JP2009060763A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の界磁コイルの冷却性能を確保しつつ、製作コストの低減化を図り得る回転電機を提供することにある。
【解決手段】回転子３のコイルスロット２２の底部側に、軸方向冷却媒体通路となるサブスロット７が設けられる。回転子の界磁コイル８には、サブスロット７とエアギャップ１１とに通じるよう回転子の径方向に形成されたラジアル冷却媒体通路９が、回転子の軸方向に複数並設される。固定子２には、回転子側のラジアル冷却媒体通路９に対応した位置で固定子の内外周に通じるように固定子の径方向に形成されたラジアル冷却媒体通路１３が並設される。固定子及び回転子側のラジアル冷却媒体通路９、１３は、回転電機の径方向内向きに冷却媒体の流れを形成する往路系通路と、径方向外向きに冷却媒体の流れを形成する復路系通路とで構成され、これらの往路系及び復路系通路が７サブスロットを介して連通する。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービン発電機などの回転子（ロータ）を冷却媒体で直接冷却する通風機構を備えた回転電機に関するものである。

一般にタービン発電機などの回転電機では、固定子（ステータ）や回転子（ロータ）に通風流路を設け、この通風流路に冷却媒体である空気や水素を循環させて、ジュール損や鉄損などによって発熱するコイルや鉄芯（コア）などを冷却する構造が知られている。

回転子の冷却方式には、冷却性能が高いことから、コイルを冷却媒体と接触させて冷却する直接冷却方式が広く用いられているが、回転電機の大容量化と低コスト化の両立可能な構造が要求されている。大容量化に対しては、回転電機が長軸化する傾向にある。

回転電機の通風機構の代表的な従来構造について、図１６〜図１９を用いて説明する。

図１６は、ラジアルフロー冷却方式回転子を備えたタービン発電機の一部を示す縦断面構成概略図である。１はタービン発電機、２は固定子、３は回転子、４は回転子軸（シャフト）である。

回転子軸４の端部に設置された軸流ファン５によって、タービン発電機１の各部位に送風される冷却媒体（流れを矢印で表示）６が発生する。回転子軸４の周りには、冷却媒体６を回転子３内に導くための通風流路であるサブスロット７がコイルスロットの下部に回転子軸４の軸方向に沿って形成されている。サブスロット７の上方に形成されたコイルスロットに積層構造の回転子用の界磁コイル（通電導体）８が配置される。積層構造である界磁コイル８には、サブスロット７からの冷却媒体を界磁コイル８に導くための通風流路であるラジアル流路（穴：ラジアル冷却媒体通路）９が回転子の径方向に向けて穿けられている。ラジアル流路９は、回転子の軸方向に所定間隔をおいて並設され、それらの吐き出し口１０が回転子３の外表面に軸方向に並んで開口している。

固定子２の内周面と回転子３の外周面間にはエアギャップ１１が確保されている。

固定子２の鉄芯（コア）１２には、固定子２内に冷却媒体６を導くための径方向通風流路（穴）である固定子冷却ダクト（冷却媒体通路）１３が軸方向に並んで配設される。１４は固定子２の通電導体である固定子コイルである。１５は各部位の冷却によって昇温した冷却媒体６を冷却するための冷却器である。

界磁コイル８の個々の要素（積層前）は、帯板形状の通電導体（図示せず）により形成され、軸方向に複数の通風孔を有し、この通電導体を径方向に複数枚積層して構成され、各層の通風孔が連通することで、界磁コイル８の軸方向に複数のラジアル流路９が並設される構造となっている。

これら複数のラジアル流路９と界磁コイル８の底部に設けたサブスロット７を連通させる。回転子３が回転すると、軸流ファン５の押込み作用とラジアル流路９内の遠心力によるポンプ作用により、冷却媒体６がサブスロット７内に流入する。また、軸流ファン５からの冷却媒体の一部は、エアギャップ１１および固定子コイル１４の端部へと流れる。サブスロット７内に流入した冷却媒体６は、回転子３の軸方向中央から軸他端に向かって流れながら各ラジアル流路９に順次分配される。この冷却媒体６により、各ラジアル流路９において界磁コイル８を冷却し、冷却媒体は、ラジアル流路９の開口１０からエアギャップ１１内に吐き出される。その後、冷却媒体６は、エアギャップ１１より固定子冷却ダクト１３内に流入し、鉄芯１２や固定子コイル１４を冷却した後、固定子コイル１４の端部を冷却した冷却媒体６と合流する。その後、各発熱部位の冷却によって昇温した冷却媒体６は、冷却器１５に流入して降温され、軸流ファン５に戻る一巡した流れを形成する。

ラジアルフロー冷却方式回転子は、例えば、特開平９−２８５０５２号公報、特開２００５−２１０８９３号公報、特開平１０−１７８７５４号公報に開示されている。

ラジアルフロー冷却方式回転子では、同一の導体を径方向に積層すれば、界磁コイル８内に複数のラジアル流路９が形成でき、回転子２の製作性に優れ、低コスト化が図れると言う利点がある。一方、サブスロット７を流れる冷却媒体６を回転子３の端部より順次分配しながらラジアル流路９内に導き、界磁コイル８を冷却するため、流動抵抗が大きくなる中心部に向かうほど冷却媒体６の流量が低下し、界磁コイル８の温度が中心部ほど高くなるという問題があった。そのため、回転子３の長軸化が困難であり、主に１００MVAまでの小容量機に用いられている。

これに対し、界磁コイル８の軸方向冷却性能を一様にさせたギャップピックアップ斜流冷却方式回転子がある（例えば、特開２０００−１３９０５０号公報）。

図１７は、ギャップピックアップ斜流冷却方式回転子を備えたタービン発電機の縦断面構成概略図である。

回転子２の積層構造タイプの界磁コイル８内にVの字形に穿孔された斜め流路１６が形成され、その斜め流路の開口１７が回転子２の外表面に配設されている。１８は各部位の冷却によって昇温した冷却媒体６を冷却するための主冷却器、１９は同じく補助冷却器である。

固定子２には、径方向の固定子冷却ダクト１３が回転電機の軸方向に並んで配設されている。

本方式では、冷却媒体６が固定子冷却ダクト１３内を径方向の内向きに流れるリバースゾーン２０と、径方向の外向きに流れるフォワードゾーン２１が設定されている。

界磁コイル８は、軸方向に複数の通風孔を有した導体（図示しない）を径方向に複数枚積層して構成され、各層の通風孔が連結することで、界磁コイル８内に斜め流路１６が形成される構造となっている。また、導体の通風孔は、回転子３の周方向（紙面方向）に２列配置され、これによって、界磁コイル８内のＶの字斜め流路１６が網目状に形成される構造となっている。

軸流ファン５によって押し出された冷却媒体６は、固定子コイル１４の端部を冷却した後、補助冷却器１９に流入して一旦降温され、リバースゾーン２０の各固定子冷却ダクト１３に流入し、鉄芯１２や固定子コイル１４を冷却し、エアギャップ１１に吐き出される。その冷却媒体６は、回転子３の外表面に設置した吸い込み孔（開口）１７より斜め流路１６に導かれ、斜め内向きに流れて界磁コイル８を冷却する。その後、冷却媒体８は、界磁コイル８の底部で方向を変換し、斜め外向きに流れて界磁コイル８を冷却し、吐き出し口（開口）１０よりエアギャップ１１に吐き出される。

エアギャップ１１に吐き出された冷却媒体６は、フォワードゾーン２１の各固定子冷却ダクト１３内に流入し、鉄芯１２や固定子コイル１４を冷却した後、主冷却器１８に流入して降温され、軸流ファン５に戻る一巡した流れを形成する。

ここで、図１８、図１９を用いて、ギャップピックアップのメカニズムについて説明する。

図１８において、(a)が固定子冷却ダクト１３の吸い込み構造、(b)がその吐き出し構造である。

２８は固定子冷却ダクト１３の吸い込み孔１７に設けた切り込み、２９はダクト１３の吐き出し孔１０の下流部に設置した突起、３１は吸い込み孔の昇圧域、３２は吐き出し孔の減圧域である。

回転子３が回転すると、エアギャップ１１内には、冷却媒体６の相対的な周方向流れが発生する。吸い込み孔１７には、回転子の周方向に切り込み２８が設けてあるため、回転子３の外周面近傍の冷却媒体６は、吸い込み孔１７の内壁面に衝突する方向に導かれ、内壁面に近づくに従い静圧が回復し、吸い込み孔１７には昇圧域３１が発生する。ここで、hiは吸い込み孔１７部の切り込み２８の高さである。

一方、吐き出し孔１０の下流部には突起２９が設置されているため、冷却媒体６の周方向流れにより、突起背面に剥離渦が形成され、吐き出し孔１０には減圧域３２が発生する。ここで、hoは突起２９の高さである。

回転子に設けた斜め流路１６を流れる冷却媒体６の流量は、この吸排気の圧力差に依存する。図１９に、流量（Q）と圧力上昇（P）の関係の概略を示す。図１９において、実線がQ-P特性であり、ファンやポンプなどと同様な特性を示す。一方、図１９において、破線で示したのが、吸い込み孔１７から吐き出し孔１０までの冷却媒体６の圧損特性であり、これとQ-P特性の交点が動作点となり、斜め流路１６内の冷却媒体６の流量が決定される。

ギャップピックアップ斜流冷却方式回転子では、回転子３の外表面に一対の吸い込み孔１７と吐き出し孔１０を設け、その間に斜め流路１６を形成させることで、界磁コイル８を冷却する冷却媒体６の流量を確実に確保する構造となっている。斜め流路１６を軸方向に繰り返した構造であるため、界磁コイル８の軸方向に対して同様な冷却性能を実現でき、回転子３の長軸化が可能で、大容量化に対応できると言う利点を有する。一方、その流路構造の複雑さから、回転子３の製作工数が多く、低コスト化が困難という問題があった。そのため、主に５００MVA以上の大容量機に用いられている。

特開平９−２８５０５２号公報 特開２００５−２１０８９３号公報 特開平１０−１７８７５４号公報 特開２０００−１３９０５０号公報

前述したように、ラジアルフロー冷却方式回転子では、回転子の軸方向中心部に向かうほど冷却媒体の流量が低下し、界磁コイルの冷却性能が確保できなくなる傾向がある。

一方、ギャップピックアップ斜流冷却方式回転子では、界磁コイル内に複雑な通風構造を構成するために、回転子の製作工数が多く、低コスト化を図ることが難しい。

本発明の目的は、回転子の界磁コイルの冷却性能を確保しつつ、製作コストの低減化を図り得る回転電機を提供することにある。

本発明は、回転子の製作性が良好で、且つ、界磁コイルの冷却性能を向上させるために、基本的には、次のように構成される回転電機を提案する。

すなわち、固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、
前記回転子は、その周方向に所定の間隔を置いて複数配設されたコイルスロットと、前記コイルスロットの中に設けられる積層構造の界磁コイルとを有する回転電機において、
前記コイルスロットの底部側には、回転子の軸方向の冷却媒体通路となるサブスロットが設けられ、
前記回転子の界磁コイルには、前記サブスロットと前記エアギャップとに通じるよう回転子の径方向に形成されたラジアル冷却媒体通路が、回転子の軸方向に複数並設され、
前記固定子には、回転子側の前記ラジアル冷却媒体通路に対応した位置で前記固定子の内外周に通じるように固定子の径方向に形成された冷却媒体通路が並設され、
固定子側の前記冷却媒体通路及び回転子側の前記ラジアル冷却媒体通路は、回転電機の径方向内向きに冷却媒体の流れを形成する往路系通路と、径方向外向きに冷却媒体の流れを形成する復路系通路とで構成され、これらの往路系及び復路系通路が前記サブスロットを介して連通し、
且つ前記径方向内向きの流れと径方向外向きの流れを形成するための冷却媒体循環機構を備えることを特徴とする。

例えば、前記冷却媒体循環機構は、前記往路系通路を構成する固定子側の冷却媒体通路、前記エアギャップ、同じく往路系を構成する回転子側のラジアル冷却媒体通路の順で冷却媒体を前記サブスロットに導く冷却媒体送り込み機構と、
前記復路系通路を構成する回転子側のラジアル冷却媒体通路、前記エアギャップ、同じく復路系を構成する固定子側の冷却媒体通路の順で、前記サブスロットに導かれた冷却媒体を引き出す冷却媒体引き出し機構とを備え、
前記冷却媒体送り込み機構、冷却媒体往路系通路、サブスロット、冷却媒体復路系通路、冷却媒体引き出し機構を介して冷却媒体を循環させるよう構成する。

これにより、回転子外表面から冷却媒体を吸排気させ、回転子のラジアル流路内に冷却媒体の径方向内向き流れと径方向外向き流れを形成し、界磁コイルを軸方向の全体にわたり効率良く冷却するようにした。

本発明によれば、ラジアルフロー冷却方式回転子と同様に、製作性の容易な導体構造で界磁コイル内に複数の通風流路を構成できる。また、径方向内向き流れと径方向外向き流れの通風構造を回転子軸方向に繰り返すことで、界磁コイルの冷却性能を損なうことなく、回転子の長軸化にも対応できる。そのため、低コストで発電機容量を増大できるという利点がある。すなわち、本発明は、界磁コイルの冷却性能を向上させ、発電機容量を増大させるという目的を、簡単な構造変更のみで、回転子の製作性を損なわずに実現した。

以下、本発明の各実施例について説明する。

本発明の実施例１について、図１〜図４を用いて説明する。

図１は、実施例１の界磁コイルの一部を示す詳細構造図であって、(a)が界磁コイル８に設けた吸気側のラジアル冷却媒体流路９とサブスロット（冷却媒体軸方向流路）７を示し、(b)が排気側のラジアル冷却媒体流路９とサブスロット７を示した図である。

回転子２の周方向に所定間隔で複数のコイルスロット２２が配設される。このコイルスロット２２の外周側が開口し、この開口を通してコイルスロット２２内に積層構造の界磁コイル８が配置されている。

積層界磁コイル８を構成する帯状の導体２３の各層間には、導体間を電気的に絶縁するための絶縁材２４が介在している。

コイルスロット２２の底部に、軸方向の冷媒流路となるサブスロット７が形成され、この上に積層構造の界磁コイル８が段差７´により支持された状態で、界磁コイル８がコイルスロット２２に配置される。界磁コイル８とコイルスロット２２の間には、コイル８を支えるためのコイル支持材２５が介在する。コイルスロット２２の開口を覆うように固定されているウェッジ２６は、回転子の遠心力による界磁コイル８のズレを防止するための固定材として機能する。

２７は界磁コイル８とウェッジ２６とを電気的に絶縁するためのクリページブロックである。

図２は、本発明の実施例１に用いられる導体の一部を示す平面図である。図２に示すように、界磁コイルの導体２３には、ラジアル流路９を形成するための通風孔３０が軸方向に所定間隔をおいて配設される。

図３は、本発明の実施例１の回転電機の冷却構造を備えたタービン発電機の上半分の縦断面構造概略図である。

導体２３の長手方向（回転子軸方向）に複数配設された通風孔３０を有する同一構造の導体２３をコイルスロット２２内の径方向に複数個積層して界磁コイル８を構成すると、界磁コイル８内には、軸方向に複数のラジアル冷却媒体通路（以下、「ラジアル流路」と称する）９が形成される。

回転子軸４と界磁コイル８とは、周囲のコイル支持材２５やクリページブロック２７によって電気的に絶縁される。

各界磁コイル８の最外周部には、冷却媒体の通路要素となる吸い込み孔１７や吐き出し孔１０を有したウェッジ２６がコイルスロット２２を覆うように設置される。

各ウェッジ２６は、回転子軸４に固定される。また、吸い込み孔１７には、切り込み２８が、吐き出し孔１０の下流部には突起２９が、それぞれ回転子の周方向に設けられる。

回転子コアに設けたコイルスロット２２の下部、すなわち積層構造の界磁コイル８の底部に隣接して回転子の軸方向通風流路となるサブスロット７が確保され、このサブスロット７と界磁コイル８内の複数のラジアル流路９とを連通させる。

図３における回転子３に形成されるラジアル流路９と、固定子２に形成される冷却媒体通路（以下、「ラジアル流路」と称する）１３とは、図１６に示すラジアル冷却方式と同様に、それぞれ回転子３の径方向と固定子２の径方向とに向けて形成され、また、軸方向に並んで設けられている。ただし、これらのラジアル流路９，１３は、リバースゾーン（吸い込み域）２０に対応する冷却媒体流路と、フォワードゾーン（吐き出し域）２１を形成する冷却媒体流路とに分けられる点で図１６の従来例とは異なる。またリバースゾーン２０の複数のラジアル流路９とフォワードゾーン２１の複数のラジアル流路９をサブスロット７で連通させた構造である点が異なる。そして、このような構造的特徴を作るために、次のような配慮がなされている。

図３において、回転電機の固定子２の周りには、冷却媒体のリバースゾーン２０とフォワードゾーン２１を回転電機の軸方向に交互に区画形成するための環状仕切り１００付きの筒状カバー（内筒）１０１が配設される。筒状カバー１０１の内側に形成されるリバースゾーン２０とフォワードゾーン２１は、回転子の外周と協働して、いずれも環状のスペースにより形成される。また、筒状カバー１０１には、リバースゾーン２０の吸い込み孔２０１とフォワードゾーン２１の吐き出し孔202とが軸方向に交互に配設されている。各吸い込み孔２０１には、補助冷却器１９の冷却媒体分配ダクト２０３が接続されている。

筒状カバー１０１の外側には、回転電機の外殻となる筒状ハウジング（外筒）１０２が形成され、筒状カバー（内筒）１０１と筒状ハウジング（外筒）１０２との間に冷却媒体の循環通路１０３が形成されている。筒状カバー１０１の吐き出し孔２０２は、循環通路１０３に臨むように設けられている。循環通路１０３は、回転シャフト４に設けた軸流ファン５の設置空間と通じており、さらに固定子２の一端に設けた冷却媒体コレクタ部１０４に通じている。この冷却媒体コレクタ部１０４の出口孔105が補助冷却器１９の戻りダクト２０４に接続されている。循環通路１０３の途中に主冷却器１８が配置されている。

軸流ファン５とダクト203と仕切り壁１００とで、往路系通路（リバースゾーン２０に対応の冷却媒体通路）を構成する固定子側のラジアル流路１３、エアギャップ１１、同じく往路系を構成する回転子側のラジアル流路９の順で冷却媒体をサブスロッ７トに導く冷却媒体送り込み機構を構成する。また、軸流ファン５と仕切り壁１００と吐き出し口２０２とで、復路系通路（フォワードゾーン２１対応の冷却媒体通路）を構成する回転子側のラジアル流路９、エアギャップ１１、同じく復路系を構成する固定子側のラジアル流路１３の順で、前記サブスロット７に往路系通路を介して導かれた冷却媒体を引き出す冷却媒体引き出し機構を構成する。これらの一連の冷却媒体の通路により冷却媒体の循環流路が形成される。すなわち、冷却媒体送り込み機構１９、往路系ラジアル通路１３、９、サブスロット７、復路系ラジアル流路９、１３、冷却媒体引き出し機構１８を介して冷却媒体を循環させるよう構成してある。

なお、本実施例では、サブスロット７における軸流ファン５寄りに仕切板４０を配置している。これは、サブスロット７のラジアル内向き流路（吸気通路）から流れ出る冷媒流体の合流バランスを良好に保持するために設けられたものである。

上記冷却媒体の流路構造を有する本実施例１における冷却媒体６の全体的な流れを、図３を用いて説明する。

軸流ファン５によって押し出された冷却媒体６は、固定子コイル１４の端部を冷却した後、補助冷却器１９に流入して一旦降温され、冷却媒体分配ダクト２０３を介してリバースゾーン２０の各固定子ラジアル流路１３に流入し、鉄芯１２や固定子コイル１４を冷却し、エアギャップ１１内に吐き出される。その冷却媒体６は、界磁コイル８の外周面の吸い込み孔１７より、リバースゾーン対応の各ラジアル流路９に導かれ、径方向内向き流れにより界磁コイル８を冷却する。その後、冷却媒体６は、サブスロット７で合流しながら軸方向に流れ、さらに、分岐しながらフォワードゾーン２１に対応した各ラジアル流路９に流入し、径方向外向き流れにより界磁コイル８を冷却し、吐き出し孔１０よりエアギャップ１１に吐き出される。

エアギャップ１１に吐き出された冷却媒体６は、フォワードゾーン２１対応の各固定子ラジアル流路１３に流入し、鉄芯１２や固定子コイル１４を冷却した後、冷却媒体循環通路１０３を介して主冷却器１８に流入して降温され、軸流ファン４に戻る一巡した流れを形成する。

以上のように、本発明の実施例１によれば、ラジアルフロー冷却方式でありながら、ギャップピックアップのリバースゾーン及びフォワードゾーンの原理を用いて、冷却媒体６をエアギャップ１１から吸排気し、ラジアル流路９内の径方向内向き流れと径方向外向き流れにより、界磁コイル８を冷却できる。本発明の実施例１によれば、従来のラジアルフロー冷却方式回転子と同様な構造で、軸方向の各ラジアル流路９に対して、ほぼ均一な流量が確保でき、界磁コイル８の冷却性能を向上できる。

図４は、本実施例１による界磁コイル８の軸方向温度分布を従来のラジアルフォロー冷却方式のものと比較した図である。

図４における破線は、従来技術のラジアルフロー冷却方式回転子の結果であり、冷却媒体６の流量低下に基づき、回転子の中心部に向かうほど温度上昇していることが理解できる。

これに対し、本実施例１は、実線で示すように吸い込み域（リバースゾーン）と吐き出し域（フォワードゾーン）とで幾分の温度差が生じているが、軸方向に対してほぼ平均的な温度分布となる。

ここで、リバースゾーン２０に対応した界磁コイル８の領域を吸い込み域（径方向内向き流れの領域）、フォワードゾーン２１に対応した界磁コイル８の領域を吐き出し域（径方向外向き流れの領域）とする。吐き出し域では、上流側（吸い込み域）を冷却したことによる冷却媒体６の温度上昇の影響を受けるため、吸い込み域に比べて界磁コイル８の温度が上昇する。また、吸い込み域と吐き出し域の境界位置では、熱伝導の効果により、温度勾配か緩和される。そのため、界磁コイル８の軸方向温度分布は、図４に示すような正弦波的な分布となる。

以上のように、本実施例１によれば、界磁コイル８の軸方向に対して、ほぼ一様に冷却できる利点がある。

吸い込み孔１７を備えたラジアル流路９と吐き出し孔１０を備えたラジアル流路９を軸方向に繰り返した構造とすることで、回転子３の長軸化が可能であり、大容量化にも対応できる。また、従来のラジアルフロー冷却方式回転子と同様な構造で回転子３を構成でき、製作性が良好なため、低コスト化も期待できる。

本発明の実施例２について、図５〜図８を用いて説明する。

図7及び図８が本発明の実施例２の冷却媒体の通路構造のうち固定子と回転子における通路部を示したものである。実施例１と異なる点は、サブスロット７に所定の間隔で複数の仕切板４０を配置した点であり、他は共通構造を有している。この実施例２に先立ち、本実施例を採用するに至る理由を図5及び図６を用いて説明する。

図５は、本発明の界磁コイル８内通風流路（ラジアル流路９）の通風抵抗を示した概略図である。

図５において、３３は回転子の吸い込み部（リバースゾーン対応ラジアル流路の吸い込み部）の通風抵抗、３４はラジアル流路部通風抵抗、３５は曲がり部通風抵抗、３６はサブスロット部通風抵抗、３７は合流部通風抵抗、３８は分岐部通風抵抗、３９は吐き出し部通風抵抗（フォワードゾーン対応ラジアル流路の吐き出し部）である。

本発明においては、実施例１でも説明したように、吸い込み域の複数のラジアル流路９と吐き出し域の複数のラジアル流路９をサブスロット７で連通させた構造である。このような構造においては、各通風流路の通風抵抗の度合いによっては、各ラジアル流路９の冷媒流量に差異の生じる可能性がある。図５では、吸い込み域、吐き出し域のラジアル流路９のうち、それぞれ４流路（計８流路）の部分に着目して説明してある。

ここで、吸排気間全体の圧損に対して、ラジアル流路９に係わる損失が支配的であれば、ラジアル流路９の構造が全て同一であることから、流量配分が均一となることは明らかである。図６に、各部位の通風抵抗を考慮した各ラジアル流路９内への流量配分の計算結果例を示す。図６は、サブスロット７に係わる通風抵抗を無視し、均一配分された場合の流量に対する相対値を示した結果である。ここで、合流・分岐に関して、サブスロット７内の軸方向流れを主流、ラジアル流路９内の径方向流れを支流とした。図６において、丸印が主流と支流の流路面積比を大とした結果、四角印が流路面積比を小とした結果である。従来技術のラジアルフロー冷却方式回転子では、サブスロット７部での圧力損失を極力軽減させて流量を確保する目的で、ラジアル流路９に比べてサブスロット７の流路面積を大きくしている。その従来技術と同程度とした場合の結果が流路面積比大であり、その半分とした場合の結果が流路面積比小である。図６に示す通り、サブスロット７に係わる各通風抵抗を考慮すると、吸い込み域および吐き出し域の各ラジアル流路９に流量分布が生じる。また、そこでの圧力損失が大きくなるほど、平均流量も低下する。

図７は、本発明の実施例２であり、(a)がタービン発電機の固定子及び回転子部の上半分の縦断面構造概略図、(b)がそのうちのサブスロット構造の部分拡大図であり、仕切板４０を装着する過程を示している。

仕切板４０は、サブスロット７内に設けた固定用の溝４１にはめ込んで設置される。この仕切板４０は、例えば吸い込みゾーン（リバースゾーン）対応のラジアル流路９と吐き出しゾーン（フォワードゾーン）対応のラジアル流路９とを同数とした領域（図ではそれぞれのゾーンのラジアル流路９が４つずつとしてある）ごとにサブスロット7内を仕切る。

実施例２の構造によれば、次の利点がある。

実施例１では、サブスロット７とほとんどのラジアル流路９が仕切りなく連通した構造であるため、製作誤差による構造の非対称性があった場合、流量分布の影響が全ラジアル流路９に波及する可能性がある。これに対し実施例２の構造では、吸い込み域と吐き出し域の対に合わせて、サブスロット７部に仕切板４０が設置されており、仕切板４０間で独立した通風流路構成となる。そのため、ラジアル流路９内に流量分布が生じた場合でも、その影響を最小限に防止できる利点がある。

また、仕切板４０は、コイルスロット内に界磁コイル８を格納する前に、サブスロット７内に容易に設置できる。

図８は、本発明の実施例２に適用する仕切板４０の変形例であり、(a)が仕切板４０の装着過程を示している部分拡大図、(b)が設置概略図である。本変形例によれば、仕切板４０の両面に流体ガイドとして機能する曲面を設けているため、冷却媒体６がラジアル流路９からサブスロット７へ、或いはサブスロット７からラジアル流路９へ向かうときの曲がり部通風抵抗を低減できる利点もある。

本発明の実施例３について、図９及ぶ図１０を用いて説明する。

図９は、実施例３を備えたタービン発電機の上半分の固定子、回転子部の縦断面構造概略図である。

本実施例では、リバースゾーン２０、フォワードゾーン２１に対応のそれぞれの固定子ラジアル流路１３の数を2個ずつ単位で交互に配置し、回転子３側のラジアル流路９の配置も固定子ラジアル流路同様の配置にした構造である。本発明の実施例３によれば、径方向下向き流れのラジアル流路９と径方向上向き流れのラジアル流路９とを隣り合わせにして１対で対応させることができる。

そのため、実施例１で示したような、サブスロット７部での合流や分岐の影響が無くなる。これにより、吸い込み孔１７から吐き出し孔１０までの通風抵抗を軽減でき、ラジアル流路９内の冷媒媒体６の流量を増大できる。図１０に、本発明の実施例３による界磁コイル８の軸方向温度分布を示す。径方向下向き流れと径方向上向き流れを数多く繰り返した構造であるため、実施例１に比べて凹凸の周期が短くなる。また、冷媒媒体６の流量を増大できるため、最高温度も低下する。

以上のように、本発明の実施例３によれば、ラジアル流路９内の冷媒媒体６の流量を増大でき、界磁コイル８の温度をさらに軽減できる利点がある。また、分岐や合流のない単流路構造となるため、ラジアル流路９間の流量不均一も防止でき、軸方向に対して、界磁コイル８を均一に冷却できる利点もある。

本発明の変形例として、吸い込み孔１７と吐き出し孔１０を一つ毎に交互に配置した究極の構造も考えられる。また、サブスロット７内での隣り合うラジアル流路９との干渉を防止するために、実施例２で示したような、サブスロット７内に仕切板を設ける構造も考えられる。

本発明の実施例４について、図１１、図１２を用いて説明する。

図１１は、ギャップピックアップのQ-P特性を示した図であり、(a)が吸い込み孔に設けた切り込み２８の高さhiをパラメータとした場合、(b)が吐き出し孔の下流部に設置した突起２９の高さhoをパラメータとした場合の特性である。図１１に示しように、切り込み高さhiが高いほど吸い込み部での昇圧効果が大きく、流量が増大する傾向にある。また、突起高さhoが高いほど吐き出し部での減圧効果が大きく、流量が増大する傾向にある。本発明の実施例４では、この特性を構造に反映する。

図１２に、吸い込み部の切り込み高さhiおよび吐き出し部の突起高さhoの軸方向分布を示す。実施例１で示した構造で、各ラジアル流路９内に冷却媒体の流量分布が生じることが予想される場合、それに合わせて、各吸い込み部の切り込み高さhiや各吐き出し部の突起高さhoを変化させる。このように、本発明の実施例４によれば、回転子３の内部構造を複雑化させること無く、各ラジアル流路内の冷媒流量を均一化でき、界磁コイルを均一に冷却できる利点がある。予め、切り込み高さhiや突起高さhoを変えたウェッジを規格品として複数用意すれば、容易に対応できる。

本発明の変形例として、サブスロット７内での隣り合うラジアル流路９との干渉を防止するために、実施例２で示したような、サブスロット７内に仕切板を設ける構造も考えられる。

本発明の実施例５について、図１３、図１４を用いて説明する。

図１３は、実施例５を備えたタービン発電機の固定子、回転子部の上半分の縦断面構造概略図である。

以下、本実施例と既述した実施例との相違点のみを述べる。

本実施例では、リバースゾーン２０とフォワードゾーン２１内の固定子ラジアル流路１３の数を異ならせ、それに合わせて、回転子３の吸い込み域（リバースゾーン対応）と吐き出し域（フォワードゾーン対応）内のラジアル流路９の数を軸方向に異ならせた構造である。

すなわち、図１３では、径方向下向き流れとなる往路系ラジアル流路９と径方向上向き流れとなる復路系ラジアル流路９とを、点線で示す区画でみると、回転子の軸方向の中央エリアにおいては、径方向下向きとなるラジアル流路９が４つ、それに対応する径方向上向き流れのラジアル流路９が２つになる構造を例に示した。

本構造によれば、吐き出し域（復路系）におけるラジアル流路９内の冷却媒体６の単位時間あたりの流量は、その流路数が吸い込み域（往路系）に比べて１／２となるので、それに反比例して吸い込み域に比べて２倍となる。そのため、吐き出し域（復路系）ラジアル流路９では、冷却媒体６の速度増大により、吸い込み域（復路系）ラジアル流路９より熱伝達率を増大できる。先に記したように、吐き出し域では、上流側（吸い込み域）を冷却したことによる冷却媒体６の温度上昇の影響を受けるため、吸い込み域に比べて界磁コイル８の温度が上昇する傾向がある。

しかしながら本実施例５によれば、吐き出し域での熱伝達率増大により、界磁コイル８の冷却性能を向上できる。図１４に、本発明の実施例５による界磁コイル８の軸方向温度分布を示す。吐き出し域での冷却性能を向上した構造であるため、実施例１に比べて最高温度が低下する。

図１５は、本実施例５の変形例である。本実施例では、界磁コイル８の各導体２３に設けた通風孔３０の数を、吸い込み域（往路系）と吐き出し域（復路系）とのラジアル流路に対応する部位で、変えた構造である。すなわち、図１５では、吸い込み域の通風孔３０と、吐き出し域の通風孔３０との数を１：２とした構造例を示している。

このような構造にするため、吸い込み域と吐き出し域のラジアル流路９の数が回転子の周方向において異なるようにした。本構造によれば、吸い込み域に比べて、吐き出し域での伝熱面積は２倍となる。一方、吐き出し域の単位時間あたりの流量（流速）は半減する。流れが乱流である場合、熱伝達率は、速度の０．８乗に比例するため、流量が半減した場合、熱伝達率は、約５７％に低減する。しかし、伝熱面積が２倍となるため、吸い込み域より吐き出し域での冷却性能を向上できることになる。

以上のように、本実施例５によれば、径方向下向き流れの吸い込み域に比べて、径方向上向き流れの吐き出し域での冷却性能を向上でき、界磁コイルの最高温度を軽減できる利点がある。

本発明の変形例として、サブスロット７内での隣り合うラジアル流路９との干渉を防止するために、実施例２で示したような、サブスロット７内に仕切板を設ける構造も考えられる。

固定子と回転子を備えた回転電機であれば、タービン発電機に限らず、回転子を本発明の構造とすることにより、長軸化による大容量化と低コスト化を実現できる。

本発明の実施例１で用いる回転子の界磁コイル詳細構造を示した部分斜視図。 実施例１における界磁コイルの要素となる導体の構造を示した部分平面図。 実施例１におけるタービン発電機全体の上半分の部分的な縦断面図。 実施例１の界磁コイル軸方向温度分布を従来例と比較して示した説明図。 界磁コイル内通風流路の通風抵抗を示した説明図。 ラジアル流路内の流量配分の計算結果を示した説明図。 （ａ）は本発明の実施例２における固定子と回転子の上半分を示す部分的な縦断面図、（ｂ）は本実施例に用いる仕切板をサブスロットに装着する過程を示す斜視図。 本実施例２のサブスロット部構造概略を示した説明図。 本発明の実施例３における固定子と回転子の上半分の部分的な縦断面図。 実施例１と実施例３の界磁コイル軸方向温度分布を示した説明図である。 実施例３においてギャップピックアップの流量−圧力特性を示した説明図。 本発明の切り込みと突起高さ軸方向分布を示した説明図。 本発明の実施例５における固定子と回転子の上半分の縦断面図。 本実施例５の界磁コイル軸方向温度分布を示した説明図。 本実施例の変形例を示す導体の構造を示した平面図。 従来例のラジアルフロー冷却方式回転子を備えたタービン発電機の上半分を示す縦断面図。 従来例のギャップピックアップ斜流冷却方式回転子を備えたタービン発電機の上半分を示す縦断面図。 ギャップピックアップの原理を示した説明図。 ギャップピックアップの流量−圧力特性を示した説明図。

符号の説明

１…タービン発電機、２…固定子（ステータ）、３…回転子（ロータ）、４…回転子軸（シャフト）、６…冷却媒体、７…サブスロット、８…界磁コイル、９…ラジアル流路（径方向冷却媒体通路）、１０…吐き出し孔、１１…エアギャップ、１３…固定子冷却ダクト、１７…吐き出し孔、１８…主冷却器、１９…補助冷却器、２０…リバースゾーン、２１…フォワードゾーン、２２…コイルスロット、２６…ウェッジ、２８…切り込み、２９…突起、４０…仕切板。

Claims (11)

1. 固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、
   前記回転子は、その周方向に所定の間隔を置いて複数配設されたコイルスロットと、前記コイルスロットの中に設けられる積層構造の界磁コイルとを有する回転電機において、
   前記コイルスロットの底部側には、前記回転子の軸方向の冷却媒体通路となるサブスロットが設けられ、
   前記回転子の界磁コイルには、前記サブスロットと前記エアギャップとに通じるよう回転子の径方向に形成されたラジアル冷却媒体通路が、回転子の軸方向に複数並設され、
   前記固定子には、回転子側の前記ラジアル冷却媒体通路に対応した位置で前記固定子の内外周に通じるように固定子の径方向に形成された冷却媒体通路が並設され、
   固定子側の前記冷却媒体通路及び回転子側の前記ラジアル冷却媒体通路は、回転電機の径方向内向きに冷却媒体の流れを形成する往路系通路と、径方向外向きに冷却媒体の流れを形成する復路系通路とで構成され、これらの往路系及び復路系通路が前記サブスロットを介して連通し、
   且つ前記径方向内向きの流れと径方向外向きの流れを形成するための冷却媒体循環機構を備えることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、
   前記冷却媒体循環機構は、
   前記往路系通路を構成する固定子側の冷却媒体通路、前記エアギャップ、同じく往路系を構成する回転子側のラジアル冷却媒体通路の順で冷却媒体を前記サブスロットに導く冷却媒体送り込み機構と、
   前記復路系通路を構成する回転子側のラジアル冷却媒体通路、前記エアギャップ、同じく復路系を構成する固定子側の冷却媒体通路の順で、前記サブスロットに導かれた冷却媒体を引き出す冷却媒体引き出し機構とを備え、
   前記冷却媒体送り込み機構、冷却媒体往路系通路、サブスロット、冷却媒体復路系通路、冷却媒体引き出し機構を介して冷却媒体を循環させるよう構成したことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２記載において、
   前記回転子の外周に形成されるコイルスロット開口部を覆うウェッジが回転子に装着され、このウェッジにも、回転子側のラジアル冷却媒体通路の一部を構成する通路が設けられている回転電機。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の回転電機において、
   前記界磁コイルに設けられた回転子側の前記ラジアル冷却媒体通路を、このラジアル冷却媒体通路の軸方向と径方向の２次元断面で表わすと、前記ラジアル冷却媒体通路は、前記回転子の中心軸に対して垂直の位置関係を有して配置された構造をなす回転電機。
5. 請求項３記載の回転電機において、
   前記ウェッジのうち前記往路系通路の一部となるウェッジに設けた冷却媒体の通路の開口には、冷却媒体の静圧上昇域を発生させるための切り込みが形成され、
   前記ウェッジのうち前記復路系通路の一部となるウェッジに設けた冷却媒体の通路の開口周縁には、冷却媒体の静圧低下域を発生させるための突起が形成されている回転電機。
6. 請求項５記載の回転電機において、
   前記ウェッジに形成される前記切り込み及び前記突起のうちの少なく一方の高さが、回転子の軸方向に複数並設される前記ラジアル冷却媒体通路の軸方向の位置に応じて変えてある回転電機。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載の回転電機において、
   前記往路系通路を構成する固定子側の冷却媒体通路及び回転子側のラジアル冷却媒体通路の数と、前記復路系通路を構成する固定子側の冷却媒体通路及び回転子側のラジアル冷却媒体通路の数とが、異なるように設定してある回転電機。
8. 請求項１ないし７のいずれか1項記載の回転電機において、
   前記往路系通路を構成する固定子側の冷却媒体通路及び回転子側のラジアル冷却媒体通路の数、前記復路系通路を構成する固定子側の冷却媒体通路及び回転子側のラジアル冷却媒体通路の数は、それぞれ回転子の軸方向の所定区画において、その区画ごとに軸方向に応じて異なるように設定してある回転電機。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項記載の回転電機において、
   固定子側に設けた前記冷却媒体通路及び回転子側に設けた前記ラジアル冷却媒体通路のうち少なくとも一方について、回転子の軸方向の位置に応じて回転子の周方向の数が異なるように構成した回転電機。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項記載の回転電機において、
    前記サブスロット内に冷却媒体の軸方向流れを区画する仕切板を複数設けた回転電機。
11. 請求項１０において、前記仕切板は、その表面に、冷却媒体が前記回転子の前記ラジアル冷却媒体通路から前記サブスロットの軸方向に流れを変えるとき又はその逆の方向に流れを変えるときの方向変換をスムーズにするための曲面が形成されている回転電機。

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