JP2013102690A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子鉄心の軸断面内における界磁導体の面積を増加して界磁導体の占積率を向上させ、界磁導体の総断面積を増加して界磁銅損を低減することにある。
【解決手段】回転子鉄心１の磁極６側に最も近い回転子スロット２の開口端からスロット底あるいは回転子スロット底側に冷却媒体の通気通路として設けたサブスロット５の底までの深さを、磁極６側から周方向に数えて２番目以降のスロット深さより浅くし、磁極部を挟んで対向する回転子スロット２あるいはサブスロット５の底部分同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極側に近いスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁極部と非磁極部が形成され、且つ非磁極部に界磁コイルを挿入するための複数の回転子スロットが周方向に設けられた回転電機の回転子に関する。

従来、回転電機、例えばタービン発電機の回転子としては、図１４に示すような構成のものがある。

このタービン発電機の回転子は、図示するように機械的強度を持たせるために単一鋼塊から回転子鉄心１が製作され、磁極部６と非磁極部を形成している。非磁極部には回転子鉄心１の周方向に等間隔を存して複数の巻線挿入用回転子スロット２を設けて、これら各スロット間にティースを形成し、各回転子スロット２内には界磁コイル３が納められる。

図１５は上記回転子スロット２内に納められた界磁コイル３の基本構成を示す外径部断面図である。

この界磁コイル３は、図示するように複数の界磁導体１０が径方向に積層して構成され、界磁導体１０と回転子スロット２の内面との間にはスロット絶縁物８が設けられ、また回転子スロット２の開口端部に設けられる回転子楔４と界磁導体１０との間には絶縁ブロック７を設けて界磁導体１０とアース電位となる回転子鉄心１及び回転子楔４との間の絶縁を確保している。

また、回転子楔４と絶縁ブロック７との間には、図示しない固定子側で生じる高調波磁界による渦電流損失を低減するためのスロットダンパ９が設けられる場合がある。

さらに、回転子スロット２の底面側には、軸方向の通気通路となるサブスロット５がスロット底面に連通させて設けられ、界磁巻線３と回転子楔４には半径方向に通気通路として図示しない孔を設け、サブスロット５から供給される冷却媒体によって界磁コイル３でジュール発熱によって発生する熱を冷却する。

因みに、この種の回転電機の回転子としては、スロットの配置並びに形状及び構造を改良して電圧変動率を小さくし、安定度を高めるようにしたものがある（例えば、特許文献１、特許文献２）。

特開平１１−８９１３２号公報 特許第３３０３６７４号公報

ところで、回転電機の効率を向上させるには、回転電機が発生する損失の一部として界磁銅損を低減する必要がある。また、回転電機の大容量化を図るためには、界磁起磁力を増加させて界磁磁束を増加する必要がある。

一方、界磁起磁力を増加させると界磁コイルの発熱も多くなることから、界磁起磁力の増加に応じて界磁コイルの冷却を強化する必要があり、この場合にも界磁銅損をできる限り界磁コイルを形成する界磁導体の総断面積を増加しなければならない。

しかし、回転子の強度上の制約から回転子スロットの寸法に制約があるため、回転子スロットの断面積を増加することができず、界磁起磁力を増加することができない。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、磁極側の回転子スロットの構造を改良し、回転子鉄心の軸断面内における界磁導体の面積を増加して界磁導体の占積率を向上させ、界磁導体の総断面積を増加して界磁銅損を低減することにより、高効率で大容量回転電機の回転子を提供することを目的とする。

本発明は上記の目的を達成するため、次のような手段により回転電機の回転子を構成するものである。

（１）本発明は、磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット及びこの回転子スロット間に形成されたティースを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルと、前記回転子スロットの開口部に挿入され前記界磁コイルを保持する回転子楔とを備えた回転電機の回転子において、前記磁極側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底までの深さを、前記磁極側から周方向に数えて２番目以降のスロット深さより浅くし、前記磁極部を挟んで対向する前記回転子スロットの底部分同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極側に近いスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上としたものである。

（２）本発明は、磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット、この回転子スロットの底部側に冷却媒体の通気通路として設けられたサブスロット及び回転子スロット間に形成されたティースを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルと、前記回転子スロットの開口部に挿入され前記界磁コイルを保持する回転子楔とを備えた回転電機の回転子において、前記磁極側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底及び前記サブスロットのスロット底までの深さを、前記磁極側から周方向に数えて２番目以降の回転スロット及びサブスロットのスロット底の深さよりそれぞれ浅くし、前記磁極部を挟んで対向する前記サブスロットの底部分同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極側に近いサブスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上としたものである。

（３）本発明は、磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット、最も磁極側に近い回転子スロット以外の回転子スロットの底部側に冷却媒体の通気通路として設けられたサブスロット及び回転子スロット間に形成されたティースを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルと、前記回転子スロットの開口部に挿入され前記界磁コイルを保持する回転子楔とを備えた回転電機の回転子において、前記磁極側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底までの深さを、前記磁極側から周方向に数えて２番目以降のスロット深さより浅くし、前記磁極部を挟んで対向する前記回転子スロットの底部分同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極側に近いスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上としたものである。

本発明によれば、磁極側の回転子スロットの構造を改良し、回転子鉄心の軸断面内における界磁導体の面積を増加して界磁導体の占積率を向上させ、界磁導体の総断面積を増加して界磁銅損を低減することにより、高効率で大容量の回転電機の回転子を提供できる。

本発明による回転電機の回転子の第１の実施形態を示す断面図。 図１の２分の１極分及びその近傍のスロット部分を拡大して示す断面図。 同実施形態における界磁損失増加率の数値計算結果を示すグラフ。 本発明の第２の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第３の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第４の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第５の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第６の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第７の実施形態及び第８の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第９の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第１０の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図。 本発明の第１０の実施形態における変形例として、磁極の軸中心から見て片側の１番スロットから３番スロットまでを拡大して示す断面図。 本発明の第１０の実施形態における他の変形例として、回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分を示す断面図。 従来の回転電機の回転子を示す断面図。 同じく回転子のスロット部を拡大して示す断面図。

以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明による回転電機の回転子の第１の実施形態を示す断面図、図２は図１の２分の１極分及びその近傍のスロット部分を拡大して示す断面図で、図１４と同一部分には同一符号を付して説明する。

図１において、１は機械的強度を持たせるために単一鋼塊から製作された回転子鉄心で、この回転子鉄心１には磁極部６と非磁極部とが形成されている。この非磁極部には、回転子鉄心１の周方向に等間隔を存して複数の巻線挿入用回転子スロット２が設けられ、これにより各スロット間にはティース１１が形成される。また、各回転子スロット２内には界磁コイル３が納められる。

ここで、回転子スロット２について、図示上側の磁極部６に最も近いスロットを１番スロット、磁極部６から順に遠く離れる方向のスロットを２番スロット、３番スロット、……と呼ぶこととする。

図示の例では、磁極部６の片側のスロット数が１０であり、図示面内においては上下左右が対称なので、断面形状においては図示右側に位置する１番スロットから５番スロットについて述べることとする。

界磁コイル３は、図１５の従来例で述べたように複数の界磁導体を径方向に積上げて構成されるが、図１では１番スロット２´の深さを他のスロット深さよりも浅くし、１番スロット内の界磁導体の段数は他の２番〜５番までのスロット内の界磁導体の段数よりも少なくなっている。この場合、１番スロット２´の深さを他のスロット深さの８０％以下とてある。

なお、界磁導体の絶縁とアース電位となる回転子鉄心１及び回転子楔４との間の絶縁構成については、図１５と同様なので、ここではその説明を省略する。

また、回転子スロット２の底部側に設けられるサブスロット５は、図１５で述べたように界磁コイル３を冷却するための通気通路となるため、界磁導体の段数が少ない１番スロット２´においては、界磁電流による損失（ジュール損失）も相対的に小さくなると考えられるため、１番スロット２´に属するサブスロット５´の径方向断面積は、他のスロットに属するサブスロット５の径方向断面積よりも小さくなっている。

図１において、磁極部６を挟む両側に位置するスロット同士の距離は、サブスロット５´の底部で最小になっており、このスロット同士の最小値を当該スロット部の磁極幅と呼ぶと、１番スロット部の磁極幅Ｗp1と２番スロット部の磁極幅Ｗp2とがほぼ等しくなっており、更に図１４の従来例に示す磁極幅Ｗp1に相当する大きさになっている。

また、図２において、１番スロットのスロット底部から２番スロットまでの最短距離をＷt1、１番スロットのサブスロット底部から２番スロットまでの最短距離をＷss1、その小さい方をＷmin1とし、２番スロットのスロット底部から３番スロットの底部までの最短距離をＷt2、２番スロットのサブスロット底部から３番スロットのサブスロット底部までの最短距離をＷss2、その小さい方をＷmin2とし、以下３番スロット、４番スロット以降の底部及びサブスロット底部間の距離も上記同様に呼ぶこととする。

この距離は、ティース部の機械強度を表す指標として用いるものであり、スロット深さが異なる場合、例えば図示するように１番スロットの深さが浅い場合は、Ｗt1は１番スロット底部の角から２番スロットの１番スロット側の辺までの最短距離、Ｗss1は１番スロットのサブスロット底部の角から２番スロットの１番スロット側の辺までの最短距離となる。

図１４に示す従来例のように回転子スロットが周方向に等間隔に配置している場合は、１番スロットが浅くなればなるほど、Ｗss1はＷss2に比べて、大きくなることになり、機械的強度に余裕が生じることになる。

そこで、本実施形態では、軸中心から見た１番スロットと２番スロットの間の角度θ1を、２番スロットと３番スロット間の角度θ2や、３番スロットと４番スロット間の角度θ3等に比べて小さくしている。

また、１番スロットの深さは他のスロットより浅くなっているので、スロット内の界磁コイルに働く遠心力は他のスロット内の界磁コイルよりも小さくなり、１番、２番スロット間のティースに要求される機械強度は、他のティースに要求される機械強度よりも小さくなるため、ティース部の幅であるＷmin1はＷmin2より小さくても良いことになる。

このような構成の回転電機の回転子において、界磁コイル３を通電すると磁極部６より磁束が発生する。この磁束の流れは、一般に１番スロット部の磁極幅Ｗp1と２番スロット部の磁極幅Ｗp2の狭い方で制約を受けるため、図１４の従来例に示す狭い方の１番スロット部の磁極幅Ｗp1と同等の磁路が確保されており、従来例と同等の磁束を発生することができる。

また、図１４に示す従来例のように１番スロット部の磁極幅Ｗp1と同等の場合、１番スロットの深さが他のスロットより浅くなっている分だけ磁極中心から１番スロットまでの軸中心から見た角度θ0が小さくなっている。また、１番スロットと２番スロットとの間の角度θ1が他のスロット間の角度（θ2以降）より小さいことを考慮すると、θ1以外のスロット間角度は、従来例より大きくなっている。

従って、２番スロットのスロット底部から３番スロットのスロット底部までの距離をＷt2、３番スロットのスロット底部から４番スロットのスロット底部までの距離Ｗt3、２番スロットのサブスロット底部から３番スロットのスロット底部までの距離Ｗss2、３番スロットのサブスロット底部から４番スロットのサブスロット底部までの距離をＷss3などに相当する箇所の機械強度が緩和されているため、スロット幅を広げて界磁コイル３の径方向断面積を増加することが可能となる。

また、１番スロットにおいては、深さを浅くしたことによって、界磁コイルの径方向断面積は減少するが、スロット幅の増加による径方向断面積の増加の効果の方が大きいため、スロット全体としては、界磁コイルの径方向断面積を増加することができる。

本実施形態によれば、磁束の流路である磁極幅が同等の条件下で、回転子の径方向断面内の界磁導体の面積を増加することができるので、界磁電流の通電による損失（ジュール熱による損失）を低減し、回転電機の効率の向上や、界磁コイルの過熱を抑制することができる。

図３は、代表的な回転電機に本実施形態を適用し、１番、２番スロットの磁極幅の比Ｗp1／Ｗp2と、界磁コイルの損失の増加率との関係を数値計算によって求めた例であり、ここではＷp2を一定とした場合の結果を示している。

図３において、１番、２番スロットの磁極幅の比Ｗp1／Ｗp2が大きくなる、すなわち、相対的に１番スロット位置での磁極幅が狭くなると、磁極部の磁気飽和が厳しくなって界磁電流が増加する。そのため、界磁コイルでのジュール損失が増加することになる。

また、図３から明らかなようにＷp1とＷp2が等しい場合に比べて、Ｗp1がＷp2の概ね８５％の場合に界磁コイルでの損失は約５％増加していることが分かる。

この値は機種の仕様や設計によって変わるものであるが、大まかな傾向としては同様になるため、Ｗp1をＷp2の８５％以上にすることが好ましい。

なお、第１の実施形態では、サブスロットが存在するものについて述べたが、サブスロットがない場合には、スロット底に対してのみ前述同様の構成として適用実施することができる。

（第２の実施形態）
図４は本発明の第２の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

本実施形態では、図４に示すように１番、２番スロット間の軸中心から見た角度θ1を、他のスロット間の角度θ2、θ3などと同じにし、且つ１番スロットのスロット幅Ｗs1を、２番スロットのスロット幅Ｗs2、３番スロット幅Ｗs3などと比べて広くしたものである。

これは１番スロットの深さを浅くしていることから、１番、２番スロット間のスロット底部（ティース部）の距離Ｗt1やサブスロット底部の距離Ｗss1に余裕ができ、その分スロット幅を広げてＷt1やＷss1を２番スロット以降の、Ｗt2やＷss2などに近づけることができるためである。

図では、Ｗt1やＷss1は、Ｗt2やＷss2より依然大きくなっているが、１番スロットの深さが浅く、スロット内の界磁導体に働く遠心力が小さい分、Ｗt1やＷss1をＷt2やＷss2以下にすることも可能である。

また、１番スロット部の磁極幅Ｗp1に関しても、図４ではサブスロット底部の磁極幅Ｗp1が最小の磁極幅となっているが、スロット底部の磁極幅Ｗp1´がこれに同等になるまでスロット幅を広げても良い。

本実施形態では、１番スロットの幅を他のスロットの幅よりも広げることで、１番スロット内の界磁コイルの径方向断面積が同一であれば、更に１番スロットの深さを浅くすることが可能であり、その分軸中心から見た磁極中心から１番スロット中心までの角度θ0を小さくすることができ、全体的にスロット間の角度を大きくすることができるので、他のスロット幅も増加して界磁導体の径方向断面積を増加することができ、界磁コイルのジュール損失を低減することが可能となる。

（第３の実施形態）
図５は本発明の第３の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

本実施形態では、図５に示すように１番スロット２´のサブスロット５´の周方向中心が回転子スロット２´の周方向中心に比べて磁極部６から離れた位置にずらせて形成したものである。

通常、サブスロットは組み立ての際にコイルをスロット部に保持する必要などから、その幅がスロット幅よりも小さくなっており、スロット底部で段を構成するような構造にする必要がある。このような理由から、図５ではサブスロットを磁極部６から離れた位置へずらすため、サブスロット幅を他のスロット部のサブスロットよりも小さくし、サブスロット深さを深くして通気通路を確保している。

本実施形態によれば、磁極幅Ｗp1を広くすることができる。言い換えれば、磁極幅Ｗp1を一定とすれば、その分磁極中心から１番スロットまでの角度θ0を小さくすることができるので、スロット幅を広くすることが可能となり、スロット幅を広げて界磁コイル３の径方向断面積を増加することができる。

（第４の実施形態）
図６は本発明の第４の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

本実施形態では、図６に示すように１番スロット２´のサブスロット５´の底部の磁極部側を面取りし、その面取り面が磁極軸にほぼ平行な形状になるようにしたものである。

通常、サブスロットは径方向断面が長方形状になっているため、サブスロットの磁極側底部で磁極幅が決まるが、本実施形態では、このサブスロットの磁極側底部が面取り状としてあるので、その分磁極幅を広くすることができる。

従って、このような構成とすれば、１番スロット部の磁極幅Ｗp1を長方形状のサブスロットの場合に比べて広くすることができる。言い換えれば、磁極幅Ｗp1一定とすれば、その分磁極中心から１番スロットまでの角度を小さくして、スロット間隔を広くすることができるので、スロット幅を広げて、界磁コイル３の径方向断面積を増加することが可能となる。

（第５の実施形態）
図７は本発明の第５の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

図７において、回転子スロット２の外径側に有する開口部に設けた楔４で界磁コイル３を保持しているが、１番スロットは他のスロットより浅いため、スロット内の界磁コイルに働く遠心力は他のスロット内の界磁コイルよりも小さくなり、１番スロット部の楔に要求される機械強度は他のスロット部の楔に要求される機械強度よりも小さくなる。

そこで、本実施形態では、１番スロット２´の楔４´の幅ＷW1をそれ以外のスロットの楔幅ＷW2に比べて小さくしたものである。

このような構成とすれば、楔４の間のティース幅は１番、２番スロット間のＷtW1を保ちながら、１番スロットと２番スロットの間隔を狭くして、全体のスロット幅を広げ、界磁導体の径方向断面積を増加することができる。

（第６の実施形態）
図８は本発明の第６の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

図８において、スロット２の外径側に有する開口部に設けた楔４で界磁コイル３を保持しているが、１番スロットは他のスロットより浅いため、スロット内の界磁コイルに働く遠心力は他のスロット内の界磁コイルよりも小さくなり、１番スロット部の楔に要求される機械強度は他のスロット部の楔に要求される機械強度よりも小さくなる。

そこで、本実施形態では、１番スロット２´の楔４´の厚さｄ1を、それ以外のスロット楔の厚さｄ2に比べて小さくしたものである。

このような構成とすれば、１番スロットのスロット底やサブスロット底を径方向の外径側に寄せることができ、その分磁極幅Ｗp1に余裕ができる。また、楔４´の材料を少なくすることができ、省資源化に寄与することができる。

（第７の実施形態）
図９は本発明の第７の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

本実施形態では、図９に示すようにスロット２の外径側に有する開口部に設けられた界磁コイル３を保持する楔として、１番スロットに磁性材からなる楔４´を用い、それ以外のスロットに非磁性材からなる楔４を用いるものである。

本発明による回転電機の回転子は、１番スロットの深さを他のスロットより浅くした構造で、且つ１番スロット部の磁極幅を従来と同程度にすると、磁極部の回転子表面が従来よりも狭い構造となる。このため、ギャップ部の磁束の波形が方形波に近づき高調波成分が増加する要因となる。

そこで、本実施形態のように１番スロットの楔４´として磁性材料を用いることで、ギャップ部の磁束の波形をより滑らかな台形波に近づけることができるので、高調波成分を低減できると共に、基本波成分の磁束を発生させるための界磁電流を低減でき、固定子側での鉄損の低減や出力電圧波形の改善を行うことができる。

（第８の実施形態）
第８の実施形態は、図９に示す第７の実施形態と見掛け上同じ構成なので、ここではその図示を省略し、図９を用いて説明する。

本実施形態では、図９に示すように１番スロットの楔４´の材料として、他のスロットの楔４より機械的強度の弱い材料を用いるものである。これは、前述したように１番スロットは他のスロットより深さが浅いため、１番スロット内の界磁コイルに働く遠心力は他のスロット内の界磁コイルよりも小さくなり、１番スロット部の楔に要求される機械的強度は、他のスロット部の楔に要求される機械的強度よりも小さくなるためである。

このような構成とすれば、１番スロットの楔に安価な材料を用いることで製造コストを下げることができる他、第７の実施形態で述べた磁性楔を用いる場合に、機械的強度よりも磁気的な材料特性を優先して材料を決定することが可能となる。

（第９の実施形態）
図１０は本発明の第９の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

本実施形態では、図１０に示すように１番スロット２´以外のスロット２部に対して回転子楔４と絶縁ブロック７との間にスロットダンパ９を設けるものである。

このスロットダンパ９は、従来技術で説明したように、一般に固定子側で生じる高調波磁界による渦電流損失を低減するために設けられるが、本発明の回転電機の回転子は、１番スロットの深さを他のスロットよりも浅くした構造で、且つ１番スロット部の磁極幅を従来と同程度にすると、磁極部の回転子表面が従来よりも狭い構造になる。このため、磁極６の外径側表面の渦電流の流路が狭くなるため、発生する渦電流損失が小さくなる。また、１番スロット部のスロットダンパを省略しても、渦電流損失による過熱や効率低下が生じにくくなっている。

従って、１番スロット部のみ、スロットダンパがない構造とすることで、銅などの材料の使用量を抑制することが可能になると共に、スロットダンパがなから１番スロット部の界磁コイルの面積を増加することも可能となる。

（第１０の実施形態）
図１１は本発明の第１０の実施形態を示す回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分の断面図で、図１及び図２と同様の構成部分についてはその説明を省略し、ここでは異なる部分について述べる。

本実施形態では、図１１に示すように１番スロット２´の底部側にサブスロットを設けず、それ以外のスロット２の底部側にサブスロット５を設けるようにしたものである。

１番スロット２´は、他のスロット２に比べて隣接する磁極への熱伝導が良いため、冷却的に有利であり、更に、界磁導体の積重ね段数が少ないため、発熱量が少なくなっている。このため、設計条件によっては、他のスロットのようにサブスロット５を設けて冷媒を通風しなくても、界磁コイル３の温度を良好に保つことができる。

従って、このような構成とすることにより、１番スロット２´にサブスロットが無いため、磁極幅を同じとすれば、スロット全体を磁極側に寄せて全体のスロット間隔を広げることができ、その分スロット幅を広げて界磁コイル３の面積を増加することが可能となる。

次に、本発明の第１０の実施形態における変形例について説明する。
図１２は、磁極の軸中心から見て片側の１番スロットから３番スロットまでを拡大して示す断面図であり、実際はこれらのスロットが円弧状に分布しているが、図面横方向に並べて示している。

図１２において、１番スロット２´以外は従来例と同様の構成であるが、１番スロット２´についてはサブスロットが無く、且つ界磁コイル３´ではＴ字型の界磁導体１０´が径方向に積上げて構成され、界磁導体１０´とスロット絶縁物８の間に軸方向にスロット内通風路１２が設けられている。

このスロット内通風路１２には、図示していない鉄心の端部から冷却ガスが供給され、通常は軸方向の内側のある位置で、外径方向に設けられた孔を通してギャップ部に冷媒が流れるようになっており、界磁コイル３´で発生したジュール損失による発熱を冷却している。

このような冷却方式は、一般に１番スロット以外のスロット部に用いる冷却方式よりも冷却能力は劣るが、１番スロットに関しては磁極部に熱が伝わる分、冷却的には有利なので、設計条件によっては他のスロットのようにサブスロット５を設けて冷媒を通風しなくても、界磁コイル温度を良好に保つことができる。

なお、界磁導体１０´の形状については、同様の軸方向通風路を確保できる形状であれば、図１２の例と異なる形状であっても良い。

図１３は、上記とは異なる変形例として、回転電機の回転子の２分の１極分及びその近傍のスロット部分を示す断面図である。

図１３に示すように基本的に図１１の構成に加えて、更に磁極６の１番スロット側端部近傍に磁極通風路１３を設けている。

この磁極通風路１３は、製造上下能であれば、磁極部に軸方向に孔をあけても良いが、実際には磁極６の外径側から溝を掘って磁極通風路楔１４で蓋をする構成が現実的である。

磁極通風路楔１４は、場所により径方向に孔を設けるか、軸方向のある位置で磁極通風路楔１４の無い部分を設けることで、軸方向に通風した冷媒を径方向に流すことで、磁極通風路１３に良好に冷媒を流すことが可能となる。

このような構成とすれば、１番スロットの界磁コイル３´で発生した熱をより効率良く冷却することが可能となり、界磁コイル温度を良好に保つことができる。

なお、本発明は上記し、且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で種々変形して実施できるものである。例えば、各実施形態で述べた構成を可能な限り適宜組み合わせて実施するようにしても良い。この場合、その組合せによる効果が得られることは言うまでもない。

１…回転子鉄心、２，２´…スロット、３…界磁コイル、４，４´…回転子楔、
５，５´…サブスロット、６…磁極、７…絶縁ブロック、８…スロット絶縁物、９…スロットダンパ、１０…界磁導体、１１…回転子ティース、１２…スロット内通風路、１３…磁極通風路、１４…磁極通風路楔

本発明は、磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット、この回転子スロットの底部側に冷却媒体の通気通路として設けられたサブスロットを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルとを備えた回転電機の回転子において、前記磁極側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底及び前記サブスロットのスロット底までの深さを、前記磁極側から周方向に数えて２番目以降の回転スロット及びサブスロットのスロット底の深さよりそれぞれ浅くし、最も磁極部側に近いスロット部の前記サブスロットの周方向中心が、前記スロット部の前記回転子スロットの周方向中心よりも極間部側に偏ったものである。

界磁コイル３は、図１５の従来例で述べたように複数の界磁導体を径方向に積上げて構成されるが、図１では１番スロット２´の深さを他のスロット深さよりも浅くし、１番スロット内の界磁導体の段数は他の２番〜５番までのスロット内の界磁導体の段数よりも少なくなっている。この場合、１番スロット２´の深さを他のスロット深さの８０％以下としてある。

Claims (17)

1. 磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット及びこの回転子スロット間に形成されたティースを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルと、前記回転子スロットの開口部に挿入され前記界磁コイルを保持する回転子楔とを備えた回転電機の回転子において、
   前記磁極部側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底までの深さを、前記磁極部側から周方向に数えて２番目以降のスロット深さより浅くし、
   前記磁極部を挟んで対向する前記回転子スロットの底部同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極側に近いスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極部側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上としたことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット、この回転子スロットの底部側に冷却媒体の通気通路として設けられたサブスロット及び回転子スロット間に形成されたティースを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルと、前記回転子スロットの開口部に挿入され前記界磁コイルを保持する回転子楔とを備えた回転電機の回転子において、
   前記磁極部側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底及び前記サブスロットのスロット底までの深さを、前記磁極部側から周方向に数えて２番目以降の回転スロット及びサブスロットのスロット底の深さよりそれぞれ浅くし、
   前記磁極部を挟んで対向する前記サブスロットの底部同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極部側に近いサブスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極部側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上としたことを特徴とする回転電機の回転子。
3. 磁極部、この磁極部以外の部分に形成された複数個の巻線挿入用回転子スロット、最も磁極部側に近い回転子スロット以外の回転子スロットの底部側に冷却媒体の通気通路として設けられたサブスロット及び回転子スロット間に形成されたティースを有する回転子鉄心と、前記回転子スロット内に挿入された複数の界磁導体からなる界磁コイルと、前記回転子スロットの開口部に挿入され前記界磁コイルを保持する回転子楔とを備えた回転電機の回転子において、
   前記磁極部側に最も近い回転子スロットの開口端からスロット底までの深さを、前記磁極部側から周方向に数えて２番目以降のスロット深さより浅くし、
   前記磁極部を挟んで対向する前記回転子スロットの底部同志の最短距離を当該スロット部の磁極幅としたとき、最も磁極部側に近いスロット部の磁極幅Ｗp1を磁極部側から周方向に数えて２番目のスロット部の磁極幅Ｗp2の８５％以上としたことを特徴とする回転電機の回転子。
4. 請求項１又は請求項３記載の回転電機の回転子において、
   隣り合う前記回転子スロット間の最短距離を、磁極側から順にＷt1，Ｗt2としたときに、Ｗt1≦Ｗt2としたことを特徴とする回転電機の回転子。
5. 請求項２記載の回転電機の回転子において、
   隣り合う前記回転子スロット間の最短距離及び前記サブスロット間の最短距離の小さい方を、磁極側から順にＷmin1,Ｗmin2としたときに、Ｗmin1≦Ｗmin2としたことを特徴とする回転電機の回転子。
6. 請求項２又は請求項５に記載の回転電機の回転子において、
   最も磁極部側に近いスロット部の前記サブスロットの周方向中心が、前記スロット部の周方向中心よりも極間部側に偏ったことを特徴とする回転電機の回転子。
7. 請求項２又は請求項５に記載の回転電機の回転子において、
   前記磁極部側に最も近い前記サブスロットの磁極部側の角部を面取り状にしたことを特徴とする回転電機の回転子。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
   隣り合う前記回転子スロット間の周方向の角度を、磁極部側から順にθ１，θ２としたときに、θ１＜θ２としたことを特徴とする回転電機の回転子。
9. 請求項１乃至請求項７記載の回転電機の回転子において、
   前記磁極部側に最も近い回転子スロット幅を、磁極部側から周方向に数えて２番目以降の回転子スロット幅よりも広くしたことを特徴とする回転電機の回転子。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極部側に最も近いスロット部の前記回転子楔の幅を、磁極部側から周方向に数えて２番目以降のスロット部の回転子楔の幅よりも小さくしたことを特徴とする回転電機の回転子。
11. 請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極側に最も近いスロット部の前記回転子楔の厚さを、磁極部側から周方向に数えて２番目以降のスロット部の回転子楔の厚さよりも小さくしたことを特徴とする回転電機の回転子。
12. 請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極部側から周方向に数えて２番目以降のスロット部の回転子楔の材料強度を、前記磁極側に最も近いスロット部の前記回転子楔の材料強度よりも強くしたことを特徴とする回転電機の回転子。
13. 請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極部側に最も近いスロット部の前記回転子楔を磁性材料で構成したことを特徴とする回転電機の回転子。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極側から周方向に数えて２番目以降のスロット部に、前記回転子楔の内径側に導電性金属からなるスロットダンパを設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
15. 請求項３記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極部側に最も近い回転子スロット内に、前記界磁コイルを冷却するための冷却通路を軸方向に設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
16. 請求項３又は請求項１５記載の回転電機の回転子において、
    前記磁極部のスロット側端部外径近傍に、軸方向の冷却通路を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
17. 請求項１乃至請求項１６のいずれかに記載の回転子を備えた回転電機。

Images