(57)【要約】【課題】  通風損失を低減することが可能な回転電機の回転子を提供する。【解決手段】  実施形態によれば、回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムと、前記回転子リムの外周側に設けられるポールとを具備する回転電機の回転子において、前記リムダクトにおける冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転方向上流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に向かうにつれ回転方向上流側に曲がる形状となっている、回転電機の回転子が提供される。【選択図】図４
2020089040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムと、前記回転子リムの外周側に設けられるポールとを具備する回転電機の回転子において、
前記リムダクトにおける冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転方向上流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に向かうにつれ回転方向上流側に曲がる形状となっている、
回転電機の回転子。
【請求項２】
前記リムダクトにおける冷却ガスの導入部の流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に末広がりの形状となっている、
請求項１に記載の回転電機の回転子。
【請求項３】
前記リムダクトにおける冷却ガスの排出部の流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径方向に末広がりの形状となっている、
請求項２に記載の回転電機の回転子。
【請求項４】
前記リムダクトにおける冷却ガスの排出部の流路壁面のうち、回転方向下流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径方向に向かうにつれ回転方向下流側に曲がる形状となっている、
請求項１に記載の回転電機の回転子。
【請求項５】
前記リムダクトにおける冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転方向下流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に向かうにつれ回転方向上流側に曲がる形状となっている、
請求項１又は４に記載の回転電機の回転子。
【請求項６】
前記リムダクトにおける冷却ガスの排出部の流路壁面のうち、回転方向上流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径方向に向かうにつれ回転方向下流側に曲がる形状となっている、
請求項１、４、５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項７】
回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムと、前記回転子リムの外周側に設けられるポールとを具備する回転電機の回転子において、
前記リムダクトにおける冷却ガスの導入部の流路は、回転子径方向に見た断面の面積が、回転子内径方向に向かうにつれ段階的に大きくなるように形成されている、
回転電機の回転子。
【請求項８】
前記リムダクトにおける冷却ガスの排出部の流路は、回転子径方向に見た断面の面積が、回転子外径方向に向かうにつれ段階的に大きくなるように形成されている、
請求項７に記載の回転電機の回転子。
【請求項９】
前記回転子リムは、回転子軸方向に積層された複数の鋼板により構成され、
前記リムダクトの流路壁を構成している鋼板は、回転子径方向の端部において段差を形成するように切欠きが設けられている、
請求項７又は８に記載の回転電機の回転子。
【請求項１０】
前記回転子リムは、回転子軸方向に積層された複数の鋼板により構成され、
前記リムダクトの流路壁を構成している鋼板を含む複数枚の積層された鋼板は、回転子径方向の端部において２段以上の段差を形成するように切欠きがそれぞれ設けられている、
請求項７又は８に記載の回転電機の回転子。
【請求項１１】
回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムと、前記回転子リムの外周側に設けられるポールとを具備する回転電機の回転子において、
前記回転子リムは、回転子軸方向に延びる軸方向通風流路を備え、
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向の端部に冷却ガスの流入孔を有し、当該流入孔から流入する冷却ガスを前記リムダクトへ送給する、
回転電機の回転子。
【請求項１２】
前記軸方向通風流路は、前記回転子リムの中を貫通する流路である、
請求項１１に記載の回転電機の回転子。
【請求項１３】
前記軸方向通風流路は、前記回転子リムの回転子内径側において前記回転子スポークの内部空間を仕切る仕切り板を用いて形成された流路である、
請求項１１に記載の回転電機の回転子。
【請求項１４】
前記軸方向通風流路の回転子軸方向の端部の流路壁面は、回転子回転方向に見た断面形状が、回転子軸方向に末広がりの形状となっている、
請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項１５】
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向に見た断面の面積が、当該軸方向通風流路の回転子軸方向の端部から当該軸方向通風流路の中央部に向かうにつれ大きくなるように形成されている、
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項１６】
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向に見た断面の面積が、当該軸方向通風流路の回転子軸方向の端部から当該軸方向通風流路の中央部に向かうにつれ小さくなるように形成されている、
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項１７】
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向に見た断面の面積が、当該軸方向通風流路の回転子軸方向の一方の端部から他方の端部に向かうにつれ大きくなることと小さくなることとを繰り返すように形成されている、
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項１８】
前記軸方向通風流路は、回転子回転方向の位置が、前記ポールの回転子回転方向の位置と前記回転子軸とを結ぶ線上に存在するように形成されている、
請求項１１乃至１７のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項１９】
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径側に角部を有さないように形成されている、
請求項１８に記載の回転電機の回転子。
【請求項２０】
前記軸方向通風流路は、一方の端部にのみ冷却ガスの流入孔を有し、他方の端部には冷却ガスの流入孔を有さないように形成されている、
請求項１１乃至１９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項２１】
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向に見た断面の面積が、前記流入孔のある一方の端部から他方の端部に向かうにつれ大きくなるように形成されている、
請求項２０に記載の回転電機の回転子。
【請求項２２】
前記軸方向通風流路は、回転子軸方向に見た断面の面積が、前記流入孔のある一方の端部から他方の端部に向かうにつれ小さくなるように形成されている、
請求項２０に記載の回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、水車発電機等の回転電機は、冷却ガスが機内を循環する通風冷却構造を有する。水車発電機には定速機と可変速機とがあり、それぞれ構造が異なる。以下では、定速機の構造を例に説明する。
【０００３】
水車発電機は、発電機と水車とから構成され、発電機は回転子と固定子とを備えている。この発電機の構成の具体例を図３０に示す。
【０００４】
図３０に示されるように、発電機１００は、上部軸受５１ａ、下部軸受５１ｂ、コレクタ５２、風道カバー５３等を備え、風道カバー５３の内側に回転子６１および固定子６２が配置される。
【０００５】
回転子６１は、上部軸受５１ａと下部軸受５１ｂとの間に、上部軸１ａと下部軸１ｂとを有する回転子軸（シャフト）１を備え、この回転子軸に回転子スポーク３を介して回転子リム７が取り付けられている。この回転子リム７の外径側には、周方向に等間隔で複数の突極型のポール（磁極）９が配置されている。各ポール９は、磁極鉄心と回転子コイル（界磁コイル）１０とから構成される。また、回転子リム７には、回転子スポーク３の内部から各ポール９へ径方向に連通するリムダクト（図示せず）が軸方向および周方向に複数配置されている。
【０００６】
一方、固定子６２は、固定子フレーム３１内に収められた固定子鉄心３２、固定子コイル３３、接続銅帯３４等を備える。また、固定子フレーム３１の外側には、冷却器（ガスクーラ）３５も取り付けられている。
【０００７】
このような構成の発電機１００では、回転子コイル１０が巻かれた磁極鉄心を有するポール９、固定子鉄心３２、固定子コイル３３等が発熱するため、機内に冷却ガスを循環させて冷却する。この冷却ガスの循環は、回転子６１の回転による遠心ファン効果を利用するのが一般的である。
【０００８】
冷却ガスは、回転子６１の遠心ファン効果により、回転子スポーク３に設けられた給気孔から回転子スポーク３の内部に取り入れられ、回転子リム７内に設けられたリムダクトを通じて、ポール９間を通り抜ける。ポール９を冷却して高温となった冷却ガスは、回転子６１と固定子６２との間のエアギャップＧに排出される。
【０００９】
エアギャップＧに排出された高温の冷却ガスの一部は、エアギャップＧから回転子軸方向に流出し、残りの冷却ガスは、固定子鉄心３２内に設けられた固定子ダクト（図示せず）を通り、固定子鉄心３２の外径側にある鉄心背面３６に流出し、固定子フレーム３１の外径側に取り付けられた冷却器３５の冷却水等と熱交換する。冷却器３５との熱交換により温度が低下した冷却ガスは、固定子フレーム３１の外側から回転子６１側に送られ、再び回転子スポーク３に設けられた給気孔から回転子スポーク３の内部に取り入れられて循環することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開昭５９−１１７４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した構成においては、冷却ガスが回転子スポーク機能の内部を通ってさらに回転子リムに設けられたリムダクトを通るに際し、縮流に伴う圧力損失や複雑な流動や渦などが発生し、様々な通風損失が生じる。このことは、発電機における効率的な冷却を阻害する。
【００１２】
本発明が解決しようとする課題は、通風損失を低減することが可能な回転電機の回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
実施形態によれば、回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムと、前記回転子リムの外周側に設けられるポールとを具備する回転電機の回転子において、前記リムダクトにおける冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転方向上流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に向かうにつれ回転方向上流側に曲がる形状となっている、回転電機の回転子が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、通風損失を低減することが可能な回転電機の回転子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図２】同実施形態に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図３】同実施形態の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図４】第２の実施形態に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図５】同実施形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図６】同実施形態の第２の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図７】同実施形態の第３の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図８】同実施形態の第４の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図９】同実施形態の第５の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図１０】第３の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１１】同実施形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１２】同実施形態の第２の変形例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１３】第４の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１４】同実施形態に係る流入孔の構成を示す斜視図。
【図１５】同実施形態の別の例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１６】同実施形態の別の例に係る流入孔の構成を示す斜視図。
【図１７】同実施形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す縦断面図。
【図１８】同実施形態の第２の変形例（その１）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１９】同実施形態の第２の変形例（その２）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図２０】同実施形態の第３の変形例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図２１】同実施形態の第４の変形例（その１）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す上面図。
【図２２】同実施形態の第４の変形例（その２）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図２３】同実施形態の第４の変形例（その３）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図２４】同実施形態の第４の変形例（その４）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図２５】同実施形態の第４の変形例（その５）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図。
【図２６】同実施形態の第４の変形例（その６）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す上面図。
【図２７】第５の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図２８】同実施形態の変形例（その１）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図２９】同実施形態の変形例（その２）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図３０】一般的な回転電機（発電機）の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１７】
［第１の実施形態］
最初に、図１〜図３を参照して、第１の実施形態について説明する。なお、前述した図３０と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１８】
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。なお、この図１は、後述する第２の実施形態にも適用される。
【００１９】
回転子軸１には回転子スポーク機構２が固設されており、この回転子スポーク機構２は回転子軸１を中心に放射線状に回転子軸１表面から外側に伸びた回転子スポーク３とこの回転子スポーク３の上端および下端にそれぞれ固着された端板５とから構成される。回転子スポーク３の外周側には、回転子リム７が配置される。回転子リム７は、回転子軸方向に積層された複数の電磁鋼板により構成され、その一部にリムダクト８が設けられている。回転子リム７の外周側には、ポール９が配置される。ポール９には、回転子コイル１０が巻かれている。
【００２０】
機内を冷却する方法としては、回転子軸１と回転子に付随する構造物の回転に伴う遠心ファン作用により冷却ガス６を循環するラジアル通風方式が採用されている。冷却ガス６は、端板５に設けられた複数の流入孔４より回転子スポーク機構２内に流入し、その後、回転子スポーク機構２内を外周方向に移動し、回転子リム７に設けられたリムダクト８を通過してポール９の間に流出すると同時に回転子コイル１０を冷却する。
【００２１】
図２は、同実施形態に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。
【００２２】
本実施形態では、図２に示すように、リムダクト８における冷却ガスの導入部の流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に末広がりの形状となっている。具体的には、冷却ガスが回転子スポーク機構２からリムダクト８に流入する導入部分において、内径側のリムダクト幅を広く、外径側に徐々にその幅を縮小する形状（言い換えると、外径側から内径側に末広がりとなる末広がり形状）となるように電磁鋼板に切欠き形状を設けている。これにより、冷却ガス６がリムダクト８内へ回転遠心力によって流入する際に滑らかな流動を実現することができ、縮流に伴って発生する圧力損失を低減することが可能となる。
【００２３】
この電磁鋼板の切欠き形状は、末広がり形状であれば特にリムダクト幅によって定義されるものではなく、電気設計、構造設計の観点も含めて総合的に判断されれば良い。また、回転子軸方向に徐々に切欠きの大きさが変化しても良く、より冷却ガス６を多く流入させたい軸方向位置の切欠きを大きくすることで、回転子コイル１０の温度を平準化させることや、過剰な冷却ガス供給による損失増加を防止するなど、より効率的な冷却を行うことが可能となる。
【００２４】
図３は、同実施形態の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。
【００２５】
図３に示すように、図２の構成に加え、リムダクト８における冷却ガスの排出部の流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径方向に末広がりの形状となっていても良い。具体的には、リムダクト８の外径側の冷却ガス排出部分において、リムダクトの幅を外径側に徐々に拡大する末広がり形状を追設するように電磁鋼板に切欠き形状を設けても良い。これにより、冷却ガス６がリムダクト８から回転遠心力によってポール９間へ排出される際に徐々に流速を低減することができ、ダクト出口部に発生する圧力損失を低減することが可能となる。
【００２６】
この排出部における電磁鋼板の切欠き形状は、同様に末広がり形状であれば特にリムダクト幅によって定義されるものではなく、電気設計、構造設計の観点も含めて総合的に判断されれば良い。また、回転子軸方向に徐々に切欠きの大きさを変化させても良く、回転子コイル１０の温度を平準化など、さらに効率的な冷却を行うことが可能となる。
【００２７】
［第２の実施形態］
次に、図４〜図９を参照して、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００２８】
図４は、第２の実施形態に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。
【００２９】
第２の実施形態では、図４に示すように、リムダクト８における冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の上流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に向かうにつれ回転子回転方向１３の上流側に曲がる形状となっている。具体的には、リムダクト８において、回転子内径側に位置する冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の上流側の流路壁をＲ形状に形成する電磁鋼板を設けている。これにより、回転子スポーク機構２内で回転子回転方向１３に速度を持った冷却ガス６がより滑らかにリムダクト内に流入することができ、ダクト流入口の回転子回転方向１３の上流側の流路壁にて発生する圧力損失を低減することが可能となる。
【００３０】
図５は、同実施形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。
【００３１】
図５に示すように、リムダクト８における冷却ガスの排出部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の下流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径方向に向かうにつれ回転子回転方向１３の下流側に曲がる形状となっていても良い。具体的には、リムダクト８において、回転子外径側に位置する冷却ガスの排出部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の下流側の流路壁をＲ形状にしても良い。このようにすることで、リムダクト８の外径側に位置する冷却ガスの排出部の下流側の流路壁にて発生する圧力損失を低減できる。
【００３２】
図６は、同実施形態の第２の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。また、図７は、同実施形態の第３の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。
【００３３】
図６、図７に示すように、リムダクト８における冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の下流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子内径方向に向かうにつれ回転子回転方向１３の上流側に曲がる形状となっていても良い。具体的には、図６に示すように、リムダクト８において、回転子内径側に位置する冷却ガスの導入部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の下流側の流路壁をＲ形状にしても良い。このようにすることで、リムダクト８の内径側に位置する冷却ガス導入部の下流側の流路壁にて発生する圧力損失を低減できる。また、図７に示すようにリムダクト８の導入部の回転方向上流側、下流側、排出部の下流側をＲ形状にしても良い。このようにすることで、発生する圧力損失をより一層低減することが可能となる。
【００３４】
図８は、同実施形態の第４の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。また、図９は、同実施形態の第５の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す横断面図である。
【００３５】
図８に示すように、リムダクト８における冷却ガスの排出部の流路壁面のうち、回転子回転方向１３の上流側にある流路壁面は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径方向に向かうにつれ回転子回転方向１３の下流側に曲がる形状となっていても良い。具体的には、リムダクト８の排出部の回転子回転方向１３の上流側をＲ形状にしても良い。このようにすることで、リムダクト８の排出部の回転子回転方向１３の上流側にて発生する圧力損失を低減できる。また、図９に示すように、リムダクト８の排出部の回転子回転方向１３の上流側に加え、下流側、導入部の上流側、下流側をＲ形状にしても良い。このようにすることで、発生する圧力損失をより一層低減することが可能となる。
【００３６】
［第３の実施形態］
次に、図１０〜図１２を参照して、第３の実施形態について説明する。以下では、第１、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００３７】
図１０は、第３の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００３８】
図１０に示すように、リムダクト８における冷却ガスの導入部の流路は、回転子径方向に見た断面の面積が、回転子内径方向に向かうにつれ段階的に大きくなるように形成されている。具体的には、冷却ガスが回転子スポーク機構２からリムダクト８に流入する導入部分において、回転子内径側における冷却ガスの導入部を形成する回転子リム７の電磁鋼板と、該電磁鋼板の上下に積層された電磁鋼板とに対し、冷却ガスの導入部の断面積を拡大するように導入部近傍に切欠きを設ける。これにより、冷却ガス６がリムダクト８内へ回転遠心力によって流入する際に、滑らかな流動を実現することができ、リムダクト８の冷却ガス導入部にて発生する縮流に伴って発生する圧力損失を低減することが可能となる。
【００３９】
図１１は、同実施形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００４０】
図１１に示すように、リムダクト８における冷却ガスの排出部の流路は、回転子径方向に見た断面の面積が、回転子外径方向に向かうにつれ段階的に大きくなるように形成されていても良い。具体的には、リムダクト８において、回転子外径側における冷却ガスの排出部を形成する回転子リム７の２枚の電磁鋼板と、該電磁鋼板の上下に積層された電磁鋼板とに対し、冷却ガスの排出部の断面積を拡大するように排出部流路壁面近傍にて切欠きを設けても良い。このようにすることで、冷却ガス６がリムダクト８から回転遠心力によってポール９間へ排出される際に徐々に流速を低減することができ、圧力損失を低減することが可能となる。
【００４１】
図１２は、同実施形態の第２の変形例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００４２】
図１２に示すように、リムダクト１２の流路壁を構成している鋼板を含む複数枚の積層された鋼板が、回転子径方向の端部において２段以上の段差を形成するように切欠きがそれぞれ設けられていても良い。具体的には、リムダクト８において、回転子内径側における冷却ガスの導入部を形成する回転子リム７の２枚の電磁鋼板と、該電磁鋼板の上下に積層されたそれぞれ少なくとも２枚以上の電磁鋼板とに対し、冷却ガスの導入部の断面積を拡大するように導入部流路壁面近傍にて切欠きを設けてもよい。また、回転子外径側における冷却ガスの排出部を形成する回転子リム７の電磁鋼板と、該電磁鋼板の上下に積層されたそれぞれ少なくとも２枚以上の電磁鋼板とに対し、冷却ガスの排出部の断面積を拡大するように排出部流路壁面近傍にて切欠きを設けてもよい。このようにすると、前述のリムダクトよりもより滑らかな流動を実現することができ、また、冷却ガス６がリムダクト８から回転遠心力によってポール９間へ排出される際に徐々に流速を低減することができ、より効果的に圧力損失を低減することが可能となる。
【００４３】
［第４の実施形態］
次に、図１３〜図２６を参照して、第４の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４４】
図１３は、第４の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図１４は、同実施形態に係る流入孔の構成を示す斜視図である。
【００４５】
本実施形態では、図１３、図１４に示すように、回転子リム７は、回転子軸方向に延びる軸方向通風流路１１を備え、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向の両端部に冷却ガスの流入孔４を有し、当該流入孔４から流入する冷却ガスをリムダクト８へ送給するように形成されている。図１３、図１４の例では、軸方向通風流路１１は、回転子リムの中を貫通する流路として形成されている。具体的には、流入孔４は、端板５に設けられるのではなく、回転子リム７の両端に設けられ、回転子リム７に設けられた各々のリムダクト８へ冷却ガス６を送給するための軸方向通風流路１１が回転子リム７の中で軸方向に延びるように設けられている。冷却ガス６が回転子スポーク機構２の内部空間を通らなくなるため、ここで発生していた風損を排除でき、回転電機の回転子の通風損失を低減することが可能となる。
【００４６】
図１５は、同実施形態の別の例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図１６は、同実施形態の別の例に係る流入孔の構成を示す斜視図である。
【００４７】
軸方向通風流路１１および流入孔４は、図１５、図１６のように構成されてもよい。図１５、図１６の例では、軸方向通風流路１１は、回転子リム７の回転子内径側において回転子スポーク３の内部空間を仕切る仕切り板１２を用いて形成されている。また、軸方向通風流路１１の回転子軸方向よりみた断面形状は、長方形であっても良いが、円形等、他の形状であっても良い。
【００４８】
仕切り板１２を使用する場合は、仕切り板１２が回転子スポーク機構２の内部空間までせり出していても良く、その場合、流入孔４の半径方向位置が回転子リム７より内径側にも取れる為、ラジアルファン効果の増加が見込め、冷却ガス６の流量が足りない場合に有効である。
【００４９】
流入孔４、軸方向通風流路１１の個数は、周方向にどのような配置でいくつあっても良く、軸方向通風流路１１が途中で分岐、あるいは合流していても良い。
【００５０】
リムダクト８は、冷却ガス６をポール９の間に送給する為の通路であるので、軸方向通風流路１１の周方向位置によっては、回転子径方向に沿って延びるほかに回転子径方向に対して斜めに延びていても良い。
【００５１】
図１７は、同実施形態の第１の変形例に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す縦断面図である。ここには、流入孔４の拡大図が示されている。
【００５２】
この第１の変形例では、軸方向通風流路１１の回転子軸方向の端部の流路壁面は、回転子回転方向１３に見た断面形状が、回転子軸方向（上方向）に末広がりの形状となっている。すなわち、流入孔４の形状を、縮流損失を低減する末広がり形状としている。このようにすることで、回転電機の通風損失をさらに低減することが出来る。
【００５３】
回転子リム７は、薄い鋼板を積み重ねて作られている為、流入孔４が連続的な曲線になっていなくても良く、サイズの違う孔を開けた板を重ねることで、末広がり形状に近い形状となるようにしても良い。
【００５４】
図１８は、同実施形態の第２の変形例（その１）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図１９は、同実施形態の第２の変形例（その２）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００５５】
この第２の変形例では、軸方向通風流路１１の回転子軸方向に見た断面の面積が軸方向に変化している。断面積が最大、あるいは最小となる軸方向位置は、軸方向中央位置でも良いし、そうでなくても良い。また、回転子リム７は、薄い板を積み重ねて作られている為、断面積の変化は連続的でなくても良い。
【００５６】
図１８の例では、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向に見た断面の面積が、当該軸方向通風流路の回転子軸方向の両端部から当該軸方向通風流路の中央部に向かうにつれ大きくなるように形成されている。一方、図１８の例では、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向に見た断面の面積が、当該軸方向通風流路の回転子軸方向の両端部から当該軸方向通風流路の中央部に向かうにつれ小さくなるように形成されている。
【００５７】
この第２の変形例では、複数あるリムダクト８の冷却ガス６の流量の偏りを小さくすることが出来、これによりポール９の効率的に冷やすことが出来るようになり、必要な冷却ガス６の流量が減るため、通風損失を低減することが出来る。
【００５８】
同じ流量の場合、軸方向通風流路１１の断面積が小さいほど流速が上がるため、軸方向通風流路１１からリムダクト８へ分岐する際の損失が増え、軸方向通風流路１１の断面積が大きい位置にあるリムダクト８の流量が増加する。そのため、図１８に示すように、軸方向通風流路１１の断面積が両端部から離れるほど大きくなる構造では、リムダクト８が両端部よりも遠いほど流量が小さくなる場合に、流量の偏りを小さくすることが可能となる。反対に、図１９に示すように、軸方向通風流路１１の断面積が両端部から離れるほど小さくなる構造では、リムダクト８が両端部よりも遠いほど流量が大きくなる場合に、流量の偏りを小さくすることが可能となる。
【００５９】
図２０は、同実施形態の第３の変形例に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００６０】
この第３の変形例では、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向に見た断面の面積が、当該軸方向通風流路の回転子軸方向の一方の端部から他方の端部に向かうにつれ大きくなることと小さくなることとを繰り返すように形成されている。すなわち、軸方向通風流路１１の断面積が軸方向に変化し、複数の変曲点を持つ。断面積が変曲点を迎える位置はどこでも良く、何個でも良いが、リムダクト８が存在する軸方向位置で断面積が極大をとるように形成することが望ましい。このようにすると、断面積が大きい所では流速が下がる為、軸方向通風流路１１からリムダクト８へ分岐する際の分岐損失が小さくなり、通風損失を低減することが出来る。また、極大値を変曲点ごとに変化させることにより、冷却ガス６の流量分布を調整することも可能である。
【００６１】
図２１は、同実施形態の第４の変形例（その１）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す上面図である。また、図２２〜図２５は、同実施形態の第４の変形例（その２〜その５）に係る回転電機の回転子の一部の構成をそれぞれ示す横断面図である。また、図２６は、同実施形態の第４の変形例（その６）に係る回転電機の回転子の一部の構成を示す上面図である。
【００６２】
図２１の例では、軸方向通風流路１１は、回転子回転方向１３の位置が、ポール９の回転子回転方向１３の位置と回転子軸１とを結ぶ線上に存在するように形成されている。運転中は、ポール９のＮ極からＳ極に向かう曲線状の磁力線が生じ、回転子リム７内に磁路が形成されるが、磁路が通る磁性体部分に穴が開いていると、磁束の集中による鉄損の増加を引き起こす。但し、回転子リム７内においてポール９の周方向位置から内径側へ進んだ位置では、磁束密度が小さくなる。ここに軸方向通風流路１１を開けることで、磁力線の密な部分を避けることができ、鉄損の発生を低減することが可能となる。
【００６３】
図２１の構成では、軸方向通風流路１１は、回転子回転方向１３の位置が、ポール９の回転子回転方向１３の位置と回転子軸１とを結ぶ線上に存在するように形成されているため、リムダクト８は軸方向通風流路１１からの冷却ガスをポール９間へ導くようにリムダクト８の流路形態を工夫することが望まれる。
【００６４】
リムダクト８は、例えば、図２２のように軸方向通風流路１１から回転子回転方向１３へ一定距離進んだ後、ポール９間へ向けて回転子外径方向に進むように形成されていても良いし、図２３のように軸方向通風流路１１からポール９間へ向けて弧を描くように回転子外径方向に対して斜めに進むように形成されていても良い。また、リムダクト８は、図２４のように軸方向通風流路１１から２つに分岐してそれぞれポール９間へ向けて弧を描くように回転子外径方向に対して斜めに進むように形成されていても良いし、図２５のように隣り合う２つの軸方向通風流路１１から１つに合流してポール９間へ向けて弧を描くように回転子外径方向に対して斜めに進むように形成されていても良い。
【００６５】
また、図２１の構成を、図２６のように変えても良い。図２６の例では、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向に見た断面形状が、回転子外径側に角部を有さないように形成されている。軸方向通風流路１１の外径側の角を無くすことにより、磁力線をさらに避けることができるため、鉄損をさらに低減することが可能となる。
【００６６】
［第５の実施形態］
次に、図２７〜図２９を参照して、第５の実施形態について説明する。以下では、第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００６７】
図２７は、第５の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００６８】
第５の実施形態では、図２７に示すように、軸方向通風流路１１は、一方の端部にのみ冷却ガスの流入孔４を有し、他方の端部には冷却ガスの流入孔を有さないように形成されている。すなわち、流入孔４が、回転子リム７の一方の端部にしか設けられていない。これにより、第４の実施形態に比べて、軸方向通風流路１１の中央付近で、両端から流入した冷却ガス６が衝突することによる風損を排除することが出来る。
【００６９】
図２８は、同実施形態の変形例（その１）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図２９は、同実施形態の変形例（その２）に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。
【００７０】
図２８の例では、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向に見た断面の面積が、流入孔４のある一方の端部から他方の端部に向かうにつれ大きくなるように形成されている。一方、図２９の例では、軸方向通風流路１１は、回転子軸方向に見た断面の面積が、流入孔４のある一方の端部から他方の端部に向かうにつれ小さくなるように形成されている。いずれにおいても、軸方向通風流路１１の断面積が変化するように形成されている。
【００７１】
第４の実施形態の第２の変形例で述べたとおり、断面積が小さい所では、流速が大きくなり、軸方向通風流路１１からリムダクト８へ分岐する際の分岐損失が増加する為、断面積が大きい所のリムダクト８の冷却ガス６の流量が増える。その為、図２８に示す構造とすることにより、流入孔４に近いリムダクト８で流量が大きい場合に流量の偏りを小さくすることが可能となり、また、図２９に示す構造とすることにより、流入孔４から離れた位置のリムダクト８で流量が大きい場合に、流量の偏りを小さくすることが可能となる。
【００７２】
また、第１の実施形態の第３の変形例で述べたように、複数の変曲点を持っていても良いし、途中まで、あるいは途中から断面積を変化させても良い。
【００７３】
以上詳述したように、各実施形態によれば、通風損失を低減することが可能な回転電機の回転子を提供することができる。
【００７４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００７５】
１…回転子軸、２…回転子スポーク機構、３…回転子スポーク、４…流入孔、５…端板、６…冷却ガス、７…回転子リム、８…リムダクト、９…ポール、１０…回転子コイル、１１…軸方向通風流路、１２…仕切り板、１３…回転子回転方向。
【図１】
2020089040.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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