end of the rotor core, and the rotor coil
  • a rotor of a rotating electrical machine that cools the rotor coil by branching to a radial path of the rotor, further comprising a turn insulator that insulates the plurality of rotor coils from each other, and the turn insulator is a step of the rotor coil.
  • Each has a protruding portion that protrudes alternately from a different direction toward the radial path.
  • the turn insulator that insulates the rotor coils of the plurality of stages from each other is protruded toward the radial path from different directions alternately for each stage of the rotor coil. Has a part. Therefore, it is possible to obtain a rotor of a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling the rotor coil and allowing a larger field current to flow.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a radial flow cooling type cooling circuit to which a rotor of a rotating electrical machine according to Embodiment 1 of the present invention is applied.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of the cooling circuit cut in the axial direction of the rotating electrical machine.
  • the fan 2 installed on the shaft 1 of the rotating electrical machine rotates together with the shaft 1, so that the low-temperature cooling gas is provided in the subslot provided between the rotor 3 and the shaft 1. 4 flows from the axial end of the rotor core.
  • cooling gas flowing into the subslot 4 is branched into a radial path 5 which is a ventilation hole installed in the axial direction of the rotor 3 and passes through a cooling gas flow path of a stator coil which will be described later. And cool them in direct contact with the turn insulator.
  • the cooling gas passes through the wedge that is the upper part of the rotor 3, passes through the air gap 7 between the rotor 3 and the stator 6, and then flows into the high-temperature cooling gas circuit 8 of the stator 6. Then, cooling is performed indirectly through an insulator such as mica.
  • the cooling gas that has passed through the stator 6 flows into a gas cooler 9 that is a gas cooler and is cooled. Then, the cooling gas becomes a low-temperature cooling gas and flows in the direction of the low-temperature cooling gas circuit 10 to circulate in the rotating electrical machine. .
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the rotor of the rotating electrical machine according to the first embodiment of the present invention as viewed from the axial direction.
  • FIG. 2 two of the coil slots provided in the circumferential direction on the outer periphery of the rotor are shown.
  • a plurality of rotor coils 11 are stacked and housed in each coil slot, and the rotor coils 11 are insulated from each other by a turn insulator 12.
  • the rotor coil 11 is fixed by a wedge 14 via an insulator 13.
  • a sub-slot 4 is formed at the bottom of the coil slot in which the rotor coil 11 is mounted over the entire axial length of the stator core, and a plurality of sub-slots 4 and the rotor coil 11 are penetrated in the radial direction.
  • a cooling gas flow path is formed by communicating with the radial path 5.
  • FIG. 3 is a partial cross-sectional view showing an extracted rotor coil in the rotor of the rotating electrical machine according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the rotor coil shown in FIG. 3 as seen from the outside of the rotor coil.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the broken line portion of FIG.
  • the turn insulator 12 that insulates the rotor coils 11 of a plurality of stages from each other includes protrusions 15 that protrude from the different directions toward the radial path 5 at each stage of the rotor coil 11.
  • the protrusion part 15 is comprised by protrusion, a rib, etc.
  • the radial path 5 is formed in a zigzag shape by appropriately laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 formed with the protrusion 15.
  • the cooling gas flow path is formed.
  • the radial path 5 formed by laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 formed with the protrusion 15 gives a zigzag flow to the cooling gas branched from the subslot 4. Moreover, since the protrusion part 15 protrudes toward the radial path 5 from a different direction for every stage of the rotor coil 11, the turbulent flow of the cooling gas is promoted.
  • the protrusions 15 protrude from the different directions alternately toward the radial path 5 for each stage of the rotor coil 11, the protrusions 15 simultaneously protrude from the different directions toward the radial path 5.
  • the temperature of the rotor coil 11 can be kept low while suppressing an increase in pressure loss as compared with the above.
  • the residence time of the cooling gas is longer than that of the rotor coil described in Patent Document 1, as viewed in the direction orthogonal to the rotation axis, as compared with the case where the ventilation holes are opened obliquely, Since the contact time with the cooling inner surface of the rotor coil 11 becomes longer, heat transfer is promoted and the temperature of the rotor coil 11 can be kept low.
  • the turn insulator that insulates the rotor coils of the plurality of stages from each other is protruded toward the radial path from different directions alternately for each stage of the rotor coils. Has a part. Therefore, it is possible to obtain a rotor of a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling the rotor coil and allowing a larger field current to flow.
  • FIG. FIG. 5 is a partial cross-sectional view showing an extracted rotor coil in a rotor of a rotating electrical machine according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view of the rotor coil shown in FIG. 5 viewed from the outside of the rotor coil.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the broken line portion of FIG.
  • the turn insulator 12 that insulates the rotor coils 11 of a plurality of stages from each other has protrusions 15 protruding toward the radial path 5 from different directions alternately for each stage of the rotor coil 11.
  • the protrusion part 15 is comprised by protrusion, a rib, etc.
  • the turn insulator 12 has a recess 16 provided on the side facing the protruding portion 15 with the radial path 5 interposed therebetween.
  • the radial path 5 is obtained by appropriately laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 in which the protrusion 15 and the recess 16 are formed.
  • a zigzag-shaped cooling gas flow path is formed.
  • the radial path 5 formed by laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 in which the protrusion 15 and the depression 16 are formed causes the cooling gas branched from the subslot 4 to flow in a zigzag shape.
  • the protrusions 15 protrude toward the radial path 5 from different directions alternately for each stage of the rotor coil 11, and the recess 16 is provided on the side facing the protrusion 15, the cooling gas is disturbed. Streamlining is promoted.
  • the residence time of the cooling gas is longer than that of the rotor coil described in Patent Document 1, as compared with the rotor coil that is obliquely opened in the direction orthogonal to the rotation axis, Since the contact time with the cooling inner surface of the rotor coil 11 becomes longer, heat transfer is promoted and the temperature of the rotor coil 11 can be kept low.
  • the turn insulator that insulates the plurality of stages of rotor coils from each other is protruded toward the radial path alternately from different directions for each stage of the rotor coils. And a recess provided on the side facing the protruding portion across the radial path. Therefore, it is possible to obtain a rotor of a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling the rotor coil and allowing a larger field current to flow.
  • FIG. 7 is a partial cross-sectional view showing an extracted rotor coil in a rotor of a rotating electrical machine according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view of the rotor coil shown in FIG. 7 viewed from the outside of the rotor coil.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the broken line portion of FIG.
  • the turn insulator 12 that insulates the rotor coils 11 of the plurality of stages from each other includes protrusions 15 that protrude from the different directions toward the radial path 5 alternately for each stage of the rotor coil 11.
  • the protrusion 15 is formed in a comb shape when the rotor coil 11 is viewed from the outside in the radial direction.
  • the protrusion part 15 is comprised by protrusion, a rib, etc.
  • the radial path 5 is formed in a zigzag shape by appropriately laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 on which the protrusion 15 is formed.
  • the cooling gas flow path is formed.
  • the radial path 5 formed by laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 formed with the protrusion 15 gives a zigzag flow to the cooling gas branched from the subslot 4. Moreover, since the protrusion 15 protrudes toward the radial path 5 from different directions alternately for each stage of the rotor coil 11 and is formed in a comb shape, the turbulent flow of the cooling gas is promoted. .
  • the residence time of the cooling gas is longer than that of the rotor coil described in Patent Document 1, as compared with the rotor coil that is obliquely opened in the direction orthogonal to the rotation axis, Since the contact time with the cooling inner surface of the rotor coil 11 becomes longer, heat transfer is promoted and the temperature of the rotor coil 11 can be kept low.
  • the turn insulator that insulates the rotor coils of the plurality of stages from each other is protruded toward the radial path from different directions alternately for each stage of the rotor coils.
  • the protrusion is formed in a comb-like shape. Therefore, it is possible to obtain a rotor of a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling the rotor coil and allowing a larger field current to flow.
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing an extracted rotor coil in a rotor of a rotating electrical machine according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view of the rotor coil shown in FIG. 9 viewed from the outside of the rotor coil.
  • FIG. 9 is an enlarged view of the broken line portion of FIG.
  • the turn insulator 12 that insulates the rotor coils 11 of a plurality of stages from each other includes protrusions 15 that protrude from the different directions toward the radial path 5 for each stage of the rotor coil 11.
  • the protrusion part 15 is comprised by protrusion, a rib, etc.
  • the radial path 5 is formed in a zigzag shape by appropriately laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 on which the protrusion 15 is formed.
  • the cooling gas flow path is formed.
  • the protruding amount of the protruding portion 15 is configured to change along the axial direction of the rotor core.
  • the amount of protrusion of the protrusion 15 of the radial path 5 at the axial end of the rotor core is the amount of protrusion of the protrusion 15 of the radial path 5 at the axial center of the rotor core. It is larger than the amount.
  • the protrusion amount of the protrusion 15 is determined by the following equation (1), for example.
  • Hmax indicates the amount of protrusion of the protrusion 15 of the radial path 5 at the cooling gas inlet (the axial end of the rotor core) of the subslot 4
  • Hmin indicates the center of the subslot 4.
  • the projecting amount of the projecting portion 15 of the radial path 5 at the axial center of the rotor core is indicated
  • L0 indicates the overall length of the subslot 4 in the axial direction
  • X is the radial as viewed from the inlet of the subslot 4
  • the position of pass 5 is shown.
  • FIG. 11 is a curve diagram showing the relationship between the protruding amount of the protruding portion 15 according to Embodiment 4 of the present invention and the position of the radial path 5 as viewed from the inlet of the subslot 4.
  • the radial path 5 formed by laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 formed with the protrusion 15 gives a zigzag flow to the cooling gas branched from the subslot 4. Moreover, since the protrusion part 15 protrudes toward the radial path 5 from a different direction for every stage of the rotor coil 11, the turbulent flow of the cooling gas is promoted.
  • the residence time of the cooling gas is longer than that of the rotor coil described in Patent Document 1, as compared with the rotor coil that is obliquely opened in the direction orthogonal to the rotation axis, Since the contact time with the cooling inner surface of the rotor coil 11 becomes longer, heat transfer is promoted and the temperature of the rotor coil 11 can be kept low.
  • the cooling gas flowing into the subslot 4 from the axial end portion of the rotor core increases in pressure loss from the axial end portion of the rotor core toward the axial center portion of the rotor core. It is thought that gas becomes difficult to flow.
  • the cooling gas is allowed to flow evenly through the subslot 4 to suppress pressure loss, and the rotor core shaft Even in the central portion in the direction, a sufficient air volume can be secured.
  • the protrusion amount of the radial path protrusion at the axial end portion of the rotor core is the protrusion of the radial path at the axial center portion of the rotor core. It is larger than the protruding amount of the part. Therefore, it is possible to obtain a rotor of a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling the rotor coil and allowing a larger field current to flow.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a rotor of a rotary electric machine according to Embodiment 5 of the present invention.
  • the sub-slot 4 is formed with a tapered flow path 17 having a cross-sectional area that increases from the axial end of the rotor core toward the axial center of the rotor core.
  • FIG. 12 other configurations are the same as those in FIG. 1 described in Embodiment 1, and thus description thereof is omitted.
  • the configuration of the rotor coil 11 and the like are the same as those in the first embodiment described above, and thus description thereof is omitted.
  • the pressure loss is expressed by the following equation (2).
  • equation (2) refers to “http://www.codecogs.com/library/engineering/fluid_mechanics/pipes/head_loss/tapered-pipe.php”.
  • f represents the coefficient of friction
  • l represents the length of the taper pipe (half the length of the subslot 4)
  • d 1 represents the hydraulic force on the divergent or spreading side of the taper pipe.
  • the diameter (maximum diameter) is indicated
  • d 2 indicates the convergent or narrowed hydraulic diameter (minimum diameter) of the tapered pipe
  • v 1 indicates the linear velocity on the gas inflow side
  • X indicates d 1 / d 2 .
  • a ratio of h f / h 0 f is set, and thereby the relationship between d 1 and d 2 is determined.
  • the shape of the slot 4 may be changed.
  • the radial path 5 is obtained by appropriately laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 on which the protrusion 15 is formed.
  • a zigzag shaped cooling gas flow path is formed.
  • the radial path 5 formed by laminating the rotor coil 11 and the turn insulator 12 formed with the protrusion 15 gives a zigzag flow to the cooling gas branched from the subslot 4. Moreover, since the protrusion part 15 protrudes toward the radial path 5 from a different direction for every stage of the rotor coil 11, the turbulent flow of the cooling gas is promoted.
  • the residence time of the cooling gas is longer than that of the rotor coil described in Patent Document 1, as compared with the rotor coil that is obliquely opened in the direction orthogonal to the rotation axis, Since the contact time with the cooling inner surface of the rotor coil 11 becomes longer, heat transfer is promoted and the temperature of the rotor coil 11 can be kept low.
  • the cooling gas flowing into the subslot 4 from the axial end portion of the rotor core increases in pressure loss from the axial end portion of the rotor core toward the axial center portion of the rotor core. It is thought that gas becomes difficult to flow.
  • the cooling gas is allowed to flow evenly in the subslot 4 to suppress pressure loss, and even in the axially central portion of the rotor core, sufficient A large air volume can be secured.
  • the tapered flow path whose cross-sectional area increases from the axial end portion of the rotor core toward the axial center portion of the rotor core is formed. Yes. Therefore, it is possible to obtain a rotor of a rotating electrical machine capable of efficiently and uniformly cooling the rotor coil and allowing a larger field current to flow.
  • the tapered flow path 17 is formed on the upper and lower surfaces in the subslot 4 .
  • the present invention is not limited to this, and the tapered flow path is formed only on the upper and lower surfaces in the subslot 4. Even in this case, the same effect can be obtained.

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Abstract

回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得る。円筒状の回転子鉄心の外周部のコイルスロットに収納された複数段の回転子コイルと、回転子鉄心の軸方向に穿設され、コイルスロットの底に冷却ガスを送給するサブスロットと、回転子コイルを径方向に貫通する複数のラジアルパスと、を備え、回転子鉄心の軸方向端部からサブスロットに冷却ガスを導入し、回転子コイルのラジアルパスに分岐させて回転子コイルを冷却する回転電機の回転子であって、複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物をさらに備え、ターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向からラジアルパスに向けて突出した突出部を有しているものである。

Description

回転電機の回転子および回転電機
　この発明は、タービン発電機等に適用される回転電機の回転子およびこの回転子を備えた回転電機に関するものである。
　タービン発電機等に適用される回転電機について、回転子コイルを冷却するに当たっては、冷却ガスを回転子コイルに直接接触させて冷却する直接冷却方式が最も効率的であることが知られている。また、直接冷却方式のうち、ラジアルフロー冷却方式は、構造が簡単なわりには冷却性能が高いという理由で、タービン発電機に広く採用されている。
　このようなラジアルフロー冷却方式を実現する回転電機の回転子において、回転子鉄心には、周方向に複数のコイルスロットが設けられ、これらのコイルスロット内にそれぞれ回転子コイルが複数段積層され、絶縁物を介してウェッジによって固定されている。また、回転子コイルを相互に絶縁するためにターン絶縁物が介挿され、回転子コイルとコイルスロットとを絶縁するためにスロット絶縁物が介挿されている。
　ここで、回転子コイルが装着されたコイルスロットの底部には、軸方向全長にわたってサブスロットが設けられ、このサブスロットと回転子コイルを径方向に貫通した通風孔である複数のラジアルパスとを連通させることにより、冷却ガス流路が形成されている。このとき、冷却ガスは、回転子鉄心の軸方向端部からサブスロットに導入され、回転子の回転による遠心ファン効果により順次ラジアルパスに分岐され、回転子コイルで発生した熱を吸収した後、エアギャップに排出される。
　なお、一般的に、回転子コイルの絶縁物には許容耐熱温度があったり、温度上昇による回転子コイル自体の電気抵抗の増加によって発熱量が増大したりするため、回転子コイルの温度は、できるだけ低く抑える必要がある。また、近年では、発電機の大容量化が進んでおり、単機容量の増大を図るために、同じ回転子直径で、できるだけ大きな界磁電流を流すことが求められている。
　そのため、コイル巻線として断面積の大きいものを用いて発熱量を低く抑えたり、サブスロットやラジアルパスの断面積を広げるとともに、ラジアルパスの本数を増やして回転子内の通風量を増加させたりしていた。
　しかしながら、回転子には、非常に大きな遠心力が働くため、回転子鉄心断面の中心部およびコイルスロット基部の機械的強度を確保する必要性から、コイル巻線やサブスロット、ラジアルパスの断面積の拡大にも限界があった。また、機械的強度を確保した上で、コイル巻線やサブスロット、ラジアルパスの断面積を拡大した場合には、回転子の直径を大きくしなければならず、発電機の大型化を避けられなかった。
　一方、回転子コイルの軸方向や径方向に温度差が生じると、熱による伸びが不均一となり、回転時の振動が大きくなる等、発電機の信頼性が低下する。また、サブスロットから各ラジアルパスへの分岐は、冷却ガスが分岐する際の圧力損失に依存して変化する。この圧力損失は、本流であるサブスロット内の流量と支流であるラジアルパス内の流量とに依存して変化し、その差が大きいほど圧力損失も増大する。
　ここで、冷却ガスの入口付近の回転子鉄心端部では、ラジアルパスの流量が少なく、回転子鉄心の軸方向中央部に向かうに従ってサブスロット内の流量が減少するため、ラジアルパス内の流量は増加する傾向にあり、この結果、回転子コイルの軸方向に温度差が生じることとなる。
　また、冷却ガス流量を増やすとともに、ラジアルパスの本数を増やしてコイルの冷却強化を図った場合には、ラジアルパス内の流量差が大きくなり、それに従ってコイル温度も不均一となる。そのため、極端な場合には、回転子コイルの平均温度は低下するが、最高温度は逆に上昇することもあり得る。
　そこで、各ラジアルパスへの配流の不均一を解消するために、円筒状の回転子鉄心の外周部のコイルスロットに収納された回転子コイルと、回転子鉄心の軸方向に穿設され、コイルスロットの底に冷却ガスを送給するサブスロットと、回転子コイルを径方向に貫通する複数のラジアルパスとを有し、回転子鉄心の端部からサブスロットに冷却ガスを導入し、回転子コイルのラジアルパスに分岐させて回転子コイルを冷却する回転電機の回転子であって、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、周方向に斜めに開けた通風孔、軸方向に斜めに開けた通風孔、または周方向および軸方向に斜めに開けた通風孔によってラジアルパスを形成したものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０－２８５８５３号公報
　しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
　すなわち、特許文献１に記載の回転電機の回転子では、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、斜めに通風孔が開けられているので、冷却ガス流路における圧力損失が増加して冷却ガスの総風量が減るため、サブスロットからエアギャップに向けて温度が上昇するとともに、回転子コイルの平均温度も上昇するので、コイル温度が不均一になるという問題がある。
　この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることを目的とする。
　この発明に係る回転電機の回転子は、円筒状の回転子鉄心の外周部のコイルスロットに収納された複数段の回転子コイルと、回転子鉄心の軸方向に穿設され、コイルスロットの底に冷却ガスを送給するサブスロットと、回転子コイルを径方向に貫通する複数のラジアルパスと、を備え、回転子鉄心の軸方向端部からサブスロットに冷却ガスを導入し、回転子コイルのラジアルパスに分岐させて回転子コイルを冷却する回転電機の回転子であって、複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物をさらに備え、ターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向からラジアルパスに向けて突出した突出部を有しているものである。
　この発明に係る回転電機の回転子によれば、複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向からラジアルパスに向けて突出した突出部を有している。
　そのため、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることができる。
この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子が適用されたラジアルフロー冷却方式の冷却回路を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を軸方向から見た断面図である。 この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。 図３に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。 この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。 図５に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。 この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。 図７に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。 この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。 図９に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。 この発明の実施の形態４に係る突出部の突出量とサブスロットの流入口から見たラジアルパスの位置との関係を示す曲線図である。 この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子を示す断面図である。
　以下、この発明に係る回転電機の回転子の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。
　実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子が適用されたラジアルフロー冷却方式の冷却回路を示す断面図である。図１は、冷却回路を回転電機の軸方向に切断した断面図を示している。
　図１に示した冷却回路において、回転電機の軸１に設置されたファン２が軸１とともに回転することによって、低温の冷却ガスが、回転子３と軸１との間に設けられたサブスロット４に、回転子鉄心の軸方向端部から流入する。
　また、サブスロット４に流入した冷却ガスは、回転子３の軸方向に設置された通風孔であるラジアルパス５に分岐され、後述する固定子コイルの冷却ガス流路を通過し、回転子コイルおよびターン絶縁物と直接接触しながらこれらを冷却する。
　続いて、冷却ガスは、回転子３の上位部分であるウェッジを通って、回転子３と固定子６との間のエアギャップ７を通った後、固定子６の高温冷却ガス回路８に流入し、マイカ等の絶縁物を介して間接的に冷却を行う。
　また、固定子６を通過した冷却ガスは、ガス冷却器であるガスクーラ９に流入して冷却された後、低温の冷却ガスとなり、低温冷却ガス回路１０の方向に流れて回転電機内を循環する。
　図２は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子を軸方向から見た断面図である。図２では、回転子外周部に、周方向に複数設けられているコイルスロットのうち２つ分を示している。
　図２において、コイルスロット内には、それぞれ回転子コイル１１が複数段積層されて収納され、回転子コイル１１同士は、ターン絶縁物１２により相互に絶縁されている。また、回転子コイル１１は、絶縁物１３を介してウェッジ１４によって固定されている。
　また、回転子コイル１１が装着されたコイルスロットの底部には、固定子鉄心の軸方向全長にわたってサブスロット４が穿設され、このサブスロット４と回転子コイル１１を径方向に貫通した複数のラジアルパス５とを連通させることにより、冷却ガス流路が形成されている。
　図３は、この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。また、図４は、図３に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。なお、図３は、図２の破線部分を拡大して示したものである。
　図３、４において、複数段の回転子コイル１１を相互に絶縁するターン絶縁物１２は、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出した突出部１５を有している。なお、突出部１５は、突起やリブ等で構成されている。
　この発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子３において、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを適切に積層化することにより、ラジアルパス５が、ジグザグ形状の冷却ガス流路を形成する。
　このような回転子３を有する冷却回路において、ファン２が軸１とともに回転することによって、低温の冷却ガスがサブスロット４に流入し、回転子３の軸方向に設置された回転子コイル１１に分岐される。分岐された冷却ガスは、回転子コイル１１および突出部１５が形成されたターン絶縁物１２によって形成されたジグザグ形状の冷却ガス流路を通って、エアギャップ７に排出される。
　このとき、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを積層して形成されたラジアルパス５が、サブスロット４から分岐された冷却ガスにジグザグ形状の流れを与える。また、突出部１５が、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出しているので、冷却ガスの乱流化が促進される。
　また、突出部１５が、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出していることによって、突出部１５が同時に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出しているものと比較して、圧力損失の増加を抑えつつ回転子コイル１１の温度を低く保つことができる。
　さらに、特許文献１に記載された、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、斜めに通風孔が開けられているものと比較して、冷却ガスの滞留時間が長くなり、回転子コイル１１の冷却用内面との接触時間が長くなるので、熱伝達が促進され、回転子コイル１１の温度を低く保つことができる。
　以上のように、実施の形態１によれば、複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向からラジアルパスに向けて突出した突出部を有している。
　そのため、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることができる。
　実施の形態２．
　図５は、この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。また、図６は、図５に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。なお、図５は、図２の破線部分を拡大して示したものである。
　図５、６において、複数段の回転子コイル１１を相互に絶縁するターン絶縁物１２は、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出した突出部１５を有している。なお、突出部１５は、突起やリブ等で構成されている。また、ターン絶縁物１２は、ラジアルパス５を挟んで突出部１５と対向する側に設けられたくぼみ１６を有している。
　この発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子３において、回転子コイル１１と突出部１５およびくぼみ１６が形成されたターン絶縁物１２とを適切に積層化することにより、ラジアルパス５が、ジグザグ形状の冷却ガス流路を形成する。
　このような回転子３を有する冷却回路において、ファン２が軸１とともに回転することによって、低温の冷却ガスがサブスロット４に流入し、回転子３の軸方向に設置された回転子コイル１１に分岐される。分岐された冷却ガスは、回転子コイル１１並びに突出部１５およびくぼみ１６が形成されたターン絶縁物１２によって形成されたジグザグ形状の冷却ガス流路を通って、エアギャップ７に排出される。
　このとき、回転子コイル１１と突出部１５およびくぼみ１６が形成されたターン絶縁物１２とを積層して形成されたラジアルパス５が、サブスロット４から分岐された冷却ガスにジグザグ形状の流れを与える。また、突出部１５が、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出し、突出部１５と対向する側にくぼみ１６が設けられているので、冷却ガスの乱流化が促進される。
　そのため、特許文献１に記載された、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、斜めに通風孔が開けられているものと比較して、冷却ガスの滞留時間が長くなり、回転子コイル１１の冷却用内面との接触時間が長くなるので、熱伝達が促進され、回転子コイル１１の温度を低く保つことができる。
　以上のように、実施の形態２によれば、複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向からラジアルパスに向けて突出した突出部を有するとともに、ラジアルパスを挟んで突出部と対向する側に設けられたくぼみを有している。
　そのため、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることができる。
　実施の形態３．
　図７は、この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。また、図８は、図７に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。なお、図７は、図２の破線部分を拡大して示したものである。
　図７、８において、複数段の回転子コイル１１を相互に絶縁するターン絶縁物１２は、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出した突出部１５を有している。また、突出部１５は、回転子コイル１１を径方向外側から見たときに、櫛歯状に形成されている。なお、突出部１５は、突起やリブ等で構成されている。
　この発明の実施の形態３に係る回転電機の回転子３において、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを適切に積層化することにより、ラジアルパス５が、ジグザグ形状の冷却ガス流路を形成する。
　このような回転子３を有する冷却回路において、ファン２が軸１とともに回転することによって、低温の冷却ガスがサブスロット４に流入し、回転子３の軸方向に設置された回転子コイル１１に分岐される。分岐された冷却ガスは、回転子コイル１１および突出部１５が形成されたターン絶縁物１２によって形成されたジグザグ形状の冷却ガス流路を通って、エアギャップ７に排出される。
　このとき、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを積層して形成されたラジアルパス５が、サブスロット４から分岐された冷却ガスにジグザグ形状の流れを与える。また、突出部１５が、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出し、かつ櫛歯状に形成されているので、冷却ガスの乱流化が促進される。
　そのため、特許文献１に記載された、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、斜めに通風孔が開けられているものと比較して、冷却ガスの滞留時間が長くなり、回転子コイル１１の冷却用内面との接触時間が長くなるので、熱伝達が促進され、回転子コイル１１の温度を低く保つことができる。
　以上のように、実施の形態３によれば、複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向からラジアルパスに向けて突出した突出部を有し、突出部は櫛歯状に形成されている。
　そのため、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることができる。
　実施の形態４．
　図９は、この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子における回転子コイルを抜粋して示す部分断面図である。また、図１０は、図９に示した回転子コイルを回転子コイル外側から見た平面図である。なお、図９は、図２の破線部分を拡大して示したものである。
　図９、１０において、複数段の回転子コイル１１を相互に絶縁するターン絶縁物１２は、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出した突出部１５を有している。なお、突出部１５は、突起やリブ等で構成されている。
　この発明の実施の形態４に係る回転電機の回転子３において、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを適切に積層化することにより、ラジアルパス５が、ジグザグ形状の冷却ガス流路を形成する。
　ここで、ターン絶縁物１２において、突出部１５の突出量が、回転子鉄心の軸方向に沿って変化するように構成されている。具体的には、ターン絶縁物１２において、回転子鉄心の軸方向端部におけるラジアルパス５の突出部１５の突出量は、回転子鉄心の軸方向中央部におけるラジアルパス５の突出部１５の突出量よりも大きくなっている。
　このとき、突出部１５の突出量は、例えば、次式（１）により決定される。
　　Ｈ＝（－２（Ｈｍａｘ－Ｈｍｉｎ）／Ｌ０）Ｘ＋Ｈｍａｘ　　　（１）
　なお、式（１）において、Ｈｍａｘはサブスロット４の冷却ガスの流入口（回転子鉄心の軸方向端部）におけるラジアルパス５の突出部１５の突出量を示し、Ｈｍｉｎはサブスロット４の中央（回転子鉄心の軸方向中央部）におけるラジアルパス５の突出部１５の突出量を示し、Ｌ０はサブスロット４の軸方向全体の長さを示し、Ｘはサブスロット４の流入口からみたラジアルパス５の位置を示している。また、Ｈｍａｘ＞Ｈｍｉｎである。図１１は、この発明の実施の形態４に係る突出部１５の突出量とサブスロット４の流入口から見たラジアルパス５の位置との関係を示す曲線図である。
　このような回転子３を有する冷却回路において、ファン２が軸１とともに回転することによって、低温の冷却ガスがサブスロット４に流入し、回転子３の軸方向に設置された回転子コイル１１に分岐される。分岐された冷却ガスは、回転子コイル１１および突出部１５が形成されたターン絶縁物１２によって形成されたジグザグ形状の冷却ガス流路を通って、エアギャップ７に排出される。
　このとき、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを積層して形成されたラジアルパス５が、サブスロット４から分岐された冷却ガスにジグザグ形状の流れを与える。また、突出部１５が、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出しているので、冷却ガスの乱流化が促進される。
　そのため、特許文献１に記載された、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、斜めに通風孔が開けられているものと比較して、冷却ガスの滞留時間が長くなり、回転子コイル１１の冷却用内面との接触時間が長くなるので、熱伝達が促進され、回転子コイル１１の温度を低く保つことができる。
　なお、回転子鉄心の軸方向端部からサブスロット４に流入する冷却ガスは、回転子鉄心の軸方向端部から回転子鉄心の軸方向中央部に向けて、圧力損失が増加するため、冷却ガスが流れにくくなると考えられる。これに対して、突出部１５の突出量を回転子鉄心の軸方向中央部に向けて小さくすることにより、サブスロット４に冷却ガスを均等に流して圧力損失を抑制し、回転子鉄心の軸方向中央部であっても、十分な風量を確保することができる。
　以上のように、実施の形態４によれば、ターン絶縁物において、回転子鉄心の軸方向端部におけるラジアルパスの突出部の突出量は、回転子鉄心の軸方向中央部におけるラジアルパスの突出部の突出量よりも大きくなっている。
　そのため、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることができる。
　実施の形態５．
　図１２は、この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子を示す断面図である。図１２において、サブスロット４には、回転子鉄心の軸方向端部から、回転子鉄心の軸方向中央部に向けて断面積が広くなるテーパ流路１７が形成されている。なお、図１２において、その他の構成は、実施の形態１で示した図１と同様なので、説明を省略する。また、回転子コイル１１の構成等も、上述した実施の形態１と同様なので、説明を省略する。
　例えば、サブスロット４の両端部についてテーパ流路１７を形成した場合に、圧力損失は、次式（２）で表される。ここで、「http://www.codecogs.com/library/engineering/fluid_mechanics/pipes/head_loss/tapered-pipe.php」を参照されたい。
　　ｈf＝（ｆｖ1 2＊ｌ）／（２ｇｄ2 4）＊（ｄ1＋ｄ2）（ｄ1 2＋ｄ2 2）　（２）
　また、式（２）を書き直すと、次式（３）が得られる。
　　ｈf＝（ｆｖ1 2＊ｌ）／（２ｇｄ2）＊（１＋Ｘ）（１＋Ｘ2）　　　（３）
　式（２）、（３）において、ｆは摩擦係数を示し、ｌはテーパ配管の長さ（サブスロット４の長さの半分）を示し、ｄ1はテーパ配管のダイバージェントまたは広がり側の水力直径（最大直径）を示し、ｄ2はテーパ配管のコンバージェントまたは細まり側の水力直径（最小直径）を示し、ｖ1はガス流入側の線速度を示し、Ｘはｄ1／ｄ2を示している。
　ここで、Ｘ＝１とすると、一般的に用いられるファニング式（４）が得られる。
　　ｈ0 f＝４（ｆｖ1 2＊ｌ）／（２ｇｄ2）　　　（４）
　そこで、サブスロット４のテーパ形状による圧力損失を低減する際、例えば、ｈf／ｈ0 fの比を設定し、これによりｄ1およびｄ2の関係が決まるので、これらの値を用いてサブスロット４の形状を変更すればよい。
　また、この発明の実施の形態５に係る回転電機の回転子３において、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを適切に積層化することにより、ラジアルパス５が、ジグザグ形状の冷却ガス流路を形成する。
　このような回転子３を有する冷却回路において、ファン２が軸１とともに回転することによって、低温の冷却ガスがサブスロット４に流入し、回転子３の軸方向に設置された回転子コイル１１に分岐される。分岐された冷却ガスは、回転子コイル１１および突出部１５が形成されたターン絶縁物１２によって形成されたジグザグ形状の冷却ガス流路を通って、エアギャップ７に排出される。
　このとき、回転子コイル１１と突出部１５が形成されたターン絶縁物１２とを積層して形成されたラジアルパス５が、サブスロット４から分岐された冷却ガスにジグザグ形状の流れを与える。また、突出部１５が、回転子コイル１１の段毎に、交互に異なる方向からラジアルパス５に向けて突出しているので、冷却ガスの乱流化が促進される。
　そのため、特許文献１に記載された、回転子コイルに、回転軸心と直交する方向で見て、斜めに通風孔が開けられているものと比較して、冷却ガスの滞留時間が長くなり、回転子コイル１１の冷却用内面との接触時間が長くなるので、熱伝達が促進され、回転子コイル１１の温度を低く保つことができる。
　なお、回転子鉄心の軸方向端部からサブスロット４に流入する冷却ガスは、回転子鉄心の軸方向端部から回転子鉄心の軸方向中央部に向けて、圧力損失が増加するため、冷却ガスが流れにくくなると考えられる。これに対して、サブスロット４にテーパ流路１７を形成することにより、サブスロット４に冷却ガスを均等に流して圧力損失を抑制し、回転子鉄心の軸方向中央部であっても、十分な風量を確保することができる。
　以上のように、実施の形態５によれば、サブスロットにおいて、回転子鉄心の軸方向端部から、回転子鉄心の軸方向中央部に向けて断面積が広くなるテーパ流路が形成されている。
　そのため、回転子コイルを効率的、かつ均一に冷却し、より大きな界磁電流を流すことができる回転電機の回転子を得ることができる。
　なお、上記実施の形態５では、サブスロット４中の上下面にテーパ流路１７を形成する場合について説明したが、これに限定されず、サブスロット４中の上下片面のみにテーパ流路を形成した場合であっても同様の効果を得ることができる。

Claims (6)

  1. 　円筒状の回転子鉄心の外周部のコイルスロットに収納された複数段の回転子コイルと、
    　前記回転子鉄心の軸方向に穿設され、前記コイルスロットの底に冷却ガスを送給するサブスロットと、
    　前記回転子コイルを径方向に貫通する複数のラジアルパスと、を備え、
    　前記回転子鉄心の軸方向端部から前記サブスロットに冷却ガスを導入し、前記回転子コイルのラジアルパスに分岐させて前記回転子コイルを冷却する回転電機の回転子であって、
    　前記複数段の回転子コイルを相互に絶縁するターン絶縁物をさらに備え、
    　前記ターン絶縁物は、回転子コイルの段毎に、交互に異なる方向から前記ラジアルパスに向けて突出した突出部を有している
    　回転電機の回転子。
  2. 　前記ターン絶縁物は、前記ラジアルパスを挟んで前記突出部と対向する側に設けられたくぼみを有している
    　請求項１に記載の回転電機の回転子。
  3. 　前記ターン絶縁物において、前記回転子コイルを径方向外側から見たときに、前記突出部が櫛歯状に形成されている
    　請求項１または請求項２に記載の回転電機の回転子。
  4. 　前記ターン絶縁物において、前記回転子鉄心の軸方向端部における前記ラジアルパスの前記突出部の突出量は、前記回転子鉄心の軸方向中央部における前記ラジアルパスの前記突出部の突出量よりも大きい
    　請求項１から請求項３までの何れか１項に記載の回転電機の回転子。
  5. 　前記サブスロットにおいて、前記回転子鉄心の軸方向端部から、前記回転子鉄心の軸方向中央部に向けて断面積が広くなるテーパ流路が形成されている
    　請求項１から請求項４までの何れか１項に記載の回転電機の回転子。
  6. 　請求項１から請求項５までの何れか１項に記載の回転電機の回転子を備えた回転電機。
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