JP2007116756A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、回転子巻線の冷却性能を改善した回転電機の回転子を得ることにある。
【解決手段】本発明では、上記課題を解決するために、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子鉄心の各スロット内に、複数の導体が積層されて形成される回転子巻線の保持環で保持されている軸方向端部の回転子巻線が、各導体の表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成され、該通風溝には前記冷却風を導く入気孔及び冷却風を排気する排気孔を有し、かつ、表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成された導体を積層して前記回転子巻線を構成する各導体は、前記通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に前記入気孔の開口部が設けられていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機の回転子に係り、例えばタ−ビン発電機の回転子の如く、回転子巻線を構成する軸方向端部の導体に冷却風を流す通風溝が形成されているものに好適な回転電機の回転子に関する。

一般的なタ−ビン発電機は、回転軸に支持された回転子が固定子と対向配置して概略構成されている。回転子を構成する回転子鉄心は、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有し、このスロット内に回転子巻線を形成する複数の導体を積層し格納している。導体は、スロットの外周側に配置したウェッジ回転子鉄心に拘束されており、ウェッジは高速回転時にも導体を保持できるように設計されている。回転子巻線の軸方向端部には、該部分を覆うように絶縁筒を介して保持環が嵌着され、この保持環で導体の遠心力を保持するようにしている。

ところで、一般に保持環の下の導体付近には明確な冷却風が流通する流路が無いため、この部分の温度が高くなるが、この部分の温度上昇を低減する方法として、導体の長手方向に冷却風が流通する通風溝を設ける方法が提案されている。たとえば図９に示すごとく、導体１の表面側にその軸方向に沿うと共に途中から周方向に沿って冷却風が流れる通風溝４１を形成し、この通風溝４１と連通し冷却風を導く入気孔２１を導体１の側面に設け、通風溝４１を流れた冷却風を排気する排気孔５１を導体１の径方向を貫通して設けている。更に、通風溝４１を流れて導体１を冷却した冷却風は、ウェッジ７に形成されている排気口８から排出されるようになっている。

この図９に示した導体を複数多段に積層して回転子巻線を構成し、回転子巻線の側面に形成された入気孔から冷却風を通風溝に導き、この通風溝に冷却風を流通させて回転子巻線を冷却した後、冷却風は纏めて排気孔から排出するものが特開昭６３−１５６４４号公報に記載されている。

また、通風溝の途中に、開口部が導体の側面に形成されている第２の入気孔を設けて導体長手方向の温度分布の改善を図ったものが特開２００３−８８０２２号公報に記載されている。

特開昭６３−１５６４４号公報 特開２００３−８８０２２号公報

しかしながら、上記した従来技術（特開昭６３−１５６４４号公報）では、必ずしも各スロットの温度を効率的に低減することはできなかった。これを図８及び図１０を用いて説明する。ここでは２極の界磁を持つタービン発電機を例に説明する。

通常、タービン発電機の回転子は、定格運転時に毎分３０００回転，３６００回転などの高速で回転する。このとき回転子巻線の導体１を冷却するための冷却風は、保持環３と回転軸２の隙間を経由して導入される。ここで冷却風は、回転子から見て軸方向に平行に入気するのではなく、いくらかの回転成分を持った向きで入気するのが普通である。この回転成分を持った向きで入気する冷却風の入気角度は、回転子の冷却風量や固定子側の構造，固定子側の冷却風の流量などによって変わる。たとえば直径１ｍ，３６００回転の発電機であれば、導体１の回転速度はπ×３６６０／６０×１＝１８８ｍ／ｓとなる。固定子５と回転子４の間の空間では、冷却風が周方向の速度を持たないと仮定すると、冷却風９は回転子４から見て周方向に１８８ｍ／ｓの相対速度をもつことになる。この位置での冷却風の軸流速度は通常１０〜２０ｍ／ｓ程度であるので、冷却風は軸方向から見て直角に近い角度で入気することになる。

これを詳細にみると図１０となる。図１０は、図８の導体１付近を軸端側からみた拡大図で、図９に示した導体を複数積層した構造である。

該図において、導体１１，１２，・・・，１９には、それぞれの表面側に通風溝４１，４２，・・・，４９が形成され、それぞれの導体の側面側に前記通風溝に冷却風を導く入気孔２１，２２，・・・，２９が形成され、軸端部で折り返されて磁極８０に対して対称な形状に形成されている。

通常、導体の軸方向の動きを制限するために磁極部には絶縁スペーサ７０が設置されるが、回転方向を９０で示すと、前述したような高速の周方向速度で冷却風９が入気してきた場合、冷却風９は絶縁スペーサ７０の裏側（回転方向９０とは反対側）には入気しづらくなる。つまり、図１０の例では、冷却風９が図に示すような角度で入射した場合、斜線部１００は絶縁スペーサ７０のかげ（裏側）となり、冷却風９が入りづらくなる。即ち、斜線部１００内に位置する入気孔２１，２２，２３，・・・，２９に入る冷却風９の流量が必要量確保できない恐れが生じ、冷却風９の入気角度が９０°に近くなれば、冷却風９が全く流れないという可能性もある。これは、磁極８０に対して対称な位置に設けられた入気孔３１，３２，３３，・・・，３９でも同様であり、結果的に導体が効果的に冷却されずに温度上昇してしまい回転子巻線の冷却性能が良くないと言う問題がある。

本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、回転子巻線の冷却性能を改善した回転電機の回転子を提供するにある。

本発明の回転電機の回転子は、上記目的を達成するために、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子鉄心と、該回転子鉄心の各スロット内に、複数の導体が積層されて収納される回転子巻線と、該回転子巻線の軸方向端部を覆って保持する保持環とを備え、前記保持環で保持されている軸方向端部の回転子巻線は、各導体の表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成され、該通風溝には前記冷却風を導く入気孔及び冷却風を排気する排気孔が設けられるものであって、表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成された導体を積層して前記回転子巻線を構成する各導体は、前記通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に前記入気孔の開口部が設けられていることを特徴とする。

本発明の回転電機の回転子は、回転子巻線を構成する導体の通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられた入気孔の開口部から冷却風を導入できるので、冷却風の入気角度に係らず効率的に冷却風を取り入れることができ、導体の温度上昇が妨げられ回転子巻線の冷却性能が改善されるという利点がある。

回転子巻線の冷却性能を改善するという目的を、大幅な構造変更を伴うことなく簡単な構成で実現した。

タービン発電機の構造を図７及び図８に示す。

該図に示す如く、タービン発電機は回転軸２に支持された回転子４が固定子５と対向配置して概略構成されている。回転子４を構成する回転子鉄心４ａは、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロット６を有し、このスロット６内に回転子巻線を形成する複数の導体１を積層し格納している。導体１は、スロット６の外周側に配置したウェッジ７で回転子鉄心４ａに拘束されており、ウェッジ７は高速回転時にも導体１を保持できるように設計されている。回転子巻線の軸方向端部には、該部分を覆うように絶縁筒を介して保持環３が嵌着され、この保持環３で導体１の遠心力を保持するようにしている。

ところで、一般に保持環３の下の導体１付近には明確な冷却風が流通する流路が無いため、この部分の温度が高くなるが、この部分の温度上昇を低減する方法として、導体の長手方向に冷却風が流通する通風溝を設ける方法が提案されている。たとえば図９に示すごとく、導体１の表面側にその軸方向に沿うと共に途中から周方向に沿って冷却風が流れる通風溝４１を形成し、この通風溝４１と連通し冷却風を導く入気孔２１を導体１の側面に設け、通風溝４１を流れた冷却風を排気する排気孔５１を導体１の径方向を貫通して設けている。更に、通風溝４１を流れて導体１を冷却した冷却風は、ウェッジ７に形成されている排気口８から排出されるようになっている。

図１は、本発明の回転電機の回転子の一例であるタービン発電機の回転子巻線の軸方向端部を示すものである。

該図に示す回転子巻線も従来と同様に、軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子鉄心の各スロット内に、複数の導体１１，
１２，・・・，１９が積層されて収納されて構成されている。

この内の１本の導体１１を図２に示す。該図に示す如く、導体１１には、導体１１の表面側の軸方向に沿うと共に途中から周方向に沿って設けられた冷却風９が流れる通風溝
４１が形成されている。更に、この通風溝４１が形成されている側とは反対側の導体１１の底面には、冷却風９を通風溝４１に導く径方向に貫通している入気孔２１の開口部が形成され、一方、通風溝４１の入気孔２１が形成されている側とは反対側には、通風溝４１内を流れた冷却風９を排気する排気孔５１が径方向に貫通して設けられている。

そして、この導体１１と同様な構成を有する複数の導体１２，１３，・・・，１９が径方向に積層されることにより、通風溝は上方に位置する導体の通風溝が形成されていない平面で覆われることで確保され、更に入気孔及び排気孔は径方向に連続して伸びて、それぞれの導体の通風溝と連通することで確保されている。

このような本実施例の構成とすることにより、冷却風９は、通風溝４１，４２，・・・，４９が形成されている側とは反対側の導体１１，１２，・・・，１９の底面に設けられた入気孔２１，２２，・・・，２９の開口部から回転子巻線内に導入されるため、冷却風９の入気角度にかかわらず、入気孔２１，２２，・・・，２９が絶縁スペーサ７０のかげ（裏側）に入らない。これにより、周方向速度にかかわらず効果的に冷却風９を入気孔に取り入れることができるので、入気孔２１，２２，・・・，２９に入った冷却風９は、通風溝４１，４２，・・・，４９を通り排気孔５１，５２，・・・，５９から排気されることにより、導体の温度上昇は低減され回転子巻線の冷却性能が改善される。

尚、入気孔２１，２２，・・・，２９と排気孔５１，５２，・・・，５９等の流通面積は、通風溝４１，４２，・・・，４９の合計流通面積よりも多くとることが望ましい。また、底面が冷却風に露出している最低の導体１１の排気孔５１は省略することができる。

図３に本発明の回転子巻線に採用される導体の他の例を示す。該図に示す例は、図２に示した導体１１の通風溝４１の途中に、該通風溝４１が形成されている側とは反対側の導体底面に第２の入気孔３１を設けたものである。このように形成された導体を、複数径方向に積層して回転子巻線が構成される。

このような構成でも上述した効果を達成することは勿論、入気孔が複数あることから、導体の長手方向の温度分布を自由に変えることができる。

図４に図３の導体を使用した場合の導体長手方向位置における温度上昇例を示し、横軸に導体長手方向位置、縦軸に導体温度上昇をとっている。該図より明らかな如く、従来例（特開２００３−８８０２２号公報）の入気孔の開口部が導体側面にあり、入気する冷却風の周速が高く、絶縁スペーサ等の構造物で阻害されていたものに比べて、本実施例では冷却風が導体底面の開口部から無駄なく入気孔に入気するため、導体長手方向の全長に渡っての冷却流量が増加し、導体長手方向の温度上昇が低減されることが分かる。

なお、この例では１つの導体につき入気孔を２箇所設けた例を示したが、更に入気孔を設けても良いし、排気孔を複数箇所設けても良いことは勿論である。また、底面が冷却風に露出している最低の導体１１の排気孔５１は省略することができる。

図５に本発明の第３の実施例を示す。この実施例では、入気孔２１〜２６は、その開口部が通風溝４１〜４６が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられていると共に、径方向に連続して伸びて導体表面側の周方向に沿って形成される通風溝４１〜４６の端部と連通して構成されている。更に、各導体１１〜１６の表面側の軸方向に沿って形成された通風溝４１〜４６の軸方向端部が、導体１１〜１６の積層方向の回転子巻線上方側
（導体１４〜１６）より下方側（導体１１〜１３）が長く形成され、通風溝４１〜４６内を流れる冷却風９を排気する排気孔は、導体の積層方向の回転子巻線の上方側で通風溝
４４〜４６の軸方向端部と連通する経路（排気孔５５，５６）と、導体の積層方向の回転子巻線の下方側で通風溝４１〜４３の軸方向端部と連通し各導体１２〜１６を貫通する経路（排気孔６２〜６６）とに各々独立して設けられている。

このような本実施例の構成とすることにより、上述した図１に示した実施例と同様な効果が達成できることは勿論、独立した２つの流路(排気孔５４〜５６と排気孔６２〜６６)を設けることによって、導体の上方ターン及び下方ターンそれぞれに適当な流量の冷却風を流すことができので、温度制御が容易になる。冷却風をコントロールする方法としては、導体ターン毎の通風溝の流通面積を変えても良いし、導体長手方向の通風溝の長さを変えても良い。また、１孔あたりで受け持つ導体のターン数を替えても良い。

なお、底面が冷却風に露出している最低導体には排気孔を設ける必要はないし、冷却効果が十分な場合には、複数導体の溝を省略することもできる。

図６に本発明の第４の実施例を示す。この実施例では、導体１１〜１６の表面側の長手方向に沿って冷却風９が流れる通風溝４１〜４６は、導体１１〜１６の積層方向の回転子巻線上方側（導体１４〜１６）では、導体の表面側の軸方向に沿うと共に途中から周方向に沿って形成され、導体１１〜１６の積層方向の回転子巻線下方側（導体１１〜１３）では、導体の表面側の軸方向のみに形成されている。また、入気孔２１〜２６の開口部が通風溝４１〜４６が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられ、径方向に連続して伸びて導体表面側の周方向に沿って形成される通風溝４１〜４６の端部と連通している第１の入気孔２１〜２６と、入気孔２１〜２６の開口部が通風溝４１〜４６が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられ、径方向の途中まで連続して伸びて導体１１〜１６の積層方向の回転子巻線下方側（導体１１〜１３）で、導体１１〜１３の表面側の軸方向のみに形成される通風溝４１〜４３の軸方向の一端部と連通している第２の入気孔３１〜３３とを備えている。更に、通風溝４１から４６内を流れる冷却風９を排気する排気孔は、導体の積層方向の回転子巻線上方側（導体１４〜１６）では軸方向と周方向に沿って形成される通風溝４４〜４６の軸方向端部と連通する経路（排気孔５５，５６）と、導体の積層方向の回転子巻線下方側（導体１１〜１３）では軸方向のみに形成される通風溝４１〜４３の軸方向の他端部と連通し各導体１２〜１６を貫通する経路（排気孔６２〜６６）とに各々独立して設けられている。

このような本実施例の構成とすることにより、上述した図１に示した実施例と同様な効果が達成できることは勿論、入気側の長手方向に２箇所（入気孔２１〜２６と入気孔３１〜３３）、排気側にも２箇所の流路（排気孔５５，５６と排気孔６２〜６６）を設け、上側導体１４〜１６の通風溝４４〜４６と下側導体１１〜１３の通風溝４１〜４３を完全に独立にさせているので、温度制御が図５に示した実施例より更に容易になる。なお、底面が冷却風に露出している最低導体には排気孔を設ける必要はない。

本発明によれば、スロット毎の巻線内の軸方向冷媒流量分布が改善されるため、回転子導体の温度上昇の均一化と温度上昇の低減を図ることができる。なお、本発明では発電機を例に説明したが、モータやその他回転電機についても広く応用できる。

本発明の一例であるタ−ビン発電機の回転子巻線の軸方向端部の一部を示す部分斜視図である（実施例１）。 図１の回転子巻線に採用される導体の一例を示す部分斜視図である。 図１の回転子巻線に採用される導体の他の例を示す部分斜視図である（実施例２）。 導体長手方向位置における導体温度上昇の関係を、本発明と従来例の場合を比較した特性図である。 本発明の第３の実施例であるタ−ビン発電機の回転子巻線の軸方向端部の一部を示す部分斜視図である（実施例３）。 本発明の第４の実施例であるタ−ビン発電機の回転子巻線の軸方向端部の一部を示す部分斜視図である（実施例４）。 本発明の一例であるタ−ビン発電機を一部破断して示す全体斜視図である。 図７の回転子端部を示す部分斜視図である。 タービン発電機の回転子巻線に採用される従来の導体を示す部分斜視図である。 図９に示した導体が採用されたタービン発電機の従来の回転子巻線を示す部分斜視図である。

符号の説明

１，１１，１２，１３，１４，１５，１６，１７，１８，１９…導体、２…回転軸、３…保持環、４…回転子、４ａ…回転子鉄心、５…固定子、６…スロット、７…ウェッジ、９…冷却風、２１，２２，２３，２４，２５，２６，２７，２８，２９，３１，３２，
３３，３４，３５，３６，３７，３８，３９…入気孔、４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９…通風溝、５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５９，６２，６３，６４，６５，６６…排気孔、７０，７１…絶縁スペーサ、８０…磁極。

Claims (10)

1. 軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子鉄心と、該回転子鉄心の各スロット内に、複数の導体が積層されて収納される回転子巻線と、該回転子巻線の軸方向端部を覆って保持する保持環とを備え、前記保持環で保持されている軸方向端部の回転子巻線は、各導体の表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成され、該通風溝には前記冷却風を導く入気孔及び冷却風を排気する排気孔が設けられている回転電機の回転子において、
   表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成された導体を積層して前記回転子巻線を構成する各導体は、前記通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に前記入気孔の開口部が設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
2. 前記入気孔は、径方向に連続して伸びて前記各導体の表面側に形成される通風溝の端部と連通している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. 前記各導体の通風溝の途中には、該通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に開口部が形成されている第２の入気孔が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記通風溝内を流れる冷却風を排気する排気孔が、前記導体の積層方向の回転子巻線上方側と下方側で各々独立して設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機の回転子。
5. 軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子鉄心と、該回転子鉄心の各スロット内に、複数の導体が積層されて収納される回転子巻線と、該回転子巻線の軸方向端部を覆って保持する保持環とを備え、前記保持環で保持されている軸方向端部の回転子巻線は、各導体の表面側の軸方向に沿うと共に途中から周方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成され、かつ、該通風溝には前記冷却風を導く入気孔及び冷却風を排気する排気孔が設けられている回転電機の回転子において、
   前記入気孔は、その開口部が前記通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられていると共に、径方向に連続して伸びて前記導体表面側の周方向に沿って形成される通風溝の端部と連通していることを特徴とする回転電機の回転子。
6. 前記通風溝内を流れる冷却風を排気する排気孔が、前記導体の積層方向の回転子巻線上方側と下方側で各々独立して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の回転子。
7. 前記各導体の表面側の軸方向に沿って形成された通風溝の軸方向端部が、前記導体の積層方向の回転子巻線上方側より下方側が長く形成され、前記通風溝内を流れる冷却風を排気する排気孔は、前記導体の積層方向の回転子巻線の上方側で前記通風溝の軸方向端部と連通する経路と、前記導体の積層方向の回転子巻線の下方側で前記通風溝の軸方向端部と連通し各導体を貫通する経路とに各々独立して設けられていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機の回転子。
8. 前記回転子巻線の最底部に位置する導体には前記排気孔が省略されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の回転電機の回転子。
9. 軸方向に延び、かつ、周方向に所定間隔をもって形成された複数のスロットを有する回転子鉄心と、該回転子鉄心の各スロット内に、複数の導体が積層されて収納される回転子巻線と、該回転子巻線の軸方向端部を覆って保持する保持環とを備え、前記保持環で保持されている軸方向端部の回転子巻線は、各導体の表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる通風溝が形成され、該通風溝には前記冷却風を導く入気孔及び冷却風を排気する排気孔が設けられている回転電機の回転子において、
   前記導体の表面側の長手方向に沿って冷却風が流れる前記通風溝は、前記導体の積層方向の回転子巻線上方側では、前記導体の表面側の軸方向に沿うと共に途中から周方向に沿って形成され、前記導体の積層方向の回転子巻線下方側では、前記導体の表面側の軸方向のみに形成されており、かつ、前記入気孔の開口部が前記通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられ、径方向に連続して伸びて前記導体表面側の周方向に沿って形成される前記通風溝の端部と連通している第１の入気孔と、前記入気孔の開口部が前記通風溝が形成されている側とは反対側の導体底面に設けられ、径方向の途中まで連続して伸びて前記導体の積層方向の回転子巻線下方側で前記導体の表面側の軸方向のみに形成される前記通風溝の軸方向の一端部と連通している第２の入気孔とを備え、前記通風溝内を流れる冷却風を排気する排気孔は、前記導体の積層方向の回転子巻線上方側では軸方向と周方向に沿って形成される前記通風溝の軸方向端部と連通する経路と、前記導体の積層方向の回転子巻線下方側では軸方向のみに形成される前記通風溝の軸方向の他端部と連通し各導体を貫通する経路とに各々独立して設けられていることを特徴とする回転電機の回転子。
10. 前記回転子巻線の最底部に位置する導体には前記排気孔が省略されていることを特徴とする請求項９に記載の回転電機の回転子。
    
    

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