JP2010104202A - Rotor of rotating electrical machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電機などの回転電機に係わり、特に回転子コイルを冷却ガスにて冷却する構造を有する回転電機の回転子に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine such as a generator, and more particularly to a rotor of a rotating electrical machine having a structure in which a rotor coil is cooled by a cooling gas.
発電機などの回転電気機械(回転電機)は、中空円筒形状の固定子と、この中空部の直径よりも幾分直径の小さい円筒形状の回転子とが同心円上に配置された状態で構成されている。この固定子及び回転子は、各々、銅などの電気導電性のバー、いわゆるコイルを軸方向に配しており、回転子側のコイルを励磁した上で回転子を回転させると固定子側に電流が誘起される。この時、固定子や回転子には電気的な損失などに由来する大きな熱が発生するため、特別な冷却を必要とし、回転子にファンを設置するなどして機内に冷却ガスを送ることで強制冷却を行なっている。特に、回転遠心力を冷却ガス駆動力の主とする回転子コイルの冷却性能は、発電機などの回転電機の性能を左右する重要な要素となっている。 A rotating electrical machine (rotating electrical machine) such as a generator is configured in a state in which a hollow cylindrical stator and a cylindrical rotor having a diameter slightly smaller than the diameter of the hollow portion are arranged concentrically. ing. Each of the stator and the rotor is provided with an electrically conductive bar such as copper, that is, a so-called coil in the axial direction. When the rotor is rotated after exciting the rotor-side coil, the stator and the rotor are moved to the stator side. A current is induced. At this time, a large amount of heat is generated in the stator and rotor due to electrical loss, so special cooling is required, and a cooling gas is sent into the machine by installing a fan in the rotor. Forced cooling is performed. In particular, the cooling performance of the rotor coil whose main driving force is the rotational centrifugal force is a critical factor that affects the performance of a rotating electrical machine such as a generator.
回転子コイルの冷却には、そのコイル導体に上述の冷却ガスを直接接触させて冷却するいわゆる直接冷却方式が広く採用されており、いくつかの直接冷却方式のなかで、ラジアルフロー方式やダイアゴナルフロー方式が主流となっている。このうち、前者は構造が簡単なわりには冷却性能の良いことから中容量以上のタービン発電機にて、後者は回転子の中央部からも冷却ガスを供給できることから回転子軸長の長い大容量機にて採用されることが多い。 In order to cool the rotor coil, a so-called direct cooling method in which the above-described cooling gas is directly brought into contact with the coil conductor is widely used. Among several direct cooling methods, a radial flow method and a diagonal flow method are used. The method has become mainstream. Among them, the former is a turbine generator with medium capacity or higher because of its good cooling performance even though the structure is simple, and the latter can supply cooling gas from the center of the rotor. Often used in machines.
ラジアルフロー方式およびダイアゴナルフロー方式においては、共に回転子コイルの回転子鉄心のほぼ全長にわたり、コイル長手方向にある間隔をもって穿孔した通風孔を設け、通風孔に冷却ガスを通風して冷却を行っているが、これらの通風孔の形状、冷却ガスの供給方法や流動様式が異なる。 In the radial flow method and the diagonal flow method, ventilation holes that are perforated at intervals in the longitudinal direction of the coil are provided over the entire length of the rotor core of the rotor coil, and cooling is performed by passing cooling gas through the ventilation holes. However, the shape of these ventilation holes, the cooling gas supply method, and the flow mode are different.
図15にラジアルフロー方式の回転子を備える回転電機の概略構成および全体通風フローを、図16に同回転子を側面から見た断面形状および通風フローを、図17に同回転子を鉄心軸方向から見た断面形状を示す。 FIG. 15 shows a schematic configuration and overall ventilation flow of a rotating electrical machine having a radial flow type rotor, FIG. 16 shows a cross-sectional shape and ventilation flow when the rotor is viewed from the side, and FIG. 17 shows the rotor in the direction of the core axis. The cross-sectional shape seen from is shown.
図15に示されるように、回転電機は、固定子1と回転子2とが同心円上にエアギャップGを介して配置されており、矢印で示される通風フローにしたがって、ガス冷却機3で冷却された冷却ガスCがファン4により固定子1及び回転子2の内部に取り込まれて冷却が行われるようになっている。回転子2は、図16,図17に示されるように、円筒状の回転子鉄心11に所定の間隔でコイルスロット12が設けられ、各コイルスロット12には、スロット底絶縁板13Aを最下段に配置し、その上に回転子コイル14とターン絶縁体15を複数段収容し、更にクリページブロック16、および回転子楔17で固定されたものとなっている。
As shown in FIG. 15, in the rotating electrical machine, the stator 1 and the rotor 2 are arranged concentrically via an air gap G, and are cooled by the gas cooler 3 according to the ventilation flow indicated by the arrows. The cooled cooling gas C is taken into the stator 1 and the rotor 2 by the
ラジアルフロー方式の回転子2は、回転子コイル14の径方向に穿孔され冷却ガスCを通過させる複数のラジアルダクト(もしくは通風孔)18と、複数のラジアルダクト18へ冷却ガスCを供給するためコイルスロット12の内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロット19とを備えている。回転子2の回転による遠心ファン効果により、回転子鉄心11の両端部から冷却ガスCがサブスロット19に取り込まれると、冷却ガスCは、鉄心中央部に向かって、順次、複数のラジアルダクト18に分岐して入り込み、複数段の回転子コイル14の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル14を冷却した冷却ガスCは、当該回転子2と固定子1側の固定子鉄心10との間のエアギャップGへ送られ、固定子鉄心10の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。
The radial flow type rotor 2 supplies the cooling gas C to a plurality of radial ducts (or ventilation holes) 18 that are perforated in the radial direction of the rotor coil 14 and allow the cooling gas C to pass therethrough. The
一方、ダイアゴナルフロー方式の回転子2は、図18に示されるように、複数段の回転子コイル14の外径側から内径側に冷却ガスCを取り込む複数の給気用ダイアゴナルダクト(もしくは通風孔)21Aと、複数段の回転子コイル14の内径側から外径側に冷却ガスCを排出する複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bとを備えている。例えば、最も外径側に位置する回転子コイル14は、図19に示されるようなダイアゴナルダクト21Aまたは21Bを備えている。また、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイル14は、図20に示されるような冷却溝22を備えている。冷却ガスCは、エアギャップGからかき込むようにして複数の給気用ダイアゴナルダクト21Aに取り込まれ、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイル14の冷却溝22で折り返されて複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bに入り込み、回転子コイル14の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル14を冷却した冷却ガスCは、当該回転子2と固定子1側の固定子鉄心10との間のエアギャップGへ送られ、固定子鉄心10の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。
On the other hand, as shown in FIG. 18, the diagonal flow type rotor 2 includes a plurality of air supply diagonal ducts (or ventilation holes) that take in the cooling gas C from the outer diameter side to the inner diameter side of the plurality of stages of rotor coils 14. ) 21 </ b> A and a plurality of exhaust diagonal ducts 21 </ b> B for discharging the cooling gas C from the inner diameter side to the outer diameter side of the multi-stage rotor coil 14. For example, the rotor coil 14 located on the outermost diameter side includes a
上記2つの方式はともに、鉄心軸方向に複数の通風孔が離間して配備されていることから、冷却ガスCが各通風孔を通過する際の通風損失が異なり、各通風孔の位置によって冷却ガス流量分布に差が生じることが良く知られている。 In both of the above two methods, since a plurality of ventilation holes are spaced apart in the direction of the iron core, the ventilation loss when the cooling gas C passes through each ventilation hole is different, and cooling is performed depending on the position of each ventilation hole. It is well known that there is a difference in gas flow distribution.
この風量分布の不均一さを軽減する改良技術としては、様々な手法が考案されており、例えば、ラジアルフロー方式においては、特許文献1の図1に示されるように回転子の鉄心中央部に向かってサブスロットの深さが徐々に小さくなるように構成する手法、同じく特許文献1の図2に示すように回転子の鉄心中央部に向かってサブスロットの深さが階段式に小さくなるように構成する手法が知られている。
しかしながら、従来の手法によれば鉄心中央部のサブスロット内の通風損失が増加し、鉄心中央部の通風孔内の冷却ガス減少と、鉄心端部近傍の通風孔の冷却ガス増大をもたらす。 However, according to the conventional method, the ventilation loss in the sub-slot in the central part of the iron core increases, resulting in a decrease in cooling gas in the vent hole in the central part of the iron core and an increase in cooling gas in the vent hole in the vicinity of the iron core end.
特に、発電機やモータの回転子は、冷却設計上においては左右対称としていることが一般的であるが、実機においてはタービンや負荷機と連結している直結側と、その反対側の反直結側では、ファン上流側において構造上の制限により全くの同一であることはなく、直結側と反直結側とで若干の流量アンバランスが生じている。このため、ラジアルフロー方式におけるサブスロット19内の鉄心中央部や、ダイアゴナルフロー方式における最も内径側に位置する第1段目の回転子コイル14の冷却溝内の給気の方向が異なる給気孔間などにおいては、設計通りの冷却パスが構成されるとは限らず、図21に示されるような衝突流Sや図22に示されるような分岐流(もしくは衝突流)Bが生じていることが推測され、通風損失の増大を招いている。 In particular, the generator and motor rotors are generally symmetrical in terms of cooling design, but in the actual machine, the direct connection side connected to the turbine or load machine and the opposite direct connection On the other hand, the upstream side of the fan is not exactly the same due to structural limitations, and there is a slight flow unbalance between the direct connection side and the anti-direct connection side. For this reason, between the air supply holes having different air supply directions in the cooling center of the core coil in the sub-slot 19 in the radial flow method and the first stage rotor coil 14 located on the innermost diameter side in the diagonal flow method. In such a case, the cooling path as designed is not always configured, and a collision flow S as shown in FIG. 21 and a branch flow (or collision flow) B as shown in FIG. It is speculated that it causes an increase in ventilation loss.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、通風損失を効率的に低減させる回転電機の回転子を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, and it aims at providing the rotor of the rotary electric machine which reduces a ventilation loss efficiently.
本発明の一態様による回転電機の回転子は、円筒状の回転子鉄心に所定の間隔で設けたコイルスロットに磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層して収納された複数段の回転子コイルと、前記複数段の回転子コイルの径方向に穿孔され冷却ガスを通過させる複数のラジアルダクトと、前記複数のラジアルダクトへ冷却ガスを供給するため前記コイルスロットの内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロットとを具備し、前記回転子鉄心の両端部から冷却ガスを前記サブスロットに取り込むとともに前記複数のラジアルダクトに分岐させて前記複数段の回転子コイルを冷却するラジアルフロー方式の回転電機の回転子において、前記サブスロット内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部が設けられていることを特徴とする。 A rotor of a rotating electrical machine according to an aspect of the present invention includes a multi-stage rotation in which field coils are stacked in a multi-annular manner around a magnetic pole in a coil slot provided at a predetermined interval in a cylindrical rotor core. And a plurality of radial ducts that are perforated in the radial direction of the plurality of stages of rotor coils to allow cooling gas to pass therethrough, and an iron core shaft at the inner diameter bottom portion of the coil slot for supplying cooling gas to the plurality of radial ducts. A plurality of sub-slots arranged along the direction, cooling gas is taken into the sub-slots from both ends of the rotor core and branched into the plurality of radial ducts to cool the plurality of stages of rotor coils. In a rotor of a radial flow type rotating electrical machine, a partition for preventing separate cooling gases from joining in the direction of the iron core at a predetermined position in the sub-slot Wherein the parts are provided.
本発明によれば、回転電機の回転子において通風損失を効率的に低減させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, a ventilation loss can be efficiently reduced in the rotor of a rotary electric machine.
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
まず、図1〜図8を参照して、本発明の第1の実施形態に係るラジアルフロー方式の回転電機の回転子について説明する。
(First embodiment)
First, with reference to FIGS. 1-8, the rotor of the rotary electric machine of the radial flow system which concerns on the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
図1は、本発明の第1の実施形態に係るラジアルフロー方式の回転電機の回転子を側面から見た断面形状および通風フローを示す図である。本実施形態の回転子を備える回転電機の概略構成は、前述の図15に示されるものと同様である。また、本実施形態の回転子を鉄心軸方向から見た断面形状は、前述の図17に示されるものと同様である。但し、後述するように、サブスロット19に関わる構造が従来と異なる。以下、図15および図17も併せて参照しつつ説明する。 FIG. 1 is a diagram showing a cross-sectional shape and a ventilation flow when a rotor of a radial flow type rotating electrical machine according to the first embodiment of the present invention is viewed from the side. The schematic configuration of the rotating electrical machine including the rotor of the present embodiment is the same as that shown in FIG. Further, the cross-sectional shape of the rotor according to the present embodiment viewed from the iron core direction is the same as that shown in FIG. However, as will be described later, the structure related to the subslot 19 is different from the conventional one. Hereinafter, description will be made with reference to FIGS. 15 and 17 together.
図1に示されるように、本実施形態に係る回転子2は、円筒状の回転子鉄心11に所定の間隔でコイルスロット12が設けられ、各コイルスロット12には、スロット底絶縁板13Aを有するスロット絶縁体13を介して、複数段(例えば8段)の回転子コイル14、ターン絶縁体15が交互に収容され、更にクリページブロック16、および回転子楔17で固定されたものとなっている。回転子コイル14は、磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層されたものであり、段間にターン絶縁体15を挟んで構成される。
As shown in FIG. 1, in the rotor 2 according to the present embodiment,
また、本実施形態に係る回転子2は、冷却方式としてラジアルフロー方式を採用し、回転子コイル14の径方向に穿孔され冷却ガスCを通過させる複数のラジアルダクト(もしくは通風孔)18と、複数のラジアルダクト18へ冷却ガスCを供給するためコイルスロット12の内径底部分に鉄心軸方向に沿って配設されたサブスロット19とを備えている。回転子2の回転による遠心ファン効果により、回転子鉄心11の両端部から冷却ガスCがサブスロット19に導入されると、冷却ガスCは、鉄心中央部に向かって、順次、複数のラジアルダクト18に分岐して入り込み、複数段の回転子コイル14の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル14を冷却した冷却ガスCは、当該回転子2と固定子1側の固定子鉄心10との間のエアギャップGへ送られ、固定子鉄心10の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。
Further, the rotor 2 according to the present embodiment adopts a radial flow method as a cooling method, a plurality of radial ducts (or ventilation holes) 18 that are perforated in the radial direction of the rotor coil 14 and allow the cooling gas C to pass therethrough, In order to supply the cooling gas C to the plurality of radial ducts 18, a sub-slot 19 is provided at the inner bottom portion of the
特に、本実施形態に係る回転子2は、従来技術と異なり、サブスロット19内の所定の位置にて別々の冷却ガスCが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り部31Aを備えている。この仕切り部31Aは、例えば、鉄心中央部(もしくは給気セクションの中央部)における隣接するラジアルダクトの間の回転子コイル部分に対向する位置に設けられる。これにより、回転子鉄心11の両端部からサブスロット19に導入された各々の冷却ガスCは、鉄心中央部にて混合することなく、通風損失を招く衝突流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数のラジアルダクト18へ導かれるので、回転子2全体の通風損失を低減させることができる。 In particular, unlike the prior art, the rotor 2 according to the present embodiment includes a partition portion 31 </ b> A that prevents separate cooling gases C from joining in the core axis direction at a predetermined position in the subslot 19. . This partition part 31A is provided in the position which opposes the rotor coil part between the adjacent radial ducts in an iron core center part (or center part of an air supply section), for example. As a result, each cooling gas C introduced into the subslot 19 from both ends of the rotor core 11 is not mixed in the center of the iron core, and the occurrence of a collision flow that causes a ventilation loss is suppressed. Since it is efficiently guided to the plurality of radial ducts 18, the ventilation loss of the entire rotor 2 can be reduced.
なお、図1では仕切り部31Aの形状が四角柱である場合を例示しているが、代わりに、図2に示されるように四角錐台の形状を有する仕切り部32Aを設けてもよい。この場合、仕切り部31Aを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。また、代わりに、図3に示されるように両側に曲面部を有する仕切り部33Aを設けてもよい。この場合、仕切り部32Aを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。 1 illustrates a case where the shape of the partition portion 31A is a quadrangular prism, but instead, a partition portion 32A having a quadrangular pyramid shape may be provided as shown in FIG. In this case, the ventilation loss can be further reduced as compared with the case where the partition portion 31A is provided. Alternatively, as shown in FIG. 3, a partition 33A having curved portions on both sides may be provided. In this case, the ventilation loss can be further reduced as compared with the case where the partition portion 32A is provided.
図1,図2,図3にそれぞれ示される仕切り部31A,32A,33Aは、回転子鉄心11の一部として形成されている。すなわち、回転子2の製造工程において、仕切り部およびサブスロット19を形成するに際し、当該仕切り部を残すように回転子鉄心11の一部が鉄心軸方向に切削されたものとなっている。このように、当該仕切り部およびサブスロット19の形成に際して回転子鉄心11の一部を全長にわたって切削するのではなく、鉄心中央部(もしくは給気セクションの中央部)に仕切り部を残すように切削することにより、製造工数を増加させることなく、当該仕切り部およびサブスロット19を効率的に形成することができ、さらには、回転子鉄心の剛性をも高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。 The partition portions 31 </ b> A, 32 </ b> A, and 33 </ b> A shown in FIGS. 1, 2, and 3 are formed as part of the rotor core 11. That is, in the manufacturing process of the rotor 2, when the partition portion and the subslot 19 are formed, a part of the rotor core 11 is cut in the core axis direction so as to leave the partition portion. As described above, when the partition portion and the subslot 19 are formed, a part of the rotor core 11 is not cut over the entire length, but is cut so as to leave the partition portion in the iron core central portion (or the central portion of the air supply section). By doing so, the partition part and the subslot 19 can be efficiently formed without increasing the number of manufacturing steps, and further, the rigidity of the rotor core can be increased, and a safer rotor can be obtained. Can be realized.
また、一定の曲率を有するカッター刃で回転子鉄心11の一部を鉄心軸方向に当該仕切り部を残すように切削することによりサブスロット19が形成されていてもよい。この場合、曲面形成のための加工処理を別途行う必要がなく、図3に示されるように脚部表面に一定の曲率を有する仕切り部33Aを容易に形成することができる。 Further, the subslot 19 may be formed by cutting a part of the rotor core 11 with a cutter blade having a certain curvature so as to leave the partition portion in the core axis direction. In this case, it is not necessary to separately perform processing for forming a curved surface, and the partition portion 33A having a certain curvature can be easily formed on the leg surface as shown in FIG.
また、図1,図2,図3では各仕切り部が回転子鉄心11の一部である場合を例示したが、代わりに、各仕切り部がコイルスロット12のスロット底絶縁板13Aに取り付けられた部材であってもよい。すなわち、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイルの下にあるスロット底絶縁板13Aに、図4,図5,図6に示されるように仕切り部31B,32B,33Bが部材として取り付けられる構成であってもよい。なお、図4,図5,図6中の各(a)は鉄心軸方向正面から見た断面図を示し、各(b)は軸方向側面から見た断面図を示している。これら仕切り部31B,32B,33Bの形状は、それぞれ、前述の仕切り部31A,32A,33Aの形状と同じである。このように、サブスロット19内の仕切り部31B,32B,33Bをスロット底絶縁板13Aに具備させて構成することにより、回転子2の製造後においても仕切り部31B,32B,33Bの設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部31B,32B,33Bの形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板13Aを設置するに際し仕切り部31B,32B,33Bが足代わりとなるため、スロット底絶縁板13Aが安定し、回転子コイル14の積層が容易となる。
1, 2, and 3 exemplify the case where each partition is a part of the rotor core 11, instead, each partition is attached to the slot
図7は、図1中の仕切り部31Aの鉄心軸方向の幅について説明するための図である。仕切り部31Aに最も近い所にある隣接するラジアルダクト18の間の回転子コイル14の幅をW1とし、仕切り部31Aの鉄心軸方向の最も細い部分の幅をW2とした場合、W2は、W1以下でかつW1の半分以上の範囲内に収まっていることが望ましい。この構成により、冷却ガスCの通風損失をより効果的に低減させることができ、冷却ガスCを効率良く複数のラジアルダクト18へ導くことができる。なお、図7の構成は、図4中の仕切り部31Bに対しても同じように適用することができる。
FIG. 7 is a view for explaining the width of the partition portion 31A in FIG. 1 in the iron core axis direction. When the width of the rotor coil 14 between adjacent radial ducts 18 closest to the partition portion 31A is W1, and the width of the narrowest portion of the partition portion 31A in the core axis direction is W2, W2 is W1. It is desirable that it is less than or equal to half of W1. With this configuration, the ventilation loss of the cooling gas C can be more effectively reduced, and the cooling gas C can be efficiently guided to the plurality of radial ducts 18. 7 can be similarly applied to the
図8は、図3中の仕切り部33Aの曲面部の曲率半径について説明するための図である。 FIG. 8 is a diagram for explaining the curvature radius of the curved surface portion of the partition portion 33A in FIG.
サブスロット19の深さ方向の幅をH1とし、サブスロット19の底から回転子2表面までの高さをH2とした場合、仕切り部33Aの曲面部の曲率半径は、H1以上でかつH2以下の範囲内に収まっていることが望ましい。図8は、曲面部がH1と同じ長さの曲率半径R1を有する場合の例を示している。ここで、曲面部ができるだけH2と同じ長さの曲率半径R2を有するように構成することにより、冷却ガスCの曲面部での曲り損失をより効果的に低減させることができ、冷却ガスCを効率良く複数のラジアルダクト18へ導くことができる。なお、図8の構成は、図6中の仕切り部33Bに対しても同じように適用することができる。
When the width in the depth direction of the sub slot 19 is H1, and the height from the bottom of the sub slot 19 to the surface of the rotor 2 is H2, the curvature radius of the curved surface portion of the partition portion 33A is not less than H1 and not more than H2. It is desirable to be within the range. FIG. 8 shows an example in which the curved surface portion has a curvature radius R1 having the same length as H1. Here, by configuring the curved surface portion to have a radius of curvature R2 having the same length as H2 as much as possible, the bending loss of the cooling gas C at the curved surface portion can be more effectively reduced. It is possible to efficiently lead to a plurality of radial ducts 18. The configuration of FIG. 8 can be similarly applied to the
この第1の実施形態によれば、次のような効果が得られる。 According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
ラジアルフロー方式の回転子2において、サブスロット19内の鉄心中央部(もしくは給気セクションの中央部)にて別々の冷却ガスCが鉄心軸方向に合流することを妨げる仕切り部31Aを設けることにより、回転子鉄心11の両端部からサブスロット19に導入された各々の冷却ガスCを、鉄心中央部にて混合させることなく、通風損失を招く衝突流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数のラジアルダクト18へ導くことができるので、回転子2全体の通風損失を低減させることができる。 In the radial flow type rotor 2, by providing a partition portion 31 </ b> A that prevents separate cooling gas C from merging in the core axis direction at the iron core central portion (or the central portion of the air supply section) in the sub-slot 19. The cooling gas C introduced into the subslot 19 from both ends of the rotor core 11 is not mixed in the center of the iron core, and the efficiency is reduced in a state where occurrence of a collision flow that causes a ventilation loss is suppressed. Since it can lead to the several radial duct 18 well, the ventilation loss of the rotor 2 whole can be reduced.
また、カッター刃の曲率を利用して仕切り部の脚部を円曲状に形成することにより、ベンド管を容易に実現でき、仕切り部での曲がり損失を低減させることができる。 Further, by forming the leg portion of the partition portion in a circular shape using the curvature of the cutter blade, a bend pipe can be easily realized, and the bending loss at the partition portion can be reduced.
また、期待した通りに通風損失を低減させることができるため、従来よりも冷却効果が高まる回転子2の中央部では、回転子コイル14に穿孔するラジアルダクトもしくは冷却孔の設置間隔を広げることも可能となる。このことにより、回転子コイル14は電流を通過させる銅部分の面積を増加させることが可能となり、電流密度、ひいては発熱量を下げる効果を生み、冷却ガスの低減や小型化にも貢献できる。 Further, since the ventilation loss can be reduced as expected, in the central portion of the rotor 2 where the cooling effect is higher than before, the installation interval of the radial duct or cooling hole drilled in the rotor coil 14 can be increased. It becomes possible. This makes it possible for the rotor coil 14 to increase the area of the copper portion through which current passes, and to produce an effect of reducing the current density and thus the amount of heat generation, thereby contributing to the reduction of cooling gas and size reduction.
また、仕切り部を回転子2の鉄心中央部ではない位置に設けることによって、タービンや負荷機と連結している直結側と反直結側との構造の違いを鑑みた左右非対称の冷却を行うことも可能となる。 In addition, by providing the partition portion at a position other than the central portion of the iron core of the rotor 2, asymmetrical cooling is performed in consideration of the difference in structure between the direct connection side connected to the turbine and the load machine and the anti-direct connection side. Is also possible.
また、仕切り部およびサブスロット19の形成に際して回転子鉄心11の一部を全長にわたって切削するのではなく、鉄心中央部(もしくは給気セクションの中央部)に仕切り部を残すように切削した場合には、製造工数を増加させることなく、当該仕切り部およびサブスロット19を効率的に形成することができ、さらには、回転子鉄心の剛性をも高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。 Further, when the partition portion and the subslot 19 are formed, a part of the rotor core 11 is not cut over the entire length, but is cut so that the partition portion is left in the iron core central portion (or the central portion of the air supply section). Can efficiently form the partition portion and the subslot 19 without increasing the number of manufacturing steps, and can further increase the rigidity of the rotor core, thereby realizing a safer rotor. be able to.
また、サブスロット19内の仕切り部をスロット底絶縁板13Aに具備させた場合には、回転子2の製造後においても仕切り部の設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部の形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板13Aを設置するに際し仕切り部が足代わりとなるため、スロット底絶縁板13Aが安定し、回転子コイル14の積層が容易となる。
Further, when the slot
また、本実施形態の回転子2と固定子1とが同心円上に配置された回転電機を構成することにより、回転電機全体としての冷却効率を向上させることができ、冷却ガスの低減や小型化を実現し、より一層安全で安定した運転を行える回転電機を実現することができる。 In addition, by configuring the rotating electrical machine in which the rotor 2 and the stator 1 of the present embodiment are concentrically arranged, the cooling efficiency of the entire rotating electrical machine can be improved, and the cooling gas can be reduced or reduced in size. Thus, it is possible to realize a rotating electrical machine that can perform safer and more stable operation.
(第2の実施形態)
次に、図9〜図14を参照して、本発明の第2の実施形態に係るダイアゴナルフロー方式の回転電機の回転子について説明する。
(Second Embodiment)
Next, a rotor of a diagonal flow type rotating electrical machine according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図9は、本発明の第2の実施形態に係る回転電機の回転子の断面形状および通風フローを示す図である。本実施形態の回転子を備える回転電機の概略構成は、前述の図15に示されるものと同様となる。但し、本実施形態に係るダイアゴナルフロー方式の通風フローは、図15中に示されるラジアルフロー方式の通風フローとは異なる。 FIG. 9 is a diagram illustrating a cross-sectional shape and a ventilation flow of the rotor of the rotating electrical machine according to the second embodiment of the present invention. The schematic configuration of the rotating electrical machine including the rotor of this embodiment is the same as that shown in FIG. However, the diagonal flow method ventilation flow according to the present embodiment is different from the radial flow method ventilation flow shown in FIG.
図9に示されるように、本実施形態に係る回転子2は、円筒状の回転子鉄心11に所定の間隔でコイルスロット12が設けられ、各コイルスロット12には、スロット底絶縁板13Aを最下段に配置し、その上に回転子コイル14とターン絶縁体15を複数段収容し、更にクリページブロック16、および回転子楔17で固定されたものとなっている。回転子コイル14は、磁極を中心として界磁コイルを多重環状に積層されたものであり、段間にターン絶縁体15を挟んで構成される。
As shown in FIG. 9, in the rotor 2 according to the present embodiment,
また、本実施形態に係る回転子2は、冷却方式としてダイアゴナルフロー方式を採用し、複数段の回転子コイル14の外径側から内径側に冷却ガスCを取り込む複数の給気用ダイアゴナルダクト(もしくは通風孔)21Aと、複数段の回転子コイル14の内径側から外径側に冷却ガスCを排出する複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bとを備えている。冷却ガスCは、エアギャップGからかき込むようにして複数の給気用ダイアゴナルダクト21Aに取り込まれ、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイル14よりも更に下側にある部分(後述するサブスロット)で折り返されて複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bに入り込み、回転子コイル14の発生熱を除去する。複数段の回転子コイル14を冷却した冷却ガスCは、当該回転子2と固定子1側の固定子鉄心10との間のエアギャップGへ送られ、固定子鉄心10の給気セクションの両側に位置する排気セクションを通じて排気される。
In addition, the rotor 2 according to the present embodiment employs a diagonal flow system as a cooling system, and a plurality of air supply diagonal ducts that take in the cooling gas C from the outer diameter side to the inner diameter side of the rotor coils 14 in a plurality of stages ( (Or a ventilation hole) 21A and a plurality of exhaust
特に、本実施形態に係る回転子2は、従来技術と異なり、コイルスロット12の内径底部分に鉄心軸方向に沿って、前述のサブスロット19と同様の構造を有するサブスロット40が配設され、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイルに、複数の給気用ダイアゴナルダクト21Aからサブスロット40に冷却ガスCを通過させる複数の給気孔、およびサブスロット40から複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bに冷却ガスCを通過させる複数の排気孔が設けられ、かつサブスロット40内の所定の位置にて別々の冷却ガスCが鉄心軸方向に合流することを阻止する複数の仕切り部41Aが設けられている。これらの仕切り部41Aは、例えば、給気の方向が互いに異なる給気孔から流入する別々の冷却ガスCを分断する位置に設けられる。これにより、給気の方向が互いに異なる給気孔からサブスロット19に導入された各々の冷却ガスCは、互いに影響し合うことがなく、通風損失を招く分岐流もしくは衝突流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bへ導かれるので、回転子2全体の通風損失を低減させることができる。また、従来、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイルの冷却溝において逐次変化する圧力バランスによって生じていた冷却ガスの分岐損失もしくは衝突損失に伴う通風損失の問題も解消することができる。
In particular, unlike the prior art, the rotor 2 according to the present embodiment is provided with a subslot 40 having a structure similar to that of the above-described subslot 19 along the core axis direction at the inner diameter bottom portion of the
なお、図9では仕切り部41Aの形状が四角柱である場合を例示しているが、代わりに、図10に示されるように四角錐台の形状を有する仕切り部42Aを設けてもよい。この場合、仕切り部41Aを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。また、代わりに、図11に示されるように両側に曲面部を有する仕切り部43Aを設けてもよい。この場合、仕切り部42Aを設けた場合よりも、通風損失をより一層低減させることができる。 9 illustrates the case where the shape of the partition portion 41A is a quadrangular prism, instead, a partition portion 42A having a quadrangular pyramid shape may be provided as shown in FIG. In this case, the ventilation loss can be further reduced as compared with the case where the partition portion 41A is provided. Alternatively, as shown in FIG. 11, partition portions 43A having curved portions on both sides may be provided. In this case, the ventilation loss can be further reduced as compared with the case where the partition portion 42A is provided.
図9,図10,図11にそれぞれ示される仕切り部41A,42A,43Aは、回転子鉄心11の一部として形成されている。すなわち、回転子2の製造工程において、仕切り部およびサブスロット40を形成するに際し、当該仕切り部を残すように回転子鉄心11の一部が鉄心軸方向に切削されたものとなっている。このように、当該仕切り部およびサブスロット40の形成に際して回転子鉄心11の一部を全長にわたって切削するのではなく、各セクションの中央部に仕切り部を残すように切削することにより、回転子鉄心の剛性を高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。 The partition portions 41A, 42A, and 43A shown in FIGS. 9, 10, and 11 are formed as a part of the rotor core 11. That is, in the manufacturing process of the rotor 2, when the partition portion and the subslot 40 are formed, a part of the rotor core 11 is cut in the core axis direction so as to leave the partition portion. As described above, when the partition portion and the subslot 40 are formed, a portion of the rotor core 11 is not cut over the entire length, but is cut so as to leave the partition portion at the center of each section. Thus, a safer rotor can be realized.
また、一定の曲率を有するカッター刃で回転子鉄心11の一部を鉄心軸方向に当該仕切り部を残すように切削することによりサブスロット40が形成されていてもよい。この場合、曲面形成のための加工処理を別途行う必要がなく、図11に示されるように脚部表面に一定の曲率を有する仕切り部43Aを容易に形成することができる。 The subslot 40 may be formed by cutting a part of the rotor core 11 with a cutter blade having a certain curvature so as to leave the partition portion in the core axis direction. In this case, it is not necessary to separately perform processing for forming the curved surface, and the partition portion 43A having a certain curvature can be easily formed on the leg surface as shown in FIG.
また、図9,図10,図11では各仕切り部が回転子鉄心11の一部である場合を例示したが、代わりに、各仕切り部がコイルスロット12のスロット底絶縁板13Aに取り付けられた部材であってもよい。すなわち、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイルの下にあるスロット底絶縁板13Aに、図12,図13,図14に示されるように仕切り部41B,42B,43Bが部材として取り付けられる構成であってもよい。なお、図12,図13,図14中の各(a)は鉄心軸方向正面から見た断面図を示し、各(b)は軸方向側面から見た断面図を示している。これら仕切り部41B,42B,43Bの形状は、それぞれ、前述の仕切り部41A,42A,43Aの形状と同じである。このように、サブスロット40内の仕切り部41B,42B,43Bをスロット底絶縁板13Aに具備させて構成することにより、回転子2の製造後においても仕切り部41B,42B,43Bの設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部41B,42B,43Bの形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板13Aを設置するに際し仕切り部41B,42B,43Bが足代わりとなるため、スロット底絶縁板13Aが安定し、回転子コイル14の積層が容易となる。
9, 10, and 11 exemplify the case where each partition is a part of the rotor core 11, each partition is attached to the slot
この第2の実施形態によれば、次のような効果が得られる。 According to the second embodiment, the following effects can be obtained.
ダイアゴナルフロー方式の回転子2において、コイルスロット12の内径底部分に鉄心軸方向に沿ってサブスロット40を配設し、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイルに、複数の給気用ダイアゴナルダクト21Aからサブスロット40に冷却ガスCを通過させる複数の給気孔およびサブスロット40から複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bに冷却ガスCを通過させる複数の排気孔を設け、かつサブスロット40内の所定の位置にて別々の冷却ガスCが鉄心軸方向に合流することを妨げる複数の仕切り部41Aを設けることにより、給気の方向が互いに異なる給気孔からサブスロット19に導入された各々の冷却ガスCを、互いに影響させることなく、通風損失を招く分岐流などの発生が抑えられた状態で、効率良く複数の排気用ダイアゴナルダクト21Bへ導くことができるので、回転子2全体の通風損失を低減させることができる。また、従来、最も内径側に位置する第1段目の回転子コイルの冷却溝において逐次変化する圧力バランスによって生じていた冷却ガスの分岐損失もしくは衝突損失に伴う通風損失の問題も解消することができる。
In the diagonal flow type rotor 2, the sub-slot 40 is disposed along the core axis direction at the inner diameter bottom portion of the
また、カッター刃の曲率を利用して仕切り部の脚部を円曲状に形成することにより、ベンド管を容易に実現でき、仕切り部での曲がり損失を低減させることができる。 Further, by forming the leg portion of the partition portion in a circular shape using the curvature of the cutter blade, a bend pipe can be easily realized, and the bending loss at the partition portion can be reduced.
また、期待した通りに通風損失を低減させることができるため、従来よりも冷却効果が高まる部分では、回転子コイル14に穿孔する給気孔や排気孔の設置間隔を広げることも可能となる。このことにより、回転子コイル14は電流を通過させる銅部分の面積増加させることが可能となり、電流密度、ひいては発熱量を下げる効果を生み、冷却ガスの低減や小型化にも貢献できる。 Further, since the ventilation loss can be reduced as expected, it is possible to widen the interval between the air supply holes and the exhaust holes drilled in the rotor coil 14 in the portion where the cooling effect is higher than the conventional one. As a result, the rotor coil 14 can increase the area of the copper portion through which the current passes, and has the effect of reducing the current density and thus the amount of heat generation, which can contribute to the reduction of the cooling gas and the miniaturization.
また、仕切り部およびサブスロット40の形成に際して回転子鉄心11の一部を全長にわたって切削するのではなく、各セクションの中央部に仕切り部を残すように切削した場合には、回転子鉄心の剛性を高めることができ、より安全な回転子を実現することができる。 Further, when forming the partition portion and the sub-slot 40, when the part of the rotor core 11 is not cut over the entire length but is cut so as to leave the partition portion at the center of each section, the rigidity of the rotor core is reduced. And a safer rotor can be realized.
また、サブスロット40内の仕切り部をスロット底絶縁板13Aに具備させた場合には、回転子2の製造後においても仕切り部の設置が可能となり、また加工が容易となるため、仕切り部の形状の自由度を高められる。また、スロット底絶縁板13Aを設置するに際し仕切り部が足代わりとなるため、スロット底絶縁板13Aが安定し、回転子コイル14の積層が容易となる。
Further, when the slot
また、本実施形態の回転子2と固定子1とが同心円上に配置された回転電機を構成することにより、回転電機全体としての冷却効率を向上させることができ、冷却ガスの低減や小型化を実現し、より一層安全で安定した運転を行える回転電機を提供することができる。 In addition, by configuring the rotating electrical machine in which the rotor 2 and the stator 1 of the present embodiment are concentrically arranged, the cooling efficiency of the entire rotating electrical machine can be improved, and the cooling gas can be reduced or reduced in size. Thus, it is possible to provide a rotating electrical machine that can perform safer and more stable operation.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1…固定子、2…回転子、3…ガス冷却機、4…ファン、10…固定子鉄心、11…回転子鉄心、12…コイルスロット、13…スロット絶縁体、13A…スロット底絶縁板、14…回転子コイル、15…ターン絶縁体、16…クリページブロック、17…回転子楔、18…ラジアルダクト、19…サブスロット、21A…給気用ダイアゴナルダクト、21B…排気用ダイアゴナルダクト、22…冷却溝、31A,31B,32A,32B,33A,33B…仕切り部、40…サブスロット、41A,41B,42A,42B,43A,43B…仕切り部、C…冷却ガス、G…エアギャップ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Stator, 2 ... Rotor, 3 ... Gas cooler, 4 ... Fan, 10 ... Stator iron core, 11 ... Rotor iron core, 12 ... Coil slot, 13 ... Slot insulator, 13A ... Slot bottom insulating plate, DESCRIPTION OF SYMBOLS 14 ... Rotor coil, 15 ... Turn insulator, 16 ... Clear page block, 17 ... Rotor wedge, 18 ... Radial duct, 19 ... Subslot, 21A ... Diagonal duct for supply, 21B ... Diagonal duct for exhaust, 22 ... cooling groove, 31A, 31B, 32A, 32B, 33A, 33B ... partition, 40 ... subslot, 41A, 41B, 42A, 42B, 43A, 43B ... partition, C ... cooling gas, G ... air gap.
Claims (11)
前記サブスロット内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り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。 A multi-stage rotor coil in which field coils are stacked in a multi-ring shape around a magnetic pole in a coil slot provided at a predetermined interval on a cylindrical rotor core, and a diameter of the multi-stage rotor coil A plurality of radial ducts which are perforated in a direction to allow cooling gas to pass therethrough, and a sub-slot disposed along the core axis direction at the inner diameter bottom portion of the coil slot for supplying cooling gas to the plurality of radial ducts. In a rotor of a rotary electric machine of a radial flow method that cools the plurality of stages of rotor coils by taking cooling gas from both ends of the rotor core into the subslot and branching to the plurality of radial ducts,
A rotor of a rotating electrical machine, wherein a partition portion is provided to prevent separate cooling gases from joining together in a direction of the iron core at a predetermined position in the subslot.
前記コイルスロットの内径底部分に鉄心軸方向に沿ってサブスロットが配設され、最も内径側に位置する回転子コイルに前記複数の給気用ダイアゴナルダクトから前記サブスロットに冷却ガスを通過させる複数の給気孔および前記サブスロットから前記複数の排気用ダイアゴナルダクトに冷却ガスを通過させる複数の排気孔が設けられ、かつ前記サブスロット内の所定の位置にて別々の冷却ガスが鉄心軸方向に合流することを阻止する仕切り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。 A multi-stage rotor coil in which field coils are stacked in a multi-ring shape around a magnetic pole in a coil slot provided at a predetermined interval in a cylindrical rotor iron core, and an outer side of the multi-stage rotor coil A plurality of supply diagonal ducts for taking cooling gas from the diameter side to the inner diameter side, and a plurality of exhaust diagonal ducts for discharging cooling gas from the inner diameter side to the outer diameter side of the plurality of stages of rotor coils, The rotor of a diagonal flow type rotating electrical machine that takes in the cooling gas from the air gap into the plurality of supply diagonal ducts and discharges the cooling gas from the plurality of exhaust diagonal ducts to the air gap to cool the plurality of stages of rotor coils. In
A plurality of subslots are disposed along the core axis direction at the inner diameter bottom portion of the coil slot, and a plurality of cooling gases are allowed to pass from the plurality of air supply diagonal ducts to the subslot through the rotor coil located closest to the inner diameter side. And a plurality of exhaust holes through which the cooling gas passes from the sub-slots to the plurality of exhaust diagonal ducts, and separate cooling gases merge in the core axis direction at predetermined positions in the sub-slots. A rotor for a rotating electrical machine, wherein a partition portion for preventing the rotation is provided.
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