WO2024085099A1 - 回転電機及び回転電機システム - Google Patents

回転電機及び回転電機システム Download PDF

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WO2024085099A1
WO2024085099A1 PCT/JP2023/037318 JP2023037318W WO2024085099A1 WO 2024085099 A1 WO2024085099 A1 WO 2024085099A1 JP 2023037318 W JP2023037318 W JP 2023037318W WO 2024085099 A1 WO2024085099 A1 WO 2024085099A1
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electric machine
rotating electric
stator
coil
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大祐 郡
克彦 藤井
摂 土谷
水里 里
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株式会社日立インダストリアルプロダクツ
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/34—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/02—Arrangements for cooling or ventilating by ambient air flowing through the machine

Definitions

  • the present invention relates to rotating electric machines, and more particularly to rotating electric machines and rotating electric machine systems suitable for use in harsh environments, such as in dump trucks.
  • the structure of this open axial flow type cooling method directly connects the inside of the rotating electric machine to the outside (outside air).
  • the refrigerant used to cool the rotating electric machine can be obtained by a self-excited fan placed on the rotating shaft inside the rotating electric machine, or by an electric blower installed separately from the rotating electric machine.
  • the cooling method for the rotating electric machine applied to these dump trucks is the axial open type forced ventilation method as described above.
  • dump trucks are tall and have electric blowers positioned at a high position, so refrigerant containing dust such as dust made up of fine particles suspended in the air is blown into the rotating electric machine of the dump truck.
  • Patent document 1 can be cited as a prior art document related to this technology.
  • This document describes a technique in which an insulating film is thickened on a portion of a coil provided on a stator of an electric motor (rotating electric machine), and this insulating film is formed by dipping (immersion).
  • a technique in which an insulating film is thickened on a portion of a coil provided on a stator of an electric motor (rotating electric machine), and this insulating film is formed by dipping (immersion).
  • immersion When forming an insulating film by dipping, the insulating coating is dipped so as to avoid spots, pinholes, etc., but it is difficult to dip the entire coil uniformly.
  • Patent Document 1 when dipping coating is performed on the formed coil, the coil end portion is actively made to accumulate insulating paint, thereby reducing the thickness of the insulating film of the coil portion housed inside the iron core and preventing a decrease in the space factor.
  • the insulating film is made thicker in some areas to protect the coil, but this is not suitable as insulating protection for an open axial cooling system. In other words, from the perspective of protecting the coil, it is necessary to thicken the insulating film to protect the area where dust collides from the refrigerant flow inside the rotating electrical machine.
  • the present invention has been made in consideration of the above points, and its purpose is to provide a rotating electric machine and a rotating electric machine system that can effectively protect the coil ends from dust that flows into the rotating electric machine, reduce damage to the coils, and improve reliability and lifespan.
  • the rotating electric machine of the present invention is a rotating electric machine having a rotor and a stator arranged opposite the rotor with a predetermined gap therebetween, and a coolant for cooling the rotor and the stator flows from one axial side of the rotating electric machine toward the axial end, and the rotor and the stator each have a coil, and the coils of the rotor and the stator are each coated with an insulating material, and the thickness of the insulating material coated on the part of the stator coil end on the side where the coolant flows out of the stator coil that faces the rotor coil is thicker than the thickness of the insulating material coated on the other parts of the stator coil.
  • the rotating electric machine system of the present invention is a rotating electric machine system that generates electricity using a rotating electric machine driven by an engine and supplies the electricity generated by this rotating electric machine to a load via a power converter, and is characterized in that the rotating electric machine is a rotating electric machine having the above-mentioned configuration.
  • the present invention effectively protects the coil ends from dust that enters the rotating electric machine, reducing damage to the coils and improving reliability and lifespan.
  • FIG. 1 is a half sectional view showing an overall configuration of a rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention
  • 2 is a cross-sectional view taken along line AA' in FIG.
  • FIG. 2 is a view taken along an arrow A in FIG. 1 and shows a rotor coil end.
  • FIG. 2 is an enlarged view of a stator coil end and a rotor coil end in the rotating electric machine according to the first embodiment of the present invention, showing a confluence point of refrigerants.
  • 1 is an enlarged view of a stator coil end and a rotor coil end using a modified insulating film in the rotary electric machine according to the first embodiment of the present invention, showing a confluence point of the refrigerants;
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a slot portion of a stator in a rotating electric machine according to a second embodiment of the present invention. 7 is a cross-sectional view taken along line BB' in FIG. 6.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotor in a rotating electric machine according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a rotor in a rotating electric machine according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a characteristic diagram showing the relationship between the vacant area of a rotor coil end and the collision energy of dust in the rotating electric machine according to the fourth embodiment of the present invention.
  • 1 is a diagram showing a rotating electric machine system according to the present invention;
  • This rotating electric machine 100 is a rotating electric machine 100 that is mainly used in connection with an engine, has an output of several thousand kVA, a voltage of several kV, and a rotation speed of several thousand min - 1, and is particularly used as a power source for large dump trucks.
  • the rotating electric machine 100 of this embodiment has a rotor 2 and a stator 3 arranged in a frame 1, facing the rotor 2 with a specified gap 14 between them.
  • the frame 1 is provided with a bearing 4 for the rotor 2 to rotate, and as mentioned above in Figure 1, the side without the bearing 4 for connection to the engine is supported by a bearing on the engine side.
  • bearings 4 are provided on both sides of the rotating electric machine 100.
  • the rotor 2 is fastened to the shaft 5 and is equipped with a rotor coil 12 arranged in a slot (not shown) of the rotor core 7.
  • the rotor coil 12 has rotor coil ends 6 protruding in the axial direction from both axial ends, and rotor core clamps 8 are connected to both axial ends to apply surface pressure to the rotor core 7 from the axial direction and hold it down.
  • stator 3 is fixed to the frame 1 and is equipped with a stator coil 13 arranged in a slot (not shown) of the stator core 9.
  • the stator coil 13 has stator coil ends 10 protruding in the axial direction from both axial ends, and stator core clamps 11 are connected to both axial ends to apply surface pressure to hold down the stator core 9 from the axial direction.
  • Figure 2 shows the A-A' cross section of Figure 1.
  • Figure 2 shows a cross section of one pole of the rotor 2 and the stator 3.
  • the main components that make up the rotor 2 and stator 3 are roughly composed of a rotor core 7, a stator core 9, a rotor coil 12, a stator coil 13, a gap 14, a damper bar 15, a rotor wedge 16 that prevents the rotor coil 12 from popping out, and a stator wedge 17 that prevents the stator coil 13 from popping out.
  • An axial duct 18 is provided on the inner diameter side of the rotor core 7 to allow the refrigerant to flow in the axial direction, and a frame 1 to which the stator 3 is fixed is arranged on the outer diameter side of the stator 3.
  • the fixed parts of the stator 3 and the frame 1 are fixed at a predetermined interval in the circumferential direction, and a back duct 19 is provided between the fixed parts to allow the refrigerant to flow in the axial direction.
  • the arrows in Figure 1 indicate the flow of the refrigerant 20.
  • the refrigerant 20 flows through a flow path in which the refrigerant 20 flows from the left side of Figure 1, and then branches into refrigerant 20a flowing through the rear duct 19, refrigerant 20b flowing through the gap 14, and refrigerant 20c flowing through the axial duct 18.
  • the coolant 20 a flowing through the rear duct 19 flows without branching in the axial direction, thereby reducing the temperature rise caused mainly by iron loss occurring in the stator core 9 and copper loss occurring in the stator coil 13 .
  • the refrigerant 20a that has flowed into the rear duct 19 continues to flow in the axial direction and is released to the atmosphere.
  • the refrigerant 20b flowing through the gap 14 flows without branching in the axial direction, reducing the temperature rise caused mainly by iron loss in the stator core 9, copper loss in the stator coil 13, and copper loss in the rotor coil 12.
  • the refrigerant 20c flowing through the axial duct 18 reduces the temperature rise caused by copper loss in the rotor coil 12, and since the refrigerant 20c flowing from the outflow axial duct 18 comes from the rotor 2, the fan action caused by the rotation (oiler head pressure, described later) causes the refrigerant 20c to flow radially.
  • This radially flowing refrigerant 20c flows through the gap 22 in the rotor coil end 6 (detailed shape described later) and merges with the refrigerant 20b that has passed through the gap 14 (merging point 21 in Figure 1).
  • the refrigerant 20 contains fine dust particles, which may damage the insulation of the stator coil end 10 located at the confluence 21 of the refrigerants 20b and 20c. In other words, the blasting effect of the dust will wear away the insulation layer of the stator coil end 10, reducing the insulation performance of certain areas.
  • Figure 3 shows the rotor coil end 6 of the rotor as viewed from the arrow A in Figure 1.
  • the rotor coil ends 6 have gaps 22 formed on the inner diameter side. Because the rotor 2 in this embodiment is a cylindrical field magnet type, the rotor coil ends 6 are arranged to overlap in the axial direction, and the gaps 22 of the rotor coil ends 6 in the axial direction are filled with cushioning material 23. The rotor coil ends 6 that are close to the rotor core 7 (close to the axial center side) straddle the rotor core 7 and form gaps 22.
  • the heat transfer area of the rotor coil 12 and the rotor coil ends 6 that come into contact with the refrigerant 20 can be increased, improving cooling performance.
  • Figure 4 shows an enlarged view of the confluence point 21 of refrigerant 20b and refrigerant 20c.
  • the thickness of the insulating film 24 of the stator coil end 10 located at the surface where the refrigerant 20c from the rotor coil end 6 and the refrigerant 20b that has passed through the gap 14 join is made thicker. That is, the thickness of the insulating film 24 coating the portion of the stator coil end 10 facing the rotor coil end 6 on the side where the refrigerant of the stator coil 13 flows out (particularly the portion facing the gap 22) is made thicker than the thickness of the insulating film coating the other portions of the stator coil 13. Moreover, the inner diameter surface of the stator core 9 and the inner diameter surface of the insulating film 24 are located at approximately the same position.
  • mica insulation is used in the case of high voltages (several kV class).
  • the configuration shown in Figure 4 can be formed by wrapping more mica tape around the areas shown in Figure 4 than other areas.
  • the insulating film 24a may be formed in a convex shape that gradually becomes thicker toward the inner diameter side of the center portion, and a slope may be provided on the surface on which the dust collides.
  • the configuration of this embodiment effectively protects the stator coil end 10 from dust that enters the rotating electric machine 100, reducing damage to the coil and improving reliability and lifespan.
  • the rotating electric machine 100 described in this embodiment has 10 poles and the stator 3 has 90 slots, but the same effect as in this embodiment can be obtained with other numbers of poles and slots.
  • Figures 6 and 7 show a second embodiment of the rotating electric machine of the present invention.
  • Figure 6 is a cross-sectional view of one slot of the stator 3
  • Figure 7 shows the B-B' cross-section of the same figure.
  • the axial length of the stator wedge 17 that prevents (restrains) the stator coil 13 from popping out is longer than the axial length of the stator core 9, and extends to the portion of the stator coil end 10 on the side where the refrigerant 20b of the stator coil 13 flows out that faces the rotor coil 12 (the portion including the junction 21).
  • the stator wedge 17 is a part that restrains the stator coil 13 arranged on the stator core 9 so that it does not fall off (jump out) into the gap 14. By extending this stator wedge 17 in the axial direction from the stator core 9 to a portion that includes the junction 21, the stator coil end 10 can be protected.
  • the configuration of this embodiment not only effectively protects the stator coil end 10 from dust that enters the rotating electric machine 100, reducing damage to the coil and improving reliability and lifespan, but also protects the coil from dust without using coil insulating material.
  • Figure 8 shows a third embodiment of the rotating electric machine of the present invention.
  • the cross-sectional area of the axial duct 18 provided on the rotor core 7 and rotor core clamp 8 on the side where the refrigerant 20c flows out through the axial duct 18 is gradually increased toward the outflow side.
  • the other configurations are the same as those of the first embodiment.
  • ⁇ is the refrigerant density
  • P is the oiler head pressure
  • V 1 is the peripheral speed of the rotor 2
  • V 2 is the peripheral speed of the axial duct 18 at an upper position in the radial direction.
  • Figure 9 shows a fourth embodiment of the rotating electric machine of the present invention.
  • the length L2 of the rotor coil end 6 on the side where the refrigerant 20c flows out through the axial duct 18 is longer than the length L1 of the rotor coil end 6 on the inflow side, and the flow path through which the refrigerant 20c flows in the radial direction of the rotor coil end 6 on the outflow side of the refrigerant 20c is enlarged.
  • the other configurations are the same as in embodiment 1.
  • Figure 10 shows the relationship between the area of the gap 22 in the rotor coil end 6 and the collision energy of the dust.
  • the area of the gap 22 in the rotor coil end 6 is standardized with the inlet side being 1.0.
  • increasing the area of the gap 22 reduces the collision energy, but doubling the area of the gap 22 reduces the collision energy to 1/5. Therefore, by increasing the size of the gap 22, it is possible to reduce damage to the insulation caused by dust.
  • FIG. 11 shows a rotating electric machine system as a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows an example of application to a rotating electric machine system for a dump truck.
  • the rotating electric machine 100 described in any one of the first to fourth embodiments is directly connected to the engine 200 via the coupling 25.
  • power is supplied from the rotating electric machine 100 to the power converters 201a and 201b.
  • the power converter 201a supplies power to the rotating electric machine 300 for driving the dump truck.
  • the power converter 201b supplies power to auxiliary equipment such as a blower 301 that circulates the refrigerant 20 for cooling the rotating electric machine 100.
  • the rotating electric machine system of this configuration has as its constituent elements the rotating electric machine 100 described in any one of Examples 1 to 4, which can effectively protect the coil ends from dust that flows into the rotating electric machine 100, thereby reducing damage to the coils and improving reliability and lifespan, and the rotating electric machine system to which this rotating electric machine 100 is applied is also very effective.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes various modifications.
  • the above-mentioned embodiments have been described in detail to clearly explain the present invention, and are not necessarily limited to those including all of the configurations described.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

本発明は、回転電機内に流入する粉塵からコイルエンドを効果的に保護してコイルの損傷を低減し、信頼性及び寿命の向上を図る回転電機を提供するために、回転子と、該回転子と所定のギャップを介して対向配置されている固定子と、を備えた回転電機であって、前記回転電機の軸方向片側から前記回転子及び前記固定子を冷却するための冷媒が軸方向端部に向かって流れ、かつ、前記回転子及び固定子は、それぞれコイルを備えていると共に、前記回転子及び固定子のそれぞれの前記コイルには絶縁材が被覆され、前記固定子のコイルの前記冷媒が流出する側の固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分に被覆されている前記絶縁材の厚みが、他の部分の前記固定子のコイルに被覆されている前記絶縁材の厚みより厚く形成されていることを特徴とする。

Description

回転電機及び回転電機システム
　本発明は回転電機に係り、例えば、ダンプトラックのような過酷環境下で使用されるものに好適な回転電機及び回転電機システムに関する。
　近年、ＣＯ２の排出量を抑えるために、回転電機の高効率化が図られている。また、自動車や鉄道等のビークル系に適用される回転電機に関しては、高効率化の他に小型・軽量化も求められている。回転電機の軽量化を図ることで、車体自体を軽くすることができることから燃費が向上し、結果的に自動車や鉄道システムとしての効率を向上することに繋がっている。
　一般的に、小型・軽量化と回転電機の効率とはトレードオフの関係になるため、小型・軽量化を優先させれば回転電機の効率は低下する。即ち、損失が大きくなることを意味している。つまり、出力密度の増加と同時に発熱密度も増加することになる。
　このため、小型・軽量化を優先して回転電機として成立させるためには、冷却性能の向上が必須となる。
　回転電機の冷却方式には様々な方式があるが、構造が単純で冷却性能が高い冷却方式は軸流開放型である。この軸流開放型の冷却方式の構造は、回転電機の内部と外部（外気）とがダイレクトに繋がっている。回転電機を冷却するための冷媒は、回転電機内の回転軸に配置される自励ファン、或いは回転電機とは別に設置される電動送風機により得ることができる。
　特に、回転電機が停止中でも冷却する必要がある場合等は、電動送風機により強制的に冷媒を回転電機内に流す方法（強制通風方式）が採用される。軸流開放型での強制通風方式では、外部の冷媒を回転電機内に送り込むため、冷媒中に粉塵等のゴミが回転電機内に混入することになる。粉塵の大きさや種類は、適用される環境によって変わってくる。
　例えば、ビークル系に適用される回転電機のうち、特に過酷環境下で使用されるものとして大型のダンプトラックが挙げられる。このダンプトラックに適用される回転電機の冷却方式は、上述したような軸流開放型の強制通風方式である。
　特に、ダンプトラックは、車高が高く電動送風機が高い位置に配置されるため、宙に舞った微細な粒子からなる土煙等の粉塵を含む冷媒が、ダンプトラックの回転電機内に送風されることになる。
　このため、ダンプトラックの回転電機内部の部品に微細な粉塵が衝突して、コイルの絶縁部等を損傷してしまい、これにより、回転電機の信頼性、寿命が低下することになる。
　このような技術に関連する先行技術文献としては、特許文献１を挙げることができる。
　この特許文献１には、電動機（回転電機）の固定子に施されているコイルの一部の絶縁膜を厚くし、この絶縁膜をディッピング（浸漬）により形成することが記載されている。
ディッピング（浸漬）により絶縁膜を形成する時、絶縁塗装を斑、ピンホール等が無いようにディッピングするが、コイル全体を均一にディッピングすることは困難である。
　特許文献1では、成形後のコイルに対してディッピング塗装をする場合、コイルエンド部を積極的に絶縁塗料が溜まるようにすることで、鉄心の内部に収納されるコイル部の絶縁膜の厚みを抑えて占積率の低下を抑制している。
特開２０１５－８２９５２号公報
　しかしながら、この特許文献１において、上述した冷却方式を適用した場合、絶縁膜を厚くする部位はコイルエンドの湾曲部であり、この湾曲部は、固定子鉄心から露出した状態となるため、粉塵が衝突する方向によりコイルエンドが損傷する可能性がある。
　しかも、特許文献１では、コイルを保護する観点から部分的に絶縁膜を厚くしているが、軸流開放形の冷却方式に対しての絶縁保護としては適切では無い。つまり、コイルを保護する観点では、回転電機内部の冷媒流れから粉塵が衝突する部位に対して絶縁膜を厚くして保護する必要がある。
　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、回転電機内に流入する粉塵からコイルエンドを効果的に保護してコイルの損傷を低減し、信頼性及び寿命の向上を図ることができる回転電機及び回転電機システムを提供することにある。
　本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、回転子と、該回転子と所定のギャップを介して対向配置されている固定子と、を備えた回転電機であって、前記回転電機の軸方向片側から前記回転子及び前記固定子を冷却するための冷媒が軸方向端部に向かって流れ、かつ、前記回転子及び固定子は、それぞれコイルを備えていると共に、前記回転子及び固定子のそれぞれの前記コイルには絶縁材が被覆され、前記固定子のコイルの冷媒が流出する側の固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分に被覆されている前記絶縁材の厚みが、他の部分の前記固定子のコイルに被覆されている前記絶縁材の厚みより厚く形成されていることを特徴とする。
　また、本発明の回転電機システムは、上記目的を達成するために、エンジンで駆動された回転電機で発電し、この回転電機で発電した電力を電力変換機を介して負荷へ供給する回転電機システムであって、前記回転電機は、上記構成の回転電機であることを特徴とする。
　本発明によれば、回転電機内に流入する粉塵からコイルエンドを効果的に保護してコイルの損傷を低減し、信頼性及び寿命の向上を図ることができる。
本発明の回転電機の実施例１の全体構成を示す半断面図である。 図１のＡ－Ａ´線に沿った断面図である。 図１のＡ矢視図であり、回転子コイルエンドを示す図である。 本発明の回転電機の実施例１における固定子コイルエンドと回転子コイルエンドの拡大図であり、冷媒の合流点を示す図である。 本発明の回転電機の実施例１における絶縁膜の変形例を用いた固定子コイルエンドと回転子コイルエンドの拡大図であり、冷媒の合流点を示す図である。 本発明の回転電機の実施例２における固定子のスロット部分の断面図である。 図６のＢ－Ｂ´線に沿った断面図である。 本発明の回転電機の実施例３における回転子を示す断面図である。 本発明の回転電機の実施例４における回転子を示す断面図である。 本発明の回転電機の実施例４における回転子コイルエンドの空閑面積と粉塵の衝突エネルギーの関係を示す特性図である。 本発明の回転電機システムを示す図である。
　以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機及び回転電機システムを説明する。
なお、以下に説明する各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。
　図１に、本発明の回転電機１００の実施例１の全体構成を半分断面して示す。この回転電機１００は、主にエンジンと接続して使用する回転電機１００で、出力は数千ｋＶＡ、電圧数はｋＶ、回転速度は数千ｍｉｎ－１クラスの回転電機１００であり、特に、大型ダンプトラックの電源として適用される。
　図１に示すように、本実施例の回転電機１００は、フレーム１内に、回転子２と、この回転子２と所定のギャップ１４を介して対向して固定子３が配置されている。フレーム１には、回転子２が回転するための軸受４が設けてあり、図１では、上述したように、エンジンと接続するため軸受４が無い方は、エンジン側の軸受で支えることとなる。無論、回転電機１００の両側に軸受４を設けても問題は無い。
　回転子２はシャフト５に締結され、回転子２には回転子鉄心７のスロット（図示せず）内に配置された回転子コイル１２を備えており、この回転子コイル１２は軸方向両端部から軸方向に回転子コイルエンド６が突出し、回転子鉄心７を軸方向から面圧を加え抑えるために回転子コアクランプ８が軸方向両端に接続されている。
　一方、固定子３はフレーム１に固定され、固定子３には固定子鉄心９のスロット（図示せず）内に配置された固定子コイル１３を備えており、この固定子コイル１３は軸方向両端部から軸方向に固定子コイルエンド１０が突出し、固定子鉄心９を軸方向から面圧を加え抑えるために固定子コアクランプ１１が軸方向両端に接続されている。
　図１のＡ－Ａ´断面を図２に示す。図２は回転子２及び固定子３の１極分の断面を示している。
　図２に示すように、回転子２及び固定子３を構成する主な部品として、回転子鉄心７、固定子鉄心９、回転子コイル１２、固定子コイル１３、ギャップ１４、ダンパーバー１５、回転子コイル１２の飛び出しを防止する回転子楔１６、固定子コイル１３の飛び出しを防止する固定子楔１７で概略構成されている。
　そして、回転子鉄心７の内径側に軸方向に冷媒を流すためのアキシャルダクト１８が設けられており、固定子３の更に外径側には、固定子３と固定されるフレーム１が配置され、固定子３とフレーム１の固定部は周方向に所定の間隔で固定されており、その固定部の間には軸方向に冷媒を流すための背面ダクト１９が設けられている。
　次に、本実施例の回転電機１００における冷媒の流れについて、図１を用いて説明する。
　図１に示す矢印は冷媒２０の流れを示しており、冷媒２０が流れる流路は図１の左側から冷媒２０が流入し、この冷媒２０が背面ダクト１９を流れる冷媒２０ａ、ギャップ１４を流れる冷媒２０ｂ、アキシャルダクト１８を流れる冷媒２０ｃに分岐して流れる。
　背面ダクト１９に流れる冷媒２０ａは軸方向に分岐することなく流れ、主に固定子鉄心９に発生する鉄損、固定子コイル１３に発生する銅損による温度上昇を低減させている。
背面ダクト１９に流れた冷媒２０ａは、そのまま軸方向に流れて大気へ開放される。
　また、ギャップ１４に流れる冷媒２０ｂは軸方向に分岐することなく流れ、主に固定子鉄心９に発生する鉄損、固定子コイル１３に発生する銅損、回転子コイル１２に発生する銅損による温度上昇を低減させている。
　一方、アキシャルダクト１８を流れる冷媒２０ｃは、回転子コイル１２に発生する銅損による温度上昇を低減させ、流出側のアキシャルダクト１８から流れた冷媒２０ｃは、回転子２から流れてくるため、回転によるファンアクション（後述するオイラーヘッド圧力）により、冷媒２０ｃが径方向へ流れることになる。この径方向に流れた冷媒２０ｃは、回転子コイルエンド６の空隙（詳細形状は後述する）２２を流れて、ギャップ１４から通過してきた冷媒２０ｂと合流することになる（図１の合流点２１）。
　この時、上述したように、冷媒２０には微細な粉塵が含まれるため、冷媒２０ｂと冷媒２０ｃの合流点２１に位置する固定子コイルエンド１０の絶縁が損傷する恐れがある。つまり、言い換えると、粉塵によるブラスト効果により、固定子コイルエンド１０の絶縁層が削れ、一定部位の絶縁性能を低下させることになる。
　図３に、回転子の回転子コイルエンド６の図１のＡ矢視の図を示す。
　図３に示すように、回転子コイルエンド６は内径側に空隙２２が形成される。本実施例の回転子２は円筒界磁形のため、回転子コイルエンド６は軸方向に重なるように施され、軸方向の回転子コイルエンド６の空隙２２には緩衝材２３が装填されている。回転子鉄心７に近接（軸方向中心側に近接）する回転子コイルエンド６は、回転子鉄心７を跨らせ、かつ、空隙２２が形成されるようにしている。
　このように構成することで、回転子コイル１２及び回転子コイルエンド６は冷媒２０に接触する伝熱面積を増やすことができ、冷却性能を向上させることができる。上述したアキシャルダクト１８から流れてきた冷媒２０ｃは、回転子コイルエンド６で形成された空隙２２を通風路として合流点２１に流れることになる。これは、回転子コイル１２及び回転子コイルエンド６の冷却性能を向上させるためであり、円筒界磁形回転子特有の構造と言える。
　次に、冷媒２０ｂと冷媒２０ｃの合流点２１の拡大図を図４に示す。
　図４に示すように、本実施例では、回転子コイルエンド６からの冷媒２０ｃと、ギャップ１４を通過した冷媒２０ｂが合流する面に位置する固定子コイルエンド１０の絶縁膜２４の厚みを厚くしている。即ち、固定子コイル１３の冷媒が流出する側の固定子コイルエンド１０の回転子コイルエンド６と対向する部分（特に空隙２２と対向している部分）に被覆されている絶縁膜２４の厚みが、他の部分の固定子コイル１３に被覆されている絶縁膜の厚みより厚く形成されている。しかも、固定子鉄心９の内径面と絶縁膜２４の内径面が略同じ位置となっている。
　このように、冷媒２０が流れて合流する部位にのみの絶縁膜２４を厚くすることで、固定子コイル１３の全部の絶縁膜を厚くするが必要ないため、固定子コイル１３の占積率の低下が抑制でき、コイル絶縁の材料、工数を低減しつつ、コイル絶縁の損傷を防止することができる。
　コイル絶縁は、高電圧（数ｋVクラス）の場合にはマイカ絶縁が適用される。図４で図示した部位だけマイカテープを他の部位よりも多く巻くことで、図４の構成を形成できる。また、固定子コイル１３を固定子鉄心９に組み込んだ後に保護する場合は、シリコンや樹脂（ポリカーボネート等）の絶縁材料にて絶縁膜２４を厚くすることでも同様の効果が得られる。
　更に、図５に示すように、絶縁膜の形状を、中心部分の内径側に向うに従い順次厚くなる凸形状に形成した絶縁膜２４ａとし、粉塵が衝突する面に傾斜を設ける構成としても良い。
　このような形状にすることで、上記した図４の絶縁膜２４の構成で得られる効果は勿論、粉塵が衝突するエネルギーを分散させることができ、絶縁膜２４ａを削れにくくすることができる。
　このような本実施例の構成によれば、回転電機１００内に流入する粉塵から固定子コイルエンド１０を効果的に保護してコイルの損傷を低減し、信頼性及び寿命の向上を図ることができる。
　尚、本実施例で説明した回転電機１００は、極数１０極、固定子３のスロット数は９０であるが、他の極数、スロット数としても本実施例と同様な効果が得られる。
　図６及び図７に、本発明の回転電機の実施例２を示す。図６は、固定子３の１スロット分の断面図であり、同図のＢ－Ｂ´断面が図７である。
　図７に示すように、本実施例では、固定子コイル１３の飛び出しを防止（抑止）する固定子楔１７の軸方向長さを、固定子鉄心９の軸方向長さよりも長くし、固定子コイル１３の冷媒２０ｂが流出する側の固定子コイルエンド１０の回転子コイル１２と対向する部分（合流点２１を含む部分）まで延伸させている。
　固定子楔１７は、固定子鉄心９に配置した固定子コイル１３がギャップ１４に脱落しない（飛び出さない）ように拘束する部品であり、この固定子楔１７を固定子鉄心９より軸方向に合流点２１を含む部分まで延伸させることで、固定子コイルエンド１０を保護することができる。
　このような本実施例の構成とすることで、回転電機１００内に流入する粉塵から固定子コイルエンド１０を効果的に保護してコイルの損傷を低減し、信頼性及び寿命の向上を図ることができることは勿論、コイルの絶縁材料を使用しなくても、粉塵に対してのコイルを保護することができる。
　図８に、本発明の回転電機の実施例３を示す。
　図８に示すように、本実施例では、アキシャルダクト１８を通る冷媒２０ｃが流出する側の回転子鉄心７及び回転子コアクランプ８に設けたアキシャルダクト１８の形状を、流出側に向かって断面積を漸増させている。他の構成は、実施例１と同様である。
　このように構成することで、冷媒２０ｃが流出するときの流速を低下させつつ、オイラーヘッド圧力の効果を抑えることができる。このオイラーヘッド圧力は、次式（（１）式）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ここで、ρ：冷媒密度、Ｐ：オイラーヘッド圧力、Ｖ１：回転子２の周速、Ｖ２：アキシャルダクト１８の径方向上部位置における周速とする。
　上記した（１）式で示すように、周速度の差が大きければ、オイラーヘッド圧力Ｐは増加する。つまり、回転子２の外径とアキシャルダクト１８の位置が近ければオイラーヘッド圧力Ｐは低下することになる。
　このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、図８に示すように、アキシャルダクト１８の冷媒２１ｃの流出側を、流出側に向かって断面積を漸増させると、回転子２の外径とアキシャルダクト１８の径方向の上部位置が近接になるため、オイラーヘッド圧力Ｐが低減し粉塵の流速が低減することで、回転子コイルエンド６に衝突するエネルギーを緩和することができる。
　図９に、本発明の回転電機の実施例４を示す。
　図９に示すように、本実施例では、アキシャルダクト１８を通る冷媒２０ｃが流出する側の回転子コイルエンド６の長さＬ２を、流入側の回転子コイルエンド６の長さＬ１より長くし、冷媒２０ｃの流出側の回転子コイルエンド６の径方向に冷媒２０ｃが流れる流路を大きくしている。他の構成は、実施例１と同様である。
　このような本実施例の構成によれば、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、アキシャルダクト１８から流出した冷媒２０ｃは、回転子コイルエンド６に形成された空隙２２を通過するが、回転子コイルエンド６を軸方向に伸ばす（アキシャルダクト１８を通る冷媒２０ｃが流出する側の回転子コイルエンド６の長さＬ２を、流入側の回転子コイルエンド６の長さＬ１より長くする）ことで、空隙２２の面積も大きくなり、粉塵による絶縁の損傷を低減することができる。
　図１０に、回転子コイルエンド６の空隙２２の面積と粉塵の衝突エネルギーの関係を示す。
　図１０に示すように、回転子コイルエンド６の空隙２２の面積は、入流側を１．０として規格化している。同図から、空隙２２の面積が増やしていけば衝突エネルギーは低減するが、空隙２２の面積を２倍にすれば、衝突エネルギーは１／５になる。よって、この空隙２２を大きくすることで、粉塵による絶縁の損傷を低減することができる。
　図１１に、本発明の実施例５として回転電機システムを示す。図１１は、ダンプトラック用の回転電機システムに適用した例である。
　図１１に示すように、実施例１から実施例４のいずれかで説明した回転電機１００は、カップリング２５を介してエンジン２００に直結される。エンジン２００が駆動することで、回転電機１００から電力変換機２０１ａ及び２０１ｂへ電力が供給される。電力変換機２０１ａは、ダンプトラックの駆動用回転電機３００に電力を供給する。一方、電力変換機２０１ｂは、回転電機１００を冷却するための冷媒２０を流すブロア３０１等の補機用の電力として供給する。
　このような構成の回転電機システムは、実施例１から実施例４のいずれかで説明した回転電機１００内に流入する粉塵からコイルエンドを効果的に保護してコイルの損傷を低減し、信頼性及び寿命の向上を図ることができる回転電機１００を構成要件としており、この回転電機１００を適用した回転電機システムも非常に有効なものになる。
　なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換える事が可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加える事も可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をする事が可能である。
　１…フレーム、２…回転子、３…固定子、４…軸受、５…シャフト、６…回転子コイルエンド、７…回転子鉄心、８…回転子コアクランプ、９…固定子鉄心、１０…固定子コイルエンド、１１…固定子コアクランプ、１２…回転子コイル、１３…固定子コイル、１４…ギャップ、１５…ダンパーバー、１６…回転子楔、１７…固定子楔、１８…アキシャルダクト、１９…背面ダクト、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…冷媒、２１…冷媒の合流点、２２…空隙、２３…緩衝材、２４、２４ａ…絶縁膜、２５…カップリング、１００…回転電機、２００…エンジン、２０１ａ、２０１ｂ…電力変換機、３００…駆動用回転電機、３０１…ブロア。

Claims (8)

  1. 　回転子と、該回転子と所定のギャップを介して対向配置されている固定子と、を備えた回転電機であって、
    　前記回転電機の軸方向片側から前記回転子及び前記固定子を冷却するための冷媒が軸方向端部に向かって流れ、かつ、前記回転子及び固定子は、それぞれコイルを備えていると共に、前記回転子及び固定子のそれぞれの前記コイルには絶縁材が被覆され、前記固定子のコイルの前記冷媒が流出する側の固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分に被覆されている前記絶縁材の厚みが、他の部分の前記固定子のコイルに被覆されている前記絶縁材の厚みより厚く形成されていることを特徴とする回転電機。
  2. 　請求項１に記載の回転電機であって、
    　前記固定子のコイルの前記冷媒が流出する側の前記固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分は、回転子コイルエンドからと前記ギャップから通過した前記冷媒が合流する面に位置する前記固定子コイルエンドの部分であることを特徴とする回転電機。
  3. 　請求項２に記載の回転電機であって、
    　前記絶縁材はマイカテープ、シリコン、樹脂のいずれかで構成され、
    　前記固定子のコイルの前記冷媒が流出する側の前記固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分に被覆されている前記絶縁材の厚みが、他の部分の前記固定子のコイルに被覆されている前記絶縁材の厚みより厚く形成されている前記絶縁材は、前記マイカテープの、シリコン、樹脂のいずれかの巻き数を、その他の部位の巻き数より多くして形成されていることを特徴とする回転電機。
  4. 　請求項２に記載の回転電機であって、
    　前記固定子のコイルの前記冷媒が流出する側の前記固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分に被覆されている前記絶縁材の厚みが、他の部分の前記固定子のコイルに被覆されている前記絶縁材の厚みより厚く形成されている前記絶縁材は、中心部分の内径側に向うに従い順次厚くなる凸形状に形成されていることを特徴とする回転電機。
  5. 　請求項２に記載の回転電機であって、
    　前記回転子の軸方向端部にコアクランプが配置され、前記コアクランプには軸方向に前記冷媒を流すための通風孔が設けられ、前記冷媒が流出する側の前記コアクランプの通風孔の形状は、前記冷媒が流出する側に向かって断面積が漸増していることを特徴とする回転電機。
  6. 　請求項２に記載の回転電機であって、
    　前記冷媒が流出する側の前記回転子のコイルエンドの軸方向長さは、前記冷媒が流入する側の前記回転子のコイルエンドの軸方向長さより長く形成されていることを特徴とする回転電機。
  7. 　回転子と、該回転子と所定のギャップを介して対向配置されている固定子と、を備えた回転電機であって、
    　前記回転電機の軸方向片側から前記回転子及び前記固定子を冷却するための冷媒が軸方向端部に向かって流れ、かつ、前記回転子及び固定子は、それぞれコイルを備えていると共に、前記回転子及び固定子のそれぞれの前記コイルには絶縁材が被覆され、
    　前記固定子のスロット内に配置された前記固定子のコイルを抑止する固定子楔が前記固定子のコイルの内径側へ配置されており、前記固定子楔の軸方向長さを、前記固定子のコイルの前記冷媒が流出する側の固定子コイルエンドの前記回転子のコイルと対向する部分まで延伸させたことを特徴とする回転電機。
  8. 　エンジンで駆動された回転電機で発電し、この回転電機で発電した電力を電力変換機を介して負荷へ供給する回転電機システムであって、
    　前記回転電機は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回転電機であることを特徴とする回転電機システム。
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