JPWO2010061611A1 - 回転電機とその固定子 - Google Patents

Abstract

固定子鉄心（１）で、所定枚数ごとの電磁鋼板積層間に放射状に延びる複数個の内側間隔片（４Ｔ、４Ｓ）が互いに周方向に間隔をあけて配設され、径方向に冷却ガス流通用の通風ダクト（５ａ、５ｂ）が形成される。各通風ダクト（５ａ、５ｂ）は、内側間隔片（４Ｔ、４Ｓ）とこの内側間隔片によって離間された電磁鋼板（９）とによって周囲が画成される。回転子の回転方向に沿って流動する冷却ガスが、固定子コイル（７）を挟んで左右に分かれて外周側に向かって導入される。通風ダクト（５ａ、５ｂ）に対応する位置の楔（８）肩部の幅がスロットの幅とほぼ一致するように楔（８）肩部の一部が切り欠かれている。これにより、固定子鉄心内の通風ダクト内に生じる圧力損失が低減し、効率よく固定子コイルおよび固定子鉄心を冷却できる。

Description

本発明は、電磁鋼板を積層して構成した固定子鉄心を有する回転電機とその固定子に係り、特に固定子鉄心および当該固定子鉄心のスロットに収納される固定子コイルの通風冷却性能の改善を図った回転電機の固定子に関する。

従来の回転電機の固定子について、図１４〜図１８を参照して説明する。

図１４は回転電機の固定子鉄心および回転子の上半部分縦断面図である。図１５は図１４の横断面図であり、通風ダクト部での冷却ガスの流れを模式的に示したものである。

図１４および図１５に示すように、回転電機の固定子は、複数の電磁鋼板２を積層して構成された円筒状の固定子鉄心１と、この固定子鉄心１の内周側に形成されたスロット６に収納された固定子コイル７とを備えている。固定子コイル７は、固定子鉄心１の内周側から楔８によってスロット６内に係止保持されている。楔８はスロット６の幅ｗよりも広い肩部を有し、鉄心ティース（歯）部９に軸方向に沿って設けた溝に沿って挿入される。

また、電磁鋼板２の所定積層枚数位置ごとに、固定子鉄心１の径方向の冷却ガス流通用の通風ダクト５が形成されている。この各通風ダクト５は、固定子鉄心１のスロット６を形成する鉄心ティース部９の電磁鋼板２間に挿入された少なくとも１個以上の第１内側間隔片４Ｔと，固定子コイル７の固定子鉄心外周側位置に挿入された少なくとも１個以上の第２内側間隔片４Ｓと、これらの内側間隔片４Ｔ，４Ｓによって離間配置される電磁鋼板２とによって周囲が構成されている。固定子コイル７の固定子鉄心外周側位置に挿入された第２内側間隔片４Ｓはスロット６の固定子鉄心外周部までの長さを有し、また第１内側間隔片４Ｔは固定子鉄心１のスロットティース部９の内周部まで達する長さを有し、これにより積層した電磁鋼板２の密着性を保っている。なお、固定子鉄心１は図示しない締め付け具で両端から回転軸方向に締め付けて固定される。

このような固定子１を備えた回転電機を運転すると、特に固定子コイル７において、流れる電流によって発熱する。また、固定子鉄心１にも渦電流などが生じるため発熱する。これらを冷却するために通風ダクト５内に冷却ガス１１を流入させ、固定子コイル７および固定子鉄心１を冷却している。

図１６は、通風ダクト内の冷却ガスの経路を示す模式図であり、この図１６に示すように、固定子鉄心１は所定の間隔で軸方向に配置された鉄心ブッロク３と通風ダクト５で構成される。

通風ダクト５は、固定子外周側から内周側に冷却ガス１１が流れる給気セクション１２と、固定子内周側から外周側へと流れる排気セクション１３との２通りに区分される。これらのセクション１２，１３が鉄心軸方向に交互に配置される。冷却ガス１１は、回転子１５の両端に取り付けた図示しないファンから吐出され、固定子鉄心１の外周側、回転子１５の内部、および固定子鉄心端部から、固定子鉄心１と回転子１５との隙間であるエアギャップ１４に供給される。固定子鉄心外周側に流れた冷却ガス１１は、給気セクション１２の通風ダクト５を通って鉄心１および固定子コイル７を冷却し、エアギャップ１４へ排出される。

給気セクション１２から排出された冷却ガス１１および固定子鉄心端部からエアギャップ１４内に直接流れ込んだ冷却ガス１１は、エアギャップ１４内を軸方向に流れて排気セクション１３の通風ダクト５に供給される。また、この時エアギャップ１４には回転子１５内を通過して回転子表面から排出された冷却ガス１１も合流し、排気セクション１３を通って固定子コイル７および固定子鉄心１を冷却して固定子外周側へ排出される。固定子外周側より流出した冷却ガス１１は図示しない冷却器により冷却された後、再び回転子１５に設けられたファンへ循環する。

特開平８−１９１９７号公報 特開平１１−３３２１４２号公報

エアギャップ１４内の冷却ガス１１の流れは、回転子１５から排出される周方向速度を持った冷却ガス流や回転子表面の摩擦攪拌効果により、回転子の回転方向にある程度の周方向速度を持った流れになる。一方、第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内周側端部４ｔは、積層した電磁鋼板２の密着性を保つために、できるだけ鉄心ティース部９の先端まで延びて配設されている。

一方、楔８の固定子鉄心内周側面８ａはティース部９の内周面９ａよりも外周側に引込んだ構造となっており、通風ダクト５の固定子鉄心内周側の開口部では、第１内側間隔片４Ｔの内周側端部４ｔが楔８の内周面８ａよりも固定子鉄心１の内径側に突出した構造となっている。

このような構造において、固定子鉄心の内径側から外径側へ冷却ガス１１が流れる排気セクション１３における問題点は、例えば特許文献１に記載されているように、下記のごとく指摘されている。

図１７は排気セクション１３におけるエアギャップ１４および通風ダクト５内の冷却ガス１１の流動状態を説明するための模式図である。この図１７に示すように、エアギャップ１４内の周方向に流動する冷却ガス１１は、通風ダクト５の入口部において半径方向に急激に方向を変えなければならない。

この場合、図１７に示す構造では、楔８の固定子鉄心内周側端面８ａが第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内周側端部４ｔよりも外周側に位置しているため、冷却ガス１１は固定子コイル７の回転子回転方向進み側のダクト５ｂ内に流れ易く、遅れ側のダクト５ａには十分な流量が得られず、十分な冷却性能が得られないという問題があった。

また、楔肩部１６が通風ダクト５ａおよび５ｂ内に突出しているため、通風面積が急激に小さくなり流速が速くなるため、摩擦抵抗が増大するとともに通風面積が急拡大、縮小するため大きな通風損失が生じる。

さらに、排気セクション１３の通風ダクト入口部においては、図１７に示したように楔肩部１６の後流側によどみ領域１７が生じ、通風抵抗増大の原因となるという問題があった。

図１８は、給気セクション１２におけるエアギャップ１４および通風ダクト５内の冷却ガス１１の流動状態を説明するための模式図である。

給気セクション１２においては、通風ダクト５内を流れてきた冷却ガス１１がエアギャップ１４内へと吐出される際に大きな損失（出口損失）が生じる。楔肩部１６が通風ダクト５内に突出している従来構造においては、通風面積が急激に小さくなり、エアギャップ１４への吐出流速が増加する。出口損失は流速の２乗に比例して大きくなるため、非常に大きな通風損失が生じるという問題があった。

冷却ガス１１の通風損失が増加すると、冷却ガスを駆動するために大きなファン動力が必要となり回転電機の効率が悪化する。ファン動力が十分得られない場合には冷却ガス１１の風量が低下し、固定子コイル７、固定子鉄心１および回転子コイル等の冷却が十分に行えず、回転電機の運転の信頼性が低下することとなる。

回転電機の固定子コイル７の温度は規格により厳しく制限されており、その冷却が機器の成立を左右する重要なポイントである。特に近年の発電需要から、発電機の単機容量の増大に伴い、固定子コイル７に流れる電流が増加し、固定子コイル７からの発熱量が増加するため、固定子コイル７の冷却強化と通風抵抗の削減が回転電機の性能向上のための重要な技術課題となっている。

ところで、特許文献２には、回転電機の通風ダクトに流れる冷却風の流量配分を調整して固定子巻線の温度の均一化を図る技術が開示されている。ここで、特許文献２に開示された技術を、図１９および図２０を参照して説明する。図１９は特許文献２に開示された回転電機の固定子鉄心付近の上半部縦断面図である。また、図２０の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれ、図１９の楔のＡ部、Ｂ部、Ｄ部、Ｅ部の各横断面形状を示す図であって、両側駆動の回転電機の場合のものを示す。

すなわち、特許文献２に開示された技術によれば、固定子鉄心１と回転子１５との間のエアギャップ１４を回転軸方向に一方向に（図１９では左から右に）冷却水が流れ、軸方向に多数配列された通風ダクト５に分配される。各通風ダクト５の入口近くに楔８が配置されている。楔８は、回転軸方向に互いに隣接して並んだ４〜５個程度の鉄心ブロック３を貫通するように回転軸方向に延びている。この回転電機全体では、５個の楔８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅが回転軸方向に並んで延びている。

各通風ダクト５に対応する楔８の位置に切り欠き部１８部が設けられている。楔の切り欠き部１８の大きさ・形状は、回転軸方向の位置に応じて適宜異なっており、各切り欠き部１８の大きさ・形状が異なることにより、通風ダクト５に流れる冷却風の流量配分が調整されるものである。すなわち、エアギャップ１４の流れの軸方向最上流側の楔８ａでは図２０の（ａ）に示すように切り欠き１８が最も大きく、軸方向下流側に向かって楔８ｂ、８ｃ、８ｄの順に切り欠き１８が小さく、最下流側の楔８ｅには切り欠きがない。

したがって、通風ダクト５に対応する位置での楔８の幅は、楔８ａではスロットの幅ｗと同程度であるが、他の楔８ｂ、８ｄ、８ｅではスロットの幅ｗよりも大きく、通風ダクト５に張り出している。

このように、特許文献２に開示された技術では楔の軸方向位置により切り欠きの大きさを変えるものであって、必ずしも冷却風の流れの圧力損失を低減できるものではない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、固定子鉄心内の通風ダクト内に生じる圧力損失を低減し、効率よく固定子コイルおよび固定子鉄心を冷却できるようにすることにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係る回転電機の固定子は、回転子の外周を囲むように配置された電磁鋼板を軸方向に積層して構成された円筒状の固定子鉄心と、この固定子鉄心の内周面に沿って互いに間隔をあけて形成された複数のスロット内にそれぞれ収納された固定子コイルと、軸方向に延びて前記スロットの各開口部に軸方向に挿入されて軸方向に複数が並んで配列されて前記固定子コイルをスロット内に係止保持する複数の楔と、前記固定子鉄心の電磁鋼板積層の複数層ごとに電磁鋼板に挟まれて放射状に延びて互いに周方向に間隔をあけて配列されることによって径方向に冷却ガス流通用の通風ダクトを形成する複数個の内側間隔片と、を有する回転電機の固定子において、前記複数の楔のうちの軸方向に互いに隣接する少なくとも二つの楔の前記通風ダクトに対応する位置の楔肩部の周方向の幅がスロットの幅とほぼ一致するように楔肩部の一部を切り欠いて構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機は、前記固定子を備えたことを特徴とする。

本発明においては、少なくとも通風ダクトに対応する位置の楔肩部の幅がスロットの幅とほぼ一致するように構成したことにより、固定子鉄心内の通風ダクト内に生じる圧力損失を低減し、効率よく固定子コイルおよび固定子鉄心を冷却することができる。

また、エアギャップから固定子鉄心の通風ダクト内で生じる圧力損失を低減し、少ないポンプ動力で効率的に冷却ガスを循環させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の固定子の１スロット部分の構成を示す部分横断面図。 本発明の第１の実施形態に係る回転電機の固定子の楔を取り出して示す斜視図。 図２の楔の部分拡大斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の固定子の１スロット部分の構成を示す部分横断面図。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の固定子の楔を取り出して示す斜視図。 図５の楔の部分拡大斜視図。 本発明に係る回転電機の固定子の給気セクション鉄心ダクト内の冷却ガスの流動状態を説明するための部分横断面図。 本発明の第３の実施形態に係る回転電機の固定子の楔形状を説明するための模式的部分横断面図。 排気セクション鉄心ダクト内における楔の面取り部の面取り角度αと鉄心ダクト通風損失係数との関係を示す特性図。 給気セクション鉄心ダクト内における楔の面取り部の面取り角度αと鉄心ダクト通風損失係数との関係を示す特性図。 本発明の第６の実施形態に係る回転電機の固定子の１スロット部分の構成を示す部分横断面図。 本発明の第７の実施形態に係る回転電機の固定子の内側間隔片の構成を示す部分横断面図。 本発明の第８の実施形態に係る回転電機の固定子の内側間隔片の構成を示す部分横断面図。 従来の回転電機の固定子の積層鉄心と通風ダクトの構成を示す上半部分縦断面図。 従来の回転電機の固定子鉄の構成を示す部分横断面図。 従来の回転電機の固定子鉄心を示す上半部分縦断面図。 従来の排気セクション固定子鉄心ダクト内の冷却ガスの流動状態を説明するための固定子鉄心ダクト周りの模式的部分横断面図。 従来の給気セクション固定子鉄心ダクト内の冷却ガスの流動状態を説明するための固定子鉄心ダクト周りの模式的部分横断面図。 従来技術による回転電機の固定子鉄心付近の上半部縦断面図。 図１９の楔のＡ部、Ｂ部、Ｄ部、Ｅ部の各横断面形状を示す図であって、両側駆動の回転電機の場合のものを示す図。

以下、本発明に係る回転電機の固定子の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態について図１ないし図３を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の回転電機の固定子の固定子鉄心１スロット分を拡大して示した部分横断面図である。また、図２は第１の実施形態に係る回転電機の固定子の楔を取り出して示す斜視図、図３は図２の楔の部分拡大斜視図である。

図１ないし図３において、少なくとも通風ダクト５ａ、５ｂに対応する軸方向位置の楔８の幅がスロット６の側面とほぼ一致するように楔肩部１６に切り欠き部１８を設けて構成したものである。しかも、この実施形態では、回転電機の固定子のすべての楔肩部１６について同じ形の切り欠き部１８を設けている。それ以外の基本的な構成については、従来構造と略同様であるので、ここでは説明を省略する。

本実施形態において、固定子１は、電磁鋼板２を積層して構成された円筒状の固定子鉄心１と、この固定子鉄心１の内周側に設けられたスロット６に挿入された固定子コイル７とを備え、固定子コイル７は固定子鉄心１の内周側から楔８によってスロット６内に係止保持されている。この固定子鉄心１の内周側に、回転子１５がエアギャップ１４を介して同軸的に配置され、回転するようになっている。

固定子鉄心１には、これを構成する電磁鋼板２の所定積層枚数ごとに、固定子鉄心の径方向に沿う冷却ガス１１流通用の通風ダクト５が形成され、この通風ダクト５がエアギャップ１４に開口している。

通風ダクト５は、固定子鉄心１の周方向に沿う固定子コイル７の両側面に対向する配置で電磁鋼板２間に挿入された少なくとも１個以上の第１内側間隔片４Ｔと、固定子コイル７の外周側位置に挿入された第２内側間隔片４Ｓと、これらの内側間隔片４Ｔ，４Ｓによって離間配置される電磁鋼板２とによって周囲が構成されている。

固定子コイル７は、固定子鉄心１の内周側から楔８によって係止保持されるが、楔８は通風ダクト５部を除いて、スロット６の幅よりも広い肩部を有し、鉄心ティース部９の軸方向に設けた溝に沿って挿入されている。

本実施形態では、通風ダクト５に対応する軸方向位置の楔８の幅がスロット６の幅ｗとほぼ一致するように楔肩部１６に切り欠き部１８を設ける。すなわち、楔８が通風ダクト５側に突出せず、通風ダクトの流路面積が楔８によってせばまらない。

ただし、必ずしも通風ダクト５部だけでなくても、強度的に問題がない場合は、通風ダクト５の軸方向幅よりも長い切り欠き部１８を設けるようにしても良い。

このような本実施形態の構成によれば、すべての楔８の楔肩部１６がどの位置でも通風ダクト５内に突出していないため、冷却ガス１１が通風ダクト５内を通過する際に急激な流路面積変化が生じないため通風抵抗の増大を抑えることができる。

排気セクション１３の通風ダクト入口部においては、楔肩部１６が通風ダクト５内に突出しないため、流れのよどみが生じにくくなり通風抵抗が低減する。

図１では排気セクション１３の冷却ガス１１の流れを例にとって説明したが、給気セクションの冷却ガスの流れに対しても、通風ダクト５内を流れてきた冷却ガス１１がエアギャップ１４内へと吐出される際に、排気セクション１３と同様に通風面積が急縮小しないため通風損失が低減することとなる。

冷却ガス１１が通風ダクト５を通過する際の通風損失を小さくできれば、冷却ガスを駆動するためにファン動力を低減することができ、回転電機の効率が改善する。また、より多くの冷却ガス１１を送風することが可能となるため、固定子コイル７、固定子鉄心１および回転子コイル等の冷却性能が向上するため、回転電機の出力増加や、小型化を図ることが可能となる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態について図４ないし図６を参照して説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態に係る回転電機の固定子の固定子鉄心１スロット分を拡大して示した部分横断面図である。また、図５は第２の実施形態に係る回転電機の固定子の楔を取り出して示す斜視図、図６は図４の楔の部分拡大斜視図である。

本実施形態においては、第１の実施形態と同様に少なくとも通風ダクト５に対応する軸方向位置の楔８の幅がスロット６の幅とほぼ一致するように楔肩部１６に切り欠き部１８を設けて構成しているが、本実施形態においては、さらに楔８の肩部１６に切り欠き１８を設けた部位の楔内周面８ａの角部に面取り部１９を設けたものである。それ以外の基本的な構成については、第１実施形態と略同様であるから、説明を省略する。

本実施形態では、楔肩部１６に設けた切り欠き部１８に対応して楔内周面８ａの角部に面取り部１９を設けており、図４に示すように、エアギャップ１４内の周方向に流動する冷却ガス１１は、通風ダクト５の入口部において半径方向に急激に変更させなければならず、さらに通風面積も急激に縮小する。

本実施形態においては、固定子コイル７に隣接するすべての通風ダクト５ａおよび５ｂのエアギャップ１４に対する開口面積が拡大するため通風面積の変化を緩和するとともに、回転方向進み側に位置する通風ダクト５ｂにおいては、楔内周面取り部１９に沿って冷却ガス１１が流入するため、通風ダクト５の通風抵抗を低減することができる。

また、回転方向進み側に位置する通風ダクト５ｂに流入することができなかった冷却ガス１１は楔下開口部１０に滞留するが、本実施形態では、回転方向遅れ側に位置する通風ダクト５ａの開口面積も楔内周面の面取り部１９を設けたことにより拡大し、また楔内周面の面取り部１９に沿って通風ダクト５ａに流入し易くなっているため、通風ダクト５の通風抵抗が低減されるとともに、通風ダクト５ａおよび５ｂの冷却ガス１１の通風量の不平衡を緩和することができ、均一な冷却性能を得ることができる。以上は排気セクション１３における実施形態について説明したが、給気セクションに対しても同様の効果を得ることが可能である。

図７は、給気セクション１２における本実施形態の楔８周りの構成を示す部分横断面図であり、この図を用いて、エアギャップ１４および通風ダクト５内の冷却ガス１１の流動状態について説明する。

給気セクション１２においては、冷却ガス１１がエアギャプ１４に吐出する際に通風面積が急激に拡大するため大きな出口損失が生じるが、本実施形態においては、楔８の内周側角部に面取り部１９を設けたことにより、通風面積の急拡大が緩和され、また、吐出流速も遅くなるため、通風ダクト５の通風損失を低減することが可能となる。

その他の作用、効果については、上述した第１の実施形態と同様である。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態について図８と図９を参照して説明する。

図８は、固定子鉄心１の１スロット部分に固定子コイル７と楔８が介挿された状態を示す部分横断面図を示しており、図９は、図８の構成における３次元数値流体解析結果より求めた排気セクション１３における通風ダクト５ａの通風損失係数と面取り角度αとの関係の一例を示した特性図である。

楔８の内周面の角部に形成した面取り部１９の楔８の固定子鉄心内周側面に対する面取り角度αを図８に示すように定義し、本実施形態では楔８の内周面角部に設けた切り欠き部１８に対応する部位の楔内周面の角部を、楔内周面とのなす角αが、４５度≦α≦８０度となるように面取り部１９を形成するように構成した。

面取り角度αが大きい場合（たとえばα＞８０度の場合）は、面取りによる通風ダクト５の入口面積の拡大比が小さいため、角部での剥離や渦の発生により、十分な通風損失係数低減効果が得られない。また、逆に面取り角度αが小さい場合（たとえばα＜４５度の場合）は、エアギャップ１４内の周方向速度を持った冷却ガス１１の流れに対し、十分な流れの転向効果が得られないため、角部での剥離や渦の発生により、十分な通風損失係数低減効果が得られない。

本実施形態では、楔８の面取り角αが、４５度≦α≦８０度となるように面取りすることにより、通風ダクト５の入口面積拡大効果と流れの転向効果の両者を同時に得ることができ、高い通風ダクト５の通風損失低減効果を得ることができる。

なお、図９に示した解析例では、３０度≦α＜４５度の範囲でも大きな通風損失低減効果が得られているが、面取り角度αを小さくすると楔厚さが小さくなる範囲が広がり楔の材料強度が低下するため楔厚さを厚くする必要が生じるため、面取り角度αの下限値を４５度とした。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態について図８と図１０を参照して説明する。

本実施形態は図８の構成を給気セクションに適用した場合であり、図８において、楔８の内周面角部に設けた面取り部１９の面取り角αを、６０度≦α≦８５度となるように面取り部を形成したものである。

図１０は、３次元数値流体解析結果より求めた給気セクション１２における通風ダクト５ａの通風損失係数と面取り角度αとの関係の一例を示している。

給気セクション１２においては、楔８の内周面角部に形成した面取り部１９に沿って冷却ガス１１が吐出されることにより、通風面積の急拡大が緩和され、かつ吐出流速も遅くなるため、通風ダクト５の通風損失を低減することが可能となる。

しかしながら、面取り角度αが大きい場合（たとえばα＞８５度の場合）は、面取りによる通風ダクト５の入口面積の拡大比が小さいため、冷却ガスが通風ダクトからエアギャップに流れる際に、角部で流れが拡がらず、勢いよくエアギャップに噴出するため、エアギャップ内の流れとぶつかって、損失が大きくなる。また、逆に面取り角度αが小さい場合（たとえばα＜６０度の場合）は、楔内周面角部に形成した面取り部１９から流れが剥離してしまうため十分な流れの減速効果が得られないため、十分な通風損失係数低減効果が得られない。

本実施形態では、楔８に形成する面取り角αを、６０度≦α≦８５度となるように面取り部を形成することにより、通風ダクト５の出口面積拡大により高い通風ダクト５の通風損失低減効果を得ることができる。

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態について図９と図１０を参照して説明する。

本実施形態では、楔の基本構成については、上述した実施形態と同様であるが、本実施形態においては、楔８の内周面角部に設けた面取り部１９の面取り深さｈが楔厚さｔの５０％以上となるように面取り部を形成したものである。

図９に示した複数の曲線は、楔厚さをｔ、面取り深さをｈとした時に、ｔ／ｈをパラメータとした場合の３次元数値流体解析結果の一例を排気セクション１３に関して示したものであり、図１０は、同様の構成を給気セクションに適用した場合の特性を示している。

第３、第４の実施の形態で説明したように、楔８の面取り部１９による通風抵抗低減効果は、楔の面取り部１９による通風ダクト５の通風面積の変化率に依存するが、面取り深さｈが小さいと十分な面積変化率が得られず、通風抵抗低減効果が小さくなる。

本実施形態では、楔８に設けた面取り部１９の面取り深さｈを、楔厚さｔの５０％以上（０．５≦ｈ／ｔ）とすることで、より高い通風抵抗低減効果を得ることができる。

（第６の実施の形態）
本発明の第６の実施の形態について図１１を参照して説明する。

本実施形態では固定子の少なくとも排気セクション１３に位置する通風ダクト５において、楔８の内周面角部に形成した面取り部１９に対応する部位の楔８の回転子回転方向遅れ側の面取り部１９ｂが楔８の固定子鉄心内周側面８ａとのなす角αが、３０度≦α、かつ楔８の面取り部深さｈが楔８の厚さｔの５０％以上となるように、楔８の面取り部１９ｂを形成したものである。

第２の実施の形態で説明したように、回転方向進み側に位置する通風ダクト５ｂに流入することができなかった冷却ガス１１は楔下開口部１０に滞留する。回転方向遅れ側に位置する通風ダクト５ａの開口面積も楔８の切り欠き部１９を設けたことにより拡大し、かつ楔８の面取り部１９に沿って通風ダクト５ａに流入し易くなっているため、通風ダクト５の通風抵抗が低減されるとともに、通風ダクト５ａおよび５ｂの冷却ガス１１の通風量の不平衡を緩和して均一な冷却性能を得ることができる。

この時、回転方向遅れ側に位置する通風ダクト５ａに関しては、冷却ガス１１の流れの転向による通風損失低減効果は、回転方向進み側に位置する通風ダクト５ｂと比較して小さいため、より広い面取り角度αを許容しても高い損失抵抗低減効果を得ることができる。

本実施形態においては、さらに、回転方向遅れ側に位置する通風ダクト５ａの開口面積も楔８の面取り部１９の面取り角度αを、３０度≦α、かつ楔８の面取り部深さｈを楔８の厚さｔの５０％以上に形成することにより、通風ダクト５ａの通風ダクト開口面積が大きくできるため冷却ガス１１が流入し易くなり、大きな通風損失低減効果を得ることができ、さらに通風ダクト５ａおよび５ｂの冷却ガス１１の通風量の不平衡を緩和して均一な冷却性能を得ることができる。

（第７の実施の形態）
本発明の第７の実施の形態について図１２を参照して説明する。

本実施形態は固定子鉄心のティース部９に複数本（図１２では３本）の第１内側間隔片４Ｔａ、４Ｔｂ、４Ｔｃを配置して通風ダクト５を形成し、冷却ガス１１が固定子内周側から外周側へと流れる場合の通風ダクトの構成に関する。

本実施形態では、固定子鉄心のティース部９に配置した第１内側間隔片４Ｔのうち最も回転方向遅れ側に位置する第１内側間隔片４Ｔａの固定子鉄心内径側先端４ｔの半径方向位置を楔８の内周面８ａとほぼ同一とし、ティース部９に配置した互いに隣り合う第１内側間隔片４Ｔのうち回転方向進み側の第１内側間隔片４Ｔｃの固定子鉄心内径側先端４ｔを遅れ側の第１内側間隔片４Ｔｂの固定子鉄心内径側先端よりも内側に突出するように配置して構成している。

楔８の固定子鉄心内周面８ａは固定子鉄心のティース部内周面９ａよりも固定子鉄心外周側に引込んだ構造となっており、通風ダクト５の固定子鉄心内周側開口部では、第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内周側端部４ｔが楔８の固定子鉄心内周面８ａよりも固定子鉄心１の内径側に突出した構造となっている。

このような構造の固定子内径側から外径側へ冷却ガス１１が流れる排気セクション１３にいては、エアギャップ１４内の周方向に流動する冷却ガス１１は、通風ダクト５の入口部において半径方向に急激に変更させなければならない。

本実施形態によれば、第１内側間隔片４Ｔａ〜４Ｔｃの内周側端部４ｔが回転方向進み側に行くほど固定子鉄心内周側に配置されるように位置するため、周方向に流動する冷却ガス１１を効率よく半径方向に転向することができ、通風ダクト５の通風抵抗を低減することができる。

また、ティース部９に配置する第１内側間隔片４Ｔａ〜４Ｔｃの内径側先端４ｔの周方向位置をそれぞれ等間隔となるように配置するとともに、第１内側間隔片４Ｔａ〜４Ｔｃの内径側先端４ｔの半径方向位置を隣り合う内側間隔片の突き出し部分の径方向の差分を同じにすることにより、通風ダクト５の入口開口面積をほぼ均等に保つことができるため、複数の第１内側間隔片４Ｔａ〜４Ｔｃで区切られた通風ダクト５間の通風量の不平衡を緩和して均一な冷却性能を得ることができる。

（第８の実施の形態）
本発明の第８の実施の形態について図１３を参照して説明する。

本実施形態は固定子鉄心１のティース部９に複数本の第１内側間隔片４Ｔａ、４Ｔｂ、４Ｔｃを配置して通風ダクト５を形成し、冷却ガス１１が固定子内周側から外周側へと流れる通風ダクトの構成に関する。

本実施形態は固定子鉄心１のティース部９に配置する第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内径側端部を回転方向遅れ側に湾曲して通風ダクト５を形成した。

第１内側間隔片４Ｔの内径側先端を回転方向遅れ側に湾曲させることにより、周方向に流動する冷却ガス１１を効率よく半径方向に転向することができ、通風ダクト５の通風抵抗を低減することができる。

さらに、本実施形態では固定子鉄心１のティース部９に配置した第１内側間隔片４Ｔのうち最も回転方向遅れ側に位置する第１内側間隔片４Ｔａの固定子鉄心内径側端部は湾曲させず、かつその固定子鉄心内径側先端４ｔの半径方向位置を楔８の固定子鉄心内周面よりも外周側に配置し、さらにティース部９に配置した互いに隣り合う第１内側間隔片４Ｔのうち回転方向進み側の第１内側間隔片４Ｔｃの固定子鉄心内径側先端を遅れ側の第１内側間隔片４Ｔｂの固定子鉄心内径側先端よりも内側に突出するように配置して通風ダクトを形成した。

本実施形態では第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内径側端部を回転方向遅れ側に湾曲させたが、最も回転方向遅れ側に位置する第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内径側端部は先端部を湾曲させると、固定子コイル９および楔８で構成される通風ダクト５の入口開口面積が狭くなる構造となり、通風抵抗が増加する可能性が生じる。

本実施形態では、固定子鉄心１のティース部９に配置した第１内側間隔片４Ｔのうち、最も回転方向遅れ側に位置する第１内側間隔片４Ｔａの固定子鉄心内径側端部は湾曲させず、かつその先端部４ｔの半径方向位置を楔８の固定子鉄心内周面よりも外周側に配置したことにより、十分な入口開口面積を確保することができるため、通風ダクト５の通風抵抗を低減することができる。

また、ティース部９に配置する第１内側間隔片４Ｔａ〜４Ｔｃの固定子鉄心内径側先端４ｔの周方向位置をそれぞれ等配となるように配置するとともに、隣り合う内側間隔片の先端部の突き出し部分の径方向の差分を均等にすることにより、通風ダクト５の入口開口面積をほぼ均等に保つことができるため、複数の第１内側間隔片４Ｔａ〜４Ｔｃで区切られた通風ダクト５間の通風量の不平衡を緩和して均一な冷却性能を得ることができる。

（他の実施の形態）
以上、種々の実施の形態について説明したが、これらは単なる例示であって、本発明はこれらに限定されるものではない。たとえば各実施の形態の特徴を適宜組み合わせることもできる。

また、上記実施の形態では複数の楔の各通風ダクトに対応する位置の楔肩部の周方向の幅がスロットの幅と一致するように楔肩部の一部を切り欠くものとしたが、すべての楔のすべての通風ダクト対応位置の楔肩部について楔肩部の一部を切り欠くものである必要はない。たとえば、軸方向に互いに隣接する少なくとも二つの楔の通風ダクトに対応する位置の楔肩部の周方向の幅がスロットの幅とほぼ一致するように楔肩部の一部を切り欠いて構成すれば、発明の効果を得ることができる。

１：固定子鉄心
２、２ａ、２ｂ、２ｃ：電磁鋼板
３：鉄心ブロック
４、４Ｓ、４Ｔ、４Ｔａ、４Ｔｂ、４Ｔｃ：内側間隔片
５、５ａ、５ｂ：通風ダクト
６：スロット
７：固定子コイル
８：楔
９：ティース部
１０：楔下開口部
１１：冷却ガス
１２：給気セクション
１３：排気セクション
１４：エアギャップ
１５：回転子
１６：楔肩部
１７：よどみ領域
１８：切り欠き部
１９：面取り部

また、電磁鋼板２の所定積層枚数位置ごとに、固定子鉄心１の径方向の冷却ガス流通用の通風ダクト５が形成されている。この各通風ダクト５は、固定子鉄心１のスロット６を形成する鉄心ティース部９の電磁鋼板２間に挿入された少なくとも１個以上の第１内側間隔片４Ｔと、固定子コイル７の固定子鉄心外周側位置に挿入された少なくとも１個以上の第２内側間隔片４Ｓと、これらの内側間隔片４Ｔ，４Ｓによって離間配置される電磁鋼板２とによって周囲が構成されている。固定子コイル７の固定子鉄心外周側位置に挿入された第２内側間隔片４Ｓはスロット６の固定子鉄心外周部までの長さを有し、また第１内側間隔片４Ｔは固定子鉄心１の鉄心ティース部９の内周部まで達する長さを有し、これにより積層した電磁鋼板２の密着性を保っている。なお、固定子鉄心１は図示しない締め付け具で両端から回転軸方向に締め付けて固定される。

このような固定子を備えた回転電機を運転すると、特に固定子コイル７において、流れる電流によって発熱する。また、固定子鉄心１にも渦電流などが生じるため発熱する。これらを冷却するために通風ダクト５内に冷却ガス１１を流入させ、固定子コイル７および固定子鉄心１を冷却している。

図１６は、通風ダクト内の冷却ガスの経路を示す模式図であり、この図１６に示すように、固定子鉄心１は所定の間隔で軸方向に配置された鉄心ブロック３と通風ダクト５で構成される。

すなわち、特許文献２に開示された技術によれば、固定子鉄心１と回転子１５との間のエアギャップ１４を回転軸方向に一方向に（図１９では左から右に）冷却空気が流れ、軸方向に多数配列された通風ダクト５に分配される。各通風ダクト５の入口近くに楔８が配置されている。楔８は、回転軸方向に互いに隣接して並んだ４〜５個程度の鉄心ブロック３を貫通するように回転軸方向に延びている。この回転電機全体では、５個の楔８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、８ｅが回転軸方向に並んで延びている。

本実施形態において、固定子は、電磁鋼板２を積層して構成された円筒状の固定子鉄心１と、この固定子鉄心１の内周側に設けられたスロット６に挿入された固定子コイル７とを備え、固定子コイル７は固定子鉄心１の内周側から楔８によってスロット６内に係止保持されている。この固定子鉄心１の内周側に、回転子１５がエアギャップ１４を介して同軸的に配置され、回転するようになっている。

本実施形態では第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内径側端部を回転方向遅れ側に湾曲させたが、最も回転方向遅れ側に位置する第１内側間隔片４Ｔの固定子鉄心内径側端部は先端部を湾曲させると、固定子コイル７および楔８で構成される通風ダクト５の入口開口面積が狭くなる構造となり、通風抵抗が増加する可能性が生じる。

Claims (13)

1. 回転子の外周を囲むように配置された電磁鋼板を軸方向に積層して構成された円筒状の固定子鉄心と、
   この固定子鉄心の内周面に沿って互いに間隔をあけて形成された複数のスロット内にそれぞれ収納された固定子コイルと、
   軸方向に延びて前記スロットの各開口部に軸方向に挿入されて軸方向に複数が並んで配列されて前記固定子コイルをスロット内に係止保持する複数の楔と、
   前記固定子鉄心の電磁鋼板積層の複数層ごとに電磁鋼板に挟まれて放射状に延びて互いに周方向に間隔をあけて配列されることによって径方向に冷却ガス流通用の通風ダクトを形成する複数個の内側間隔片と、
   を有する回転電機の固定子において、
   前記複数の楔のうちの軸方向に互いに隣接する少なくとも二つの楔の前記通風ダクトに対応する位置の楔肩部の周方向の幅がスロットの幅とほぼ一致するように楔肩部の一部を切り欠いて構成したことを特徴とする回転電機の固定子。
2. 前記固定子鉄心の内周側に位置する前記楔の角部に面取り部を形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機の固定子。
3. 前記通風ダクトの少なくとも一部は、回転子に沿ってその回転子の回転方向に流動する冷却ガスが前記固定子コイルをはさんで分かれて外周側に向かって流れる排気セクションを構成し、この排気セクションの前記楔角部に設けた面取り部が固定子内周側に位置する楔側面とのなす角αが、４５度≦α≦８０度であることを特徴とする請求項２に記載の回転電機の固定子。
4. 前記通風ダクトの少なくとも一部は、冷却ガスが外周側から導入されて前記固定子コイルをはさんで分かれて内周側に向かって流れる給気セクションを構成し、この給気セクションの前記楔角部に設けた面取り部が固定子内周側に位置する楔側面とのなす角αが、６０度≦α≦８５度であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機の固定子。
5. 前記楔の肩部に設けた切り欠きに対応する部位の楔内周面の角部が、楔厚さの５０％以上の範囲で面取りされていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機の固定子。
6. 前記通風ダクトの少なくとも一部は、回転子に沿ってその回転子の回転方向に流動する冷却ガスが前記固定子コイルをはさんで分かれて外周側に向かって流れる排気セクションを構成し、この排気セクションの前記楔の肩部に設けた切り欠きに対応する部位の楔内周面の角部のうち回転子回転方向遅れ側の角部を、楔内周面とのなす角αが３０度≦αかつ楔厚さ厚さの５０％以上の範囲を面取りしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機の固定子。
7. 前記通風ダクトの少なくとも一部は、回転子に沿ってその回転子の回転方向に流動する冷却ガスが前記固定子コイルをはさんで分かれて外周側に向かって流れる排気セクションを構成し、この排気セクションで、前記スロットにはさまれた鉄心のティース部に複数の前記内側間隔片が互いに周方向に間隔をあけて配置され、同じティース部に配置した内側間隔片のうち最も回転方向遅れ側に位置する内側間隔片の内径側先端の半径方向位置が楔内周面とほぼ同一であって、同じティース部に配置された内側間隔片のうち回転方向進み側の内側間隔片の内径側先端が遅れ側の内側間隔片の内径側先端よりも内側に突出するように配置されたこと、を特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機の固定子。
8. 前記排気セクションで、前記同じティース部に配置された内側間隔片が少なくとも３本あって、これらの内側間隔片の内径側先端の半径方向および周方向位置が、それぞれ等配となるように配置されていることを特徴とする請求項７に記載の回転電機の固定子。
9. 前記通風ダクトの少なくとも一部は、回転子に沿ってその回転子の回転方向に流動する冷却ガスが前記固定子コイルをはさんで分かれて外周側に向かって流れる排気セクションを構成し、この排気セクションで、前記ティース部に配置する内側間隔片のうち、少なくとも１本以上の間隔片の内径側端部が回転方向遅れ側に湾曲して通風ダクトが形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の固定子。
10. 前記排気セクションで、同じ前記ティース部に少なくとも２本の前記内側間隔片が配置され、それらの内側間隔片のうちで最も回転方向遅れ側に位置する内側間隔片内周側端部は湾曲させず、かつその内径側先端の半径方向位置を楔内周面よりも外周側に配置し、同じティース部に配置された他の内側間隔片のうち回転方向進み側の内側間隔片の内径側先端を遅れ側の内側間隔片の内径側先端よりも内側に突出するように配置したことを特徴とする請求項９に記載の回転電機の固定子。
11. 前記排気セクションで、前記同じティース部に配置された内側間隔片が少なくとも３本あって、これらの内側間隔片のうちの最も回転方向遅れ側に位置する内側間隔片を除いた内側間隔片の内径側先端の半径方向および周方向位置が、それぞれ等配となるように配置したことを特徴とする請求項１０に記載の回転電機の固定子。
12. 前記複数の楔のすべての前記通風ダクトに対応する位置の楔肩部の周方向の幅がスロットの幅とほぼ一致するように楔肩部の一部を切り欠いて構成したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機の固定子。
13. 請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の固定子を備えたことを特徴とする回転電機。

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