JPH09322454A - 回転電機の回転子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】冷媒ガスの流通損失が小さく、コイルエンド部
の温度上昇が充分抑制され、またコイルエンド部が平均
的に冷却され、導体断面を増加させることなく可使寿命
の長い回転電機の回転子を提供する。 【解決手段】巻線端部が鉄心端部より頭出して巻回され
た巻線２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３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
有するとともに、その冷媒ガス流通路が蛇行状に形成さ
れている回転電機の回転子において、前記間隔片３の冷
媒ガス流通路３ｂに、冷媒ガスの高速流の部分から冷媒
ガスの淀みの部分へ冷媒ガスを導く第二の冷媒ガス流通
路３ｃを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【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巻線が収
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コイルエンド部分
は、高速回転下で使用されるため、その外周側には保持
環が設けられ高遠心力によるコイルエンドの変形が防止
されるように形成されている。

【０００３】また、この回転子は、回転子軸の両端に対
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
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、コイルエンド部の冷却は、隣接巻線
間を流通する冷却媒体により冷却される。すなわち、図
８に示されているように、コイルエンド２ａに分岐され
た冷媒ガス４がコイルエンド２ａを湾曲し、冷却しなが
ら回転子１の端部に設けられた通風孔１ａに導かれコイ
ルエンド部が冷却されるように形成されている。なお、
図中１ｂは鉄心であり、２は回転子巻線、３は冷媒ガス
流通路を有する間隔片である。

【０００５】このようなコイルエンドを冷却するゾーン
通風冷却構造に関連するものとしては、例えば豪州特許
ＥＰ０１６０８８７号公報が挙げられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このようなコイルエン
ド２ａ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２に大電流を流すことが求
められるため、特に発熱量が大きくなる。図８および図
４に示す従来技術では、コイルエンド２ａ間に挿入され
ている間隔片３に冷媒ガスを湾曲，すなわち蛇行しなが
らコイルエンド２ａ部を通過させるために、コイル支え
３ａにより冷媒ガス流通路３ｂが構成されている。

【０００７】この冷媒ガス流通路３ｂは、径方向の幅Ｗ
が広がったり、絞られたりして変化する。また、例えば
軸方向スペーサにおいては、コイル間方向（円周方向）
の深さＴは一定となっている。この構造でファンにより
加圧された、また径の違いによるヘッド差が起こす排出
孔１ａの吸引効果により冷媒ガス４は高速流バンド４ｂ
が発生する。この高速流バンド４ｂは数十ｍ／秒という
冷媒ガスの流れで、いわば通路となる。

【０００８】この湾曲した高速流４ｂから外れるとコイ
ル支え３ａと高速流バンド４ｂとの間で冷媒ガス渦流４
ａが発生している。この渦流４ａは高速で回転する部分
と淀む部分が存在するが、冷却にとってはどちらも断熱
層となり、高温となることが分かった。この渦流部がな
くなるように、コイル支え３ａの形状を高速流バンド４
ｂに合わせて決めても良いが、コイル支えがコイルエン
ド２ａの導体を完全に覆い、さらに熱伝導が悪くなると
いう問題があった。

【０００９】大電流化にともなう大発熱量下では、熱伝
導の良い銅を用いた回転子巻線においても、前記に述べ
たように高速流部と湾曲して流すために起こる渦流部
は、極端に温度差がついてしまうため、抵抗増加によ
り、発熱量が大きくなり、冷却部とそうでない部分とで
温度差が大きくなってしまうため、今以上の電流値が増
加できなくなり、導体断面を増加せざるを得なくなる。

【００１０】また、回転電機の耐用寿命可使時間はコイ
ル導体を電気的に仕切る絶縁材の熱寿命特性から決ま
り、全絶縁が平均的に劣化することが望ましい。言い換
えれば、部分的なローカルヒートポイントが点在するこ
とは、その最高温度が弱点部となるため、前記ローカル
ヒートポイントを考慮した絶縁設計となり、耐熱温度を
超えない範囲でコイルの電流密度を決めることが必要に
なる、また部分的なローカルヒートポイントがあるがた
めに、導体断面を増加させる必要が生ずる。

【００１１】本発明はこれに鑑みなされたもので、その
目的とするところは、冷媒ガスの流通損失が小さく、コ
イルエンド部の温度上昇が充分抑制され、またコイルエ
ンド部が平均的に冷却され、導体断面を増加させること
なく可使寿命の長い回転電機の回転子を提供するにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、巻線
端部が鉄心端部より頭出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とともに、その冷
媒ガス流通路が蛇行状に形成されている回転電機の回転
子において、前記間隔片の冷媒ガス流通路に、冷媒ガス
流通路の負圧となる部分と正圧となる部分とを連通する
第二の冷媒ガス流通路を設けるようにし所期の目的を達
成するようにしたものである。

【００１３】また、間隔片の冷媒ガス流通路に、冷媒ガ
スの高速流の部分から冷媒ガスの淀みの部分へ冷媒ガス
を導く第二の冷媒ガス流通路を設けるようにしたもので
ある。またこの場合、前記第二の冷媒ガス流通路を、前
記冷媒ガス流通路の側壁部に設けられた溝にて形成する
ようにしたものである。また、この第二の冷媒ガス流通
路を、間隔片の一部を貫通して形成された貫通孔にて形
成するようにしたものである。またこの第二の冷媒ガス
流通路を、冷媒ガスの吸入側部分の断面積は大きく、か
つ排出側部分の断面積は小さく形成するようにしたもの
である。

【００１４】すなわちこのように形成されている回転電
機の回転子であると、回転子巻線のコイルエンド部冷却
構造を渦流の発生する箇所に強制的に、その部分の冷媒
ガスを排出孔へと導く第二の冷媒ガス流通路が設けられ
ていることから、従来活用されなかった冷却表面部分に
冷媒ガスが供給され、冷却表面積が拡大されたことによ
り、部分的なローカルヒートポイントが激減される。ま
た、コイル支えで覆われているコイル導体部の発熱は、
渦流がなくなったことで、熱伝達性が向上し、コイルエ
ンド部の平均温度上昇とローカルヒートポイントとの温
度差が小さく、さらに温度上昇を抑制する機能が得ら
れ、絶縁の寿命に影響する弱点部がなくなる。

【００１５】また、冷媒ガスを導く通風路を湾曲して形
成された間隔片の幅、つまり冷媒ガスが絞られる部分の
深さを深くし、風量を増やすことで急速な冷媒ガス温度
上昇を抑え、開放される部分は深さＴを浅くして風速を
速め、全体に冷媒ガスを広げることにより平均的にコイ
ル表面の冷却が行なわれる。

【００１６】さらに、回転子鉄心の両端部の冷媒排出孔
近傍に、前記間隔片の排出部に誘導するように、通常部
の間隔片とコイルエンド間の隙間より深く溝設けること
により、直接排出孔に向かう冷媒ガスを幅広く分散する
ことができ、積層された全ターンに均等に冷媒ガスを当
てることができるので効率の良い冷却が可能となる。

【００１７】さらにまた、冷媒ガス流通路の吸入部の吸
入断面を大きく、排出部の排出断面を絞ることにより、
湾曲して流れる冷媒ガスの流速が徐々に上がり、湾曲す
る凸部への衝突による風損を軽減でき、排出性を高める
ことにより、効率よく冷却することができるのである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下図示した実施例に基づいて本
発明を詳細に説明する。図１にはその回転子の要部が斜
視図で示されている。なお、この図は保持環が取り外さ
れた状態を示している。回転子１はその回転子鉄心１ｂ
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巻線２がスロットに挿入
され、ウエッジ６にて保持されている。

【００１９】前記回転子鉄心１ａの両端から突出したコ
イルエンド２ａの外周は図示していない保持環で覆わ
れ、遠心力によるコイルエンド２ａの変形を抑えてい
る。コイルエンド相互間の隙間には、軸方向と円周方向
に間隔片３が設けられている。間隔片３には、図２およ
び図３に示されているように、冷媒ガスの湾曲を促すコ
イル支え３ａと冷媒ガス流通路３ｂと渦流防止ガイド溝
（第二のガス流通路）３ｃおよび冷媒ガス拡散を促す整
流溝３ｄから成り立つ。

【００２０】また、冷却路の排出孔１ａは回転子鉄心の
両端部に所定の数だけ設けられ、コイルエンドのコーナ
部から分岐して冷媒ガス４が流入し、間隔片３に設けた
冷媒ガス流通路３ｂを通り、排出孔１ａに向かい通風パ
スができる。ここでは、軸方向間隔片３について述べる
が、円周方向についても同様な構成となっているので説
明を省略する。

【００２１】図２は本発明の実施例になる回転子巻線の
コイルエンド部の通風路を拡大した斜視図である。通常
通風路の深さＴより、渦流が存在する部分を深く掘り下
げることにより、高速流バンド４ｂの冷媒ガス４が溝に
ながれ込むものと、高速流で従来の高速流バンド４ｂを
流れるものとなる。強制冷却促進溝３ｃに冷媒ガスを引
き易くするための溝であり、この冷却促進溝３ｃを高速
流バンド４ｂまで引き込むことにより、従来旋回してい
た冷媒ガス渦流４ａが高速流側に引戻されることによ
り、実験の結果では冷却面積が大幅に増大したのと同じ
効果がでた。これにより、コイル支え３ａで覆われた熱
Ｔｅｍｐ．は渦流部が無くなった部分に熱伝達により引
かれローカルヒートポイントが激減する。

【００２２】また、排出孔１ａ近傍に設けた拡散溝３ｄ
により、冷媒ガス４が一気に排出孔１ａに向かうこと無
く、一旦溝に入り、排出孔１ａに向かう冷媒ガス４とに
分岐するため、コイルエンドのターン間全てに、冷媒ガ
ス４が均等に触れることが可能となった。

【００２３】また、図３による実施例では吸出孔を広く
採れるため吸入ロスの低減と、徐々に断面積を変化させ
ることで、冷媒ガスが湾曲を形成させるコイル支え３ａ
にぶつかることでおこる高速流の損失が軽減され、滑ら
かに整流された冷媒ガス流４を得ることができる。

【００２４】なお以上の説明では第二の冷媒ガス流通路
を形成するに際し、間隔片の側壁に冷媒ガス流通溝を設
けるように説明してきたが、この流通路は常にこのよう
に形成しなければならないわけではなく、例えば図６に
示されているように、コイル支え部３ａに溝３ｆを設け
るようにしても良いであろうし、また、図７に示すよう
に、間隔片の一部を貫通して形成された貫通孔３ｇにて
形成するなどその変形は種々考えられるであろう。

【００２５】図５は従来の回転子と本発明の回転子の温
度分布状態を示したもので、本発明の回転子であると、
平均温度は少しさがる程度であるが、部分的なローカル
ヒートポイントが減少するため、従来の回転子に比較し
温度差のバンドを少なくすることができる。すなわちコ
イルエンドの冷却性能において理想的な冷却構造を有
し、経済的に有利な回転電機とすることができる。

【００２６】以上のようにこのように形成された回転電
機の回転子であると、冷却性能が高く、コイルエンドの
温度差が少なくなり、絶縁の部分的な劣化を押さえるこ
とができる。これは、平均的に絶縁劣化するということ
で、回転電機の寿命を十分に使いきることができるとい
うことになり、言い換えれば、絶縁設計が容易となり、
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子とすることができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、冷媒ガスの流通損失が小さく、コイルエンド部の温
度上昇が充分抑制され、またコイルエンド部が平均的に
冷却され、導体断面を増加させることなく可使寿命の長
い回転電機の回転子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の回転子の一実施例の要部を示す一部破
断斜視図である。

【図２】本発明の回転子のコイルエンドを示す斜視図で
ある。

【図３】本発明の回転子の間隔片を示す斜視図である。

【図４】従来の回転子の間隔片のガス流を示す線図であ
る。

【図５】本発明の回転子と従来の回転子との温度分布比
較図である。

【図６】本発明の回転子のコイルエンド部の他の実施例
を示す斜視図である。

【図７】本発明の回転子のコイルエンド部の他の実施例
を示す斜視図である。

【図８】従来の回転子の要部を示す一部破断斜視図であ
る。

【符号の説明】

１…回転子、１ｂ…回転子鉄心、１ａ…排出孔、２…回
転子巻線、２ａ…コイルエンド、３…間隔片、３ａ…コ
イル支え、３ｂ…冷媒ガス流通路、３ｃ…冷媒ガス誘導
溝（第二の冷媒ガス流通路）、３ｄ…冷媒ガス拡散溝、
４…冷媒ガス、４ａ…冷媒ガス渦流、４ｂ…高速流また
は高速流バンド、６…ウエッジ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 英明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 巻線端部が鉄心端部より頭出して巻回さ
   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
   るとともに、その冷媒ガス流通路が蛇行状に形成されて
   いる回転電機の回転子において、 前記間隔片の冷媒ガス流通路に、冷媒ガス流通路の負圧
   となる部分と正圧となる部分とを連通する第二の冷媒ガ
   ス流通路を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
2. 【請求項２】 巻線端部が鉄心端部より頭出して巻回さ
   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
   るとともに、その冷媒ガス流通路が蛇行状に形成されて
   いる回転電機の回転子において、 前記間隔片の冷媒ガス流通路に、冷媒ガスの高速流の部
   分から冷媒ガスの淀みの部分へ冷媒ガスを導く第二の冷
   媒ガス流通路を設けたことを特徴とする回転電機の回転
   子。
3. 【請求項３】 前記第二の冷媒ガス流通路が、前記冷媒
   ガス流通路の側壁部に設けられた溝にて形成された請求
   項１または２記載の回転電機の回転子。
4. 【請求項４】 前記第二の冷媒ガス流通路が、前記間隔
   片の一部を貫通して形成された貫通孔にて形成された請
   求項１または２記載の回転電機の回転子。
5. 【請求項５】 前記第二の冷媒ガス流通路が、冷媒ガス
   の吸入側部分の断面積は大きく形成され、かつ排出側部
   分の断面積は小さく形成された請求項１または２記載の
   回転電機の回転子。
6. 【請求項６】 巻線端部が鉄心端部より頭出して巻回さ
   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溝を有す
   るとともに、その冷媒ガス流通溝が蛇行状に形成されて
   いる回転電機の回転子において、 前記間隔片の冷媒ガス流通溝を、冷媒ガスの幅が絞られ
   る部分はガス流通溝の深さを深くするとともに、冷媒ガ
   スの幅が広がる部分は流通溝の深さを浅く形成するよう
   にしたことを特徴とする回転電機の回転子。
7. 【請求項７】 巻線端部が鉄心端部より頭出して巻回さ
   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
   るとともに、その冷媒ガス流通路が蛇行状に形成されて
   いる回転電機の回転子において、 前記間隔片の内部に、冷媒ガスの高圧部分から冷媒ガス
   流通路の冷媒ガスが淀む部分へ冷媒ガスを導く冷媒ガス
   供給孔を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。
8. 【請求項８】 巻線端部が鉄心端部より頭出して巻回さ
   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
   るとともに、その冷媒ガス流通路が蛇行状に形成されて
   いる回転電機の回転子において、 前記間隔片の内部に、冷媒ガスの高圧部分から冷媒ガス
   流通路の冷媒ガス淀み部分へ冷媒ガスを導く冷媒ガス供
   給孔を設けるとともに、冷媒ガス流通路の高圧となる部
   分から冷媒ガスの負圧部へ冷媒ガスを導く冷媒ガス排出
   孔を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。