(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外周に沿わせて形成された複数のコイルスロットを持つ円形状の回転子鉄心部と、導体を巻回して形成されてそれぞれが異なるコイルスロットに装填されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルと，鞍形コイルの端部における側面部に配設されたスペーサを有する回転子巻線とを備え、スペーサは、細長い平板状の基板部と，鞍形コイルの側面に端面を接するようにして前記基板部の一方または両方の側面に形成された複数の突起部とを持つ回転電気機械の円筒形回転子において、スペーサが持つ突起部は、スペーサの長さ方向に沿って形成されると共に、各突起部が前記基板部幅方向を横断するようにして間隔を設けて配列される複数の突起で構成された突起群として形成されることを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【請求項２】
請求項１に記載の回転電気機械の円筒形回転子において、スペーサが持つ突起群として形成される前記突起部は、互いに隣接する突起部の間において、突起は千鳥状に配置されることを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【請求項３】
外周に沿わせて形成された複数のコイルスロットを持つ円形状の回転子鉄心部と、導体を巻回して形成されてそれぞれが異なるコイルスロットに装填されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルと，鞍形コイルの端部における側面部に配設されたスペーサを有する回転子巻線とを備え、スペーサは、細長い平板状の基板部と，鞍形コイルの側面に端面を接するようにして前記基板部の一方または両方の側面に形成された複数の突起部とを持つ回転電気機械の円筒形回転子において、スペーサが持つ基板部は、鞍形コイルの側面の内径側端部と接するように形成された堰部を有し、この堰部により、スペーサ内に冷媒ガスの通流路を隔離形成すると共に、スペーサ内の冷媒ガスの通流量の分布が鞍形コイルの内周側よりも外周側で多量となるように断面形状が形成され、鞍形コイルの端部の内径面に直接に接する冷媒ガスの通流を可能にしたことを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【請求項４】
請求項３に記載の回転電気機械の円筒形回転子において、スペーサが持つ基板部の断面形状は、端面形状が階段状に形成されることを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【請求項５】
請求項１に記載の回転電気機械の円筒形回転子において、回転子巻線の端部を外周側から保持する円筒状の保持体を設け、回転子巻線の最外位置の鞍形コイルの外側に配設されるスペーサは、磁極の中心位置に対応する部位に前記冷媒ガスの少なくとも一部を排出させる排出孔が形成され、前記保持体は、前記排出孔と対向する部位に形成された冷媒ガス用の排出路を持つことを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、タービン発電機などの回転電気機械の円筒形回転子に係わり、回転子巻線の端部に関する冷却性能の向上を図った改良されたその構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒形回転子を持つ回転電気機械は各種の用途に用いられているが、大容量のものとしてはタービン発電機が著名である。以下に、タービン発電機に代表させて、従来例の回転電気機械の円筒形回転子の説明を行うことにするが、まずは、一般例の円筒形回転子を持つ回転電気機械の冷却に関する構造を主体として、その構成の概要について図面を用いて説明する。図４は、一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示す縦断面図であり、図５は、図４におけるＰ矢視図であり、図６は、図５におけるＡ−Ｃ断面図であり、図７は、図５におけるＢ−Ｃ断面図である。
【０００３】
図４〜図７において、９は、円筒形回転子８と、固定子７と、ケーシング６と、周知の軸流ファン６９，６９と、冷却装置９３とを備えた円筒形回転子を持つ一般例の２極の回転電気機械である。円筒形回転子８の外周面と固定子７の内周面と間には空隙部９１が介在されている。円筒形回転子８は、回転軸部８１と、回転軸部８１と一体に構成されると共に，回転軸部８１と同心の円形の外径を持つ回転子鉄心部８２と、２極機に対応した１対の回転子巻線５，５と、保持体８３，８３とを備え、ケーシング６および図示しない軸受部を介して回転自在に支持されている。
【０００４】
回転電気機械９では、各回転子巻線５は、平角状の断面形状を持つ導体である平角銅線を巻回して形成された鞍形コイルの複数個を用いて構成されている。それぞれの鞍形コイルは、回転子鉄心部８２の外周の円周方向に沿わせて形成されている図示しない複数のコイルスロットに、互いに同心状となる配置関係で装填されている。回転子巻線５の各鞍形コイルのコイルスロットに収納されている部位には、回転軸部８１の軸長方向に分布して多数の通気孔８８が形成されている。そうして、上述の構造を持つ１対の回転子巻線５，５は、回転軸部８１の中心軸線（図４に１点鎖線で示す）Ｘ−Ｘに関して互いに線対称の関係となる基本構成とされている。回転子巻線５のコイルスロット内に収納されないことで回転子鉄心部８２の両端部から突き出される状態に配置される部位である端部８９，８９は、円筒状をした保持体８３によってその少なくとも外周側が保持され、円筒形回転子８が回転することで発生される強大な遠心力によって変形しないよう保持されている。
【０００５】
それぞれの軸流ファン６９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却する冷媒ガス（例えば、空気）９９を回転電気機械９内に循環させるために設けられ、この事例の場合には、図示の如く回転子巻線５の両端部８９の回転軸部８１の軸長方向に関する外側の位置のそれぞれに配設されている。固定子７は、周知の如く、多数の薄板製の鉄心板を積層して形成されて回転軸部８１と同心の円形の内径を持つ固定子鉄心７１と、固定子鉄心７１に形成されている図示しない複数のコイルスロットに装填された固定子巻線７２とを備えている。そうして、固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向の要所には、冷媒ガス９９を通流させるための通気ダクト７３の複数個が形成されている。
【０００６】
次に、ケーシング６が持つ冷媒ガス９９の通流路について説明する。回転電気機械９では、ケーシング６は、固定子鉄心７１の外周面に外接させて合計４枚の仕切板６１，６２が固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向に間隔を隔てて図示のように配設されている。端部側の仕切板６１と内側の仕切板６２とを接続するようにして複数の円筒状の連絡ダクト６３が配置されている。仕切板６１と仕切板６２とによって区切られたそれぞれの空間は排気ダクト６４，６４であり、両側を仕切板６２で区切られた空間は中央給気ダクト６５である。また、ケーシング６の両端部には、それぞれの軸流ファン６９に対応させて吸気ダクト６６，６６が備えられている。
【０００７】
冷却装置９３は、円筒形回転子８，固定子７を冷却することで高温となった冷媒ガス９９から熱を除去する周知の冷却器９４と、冷却器９４と排気ダクト６４，６４とを接続する排気風胴９５と、冷却器９４と吸気ダクト６６，６６とを接続する吸気風胴９６，９６とを備えている。
一般例の回転電気機械９は上述の如くに構成されているので、それぞれの軸流ファン６９で加圧されたそれぞれの冷媒ガス９９の流れは、まず、保持体８３が配置されている付近で大きく３つに分岐される。すなわち、それぞれの保持体８３の外周部を経て両端部から空隙部９１に直接流入する冷媒ガス流９９Ａと、固定子巻線７２の両端部のそれぞれを冷却した後に連絡ダクト６３を経て中央給気ダクト６５に流入する冷媒ガス流９９Ｂと、それぞれの回転軸部８１の外周面と保持体８３との間の空間のそれぞれから円筒形回転子８に流入する冷媒ガス流９９Ｃとである。
【０００８】
冷媒ガス流９９Ｃは、回転子巻線５の端部８９を冷却しつつ回転子鉄心部８２の端部に到り、冷媒ガス流９９Ｃの内の多くの部分はこの端部からコイルスロット部に流入し、回転子巻線５および回転子鉄心部８２を冷却した後、通気孔８８から空隙部９１に順次流入する。冷媒ガス流９９Ｂは、中央給気ダクト６５に連通されている通気ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ固定子鉄心７１の積厚方向の中央部から空隙部９１に流入する。このようにして、空隙部９１で合流されたそれぞれの冷媒ガス９９は、排気ダクト６４，６４に連通している通気ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ排気ダクト６４，６４に到る。
【０００９】
排気ダクト６４，６４に到達した冷媒ガス９９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却したので比較的に高温になっているが、この高温の冷媒ガス９９は、排気風胴９５を経て冷却器９４に流入して除熱される。冷却器９４で除熱されて再び低温に戻った冷媒ガス９９は、吸気風胴９６，９６を経て軸流ファン６９に流入される。
【００１０】
すなわち一般例の回転電気機械９は、冷却器９４を介して冷媒ガス９９を循環させることで、比較的に安定な運転状態を得ることができているが、この種の回転電気機械に採用されている円筒形回転子８では、回転子巻線５の最高温度が端部８９で発生し易いので、端部８９の温度低減に関する検討が種々行われてきている。このような回転子巻線の端部温度の低減が試みられた円筒形回転子として、同じ出願人より出願された回転電機の回転子巻線頭部（ここで言う端部のことである）冷却構造が、特開平７−７５２７２号公報により公知となっている。
【００１１】
以下に、この特開平７−７５２７２号公報により公知となっている内容を基にして、従来例の回転電気機械の円筒形回転子を図８〜図１０を用いて説明する。なお、図８〜図１０を用いて行う説明では、図４〜図７に示した一般例の回転電気機械９と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。ここで、図８は、図４におけるＱ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示す部分断面図であり、図９は、図４におけるＲ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示す斜視図であり、図１０は、図８のＥ−Ｅ断面における要部の断面図である。なお、図９は保持体およびその周辺部を取り除いて回転子巻線の外周部が露出された状態として図示している。
【００１２】
図８〜図１０において、８Ａは、回転軸部８１と、回転子鉄心部８２Ａと、１対の回転子巻線５Ａ，５Ａと、それぞれ複数のスペーサ５４，５４Ａと、隔壁体５５，５５と、仕切壁体５６，５６と、外周部絶縁体５７，５７と、複数の楔５９と、保持体８３Ａ，８３Ａとを備えた２極の円筒形回転子である。円筒形回転子８Ａでは、回転子巻線５Ａには、それぞれの磁極毎に導体（平角銅線）５１を用いて巻回された６個の鞍形コイル５２が用いられ、回転子鉄心部８２に形成された異なるコイルスロット８４に、互いに同心状となる配置関係で装填されている。そうして、鞍形コイル５２の直線状部の中央部分は、コイルスロット８４内に装填されるが、鞍形コイル５２の円弧状部は、回転子巻線５Ａの端部８９の主要部分を構成している。
【００１３】
端部８９における鞍形コイル５２の相互間にはスペーサ５４が、最外位置の鞍形コイル５２の外側面と最内位置の鞍形コイル５２の内側面とにはスペーサ５４Ａがそれぞれ配置されて、円筒形回転子８Ａの加減速時に発生する加速度などに対応して端部８９に働く強大な応力に対処している。スペーサ５４は、細長い平板状の電気絶縁材からなる基板部５４１と、基板部５４１の両側面のそれぞれに一定の厚さを持たせて形成された電気絶縁材製の複数の突起部５４２とで構成されている。この突起部５４２は、端部８９における鞍形コイル５２の側面に沿わせて冷媒ガス９９を通流させる通流路を確保するために設けられるものである。スペーサ５４Ａのスペーサ５４に対する相異点は、複数の突起部５４２が基板部５４１の一方の側面のみに備えられていることである。
【００１４】
スペーサ５４，５４Ａが持つ基板部５４１は、鞍形コイル５２の高さ方向寸法Ｈとほぼ同等の幅寸法を有し、導体５１の長さ方向に沿わせた長さを有している。スペーサ５４，５４Ａにおける突起部５４２は、山形や三角形などの突端部を持つ形状を有し、その反基板部５４１側の端面は鞍形コイル５２を構成する導体５１の側面に当接されるようにし、基板部５４１の長さ方向に間隔を隔てて形成されている。この突起部５４２は、基板部５４１の両端部のそれぞれに、その突端部を内側として、しかも、互いに位置を半間隔長だけずらして形成されている。
【００１５】
これによって、端部８９における鞍形コイル５２を構成する導体５１の側面には、冷媒ガス９９が通流される通流路が、突起部５４２によってジグザグ状とされて形成されることになる。この通流路を後記する貫通孔５５ａと関連付けて視察すると、貫通孔５５ａから鞍形コイル５２の直線状部に沿って冷媒ガス９９が通流する通流路５４Ｘと、貫通孔５５ａから鞍形コイル５２の円弧状部に沿って冷媒ガス９９が通流する通流路５４Ｙとして把握することができる。なお、突起部（例えば、突起部５４２）が持つ形状としては、八角形，正方形あるいは矩形なども知られている。正方形や矩形の形状を持つ突起部の場合には、冷媒ガス９９の通流抵抗の低減などのために、多くの場合に角部に面取りなどが施されており、八角形の突起部は、正方形の突起部に大きな面取りが施されたものとして取扱うこともできる。
【００１６】
円筒形回転子８Ａでは、それぞれの端部８９に配置される隔壁体５５は、複数の部材を用いて全体として円筒を構成するようにして電気絶縁材を用いて作製されており、端部８９における鞍形コイル５２の内周側に回転軸部８１の外周面との間に空間を隔てて配置されている。隔壁体５５には冷媒ガス通流路として、鞍形コイル５２の直線状部と円弧状部との結合部位のそれぞれの近傍に、各鞍形コイル５２の両側面に連通する貫通孔５５ａが、また、後記する排気室５６Ｘに対向する部位に貫通孔５５ｂが、それぞれ形成されている。仕切壁体５６は、１対が１組になって合計２組が用いられており、排気室５６Ｘを形成すべき部位を仕切るようにして、隔壁体５５の内周面に当接させて配置されている。
【００１７】
両側を仕切壁体５６，５６で仕切られることで隔壁体５５の内周側に形成される４個の空間の内、磁極の中間部の直下に位置している２個の空間が、冷媒ガス流９９Ｃが流入される流入室５５Ｘであり、また、磁極の中心位置の直下に位置している２個の空間が排気室５６Ｘである。この排気室５６Ｘは、その軸流ファン（例えば、軸流ファン６９）側の端部は閉塞され、その反軸流ファン側の端部は後記する排気溝８６に連通されている。なお、流入室５５Ｘは、その軸流ファン側の端部は開口され、その反軸流ファン側の端部は後記する通気ダクト８４ａに連通されている。なおまた、隔壁体５５と仕切壁体５６とは、例えば、両者を一体として、鍔（仕切壁体５６，５６に相当）付きの半円状として形成しても良いことは、勿論のことである。
【００１８】
保持体８３Ａは、基本的には一般例による円筒形回転子８が備える保持体８３と同一の機能を有するものであるが、この事例の場合には、回転子巻線５Ａのそれぞれの端部８９をその外周部で保持する円筒状部８３１と、軸流ファン側の端部で円筒状部８３１に結合される円環状部８３２とを備えている。外周部絶縁体５７は、電気絶縁材を用いて円筒状に形成され、端部８９における鞍形コイル５２の外周側と、保持体８３Ａの円筒状部８３１の内周側との間に配置されている。
【００１９】
楔５９は、コイルスロット８４に装填された部分の回転子巻線５Ａが、円筒形回転子８Ａが回転することで発生される強大な遠心力によってコイルスロット８４から飛び出さないようにするなどのために、それぞれのコイルスロット８４の最外周部の付近に装着されている。楔５９には回転軸部８１の軸長方向に沿って多数の貫通孔５９ａが形成されており、それぞれの貫通孔５９ａは、鞍形コイル５２に形成されている図示しない貫通孔を介して通気ダクト８４ａに連通されている。この通気ダクト８４ａは、各コイルスロット８４の底部に回転軸部８１の軸長方向に沿って形成されており、通気ダクト８４ａの両端部はそれぞれ流入室５５Ｘに連通されている。なお、前述通気孔８８は、円筒形回転子８Ａでは、貫通孔５９ａとこれに対応して鞍形コイル５２に形成されている貫通孔によって構成されていることになる。
【００２０】
回転子鉄心部８２Ａは、一般例の前記回転子鉄心部８２に対して、１対の回転子巻線５Ａ，５Ａが持つ鞍形コイル５２に対応した個数と位置とに従う複数のコイルスロット８４と、同一のハーフ磁極に属すると共に互いに隣接するコイルスロット８４の相互間の部位である複数の歯部８５と、複数の排気溝８６とが図示の如くに形成されている。各コイルスロット８４の底部には前記したように通気ダクト８４ａが形成されている。また、最外，最内位置の鞍形コイル５２が装填されるコイルスロット８４の反歯部８５側を形成する回転子鉄心部８２Ａの部位，および各歯部８５のそれぞれの軸長方向の両端部には、排気路８５ａが形成されている。
【００２１】
従来例の円筒形回転子８Ａは上述の如くに構成されているので、冷媒ガス流９９Ｃの通流経路は次記のように形成されている。すなわち、それぞれの流入室５５Ｘに流入した冷媒ガス流９９Ｃは、流入室５５Ｘにおいて、回転軸部８１の軸長方向に沿って通気ダクト８４ａに流入する冷媒ガス流９９Ｚと、隔壁体５５が持つ貫通孔５５ａから鞍形コイル５２の側面に形成されているジグザグ状の通流路（通流路５４Ｘと通流路５４Ｙ）に流入する冷媒ガス流とにまず分岐される。貫通孔５５ａからジグザグ状の通流路に流入した冷媒ガス流は、通流路５４Ｘを通流する冷媒ガス流９９Ｘと、通流路５４Ｙを通流する冷媒ガス流９９Ｙとにさらに分岐される。
【００２２】
そうして、冷媒ガス流９９Ｘは、流入室５５Ｘ→貫通孔５５ａ→通流路５４Ｘ→排気路８５ａを順次経過した後に図示しない空隙部（例えば、前述空隙部９１）に流入し、この間、回転子巻線５Ａの直線状部の端部８９に在る部位と、回転子鉄心部８２Ａの両端部とを冷却する。また、冷媒ガス流９９Ｙは、流入室５５Ｘ→貫通孔５５ａ→通流路５４Ｙ→貫通孔５５ｂ→排気室５６Ｘ→排気溝８６を順次経過した後に空隙部に流入し、この間、回転子巻線５Ａの円弧状部と、回転子鉄心部８２Ａの両端部とを冷却する。さらに、冷媒ガス流９９Ｚは、流入室５５Ｘ→通気ダクト８４ａ→通気孔８８（貫通孔５９ａなど）を順次経過した後に空隙部に流入し、この間、回転子巻線５Ａの直線状部のコイルスロット８４に装填されている部位と、回転子鉄心部８２Ａとを冷却する。
【００２３】
また、通流路５４Ｘ，５４Ｙにおいては、冷媒ガス流９９Ｘ，９９Ｙは、ジグザグ状の通流路を通流することになるので、鞍形コイル５２の側面と十分に接触できることになり、鞍形コイル５２を効果的に冷却することができている。このような冷却構成を備えることによって、円筒形回転子８Ａでは、回転子巻線５Ａの端部８９に対する冷却性能の向上を図ることができている。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による回転電気機械の円筒形回転子８Ａにおいては、回転子巻線５Ａの端部８９に対する冷却性能の向上はある程度は達成することが出来ているが、まだ後記するような理由で回転子巻線５Ａの最高温度は多くの場合に端部８９において発生している。
【００２５】
一般に電気機械の寿命は、周知の如くに巻線の電気絶縁のために採用されている電気絶縁材の耐熱寿命特性によって決められるものであるので、回転子巻線５Ａの端部８９の温度が相対的に高いと言うことは、端部８９の温度が使用されている電気絶縁材の許容温度を越えないように回転子巻線５Ａの電流密度を設定しなければならないと言うことであり、結果として円筒形回転子８Ａの、したがって回転電気機械の体格の大形化を招いたり、または、回転電気機械の定格出力の低減を余儀なくされるのである。
【００２６】
ところで、回転子巻線５Ａの最高温度がいまだに端部８９において発生している主な理由は次記するとおりである。
▲１▼円筒形回転子８Ａが備える回転子巻線５Ａでは、端部８９の部位を冷却する冷媒ガス９９の通流路の確保のためにスペーサ５４，５４Ａが設けられている。これ等のスペーサ５４，５４Ａには、冷媒ガス９９をジグザグ状に通流させて冷媒ガス９９が鞍形コイル５２の側面と十分に接触できるようにするために、突起部５４２が形成されている。しかしこの突起部５４２の存在は、スペーサ部における冷媒ガス９９の通流路の断面積を低減させることになっており、結果として、端部８９の冷却性能の向上が抑制を受けている。
【００２７】
▲２▼回転子巻線５Ａでは、流入室５５Ｘに流入した冷媒ガス流９９Ｃを、通気ダクト８４ａに流入する冷媒ガス流９９Ｚと、鞍形コイル５２の側面に沿って通流路５４Ｘ，５４Ｙを通流する冷媒ガス流９９Ｘ，９９Ｙとに分岐するなどのために、隔壁体５５，５５が設けられている。ところが、隔壁体５５，５５の存在は、鞍形コイル５２の内周面を覆うことになるため（図１０参照）に、その分、鞍形コイル５２の冷却性能が制限を受けている。
【００２８】
▲３▼端部８９の部位は円筒形回転子８Ａが備える回転子巻線５Ａの内で最も冷却が難しい個所であり、営々としてその解決が試みられているところであるが、その中でも、最外位置の鞍形コイル５２はコイルスロット８４中に収容されない部分が最長であるためにその冷却が最も困難であり、前記▲１▼項，▲２▼項で説明した問題点と合わせて、その解決が望まれている。
【００２９】
この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、回転子巻線の端部における冷却性能の向上を図った回転電気機械の円筒形回転子を提供することにある。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
この発明では前述の目的は、１）外周に沿わせて形成された複数のコイルスロットを持つ円形状の回転子鉄心部と、導体を巻回して形成されてそれぞれが異なるコイルスロットに装填されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルと，鞍形コイルの端部における側面部に配設されたスペーサを有する回転子巻線とを備え、スペーサは、細長い平板状の基板部と、鞍形コイルの側面に端面を接するようにして前記基板部の一方または両方の側面に形成された複数の突起部とを持つ回転電気機械の円筒形回転子において、スペーサが持つ突起部は、スペーサの長さ方向に沿って形成されると共に、各突起部が前記基板部幅方向を横断するように間隔を設けて配列される複数の突起で構成された突起群として形成される構成とすること、または、
２）前記１項に記載の手段において、スペーサが持つ突起群として形成される前記突起部は、互いに隣接する突起部の間において、突起は千鳥状に配置される構成とすること、または、
３）外周に沿わせて形成された複数のコイルスロットを持つ円形状の回転子鉄心部と、導体を巻回して形成されてそれぞれが異なるコイルスロットに装填されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルと，鞍形コイルの端部における側面部に配設されたスペーサを有する回転子巻線とを備え、スペーサは、細長い平板状の基板部と，鞍形コイルの側面に端面を接するようにして前記基板部の一方または両方の側面に形成された複数の突起部とを持つ回転電気機械の円筒形回転子において、スペーサが持つ基板部は、鞍形コイルの側面の内径側端部と接するように形成された堰部を有し、この堰部により、スペーサ内に冷媒ガスの通流路を隔離形成すると共に，スペーサ内の冷媒ガスの通流量の分布が鞍形コイルの内周側よりも外周側で多量となるように断面形状が形成され、鞍形コイルの端部の内径面に直接に接する冷媒ガスの通流を可能にした構成とすること、または、
４）前記３項に記載の手段において、スペーサが持つ基板部は、スペーサ内の冷媒ガスの通流量の分布が鞍形コイルの内周側よりも外周側で多量となるように，断面形状が形成される構成とすること、さらにまたは、
５）前記１項に記載の手段において、回転子巻線の端部を外周側から保持する円筒状の保持体を設け、回転子巻線の最外位置の鞍形コイルの外側に配設されるスペーサは、磁極の中心位置に対応する部位に前記冷媒ガスの少なくとも一部を排出させる排出孔が形成され、前記保持体は、前記排出孔と対向する部位に形成された冷媒ガス用の排出路を持つ構成とすること、により達成される。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、この項の以下の説明においては、図８〜図１０に示した従来例の回転電気機械の円筒形回転子と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また以後の説明に用いる図中には、図８〜図１０で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。
【００３２】
図１は、この発明の実施の形態の一例による回転電気機械の円筒形回転子を図９と同様部位に関して示す斜視図である。なお、図１は保持体８３Ａおよび外周部絶縁体５７を取り除いて回転子巻線５Ａの外周部が露出された状態として図示している。図１において、１は、図８，図９に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、スペーサ５４，５４Ａに替えてスペーサ２，２Ａ（スペーサ２Ａは図示を省略している）を用いるようにした円筒形回転子である。スペーサ２は、回転子巻線５Ａの端部８９における鞍形コイル５２の側面に沿わせて冷媒ガス９９を通流させる通流路を確保するために，基板部５４１の両側面のそれぞれに設けられる複数の突起部として、突起部２１を用いることが従来例によるスペーサ５４と異なっている。
【００３３】
突起部２１は、この発明による特徴的な構成として、それぞれが同等の高さを持たせて形成された複数（図１では２個）の突起（図１では円柱状として示したが、例えば、角柱状や八角柱状であっても何等差し支えない）２２で構成された突起群として形成される。同一の突起部２１に含まれる複数の突起２２は、基板部５４１の幅方向を横断するようにして間隔を設けて配列される。
【００３４】
また、互いに隣接する突起部２１の間においては、突起２２は，いわゆる千鳥状になるように配置させて形成される。また突起２２は、端部８９に働く強大な応力に耐えるならば適宜の材料を用いることができるが、電気絶縁材を用いる場合には基板部５４１との一体品として作製することも可能である。スペーサ２Ａは、最外位置の鞍形コイル５２の外側面と最内位置の鞍形コイル５２の内側面とに配置されるスペーサであり、従来例の場合の５４Ａに対応するスペーサである。スペーサ２Ａのスペーサ２に対する相異点は、複数の突起部２１が基板部５４１の一方の側面のみに備えられることのみである。
【００３５】
図１に示したこの発明による円筒形回転子１では前述の構成としたので、スペーサ２，２Ａにおいては、図１に冷媒ガス流９９Ｘ，９９Ｙについて点線で示したように、突起２２の間を通流する冷媒ガス流を得ることができることになる。すなわち、スペーサ２，２Ａを用いることにより、基板部５４１の幅を横断する方向を突起部２１が占めるスペースが、従来例のスペーサ５４，５４Ａの場合よりも大幅に削減され、これにより冷媒ガス９９の通流路の断面積を増大することができて冷媒ガス９９の通流量が増大される。
【００３６】
また、千鳥状に配置させると言うスペーサ２，２Ａにおける突起２２の配置構成は、突起２２が起渦体としても有効に機能できることになるので、これによってスペーサ２，２Ａ中を通流する冷媒ガス９９は積極的に乱流状態とされ、良く知られているようにその熱伝達係数が増大される。すなわち、円筒形回転子１では、冷媒ガス９９の通流量の増大と、乱流効果による熱伝達係数の増大との相乗作用を得ることができ、回転子巻線５Ａの端部８９の温度上昇を低減できる。
【００３７】
上述の説明では、スペーサ２，２Ａが備える突起２２は一様な断面形状を持つとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、基板部５４１側の断面積を反基板部５４１側よりも大きくするなどとしてもよいものである。また、突起の表面に突部などの起渦作用を促進させるための起渦促進部を形成するようにしてもよいものである。
【００３８】
また上述の説明では、スペーサが備える突起は互いに隣接する突起部２１の間においては、千鳥状になるように配置させて形成されるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、冷媒ガス９９の通流路の断面積の増大だけで対処できるような場合などには、千鳥状とするような突起の配置構成を必ずしも採用する必要は無いものである。
【００３９】
次に、図２，図３を用いて、この発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子の説明を行う。ここで、図２は、この発明の実施の形態の異なる例による円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す部分断面図であり、図３は、図２におけるＤ−Ｄ矢視図である。図２，図３において、１Ａは、図８，図９に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、回転子巻線５Ａの端部８９，８９の最外位置の鞍形コイル５２の外側面に配置されるスペーサ５４Ａに替えてスペーサ４を用いると共に、保持体８３Ａに替えて保持体３を用いるようにした円筒形回転子である。
【００４０】
スペーサ４は、従来例のスペーサ５４と対比すると、基板部として基板部４１を用いることのみが相異している。この発明による特徴的な構成として、この基板部４１は、磁極の中心位置（磁極の中心線Ｙ−Ｙを図３に２点鎖線で示す）に対応する部位に、冷媒ガス流９９Ｙの一部を円筒形回転子１Ａの外部に直接に排出させるための排出孔である貫通孔４２の複数個が形成されていることのみが、従来例による基板部５４１と異なっている。また、保持体３は、従来例の保持体８３Ａと対比すると、それぞれの貫通孔４２に対向する部位に、貫通孔４２から流れ出た冷媒ガス９９を通流させる排出路である排出溝３２が形成された円環状部３１を用いることのみが異なっている。
【００４１】
図２，図３に示したこの発明による円筒形回転子１Ａでは前述の構成としたので、スペーサ４に形成される冷媒ガス９９の通流路５４Ｙには、貫通孔５５ｂを通過して流れる冷媒ガス流９９Ｙの他に冷媒ガス流９９ＹＡも通流することになる。この冷媒ガス流９９ＹＡは、貫通孔５５ｂを通過せずに貫通孔４２から排出溝３２を経て通流し、円筒形回転子１Ａの外部に直接に排出される冷媒ガス流であり、貫通孔５５ｂ以降を通過しないことによって、冷媒ガス流９９ＹＡの流体抵抗は冷媒ガス流９９Ｙのものよりも小さい。以上のことにより、円筒形回転子１Ａでは通流路５４Ｙを通流する冷媒ガス９９の流量が従来例の場合よりも増大されるので、回転子巻線５Ａの端部８９，８９の最外位置の鞍形コイル５２に対する冷却性能が向上される。
【００４２】
次に、図１１，図１２を用いて、この発明の実施の形態のさらに異なる例による回転電気機械の円筒形回転子の説明を行う。ここで、図１１は、この発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形回転子を図１と同様部位に関して示す斜視図であり、図１２は、図１１による円筒形回転子を図１０と同様部位に関して示す要部の断面図である。なお、この項の以下の説明においては、図１に示したこの発明による回転電気機械の円筒形回転子と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図１１，図１２において、１Ｂは、図１に示したこの発明による円筒形回転子１に対して、スペーサ２，２Ａに替えてスペーサ２Ｂ，２Ｃ（スペーサ２Ｃは図示を省略している）を用いると共に、隔壁体５５，５５を用いないようにした円筒形回転子である。
【００４３】
スペーサ２Ｂは、スペーサ２に対して、基板部５４１に替えて基板部２３と基板部２４とを用いると共に、基板部２４の両側面のそれぞれに複数のガイド片２９を形成するようにしていることが異なっている。基板部２３は、鞍形コイル５２の端部の直線状部分の側面に対峙させて配置され、基板部２４は、鞍形コイル５２の端部の円弧状部分の側面に対峙させて配置される。基板部２３は、通流路５４Ｘを形成する部位が扇状の断面形状とされ、鞍形コイル５２の端部の内周面５２ａの、鞍形コイル５２の側面側の端部５２ｂと接する部位に堰部２３ａが形成されている。
【００４４】
基板部２３は、堰部２３ａを鞍形コイル５２の側面に接するようにして配設されており、この堰部２３ａを含めた基板部２３と外周部絶縁体５７とにより、隔壁体５５を用いること無しに、通流路５４Ｘを流入室５５Ｘから隔離して形成している。通流路５４Ｘを流入室５５Ｘと連通させるために、基板部２３には、鞍形コイル５２の直線状部と円弧状部との結合部位のそれぞれの近傍に、堰部２３ａを含めて開口２３ｂが形成されている。そうして基板部２３が持つ前記断面形状により、円筒形回転子１Ｂの場合には、通流路５４Ｘの通路幅寸法は、鞍形コイル５２の高さ方向寸法Ｈに関して一様であり、通路幅寸法Ｄ1 を持っている（図１２参照）。
【００４５】
さらに基板部２４には、隔壁体５５，５５を用いること無しに通流路５４Ｙを流入室５５Ｘ，排気室５６Ｘから隔離して形成するため、および、通流路５４Ｙ内を通流する冷媒ガス９９が鞍形コイル５２の側面と十分に接触できるようにするために、ガイド片２９が備えられる。また、基板部２４には、通流路５４Ｙを流入室５５Ｘに連通させるために、開口２３ｂの近傍の図示の位置に開口２４ａが形成され、通流路５４Ｙを排気室５６Ｘに連通させるために、磁極の中心位置の直下の位置に開口２４ｂが形成されている。
【００４６】
なお、スペーサ２Ｃは、最外位置の鞍形コイル５２の外側面と最内位置の鞍形コイル５２の内側面とに配置されるスペーサであり、この発明による円筒形回転子１が持つスペーサ２Ａに対応するスペーサである。スペーサ２Ｃのスペーサ２Ｂに対する相異点は、堰部２３ａが基板部２３の一方の側面のみに形成されることと、複数の突起部２１が，基板部２３，２４の一方の側面のみに備えられることである。
【００４７】
図１１，図１２に示したこの発明による円筒形回転子１Ｂでは前述の構成としたので、隔壁体５５，５５を用いること無しに、通流路５４Ｘ，５４Ｙを流入室５５Ｘと隔離することができる。これにより、鞍形コイル５２の端部の内周面５２ａを、冷媒ガス流９９Ｚ（一部冷媒ガス流９９Ｃを含む）および、冷媒ガス流９９Ｙに露出することができる。この結果、鞍形コイル５２の端部の側面が円筒形回転子１の場合と同等に冷媒ガス９９により冷却されると共に、鞍形コイル５２の端部の内周面５２ａが、冷媒ガス９９より直接に冷却される。したがって、内周面５２ａから冷媒ガス９９に放熱される分、回転子巻線５Ａの端部８９からの放熱量が増大されることになり、回転子巻線５Ａの端部８９の温度上昇を効果的に低減できる。
【００４８】
図１１，図１２を用いての上述の説明では、基板部２３の通流路５４Ｘを形成する部位の断面形状は扇状であるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、この部位の基板部２３の断面形状は矩形状であってもよいものである。通流路５４Ｘを形成する部位の基板部２３の断面形状を矩形状にすることで、通流路５４Ｘにおける冷媒ガスの通流量の分布は、鞍形コイル５２の内周側よりも外周側で多量となる。この結果、通流路５４Ｘ内を通流する冷媒ガス流９９Ｘによっての鞍形コイル５２の端部の冷却度合いを、鞍形コイル５２の外周側で増大することができる。これにより、前記した鞍形コイル５２の端部の内周面５２ａが冷媒ガス９９によって直接に冷却されることで、鞍形コイル５２の端部では、外周側に最高温度点が発生することになる懸念に対処することができる。
【００４９】
次に、図１３，図１４を用いて、この発明の実施の形態のさらに異なる例による回転電気機械の円筒形回転子の説明を行う。ここで、図１３は、この発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形回転子を図１１と同様部位に関して示す斜視図であり、図１４は、図１３による円筒形回転子を図１２と同様部位に関して示す要部の断面図である。なお、この項の以下の説明においては、図１１，図１２に示したこの発明による回転電気機械の円筒形回転子と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。図１３，図１４において、１Ｃは、図１１，図１２に示したこの発明による円筒形回転子１Ｂに対して、スペーサ２Ｂ，２Ｃに替えてスペーサ２Ｄ，２Ｅ（スペーサ２Ｅは図示を省略している）を用いるようにした円筒形回転子である。
【００５０】
スペーサ２Ｄは、スペーサ２Ｂに対して、基板部２３に替えて、通流路５４Ｘを形成する部位の断面形状のみが異なる基板部２５を用いている。基板部２５を基板部２３と対比すると、図１４に詳しく示すように、断面の端面形状が、通流路５４Ｘの面積分布を鞍形コイル５２の内周側よりも外周側で広くなるようにして、２段の階段状に形成されていることが特長的な構造である。そうして、円筒形回転子１Ｃの場合には、通流路５４Ｘの通路幅寸法は、鞍形コイル５２の高さ方向寸法Ｈに関し、鞍形コイル５２の内周側では寸法Ｄ1 （基板部２３の場合と同一）であり、外周側では寸法Ｄ2 （寸法Ｄ2 ＞寸法Ｄ1 ）である。
【００５１】
なお、スペーサ２Ｅは、最外位置の鞍形コイル５２の外側面と最内位置の鞍形コイル５２の内側面とに配置されるスペーサであり、この発明による円筒形回転子１Ｂが持つスペーサ２Ｃに対応するスペーサである。スペーサ２Ｅのスペーサ２Ｄに対する相異点は、堰部２３ａが基板部２５の一方の側面のみに形成されることと、複数の突起部２１が，基板部２４，２５の一方の側面のみに備えられることである。
【００５２】
図１３，図１４に示したこの発明による円筒形回転子１Ｃでは前述の構成としたので、図１１，図１２に示したこの発明による円筒形回転子１Ｂが持つ前記特長に加えて、鞍形コイル５２の端部を一層均等に冷却することができるとの特長を持つことができる。すなわち、円筒形回転子１Ｃでは、基板部２５が持つ前記階段状の側面形状を、寸法Ｄ2 と寸法Ｄ1 の比率が最適になるように設定することで、通流路５４Ｘのいずれの部位を通流する冷媒ガス９９でも鞍形コイル５２の冷却に有効に寄与させることができるようになる。この結果、前記した矩形状の断面形状を持つ基板部２３を用いる場合と対比しても、鞍形コイル５２の端部の温度上昇を一層低減できると共に、鞍形コイル５２の端部の温度上昇をほぼ一様にすることができる。
【００５３】
図１３，図１４を用いての上述の説明では、基板部２５は断面の端面形状が２段の階段状に形成されるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、３段あるいはそれ以上の段数であってもよいものである。また、図１１，図１２および図１３，図１４を用いての上述の説明では、突起部２１は、複数の円柱状の突起２２を用いて構成されるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、突起部２１は１個の突起で構成されてもよく、また、突起の形状は、前記したように、例えば、角柱状や八角柱状であっても何等差し支えない。
【００５４】
上述の説明では、円筒形回転子１は前記課題を解決するための手段の項の第（１），（２）項に基づく構成のみを備え、また、円筒形回転子１Ａは前記課題を解決するための手段の項の第（６）項に基づく構成のみを備え、円筒形回転子１Ｂ，１Ｃは前記課題を解決するための手段の項の第（３）〜（５）項に基づく構成を主体的に備えるとしてきたが、これに限定されるものではなく、例えば、同一の円筒形回転子に、前記課題を解決するための手段の項の第（１），（２）項に基づく構成と、前記課題を解決するための手段の項の第（６）項に基づく構成と、および、前記課題を解決するための手段の項の第（３）〜（５）項に基づく構成とを、適宜に組み合わせて備えるようにしてもよいものである。
【００５５】
【発明の効果】
この発明になる回転電気機械の円筒形回転子においては、前記の課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることにより、次記する効果を奏する。前記課題を解決するための手段の項の第（１）項による構成とすることにより、冷媒ガスの流量を増大することができて、回転子巻線の温度を低減することが可能となる。また、前記課題を解決するための手段の項の第（２）項による構成とすることにより、前記項による効果に加えて冷媒ガスの流れを容易に乱流状態にすることができて、乱流効果により冷媒ガスの熱伝達係数の増大が可能となる。そうして前記項による効果との相乗効果によって、回転子巻線の最高温度点の温度を従来比で１０〔℃〕程度低減することが可能となる。また、前記課題を解決するための手段の項の第（３）項による構成とすることにより、回転子巻線の端部の内周面を冷媒ガスで直接に冷却できることで、回転子巻線の端部の温度を低減することが可能になると共に、回転子巻線の端部の側面をほぼ一様に冷却できることで、回転子巻線の端部の最高温度点の温度を低減することが可能になる。また、前記課題を解決するための手段の項の第（４）項による構成とすることにより、回転子巻線の端部を一様に冷却できることと，回転子巻線の端部の側面に対する冷媒ガスの冷却能の向上を図れることで、前記項による場合よりも回転子巻線の端部の最高温度点の温度をさらに低減することが可能になる。さらにまた、前記課題を解決するための手段の項の第（５）項による構成とすることにより、回転子巻線の端部の最外位置の鞍形コイルの温度を前記項における場合よりも更に約５〔℃〕低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の一例による回転電気機械の円筒形回転子を図９と同様部位に関して示す斜視図
【図２】この発明の実施の形態の異なる例による円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す部分断面図
【図３】図２におけるＤ−Ｄ矢視図
【図４】一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示すその縦断面図
【図５】図４に示した回転電気機械のＰ矢視図
【図６】図５におけるＡ−Ｃ断面図
【図７】図５におけるＢ−Ｃ断面図
【図８】図４におけるＱ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示す部分断面図
【図９】図４におけるＲ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子を示す斜視図
【図１０】図８のＥ−Ｅ断面における要部の断面図
【図１１】この発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形回転子を図１と同様部位に関して示す斜視図
【図１２】図１１による円筒形回転子を図１０と同様部位に関して示す要部の断面図
【図１３】この発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形回転子を図１１と同様部位に関して示す斜視図
【図１４】図１３による円筒形回転子を図１２と同様部位に関して示す要部の断面図
【符号の説明】
１      円筒形回転子
２      スペーサ
２１    突起部
２２    突起
５Ａ    回転子巻線
５４１  基板部
８９    端部
【図１】
0003707250.tif 000002
【図２】
0003707250.tif 000003
【図３】
0003707250.tif 000004
【図４】
0003707250.tif 000005
【図５】
0003707250.tif 000006
【図６】
0003707250.tif 000007
【図７】
0003707250.tif 000008
【図８】
0003707250.tif 000009
【図９】
0003707250.tif 000010
【図１０】
0003707250.tif 000011
【図１１】
0003707250.tif 000012
【図１２】
0003707250.tif 000013
【図１３】
0003707250.tif 000014
【図１４】
0003707250.tif 000015