JP2003259587A - 回転電機回転子 - Google Patents

回転電機回転子

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JP2003259587A
JP2003259587A JP2002050621A JP2002050621A JP2003259587A JP 2003259587 A JP2003259587 A JP 2003259587A JP 2002050621 A JP2002050621 A JP 2002050621A JP 2002050621 A JP2002050621 A JP 2002050621A JP 2003259587 A JP2003259587 A JP 2003259587A
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cooling
electric machine
conductors
groove
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Akiyoshi Komura
昭義 小村
Kazumasa Ide
一正 井出
Takashi Watanabe
渡辺  孝
Kenichi Hattori
憲一 服部
Tomoya Tsunoda
智也 角田
Shinya Odajima
伸也 小田島
Hiroshi Aoyama
博 青山
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00Details of windings
    • H02K3/04Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
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    • Y10T29/49Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002Electrical device making
    • Y10T29/4902Electromagnet, transformer or inductor
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Abstract

(57)【要約】 【課題】回転電機回転子端部における温度上昇低減を目
的として、回転子導体3に冷却溝10を加工し、冷却溝
10に冷却媒体を流すことによって冷却特性を向上させ
ることがある。この場合、冷却溝10がない場合に比べ
て平均面圧が大きくなるばかりか、冷却溝10の角部近
傍でピーク応力が発生するが、特に大容量の回転電機で
は大型化あるいは高密度化に伴い回転子導体に作用する
遠心力が大きくなる。 【解決手段】回転電機回転子において、回転子鉄心部に
巻線された複数本の回転子導体3のうち、少なくとも1
本以上の回転子導体3において冷却溝10を有し、その
うちの少なくとも1個以上の冷却溝において角部にR加
工を施すことにより、冷却溝10の角部近傍で発生する
ピーク応力を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、回転電機回転子及
び回転電機に関する。
【0002】
【従来の技術】図6に回転電機回転子の回転子端部に積
層されている回転子導体3の一部断面を示す。積層され
ている回転子導体3の各ターン間にはターン絶縁13と
呼ばれる絶縁物が挿入されている。このターン絶縁13
は回転子導体3の各ターンを電気的に絶縁するものであ
る。ターン絶縁に関連するものとして、特開平5−30
0683号公報がある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】冷却特性の向上を目的
として回転子導体3に冷却溝10を加工した場合、冷却
溝10がない場合に比べて平均面圧が大きくなるばかり
か、冷却溝10の角部近傍でピーク応力が発生する(図
7に応力分布の概念図を記載)。特に大容量の回転電機
では大型化あるいは高密度化に伴い回転子導体に作用す
る遠心力が大きくなり、冷却溝10の角部近傍で発生す
るピーク応力によってターン絶縁13が損傷し、信頼性
が低下する課題がある。
【0004】本発明の目的の一つは、回転電機に関し
て、信頼性を低下することなく、回転電機の回転子導体
における冷却特性を向上することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記のようなターン絶縁
13が損傷を回避するためには、冷却溝10の角部近傍
で発生するピーク応力を低減することが必要となる。
【0006】その手段としては、第一に、冷却溝10の
角部にR加工またはC加工を施すのが有効である。この
R加工またはC加工はRまたはCが大きいほどピーク応
力を低減する効果が大きくなるが、逆に平均面圧を上げ
てしまう課題がある。この課題を説明するR加工とピー
ク応力及び平均面圧との関係を示す概念図を図8に示
す。図8に示すように、R加工がR0.1mm 未満の場合
は、図8に点線で示す平均面圧(=遠心力によって発生
する荷重/接触面圧)と実線で示すピーク応力との差違
が大きくなり。また、R2.0mm より大きくなると平均
面圧の絶対値が大きくなる。図8では、R加工の例を示
すが、C加工についても同様である。このため、R加工
またはC加工としてはR0.1mm以上R2.0mm以下また
はC0.1mm以上C2.0mm 以下の範囲が望ましい。ま
た加工製造プロセスの容易性の観点からは、R0.1mm
以上R0.3mm以下またはC0.1mm以上C0.3mm以下
の範囲が望ましい。
【0007】第二に、冷却溝10の形状を上部で狭く下
部ほど広くするのが有効である。これにより、冷却溝1
0の上部で変形が生じるため、ピーク応力を緩和する効
果がある。
【0008】第三に、冷却溝10と向かい合う導体に浅
溝を設けるのが有効である。これにより、対面に設けら
れた浅溝で変形が生じるため、ピーク応力を緩和する効
果がある。
【0009】
【発明の実施の形態】図4に回転電機の回転電機回転子
の概略構造(断面図)の一例を示す。回転電機回転子
は、胴部を形成する回転子鉄心1と回転子鉄心1の中心
軸上両側に延伸する回転軸2で構成される。回転電機回
転子は回転軸2を支持する軸受装置により安定的に回転
支持されている。回転子鉄心1の胴部にはスロット7
(図5に表示)と呼ばれる溝が加工されており、スロッ
トの内部には界磁電流を流すための回転子導体3が複数
本積み重ねられた形で収納されている。回転子鉄心1の
両端には回転子導体3の端部を押圧することにより回転
子導体3の端部に働く遠心力を保持する円筒状のリテイ
ニングリング4とセンタリングリング5が設けられてい
る。また、回転軸2の両側には冷却媒体を昇圧するため
のファン6が設置されている。
【0010】図5に回転電機回転子の端部構造を拡大し
た部分斜視図を示す。ここで、回転子端部の構造をわか
りやすく表示するために、図5はリテイニングリング4
とセンタリングリング5を取り除いた形で描かれてい
る。スロット7の内部には、回転子導体3が複数本積み
重ねられた形で収納されており、スロット7の最外周側
には回転子導体3に働く遠心力を保持するためのウエッ
ジ8が設置されている。
【0011】回転電機回転子の端部では、最外径側に導
体の遠心力を保持するためのリテイニングリング4とセ
ンタリングリング5が取り付けられているため、通常冷
却媒体の外径側への通風路が存在しない。このため、回
転子端部の冷却は冷却能力が低いサーモサイホンと呼ば
れる自然対流熱伝達が主体となっており、回転子胴部に
比べて導体の発熱による温度上昇が大きくなる傾向にあ
る。特に大容量の回転電機ではこの問題が顕著になるた
め、図5に示すように回転子導体3に冷却溝10を加工
することにより、導体内部に通風路を設けて冷却能力の
向上を図る場合がある。ファン6により昇圧された冷却
媒体は冷却溝入口11から冷却溝10に流れ込み、冷却
溝10を通りながら回転子導体3を冷却する。その後、
回転子胴部側に流れた冷却媒体は、導体に加工されたラ
ジアルダクト12と呼ばれる半径方向の通風路を通っ
て、最終的に回転子の最外径側に到達する。ここで、通
風路となる冷却溝10を通る冷却媒体は主に回転子の遠
心力によって生じる圧力差によって駆動されるため、通
風路となる冷却溝10内の流速は大きく、導体側面のみ
での冷却の場合に比べてその冷却能力は格段に大きくな
る。
【0012】図1は、本発明の第一の実施形態である回
転電機回転子の回転子導体を示す断面図である。図1で
は、積層された回転子導体3のうち少なくとも一本以上
の回転子導体3に冷却溝10が加工されており、そのう
ちの1つ以上の冷却溝10の角部にR加工を施したもの
である。このR加工はRが大きいほどピーク応力を低減
する効果が大きくなるが、逆に平均面圧を上げてしまう
欠点がある。このため、R加工としてはR0.1mm以上
R2.0mm以下の範囲が望ましい。本実施例では、冷却
溝10の角部にR加工を施した例を説明したが、R加工
がC加工でも同様の効果が期待できる。
【0013】図2は、本発明の第二の実施形態である回
転電機回転子の回転子導体を示す断面図である。図2で
は、積層された回転子導体3のうち少なくとも一本以上
の回転子導体3に冷却溝10が加工されており、そのう
ちの1つ以上の冷却溝10の形状が台形状になっている
もの、すなわち溝上部の幅に比べて溝底部の幅が大きく
なっているものである。冷却溝10の形状をこのような
台形状にすることにより、冷却溝10の上部で回転子導
体の変形が生じやすくなるため、冷却溝10の角部近傍
で発生するピーク応力を低減することができる。本実施
例に、角部にR加工またはC加工を施す第一の実施例を
合わせて実施すれば、さらに大きな効果を期待すること
ができる。
【0014】図3は、本発明の第三の実施形態である回
転電機回転子の回転子導体を示す断面図である。図3で
は、積層された回転子導体3のうち少なくとも一本以上
の回転子導体3に冷却溝10が加工されており、そのう
ちの1つ以上の冷却溝10に向かい合う面に浅い対面溝
14を設けたものである。このように冷却溝10に向か
い合う形で対面溝14を設ければ、冷却溝10及び対面
溝14の角部で変形が生じやすくなり、冷却溝10の角
部近傍で発生するピーク応力を低減することができる。
本実施例に、角部にR加工またはC加工を施す第一の実
施例を合わせて実施すれば、さらに大きな効果を期待す
ることができる。
【0015】以上によれば、特に大容量の回転電機に関
して、回転電機の回転子導体に冷却溝を適用することが
可能となり、回転電機の回転子導体における冷却特性が
向上するため、回転子導体の温度上昇を低減することが
できる。この結果、回転電機の高効率化あるいは低コス
ト化,小型化を実現することができる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、信頼性を低下すること
なく、回転電機の回転子導体における冷却特性が向上で
きる回転電機回転子を提供できる。
【0017】さらに、当該回転電機回転子を有した回転
電機の信頼性を低下することなく、回転電機の回転子導
体における冷却特性が向上できる回転電機を提供でき
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施形態である回転電機回転子
の回転子導体を示す断面図である。
【図2】本発明の第二の実施形態である回転電機回転子
の回転子導体を示す断面図である。
【図3】本発明の第三の実施形態である回転電機回転子
の回転子導体を示す断面図である。
【図4】回転電機回転子の概略構造の一例を示す断面図
である。
【図5】回転電機回転子の端部構造を示す部分斜視図で
ある。
【図6】従来の回転電機回転子の回転子導体を示す断面
図である。
【図7】図6のA−A面における応力分布の概念図であ
る。
【図8】R加工とピーク応力及び平均面圧との関係を示
す概念図。
【符号の説明】
1…回転子鉄心、2…回転軸、3…回転子導体、4…リ
テイニングリング、5…センタリングリング、6…ファ
ン、7…スロット、8…ウエッジ、9…ティースベン
ト、10…冷却溝、11…冷却溝入口、12…ラジアル
ダクト、13…ターン絶縁、14…対面溝。
フロントページの続き (72)発明者 渡辺 孝 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立事業所内 (72)発明者 服部 憲一 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立事業所内 (72)発明者 角田 智也 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立事業所内 (72)発明者 小田島 伸也 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式会 社日立製作所日立事業所内 (72)発明者 青山 博 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 Fターム(参考) 5H603 AA12 AA15 BB02 BB07 BB09 BB12 CA02 CA04 CB03 CB24 CC04 CC17 CE02 EE22 FA02

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    においてR加工を施した角部を有することを特徴とする
    回転電機回転子。
  2. 【請求項2】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    においてR0.1mm以上R2.0mm以下のR加工を施した
    角部を有することを特徴とする回転電機回転子。
  3. 【請求項3】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    においてC加工を施した角部を有することを特徴とする
    回転電機回転子。
  4. 【請求項4】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    においてC0.1mm以上C2.0mm以下のC加工を角部を
    有することを特徴とする回転電機回転子。
  5. 【請求項5】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    において溝上部の幅が溝底部の幅より小さいことを特徴
    とする回転電機回転子。
  6. 【請求項6】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    において向かい合う回転子導体に溝を有することを特徴
    とする回転電機回転子。
  7. 【請求項7】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    においてR0.1mm以上R0.3mm以下のR加工を施した
    角部を有することを特徴とする回転電機回転子。
  8. 【請求項8】回転子鉄心部に巻線された複数本の回転子
    導体のうち、少なくとも1本以上の回転子導体において
    冷却溝を有し、そのうちの少なくとも1個以上の冷却溝
    においてC0.1mm以上C0.3mm以下のC加工を角部を
    有することを特徴とする回転電機回転子。
  9. 【請求項9】請求項1乃至請求項7のいずれか記載の回
    転電機回転子を有する回転電機。
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