CN106464053A - 旋转电机的转子 - Google Patents

Abstract

为了提高旋转电机的转子的冷却性能，在转子的旋转状态下，着眼于在冷却气体的通风孔的内部产生的冷却气体的二次流动与冷却气体的主流的关系，在由导体和层间绝缘层层叠而成的转子绕组所设有的转子绕组通风孔的负压侧的内壁面设置沿上述层叠的方向呈线状出现的隆起的形状变化，以抑制冷却气体的二次流动。

Description

旋转电机的转子

技术领域

本发明涉及一种涡轮发电机等中使用的旋转电机的转子。特别地，涉及旋转电机的转子的通风冷却性能的改善。

背景技术

在旋转电机的转子中，当增加输出时，转子的发热量增加，温度上升，其结果是，产生绝缘不良。因此，为了获得更大的输出，需能有效地冷却构成转子绕组的各匝的导体，防止温度上升，并使更多的电流流过转子绕组。即，为了冷却转子绕组，设置沿着转子绕组的各导体的重叠方向贯穿的冷却用的通风孔，以使空气、氢气等冷却气体直接流动至该通风孔(例如专利文献1)。此外，为了提高基于冷却气体的冷却效率，在冷却气体的通风孔的壁面设置与转子的轴向平行的肋状的突起，使沿径向流动的冷却气体在壁面附近从层流状态变为湍流状态，以提高冷却用通风孔的内壁的散热性能(例如专利文献2)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开昭59－53060号公报

专利文献2：日本专利特开2001－86679号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

但是，在现有的装置中，仅仅是将沿着转子绕组的各导体的重叠方向贯穿的冷却用的通风孔的入口至出口的冷却气体的主流作为对象，并对因湍流而产生的通风阻力和热传递的特性进行研究。

本发明着眼于冷却气体在转子进行旋转运到的状态下的流动，考虑到旋转状态下产生的冷却气体的二次流动与冷却气体的主流的关系，提出一种效率较高的冷却结构，其目的在于一种通过进一步改善旋转电机的转子的冷却性能而不会产生绝缘不良的旋转电机的转子。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的旋转电机的转子包括：通道，该通道设于转子，并供冷却气体在转轴方向上流动；以及通风孔，该通风孔与所述通道连通，且在由导体和层间绝缘层交替地层叠而成的转子绕组上以沿所述层叠的方向贯穿所述导体和所述层间绝缘层的方式设置，以供冷却气体在旋转的径向上流动，将所述通风孔的在旋转时产生的正压侧的内壁面设为平缓的面，且在所述通风孔的负压侧的内壁面设置隆起的形状变化，该隆起沿所述层叠的方向呈线状地出现。

另外，设置多个呈所述线状出现的形状变化，并在呈所述线状出现的隆起的形状变化之间平行地形成凹陷。

发明效果

根据本发明，能通过使通风孔的负压侧的内壁面的沿着转子绕组的导体的层叠方向延伸的隆起的形状相对于冷却气体的径向的主流和伴随着转子的旋转运动而产生的冷却气体的轴向的二次流动发生变化来抑制通风孔的负压侧表面的二次流动，并能增大冷却气体的主流的方向、即径向的流动的速度，因此，转子通风孔的负压侧表面的温度边界层变薄，促进了热传递。

由参照附图的以下详细说明，可进一步明确本发明的除了上述之外的目的、特征、观点及效果。

附图说明

图1是旋转电机的转子的剖视图。

图2是用穿过旋转电机的转子轴的轴心的面剖开的转子的主要部分剖视图。

图3是表示本发明实施方式一的转子绕组的局部剖开后的立体图。

图4是截取本发明实施方式一的转子的一部分的立体图。

图5是表示本发明实施方式一的转子的通风孔的截面形状的俯视图。

图6是表示用于比较的现有通风孔的截面形状的俯视图。

图7是表示本发明实施方式二的转子的通风孔的截面形状的俯视图。

图8是表示本发明实施方式三的转子的通风孔的截面形状的俯视图。

图9是表示本发明实施方式四的转子的通风孔的截面形状的俯视图。

具体实施方式

实施方式一

根据图1、图2、图3及图4，对本发明实施方式一的旋转电机的转子进行说明。

图1是旋转电机的转子10的剖视图，图2是沿图1中的A－A线的用穿过转子轴1的轴心的面剖开的转子1的主要部分剖视图，图3是表示本发明的转子10中使用的转子绕组2的一层的局部剖开后的立体图。图4是截取转子10的一部分的立体图。

转子10由轴承(未图示)支承于定子(未图示)内，在转子10以围住转子轴1的方式设有多个转子槽3，在该转子槽3的内部固定有转子绕组2。转子绕组2是将截面形状呈矩形的导体4卷绕成多层而构成的，在该卷绕成多层的导体4的各层之间配置有层间绝缘层5，以将导体4的各层电绝缘。

当转子10旋转时，转子绕组2中产生离心力，但转子楔(rotor wedge)7支承转子绕组2。在转子绕组2与转子楔7之间设有绝缘物8。

在该转子10设有通道9。该通道9设于转子槽3的底部以构成供冷却气体在轴向上流动的通路。

在转子绕组2设有转子绕组通风孔20，在绝缘物8也设有与转子绕组通风孔20同轴设置的绝缘物通风孔，在转子楔7也设有同样设置的转子楔通风孔。上述转子绕组通风孔20、绝缘物通风孔及转子楔通风孔在径向上连通而构成径向通风孔。空隙部13是指转子与定子(未图示)之间。另外，图2中的箭头G表示冷却气体的流动。

接着，对旋转电机的转子的动作进行说明。当利用外部电源(未图示)使励磁电流朝转子绕组2通电时，转子绕组2产生磁场。在该状态下来自涡轮(未图示)等的旋转力传递至转子10时，转子10与转子绕组2一起以一定速度进行旋转。因此，通过一边朝规定的朝向产生磁场一边旋转的转子10，使设于该转子10的外侧的定子侧产生交流电。

此时，因励磁电流通至转子绕组2而产生基于绕组的电阻的焦耳损耗(Jouleloss)并进行发热。因该发热而导致转子绕组2及以靠近该转子绕组2的层间绝缘层5为代表的各绝缘物的温度上升。此外，当转子绕组2及各绝缘物的温度上升至规定的温度以上时，上述构件的绝缘功能劣化，失去规定的绝缘功能，其结果是，转子轴1与转子绕组2可能会电短路而丧失作为旋转电机的功能。因此，在旋转电机的转子中，经由通道9使冷却气体流通至各转子绕组通风孔20以冷却转子绕组2。

冷却气体在从转子10的轴向端部供给至通道9之后，在通道9内沿着转子轴1的轴向流通，并被分支至沿着该轴向按一定的间隔设置的各径向通风孔。此外，被引导至各转子绕组通风孔20的冷却气体在转子绕组通风孔20中一边冷却转子绕组2的导体4及层间绝缘层5一边沿径向流通，并经由绝缘物8的通风孔，一边冷却绝缘物8一边沿着径向流通，然后，经由转子楔7的通风孔，一边冷却转子楔7一边沿径向流通，从而被排出至空隙部13。

转子绕组2的温度取决于在径向通风孔中流动的冷却气体的通风量、风速或者与该冷却气体接触的转子绕组2的表面积。一般地，在旋转电机的转子中，上述通风孔在转子轴1的轴向上等间隔地配置，另外，构成径向通风孔的转子绕组通风孔20、绝缘物通风孔及转子楔通风孔以相同形状及尺寸构成。

如图3所示，在导体4及层间绝缘层5设有狭缝，以该狭缝在径向上连通的方式层叠导体4及层间绝缘层5而构成转子绕组2。上述转子绕组通风孔20以两个一组的方式沿转子轴1的轴向按一定间隔形成。另外，在绝缘物8及转子楔7也与转子绕组通风孔20同轴地形成有绝缘物通风孔及转子楔通风孔。此外，转子绕组通风孔20、绝缘物通风孔及转子楔通风孔在径向上相连而设，以构成径向通风孔。

此处，对转子绕组通风孔20内部的冷却气体的流动进行说明。冷却气体从转子10的轴向端部供给至通道9。然后，冷却气体在通道9内沿着转子轴1的轴向流通，并被分支至在该轴向上按一定的间隔设置的转子绕组通风孔20。被引导至转子绕组通风孔20的冷却气体在冷却完转子绕组2之后，在绝缘物通风孔中一边冷却绝缘物8一边朝径向外侧流通，然后，在转子楔通风孔中一边冷却转子楔7一边朝径向外侧流通，从而被排出至空隙部13。此时，科里奥利力(Coriolis force)作用于转子绕组通风孔20内的流体，因此，在转子绕组通风孔20内的中央部产生从负压侧朝正压侧的二次流动。藉此，在转子绕组通风孔20内的中央部的负压侧，流动方向的速度变小，通风孔表面的温度边界层变厚，因而导热性能降低。

图5是本发明实施方式一的旋转电机的转子10的转子绕组通风孔20的俯视图，其示意地示出了转子绕组通风孔20中的冷却气体的二次流动的状态。

在该实施方式一中，如图所示，将线状的隆起21隔着间隔形成于相对于开口的中心呈对称的两处位置，该隆起21在转子绕组通风孔20的壁面的负压侧沿着主流的方向延伸。根据上述结构，在由隆起21围住的区域中，利用隆起21限制了负压侧表面的二次流动，因此，增大了冷却气体的径向的流动速度、即主流方向的速度。藉此，转子绕组通风孔20的负压侧表面的温度边界层变薄，促进了导热。利用导热性能的提高能有效地去除转子绕组2的发热，能将转子绕组2的温度保持得较低，并能抑制绝缘物的绝缘劣化。

与此相对，图6中示出了比较例。在现有的通风孔的截面形状中，被引导至转子绕组通风孔20的冷却气体在转子绕组通风孔20的中央部产生从负压侧朝正压侧的二次流动。藉此，主流的流动方向的速度降低，因此，降低了导热性能。

因此，如图5所示，通过隔着间隔形成隆起21，该隆起21在通风孔表面的负压侧沿着主流的流动方向延伸，由此导致二次流动的速度降低，因此，不会降低主流的流动方向的速度。藉此，提高了转子绕组2的冷却性能，因此，即便增加了旋转电机的输出，也能以不产生绝缘不良的方式防止转子轴1与转子绕组2的短路事故发生。

另外，在以上的说明中，作为应用发明的部分，对供冷却气体流动的通风孔作为转子绕组通风孔20进行了说明，但不仅是转子绕组通风孔20，也可以将绝缘物通风孔及转子楔通风孔的整体作为对象。但是，若从构成转子的零件的加工时间出发，则将本发明仅应用于转子绕组通风孔20也存在工业上的效果。

另外，将隔着间隔在相对于开口的中心呈对称的两处位置形成线状的隆起21作为一例进行了说明，该隆起21在转子绕组通风孔20的壁面的负压侧沿着主流的方向延伸，但未必一定要对称的位置，只要相对于二次流动形成较薄的湍流层，就能通过配置由该冷却气体的径向的流动和转子的旋转速度的模拟求出的恰当的隆起线，来实现导热效率的最优化。

实施方式二

图7是表示本发明实施方式二的转子的通风孔的截面形状的俯视图。在转子绕组通风孔20的内壁面的负压侧形成隆起的情况下，在图5中，将隆起的形状设为在两侧平缓的截面呈等腰三角形的形状，但也可以采用如图7所示的产生台阶这样的截面呈三角形的形状。在由隆起围住的区域中，同样地抑制了二次流动，因此，能获得相同的效果。

实施方式三

图8是表示本发明实施方式三的转子的通风孔的截面形状的俯视图。采用了使转子绕组通风孔20的两端的宽度比中央部的宽度朝负压侧扩大的形状。这样，转子绕组通风孔20采用了以下形状：转子绕组通风孔20的内壁面的负压侧从两端部朝中央部倾斜，并在中央部没有倾斜。即，在内壁面的规定部分形成微小的形状变化，因该形状的变化部分而抑制了转子绕组通风孔20的负压侧的中央部的二次流动。藉此，转子通风孔的负压侧表面的流动方向、即径向的速度变大，因此，温度边界层变薄，促进了导热。这样，能有效地去除转子绕组2的发热，能将转子绕组2的温度保持得较低，并能抑制绝缘物的绝缘劣化。

实施方式四

图9是表示本发明实施方式四的转子的通风孔的截面形状的俯视图。在图8中，转子绕组通风孔20的正压侧的面与旋转方向垂直，但在图9所示的结构中，使正压侧的内壁面与所述负压侧的内壁面相同地倾斜而形成为相互平行。在负压侧的壁面的倾斜变化的区域中，相对于冷却气体的径向的主流，抑制了转子绕组通风孔20的负压侧表面的二次流动，因此，能获得相同的效果。

另外，本发明在其发明的范围内能将各实施方式自由组合，或是将各实施方式适当变形、省略。

Claims (4)

1.一种旋转电机的转子，其特征在于，包括：

通道，该通道设于转子，并供冷却气体在转轴方向上流动；以及

转子绕组通风孔，该转子绕组通风孔与所述通道连通，且在由导体和层间绝缘层层叠而成的转子绕组上以沿所述层叠的方向贯穿所述导体和所述层间绝缘层的方式设置，以供冷却气体在旋转的径向上流动，

在所述转子绕组通风孔的负压侧的内壁面设置隆起的形状变化，该隆起沿所述层叠的方向呈线状地出现。

2.如权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于，

所述转子绕组通风孔的内壁面负压侧的隆起采用了具有平缓的倾斜和台阶的形状。

3.如权利要求1所述的旋转电机的转子，其特征在于，

将所述转子绕组通风孔设为以下形状：所述转子绕组通风孔的截面形状的两端部的宽度比中央部的宽度朝负压侧扩大，所述转子绕组通风孔的内壁面从所述两端部朝所述中央部倾斜，并在所述中央部没有倾斜。

4.如权利要求2所述的旋转电机的转子，其特征在于，

将所述转子绕组通风孔的截面形状设为以下形状：使正压侧的内壁面与所述负压侧的内壁面相同地倾斜而形成为相互平行。