JP3791146B2

JP3791146B2 - 回転電気機械の円筒形回転子

Info

Publication number: JP3791146B2
Application number: JP22876197A
Authority: JP
Inventors: 勝山崎
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2017-08-26
Also published as: JPH1169719A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、タービン発電機などの回転電気機械の円筒形回転子に係わり、回転子巻線に対する冷却性能を向上するべく改良されたその構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒形回転子を持つ回転電気機械は各種の用途に用いられているが、大容量のものとしてはタービン発電機が著名である。以下に、タービン発電機に代表させて、従来例の回転電気機械の円筒形回転子の説明を行うことにするが、まずは、一般例の円筒形回転子を持つ回転電気機械の冷却に関する構造を主体として、その構成の概要について図面を用いて説明する。図７は、一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示すその縦断面図であり、図８は、図７に示した回転電気機械の図７におけるＰ矢視図であり、図９は、図８におけるＡ−Ｃ断面図であり、図１０は、図８におけるＢ−Ｃ断面図である。また図１１は、図７におけるＱ部の一部破断した詳細図である。
【０００３】
図７〜図１１において、９は、円筒形回転子８と、固定子７と、ケーシング６と、周知の軸流ファンであるファン６９，６９と、冷却装置９３とを備えて構成された円筒形回転子を持つ一般例の２極の回転電気機械である。円筒形回転子８の外周面と固定子７の内周面と間には空隙部９１が介在されている。円筒形回転子８は、回転軸部８１と、回転軸部８１と一体に構成されると共に，回転軸部８１と同心の円形の外径を持つ回転子鉄心部８２と、２極機に対応した１対の回転子巻線５，５と、保持体８３，８３とを備えており、ケーシング６および図示しない軸受部を介して固定子７に回転自在に支持されている。回転子鉄心部８２と１対の回転子巻線５，５とが、この事例の場合の回転電機子部である。
【０００４】
それぞれの回転子巻線５は、平角状の導体である平角銅線を巻回し、回転子鉄心部８２の外周の円周方向に沿わせて形成されている図示しない複数の巻線用溝に、それぞれの層が異なる巻線用溝に装填されるようにして複数の層で構成されている。回転子巻線５の各層の巻線用溝に収納されている部位には、回転軸部８１の軸長方向に分布して多数の通気孔８８が形成されている。そうして、上述の構造を持つ１対の回転子巻線５，５は、回転軸部８１の中心軸線（図７中に１点鎖線で示す）Ｘ−Ｘに関して互いに線対称の関係となる基本構成とされている。
【０００５】
回転子巻線５の巻線用溝内に収納されないことで回転子鉄心部８２の両端部から突き出される状態に配置される部位である端部８９，８９は、保持体８３によってその少なくとも外周部が保持をされ、円筒形回転子８が回転することで発生される強大な遠心力によって変形をしないよう保護されている。保持体８３は、この事例の場合には、回転子巻線５のそれぞれの端部８９をその外周部で保持する円筒状部８３１と、ファン６９側の端部で円筒状部８３１に結合される円環状部８３２とを備えて構成されている。
【０００６】
それぞれのファン６９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却する冷媒ガス９９を回転電気機械９内に循環させるために設けられており、この事例の場合には、図示の如く回転子巻線５の両端部８９の回転軸部８１の軸長方向に関する外側の位置のそれぞれに、回転軸部８１に嵌め込まれて配設されている。固定子７は、周知の如く、多数の薄板製の鉄心板を積層してなり，回転軸部８１と同心の円形の内径を持つ固定子鉄心７１と、固定子鉄心７１に形成されている図示しない複数の巻線用溝に装填された固定子巻線７２とを備えて構成されている。そうして、固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向の要所には、冷媒ガス９９を通流させるための通気ダクト７３の複数個が形成されている。
【０００７】
ケーシング６は、冷媒ガス９９の通流路を備えて構成されているので、次にこれについて説明をする。まず、この事例の場合には、ケーシング６は、固定子鉄心７１の外周面に外接させて合計４枚の仕切板６１，６２が固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向に間隔を置いて図示の如くに設けられている。外側の仕切板６１と内側の仕切板６２とを接続するようにして複数の円筒状の連絡ダクト６３が配置されている。仕切板６１と仕切板６２とによって区切られたそれぞれの空間は排気ダクト６４，６４であり、両側を仕切板６２で区切られた空間は中央給気ダクト６５である。また、ケーシング６の両端部には、それぞれのファン６９に対応させて吸気ダクト６６，６６が備えられている。
【０００８】
冷却装置９３は、円筒形回転子８，固定子７を冷却することで高温となった冷媒ガス９９から熱を除去する周知の冷却器９４と、冷却器９４と排気ダクト６４，６４とを接続する排気風胴９５と、冷却器９４と吸気ダクト６６，６６とを接続する吸気風胴９６，９６とを備えて構成されている。
一般例の回転電気機械９は上述の如くに構成されているので、それぞれのファン６９で加圧されたそれぞれの冷媒ガス９９の流れは、まず、保持体８３が配置されている付近で大きく３つに分岐される。すなわち、それぞれの保持体８３の外周部を経て両端部から空隙部９１に直接流入する冷媒ガス流９９Ａと、固定子巻線７２の両端部のそれぞれを冷却した後に連絡ダクト６３を経て中央給気ダクト６５に流入する冷媒ガス流９９Ｂと、それぞれの回転軸部８１の外周面と保持体８３との間の空間のそれぞれから回転電機子部に流入する冷媒ガス流９９Ｃとである。
【０００９】
冷媒ガス流９９Ｃは、回転子巻線５の端部８９を冷却しつつ回転子鉄心部８２の端部に到り、冷媒ガス流９９Ｃの内の多くの部分はこの端部から巻線用溝部の底部に流入し、回転電機子部を冷却した後、通気孔８８から空隙部９１に順次流入する。冷媒ガス流９９Ｂは、中央給気ダクト６５に連通されている通気ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ回転子鉄心部８２の積厚方向の中央部から空隙部９１に流入する。このようにして、空隙部９１で合流されたそれぞれの冷媒ガス９９は、排気ダクト６４，６４に連通している通気ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ排気ダクト６４，６４に到る。
【００１０】
排気ダクト６４，６４に到達した冷媒ガス９９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却したので比較的に高温になっているが、この高温の冷媒ガス９９は、排気風胴９５を経て冷却器９４に流入して除熱をされる。冷却器９４で除熱をされて再び低温に戻った冷媒ガス９９は、吸気風胴９６，９６を経てファン６９に流入されるのである。
【００１１】
すなわち一般例の回転電気機械９は、冷却器９４を介して冷媒ガス９９を循環させることで、比較的に安定な運転状態を得ることができているが、この種の回転電気機械に採用されている円筒形回転子（例えば、円筒形回転子８）では、回転子巻線（例えば、回転子巻線５）部に関する冷却性能を向上させる努力が積み重ねられている。この努力においては、回転子巻線部の最高温度は端部（例えば、端部８９）において発生し易いので、端部の温度低減に関する検討も種々行われてきている。このような回転子巻線の温度、特に回転子巻線の端部温度の低減が試みられた円筒形回転子として、同じ出願人より出願された回転電機の回転子巻線頭部（ここで言う端部のことである）冷却構造が、特開平７−７５２７２号公報により公知となっている。
【００１２】
以下に、この特開平７−７５２７２号公報により公知となっている内容を基にして、従来例の回転電気機械の円筒形回転子を図１２〜図１８を用いて説明する。なお、図１２〜図１８を用いて行う説明においては、図７〜図１１に示した一般例の回転電気機械と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後の説明に用いる図中には、図１２〜図１８で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。
【００１３】
ここで、図１２は、図１１におけるＳ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示すその部分断面図であり、図１３は、図７におけるＲ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示すその斜視図である。図１４は、図１３におけるＴ部の部分斜視図であり、図１５は、図１２におけるＵ−Ｕ矢視の部分断面図である。また、図１６は、図１３におけるＶ−Ｖから見た巻線用溝とその周辺部の断面図であり、図１７は、図１３におけるＷ−Ｗ断面図であり、図１８は、図１７におけるＪ矢視図である。なお、図１３は保持体およびその周辺部を取り除いて回転子巻線の外周部が露出された状態として図示し、また、図１４は、素線間絶縁体の図示を省略すると共に回転子巻線部の層の円弧状部とスペーサとを直線状に展開して図示している。
【００１４】
図１２〜図１８において、８Ａは、回転軸部８１と、回転子鉄心部８２Ａと、１対の回転子巻線５Ａ，５Ａと、それぞれ複数のスペーサ５４，５４Ａと、隔壁体５５，５５と、仕切壁体５６，５６と、外周部絶縁体５７，５７と、複数の楔５９と、保持体８３，８３等とを備えて構成された２極の円筒形回転子である。回転子巻線５Ａは、それぞれの磁極毎に平角銅線が用いられた素線５１が複数回巻回された複数の層（この事例の場合には６層）５２で構成されており、それぞれの層５２は、周知の鞍形コイルとして形成されている。鞍形コイルであるそれぞれの層５２の直線状部の中央部分は、回転子鉄心部８２に形成された異なる巻線用溝８４に装填をされ、また、層５２の円弧状部は、回転子巻線５Ａの端部８９の主要部分を構成している。
【００１５】
端部８９における層５２の相互間にはスペーサ５４が、最も外側の層５２の外側面と最も内側の層５２の内側面とにはスペーサ５４Ａがそれぞれ配置されて、円筒形回転子８Ａの加減速時に発生する加速度などに対応して端部８９に働く強大な応力に対処している。スペーサ５４は、細長い平板状の電気絶縁材からなる基板部５４１と、基板部５４１の両側面のそれぞれに一定の厚さを持たせて形成された電気絶縁材製の複数の突起部５４２とで構成されている。この突起部５４２は、端部８９における層５２の側面に沿わせて冷媒ガス９９を通流させる通流路を確保するために設けられるものである。スペーサ５４Ａのスペーサ５４に対する相異点は、複数の突起部５４２が基板部５４１の一方の側面のみに備えられていることである。
【００１６】
スペーサ５４，５４Ａが持つ基板部５４１は、層５２の高さ方向寸法Ｈとほぼ同等の幅寸法を有し、導体５１の長さ方向に沿わせた長さを有している。スペーサ５４，５４Ａにおける突起部５４２は、この事例の場合には山形や三角形などの突端部を持つ形状を有し、その反基板部５４１側の端面は層５２を構成する導体５１の側面に当接されるようにし、基板部５４１の長さ方向に間隔を隔てて形成されている。この突起部５４２は、基板部５４１の幅方向の両端部のそれぞれに、その突端部を内側として、しかも、互いに位置を半間隔長だけずらして形成をされている。
【００１７】
これによって、端部８９における層５２を構成する導体５１の側面には、冷媒ガス９９が通流される通流路が、突起部５４２によってジグザグ状とされて形成されることになる。この通流路を後記する貫通孔５５ａと関連付けて視察すると、貫通孔５５ａから層５２の直線状部に沿って冷媒ガス９９が通流する通流路５４Ｘと、貫通孔５５ａから層５２の円弧状部に沿って冷媒ガス９９が通流する通流路５４Ｙとして把握することができる。なお、突起部（例えば、突起部５４２）が持つ形状としては、矩形状のものも知られている。
【００１８】
それぞれの端部８９に配置される隔壁体５５は、この事例の場合には、複数の部材を用いて全体として円筒を構成するようにして電気絶縁材を用いて作製されており、端部８９における層５２の内周側に回転軸部８１の外周面との間に空間を隔てて配置されている。隔壁体５５には冷媒ガス通流路として、層５２の直線状部と円弧状部との結合部位のそれぞれの直下の部位に貫通孔５５ａが、また、後記する排気室５６Ｘに対向する部位に貫通孔５５ｂが、それぞれ形成されている。仕切壁体５６は、１対が１組になって合計２組（２極機であるため）が用いられており、排気室５６Ｘを形成すべき部位を仕切るようにして、隔壁体５５の内周面に当接させて配置されている。
【００１９】
両側を仕切壁体５６，５６で仕切られることで隔壁体５５の内周側に形成される４個の空間の内、磁極の中間位置の直下に位置している２個の空間が、冷媒ガス流９９Ｃが流入される流入室５５Ｘであり、また、磁極の中心位置（磁極の中心線Ｙ−Ｙを図１５中に２点鎖線で示す）の直下に位置している２個の空間が排気室５６Ｘである。この排気室５６Ｘは、そのファン（例えば、一般例の場合のファン６９）側の端部は閉塞され、その反ファン側の端部は後記する排気溝８６に連通されている。なお、流入室５５Ｘは、そのファン側の端部は開口をされ、その反ファン側の端部は後記する溝部通流路８４ａに連通されている。なおまた、隔壁体５５と仕切壁体５６とは、例えば、両者を一体として、鍔（仕切壁体５６，５６に相当）付きの半円状として形成しても良いことは、勿論のことである。
【００２０】
外周部絶縁体５７は、電気絶縁材を用いて円筒状に形成され、端部８９における層５２の外周側と、保持体８３Ａの円筒状部８３１の内周側との間に配置されている。楔５９は、巻線用溝８４に装填をされた部分の回転子巻線５Ａが、円筒形回転子８Ａが回転することで発生される強大な遠心力によって巻線用溝８４から飛び出さないようにするなどのために、それぞれの巻線用溝８４の最外周部の付近に装着されている。
【００２１】
楔５９には回転軸部８１の軸長方向に沿って多数の円形の貫通孔５９ａが形成されており、それぞれの貫通孔５９ａは、素線５１に形成されている後記する貫通孔５１ａなどを介して溝部通流路８４ａに連通されている。この溝部通流路８４ａは、各巻線用溝８４の底部に回転軸部８１の軸長方向に沿って形成されており、溝部通流路８４ａの両端部はそれぞれ流入室５５Ｘに連通されている。なお、一般例の回転電気機械９に関する前述説明で述べた通気孔８８は、従来例の円筒形回転子８Ａでは、貫通孔５９ａとこれに対応して層５２に関連して形成されている後記する諸貫通孔によって構成されていることになる。
【００２２】
回転子鉄心部８２Ａは、一般例の前記回転子鉄心部８２に対して、１対の回転子巻線５Ａ，５Ａが持つ層５２に対応した個数と位置とに従う複数の巻線用溝８４と、同一のハーフ磁極に属すると共に互いに隣接する巻線用溝８４の相互間の部位である複数の歯部８５と、複数の排気溝８６とが図示の如くに形成されている。各巻線用溝８４の底部には断付部８４ｂが形成されており、この断付部８４ｂの下部に前記した溝部通流路８４ａが形成されている。また、最外，最内側の層５２が装填される巻線用溝８４の反歯部８５側を形成する回転子鉄心部８２Ａの部位，および各歯部８５のそれぞれの軸長方向の両端部には、排気路８５ａが形成されている。
【００２３】
ここで、図１６〜図１８を主として用いて、円筒形回転子８Ａの巻線用溝８４内の電気絶縁および冷媒ガス９９の通流路について更に説明する。それぞれの巻線用溝８４内には、まず、回転子鉄心部８２と層５２との間の電気絶縁用として、電気絶縁材をＬ字状に形成した溝部絶縁体５８１の１対が図示にように装填をされる。この溝部絶縁体５８１は、Ｌ字状をなすその底辺部分を断付部８４ｂ上に、その先端部の相互間に間隔幅Ｗ₅₈₁を持つ間隙部５８１ａが形成されるようにして載置される。そうして層５２は、その下面と両側面とを溝部絶縁体５８１によって電気絶縁されるようにして、巻線用溝８４に装填されている。この層５２の上側には、電気絶縁材製の上部絶縁体５８２を介して、前記楔５９が装着されている。なお、５１１は、素線５１の相互間を電気絶縁するための電気絶縁材製の素線間絶縁体である。
【００２４】
それぞれの層５２を構成する素線５１の巻線用溝８４内に収納されている部分には、図示の如くに、回転軸部８１の軸長方向に沿って冷媒ガス９９（後記する冷媒ガス流９９Ｚ）を通流させるための複数の貫通孔５１ａが形成されている。それぞれの貫通孔５１ａは、冷媒ガス９９のための広い通流面積を確保するために、この事例の場合には、回転軸部８１の軸長方向に沿って長い小判形の形状にされている。また、素線間絶縁体５１１および上部絶縁体５８２のそれぞれにも、貫通孔５１ａに対向する位置に、貫通孔５１ａとほぼ同一形状の貫通孔５１１ａおよび５８２ａが形成されている。そうして、楔５９に形成された貫通孔５９ａは、図１８に示すように、前記諸貫通孔５１ａ，５１１ａおよび５８２ａに対向する部位に形成されている。
【００２５】
従来例の円筒形回転子８Ａは上述の如くに構成されているので、冷媒ガス流９９Ｃの通流経路は次記のように形成されている。すなわち、それぞれの流入室５５Ｘに流入した冷媒ガス流９９Ｃは、流入室５５Ｘにおいて、回転軸部８１の軸長方向に沿って溝部通流路８４ａに流入する冷媒ガス流９９Ｚと、隔壁体５５が持つ貫通孔５５ａから層５２の側面に形成されているジグザグ状の通流路（通流路５４Ｘと通流路５４Ｙ）に流入する冷媒ガス流とにまず分岐される。貫通孔５５ａからジグザグ状の通流路に流入した冷媒ガス流は、貫通孔５５ａの近傍において、通流路５４Ｘを通流する冷媒ガス流９９Ｘと、通流路５４Ｙを通流する冷媒ガス流９９Ｙとにさらに分岐される。
【００２６】
そうして、冷媒ガス流９９Ｘは、流入室５５Ｘ→貫通孔５５ａ→通流路５４Ｘ→排気路８５ａを順次経過した後に図示しない空隙部（例えば、前述空隙部９１）に流入し、この間、回転子巻線５Ａの直線状部の端部８９に在る部位と、回転子鉄心部８２Ａの両端部とを冷却する。また、冷媒ガス流９９Ｙは、流入室５５Ｘ→貫通孔５５ａ→通流路５４Ｙ→貫通孔５５ｂ→排気室５６Ｘ→排気溝８６を順次経過した後に空隙部に流入し、この間、回転子巻線５Ａの円弧状部と、回転子鉄心部８２Ａの両端部とを冷却する。さらに、冷媒ガス流９９Ｚは、流入室５５Ｘ→溝部通流路８４ａ→通気孔８８（間隙部５８１ａと、貫通孔５１ａ，５１１ａおよび５８２ａと、貫通孔５９ａ）を順次経過した後に空隙部に流入し、この間、回転子巻線５Ａの直線状部の巻線用溝８４に装填されている部位と、回転子鉄心部８２Ａとを冷却する。
【００２７】
また、通流路５４Ｘ，５４Ｙにおいては、冷媒ガス流９９Ｘ，９９Ｙは、ジグザグ状の通流路を通流することになるので、層５２の側面と比較的に長く接触できることになり、層５２を良好に冷却することができている。このような冷却構成を備えることによって、円筒形回転子８Ａでは、端部８９を含む回転子巻線５Ａの冷却性能の向上を図ることができている。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による回転電気機械の円筒形回転子（例えば、円筒形回転子８Ａ）においては、端部（例えば、端部８９）を含む回転子巻線（例えば、回転子巻線５Ａ）に対する冷却性能の向上をある程度は達成することが出来ているが、まだ後記するような理由で回転子巻線に部分的に高温となる個所が残存しており、その解決が望まれている。
【００２９】
一般に電気機械の寿命は、周知の如くに巻線の電気絶縁のために採用されている電気絶縁材の耐熱寿命特性によって決められるものであるので、回転子巻線の温度が相対的に高いと言うことは、回転子巻線の温度が使用されている電気絶縁材の許容温度を越えないように回転子巻線の電流密度を設定しなければならないと言うことであり、結果として円筒形回転子の、したがって回転電気機械の体格の大形化を招いたり、または、回転電気機械の定格出力の低減を余儀なくされるのである。
【００３０】
ところで、回転子巻線に部分的に高温となる個所が存在している主な理由は次記するとおりである。
▲１▼円筒形回転子が備える回転子巻線の端部の部位では、回転子巻線の各層（例えば、層５２）は、側面側に配置されたスペーサ（例えば、スペーサ５４，５４Ａ）によって通流路が確保された冷媒ガス（例えば、冷媒ガス９９）によって冷却されている。ところでこの通流路内を通流する冷媒ガス流は、前述したごとく隔壁体（例えば、隔壁体５５）の，層の直線状部と円弧状部との結合部位の直下の部位に形成されている貫通孔（例えば、貫通孔５５ａ）から流出した直後に、層の直線状部に沿って通流する冷媒ガス流（例えば、冷媒ガス流９９Ｘ）と，層の円弧状部に沿って通流する冷媒ガス流（例えば、冷媒ガス流９９Ｙ）とに分岐される。
【００３１】
このため、層の直線状部と円弧状部との結合部位では、前記貫通孔から遠くなるほどその部位を冷却する冷媒ガスの流量が少なくなる。この結果、層の直線状部と円弧状部との結合部位の前記貫通孔から離れた部位（例えば、図１３におけるＫ部）は、他の部位と比較して冷却される度合いが低下されるので、この部位に高温部が発生している。
【００３２】
▲２▼回転子巻線の端部の部位の円弧状部は、この部位を冷却する冷媒ガス流（例えば、冷媒ガス流９９Ｙ）が貫通孔（例えば、貫通孔５５ａ）から流出した直後にほぼ９０度曲がって通流しなければならない。これに対して、回転子巻線の端部の部位の直線状部を冷却する冷媒ガス流（例えば、冷媒ガス流９９Ｘ）は、隔壁体の内周側を流れる場合の通流方向をほぼそのまま維持して通流する。このために、円弧状部を冷却する冷媒ガス流に対する流体抵抗が相対的に大きくなるので、円弧状部は相対的に高温になり易い。
【００３５】
この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、回転子巻線の冷却性能が向上をされた回転電気機械の円筒形回転子を提供することにある。
【００３６】
【課題を解決するための手段】
この発明では前述の目的は、
１）回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数の巻線用溝を有する回転子鉄心部と、一対または複数対の磁極用の回転子巻線と、回転軸部の軸長方向に関する外側の位置のそれぞれに配設された冷媒ガスを循環するための冷却用ファンとを備え、それぞれの磁極用の前記回転子巻線は、平角状の導体材を用いて巻回された複数の層で構成されると共にそれぞれの層が異なる巻線用溝に装填されてなり、巻線用溝内に収納されていない部分である回転子巻線の端部におけるそれぞれの層の側面部には回転子巻線を冷却する冷媒ガスを通流させるためのジグザグ状の通流路を有するスペーサが配設されてなり、回転子巻線のそれぞれの層は、互いにほぼ平行させて配置されると共にその長さ方向の中央部分が前記巻線用溝に装填される１対の直線状部と，両直線状部の端部の間を接続して互いにほぼ平行させて配置される１対の円弧状部とでなり、回転子巻線の少なくとも端部は前記冷媒ガスによって冷却されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、回転子巻線の層が持つ円弧状部は、用いられる導体材に冷媒ガスを通流させるための円弧に沿った通流路を有してなる構成とすること、または、
２）前記１項に記載の手段において、回転子巻線の層の円弧状部が有する冷媒ガス通流用の円弧に沿った通流路は、スペーサが配設される側に開口を持つ凹溝である構成とすること、または、
３）前記１項に記載の手段において、回転子巻線の層の円弧状部が有する冷媒ガス通流用の円弧に沿った通流路は、円弧状部を構成している導体材の長さ方向に沿わせて形成された貫通孔である構成とすること、により達成される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、この項の以下の説明においては、図１２〜図１８に示した従来例の回転電気機械の円筒形回転子と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後の説明に用いる図中には、図１２〜図１８で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。
【００３８】
図１は、図７におけるＲ部に対応した部位におけるこの発明の実施の形態の一例による回転電気機械の円筒形回転子を示すその斜視図であり、図２は、図１におけるＬ部の部分斜視図であり、図３は、回転子巻線の層が持つ１個の円弧状部の図２におけるＭ−Ｍ断面図である。また図４は、図１におけるＮ−Ｎ断面図であり、図５は、図４におけるＯ矢視図である。なお、図１は保持体８３Ａおよび外周部絶縁体５７を取り除いて回転子巻線２の外周部が露出された状態として図示しており、また図２は、素線間絶縁体の図示を省略すると共に回転子巻線の円弧状部とスペーサとを直線状に展開して図示している。
【００３９】
図１〜図５において、１は、図１２〜図１８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、回転子巻線５Ａおよび楔５９に替えて、それぞれ回転子巻線２および楔３を用いるようにした円筒形回転子である。回転子巻線２は、それぞれが鞍形コイルである複数の層２１で構成され、この層２１は、１巻回分が１対の直線状部２３と１対の円弧状部２４とでなる素線２２を、複数回巻回するようにして形成されている。この内、直線状部２３は、従来例による回転子巻線５Ａによる素線５１と同一の断面形状に設定されており、直線状部２３の巻線用溝８４内に収納されている部分には、従来例の素線５１の場合と同様に複数の貫通孔５１ａが形成されている。
【００４０】
しかし、円弧状部２４は、この発明による特徴的な断面形状として、冷媒ガス９９を通流させるための通流路である凹溝２５の１対が形成されている。それぞれの凹溝２５は、その開口２５ａをスペーサ５４またはスペーサ５４Ａが配設される側に面するようにして形成されている。なお、円弧状部２４の断面積は直線状部２３の断面積とほぼ同等に設定されており、直線状部２３と円弧状部２４とは、同等の電流密度に設定されている。すなわち回転子巻線２は、凹溝２５が形成された円弧状部２４を用いることが従来例による回転子巻線５Ａと異なっている。上述した直線状部２３と円弧状部２４とは、直線状部２３の端部２３ａで機械的にも電気的にもしたがって熱伝導的にも互いに接続されており、それぞれの接続部位は、従来例の場合の層５２の直線状部と円弧状部との結合部位と同等の位置に設定されている。
【００４１】
楔３は、従来例による楔５９に対して、楔５９が持つ円形の貫通孔５９ａに替えて、工作性能が高い近年のＮＣ工作機械を用いるなどによって得られた、回転軸部８１の軸長方向に沿って長い小判形とされた貫通孔３ａが形成されていることのみが異なっている。この貫通孔３ａは、直線状部２３に形成された貫通孔５１ａに対向し合う位置のそれぞれに形成されており、前記間隙部５８１ａと、前記諸貫通孔５１ａ，５１１ａおよび５８２ａと一体になって、冷媒ガス流９９Ｚに対する通流路を形成することは、従来例による貫通孔５９ａの場合と同様である。この貫通孔３ａは、図５に明示したごとく、諸貫通孔５１ａ，５１１ａおよび５８２ａとほぼ同等の断面形状と寸法とを有している。
【００４２】
図１〜図５に示すこの発明の実施の形態の一例による円筒形回転子１では前述の構成としたので、回転子巻線２の円弧状部２４における冷媒ガス流９９Ｙの通流路としては、スペーサ５４，５４Ａが持つ通流路に凹溝２５内の通流路が加わることになり、冷媒ガス流９９Ｙに対する流体抵抗が低減をされている。また、円弧状部２４の長さ方向に関する凹溝２５の端面は、当然のことながら円弧状部２４の端面側に開口をしているので、貫通孔５５ａから流出した直後の冷媒ガス流９９Ｙは、容易に凹溝２５内に流入されることになる。これらのことにより、冷媒ガス流９９Ｙの流量は従来例の円筒形回転子８Ａの場合より増大されることになる。
【００４３】
さらに、冷媒ガス流９９Ｙが円弧状部２４と接触し合う面積は、円弧状部２４が凹溝２５を有していることで、従来例の矩形状の断面形状を持つ素線５１と対比して当然のことながら増大する。すなわち、円筒形回転子１が持つ回転子巻線２の端部８９では、冷媒ガス流９９Ｙの流量と、円弧状部２４の冷媒ガス流９９Ｙに対する放熱面積とが共に増大されることと、冷媒ガス流９９Ｙの凹溝２５への流入が容易であることとが相まって、円弧状部２４の冷却性能が格段に増大される。この結果、直線状部２３との接続部位を含めて円弧状部２４の温度上昇が低減をされるが、このことは、直線状部２３との接続部位の貫通孔５５ａから離れた部位（図１３にＫ部として示した）に対しても同様である。
【００４４】
また、楔３の持つ貫通孔３ａが上述の断面形状と寸法とを有していることで、貫通孔３ａでの冷媒ガス流９９Ｚの通流面積が従来例よりも増大をされ、貫通孔５１ａ等の前記諸貫通孔と貫通孔３ａとでなる部位の冷媒ガス流９９Ｚに対する流体抵抗が、従来例と対比して低減をされる。したがって、貫通孔３ａ等を通流する冷媒ガス流９９Ｚの流量が増大をされるので、回転子巻線２の巻線用溝８４に装填をされた直線状部２３の温度上昇が低減される。この結果、回転子鉄心部８２Ａの中央部分の直線状部２３の温度も相対的に低減することができている。
【００４５】
上述の説明では、回転子巻線（例えば、回転子巻線２）の円弧状部（例えば、円弧状部２４）が備える冷媒ガス流（例えば、冷媒ガス流９９Ｙ）の通流路は凹溝（例えば、凹溝２５）であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、貫通孔であってもよいものである。
【００４６】
【実施例】
以下この発明の実施例を図面を参照して説明する。なお、この項の以下の説明においては、図１〜図５に示したこの発明の実施の形態の例の円筒形回転子１と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また、以後の説明に用いる図中には、図１〜図３で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。図６は、図２と同一部位における請求項１，３に対応するこの発明の一実施例による回転電気機械の円筒形回転子が有する回転子巻線を周辺の部材と共に示すその部分斜視図である。この図６は、素線間絶縁体の図示を省略すると共に回転子巻線の円弧状部とスペーサとを直線状に展開して図示している。
【００４７】
図６において、４は、図１〜図３に示したこの発明の実施の形態の例による回転子巻線２に対して、それぞれが鞍形コイルである複数（これに関しては、円筒形回転子１が有する回転子巻線２と同一である）の層４１で構成され、この層４１は、１巻回分が１対の図示しない直線状部２３と１対の円弧状部４４とでなる素線４２を複数回巻回するようにして形成されている。円弧状部４４は、前述回転子巻線２の場合と対比すると、冷媒ガス９９を通流させるための通流路が貫通孔４５として形成されていることが、円弧状部２４と異なっている。
【００４８】
このことに対応し、貫通孔４５内を通流する冷媒ガス流９９Ｙの円弧状部４４からの出口として、図示しない隔壁体５５に形成されている図示しない貫通孔５５ｂに対向する部位に、溝部４６が形成されている。これによって、貫通孔４５内を通流した冷媒ガス流９９Ｙは、溝部４６を経て貫通孔５５ｂから図示しない排気室５６Ｘに流入することができる。
【００４９】
実施例による回転子巻線４では前述の構成としたので、円弧状部４４は、冷媒ガス９９を通流させる通流路が貫通孔４５であることにより、溝部４６が形成されている部位を除いては、直線状部２３が接続されたり，スペーサ５４などが配置されたりするその側面は平滑な面として形成されている。これによって、回転子巻線４は、前述回転子巻線２の場合と対比すると、冷媒ガス流９９Ｙによる冷却性能をほぼ同等にしながら、直線状部２３との接続が容易になることなどによって製造工数を低減できるとの特長を有している。
【００５０】
【発明の効果】
この発明になる回転電気機械の円筒形回転子においては、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることにより、次記する効果を奏する。
▲１▼前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（２）項による構成とすることにより、回転子巻線の端部の円弧状部を冷却する冷媒ガス流量が従来例との対比で約１０〔％〕増大されると共に、円弧状部の冷媒ガス流に対する放熱面積が増大されることになる。これ等によって、この部位の回転子巻線の最高温度を従来例との対比で約１０〔℃〕低減することが可能となる。また、このことによって、円筒形回転子の許容電流ができて許容出力の増大が可能となる。
【００５１】
▲２▼前記課題を解決するための手段の項の第（１）項，第（３）項による構成とすることにより、前記▲１▼項の場合と同様な理由によって、回転子巻線の端部の円弧状部での冷媒ガス流量が従来例との対比で約５〔％〕増大されると共に、円弧状部の冷媒ガス流に対する放熱面積が増大されることになる。これ等によって、回転子巻線の端部の最高温度を従来例比で約５〔℃〕低減することが可能となる。また、このことによって、円筒形回転子の許容電流ができて許容出力の増大が可能となる。なおまた、円弧状部の外側面が平滑面であり直線状部との接続が容易であるなどの利点が得られるので、前記▲１▼項の場合よりも製造原価を低減することが可能となるとの効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図７におけるＲ部に対応した部位におけるこの発明の実施の形態の一例による回転電気機械の円筒形回転子を示すその斜視図
【図２】図１におけるＬ部の部分斜視図
【図３】回転子巻線の層が持つ１個の円弧状部の図２におけるＭ−Ｍ断面図
【図４】図１におけるＮ−Ｎ断面図
【図５】図４におけるＯ矢視図
【図６】図２と同一部位における請求項１，３に対応するこの発明の一実施例による回転電気機械の円筒形回転子が有する回転子巻線を周辺の部材と共に示すその部分斜視図
【図７】一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示すその縦断面図
【図８】図７に示した回転電気機械の図７におけるＰ矢視図
【図９】図８におけるＡ−Ｃ断面図
【図１０】図８におけるＢ−Ｃ断面図
【図１１】図７におけるＱ部の一部破断した詳細図
【図１２】図１１におけるＳ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示すその部分断面図
【図１３】図７におけるＲ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示すその斜視図
【図１４】図１３におけるＴ部の部分斜視図
【図１５】図１２におけるＵ−Ｕ矢視の部分断面図
【図１６】図１３におけるＶ−Ｖから見た巻線用溝とその周辺部の断面図
【図１７】図１３におけるＷ−Ｗ断面図
【図１８】図１７におけるＪ矢視図
【符号の説明】
１円筒形回転子
２回転子巻線
２１層
２２素線
２３直線状部
２３ａ端部
２４円弧状部
３楔
３ａ貫通孔
８１回転軸部
８４巻線用溝
９９冷媒ガス

Claims

回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数の巻線用溝を有する回転子鉄心部と、一対または複数対の磁極用の回転子巻線と、回転軸部の軸長方向に関する外側の位置のそれぞれに配設された冷媒ガスを循環するための冷却用ファンとを備え、それぞれの磁極用の前記回転子巻線は、平角状の導体材を用いて巻回された複数の層で構成されると共にそれぞれの層が異なる巻線用溝に装填されてなり、巻線用溝内に収納されていない部分である回転子巻線の端部におけるそれぞれの層の側面部には回転子巻線を冷却する冷媒ガスを通流させるためのジグザグ状の通流路を有するスペーサが配設されてなり、回転子巻線のそれぞれの層は、互いにほぼ平行させて配置されると共にその長さ方向の中央部分が前記巻線用溝に装填される１対の直線状部と，両直線状部の端部の間を接続して互いにほぼ平行させて配置される１対の円弧状部とでなり、回転子巻線の少なくとも端部は前記冷媒ガスによって冷却されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、回転子巻線の層が持つ円弧状部は、用いられる導体材に冷媒ガスを通流させるための円弧に沿った通流路を有してなることを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
請求項１に記載の回転電気機械の円筒形回転子において、回転子巻線の層の円弧状部が有する冷媒ガス通流用の円弧に沿った通流路は、スペーサが配設される側に開口を持つ凹溝であることを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
請求項１に記載の回転電気機械の円筒形回転子において、回転子巻線の層の円弧状部が有する冷媒ガス通流用の円弧に沿った通流路は、円弧状部を構成している導体材の長さ方向に沿わせて形成された貫通孔であることを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。