JP2018191387A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を向上し効果的に冷却を行うことができる回転電機の回転子を提供する。
【解決手段】実施形態の回転子において、径方向通風流路は、回転子スロットにおいて回転軸の径方向に沿って貫通しており、サブスロットを介して冷却ガスが内周側から外周側へ向かって流れる。径方向通風流路は、下敷板に形成された下敷板流路部と、回転子コイルに形成されたコイル流路部とを含む。径方向通風流路においてサブスロットの上流側に位置する端部は、下敷板流路部の方がコイル流路部よりもサブスロットの上流側に位置している。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。

回転電機の一例について図１６を用いて説明する。

図１６に示すように、回転電機１０は、たとえば、タービン発電機であって、回転子２０および固定子４０がケーシング６０に収容されており、回転子２０が固定子４０の内部で回転することによって発電を行うように構成されている。また、回転電機１０は、ケーシング６０の内部において冷却ガスＣＧ（水素、空気などの冷却媒体）が流れることによって、回転子２０および固定子４０が冷却されるように構成されている。

具体的には、回転子２０は、回転軸ＡＸに沿った軸方向が水平方向ｘに沿うように設置されている。ここでは、回転子２０は、円筒形状の回転子鉄心２００が回転シャフト２０１に対して同軸に設けられていると共に、冷却ガスＣＧが流れる冷却流路が形成されている。回転子２０の詳細な構成については、後述する。

固定子４０は、固定子鉄心４１に固定子コイル４２が設置されている。固定子鉄心４１は、円筒形状であって、回転シャフト２０１に対して同軸に設けられている。固定子鉄心４１は、エアギャップＡＧを介して、回転子鉄心２００の周りを囲うように設置されている。固定子鉄心４１の内周側には、回転軸ＡＸの軸方向に貫通する固定子スロットが形成されており、固定子コイル４２は、その固定子スロットに挿入されている。

この他に、固定子４０においては、固定子給気部４１１および固定子排気部４１２が設けられている。固定子給気部４１１は、固定子４０の外周側から内周側のエアギャップＡＧへ冷却ガスＣＧが流れる通風ダクトを有する。これに対して、固定子排気部４１２は、固定子４０の内周側に位置するエアギャップＡＧから固定子４０の外周側へ冷却ガスＣＧが流れる通風ダクトを有する。

ケーシング６０は、２重構造であって、内部ケーシング６１の外側に外部ケーシング６２が設けられている。内部ケーシング６１は、回転シャフト２０１が貫通する貫通孔Ｋ６１を有しており、回転子２０と固定子４０とを内部に収容している。外部ケーシング６２は、回転シャフト２０１が貫通する貫通孔Ｋ６２を有しており、内部ケーシング６１を内部に収容している。

ケーシング６０において、内部ケーシング６１の上方には開口部Ｋ６１１が設けられており、その開口部Ｋ６１１にはガス冷却器８０が取り付けられている。また、内部ケーシング６１の貫通孔Ｋ６１の内部には、ファン９０が収容されている。

ファン９０は、軸流ファンであって、回転子２０を挟むように回転シャフト２０１の一方の側部および他方の側部のそれぞれに固定されている。

回転電機１０においては、回転シャフト２０１と共にファン９０が回転することによって、冷却ガスＣＧが内部ケーシング６１の外部から内部へ流入する。ここでは、回転シャフト２０１の一方の側部および他方の側部のそれぞれから中央部へ向かうように、冷却ガスＣＧが流れる。

内部ケーシング６１の内部において、冷却ガスＣＧは、回転子２０の内部に形成された冷却流路に流入した後に、回転子２０の外周面と固定子４０の内周面との間に位置するエアギャップＡＧに流出する。回転子２０の内部を流れる冷却ガスＣＧの詳細な様子については、回転子２０の詳細な構成と共に後述する。

また、内部ケーシング６１の内部において、冷却ガスＣＧは、エアギャップＡＧを経由して、固定子４０の内部に形成された冷却流路を流れる。固定子４０の内部のうち、固定子排気部４１２では、冷却ガスＣＧは、固定子４０の内周側に位置するエアギャップＡＧから固定子４０の外周側へ流れる。そして、固定子給気部４１１では、固定子４０の外周側から内周側のエアギャップＡＧへ冷却ガスＣＧが流れる。

固定子４０の外部へ排出された冷却ガスＣＧは、ガス冷却器８０を介して、内部ケーシング６１の内部から外部へ流れる。このとき、冷却ガスＣＧは、ガス冷却器８０において冷却される。ガス冷却器８０で冷却された冷却ガスＣＧは、外部ケーシング６２のうち内部ケーシング６１の外部に位置する空間を流れた後に、上述したように、ファン９０の回転によって内部ケーシング６１の外部から内部へ流入する。

このように、回転電機１０では、ケーシング６０の内部において冷却ガスＣＧが循環して流れることで各部が冷却される。

以下より、上記の回転子２０の詳細な構成、および、回転子２０の内部を流れる冷却ガスＣＧの詳細な様子について、図１７から図２１を用いて例示する。ここでは、回転子２０において回転軸ＡＸの軸方向に直交する面の一部断面を図１７に示している。図１７中のＺ１部分が図１８に相当し、図１６中のＺ２部分が図１９に相当し、図１９中のＺ３部分が図２０に相当する。そして、径方向通風流路ＲＰに関して径方向を視線としたときの様子を図２１で示している。図２１では、径方向通風流路ＲＰを構成する各部の輪郭について示しており、直接的に観察されるものは実線で図示し、直接的に観察されないものは破線で図示している。

回転子２０において、回転子鉄心２００には、回転子スロットＣＳ（コイルスロット）が形成されている。回転子スロットＣＳは、回転軸ＡＸの径方向に凹んだ溝であって、回転子鉄心２００において外周側ＯＵＴに位置する部分に形成されている。ここでは、回転子スロットＣＳは、回転子鉄心２００の磁極部以外の部分において、複数が回転軸ＡＸの周方向に間を隔てて並ぶように設けられている（図１７参照）。また、回転子スロットＣＳは、回転軸ＡＸの軸方向に延在している。

回転子鉄心２００において、回転子スロットＣＳには、下敷板２１が設置されている。下敷板２１は、絶縁体で形成されており、回転子スロットＣＳにおいて径方向で最も内周側ＩＮに位置する部分に配置されている。そして、回転子スロットＣＳにおいて下敷板２１の外周側ＯＵＴには、回転子コイル２２が収容されている。回転子コイル２２は、複数の界磁導体がターン絶縁物（図示省略）を介して径方向に積層されることで構成されている。回転子コイル２２の外周側ＯＵＴには、絶縁物であるクリページブロック２３を介して回転子ウェッジ２４が設置されており、回転子コイル２２は、回転子ウェッジ２４によって回転子スロットＣＳに固定されている。そして、周方向において回転子鉄心２００と回転子コイル２２との間には、スロット絶縁物２５が介在している。

回転子２０においては、冷却ガスＣＧの流路として、サブスロットＳＳおよび径方向通風流路ＲＰが設けられている。

サブスロットＳＳは、回転子鉄心２００において回転子スロットＣＳよりも径方向の内周側ＩＮに形成されている。サブスロットＳＳは、回転子スロットＣＳと同様に、径方向に凹んだ溝である。サブスロットＳＳは、回転子スロットＣＳよりも周方向の幅が狭くなるように構成されている。サブスロットＳＳは、回転子スロットＣＳと同様に、軸方向に延在しており、冷却ガスＣＧが軸方向に沿って流れる。

径方向通風流路ＲＰは、回転子スロットＣＳの内部に設置された各部を径方向に貫通する貫通孔である。径方向通風流路ＲＰは、内周側ＩＮに位置する一端がサブスロットＳＳに連結されており、内周側ＩＮの一端にサブスロットＳＳから冷却ガスＣＧが流入し、外周側ＯＵＴの他端から流出するように形成されている。ここでは、径方向通風流路ＲＰは、軸方向において複数が間を隔てて設けられている。このため、複数の径方向通風流路ＲＰのそれぞれは、サブスロットＳＳから冷却ガスＣＧが流入する。

具体的には、径方向通風流路ＲＰは、下敷板流路部ＲＰ１とコイル流路部ＲＰ２とクリページブロック流路部ＲＰ３とウェッジ流路部ＲＰ４とが、径方向において内周側ＩＮから外周側ＯＵＴへ向かって、順次、並ぶように設けられている（図１８，図２０参照）。

径方向通風流路ＲＰのうち、下敷板流路部ＲＰ１は、下敷板２１に形成された貫通孔である（図２０参照）。下敷板流路部ＲＰ１において、径方向に直交する断面は、軸方向の幅が周方向の幅よりも広くなっている（図２１参照）。

径方向通風流路ＲＰのうち、コイル流路部ＲＰ２は、回転子コイル２２に形成された貫通孔である（図２０参照）。コイル流路部ＲＰ２において、径方向に直交する断面は、軸方向の幅が周方向の幅よりも広くなっている。ここでは、コイル流路部ＲＰ２は、周方向の幅が下敷板流路部ＲＰ１よりも狭くなるように形成されている（図２１参照）。

径方向通風流路ＲＰのうち、クリページブロック流路部ＲＰ３は、クリページブロック２３に形成された貫通孔であって、コイル流路部ＲＰ２に連結している。クリページブロック流路部ＲＰ３は、径方向に直交する断面が、たとえば、円形であって、コイル流路部ＲＰ２の軸方向における幅よりも直径が小さい。

径方向通風流路ＲＰのうち、ウェッジ流路部ＲＰ４は、回転子ウェッジ２４に形成された貫通孔であって、クリページブロック流路部ＲＰ３に連結されている。ウェッジ流路部ＲＰ４は、径方向に直交する断面が、たとえば、円形であって、直径がクリページブロック流路部ＲＰ３よりも小さい。

径方向通風流路ＲＰにおいては、下敷板流路部ＲＰ１の中心軸ＲＣ１とコイル流路部ＲＰ２の中心軸ＲＣ２とクリページブロック流路部ＲＰ３の中心軸ＲＣ３とウェッジ流路部ＲＰ４の中心軸ＲＣ４とのそれぞれは、一致している。つまり、下敷板流路部ＲＰ１とコイル流路部ＲＰ２とクリページブロック流路部ＲＰ３とウェッジ流路部ＲＰ４とのそれぞれは同軸である。

回転子２０において、冷却ガスＣＧは、保持環２１１（図１９参照）が外周面側に設置された回転子鉄心２００の鉄心端側Ｕｓ（サブスロット上流側）からサブスロットＳＳに流入する。そして、サブスロットＳＳでは、冷却ガスＣＧは、回転軸ＡＸに沿った軸方向において、鉄心端側Ｕｓから鉄心中央側Ｄｓ（サブスロット下流側）へ向かって流れる。このとき、冷却ガスＣＧは、サブスロットＳＳから、軸方向に並ぶ複数の径方向通風流路ＲＰのそれぞれに、順次、分岐して導入される。

径方向通風流路ＲＰにおいて、冷却ガスＣＧは、径方向の内周側ＩＮから外周側ＯＵＴへ向かって流れた後に、外部へ流出する。つまり、冷却ガスＣＧは、径方向通風流路ＲＰにおいて、下敷板流路部ＲＰ１とコイル流路部ＲＰ２とクリページブロック流路部ＲＰ３とウェッジ流路部ＲＰ４とを順次流れた後に、エアギャップＡＧ（図１６参照）へ排出される。

このように、回転子２０においては、運転中に生じた熱が、ラジアルフロー方式によって冷却される。

特許公報３５６４９１５公報 特許公報３７３６１９２公報 特開平０７−１７０６８３公報

回転電機１０においては、回転子２０の構成部材の温度の上限が厳しく制限されている。回転電機１０は、単機の容量が増大すると共に回転子コイル２２の電流密度が上昇する一方で、回転子コイル２２の温度を絶縁材の耐熱温度よりも低く抑える必要がある。このため、回転子２０の直径を大きくして、回転子コイル２２の断面積を増加させることにより、回転子コイル２２による発熱量を減少させている。この他に、冷却ガスＣＧが流れる流路の通風面積を大きくしている。その結果、冷却性能を向上させるためには、回転電機１０の大型化が必要になる。

上記した回転電機１０の場合のように、サブスロットＳＳを用いた通風冷却方式で冷却を行う場合、サブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰへ冷却ガスＣＧが流入する際、大きな圧力損失が発生するので、サブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰへ流入する冷却ガスＣＧの流量が十分に確保されず、冷却が不十分になる場合がある。回転電機１０の容量の増大化に伴って回転子鉄心を長くしたときには、サブスロットＳＳが同様に長くなるので、更に、圧力損失が増加し、冷却ガスＣＧが流れにくくなる。

上記のように、冷却ガスＣＧは、サブスロットＳＳにおいて鉄心端側Ｕｓに位置する部分では、流量が多く、流速が高い。このため、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに分岐して流入したときには、径方向通風流路ＲＰの入口において鉄心端側Ｕｓの部分に流れの剥離が生じて、大きな分岐損失が発生する。これと共に、径方向通風流路ＲＰでは、鉄心端側Ｕｓの壁で生じた流れの剥離によって渦が発生するので、冷却ガスＣＧの流れに対して、渦が大きな抵抗になる。

分岐損失等の発生に起因して、冷却ガスＣＧの流量は、鉄心端側Ｕｓに位置する径方向通風流路ＲＰの方が、鉄心中央側Ｄｓに位置する径方向通風流路ＲＰよりも少なくなる。回転子コイル２２の温度は、径方向通風流路ＲＰを通過する冷却ガスＣＧの流量に大きく依存する。このため、回転子コイル２２の温度は、鉄心端側Ｕｓの方が鉄心中央側Ｄｓよりも高くなる。

したがって、鉄心端側Ｕｓに配置された回転子コイル２２を十分に冷却するように冷却ガスＣＧを流す必要があるので、鉄心中央側Ｄｓに配置された回転子コイル２２においては、冷却ガスＣＧの流量が過剰な状態になる。特に、回転電機１０の容量を増大化するために回転子鉄心２００を長くしたときには、軸方向に配置する径方向通風流路ＲＰの数を増加させる必要があるので、鉄心中央側Ｄｓでは冷却ガスＣＧの流量が更に過剰になる。すなわち、冷却ガスＣＧの流量は、軸方向に配置された複数の径方向通風流路ＲＰのそれぞれにおいて一定でなく、軸方向における流量分布が大きいので、軸方向で均一に冷却を行うことは、容易でない。

回転電機１０において冷却性能を向上させるために、さまざまな技術が提案されている（たとえば、特許文献１から３参照）。

しかしながら、従来においては冷却性能を十分に向上させることが困難であって、回転子コイル２２を効果的に冷却することが容易でない。

したがって、本発明が解決しようとする課題は、冷却性能を向上し、効果的に冷却を行うことができる、回転電機の回転子を提供することである。

実施形態に係る回転電機の回転子は、回転子鉄心と回転子スロットとサブスロットと径方向通風流路とを備える。回転子鉄心は、円筒形状であって、回転軸に対して同軸に設置される。回転子スロットは、回転子鉄心のうち外周側に位置する部分において回転軸の軸方向に沿って延在するように形成されており、絶縁体の下敷板を収容していると共に、下敷板よりも外周側に回転子コイルを収容している。サブスロットは、回転子鉄心のうち回転子スロットよりも内周側に位置する部分において回転軸の軸方向に沿って延在するように形成されており、冷却ガスが軸方向に沿って流れる。径方向通風流路は、回転子スロットにおいて回転軸の径方向に沿って貫通しており、サブスロットを介して冷却ガスが内周側から外周側へ向かって流れる。ここでは、径方向通風流路が軸方向に複数が配置されており、複数の径方向通風流路のそれぞれにサブスロットから冷却ガスが流入する。径方向通風流路は、下敷板に形成された下敷板流路部と、回転子コイルに形成されたコイル流路部とを含む。径方向通風流路においてサブスロットの上流側に位置する端部は、下敷板流路部の方がコイル流路部よりもサブスロットの上流側に位置している。

図１は、第１実施形態に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図２は、第１実施形態に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図３は、第２実施形態に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図４は、第２実施形態に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図５は、第２実施形態の変形例に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図６は、第２実施形態の変形例に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図７は、第３実施形態に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図８は、第３実施形態に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図９は、第４実施形態に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図１０は、第４実施形態に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図１１は、第４実施形態の変形例に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図１２は、第４実施形態の変形例に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図１３は、第５実施形態に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰの要部を模式的に示す図である。 図１４は、第６実施形態に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図１５は、第６実施形態の変形例に係る回転電機１０の回転子２０の要部を模式的に示した断面図である。 図１６は、関連技術に係る回転電機１０において、回転軸ＡＸに沿った軸方向（水平方向ｘに相当）と回転軸ＡＸの径方向（鉛直方向ｚに相当）とで規定される面（ｘｚ面）の断面を示した図である。 図１７は、関連技術に係る回転電機１０の回転子２０において、回転軸ＡＸに沿った軸方向に直交する面（ｙｚ面）の一部断面を示した図である。 図１８は、関連技術に係る回転電機１０の回転子２０において、回転軸ＡＸに沿った軸方向に直交する面（ｙｚ面）の一部断面を拡大して示した図である（図１７中のＺ１部分）。 図１９は、関連技術に係る回転電機１０の回転子２０において、回転軸ＡＸに沿った軸方向と回転軸ＡＸの径方向とで規定される面の一部断面を示した図である（図１６中のＺ２部分）。 図２０は、関連技術に係る回転電機１０の回転子２０において、回転軸ＡＸに沿った軸方向と回転軸ＡＸの径方向とで規定される面の一部断面を拡大して示した図である（図１９中のＺ３部分）。 図２１は、関連技術に係る回転電機１０の回転子２０において、径方向通風流路ＲＰに関して径方向を視線としたときの様子を示す図である。

＜第１実施形態＞
第１実施形態の回転子２０に関して、図１および図２を用いて説明する。図１では、図２０と同様な部分を示している。図２では、図２１と同様な部分について示している。

図１および図２に示すように、本実施形態においては、径方向通風流路ＲＰのうち、下敷板流路部ＲＰ１の構成が上記の関連技術（図２０、図２１参照）の場合と異なっている。

具体的には、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心中央側Ｄｓに位置する端部と、コイル流路部ＲＰ２において鉄心中央側Ｄｓに位置する端部との両者は、上記の関連技術と同様に、軸方向で同じ位置にある。しかし、本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、コイル流路部ＲＰ２において鉄心端側Ｕｓに位置する端部よりも、鉄心端側Ｕｓに位置している。これにより、下敷板流路部ＲＰ１における軸方向の幅の方が、コイル流路部ＲＰ２における軸方向の幅よりも広くなっている。

換言すると、本実施形態の径方向通風流路ＲＰにおいては、下敷板流路部ＲＰ１の中心軸ＲＣ１とコイル流路部ＲＰ２の中心軸ＲＣ２とが、同軸でなく、一致していない。径方向通風流路ＲＰでは、下敷板流路部ＲＰ１の中心軸ＲＣ１がコイル流路部ＲＰ２の中心軸ＲＣ２に対して鉄心端側Ｕｓに位置している（図２参照）。

本実施形態では、冷却ガスＣＧは、関連技術の場合と同様に、サブスロットＳＳにおいて鉄心端側Ｕｓから鉄心中央側Ｄｓへ向かうように軸方向に流れる。このとき、冷却ガスＣＧは、サブスロットＳＳから複数の径方向通風流路ＲＰのそれぞれに、順次、分岐して導入される。そして、径方向通風流路ＲＰにおいては、冷却ガスＣＧは、内周側ＩＮから外周側ＯＵＴへ向かうように径方向に流れる。

径方向通風流路ＲＰでは、まず、下敷板流路部ＲＰ１に冷却ガスＣＧが流入する。上記したように、径方向通風流路ＲＰにおいて鉄心端側Ｕｓの端部は、下敷板流路部ＲＰ１の方がコイル流路部ＲＰ２よりも、鉄心端側Ｕｓに位置している。このため、本実施形態では、関連技術の場合よりも、冷却ガスＣＧが下敷板流路部ＲＰ１に流入しやすい。本実施形態では、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに分岐して流入するときに、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心端側Ｕｓに流れの剥離が生ずることを抑制することが可能であり、分岐損失を低減することができる。また、本実施形態では、流れの剥離によって生ずる渦が抵抗になって径方向通風流路ＲＰを流入する冷却ガスＣＧの流量が低減することを抑制することができる。

したがって、本実施形態の回転子２０は、回転子コイル２２を効果的に冷却することができる。その結果、本実施形態の回転電機１０では、より大きな界磁電流を許容することできる。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の回転子２０に関して、図３および図４を用いて説明する。図３では、図１と同様な断面を示している。図４では、図２と同様な部分について示している。

図３および図４に示すように、本実施形態では、径方向通風流路ＲＰにおいて鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、第１実施形態の場合（図１，図２参照）と同様に、下敷板流路部ＲＰ１の方がコイル流路部ＲＰ２よりも鉄心端側Ｕｓに位置している。しかし、本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１の形状が第１実施形態の場合と異なっている。

本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１において、径方向に直交する断面の断面積は、径方向において一定でない。下敷板流路部ＲＰ１の断面積は、径方向において外周側ＯＵＴから内周側ＩＮに向かうに伴って、大きくなっている（図３参照）。つまり、下敷板流路部ＲＰ１において内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａ（二点鎖線部分）は、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂ（破線部分）よりも大きい（図４参照）。

具体的には、下敷板流路部ＲＰ１において周方向の幅は、内周側ＩＮの開口Ｒ１ａと外周側ＯＵＴの開口Ｒ１ｂとの間で互いに同じであって、径方向において一定である。これに対して、下敷板流路部ＲＰ１において軸方向の幅は、内周側ＩＮの開口Ｒ１ａの方が外周側ＯＵＴの開口Ｒ１ｂよりも広くなっており、径方向において外周側ＯＵＴから内周側ＩＮへ向かうに伴って広がっている。換言すると、下敷板流路部ＲＰ１において、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａの中心ＲＣ１ａは、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂの中心ＲＣ１ｂよりも、鉄心端側Ｕｓに位置している。

これにより、本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、径方向において外周側ＯＵＴから内周側ＩＮへ向かうに伴って、鉄心端側Ｕｓへ位置するように構成されている。このため、下敷板流路部ＲＰ１は、鉄心中央側Ｄｓの端部が径方向に沿っているのに対して、鉄心端側Ｕｓの端部が径方向に対して傾斜している。ここでは、下敷板流路部ＲＰ１で鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、内周側ＩＮが外周側ＯＵＴよりも鉄心端側Ｕｓに位置するように、径方向に対して傾斜している。

本実施形態では、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに分岐して流入するときには、下敷板流路部ＲＰ１の鉄心端側Ｕｓに位置する傾斜面に沿って冷却ガスＣＧが流れる。このため、本実施形態では、冷却ガスＣＧの流れにおいて剥離が生ずることを抑制することが可能であって、分岐損失の低減を効果的に実現することができる。また、本実施形態では、流れの剥離によって生ずる渦が抵抗になって径方向通風流路ＲＰを流入する冷却ガスＣＧの流量が低減することを、更に抑制することができる。

したがって、本実施形態の回転子２０は、回転子コイル２２を効果的に冷却することができる。その結果、本実施形態の回転電機１０では、より大きな界磁電流を許容することできる。

上記した第２実施形態の変形例に関して、図５および図６を用いて説明する。図５では、図３と同様な断面を図示している。図６では、図４と同様な部分について示している。

図５，図６に示すように、本実施形態の変形例では、下敷板流路部ＲＰ１は、径方向に直交する断面の断面積が、径方向において外周側ＯＵＴから内周側ＩＮに向かうに伴って、大きくなっている。つまり、下敷板流路部ＲＰ１において内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａは、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂよりも大きくなっている。

しかし、本実施形態の変形例では、径方向通風流路ＲＰは、下敷板流路部ＲＰ１の中心軸ＲＣ１とコイル流路部ＲＰ２の中心軸ＲＣ２とが、同軸である。また、本変形例では、下敷板流路部ＲＰ１において、鉄心端側Ｕｓに位置する端部の他に、鉄心中央側Ｄｓに位置する端部が径方向に対して傾斜している（図５参照）。具体的には、下敷板流路部ＲＰ１において、鉄心中央側Ｄｓに位置する端部は、径方向において内周側ＩＮに位置する部分が外周側ＯＵＴに位置する部分よりも鉄心中央側Ｄｓに位置するように、径方向に対して傾斜している。

これにより、本変形例では、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心中央側Ｄｓに位置する端部で、流れの剥離が生ずることを抑制することができる。その結果、本変形例においては、上記の実施形態と同様な作用および効果を効果的に奏することができる。

＜第３実施形態＞
第３実施形態の回転子２０に関して、図７および図８を用いて説明する。図７では、図１８と同様な部分について示している。図８では、図２と同様な部分について示している。

本実施形態の径方向通風流路ＲＰにおいて鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、第１実施形態の場合と同様に、下敷板流路部ＲＰ１の方がコイル流路部ＲＰ２よりも鉄心端側Ｕｓに位置している（図８参照）。しかし、本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１において径方向に直交する断面の断面積は、第１実施形態の場合と異なり、径方向において一定でなく、径方向において外周側ＯＵＴから内周側ＩＮに向かうに伴って大きくなっている。

本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１は、径方向において外周側ＯＵＴから内周側ＩＮに向かうに伴って、周方向の幅が広くなっている。つまり、下敷板流路部ＲＰ１において内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａは、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂよりも、周方向の幅が広い。

下敷板流路部ＲＰ１において、周方向で対面する両側面は、径方向に対して傾斜している。ここでは、下敷板流路部ＲＰ１のうち周方向で対面する両側面は、径方向において内周側ＩＮに位置する部分が外周側ＯＵＴに位置する部分よりも中心から離れるように形成されている。

本実施形態では、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに分岐して流入するときには、下敷板流路部ＲＰ１において内周側ＩＮに位置する大きな開口Ｒ１ａから入る。このため、本実施形態では、冷却ガスＣＧの流れにおいて剥離が生ずることを更に抑制することが可能であり、分岐損失の低減をより効果的に実現することができる。また、本実施形態では、流れの剥離によって生ずる渦が抵抗になって径方向通風流路ＲＰを流入する冷却ガスＣＧの流量が低減することを、更に抑制することができる。

したがって、本実施形態の回転子２０は、回転子コイル２２を効果的に冷却することができる。その結果、回転電機１０においては、より大きな界磁電流を許容することできる。

＜第４実施形態＞
第４実施形態の回転子２０に関して、図９および図１０を用いて説明する。図９では、図３と同様な断面を図示している。図１０では、図４と同様に、径方向通風流路ＲＰに関して示している。

図９および図１０に示すように、本実施形態の径方向通風流路ＲＰにおいて鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、第２実施形態の場合（図３，図４参照）と同様に、下敷板流路部ＲＰ１の方がコイル流路部ＲＰ２よりも鉄心端側Ｕｓに位置している。しかし、本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１の形状が第２実施形態の場合と異なっている。本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心中央側Ｄｓに位置する端部は、コイル流路部ＲＰ２において鉄心中央側Ｄｓに位置する端部と同じ位置でない。径方向通風流路ＲＰにおいて鉄心中央側Ｄｓに位置する端部は、下敷板流路部ＲＰ１の方がコイル流路部ＲＰ２よりも鉄心端側Ｕｓに位置している。

本実施形態では、下敷板流路部ＲＰ１は、径方向に直交する断面の断面積が、径方向において一定である。つまり、下敷板流路部ＲＰ１は、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａと外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂとが同じ形状である。そして、下敷板流路部ＲＰ１において、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａの中心ＲＣ１ａは、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂの中心ＲＣ１ｂよりも、鉄心端側Ｕｓに位置している。このように、下敷板流路部ＲＰ１は、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａが、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂよりも軸方向において鉄心端側Ｕｓにシフトした形状である。

下敷板流路部ＲＰ１において鉄心端側Ｕｓに位置する端部、および、鉄心中央側Ｄｓに位置する端部は、径方向に沿っておらず、径方向に対して傾斜している。ここでは、下敷板流路部ＲＰ１のうち鉄心端側Ｕｓに位置する端部は、径方向において内周側ＩＮに位置する部分が外周側ＯＵＴに位置する部分よりも鉄心端側Ｕｓに位置するように、径方向に対して傾斜している。同様に、下敷板流路部ＲＰ１のうち鉄心中央側Ｄｓに位置する端部は、径方向において内周側ＩＮに位置する部分が外周側ＯＵＴに位置する部分よりも鉄心端側Ｕｓに位置するように、径方向に対して傾斜している。

本実施形態では、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに分岐して流入するときには、下敷板流路部ＲＰ１において鉄心端側Ｕｓおよび鉄心中央側Ｄｓに位置する傾斜面に沿って、冷却ガスＣＧが流れる。このため、本実施形態では、冷却ガスＣＧの流れにおいて剥離が生ずることを抑制することが可能であって、分岐損失の低減を効果的に実現することができる。また、本実施形態では、流れの剥離によって生ずる渦が抵抗になって径方向通風流路ＲＰを流入する冷却ガスＣＧの流量が低減することを、更に抑制することができる。

したがって、本実施形態の回転子２０は、回転子コイル２２を効果的に冷却することができる。その結果、回転電機１０においては、より大きな界磁電流を許容することできる。

上記した第４実施形態の変形例に関して、図１１および図１２を用いて説明する。図１１では、図１８と同様な部分について示している。図１２では、図１０と同様に、径方向通風流路ＲＰに関して示している。

図１１および図１２に示すように、下敷板流路部ＲＰ１において、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａの中心ＲＣ１ａが、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂの中心ＲＣ１ｂよりも、周方向（回転方向）において前方側Ｆｗに位置するように構成してもよい。つまり、下敷板流路部ＲＰ１は、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａが、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂよりも、周方向において前方側Ｆｗにシフトした形状である。

下敷板流路部ＲＰ１は、周方向において前方側Ｆｗに位置する面および後方側Ｂｗに位置する面が、径方向に沿っておらず、径方向に対して傾斜している。ここでは、下敷板流路部ＲＰ１のうち周方向の前方側Ｆｗの面は、径方向で内周側ＩＮに位置する部分が外周側ＯＵＴに位置する部分よりも、前方側Ｆｗに位置するように傾斜している。同様に、下敷板流路部ＲＰ１のうち周方向の後方側Ｂｗの面は、径方向で内周側ＩＮに位置する部分が外周側ＯＵＴに位置する部分よりも、前方側Ｆｗに位置するように傾斜している。

回転子２０が周方向において前方側Ｆｗへ向かって回転するときに、冷却ガスＣＧが径方向において内周側ＩＮから外周側ＯＵＴへ流れる際には、冷却ガスＣＧの流れは、その回転の影響によって、径方向に沿って流れない。この場合には、冷却ガスＣＧは、周方向において前方側Ｆｗから後方側Ｂｗへ向かうように、径方向に対して傾斜して流れる。

このため、本実施形態では、冷却ガスＣＧの流れにおいて剥離が生ずることを抑制することが可能であり、分岐損失の低減をより効果的に実現することができる。また、本実施形態では、流れの剥離によって生ずる渦が抵抗になって、径方向通風流路ＲＰを流入する冷却ガスＣＧの流量が低減することを、更に抑制することができる。

なお、下敷板流路部ＲＰ１は、内周側ＩＮに位置する開口Ｒ１ａが、外周側ＯＵＴに位置する開口Ｒ１ｂよりも、周方向において前方側Ｆｗにシフトすると共に、軸方向において鉄心端側Ｕｓにシフトした形状であってもよい。

＜第５実施形態＞
第５実施形態の回転子２０に関して、図１３を用いて説明する。図１３では、図２１と異なり、回転軸ＡＸに沿った軸方向に並ぶ複数の径方向通風流路ＲＰのうち、互いに隣り合う２つの径方向通風流路ＲＰに関して図示している。

本実施形態においては、図１３に示すように、回転軸ＡＸに沿った軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰの一部が、関連技術の場合（図２１参照）と異なっている。軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰは、回転軸ＡＸの周方向における位置が互いに異なった部分を含む。ここでは、軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰのうち、下敷板流路部ＲＰ１およびコイル流路部ＲＰ２について周方向の位置が互いに異なっている。

たとえば、図１３に示す２つの径方向通風流路ＲＰのうち、鉄心端側Ｕｓに位置する径方向通風流路ＲＰでは、下敷板流路部ＲＰ１およびコイル流路部ＲＰ２は、クリページブロック流路部ＲＰ３の中心軸ＲＣ３およびウェッジ流路部ＲＰ４の中心軸ＲＣ４よりも周方向の前方側Ｆｗに位置している。これに対して、鉄心中央側Ｄｓに位置する径方向通風流路ＲＰでは、下敷板流路部ＲＰ１およびコイル流路部ＲＰ２は、クリページブロック流路部ＲＰ３の中心軸ＲＣ３およびウェッジ流路部ＲＰ４の中心軸ＲＣ４よりも周方向の後方側Ｂｗに位置している。

本実施形態において、鉄心端側Ｕｓに位置する径方向通風流路ＲＰにサブスロットＳＳから冷却ガスＣＧが流入するときには、流れに乱れが生ずる。そして、その乱れが、鉄心中央側Ｄｓへ流れる。しかし、本実施形態では、上記したように、軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰの間においては、下敷板流路部ＲＰ１およびコイル流路部ＲＰ２が周方向で互いに異なる位置に形成されている。このため、軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰの間において、鉄心端側Ｕｓに位置する径方向通風流路ＲＰで生じた流れの乱れが、鉄心中央側Ｄｓに位置する径方向通風流路ＲＰへ向かうことを防止することができる。つまり、鉄心端側Ｕｓに位置する径方向通風流路ＲＰで生じた流れの乱れによって、鉄心中央側Ｄｓに位置する径方向通風流路ＲＰに冷却ガスＣＧが流入することが邪魔されない。

したがって、本実施形態では、複数の径方向通風流路ＲＰのそれぞれに流入する冷却ガスＣＧの流量が増加するので、回転子コイル２２を効果的に冷却することができる。これに伴って、回転電機１０において、より大きな界磁電流を許容することできる。

なお、上記の実施形態では、軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰのうち、下敷板流路部ＲＰ１およびコイル流路部ＲＰ２について周方向の位置が互いに異なっている場合を説明した。しかし、これに限らない。たとえば、クリページブロック流路部ＲＰ３およびウェッジ流路部ＲＰ４についても、軸方向で隣り合う径方向通風流路ＲＰの間において、周方向の位置を相違させてもよい。

＜第６実施形態＞
第６実施形態の回転子２０に関して、図１４を用いて説明する。図１４は、図２０と同様な断面を図示している。

図１４に示すように、本実施形態は、回転子鉄心２００のサブスロットＳＳにおいて径方向の内周側ＩＮに位置するサブスロット内周面Ｓ２０１の形態が関連技術の場合と異なっている。

ここでは、サブスロット内周面Ｓ２０１は、軸方向に沿った平坦な面ではなく、凹凸状に波打った曲面である。サブスロット内周面Ｓ２０１は、径方向において径方向通風流路ＲＰに対面する部分が、径方向の外周側ＯＵＴに突き出るように形成されている。

これにより、サブスロットＳＳにおいて径方向通風流路ＲＰよりも鉄心端側Ｕｓに位置する部分では、冷却ガスＣＧは、内周側ＩＮから外周側ＯＵＴへ向けて軸方向に対して傾斜して流れる。そして、サブスロットＳＳにおいて径方向通風流路ＲＰよりも鉄心中央側Ｄｓに位置する部分では、冷却ガスＣＧが外周側ＯＵＴから内周側ＩＮへ向けて軸方向に対して傾斜して流れる。

このため、本実施形態では、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに流入しやすい。したがって、本実施形態では、径方向通風流路ＲＰに流入する冷却ガスＣＧの流量が増加するので、回転子コイル２２を効果的に冷却することができる。

なお、サブスロット内周面Ｓ２０１の全体について曲面形状にしてもよいが、サブスロット内周面Ｓ２０１の一部について曲面形状にしてもよい。本実施形態では、曲面形状がサインカーブ状であるが、冷却ガスＣＧがサブスロットＳＳから径方向通風流路ＲＰに流入しやすい形状であれば、他の曲面形状でもよい。その他、軸方向の位置に応じて、曲率が異なった曲面形状であってもよい。

上記した第６実施形態の変形例に関して、図１５を用いて説明する。図１５は、図１４と同様な断面を図示している。

図１５に示すように、サブスロット内周面Ｓ２０１を凹凸状に波打った曲面にした場合に、第２実施形態の変形例と同様に（図５参照）、径方向通風流路ＲＰを構成してもよい。ここでは、サブスロット内周面Ｓ２０１は、径方向においてコイル流路部ＲＰ２に対面する部分が、径方向の外周側ＯＵＴに突き出るように形成されている。そして、下敷板２１は、サブスロットＳＳ側の面が軸方向に対して傾斜した部分を含む。

なお、図示を省略しているが、第６実施形態において、その他の実施形態の径方向通風流路ＲＰを採用してもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…回転電機、２０…回転子、２１…下敷板、２２…回転子コイル、２３…クリページブロック、２４…回転子ウェッジ、２５…スロット絶縁物、４０…固定子、４１…固定子鉄心、４２…固定子コイル、６０…ケーシング、６１…内部ケーシング、６２…外部ケーシング、８０…ガス冷却器、９０…ファン、２００…回転子鉄心、２０１…回転シャフト、２１１…保持環、４１１…固定子給気部、４１２…固定子排気部、ＡＧ…エアギャップ、ＡＸ…回転軸、Ｂｗ…後方側、ＣＧ…冷却ガス、ＣＳ…回転子スロット、Ｄｓ…鉄心中央側、Ｆｗ…前方側、Ｋ６１…貫通孔、Ｋ６１１…開口部、Ｋ６２…貫通孔、Ｒ１ａ…開口、Ｒ１ｂ…開口、ＲＣ１…中心軸、ＲＣ１ａ…中心、ＲＣ１ｂ…中心、ＲＣ２…中心軸、ＲＣ３…中心軸、ＲＣ４…中心軸、ＩＮ…内周側、ＯＵＴ…外周側、ＲＰ…径方向通風流路、ＲＰ１…下敷板流路部、ＲＰ２…コイル流路部、ＲＰ３…クリページブロック流路部、ＲＰ４…ウェッジ流路部、Ｓ２０１…サブスロット内周面、ＳＳ…サブスロット、Ｕｓ…鉄心端側

Claims (12)

1. 回転軸に対して同軸に設置される円筒形状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心のうち外周側に位置する部分において前記回転軸の軸方向に沿って延在するように形成されており、絶縁体の下敷板を収容していると共に前記下敷板よりも外周側に回転子コイルを収容している回転子スロットと、
   前記回転子鉄心のうち前記回転子スロットよりも内周側に位置する部分において前記回転軸の軸方向に沿って延在するように形成されており、冷却ガスが前記軸方向に沿って流れるサブスロットと、
   前記回転子スロットにおいて前記回転軸の径方向に沿って貫通しており、前記サブスロットを介して前記冷却ガスが内周側から外周側へ向かって流れる径方向通風流路と
   を備え、前記径方向通風流路が前記軸方向に複数が配置されており、前記複数の径方向通風流路のそれぞれに前記サブスロットから前記冷却ガスが流入する、回転電機の回転子であって、
   前記径方向通風流路は、
   前記下敷板に形成された下敷板流路部と
   前記回転子コイルに形成されたコイル流路部と
   を含み、
   前記径方向通風流路において前記サブスロットの上流側に位置する端部は、前記下敷板流路部の方が前記コイル流路部よりも前記サブスロットの上流側に位置している、
   回転電機の回転子。
2. 前記径方向通風流路において前記サブスロットの下流側に位置する端部は、前記コイル流路部と前記下敷板流路部との間において互いに同じ位置にあり、
   前記径方向通風流路において前記径方向に直交する断面の断面積は、前記下敷板流路部の方が前記コイル流路部よりも大きい、
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
3. 前記下敷板流路部は、前記径方向において外周側から内周側に向かうに伴って、前記断面積が大きくなるように形成されている、
   請求項２に記載の回転電機の回転子。
4. 前記下敷板流路部は、前記径方向において外周側から内周側に向かうに伴って、前記軸方向の幅が広くなるように形成されている、
   請求項３に記載の回転電機の回転子。
5. 前記下敷板流路部は、前記径方向において外周側から内周側に向かうに伴って、前記回転軸の周方向の幅が広くなるように形成されている、
   請求項２から４のいずれかに記載の回転電機の回転子。
6. 前記径方向通風流路において前記サブスロットの下流側に位置する端部は、前記下敷板流路部の方が前記コイル流路部よりも、前記サブスロットの上流側に位置している、
   請求項１に記載の回転電機の回転子。
7. 前記複数の径方向通風流路のうち前記軸方向で隣り合う径方向通風流路は、前記回転軸の周方向における位置が互いに異なった部分を含む、
   請求項１から６のいずれかに記載の回転電機の回転子。
8. 前記回転子スロットにおいて前記回転子コイルの外周側に設置されたクリページブロックと、
   前記回転子スロットにおいて前記クリページブロックの外周側に設置された回転子ウェッジと
   を備え、
   前記径方向通風流路は、
   前記クリページブロックに形成されたクリページブロック流路部と
   前記回転子ウェッジに形成されたウェッジ流路部と
   を含む、
   請求項１から７のいずれかに記載の回転電機の回転子。
9. 回転軸に対して同軸に設置される円筒形状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心のうち外周側に位置する部分において前記回転軸の軸方向に沿って延在するように形成されており、絶縁体の下敷板を収容していると共に前記下敷板よりも外周側に回転子コイルを収容している回転子スロットと、
   前記回転子鉄心のうち前記回転子スロットよりも内周側に位置する部分において前記回転軸の軸方向に沿って延在するように形成されており、冷却ガスが前記軸方向に沿って流れる、サブスロットと、
   前記回転子スロットにおいて前記回転軸の径方向に沿って貫通しており、前記サブスロットを介して前記冷却ガスが内周側から外周側へ向かって流れる、径方向通風流路と
   を備え、前記径方向通風流路が前記軸方向に複数が配置されており、前記複数の径方向通風流路のそれぞれに前記サブスロットから前記冷却ガスが流入する、回転電機の回転子であって、
   前記サブスロットは、前記径方向通風流路よりも前記サブスロットの上流側に位置する部分において前記冷却ガスが内側から外側へ向けて前記軸方向に対して傾斜して流れるように構成されている、
   回転電機の回転子。
10. 前記サブスロットは、前記径方向通風流路よりも前記サブスロットの下流側に位置する部分において前記冷却ガスが外側から内側へ向けて前記軸方向に対して傾斜して流れるように構成されている、
    請求項９に記載の回転電機の回転子。
11. 前記サブスロットにおいて径方向の内周側に位置するサブスロット内周面は、曲面状である、
    請求項９または１０に記載の回転電機の回転子。
12. 前記下敷板は、前記サブスロット側の面が前記軸方向に対して傾斜した部分を含む、
    請求項９から１１のいずれかに記載の回転電機の回転子。

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