JP3635812B2

JP3635812B2 - 回転電機の回転子

Info

Publication number: JP3635812B2
Application number: JP26403596A
Authority: JP
Inventors: 邦浩高山; 孝柴田; 隆志環
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 2005-04-06
Anticipated expiration: 2016-10-04
Also published as: JPH10112947A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回転電機の回転子の改良に係わり、特に円筒型回転電機で回転子のコイルエンド部にガス流通溝を有する間隔片が設けられ、コイルエンド部がこのガス流通溝を流通する冷媒ガスにて冷却されるように形成されている回転電機の回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の技術として一般に採用されているこの種の円筒型回転電機の回転子は、円筒状をなした鉄心に収納巻回され形成されている。すなわち、鞍型からなる回転子巻線が回転子鉄心のスロット内に収納されるとともに、この巻線は回転子鉄心の軸方向両端に頭出して巻回される。この突出された回転子巻線の頭部（以下コイルエンドという）は、高速回転下で運転されるため、その外周側には、保持環が設けられて、高遠心力によるコイルエンド部の変形が防止されるように形成されている。
【０００３】
また、この回転子は、回転軸の両端に対象に設けられたファンによる圧縮効果、あるいは径の差によるヘッド差にて生ずる吸引効果により機器内を流通する冷媒ガスにより、冷却されるように形成されている。すなわち、冷媒ガスは、回転子鉄心の両端に設けられた排出孔に導かれる冷媒ガスと胴部回転子巻線の底に導かれる冷媒ガスとに分岐され、胴部回転子巻線はこの回転子巻線の底部から胴部回転子巻線に設けられている径方向の通風孔を通り外径側に抜ける冷媒ガスにより冷却される。
【０００４】
一方、図９に示すようにコイルエンド部の冷却は、隣接する巻線２間を流通する冷却媒体４により冷却される。すなわち、コイルエンドに分岐された冷媒ガス４が、間隔片３に設けられた通路を湾曲しながら冷却し、回転子１の両端部に設けられた排気孔１Ａに導かれコイルエンド部２Ａが冷却されるように形成されている。このようなコイルエンドを冷却するゾーン通風冷却構造としては、ＥＰ−0160887 号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一般にこのようなコイルエンドを強制的に冷却する回転電機は、小型化、および高性能が要求され、回転子巻線に大電流を流すことが求められるので、特に巻線２からの発熱量が大きくなる。したがって従来技術では、コイルエンド間に挿入されている間隔片３に冷媒ガス４を湾曲しながらコイルエンド部に通過させるために、コイル間隔片３により冷却通風路を構成している。
【０００６】
この冷却通風路を通過する冷媒ガス４の冷却性能を左右する要因としては、大きく分けて風速，風量，熱の伝達効率がある。一般には、風速をあげて熱を冷媒ガスに伝達させて冷却するが、前記冷媒ガス４は、ファンによる加圧とヘッド差による吸引とで、冷媒ガス４がコイルエンド部のコーナーより、コイルと間隔片３に設けられた隙間に進入し、コイルが発熱した熱を奪いながら胴部の端部に設けられた排出孔１Ａに滑らかに流れていく。
【０００７】
この通風の温度分布を見ると、図８に示すように温度は入り口が低く胴部の端部に設けられた排出孔に向かうにしたがい高くなるという傾向が見られる。また巻線２と間隔片３の間の温度分布は、巻線２側より間隔片３へ向かうほど下がる現象が現れる。これは、巻線２の発熱した側を通過するガスと間隔片側を通過するガスとが発生し、コイル表面の最も高温部に触れないまま排出される冷媒ガスが多かったという問題があり回転子の温度が下がらなかった。このことは言い替えれば、熱伝達効率の向上が大発熱量の回転電機に求められ、この熱伝達の向上が今後の課題となる。
【０００８】
従って、本発明の目的は、コイルエンドの冷却構造の改善により、コイルエンド部の冷却ガスを拡散し、冷媒ガスの熱伝達効率を向上させ、コイル表面近傍の高温層の熱を積極的に奪うことで、導体断面を増加させることなく、高性能の回転電機の回転子を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
巻線端部が鉄心端部より頭出しして巻回された巻線と、この巻線端部の隣接巻線間に配置され巻線間隔を保持している間隔片とを備え、前記間隔片が、その側壁面に冷媒ガスが流通する冷媒ガス流通路を有する回転電機の回転子において、前記間隔片の突起部に対し、相対的に円周方向に回転する冷媒ガスが巻線端部の最内径側巻線より出張った、前記間隔片の突起部に冷媒ガスが衝突して、内径側から外径側に径方向に抜ける通路を設けたことで初期目的を達成するようにしたものである。
【００１０】
また、前記突起部に回転方向に対し傾斜した孔を設け、前記孔の大小に応じ、回転方向の手前側と裏側の通風路に風を導き間隔片の両側を均一に、かつ高速で冷媒ガスを流入させることにより冷媒ガスが拡散し、コイル表面部の高温層を効率良く冷却させることができる。
【００１１】
巻線端部が鉄心端部より頭出しして巻回された巻線と、この巻線端部の隣接巻線間に配置され巻線間隔を保持している間隔片とを備え、前記間隔片が、その側壁面に冷媒ガスが流通する冷媒ガス流通路を有する回転電機の回転子において、巻線端部の最内径側巻線より数ターンを綿状シートにレジンを含浸させて保持させた通風路形成間隔片を挿入することにより、高温ガスを再び胴部内コイルへ流れることなく胴部端に設けられた排出孔に導くことができる。これにより胴部とコイルエンド部との温度差を均等に近づけることができる。
【００１２】
このため、本発明においては、回転子巻線の頭部冷却構造は、回転方向に間隔片で突起を設け、冷媒ガスを内径側から外径側に高速で吹き上げさせることで、従来発熱が高いコイル表面の高温層を通らないで、排出していた冷媒ガスを強制的に拡散することにより、熱伝達性が向上し、コイルエンド部の平均温度上昇を抑制する効果が得られる。
【００１３】
また、間隔片の両側の冷媒ガスを均一にするため、円周方向に対し、傾斜した孔を設けることで、手前側の通風路と裏側の通風路の冷媒ガスの通風分布を均一にするとともに、冷媒ガスを拡散させるように径方向に高速で立ち上げることにより初期目的が達成される。また、この拡散し、高温となった冷媒ガスが再び胴部へと進入しないように綿状のシートにレジンを含浸させた間隔材を挿入することで、排気通路を形成させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例として図１から図８により説明する。
図１は本発明の実施例となる回転電機の回転子巻線の両端の頭部を示す斜視図である。図１において、回転子１はその回転子鉄心１Ｚとその鉄心に複数箇軸方向に切られたスロットに多重環状に複数ターン巻回した回転子の巻線２がスロットに挿入される。前記回転子鉄心１Ｚの両端から突出した頭部の外周は図示していない保持環で覆われ、遠心力による頭部の変形を抑えている。通風経路は従来構造で説明しているので、ここでは重複して説明しないが、円周方向の巻線についての排出孔１Ａは径方向に抜ける孔または溝を設けるなどして、排出孔１Ａを設けることにより円周方向の巻線２に対しても、径方向に冷媒ガス４を流すことができるので、本発明は特に軸方向の冷却について述べることとする。
【００１５】
図４から図７に巻線２と間隔片３間の温度分布を示す。図４は巻線２に沿って高速で冷媒ガス４を流したときの状態を示し、図６に前記巻線２と間隔片３間の温度分布を示す。これによると冷媒ガス４は間隔片側を主に通り抜けるものは、熱伝達されないまま、または冷却にまだ余裕をもって通過し、巻線表面側は、胴部端に到達する前に高温となり冷却能力を失ってしまう。また、冷却部の距離により冷却効果が変わってくるので、回転子全体でみると、スロットの開いている大きな巻線側の温度が高くなり、回転子を均一に冷却できない。
【００１６】
図５には、巻線に対し直角方向から冷媒ガス４を流した状態で、図７はその温度分布である。これによると、巻線２に沿って滑らかに流れる冷媒ガス４に比べ、巻線２に対し直角に冷媒ガスを衝突させた場合は、冷媒ガス４の温度が上昇し、巻線２の表面温度が下がることがわかる。前記直角方向に衝突させた冷媒ガス４は必ず高温部に触れ排出されること、また高温部と低温部が混合され、熱が冷媒ガスに伝達されやすくなるためと考えられる。また、巻線２と間隔片３の通風間隔を狭くすれば高温層に近いところを冷媒ガス４が通るが、風量が少なく、すぐに高温となり回転電機のコイルエンド部全体の平均温度を考えると冷却効率があまり向上しないことが判った。
【００１７】
これらの結果をもとに冷媒ガス４を前記条件に近い条件で実機に採用する場合、図２，図３に示すように、巻線の最内径部より出張る突起部３Ｂを間隔片３に設けることにより、冷媒ガス４を衝突させ、径方向に数十メートル／秒という高速で吹き上げることで、冷媒ガス４の拡散を行い、熱の伝達効率を向上することができる。図２に示す冷媒ガス４の流れは回転子１の回転で得られる周速を利用し、間隔片３の突起部３Ｂへ冷媒ガス４を衝突させ、外径側へ導く巻線２と間隔片３の隙間を通り、外径へと吹き上げる。
【００１８】
また、図３に示す巻線２を軸方向から見ると冷媒ガス４は、巻線２の面取りと巻線間の絶縁物の出張りにより丸内拡大図のように小さな渦４Ａができるので、より一層の拡散が期待できる。また、図２，図３に示すように裏面に冷媒ガス４が流入しにくい構造であるため傾斜孔３Ａを設けて、裏面に冷媒ガス４を導き、周速を利用できるようにしたもので、傾斜孔３Ａの大きさを設計することで手前側と裏側の風量を調整することが可能である。特に円筒型の鞍型巻線を有する回転子１では、スロットが広がる側に挿入される巻線が軸方向，周方向とも長くなるので、どうしても発熱量に差が生ずる。よってこの傾斜孔３Ａの数および径の大きさを調整することで、複数の巻線を均等に冷却しやすくなるという利点がある。このことは突起部３Ｂの長さを長短に調整すれば、風量を調整することが可能であり、負荷容量に応じて巻線の発生熱を調整できる。
【００１９】
図８に巻線の表面温度と冷媒ガス温度の従来構造と本発明についての温度比較を示す。従来構造では冷媒ガス４の熱伝達効率が低いため、巻線２の表面温度が下がりにくくなっているのに対し、本発明では、冷媒ガス４の冷却効率を拡散することにより向上させたことにより、全体的に巻線２の温度を低下させることができる。
【００２０】
しかし、このままだと熱を奪った冷媒ガス４が高温となり遠心力場では、比重が軽くなり、再び内径側に戻されてしまうので、これを防止するために図３のように間隔片３の下部と最内径巻線２の２ターンから３ターンの間を綿等のモールド部３Ｃの材料に、たとえばエポキシまたはポリエステルレジンを含浸させて、最低巻線から数ターンの間隔片間をモールドさせ、閉止することにより拡散して熱伝達されて高温となった冷媒ガスを胴部内部に逃がすことなく胴部端部の排出孔１Ａから排出することができる。冷媒ガス４を誘導する前記モールド部３Ｃは、最低巻線から２ターンが望ましいが数ターンでもよい。これは、最低ターンに内径側下面の開放面積が厚さに対し幅は５から６倍と大きいため巻線２のターン２から３ターン分は熱伝達により、充分モールド部３Ｃで塞がれた部分の巻線を冷却でき、モールド部３Ｃは劣化しない。
【００２１】
【発明の効果】
本発明によれば、前記のとおり冷媒ガスの流れを径方向とし、高温層を拡散することにより冷却させる通風構造とした。これにより熱伝達性が向上し、冷却性能が高く、コイルエンド部の温度が大幅に下がり、さらなる回転電機の小型化または、大容量化を可能とした冷却構造を備えた回転電機の回転子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は本発明の実施例の回転電機の回転子の一部を示す斜視図である。
【図２】図１の要部は詳細斜視図である。
【図３】図１，図２の要部は詳細断面図である。
【図４】この図は従来の冷媒ガスが巻線の冷却を説明する説明図である。
【図５】この図は本発明の冷媒ガスが巻線の冷却を説明する説明図である。
【図６】この図は従来構造の巻線と間隔片間の温度分布図である。
【図７】この図は本発明構造の巻線と間隔片間の温度分布図である。
【図８】この図は本発明と従来構造とを比較した温度分布図である。
【図９】従来の回転電機の回転子の一部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１…回転子、１Ａ…排出孔、２…巻線、２Ａ…コイルエンド、３…間隔片、３Ａ…傾斜孔、３Ｂ…突起部、４…冷媒ガス、５…ウエッジ。

Claims

巻線端部が鉄心端部より頭出しして巻回された巻線と、この巻線端部の隣接巻線間に配置され、巻線間隔を保持している間隔片とを備え、前記間隔片の側壁面に冷媒ガスが流通する冷却ガス流通路を有する回転電機の回転子において、前記間隔片は巻線端部の最内径側巻線より出張った突起部及び該突起部に設けられた吸気孔を有し、かつ、前記間隔片は、前記巻線端部の最内径側巻線より数ターンの回転子巻線に相当する部分がレジンで含浸されていることを特徴とする回転電機の回転子。
請求項１において、前記間隔片の突起部に設けられた吸気孔は、回転方向に対し、冷却ガスが衝突する手前側の孔が内径側となり突起の裏側の孔が外径側となるように傾斜した孔であり、該孔の大小に応じ、回転方向の突起の手前側と裏側の通風路に風を導くことを特徴とする回転電機の回転子。