(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータ内の通気チムニの表面を乱流発生形状にし、またロータの移行領域の構成を改善して伝熱性能を高め、ホットスポットの温度を下げるロータを提供する。【解決手段】巻線１１０は、１つ以上のターンを有し、該ターンは、チムニの近傍に配置された１つ以上の出口ダクトを有する。出口ダクトが順に重ねてスタックされると、実質的に半径方向に向いた通路を形成する。ロータの伝熱性能は、チムニの近傍に２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置された半径方向ダクトを配置することにより改善することができる。チムニはまた、ターンの少なくとも一部に定められた１つ以上のチムニスロットから形成することができ、１つ以上のチムニスロット１１５０は、ロータの半径方向に対して実質的に偏った方向で延びる。ロータの移行領域はまた、１つ以上のチムニ内に放出する１つ又はそれ以上の対角流れチャンネルを含むことができる。【選択図】図１０
2010104225.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ又はそれ以上の巻線を有する電動機械のロータ（１００）において、前記巻線が１つ又はそれ以上のターンから構成され、前記ターンが、チムニ（１５０）の近傍に配置された１つ又はそれ以上の出口ダクト（２２０）を有し、該ダクトが、順に重ねてスタックされたときに実質的に半径方向に向いた通路を形成し、前記ロータの一部の伝熱性能が、前記チムニの近傍に２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置された半径方向ダクト（７２０）を配置することにより改善することができる、
ことを特徴とするロータ（１００）。
【請求項２】
ロータ（１００）と、前記ロータ内に設けられた複数の半径方向スロットと、前記複数の半径方向スロット内にそれぞれ嵌装された複数のコイルとを有する電動機械の端部領域用の冷却ガス通気チムニ（１５０）であって、前記複数のコイルが、複数の半径方向にスタックされたターンを備え、
前記通気チムニが、前記半径方向にスタックされたターンの少なくとも一部に定められた１つ又はそれ以上のチムニ（１５０）スロットを含み、前記１つ又はそれ以上のチムニスロットが、前記ロータの半径方向に対して実質的に偏った方向で延びる、
冷却ガス通気チムニ。
【請求項３】
前記ロータの半径方向に対して偏って配列された１つ又はそれ以上の半径方向ダクト（１０２０）を更に備える、
請求項２に記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項４】
半径方向内向きの位置に位置付けられたチムニスロットの軸方向長さ又は幅或いは断面積は、半径方向外向きの位置に位置付けられたチムニスロットの軸方向長さ又は幅或いは断面積よりも小さな値を有する、
請求項３に記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項５】
前記少なくとも１つの半径方向外向きのチムニスロットの軸方向長さ又は幅或いは断面積が、少なくとも１つの半径方向内向きのチムニスロットよりも小さい、
請求項４に記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項６】
半径方向内向きの位置に位置付けられたチムニスロットの軸方向長さ又は幅或いは断面積は、半径方向外向きの位置に位置付けられたチムニスロットの軸方向長さ又は幅或いは断面積よりも小さな値を有する、
請求項２に記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項７】
前記少なくとも１つの半径方向外向きのチムニスロットの軸方向長さ又は幅或いは断面積が、少なくとも１つの半径方向内向きのチムニスロットよりも小さい、
請求項６に記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項８】
ロータを有する電動機械であって、
前記ロータが、
対角流れ領域と端部領域との間に位置する移行領域と、
前記ロータ内に設けられた複数の半径方向スロットと、
前記複数の半径方向スロット内にそれぞれ嵌装された複数のコイルと、
を備え、前記移行領域が、１つ又はそれ以上の実質的に半径方向のチムニ内に放出される１つ又はそれ以上の対角流れチャンネルを含む、
ことを特徴とする電動機械。
【請求項９】
前記１つ又はそれ以上の対角流れチャンネルの第１のグループが、第１の実質的に半径方向のチムニ内に放出され、前記１つ又はそれ以上の対角流れチャンネルの第２のグループが、第２の実質的に半径方向のチムニ内に放出される、
請求項８に記載の電動機械。
【請求項１０】
前記１つ又はそれ以上の実質的に半径方向のチムニが、半径方向に対して線形又は非線形的に偏った向きで延びるように構成される、
請求項８に記載の電動機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機械ロータの伝熱性能を高めることに関する。具体的には、本発明は、ロータ内の通気チムニの表面を乱流発生形状にすること、及びロータの移行領域の構成を改善して伝熱性能を高め、ロータのホットスポットの温度を下げることに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型のガス冷却式電動機械におけるロータは、通常は機械加工による高強度中実鉄鍛造品で製作されたロータ本体を有する。ロータ本体の外周部内には、特定の円周方向位置において軸方向に延びる半径方向スロットを機械加工して、ロータ巻線を収容するようにする。このタイプの機械におけるロータ巻線は通常、幾つかの完全コイルから構成され、各コイルは銅導電体からなる多くの界磁ターンを有する。コイルは、同心パターンとして半径方向スロット内に嵌装され、例えば２極ロータ内には２つのそのような同心パターンが設けられる。コイルは、各スロット内の機械加工ダブテール面に当接した楔によって、遠心力に抗してロータ本体のスロット内に支持される。主ロータ本体の端部を越えて延びるロータ巻線コイルの領域は、「コイル端」と呼ばれ、高強度の鋼製保持リングによって遠心力に抗して支持される。ロータコイル端の下方に配置されたロータシャフト鍛造品のセクションは、スピンドルと呼ばれる。本明細書の以下の参照及び説明を容易にするために、ロータ巻線は、コイル炭放出チムニ間の中央半径方向流れ又は対角方向流れ領域と、ロータスピンドルから半径方向に間隔を置いて配置された状態で磁極面を越えて延びるロータコイル端領域と、半径方向流れ通気又は放出チムニを含むスロット端部領域とを有すると特徴付けることができる。スロット端部領域は、中央半径方向流れ領域とロータコイル端領域との間に位置する。
【０００３】
大型ターボ電気機械すなわち電動機械の設計は、ステータ及びロータ巻線内に高い電力密度を必要とする。定格が増大するにつれて、巻線の比負荷（すなわち、所与の断面が流す電流）及び冷却器（又は熱交換器）のようなヒートシンクまでの距離も増大する。付加的な冷却方法を採用して、発電機の部品から熱を取り去ることができる。
【０００４】
ロータ巻線の直接冷却は、電気機械の設計において十分に確立された手法である。通常は水素ガス又は空気である冷却媒体は、幾つかの方法で巻線に直接導入される。ガスは、ロータ鍛造品内に軸方向に切込まれたサブスロットを介してロータに流入することができ、銅内に配置した半径方向ダクトを通して排出することができる。ロータの回転及びガスの加熱によって生じるポンプ作用により、サブスロットを通してガスが引き込まれ、半径方向ダクトから引き出される。或いは、ガスは、ロータの回転表面においてギャップから外にすくい出すことができ、対角線方向又は半径方向−軸方向通路に沿って銅巻線を通過させることができる。ガスは、サブスロットを必要とせずにロータ表面において再度排出される。これらの２つの方策により、ロータ本体内の巻線が冷却される。
【０００５】
ロータ端部ターンは、付加的な冷却を必要とする可能性がある。このための１つの確立された方法は、銅ターン内に１つ又はそれ以上の縦方向溝を設けることである。各縦方向溝は、端部領域の軸方向外寄りの端部からガスを取り込み、ロータ表面又はその近傍で出口に向けて放出し、該溝によりガスが貫通することになる。出口は、ロータ本体の端部における半径方向配向ダクトとすることができ、或いは溝は、ロータ本体の歯又は極内の通気スロットに至ることができる。一般的に、端部ターンを機械的に支持する保持リングは穿通されない。端部ターンの溝形成方策は、半径方向タイプ、半径方向−軸方向タイプ、又はギャップピックアップタイプの何れであれ、あらゆるタイプのロータ本体冷却に使用することができる。端部ターン冷却溝はまた、半径方向通気又は放出チムニに排出することもできる。
【０００６】
端部セクションガスを排出するために、放出又は通気チムニは、中央本体セクション内の半径方向又は対角線方向流れダクトからどのような付加的な冷却も受けないロータ本体の最外側軸方向位置に設置される。放出チムニは通常、ロータ内の最も高温のセクションであり、電気絶縁温度限界値を超えてはならないので、出力が制限される。
【０００７】
通常は放出チムニに排出する溝の数が多いので、チムニ流れ断面積は通常、スロット幅の方向及び導電体の長手方向に沿った方向の両方において、ロータの中央本体セクションを冷却するのに使用する半径方向ダクトよりも大きい。チムニを通して放出される冷却ガスは、既に端部セクションを冷却し且つ該端部セクションから熱を除去しているので、チムニに流入するガスは高温になっている。チムニを囲む導電体は、熱を発生し、更に冷却される必要があるが、導電体は高い温度のガスで冷却されているので、この導電体温度は高いものとなる。これにより、ロータの最高温領域の１つが放出チムニの位置付近に生じ、このことが、ロータ出力及び電気出力性能を制限する。同時に、大きなチムニ流れ面積は、巻線から一層大きな導電面積を取り去ることが必要とされることにより、電気抵抗が増大し、チムニが高温のガスで冷却される同一区域で加熱を生じる。加えて、放出チムニは、ロータの本体セクション内の一般的な半径方向冷却ダクトにおけるガス流れ断面積と比べて、その壁上により小さな伝熱表面積を有することになる。更に、その寸法が大きいことから、放出チムニは通常、フライス加工等で機械加工され、この加工により、滑らかな表面が残り、結果として生じる滑らかな壁が伝熱性能を更に低下させることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２，７７８，９５９号公報
【特許文献２】米国特許第３，９９５，１８０号公報
【特許文献３】米国特許第４，５４３，５０３号公報
【特許文献４】米国特許第４，７０９，１７７号公報
【特許文献５】米国特許第５，２８１，８７７号公報
【特許文献６】米国特許第５，６４４，１７９号公報
【特許文献７】米国特許第５，６８５，０６３号公報
【特許文献８】米国特許第６，２０４，５８０  Ｂ１号公報
【特許文献９】米国特許第６，３６２，５４５  Ｂ１号公報
【特許文献１０】米国特許第６，６２８，０２０  Ｂ１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M.K.CHYU, et al., "Concavity Enhanced Heat Transfer In An Internal Cooling Passage", ASME Proceedings of the 1997 International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition, Paper No. 437, p. 1-7, Orlando, FL, June 2-5, 1997.
【発明の概要】
【００１０】
本発明の１つの態様によれば、１つ又はそれ以上の巻線を有する電動機械用のロータが提供される。巻線は、１つ又はそれ以上のターンを有し、該ターンは、チムニ近傍に配置された１つ又はそれ以上の出口ダクトを有する。出口ダクトは、順に重ねてスタックされ、実質的に半径方向に向いた通路を形成する。ロータの一部の伝熱性能が、チムニの近傍に２つ又はそれ以上の円周方向に間隔を置いて配置された半径方向ダクトを配置することにより改善することができる。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、ロータを有する電動機械の端部領域に冷却ガス通気チムニが設けられる。ロータは複数の半径方向スロットを有し、複数のコイルが半径方向スロット内に嵌装され、コイルは、複数の半径方向スタックターンを形成する。通気チムニは、半径方向スタックターンの少なくとも一部に定められる１つ又はそれ以上のチムニスロットを有し、チムニスロットは、ロータの半径方向に対して実質的に偏った方向に延びる。
【００１２】
本発明の更に別の態様によれば、ロータを有する電動機械が提供され、ロータは、対角流れ領域と端部領域との間に配置された移行領域を含む。ロータ内に複数の半径方向スロットが設けられ、複数のコイルが半径方向スロット内にそれぞれ嵌装され、コイルは、複数の半径方向スタックターンを形成する。移行領域は、１つ又はそれ以上の実質的に半径方向チムニ内に放出する１つ又はそれ以上の対角流れチャンネルを含む。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】電動機械のロータの概略図。
【図２】図１のロータのコイル端領域と中央流れ領域との間にある通気チムニの断面図。
【図３】図２の切断線Ａ−Ａから見た、半径方向ダクトと比較した通気チムニの相対的サイズを示す上面図。
【図４】図２の切断線Ｂ−Ｂから見た、通気チムニ内の端部ターン冷却溝の終端部の断面図。
【図５】１つの既知の対角流れ界磁コイルのスロット内部の断面図。
【図６】電動機械の１つの既知のロータ及びステータの簡略断面図。
【図７】本発明の１つの態様による、伝熱性能を高めるために複数の半径方向ダクトの使用を示したコイルの上面図。
【図８】階段状又は傾斜流路構成を有する本発明の別の態様による、通気チムニの断面図。
【図９】図８に示すコイルの上面図。
【図１０】本発明の別の態様による、半径方向ダクトも傾斜流路構成用に構成され、コイル端放出通気チムニに近接するほど漸次的により傾斜されている、傾斜流路構成を有する通気チムニの断面図。
【図１１】低い半径方向位置から高い半径方向位置まで通気チムニ断面が増大する、本発明の別の実施形態示す図。
【図１２】低い半径方向位置から高い半径方向位置まで通気チムニ断面が増大し、乱流及び伝熱性能を高めるためにより小さい断面積の幾つかのチムニスロットを有する本発明の別の実施形態示す図。
【図１３】本発明の１つの実施形態による、上から見た各ターンと沿面ブロックとを有するコイルの拡大図。
【図１４】第１の吸入セクションの長さ全体にわたり空隙から流入するガスの半径方向内向き分布を示す、図１３の部分分解図。
【図１５】移行セクションでのガス放出の一部を示す、図１３の部分分解図。
【図１６】ガス流入サブスロットの一部の流路を示す。図１３の部分分解図。
【図１７】図１３と同様の配置であるが、本発明の１つの態様による、偏ったスロット端部放出チムニを備えた、上から見た各ターン及び沿面ブロックを有するコイルの拡大図。
【図１８】図１３と同様の配置であるが、サブスロットに入るガスの一部を放出する偏ったチムニを備えた、上から見た各ターン及び沿面ブロックを有するコイルの拡大図。
【図１９】図１７及び１９に示す特徴部を組み合わせる、上から見た各ターン及び沿面ブロックを有するコイルの拡大図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、ロータ１００の断面を示しており、ロータ１００は、ロータ本体１１０、ロータスピンドル１２０、巻線１３０、サブスロット１４０、及び通気又は放出チムニ１５０を含む。サブスロット１４０は、半径方向流れサブスロット１１４０（図２に示す）、又は対角方向流れサブスロット２１４０（図１３〜１９に示す）の何れかとすることができる。半径方向流れサブスロット１１４０は、ロータ本体の長さ全体にわたる。対角方向流れサブスロットは、各端部から本体内に部分的に延びる。ロータ１００は通常、機械加工による高強度中実鉄鍛造品で製作される。軸方向に延びる半径方向スロットが、特定の円周方向位置においてロータ本体１１０の外周部内に機械加工されて、ロータ巻線１３０を収容する。ロータ巻線１３０は通常、幾つかの完全コイルを含み、各コイルは、銅導電体からなる多くの界磁ターンを有する。コイルは、同心パターンとして半径方向スロット内に嵌装され、例えば２極ロータ内には２つのこのような同心パターンが設けられる。コイルは、各スロット内の機械加工ダブテール面に当接した楔によって、遠心力に抗してロータ本体のスロット内に支持される。主ロータ本体の端部を越えて延びるロータ巻線コイルの領域は、「コイル端」と呼ばれ、高強度の鋼製保持リングによって遠心力に抗して支持される。コイル端セクションは、領域１７４で示している。
【００１５】
本明細書の以下における参照及び説明を容易にするために、ロータ巻線は、中央流れ領域１７２及び中央流れ又は本体冷却領域１７０を有するものとして特徴付けることができる。移行領域１７４は、中央流れ領域１７２とスロット端部領域１７６との間に位置する。スロット端部領域１７６は、放出チムニを収容し、本体冷却領域１７０と端部巻線領域１７８との間に位置する。端部巻線領域１７８は、磁極面を越えて延び、ロータスピンドルから半径方向に間隔を置いて配置される。幾つかの実施形態において、ロータ端部領域は、スロット端部領域１７６及び／又はコイル端領域１７８を含むことができる。本発明は、対角流れロータに限定されず、半径方向流れロータ及び他のロータ本体冷却方式にも同様に適用することができる点は理解されたい。
【００１６】
図２は、電動機械のロータ内の端部ターン冷却溝から排出するための１つの公知のシステムを示している。端部ターン冷却溝２１０は、右側から流入してチムニ１５０に排出させる。冷却ガスは、冷却溝２１０内でほぼ水平又は軸方向に流れ（図２に矢印で示す）、通気チムニ１５０内でほぼ垂直又は半径方向に流れる。チムニ１５０を含む各ターン（又は導電体層）内の孔は、チムニスロットと呼ぶことができる。従って、チムニ１５０は、１つ又はそれ以上のチムニスロットから構成される。また、サブスロット１４０からガスを通気させるために、付加的な半径方向配向ダクト２２０を設置してもよい。ロータ端部ターンはまた、溝２１０の上部分が第１のチムニに連結し、溝の下部分が第２のチムニに連結した状態で、２つのチムニに排出することができる。チムニ１５０の半径方向断面積はこの公知のシステムにおいて不変である。
【００１７】
図３は、図２の切断線Ａ−Ａに沿った上面図を示しており、半径方向ダクト２２０と比較したチムニ１５０の相対的寸法を示している。チムニ１５０の半径方向断面積は、ダクト２２０の断面積よりも大きい。図４は、図２の切断線Ｂ−Ｂを通してみた端部ターン溝に向かう図を示しており、チムニ１５０内の端部ターン冷却溝２１０の終端部の断面を示している。チムニ１５０の内壁は、実質的に整列していることが分かる。
【００１８】
図５は、２極、４極、又は他の発電機で使用できる１つの既知の対角界磁コイルのスロット内部の詳細断面図を示している。ガスは、各層において前の層内の孔と軸方向にオフセットした一連のスロット付き孔を通って下方に流れる。下方ターンは、ガスをコイルの上部に向かって対角方向上方に進ませる別の一連のスロット孔にガスを再配向するチャンネルとすることができる。ガス流を供給するポンプ作用は、スロット楔状部の配置で得られ、ロータ巻線を通すガスを循環させるためのファン圧力をほとんど必要としない。ガス吸入用の孔は傾斜され、界磁の回転によりガスを楔状部に通してコイルの連続するターン内に下方に向かわせるようにする。楔状部の放出孔は、回転方向に孔の前に隆起セクションを有する。これは、孔における圧力低下を生じさせ、より低い圧力で放出端部からの吸込みによるガス流を誘起させるようになる。
【００１９】
図６は、ロータ１００の長さ全体にわたる複数の交互する吸入及び放出セクションを示している。これらのセクションは、界磁巻線を貫通する複数の並行経路を提供する。ステータコア６１０は、発電機界磁において一致した対応する吸入及び出口セクションを有する。
【００２０】
対角方向流れロータの移行セクション（図１の領域１７４）は、ロータ内で最も高温の領域の１つとなる可能性がある。移行セクションは、一方の端部上の対角通路と、他方の端部上のスロット端部放出チムニとによって境界付けられる四角形区域内に軸方向ダクトのマニホルドを収容する。これは、対角方向流れロータ内に溝付き移行セクションの必要性を排除する利点がある。
【００２１】
図７は、本発明の１つの態様によるターンの一部の上面図を示す。この実施形態は、半径方向流れマニホルド内の第１の半径方向流れダクトの第１の位置にて、軸方向に隣接する（又は円周方向に間隔をおいて配置された）別個の単一又は二重出口ダクト７２０を付加することにより、チムニ１５０の周りの過度な加熱に対処している。追加の出口セクションは、家事巻線の半径方向内向きに配置されたサブスロットから追加の冷却ガスを配向する。
【００２２】
図８は、コイル端領域（図１の１７６及び／又は１７８）とロータの中央流れ領域１７２との間に位置する通気チムニの断面図を示している。本発明のこの実施形態は、チムニ１５０の伝熱を高めることができ、各ターン内で全体としてチムニ１５０を形成する個々のチムニスロットの軸方向変位を含み、ガスが通るための傾斜流路を形成する階段部をもたらす。傾斜放出チムニには複数の利点がある。第１に、チムニの壁を通過する対流冷却が軸方向に分布され、端部ターンにおけるキャビティ冷却と、ロータ本体におけるダクト冷却の始まりとの間で生じる可能性があるホットスポットを軽減する助けとなる。第２に、チムニが存在することに起因して、追加の電気抵抗加熱も分布される。第３に、傾斜通路の階段状輪郭により、放出チムニにおける乱流が増大し、伝熱係数を改善することができる。図９は、ターンの上面図を示し、チムニ１５０内部の階段状輪郭を図示している。
【００２３】
有効半径方向ダクト冷却をロータの端部の界磁ホットスポットに向けて移動させるために、第１の幾つかの隣接する半径方向チムニもまた、対角方向の形で向きを定めることができる。これは図１０に示されており、ここでは端部ターン冷却通路１０１０が、放出チムニ１１５０内に放出している。サブスロット１１４０は、半径方向ダクト１０２０に放出している。半径方向ダクトは、半径方向軸線に対して種々の傾斜角の向きにすることができる。
【００２４】
図１１は、本発明の別の実施形態を示し、１つのターンから次のターンまでのスロットを延ばすことにより、チムニ１１５０が漸次的に広がるように製作された別の伝熱増強手段を提供する。上側のターンの流れ区域がより大きいことは、各ターン内の軸方向溝１０１０から流れを集めるときにチムニ内の付加的な流れに対応するのに役立つ。１つの好ましい実施形態では、スロット長さ及び／又はスロット幅は、チムニ１１５０の底部での狭い長さＬ１から、チムニの上部でのより長い長さＬ２にまで大きくなる。
【００２５】
図１２は、本発明の別の実施形態を示しており、ここでは狭いチムニの拡大は、乱流増大の手段としてのコイルスタック上方のより短いスロット部を導入することで遮断される。例えば、図においてＷＮで示されるスロットＮの長さは、乱流を増大させるために上方のターンＷＮ＋１又は下方のターンＷＮ−１よりも短く製作することができる。同時に、ＷＮ＋１はＷＮ−１よりも長くすることができ、Ｗ２よりも共に短くすることができ、更に、Ｗ１よりも共に長くすることができる。縮小スロットの導入は、幾つかのターン毎に繰り返し、流れの乱流を更に増大させるようにすることができる。これはまた、ターン毎にスロット幅を変えること、又はコイル及び流路に沿ってスロット長さ及びスロット幅の変化の組み合わせを利用することによって達成することができる。
【００２６】
図１３は、本発明の別の実施形態を示し、対角流れロータに適用することができる。これは、個々のターン及び沿面ブロック１３１０が９０°個々に回転されて、各々の上面が紙面に面するようになった概略図である。これは、個々のスロットの配置を示すためになされたが、明確にする目的のものである点を理解されたい。動作中のロータでは、各ターンは上下にスタックされ、図１３に示す図のようには見えない。低温ガスがサブスロット１４０入口を通って引き込まれ、スロット端部放出チムニに隣接する補助チムニを通って左側（図示せず）に放出される。
【００２７】
図１４から１６は、同じ配置の分解図を示し、詳細な説明を明確にするのを助けるように種々のガス流を分離している。図１４は、第１の対角方向流れの間隙ピックアップ吸入セクション１７５により供給される通路を示し、通路の半分は、ガスを半径方向内向きに右側に配向し、通路の他の半分は、半径方向内向きに左側に配向している。左側に向けて配向された通路を流れるガスは、下部ターン内の集合マニホルドに入り、これにより、ガスは、移行セクション１７４の軸方向長さにわたってロータ表面に向けてガスを戻すように配向する通路と連通させることができる。これらは、図１５に波線の矢印で示す通路である。
【００２８】
これらの通路が放出する軸方向領域は、一般に移行セクション１７４と呼ばれる。本発明の実施形態は、移行セクション１７４内の軸方向溝が除去され、移行セクション１７４全体にわたって（交差する対角流れ通路の）対角方向流れ格子状に延びる通気スロットのパターンと置き換えられている点で、従来の手法とは異なっている。
【００２９】
図１６は、サブスロット１４０に入る冷却ガスの流路を定める通路を形成する通気スロットを示している。図示されたこれらの通路の全てはサブスロット１４０から供給される。この実施形態では、４つの通路が半径方向上方に右側に配向され、流れの方向を示す矢印と共に点及び破線の交互するパターンからなる線分で示されている。３つの通路が半径方向上方に左側に配向され、流れの方向を示す矢印と共に連続する破線からなる線分で示されている。破線矢印のガス流は、コイルスタックを途中のターンに至るまで（この実施例では５番目のターンを含むまで）延びた半径方向に向いた放出チムニ１６５０を通って放出される。
【００３０】
ロータの主本体セクションの対角流れ放出セクションでは、対角流れ通路は左側から上方に配向することができ、別の対角流れ通路は右側から上方に配向することができ、これら２つの通路は、沿面ブロック内の共通の孔を通って放出されることになる。各流れの後方のポンプ圧力は、ロータの表面における間隙ピックアップ楔部の円周方向の運動によって与えられるので、これら２つの通路を通してガスを駆動するポンプ圧力は実質的に同じである。このことは、サブスロットに接続される通路を通ってロータ表面に向けてガスを駆動する遠心力利用のポンプ圧力に対して計測した場合のこのポンプ圧力については当てはまらない。サブスロットからのガスは、間隙ピックアップ楔部によって駆動されるガスとは実質的に異なるガス圧力により駆動することができるので、これらのガスの流れを別個に保持することが一般に望ましい。これらを楔部内の共通の放出孔を通って混合することにより、通路の一方を優勢にし、他の通路からの流れを抑制することが可能になる。この理由から、本発明の態様により具現化されるように、サブスロットからの流路をペアにし、同様に第１の間隙ピックアップ楔部からの放出通路をペアにする特別なキャビティを沿面ブロックに導入し、このようにして、両方のガス源が空隙内に放出されるまでは、サブスロットから到達するガス全てと、第１の間隙ピックアップセクションから到達するガスの全てとを分離することが有利である。
【００３１】
図１４、１５、及び１６に示す特定の実施形態において、沿面ブロックはコイルの上部に示されている。沿面ブロックの移行セクションは、８つの放出キャビティを収容する。左側の最も離れたものが孔番号１である。これは、破線矢印により表されるガス流全てを放出する放出チムニである。孔番号２、３、及び４は、沿面ブロックにおいて、放出チムニの右隣の３つの円形孔である。これらは円形キャビティとして図示されている。各々は、第１の対角流れ放出セクションで生じる特定のガス通路からのガスだけを放出する。従って、他の通路との混合は発生しない。孔番号５及び７（細長いキャビティ）は各々、図１５に示す２つの隣接する破線矢印の通路からの放出を組み合わせる。各々は、間隙ピックアップ楔部によりポンプ注入されるガスとして発生するので、サブスロット流れとの混合は発生しない。孔番号６及び８は各々、図１６に示す２つの隣接する破線−点矢印通路からの放出を組み合わせる。これらの通路におけるガス流全てはサブスロット内で発生するので、この場合も同様に、サブスロットと間隙ピックアップ流れとの間の混合は発生しない。
【００３２】
図１３〜１６に示すこの冷却配置の１つの付加的な特徴は、十分に明確には言及されていないが、ターン１における溝形成である。各図の右側にあるターン１の溝は、間隙ピックアップ楔部により対角通路を介してスロットの下部に至るまで機能したガスを収集し、次いで、ロータ本体の出口セクションにおいて放出する上方の通路に流れを再配向する再配向マニホルドを表している（例えば、図１３の破線矢印）。
【００３３】
再配向マニホルドに十分な深さを与えるために、ターン１は、他のターンよいも全体的により厚くなっている。ターン１は別の溝を有する（図１３から１９で再配向マニホルドの左側に見える）。この付加された深さにより、ターン１内のスロット端部溝がこれらの図で識別される通路に付加的なガスを送り込むことが可能になり、補助サブスロットとして機能する。ターン１は、任意選択のものと考えるべきであり、従って、本発明の概念の別の変形形態である。
【００３４】
図１７は、本発明の別の実施形態を示し、ここで軸方向ステッピング増強は、移行セクションにおいて階段状チムニが冷却分布を強化することができる対角流れロータには特に好適である。機械の駆動端（ＤＥ）が左側にあり、対向する駆動端（ＯＤＥ）が右側にある従来手法を想定すると、図２、３、及び７〜１２は全て、ＯＤＥ方向のロータを示している。図１３〜１９は、ＤＥ方向の端部領域を示している。従って、図１７は、ＤＥ方向に偏った、すなわち右側に寄ったスロット端部放出チムニ１７５０を示しており、対照的に図８では、ＯＤＥ方向に偏った、すなわち左側に寄ったスロット端部放出チムニ１５０を示している。サブスロット及びターン１の溝は、対角流れ通気スロットパターンの延長によって形成される破線−点パターン矢印で識別される通路に送給する。上記で検討したように、これらの通路は、サブスロット流れが間隙ピックアップ楔部によりポンプ送給されるガスから確実に分離されるように、沿面ブロックにおいて細長いスロットを用いてペアにする必要がある。好ましい実施形態において、偏ったスロット端部放出チムニは、ロータスロットの中央領域に冷却を与える対角流れ通路と同じ通路角度を有することができる。
【００３５】
図１７に示す実施形態において、スロット端部放出マニホルドは、２つのスロット端部放出チムニを利用する。第１のチムニ１７５１は、上側（半径方向外側）ターン内のスロット端部溝に放出する。第２のチムニ１７５０は、下側（半径方向内側）ターン内のスロット端部溝に放出する。好ましい実施形態において、偏ったスロット端部放出チムニの両方は、ロータスロットの中央領域に冷却を与える対角流れ通路とほぼ同じ通路角度を有する。
【００３６】
図１８は、スロット端部溝が偏った単一チムニ１８５０に放出する本発明の別の実施形態を示している。第２のチムニ１８５１は、破線矢印により示された対角流れ通気スロットを通って流れるガスを放出するのに使用される。
【００３７】
図１９は、図１７及び１８に示す２つの概念を重ねたものである。この実施形態では、スロット端部ガスは、２つの偏ったチムニ１９５０及び１９５１を通じて放出される。サブスロットから送球され図１９の破線で示される通気スロット通路を流れるガスを放出するために、第３のチムニ１９５３が導入される。
【００３８】
本明細書で説明される概念は、空気、水素ガス、又は他の何らかの好適な冷却媒体において直接冷却されるタービン−発電機ロータに適用することができる。ロータ本体は、半径方向流れ又は間隙ピックアップ冷却方法の何れかにより冷却することができる。記載の本発明は、端部冷却溝を排出するのに使用されるスロット端部放出チムニを含む通気回路に適用され、従って、直接端部ターン冷却を必要とする発電機に適用されることになる。移行セクションについての冷却概念は、端部ターンの直接冷却が使用されない場合でも適用することができる。
【００３９】
本明細書で検討した冷却概念の全ては、ロータ巻線の両端に適用される点に留意されたい。各図の一部は、ロータの一方の端部の透視図であるが、残りの図は他方の端部の透視図である。議論を容易にする役割を果たす場合、各図は、特に反対の向きの２つの図が比較される場合には、ＤＥ（駆動端）又はＯＤＥ（対向する駆動端）の向きにあるものとして識別されることがある。また、半径方向流れロータにおいて、サブスロットはロータ本体の全長に延びており、対角方向流れロータにおいて、サブスロットは、各端部から短い通路を穿通するだけである点に留意されたい。
【００４０】
上述の実施形態の何れかは、互いに組み合わせることができ、或いは、特定の用途に適合するように修正することができる。上述の実施形態の全ては、ロータ本体を冷却する半径方向流れ方法及び間隙ピックアップ方法と共に用いることができる。幾つかの実施形態では、交互するサイズ又は位置が示されていたが、複数のサイズ（例えば、２つよりも多い）及び／又は複数の位置（例えば２つよりも多い）を用いて、向上した伝熱性能を得ることができる。本明細書で説明される方法、システム、及び装置は、空気、水素ガス、又は他の何らかの好適な冷却媒体で冷却される電動機械において使用することができる。通気チムニは、通常、ロータ本体の駆動端又は対向する駆動端に位置するが、本明細書で説明された実施形態は、ロータ本体の駆動端又は対向する駆動端の何れか又は両方に適用することができる。
【００４１】
例示的な実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明は、本発明の技術的思想及び範囲内にある修正形態で実施することができる点は、当業者であれば理解されるであろう。
【符号の説明】
【００４２】
１００  ロータ
１１０  ロータ本体
１２０  スピンドル
１３０  巻線
１４０  サブスロット
１５０  通気又は放出チムニ
１７０  本体冷却領域
１７２  対角流れ領域
１７４  移行領域
１７５  間隙ピックアップ吸入セクション
１７６  スロット端部領域
１７８  端部巻線領域
２１０  端部ターン冷却溝
２２０  ダクト
６１０  ステータコア
７２０  出口ダクト
１０１０  端部ターン冷却通路
１０２０  半径方向ダクト
１０９０  矢印
１１４０  サブスロット
１１５０  チムニ
１３１０  沿面ブロック
１６５０  チムニ
１７５０  チムニ
１９５０  チムニ
１９５１  チムニ
１９５２  チムニ
２１４０  サブスロット
【図１】
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【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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