JP2019057966A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機において、冷媒を効率的に供給して回転子コイルの冷却性能を高める。【解決手段】実施の形態に係る回転電機の回転子は、円筒状の回転子鉄心、複数のコイルスロット、第１の冷媒流路、回転子コイル、複数の第２の冷媒流路、及びガイド部を備えている。複数のコイルスロットは、回転子鉄心の周縁部に配列されていると共に回転子鉄心の軸方向に各々延設されている。第１の冷媒流路は、コイルスロットの回転子鉄心の軸心側に連通して設けられ、コイルスロットに沿って前記軸方向に延びている。回転子コイルは、複数のコイルスロット内に収容されている。複数の第２の冷媒流路は、第１の冷媒流路から回転子鉄心の径方向に各々分岐して複数のコイルスロット側へ延び、さらに回転子コイル内をそれぞれ貫通する。ガイド部は、第１の冷媒流路の内部に設けられ、第１の冷媒流路から第２の冷媒流路へと向う冷媒の流れをガイドする。【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

図１１、図１２に示すように、タービン発電機などの回転電機が備える回転子８０は、例えば円筒状に形成された回転子鉄心８１を有している。回転子鉄心８１には、その周縁部に複数のコイルスロット８２が、回転子鉄心８１の周方向に沿って配列されている。さらに、複数のコイルスロット８２は、回転子鉄心８１の軸方向に延設されている。これらのコイルスロット８２内には回転子コイル８３が収容されている。

回転子コイル８３は、複数の界磁導体を積層して構成されている。また、回転子コイル８３は、クリページブロック８４を介してコイルスロット８２の開口端部に挿入された回転子楔８５によって保持されている。回転子コイル８３における回転子鉄心８１の軸心側の端面には、下敷板８６が配置されている。また、回転子コイル８３における回転子鉄心８１の端部側の部位は、保持環８７によって保持されている。

上記した回転子鉄心８１、回転子楔８５及び保持環８７と、回転子コイル８３と、の間には、それぞれ電気絶縁性を有するクリページブロック８４、下敷板８６及び絶縁板８８、８９が介在されており、これによってコイルスロット８２内での回転子コイル８３の絶縁が確保されている。また、回転子コイル８３における複数の界磁導体どうしの間にも図示しない絶縁板が介在されている。

図１１、図１２に示すように、回転子鉄心８１の内部には、回転子鉄心８１の軸方向に沿って延びる断面矩形状のサブスロット９０が冷却ガス９１の流路として設けられている。サブスロット９０は、複数のコイルスロット８２内に回転子鉄心８１の軸心側から接続されている。

さらに、回転子鉄心８１の内部には、複数の半径方向通風流路９２が冷却ガス９１の流路として設けられている。複数の半径方向通風流路９２は、サブスロット９０から回転子鉄心８１の径方向に各々分岐して複数のコイルスロット８２側へ延びている。さらに、複数の半径方向通風流路９２は、下敷板８６、回転子コイル８３、クリページブロック８４及び回転子楔８５のそれぞれの内部を貫通している。

ここで、図１１に示すように、回転子鉄心８１の端部ＥＳ側においてサブスロット９０の入口９０ｅから導入された冷却ガス９１は、サブスロット９０内を回転子鉄心８１の中央部ＣＳ側に向って流れつつ、回転子８０の回転で生じる遠心力によって複数の半径方向通風流路９２側へそれぞれ流入される。各半径方向通風流路９２内を流れる冷却ガス９１は、通電時のジュール熱により発熱した回転子コイル８３を冷却した後、回転子楔８５側より排出される。

なお、回転子コイルを冷却するための構造としては、図１１、図１２に例示した構造の他、回転子コイルに対して半径方向通風流路を斜めに傾けて形成した冷却構造や、半径方向通風流路の入口部分を入口端側に向けてその口径を徐々に拡大させた冷却構造などが知られている。

特許第３７３６１９２号公報 特開平１０−２８５８５３号公報

ところで、回転電機における回転子コイルは、ターン絶縁及びスロット絶縁のための絶縁材料の耐熱性能に応じて、上限温度が制限されている。近年の回転電機は、単機容量の増大に加え回転子コイルの電流密度も上昇する一方で、回転子コイルの発熱温度を絶縁材料の耐熱温度よりも低く抑える必要性がある。例えば、回転子自体の直径を大きくすることで、より多くの界磁導体を有する回転子コイルを適用して発熱量を低減する構成や、また、より広い通風面積を確保し冷却ガスの供給量を増加させて冷却性能を強化する構成などが提案される。しかしながら、これらの場合、回転電機の大型化を招く結果となる。

さらに、サブスロットを適用する通風冷却方式において、冷却ガスの導入口に近いサブスロットの上流側では、それよりも下流側の全ての半径方向通風流路へ供給される冷却ガスが、集中して通過することになる。したがって、サブスロットの上流側では、冷却ガスの流速が速く大きな圧力損失が発生するため、半径方向通風流路の流路断面積や半径方向通風流路の本数を増加させたとしても、冷却ガスの所望の通風量を確保することが難しくなっている。

また、回転電機の容量が増大し回転子鉄心の軸方向の長さが長くなると、これに伴いサブスロットの全長も長くなって、サブスロット内の圧力損失も増加するため、より一層、冷却ガスが流れ難くなる。特に、冷却ガスに空気を用いる空冷方式の場合、冷却ガスの熱容量が小さく冷却ガスの温度上昇も顕著になるため、より多くの冷却ガスを供給する必要性がある。

また、このような通風冷却方式の既存の課題としては、図１１、図１２に示すように、断面矩形状のサブスロット９０内を流れる冷却ガス９１は、半径方向通風流路９２へ流れ込む際に、サブスロット９０内の角部９０ａ、９０ｂにおいて、当該冷却ガス９１の流れが剥離し、これによって比較的大きな分岐損失が生じるため、この点において改善が求められている。

本発明が解決しようとする課題は、冷媒の効率的な供給により回転子コイルに対する冷却性能を高めることができる回転電機を提供することである。

実施の形態に係る回転電機は、回転子を有する。この回転子は、円筒状の回転子鉄心、複数のコイルスロット、第１の冷媒流路、回転子コイル、複数の第２の冷媒流路、及びガイド部を備えている。複数のコイルスロットは、回転子鉄心の周縁部に配列されていると共に回転子鉄心の軸方向に各々延設されている。第１の冷媒流路は、コイルスロットの回転子鉄心の軸心側に連通して設けられ、コイルスロットに沿って前記軸方向に延びている。回転子コイルは、複数のコイルスロット内に収容されている。複数の第２の冷媒流路は、第１の冷媒流路から回転子鉄心の径方向に各々分岐して複数のコイルスロット側へ延び、さらに回転子コイル内をそれぞれ貫通する。ガイド部は、第１の冷媒流路の内部に設けられ、第１の冷媒流路から第２の冷媒流路へと向う冷媒の流れをガイドする。

第１の実施形態に係る回転電機の断面図。 図１に示す回転電機のＡ部詳細図。 図１に示す回転電機が備えた回転子の内部構造を軸方向から観た断面図。 図３に示す回転子のＢ部詳細図。 第２の実施形態に係る回転電機が備えた回転子のコイルスロット周辺の構造を軸方向から観た断面図。 第３の実施形態に係る回転電機が備えた回転子のコイルスロット周辺の構造を軸方向から観た断面図。 第４の実施形態に係る回転電機が備えた回転子のコイルスロット周辺の構造を軸方向から観た断面図。 第５の実施形態に係る回転電機が備えた回転子のコイルスロット周辺の構造を軸方向から観た断面図。 第６の実施形態に係る回転電機が備えた回転子のコイルスロット周辺の構造を軸方向から観た断面図。 第７の実施形態に係る回転電機が備えた回転子の内部構造を径方向から観た断面図。 従来の回転電機が備えた回転子の内部構造を径方向から観た断面図。 図１１に示す回転子のコイルスロット周辺の構造を軸方向から観た断面図。

以下、実施の形態を図面に基づき説明する。
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施形態に係る回転電機１０は、例えばタービン発電機である。回転電機１０は、回転子２０及び固定子３０、並びにこれらを収容するケーシング１４を備えている。回転電機１０は、ケーシング１４内において、水素や空気などの冷却ガス（冷媒）３が循環して流れるように構成されている。

回転子２０は、回転シャフト１６や円筒状の回転子鉄心２１を備えている。回転子鉄心２１は、回転シャフト１６に対して同軸的に設けられている。回転シャフト１６は、水平方向ｘに沿って延びている。また、回転子２０には、冷却ガス３が流れる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。

一方、固定子３０は、円筒状の固定子鉄心３１、及び固定子コイル３２を備えている。固定子鉄心３１は、エアギャップ５を介して、回転子鉄心２１の周りを囲うように設置されている。固定子鉄心３１には、回転シャフト１６の軸方向に沿って貫通する固定子スロットが内側に形成されており、固定子コイル３２は、その固定子スロット内に挿入されている。

また、固定子３０には、固定子給気部３３及び固定子排気部３４が設けられている。固定子給気部３３は、固定子３０の外周側から内周側のエアギャップ５へと冷却ガス３が流れる通風ダクトを備えている。これに対して、固定子排気部３４は、固定子３０の内周側に位置するエアギャップ５から固定子３０の外周側へと冷却ガス３が流れる通風ダクトを有している。

ケーシング１４は、２重構造で構成されており、内部ケーシング１１の外側に外部ケーシング１２が設けられている。内部ケーシング１１は、回転シャフト１６が貫通する貫通孔９を有しており、回転子２０及び固定子３０を内部に収容している。外部ケーシング１２は、回転シャフト１６が貫通する貫通孔１９を有しており、内部ケーシング１１を内部に収容している。

ケーシング１４において、内部ケーシング１１の上方には開口部１７が設けられており、その開口部１７にはガス冷却器１５が取り付けられている。また、内部ケーシング１１の貫通孔９の内部には、ファン１８が設けられている。ファン１８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１６の一方の側部及び他方の側部のそれぞれに設置されている。

冷却ガス３は、回転シャフト１６と共にファン１８が回転することによって、内部ケーシング１１の外部から内部へ流入する。ここでは、回転シャフト１６の一方の側部及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３が流れる。

内部ケーシング１１の内部において、冷却ガス３は、回転子２０の内部に形成された流路に流入した後に、回転子２０の外周面と固定子３０の内周面との間に位置するエアギャップ５に流出する。回転子２０内での冷却ガス３の詳細な流れについては、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１１の内部において、冷却ガス３は、エアギャップ５を経由して、固定子３０の内部に形成された流路を流れる。固定子３０の内部のうち、固定子排気部３４では、冷却ガス３は、固定子３０の内周側に位置するエアギャップ５から固定子３０の外周側へ流れる。そして、固定子給気部３３では、固定子３０の外周側から内周側のエアギャップ５へ冷却ガス３が流れる。

固定子３０の外部へ排出された冷却ガス３は、ガス冷却器１５を介して、内部ケーシング１１の内部から外部へ流れる。このとき、冷却ガス３は、ガス冷却器１５において冷却される。ガス冷却器１５で冷却された冷却ガス３は、外部ケーシング１２のうち内部ケーシング１１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１８の回転によって内部ケーシング１１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１４の内部において冷却ガス３が循環して流れることで各部が冷却される。

次に、回転子２０の詳細な構成、及び回転子２０内での冷却ガス３の詳細な流れを図２〜図４に基づき説明する。図２〜図４に示すように、回転子２０は、円筒状の回転子鉄心２１に加え、さらに、複数のコイルスロット（回転子スロット）２２、第１の冷媒流路である断面矩形状のサブスロット７、回転子コイル２３、第２の冷媒流路である複数の半径方向通風流路８、及びガイド部（ガイド部材）５１を備えている。

複数のコイルスロット２２は、回転子鉄心２１の周縁部にそれぞれ設けられており、回転子鉄心２１の径方向に凹んだ溝である。また、複数のコイルスロット２２は、回転子鉄心２１の軸方向に延在している。さらに、これら複数のコイルスロット２２は、回転子鉄心２１の周方向に沿って各々配列されている（回転子鉄心２１を周回する方向に間隔を空けて並べられている）。

回転子コイル２３は、下敷板２６及び絶縁板２８を介して、複数のコイルスロット２２内に収容されている。上記した下敷板２６は、回転子コイル２３における回転子鉄心２１の軸心側の端面に配置されている。また、図２に示すように、回転子コイル２３における回転子鉄心２１の端部側の部位は、保持環２７によって保持されている。

図４に示すように、回転子コイル２３は、複数の界磁導体がターン絶縁物を介して積層されることで構成されている。回転子コイル２３における回転子鉄心２１の外周側には、クリページブロック２４を介して回転子楔（回転子ウェッジ）２５が設置されている。回転子コイル２３は、この回転子楔２５によってコイルスロット２２内に固定されている。

上記した回転子鉄心２１、回転子楔２５及び保持環２７と、回転子コイル２３と、の間には、それぞれ電気絶縁性を有するクリページブロック２４、下敷板２６及び絶縁板２８、２９が介在されており、これによってコイルスロット２２内での回転子コイル２３の絶縁が確保されている。

サブスロット７及び複数の半径方向通風流路８は、冷却ガス３の流路を構成する。具体的には、サブスロット７は、複数のコイルスロット２２における回転子鉄心２１の軸心側に連通して設けられている（回転子鉄心２１の軸心側から各複数のコイルスロット２２の底部に接続されている）と共に、各コイルスロット２２の長手方向に沿って回転子鉄心２１の内部をその軸方向（ｘ方向）に延びている。

図２、図４に示すように、複数の半径方向通風流路８は、サブスロット７から回転子鉄心２１の径方向（図２のｚ方向）に各々分岐して複数のコイルスロット２２側へ延びている。さらに、複数の半径方向通風流路８は、下敷板２６、回転子コイル２３、クリページブロック２４及び回転子楔２５のそれぞれの内部を貫通している。また、これら半径方向通風流路８は、回転子鉄心２１の軸方向に所定の間隔を空けてそれぞれ設けられている。

回転子２０において、冷却ガス３は、保持環２７が外周面側に設置された回転子鉄心２１の端部ＥＳ側（サブスロット７の上流側）から、ファン１８の回転により、サブスロット７内へ、その入口７ｅを通じて流入する。そして、サブスロット７内では、冷却ガス３は、回転子鉄心２１の軸方向に沿って、回転子鉄心２１の端部ＥＳ側から回転子鉄心２１の中央部ＣＳ側（サブスロット７の下流側）へと流れる。

この際、回転子２０の回転で生じる遠心力によって、冷却ガス３は、サブスロット７から、回転子鉄心２１の軸方向に沿って並ぶ複数の半径方向通風流路８のそれぞれに、順次、導入される。複数の半径方向通風流路８内をそれぞれ流れる冷却ガス３は、通電時のジュール熱により発熱した回転子コイル２３を冷却した後、回転子楔２５側からエアギャップ５へと排出される。

ここで、本実施形態に係る回転電機１０の回転子２０は、前述したガイド部５１を備えている。図４に示すように、ガイド部５１は、サブスロット７の内部に設けられており、サブスロット７から半径方向通風流路８へ向う冷却ガス３の流れをガイド（案内）する。サブスロット７は、回転子鉄心２１の軸方向に対して垂直な断面の形状が矩形状に形成されている。ガイド部５１は、断面形状が矩形状に形成されたサブスロット７の角部７ａ、７ｂを埋める（塞ぐ）ようにして構成されている。また、ガイド部５１は、サブスロット７の内側に膨らんだ形状の曲率面５１ａを有している。図２に示すように、このようなガイド部５１は、角部７ａ、７ｂを回転子鉄心２１の軸方向に沿って連続的に埋めるようにして構成されている。

詳述すると、断面形状が矩形状に形成されたサブスロット７は、半径方向通風流路８の入口側に近い位置にある一方の組みの２つの角部７ａ、７ｂと、前記一方の組みの２つの角部７ａ、７ｂよりも、半径方向通風流路８の入口側から遠い位置にある他方の組みの２つの角部７ｃ、７ｄと、を有している。このガイド部５１は、一方の組みの２つの角部７ａ、７ｂのうちの少なくとも１つを、埋めるようにして構成されている。

このようなガイド部５１を設けたことで、サブスロット７内を流れる冷却ガス３が、半径方向通風流路８へ流れ込む（分岐する）際に、角部７ａ、７ｂを塞いだガイド部５１によって、サブスロット７内で冷却ガス３の流れの剥離を抑えることができ、これにより、冷却ガス３の流れの分岐損失が低減される。

なお、半径方向通風流路８の入口側から遠い位置にある他方の組みの２つの角部７ｃ、７ｄも埋めるようにして、ガイド部５１を配置してもよい。この場合、サブスロット７の内壁面の総面積が小さくなるので、サブスロット７内を冷却ガス３が軸方向に沿って流れる際の摩擦損失を低減することが可能となる。

一方、図２に示すように、ガイド部５１は、回転子鉄心２１の軸方向において、冷却ガス３が流し込まれるサブスロット７の入口７ｅよりも奥側の位置から設けられている。詳述すると、ガイド部５１は、回転子鉄心２１の軸方向において、サブスロット７の入口７ｅと、入口７ｅに最も近い最上流側の半径方向通風流路８と、の間の位置に、当該ガイド部５１の長手方向の先端部分（上流側の端部）が配置されている。これにより、サブスロット７の入口７ｅの開口面積を大きくすることができるので、回転子鉄心２１の外側からサブスロット７内へ流入する冷却ガス３の縮流損を低減できる。

また、サブスロット７内に設けられるガイド部５１は、エポキシ樹脂などを含む樹脂製の接着剤を用いてサブスロット７の内壁面に接着されることが好ましい。ボルトなどによるガイド部５１の締結を想定すると、下敷板２６やサブスロット７に締め付け用の穴を設ける必要があり、この場合の機械的なストレスによって、回転電機本体の性能に悪影響を与えることなどが懸念される。また、施工性の面でも接着による取付けのほうが工数及びコストを削減するが可能となる。

既述したように、本実施形態の回転子２０を備えた回転電機１０によれば、半径方向通風流路８を例えば複雑な構造にせずとも、冷却ガス３を半径方向通風流路８へ効率的に供給することが可能なので、回転子コイル２３に対する冷却性能を高めることができる。

＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態を図５に基づき説明する。なお、図５において、図４に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。本実施形態に係る回転電機は、第１の実施形態の回転子２０に代えて、図５に示すように、回転子４０を備えている。

この回転子４０は、回転子２０が備えていたガイド部５１に代えてガイド部５２を有する。ガイド部５２における曲率面５２ａの縁部は、半径方向通風流路８の入口につなげられている。つまり、サブスロット７の内壁面に対する冷却ガス３の剥離は、サブスロット７内での冷却ガス３の流れの方向と半径方向通風流路８内での冷却ガス３の流れの方向とがそろっているほど低減されるので、ガイド部５２における曲率面５２ａの縁部は、半径方向通風流路８の入口と一致していることが好ましい。

したがって、本実施形態の回転子４０を有する回転電機では、冷却ガス３の流れの剥離を抑えて圧力損失をより低減できるので、半径方向通風流路８への冷却ガス３の流入量を増加させることが可能となり、これにより回転子コイル２３に対する冷却効果を向上させることができる。

＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態を図６に基づき説明する。なお、図６において、図５に示した第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。本実施形態に係る回転電機は、第２の実施形態の回転子４０に代えて、図６に示すように、回転子５０を有している。

この回転子５０は、回転子４０が備えていたガイド部５２に代えてガイド部５３を備えている。ガイド部５３は、ガイド部５２と同様に、サブスロット７の内側に膨らんだ形状の曲率面（第１の曲率面）５３ａを有する。この曲率面５３ａの縁部は、半径方向通風流路８の入口につなげられている。さらに、ガイド部５３は、サブスロット７の内側から窪んだ形状の第２の曲率面５３ｂを備えている。第２の曲率面５３ｂは、変曲点５３ｃを介して曲率面５３ａにつなげられている。

つまり、冷却ガス３の流れの圧力損失を考慮した場合、ガイド部５３の曲率面５３ａの端が半径方向通風流路８の入口につなげられている位置での曲率面５３ａの接線方向は、半径方向通風流路８の内壁面に沿った方向と一致していることが望ましい。さらに、ガイド部５３の曲率面５３ｂの端がサブスロット７の内壁面につなげられている位置での曲率面５３ｂの接線方向は、当該サブスロット７の内壁面に沿った方向と一致していることが好ましい。また、ガイド部５３の表面は、滑らかな状態であることが望ましい。これらを踏まえると、図６に示すように、少なくとも１つ以上の変曲点を介して複数の曲率面がつなげられたガイド部を構成することが望ましい。

したがって、本実施形態の回転子５０を有する回転電機では、サブスロット７から半径方向通風流路８へと分岐する際の冷却ガス３の流れの剥離を抑えることができるので、回転子コイル２３を効率的に冷却することができる。

＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態を図７に基づき説明する。なお、図７において、図５に示した第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。本実施形態に係る回転電機は、第２の実施形態の回転子４０に代えて、図７に示すように、回転子６０を備えている。

この回転子６０は、回転子４０が備えていたガイド部５２に代えてガイド部５４を備えている。ガイド部５４は、サブスロット７の内側に膨らんだ形状の曲率面５４ａを有すると共に、この曲率面５４ａに１つ以上形成された突起部５４ｂをさらに備えている。突起部５４ｂは、ヴォルテックスジェネレータ（渦流生成器）として機能するものである。

したがって、本実施形態の回転子６０を有する回転電機では、ガイド部５４における曲率面５４ａ上の突起部５４ｂが意図的に乱流を生じさせることで、境界層剥離を抑えて、冷却ガス３の流れの抵抗を低減し、効率良く回転子コイル２３を冷却することができる。

＜第５の実施の形態＞
次に、第５の実施の形態を図８に基づき説明する。なお、図８において、図５に示した第２の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。本実施形態に係る回転電機は、第２の実施形態の回転子４０に代えて、図８に示すように、回転子７０を備えている。

この回転子７０は、回転子４０が備えていたガイド部５２に代えて、曲率面５５ａを含むガイド部５５を備えている。ガイド部５５は、図８に示すように、サブスロット７内において、半径方向通風流路８の入口側に近い位置にある一方の組みの２つの角部７ａ、７ｂのうち、回転子７０の回転方向Ｓの上流側に位置する角部７ａを埋めるようにして構成されている。

サブスロット７内を流れる冷却ガス３には、図８に示すように、回転子７０の遠心力によって回転子鉄心２１の軸心側から外周側へ向う径方向（半径方向通風流路８の長手方向）に沿った力と、回転子７０の回転方向Ｓの上流側方向に押し付けられる力と、が作用することになる。これを踏まえて、サブスロット７内において、回転子７０の回転方向Ｓの上流側の角部７ａを選択的に塞ぐようにガイド部５５を設けることで、サブスロット７の流路断面積の拡大と、半径方向通風流路８への分岐損失の低減と、を両立させることができる。

したがって、本実施形態の回転子７０を有する回転電機においても、回転子コイル２３を効率良く冷却することが可能となる。

＜第６の実施の形態＞
次に、第６の実施の形態を図９に基づき説明する。なお、図９において、図８に示した第５の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。本実施形態に係る回転電機は、第５の実施形態の回転子７０に代えて、図９に示すように、回転子７５を備えている。

この回転子７５は、回転子７０が備えていたガイド部５５及び半径方向通風流路８に代えて、曲率面５６ａを含むガイド部５６及び半径方向通風流路７８を備えている。ガイド部５６は、サブスロット７内において、半径方向通風流路８の入口側に近い位置にある一方の組みの２つの角部７ａ、７ｂのうち、回転子７５の回転方向Ｓの上流側に位置する角部７ａを埋めるようにして構成されている。

図９に示すように、半径方向通風流路７８は、回転子鉄心２１の軸方向における回転子コイル２３の中心位置を基準として、回転子７５の回転方向Ｓの上流側寄りの位置に形成されている。

サブスロット７内を流れる冷却ガス３には、図９に示すように、回転子７５の遠心力によって回転子鉄心２１の軸心側から外周側へ向う径方向に沿った力と、回転子７５の回転方向Ｓの上流側方向に押し付けられる力と、が作用することになる。したがって、上記したように、半径方向通風流路７８は、回転子コイル２３の中心位置よりも、回転子７５の回転方向Ｓの上流側方向に設けられているほうが、分岐損失を小さくすることができる。

また、図９に示すように、ガイド部５６の断面積が小さくなる分、サブスロット７の流路断面積を大きくすることができる。なお、回転子７５の回転方向Ｓの上流側寄りに配置する個々の半径方向通風流路７８の位置については、サブスロット７の上流側に配置されるものと下流側されるものとで、中心位置から回転方向Ｓの上流側に寄せるシフト量を変更してもよい。これにより、サブスロット７の上流側と下流側とにおいて、冷却ガス３の流量を制御（調整）することができる。

上述した本実施形態の回転子７５を有する回転電機においても、回転子コイル２３を効率的に冷却することができる。

＜第７の実施の形態＞
次に、第７の実施の形態を図１０に基づき説明する。なお、図１０において、図２に示した第１の実施形態中の構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付与し重複する説明を省略する。本実施形態に係る回転電機は、第１の実施形態の回転子２０に代えて、図１０に示すように、回転子７６を備えている。

この回転子７６は、回転子２０が備えていたガイド部５１に代えて、ガイド部５７を備えている。ガイド部５７は、回転子鉄心２１の軸方向において、冷却ガス３を流し込むサブスロット７の入口７ｅ側（回転子鉄心２１の端部ＥＳ側）よりも、その奥側（回転子鉄心２１の中央部ＣＳ側）に行くにつれて、回転子鉄心２１の軸方向から観た断面積が小さくなるように構成されている。

ここで、ラジアルフロー方式を採る冷却構造においては、複数の半径方向通風流路８に冷却ガス３を均等に流すことも重要である。一般に、サブスロット７を流れる冷却ガス３は、上流側では流速が速く、下流側では流速が遅くなる。このため、上流側の半径方向通風流路８よりも下流側の半径方向通風流路８の流量が多くなることで、回転子鉄心２１の端部ＥＳ側（サブスロット７の上流側）での冷却能力が不足する一方で、回転子鉄心２１の中央部ＣＳ側（サブスロット７の下流側）での冷却能力が過多となる。

このような状況において、回転子コイル２３の温度は、半径方向通風流路８を通過する冷却ガス３の流量に大きく依存することから、冷却ガス３の流量の少ないサブスロット７の上流側の回転子コイル２３のほうが、サブスロット７の下流側の回転子コイル２３よりも、その温度が高くなる。

前述したように、回転子コイル２３は、ターン絶縁及びスロット絶縁のための絶縁材料の耐熱性能に応じて、上限温度が制限されている。したがって、サブスロット７の上流側では、温度の高い回転子コイル２３の冷却に十分な冷却ガス３の流量を確保する必要があるため、サブスロット７の下流側では、冷却ガス３が過剰な流量になっているという既存の課題がある。また、回転電機の大容量化に伴い回転子鉄心を長くすると、回転子コイル２３に対する半径方向通風流路８の数も増加するため、冷却ガス３の流量がより過剰な流量になるという課題などもある。

このような背景に対して、本実施形態の回転子７６（ガイド部５７）を備えた回転電機では、ガイド部５７の断面積を、サブスロット７の下流側に行くほど小さくしているので、サブスロット７の上流側では、冷却ガス３の分岐損失の低減作用を高めて（実質的に冷却ガス３の流量を多くして）、冷却能力を向上させ、一方、サブスロット７の下流側では、冷却ガス３の分岐損失の低減作用を弱めて（実質的に冷却ガス３の流量を少なくして）、冷却能力を緩和することで、回転子コイル２３をその全体にわたって効率的に冷却することが可能となる。

以上、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す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

３…冷却ガス、７…サブスロット、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ…サブスロットの角部、７ｅ…サブスロットの入口、８，７８…半径方向通風流路、２３…回転子コイル、１０…回転電機、２０，４０，５０，６０，７０，７５，７６…回転子、２１…回転子鉄心、２２…コイルスロット、２３…回転子コイル、５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７…ガイド部、５１ａ，５２ａ，５３ａ，５４ａ，５５ａ，５６ａ…曲率面、５３ｂ…第２の曲率面、５３ｃ…変曲点、５４ｂ…突起部、ＣＳ…回転子鉄心の中央部、ＥＳ…回転子鉄心の端部、Ｓ…回転子の回転方向。

Claims (13)

1. 円筒状の回転子鉄心と、
   前記回転子鉄心の周縁部に配列されていると共に前記回転子鉄心の軸方向に各々延設された複数のコイルスロットと、
   前記コイルスロットの前記回転子鉄心の軸心側に連通して設けられ、前記コイルスロットに沿って前記軸方向に延びる第１の冷媒流路と、
   前記複数のコイルスロット内に収容された回転子コイルと、
   前記第１の冷媒流路から前記回転子鉄心の径方向に各々分岐して前記複数のコイルスロット側へ延び、さらに前記回転子コイル内をそれぞれ貫通する複数の第２の冷媒流路と、
   前記第１の冷媒流路の内部に設けられ、前記第１の冷媒流路から前記第２の冷媒流路へと向う冷媒の流れをガイドするガイド部と、
   を備えた回転子を有する回転電機。
2. 前記第１の冷媒流路は、前記軸方向に対して垂直な断面の形状が矩形状に形成され、
   前記ガイド部は、前記矩形状に形成された第１の冷媒流路の角部を埋めるようにして構成されている、
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ガイド部は、前記角部を前記軸方向に沿って連続的に埋めるようにして構成されている、
   請求項２に記載の回転電機。
4. 前記断面形状が矩形状に形成された第１の冷媒流路は、前記第２の冷媒流路の入口側に２つの角部を有し、
   前記ガイド部は、前記２つの角部のうちの少なくとも１つを、埋めるようにして構成されている、
   請求項２又は３に記載の回転電機。
5. 前記ガイド部は、前記２つの角部のうち、前記回転子の回転方向の上流側に位置する角部を埋めるようにして構成されている、
   請求項４に記載の回転電機。
6. 前記ガイド部は、前記第１の冷媒流路の内側に膨らんだ形状の曲率面を有する、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記曲率面の縁部は、前記第２の冷媒流路の入口につなげられている、
   請求項６に記載の回転電機。
8. 前記ガイド部は、前記曲率面につなげられ、かつ前記第１の冷媒流路の内側から窪んだ形状の第２の曲率面を有する、
   請求項６又は７に記載の回転電機。
9. 前記曲率面に形成された突起部をさらに有する、
   請求項６から８までのいずれか１項に記載の回転電機。
10. 前記第２の冷媒流路は、前記軸方向における前記回転子コイルの中心位置を基準として、前記回転子の回転方向の上流側寄りの位置に形成されている、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載の回転電機。
11. 前記ガイド部は、前記軸方向において、前記冷媒が流し込まれる前記第１の冷媒流路の入口よりも奥側の位置から設けられている、
    請求項１から１０までのいずれか１項に記載の回転電機。
12. 前記ガイド部は、前記軸方向において、前記冷媒を流し込む前記第１の冷媒流路の入口側よりも、その奥側に行くにつれて、前記軸方向から観た断面積が小さくなるように構成されている、
    請求項１から１１までのいずれか１項に記載の回転電機。
13. 前記ガイド部は、前記第１の冷媒流路の内壁面に、樹脂製の接着剤により接着されている、
    請求項１から１２までのいずれか１項に記載の回転電機。

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