WO2014097416A1 - 回転電機 - Google Patents

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山本　直樹
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    • H02K9/10—Arrangements for cooling or ventilating by gaseous cooling medium flowing in closed circuit, a part of which is external to the machine casing

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine that can sufficiently exhibit a cooling effect.
  • a conventional rotating electrical machine has a winding conductor that is housed in a plurality of slots provided in a rotor core, and in which plate-like conductors are stacked in multiple stages via an insulator, each of the plurality of conductors and a plurality of insulations.
  • each of the plurality of through holes is configured in a plurality of rows in the width direction of the conductor, the width dimension of the conductor is WC, and the total width dimension in the width direction of the through holes in the plurality of columns or the conductor of the ventilation path is WH When 0.2 ⁇ WH / WC ⁇ 0.7
  • the ventilation area of the through-hole or the ventilation path of a plurality of rows is set so that the above relationship is established (see, for example, Patent Document 1).
  • the width dimension of the conductor is WC and the total width dimension of the conductors in the through-holes or the air passages in the plurality of rows is WH, 0.2 ⁇ WH / WC ⁇ 0.7. It is formed to hold. For this reason, for example, if through holes are formed in two rows, one through hole is considered to be formed so that 0.1 ⁇ WH / WC ⁇ 0.35. However, there is a problem that the cooling effect is not sufficiently exhibited even if the film is formed so as to satisfy such conditions.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a rotating electrical machine that can sufficiently exhibit a cooling effect.
  • the rotating electrical machine of the present invention is
  • the rotor is A plurality of coil slots formed in the axial direction of the outer peripheral surface of the rotor and formed at intervals in the circumferential direction of the rotor; Sub-slots formed so as to open in the axial direction of the rotor at the bottom of the coil slots, A winding conductor housed and formed on each of the sub-slots in each of the coil slots;
  • Each of the winding conductors is formed to be fixed in the coil slot and has a wedge formed with a hole in the radial direction of the rotor,
  • a radial ventilation passage of the rotor penetrating so that cooling gas flows from the subslot in the wedge direction is formed in two rows in the width direction of the winding conductor, and
  • the two rows of ventilation channels are formed in the same shape at a plurality of positions at intervals in the longitudinal direction of the winding conductor, and
  • the width dimension in the longitudinal direction of the winding conductor of the ventilation channel is
  • the cooling effect can be sufficiently exerted.
  • FIG. Embodiments of the present invention will be described below.
  • 1 is a diagram showing a cross section of the configuration of a rotating electrical machine according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 is a partially enlarged perspective view showing details of a rotor of the rotating electrical machine shown in FIG. 1
  • FIG. 4 is a partial top view showing the details of the rotor coil of the rotating electric machine shown
  • FIG. 4 shows “width dimension W4 of ventilation passage 22a / width dimension W3 of rotor coil 22” in the rotating electric machine shown in FIG. It is the figure which showed the relationship with a temperature rise.
  • the rotating electrical machine 1 includes a rotor 2, a stator 3, a cooler 4, and a rotating shaft 6.
  • the stator 3 is formed in a cylindrical shape, and is disposed on the outer periphery of the rotor 2.
  • the rotor 2 is rotated by the rotation of the rotating shaft 6.
  • the cooler 4 cools the cooling gas 5 that has cooled the rotating electrical machine 1 and returns it to the rotating electrical machine 1 again.
  • the rotor 2 includes a coil slot 20, a subslot 21, a rotor coil 22 as a winding conductor, and a wedge 23.
  • a plurality of coil slots 20 are formed in the axial direction A of the outer peripheral surface of the rotor 2, and a plurality of coil slots 20 are formed at intervals in the circumferential direction B of the rotor 2.
  • the subslot 21 is formed at the bottom 20a of each coil slot 20, and is formed so as to open in the axial direction A of the rotor 2.
  • the rotor coil 22 is housed and formed on each sub-slot 21 in each coil slot 20.
  • the wedges 23 are formed to fix and hold the rotor coils 22 to which the centrifugal force is applied in the coil slots 20, respectively.
  • the wedge 23 includes a hole 23 a in the radial direction C of the rotor 2.
  • each rotor coil 22 a plurality of ventilation channels 22a are formed. These ventilation passages 22 a are formed through the rotor coil 22 in the radial direction C of the rotor 2 so that the cooling gas 5 flows from the subslot 21 toward the wedge 23.
  • the cooling gas 5 flows in the axial direction by passing through the subslot 21, passes through the ventilation passage 22 a provided in the radial direction of the rotor coil 22, and flows through the hole 23 a of the wedge 23. Thereby, the cooling gas 5 cools the rotor 2.
  • the ventilation flow path 22 a is formed in two rows in the width direction D of the rotor coil 22.
  • the two rows of ventilation passages 22a have the same shape at a plurality of positions at intervals in the longitudinal direction E of the rotor coil 22 (the longitudinal direction E is the same direction as the axial direction A of the rotor 2). Is formed.
  • the width dimension in the longitudinal direction E of the rotor coil 22 of the ventilation channel 22a is defined as W1.
  • W1 the width dimension from the end of the ventilation flow path 22a to the end of the other ventilation flow path 22a adjacent to the longitudinal direction E of the rotor coil 22 of the ventilation flow path 22a
  • W2 / W1 ⁇ 0.7
  • the width dimension of the rotor coil 22 is set to W3.
  • the width dimension of one ventilation flow path 22a is set to W4.
  • 0.025 ⁇ W4 / W3 ⁇ 0.08 (Formula 2) The relationship is established.
  • the present invention provides the optimum rotating electrical machine 1 by further improving the cooling performance by forming the shape of the ventilation passage 22a of the rotor coil 22 in an optimum shape.
  • the grounds for forming the ventilation flow path 22a of the rotating electrical machine 1 of the first embodiment configured as described above will be described.
  • the shape of the ventilation passage 22a greatly increases the temperature of the rotor coil 22. To do.
  • FIG. 4 shows a result of comparing the temperatures according to the shapes when the ventilation passages 22a are arranged in two rows using the temperature analysis model of the rotor 2.
  • FIG. 4 shows the relationship between the width dimension W4 of the ventilation passage 22a relative to the width dimension W3 of the rotor coil 22 on the horizontal axis and the temperature rise of the rotor coil 22 on the vertical axis.
  • the rotating electrical machine of the first embodiment configured as described above, since the shape of the ventilation channel is formed in a shape having an excellent cooling effect, the rotating electrical machine can be efficiently cooled. Further, since the field current flowing through the rotor coil can be increased by efficient cooling, the output of the rotating electrical machine can be increased.
  • this invention does not depend on the structure of a cooler, the kind of cooling gas, etc., Even if it is a case where the cooler 4 is not installed, it can carry out similarly and can show
  • the cooling gas 5 may be either air or a gas other than air as a refrigerant, can be performed in the same manner, and the same effect can be achieved.

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Abstract

回転子コイル（２２）に形成された通風流路（２２ａ）が、回転子コイル（２２）の幅方向（Ｄ）に２列に形成され、長手方向（Ｅ）に間隔を隔てて複数位置に同一形状にて形成され、通風流路（２２ａ）の長手方向（Ｅ）の幅寸法を（Ｗ１）、通風流路（２２ａ）の一端から隣接する他の通風流路（２２ａ）の一端までの幅寸法を（Ｗ２）としたとき、０．３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．７　・・・（式１）、回転子コイル（２２）の幅寸法を（Ｗ３）、通風流路（２２ａ）の幅寸法を（Ｗ４）としたとき、０．０２５≦Ｗ４／Ｗ３≦０．０８　・・・（式２）の関係がそれぞれ成り立つように形成されている回転電機。

Description

回転電機
　この発明は、冷却効果を十分に発揮することができる回転電機に関するものである。
　従来の回転電機は、回転子鉄心に設けられた複数のスロットに収納され、板状の導体が絶縁物を介して複数段積み重ねられた巻線導体を有し、複数の導体それぞれおよび複数の絶縁物それぞれには冷却ガスが回転子鉄心の径方向に流れつつ回転子鉄心の軸方向に流れる複数の通風路を形成するための貫通孔が複数穿設されてなる回転子巻線を備えた回転電機において、複数の貫通孔それぞれを導体の幅方向に対して複数列構成し、導体の幅寸法をＷＣ、複数列構成の貫通孔又は通風路の導体の幅方向に対する幅寸法の合計をＷＨとしたとき、
０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７
の関係が成立するように、複数列構成の貫通孔又は通風路の通風面積を設定したものである（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００－１３９０５０号公報
　従来の回転電機は、導体の幅寸法をＷＣ、複数列構成の貫通孔又は通風路の導体の幅方向に対する幅寸法の合計をＷＨとしたとき、０.２≦ＷＨ／ＷＣ≦０.７が成り立つように形成されている。このため、例えば、２列にて貫通孔が形成される場合であれば、１つの貫通孔は、０.１≦ＷＨ／ＷＣ≦０.３５が成り立つように形成されていると考えられる。しかしながら、このような条件が成り立つように形成しても冷却効果が十分に発揮されていないという問題点があった。
　この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、冷却効果を十分に発揮することができる回転電機を提供することを目的とする。
　この発明の回転電機は、
上記回転子は、
上記回転子の外周面の軸方向に形成され、かつ、上記回転子の円周方向に間隔を隔てて複数形成されたコイルスロットと、
上記各コイルスロット底部に上記回転子の軸方向にそれぞれ開口するように形成されたサブスロットと、
上記各コイルスロット内の上記各サブスロット上にそれぞれ収納して形成された巻線導体と、
上記各巻線導体を上記コイルスロット内にそれぞれ固定させるように形成されるとともに上記回転子の半径方向に穴部が形成されたウエッジとを有し、
上記各巻線導体には、上記サブスロットから上記ウエッジ方向へ冷却ガスが流れるように貫通する上記回転子の半径方向通風流路が、上記巻線導体の幅方向に２列に形成され、かつ、
当該２列通風流路が上記巻線導体の長手方向に間隔を隔てて複数位置に同一形状にて形成され、かつ、
上記通風流路の上記巻線導体の長手方向の幅寸法をＷ１、上記通風流路の一端から上記通風流路の上記巻線導体の長手方向に隣接する他の上記通風流路の一端までの幅寸法をＷ２としたとき、
０．３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．７　・・・（式１）
上記巻線導体の幅寸法をＷ３、１つの上記通風流路の幅寸法をＷ４としたとき、
０．０２５≦Ｗ４／Ｗ３≦０．０８　・・・（式２）
の関係がそれぞれ成り立つように形成されているものである。
　この発明の回転電機は、上記に示したように構成されているため、冷却効果を十分に発揮することができる。
この発明の実施の形態１の回転電機の構成を示す図である。 図１に示した回転電機の部分拡大図である。 図２に示した回転電機の回転子コイルの部分拡大図である。 図１に示した回転電機の特性を説明するための図である。
実施の形態１．
　以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における回転電機の構成の断面を示す図、図２は図１に示した回転電機の回転子の詳細を示した部分拡大斜視図、図３は図２に示した回転電機の回転子のコイルの詳細を示した部分上面図、図４は図１に示した回転電機における「通風流路２２ａの幅寸法Ｗ４／回転子コイル２２の幅寸法Ｗ３」と、温度上昇との関係を示した図である。
　図において、回転電機１は、回転子２と、固定子３と、冷却器４と、回転軸６とを備えている。固定子３は、円筒状に形成されており、回転子２の外周に配設されている。回転子２は、回転軸６の回転により回転する。冷却器４は、回転電機１を冷却した冷却ガス５を冷却して、再度、回転電機１内に戻すものである。また、回転子２は、コイルスロット２０と、サブスロット２１と、巻線導体としての回転子コイル２２と、ウエッジ２３とを備えている。そして、コイルスロット２０は、回転子２の外周面の軸方向Ａに形成され、かつ、回転子２の円周方向Ｂに間隔を隔てて複数個形成されている。
　そして、サブスロット２１は、各コイルスロット２０の底部２０ａに形成され、かつ、回転子２の軸方向Ａにそれぞれ開口するように形成されている。回転子コイル２２は、各コイルスロット２０内の各サブスロット２１上にそれぞれ収納して形成されている。そして、ウエッジ２３は、遠心力のかかる各回転子コイル２２を各コイルスロット２０内にそれぞれ固定保持させるために形成されている。そして、ウエッジ２３は、回転子２の半径方向Ｃに穴部２３ａを備えている。
　そして、各回転子コイル２２には、複数の通風流路２２ａがそれぞれ形成されている。これら通風流路２２ａは、サブスロット２１からウエッジ２３の方向へ冷却ガス５が流れるように、回転子コイル２２を回転子２の半径方向Ｃに貫通して形成されている。冷却ガス５は、サブスロット２１を通過することで軸方向に流れつつ回転子コイル２２の半径方向に設けた通風流路２２ａを通過しウエッジ２３の孔部２３ａを流れている。これにより、冷却ガス５は回転子２を冷却している。
　通風流路２２ａは、回転子コイル２２の幅方向Ｄに２列に形成されている。そして、２列通風流路２２ａが、回転子コイル２２の長手方向Ｅ（この長手方向Ｅは、回転子２の軸方向Ａと同一方向である）に間隔を隔てて複数位置に同一形状にて形成されている。さらに、通風流路２２ａの回転子コイル２２の長手方向Ｅの幅寸法をＷ１とする。そして、通風流路２２ａの一端から通風流路２２ａの回転子コイル２２の長手方向Ｅに隣接する他通風流路２２ａの一端までの幅寸法をＷ２とする。
そして、
０．３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．７　・・・（式１）
の関係が成り立つ。
　さらに、回転子コイル２２の幅寸法をＷ３とする。
そして、１つの通風流路２２ａの幅寸法をＷ４とする。
そして、
０．０２５≦Ｗ４／Ｗ３≦０．０８　・・・（式２）
の関係が成り立つように形成されている。
　さらに、最適には、
０．０２５≦Ｗ４／Ｗ３≦０．０５　・・・（式３）
関係が成り立つように形成されている。
　この発明は、回転子コイル２２の通風流路２２ａの形状を最適な形状にて形成することにより、冷却性能をより向上させ、最適な回転電機１を提供するものである。上記のように構成された実施の形態１の回転電機１の通風流路２２ａが形成された根拠について説明する。上記に示したよう回転子コイル２２の幅方向Ｄに２列に通風流路２２ａが並んで形成されている回転子コイル２２は、通風流路２２ａの形状が回転子コイル２２の温度を大きく左右する。
　回転子温度解析モデルを作成することで回転子コイル温度を正確に計算することが可能になった。そこで、回転子２の温度解析モデルを用いて、通風流路２２ａが２列の場合の形状による温度を比較した結果を図４に示す。この図４は、回転子コイル２２の幅寸法Ｗ３に対する通風流路２２ａの幅寸法Ｗ４を横軸に、回転子コイル２２の温度上昇を縦軸にして、これらの関係について示している。また、通風流路２２ａの幅寸法Ｗ１と、通風流路２２ａから隣接する他通風流路２２ａの一端までの幅寸法Ｗ２との関係、Ｗ２／Ｗ１＝ηの値が、０．３、０．５、０．７の条件での結果を示している。これらηの値を用いたのは、一般的に通風流路２２ａの幅寸法Ｗ３は、η＝０．３～０．７までの範囲で形成されていることが多いためである。
　これらの条件での結果から、設定したηの値がいずれであっても、Ｗ３／Ｗ４の値が０．０２５から０．０８の範囲Ｔ１、すなわち、η＝０．７において温度上昇が極小となる値（０．０２５）から、η＝０．３～０．７においての温度上昇における交差点の値（０．０８）までであれば、冷却効果の高い条件であることが判明した。さらに、最適な条件としては、η＝０．７において温度上昇が極小となる値（０．０２５）から、η＝０．３において温度上昇が極小となる値（０．０５）まで、Ｗ３／Ｗ４の値が０．０２５から０．０５の範囲Ｔ２が冷却効果が最適条件であることが判明した。
　上記のように構成された実施の形態１の回転電機によれば、通風流路の形状を冷却効果に優れた形状にて形成しているため、回転電機の冷却を効率よく行うことができる。また、効率よく冷却することによって回転子コイルに流す界磁電流を大きくすることができるため回転電機の出力アップが可能になる。
　尚、本願発明は、冷却器の構成および冷却ガスの種類などに依存するものではなく、冷却器４が設置されていない場合であっても、同様に行い、同様の効果を奏することができる。また、冷却ガス５は、空気、また冷媒としての空気以外のガスのいずれであってもよく、同様に行うことができ、同様の効果を奏することができる。
　尚、本発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (2)

  1. 回転子と、上記回転子の外周に配設された固定子とを備えた回転電機において、
    上記回転子は、
    上記回転子の外周面の軸方向に形成され、かつ、上記回転子の円周方向に間隔を隔てて複数形成されたコイルスロットと、
    上記各コイルスロット底部に上記回転子の軸方向にそれぞれ開口するように形成されたサブスロットと、
    上記各コイルスロット内の上記各サブスロット上にそれぞれ収納して形成された巻線導体と、
    上記各巻線導体を上記コイルスロット内にそれぞれ固定させるように形成されるとともに上記回転子の半径方向に穴部が形成されたウエッジとを有し、
    上記各巻線導体には、上記サブスロットから上記ウエッジ方向へ冷却ガスが流れるように貫通する上記回転子の半径方向通風流路が、上記巻線導体の幅方向に２列に形成され、かつ、
    当該２列通風流路が上記巻線導体の長手方向に間隔を隔てて複数位置に同一形状にて形成され、かつ、
    上記通風流路の上記巻線導体の長手方向の幅寸法をＷ１、上記通風流路の一端から上記通風流路の上記巻線導体の長手方向に隣接する他の上記通風流路の一端までの幅寸法をＷ２としたとき、
    ０．３≦Ｗ２／Ｗ１≦０．７　・・・（式１）
    上記巻線導体の幅寸法をＷ３、１つの上記通風流路の幅寸法をＷ４としたとき、
    ０．０２５≦Ｗ４／Ｗ３≦０．０８　・・・（式２）
    の関係がそれぞれ成り立つように形成されている回転電機。
  2. 請求項１の回転電機において、
    ０．０２５≦Ｗ４／Ｗ３≦０．０５　・・・（式３）
    の関係が成り立つように形成されている回転電機。
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