(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数のコイルスロットを有する回転子鉄心部と、平角状の導電材を素線として用いて巻回されてそれぞれのコイルスロットに装填された複数のコイルからなる一対または複数対の界磁巻線とを備え、前記素線の相互間には素線相互間の電気絶縁を保持するためのシート状の素線間絶縁体が介挿されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、素線間絶縁体に粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性を向上させた高い熱伝導特性を持つ電気絶縁材を用いることで素線と素線間絶縁体とを総合した下記式１に基づく総合熱伝導率値λT を増大させたことを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【数１】
0003656381.tif 000006
【請求項２】
回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数のコイルスロットを有する回転子鉄心部と、平角状の導電材を素線として用いて巻回されてそれぞれのコイルスロットに装填された複数のコイルからなる一対または複数対の界磁巻線とを備え、前記素線の相互間には素線相互間の電気絶縁を保持するためのシート状の素線間絶縁体が介挿されてなり、それぞれのコイルスロットの最外周部の付近には円筒形回転子が回転することで前記コイルに生じる遠心力に対処するための楔が装填されてなり、それぞれのコイルスロット内に収納された前記コイルの最外周に位置する素線と前記楔との間にはコイルと楔との間の電気絶縁を保持するための平板状の楔下絶縁体が配設されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、楔下絶縁体に粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性を向上させた高い熱伝導特性を持つ電気絶縁材を用いることで素線と楔下絶縁体とを総合した前記式１に基づく総合熱伝導率値λT を増大させ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３】
回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数のコイルスロットを有する回転子鉄心部と、平角状の導電材を素線として用いて巻回されてそれぞれのコイルスロットに装填された複数のコイルからなる一対または複数対の界磁巻線とを備え、コイルスロット内に収納されていない部分である界磁巻線のそれぞれの端部は、その外周部を円筒状をして高い剛性を持つ保持体で覆われることで円筒形回転子の回転に伴って働く遠心力に対して保持されてなり、前記素線の相互間には素線相互間の電気絶縁を保持するためのシート状の素線間絶縁体が介挿されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、素線間絶縁体は、前記端部のコイルに用いられる端部用の素線間絶縁体と、コイルスロットに装填されるコイルに用いられるコイルスロット内用の素線間絶縁体とに分割されて形成されてなり、端部用の素線間絶縁体に粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性を向上させた高い熱伝導特性を持つ電気絶縁材を用いることで素線と素線間絶縁体とを総合した前記式１に基づく総合熱伝導率値λT を増大させた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、界磁巻線に対する冷却性能を向上するべく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７は、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であり、図８は、図７に示した回転電気機械の図７におけるＰ矢視図であり、図９は、図８におけるＡ−Ｃ断面図であり、図１０は、図８におけるＢ−Ｃ断面図である。また図１１は、図７におけるＱ部の一部破断した詳細図である。
【０００３】
図７〜図１１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、周知の軸流ファンであるファン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の内周面と間にはギャップ９１が介在している。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対の界磁巻線５，５と、保持体８３，８３とを備えており、ケーシング６および図示しない軸受部を介して固定子７に回転自在に支持されている。
【０００４】
それぞれの界磁巻線５は、平角状の導電材である平角銅線を巻回し、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、それぞれのコイルが異なるコイルスロットに装填されるようにして複数のコイルで構成されている。界磁巻線５の各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対の界磁巻線５，５は、回転軸部８１の中心軸線Ｘ−Ｘ（図７中に１点鎖線で示す）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。
【０００５】
界磁巻線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、保持体８３によってその少なくとも外周部が保持をされ、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をしないよう保護されている。保持体８３は、金属材を用い高い剛性を持たせて形成されており、この事例の場合には、界磁巻線５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、ファン６９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。
【０００６】
それぞれのファン６９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却する冷媒ガス９９を回転電気機械９内に循環させるために設けられており、この事例の場合には、図示の如く界磁巻線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、回転軸部８１に嵌め込まれて配設されている。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なり，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。
【０００７】
ケーシング６は、冷媒ガス９９の通流路を備えているので、次にこれについて説明をする。まず、この事例の場合には、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置いて図示の如くに設けられている。外側の仕切板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。
【０００８】
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ギャップ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、保持体８３および端部８９の内周面と，回転軸部８１の外周面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。
【０００９】
冷媒ガス流９９Ｃは、界磁巻線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の底部に流入し、界磁巻線５と回転子鉄心部８２を冷却した後、通気孔８８からギャップ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を冷却しつつ回転子鉄心部８２の積層方向の中央部からギャップ９１に流入する。このようにして、ギャップ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。
【００１０】
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に流入して除熱をされる。冷却器９４で除熱をされて再び低温に戻った冷媒ガス９９は、吸気風胴９６，９６を経てファン６９に流入されるのである。
【００１１】
次に、従来例の回転電気機械の円筒形回転子を図１２〜図１８を用いて説明する。なお、図１２〜図１８を用いて行う説明においては、図７〜図１１に示した一般例の回転電気機械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７〜図１１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。
【００１２】
ここで、図１２は、図７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の主要部を示すその斜視図であり、図１３は、図１１におけるＳ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その部分断面図である。図１４は、図１３におけるＴ部の断面図であり、図１５は、界磁巻線と回転子鉄心の端部を平面状に展開して示す図１３におけるＫ矢視図である。また図１６は、図１２におけるＶ−Ｖから見たコイルスロットとその周辺部の断面図であり、図１７は、図１２におけるＷ−Ｗ断面図であり、図１８は、図１７におけるＪ矢視図である。なお、図１２は保持体および保持体下絶縁体を取り除いた状態として図示し、図１５は保持体，保持体下絶縁体および楔を取り除いた状態として図示し、また、図１３は、素線間絶縁体を省略して図示している。
【００１３】
図１２〜図１８において、８Ａは、回転軸部８１と、回転子鉄心部８２Ａと、１対の界磁巻線５Ａ，５Ａと、複数の間隔片５７と、保持体下絶縁体５８，５８と、複数の楔５９と、保持体８３，８３等とを備えた２極の円筒形回転子である。界磁巻線５Ａは、それぞれの磁極毎に平角銅線が用いられた素線５１が複数回巻回された複数（この事例の場合には６個）のコイル５２で構成されており、それぞれのコイル５２は、周知の鞍形コイルとして形成されている。鞍形コイルであるそれぞれのコイル５２の直線状部の中央部分は、回転子鉄心部８２に形成された異なるコイルスロット８４に装填をされ、また、コイル５２の円弧状部は、界磁巻線５Ａの端部８９の主要部分を構成している。
【００１４】
端部８９におけるコイル５２の相互間には間隔片５７が配設されて、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。この間隔片５７は、電気絶縁材を用いてコイル５２の高さ方向寸法Ｈとほぼ同等の高さ方向寸法に形成されている。この間隔片５７によって、端部８９におけるコイル５２を構成する素線５１の側面には、冷媒ガス９９が通流される端部通流路５６が確保されることになる。また、端部８９の内周面と回転軸部８１の外周面とに挟まれた空間は、冷媒ガス流９９Ｃが流入される流入室５５Ｘ，５５Ｘである。
【００１５】
保持体下絶縁体５８は、電気絶縁材を用いて円筒状に形成され、端部８９におけるコイル５２の外周側と、保持体８３の円筒状部８３１の内周側との間に配置されている。この事例の場合には、保持体８３が回転子鉄心部８２の端部に焼嵌めによって装着されているので、保持体下絶縁体５８は、ガラス繊維強化エポキシ樹脂材を主体としながらも、焼嵌め時の高温に耐える配慮が施されるなどした構成とされている。保持体下絶縁体５８は、したがって熱の不良導体として取扱う必要がある。楔５９は、熱伝導性の良好な金属製であり、コイルスロット８４に装填をされた部分の界磁巻線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（図１６を参照）。
【００１６】
楔５９には回転軸部８１の軸長方向に沿って多数の円形の貫通孔５９ａが形成されており、それぞれの貫通孔５９ａは、素線５１に形成されている後記する貫通孔５１ａなどを介して溝部通流路８４ａに連通されている。この溝部通流路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、溝部通流路８４ａの両端部はそれぞれ流入室５５Ｘに連通されている。なお、一般例の回転電気機械９に関する前述説明で述べた通気孔８８は、従来例の円筒形回転子８Ａにおいては、貫通孔５９ａとこれに対応してコイル５２などに形成されている後記する諸貫通孔によって構成されていることになる。
【００１７】
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対の界磁巻線５Ａ，５Ａが持つコイル５２の個数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の底部には断付部８４ｂが形成されており、この断付部８４ｂの下部に前記した溝部通流路８４ａが一体に形成されている。また、最外，最内側のコイル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。
【００１８】
ここで、図１６〜図１８を主として用いて、界磁巻線５Ａのコイルスロット８４内の電気絶縁構成および冷媒ガス９９の通流路について更に説明する。それぞれのコイルスロット８４内には、まず、回転子鉄心部８２Ａとコイル５２との間の電気絶縁用として、電気絶縁材をＬ字状に形成した溝部絶縁体５８１の１対が図示のように装填されている。この溝部絶縁体５８１は、Ｌ字状をなすその底辺部分を断付部８４ｂ上に、その先端部の相互間に間隔幅Ｗ581 を持つ間隙部５８１ａが形成されるようにして装填される。そうしてコイル５２は、その下面と両側面とを溝部絶縁体５８１によって電気絶縁されるようにして、コイルスロット８４に装填されている。
【００１９】
このコイル５２の上側には、平板状の電気絶縁材（例えば、エポキシ樹脂含浸ガラス繊維板材）製のＦ種絶縁の楔下絶縁体５４を介して、前記楔５９が装着されることになる。コイル５２を構成する素線５１の相互間には、素線５１の相互間（この部位に加わる電圧は数〔Ｖ〕のオーダーであることが一般である）を電気絶縁するためのシート状の電気絶縁材（例えば、エポキシ樹脂の塗布や含浸の処理が施されたガラス繊維シート材）製のＦ種絶縁の素線間絶縁体５３が介挿されている。そうして、素線間絶縁体５３，楔下絶縁体５４および溝部絶縁体５８１はいずれも、回転子鉄心部８２Ａの両端部からやや突き出される長さ寸法に設定されている。
【００２０】
また、それぞれのコイル５２を構成する素線５１のコイルスロット８４内に収納されている部分には、図示の如くに、回転軸部８１の軸長方向に沿って冷媒ガス９９（後記する冷媒ガス流９９Ｚ）を通流させるための複数の貫通孔５１ａが形成されている。それぞれの貫通孔５１ａは、冷媒ガス９９のための広い通流面積を確保するために、この事例の場合には、回転軸部８１の軸長方向に沿って長い小判形の形状にされている。また、素線間絶縁体５３および楔下絶縁体５４のそれぞれにも、貫通孔５１ａに対向する部位に、貫通孔５１ａとほぼ同一形状の貫通孔５３ａおよび５４ａが形成されている。そうして、楔５９に形成された貫通孔５９ａは、図１８に示すように、前記諸貫通孔５１ａ，５３ａおよび５４ａに対向する部位に形成されている。
【００２１】
さらに、図１２〜図１５を主として用いて、界磁巻線５Ａの端部８９における電気絶縁構成および冷媒ガス９９の通流路について説明する。端部８９部分のコイル５２を構成する素線５１の相互間には、この相互間を電気絶縁するためのシート状の電気絶縁材製の端部用の素線間絶縁体５３Ａが介挿されている。素線間絶縁体５３Ａは、コイルスロット８４内用に用いられている素線間絶縁体５３と同一のシート状の電気絶縁材が用いられている。
【００２２】
この素線間絶縁体５３Ａは、端部８９部分のコイル５２の平面形状に合わせた形状に形成され、その回転子鉄心部８２Ａ側の端部は、コイルスロット内用の素線間絶縁体５３と重ね合わされるように形状・寸法が設定されている。また、端部８９には前述したように間隔片５７が配置されることで、コイル５２の相互間には冷媒ガス９９の端部通流路５６が形成されている。この端部通流路５６は、界磁巻線５Ａの端部８９の内周側に開口をされていることで流入室５５Ｘに連通するように形成されている。
【００２３】
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を通過する過程で後記する方法によって界磁巻線５Ａの端部８９を冷却したうえで、その多くの部分（区分をする必要がある場合には、以降、冷媒ガス流９９Ｚと称する）は溝部通流路８４ａに流入する。
【００２４】
すなわち、冷媒ガス流９９Ｚは、流入室５５Ｘ→溝部通流路８４ａ→通気孔８８（間隙部５８１ａと、貫通孔５１ａ，５３ａおよび５４ａと、貫通孔５９ａ）を順次経過した後にギャップ（例えば、前述ギャップ９１）に流入し、この間、界磁巻線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。また、冷媒ガス流９９Ｚ分を除く冷媒ガス流９９Ｃは、排気溝８６内あるいは排気路８５ａ内を通流した後にギャップに流入し、この間、回転子鉄心部８２Ａの両端部を冷却している。
【００２５】
そうして、流入室５５Ｘに流入した冷媒ガス流９９Ｃは、まず、界磁巻線５Ａの端部８９が形成されている部位を通流することになる。その際、冷媒ガス流９９Ｃの一部（区分をする必要がある場合には、以降、冷媒ガス流９９Ｙと称する）は、流入室５５Ｘに連通している端部通流路５６内に流入する。端部８９のコイル５２の側面は、冷媒ガス流９９Ｙによって冷却をされるが、この冷媒ガス流９９Ｙは、コイル５２を冷却する過程でその温度が上昇し、これに伴って冷媒ガス９９Ｙに密度差が生じて、円筒形回転子８Ａの回転によって冷媒ガス９９Ｙに作用する遠心力の大きさに、冷媒ガス９９の温度差に対応する差異が発生する。
【００２６】
その結果、外周側が保持体８３の円筒状部８３１で塞がれた端部通流路５６では、図１４に示すように、流入した相対的に低温の冷媒ガス流９９Ｙは、相対的に大きな遠心力が働くことで、外周に向かって径方向に流れる。また、コイル５２の側面に接する冷媒ガス９９は、コイル５２から熱を除去することで温度が上昇して働く遠心力が相対的に小さくなるので、端部通流路５６に流入した低温の冷媒ガス９９に押されて、内周に向かって径方向に流れる。
【００２７】
すなわち、端部通流路５６に流入した冷媒ガス流９９Ｙには、まず外周に向かって径方向に流れて端部８９の外周部で反転し、続いてコイル５２の側面に沿い内周に向かって径方向に流れる対流が形成されることになる。そうして冷媒ガス流９９Ｙは、前記通流過程においてコイル５２から熱を除去した上で、端部通流路５６から流れ出ることになる。端部通流路５６内を上記のように通流させる冷媒ガス流９９Ｙの通流方式は、サーモサイフォン方式と呼ばれている。界磁巻線５Ａの端部８９をサーモサイフォン方式によってジグザグ状に通流する冷媒ガス流９９Ｙは、コイル５２の側面に沿って通流されることになるので、端部８９は効果的に冷却されることになる。
【００２８】
【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、端部８９を含む界磁巻線５Ａを効果的に冷却することができているがまだ後記するような理由で界磁巻線に部分的に高温となる個所が残存しており、その解決が望まれている。
【００２９】
ところで、電気機械の耐熱寿命は、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、界磁巻線の最高温度部の温度値に支配されることになる。最高温度部の温度値が相対的に高いと言うことは、界磁巻線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界磁巻線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。そうして、界磁巻線に部分的に高温となる個所が存在している主な理由は次記するとおりである。
【００３０】
▲１▼従来技術の円筒形回転子が備える界磁巻線５Ａを構成するコイル５２は、上述したとおりに、平角銅線である素線５１とエポキシ樹脂処理ガラス繊維シート材製などの素線間絶縁体５３が交互に積層されて作製されている。素線５１は約３９０〔Ｗ／ｍＫ〕の高い熱伝導率λc を持つのに対して、素線間絶縁体５３に用いられるエポキシ樹脂処理ガラス繊維シート材の熱伝導率λr は０．２〜０．３〔Ｗ／ｍＫ〕程度と、熱の不良導体である。例えば、素線５１の厚さ寸法ｔc を５〔ｍｍ〕，熱伝導率λc を３９０〔Ｗ／ｍＫ〕とし、素線間絶縁体５３の厚さ寸法ｔr を０．４〔ｍｍ〕，熱伝導率λr を０．３〔Ｗ／ｍＫ〕とした場合の、前記積層方向の総合された熱伝導率λT を式２を用いて求めると、λT ≒４〔Ｗ／ｍＫ〕であり、λc の約１／１００と極めて悪い熱伝導特性となっていることが分かる。
【００３１】
【数２】
0003656381.tif 000002
このために、従来技術の円筒形回転子が備える界磁巻線のコイルスロット８４に収納される部位の素線５１には貫通孔５１ａを形成し、溝部通流路８４ａを介して通気孔（諸貫通孔５１ａ，５３ａ，５４ａおよび５９ａで構成される）中を通流する冷媒ガス流９９Ｚによって界磁巻線５Ａを強制通風方式によって冷却することが行われているのである。
【００３２】
発明者らが調査をしたところでは、各コイル５２を構成する素線５１の温度は、コイル５２における冷媒ガス流９９Ｚの流入部である最下部の素線５１で最も低温であり、以降、冷媒ガス流９９Ｚに関して下流になる部位の素線５１では、その温度が高くなっている（後記する図２に点線で示したグラフを参照）。すなわち、冷媒ガス流９９Ｚによる強制通風冷却を行っても、従来技術の界磁巻線では、その平均温度が低いのにもかかわらず、その最高温度部の温度値は、採用されている電気絶縁材の許容温度に到達してしまうことになるのである。
【００３３】
▲２▼また、図２に点線で示した前記グラフを視察すると、各コイル５２を構成する素線５１の温度分布は、最上部の素線５１の付近では、最上部に近くなるほどその温度は低下している。これは、コイル５２は、通気孔（貫通孔５１ａ等で構成された通気孔８８）内を通流する冷媒ガス流９９Ｚで冷却されることに加えて、ギャップ（例えば、前述ギャップ９１）内を通流する冷媒ガス流９９（ただし、タービン発電機では、ギャップ内を通流する冷媒ガス流９９の平均温度は、溝部通流路８４ａ内を通流する冷媒ガス流９９Ｚの平均温度よりも高いことが一般である）によっても冷却され得ることを示している。
【００３４】
しかしながら、コイル５２からギャップを通流する冷媒ガス流９９に伝達される熱は、コイル５２内を素線５１の積層方向にギャップに向かって熱伝導により貫流した上で、楔下絶縁体５４を貫流する熱であるので、楔下絶縁体５４の熱伝導率値の如何が、素線５１の最高温度部の温度の低減に影響を与え得ることになる。ところで、楔下絶縁体５４は、その厚さ寸法は約１０〔ｍｍ〕であり、その熱伝導率値は０．２〜０．３〔Ｗ／ｍＫ〕程度であるので、式２を用いて求めた総合された熱伝導率値は、約０．４５〔Ｗ／ｍＫ〕となり、上述した素線５１と素線間絶縁体５３とによる総合された熱伝導率値λT よりもさらに小さい値である。すなわち、楔下絶縁体５４を介するコイル５２の冷却には、厳しい制約が存在していることが分かる。
【００３５】
▲３▼さらに、従来技術の円筒形回転子が備える界磁巻線の端部８９の部位では、界磁巻線の各コイル５２は、端部通流路５６内を通流する冷媒ガス流９９Ｙによって冷却されると共に、コイル５２中を素線５１の積層方向にその内周面（冷媒ガス流９９Ｃに直接に接している）に向かう熱伝導によっても冷却をされている。発明者らが調査をしたところでは、このために、各コイル５２を構成する素線５１の温度は、冷媒ガス流９９Ｃに接するコイル５２の最内周部の素線５１で最も低温であり、最外周部の素線５１で最も高温となっている（後記する図６に点線で示したグラフを参照）。すなわち、従来技術の界磁巻線では、その端部においても、平均温度が低いにもかかわらず、最高温度部の温度値は採用されている電気絶縁材の許容温度に到達してしまうことになるのである。
【００３６】
このような界磁巻線の端部の最高温度部の温度値を低減しようとする円筒形回転子の構成が、同じ出願人より出願された回転電機の回転子巻線頭部（ここで言う界磁巻線の端部のこと）冷却構造として、特開平７−７５２７２号公報により公知となっている。この構成は、界磁巻線の端部の最高温度部の温度値を低減することに関して有効であるが、しかしながら、界磁巻線の端部のコイルの相互間に配置されるスペーサの構造が複雑化するため、円筒形回転子の製造原価が上昇してしまうとの新たな問題点が発生している。
【００３７】
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、界磁巻線の冷却性能が向上をされた回転電気機械の円筒形回転子を提供することにある。
【００３８】
【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）回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数のコイルスロットを有する回転子鉄心部と、平角状の導電材を素線として用いて巻回されてそれぞれのコイルスロットに装填された複数のコイルからなる一対または複数対の界磁巻線とを備え、前記素線の相互間には素線相互間の電気絶縁を保持するためのシート状の素線間絶縁体が介挿されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、素線間絶縁体に粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性を向上させた高い熱伝導特性を持つ電気絶縁材を用いることで素線と素線間絶縁体とを総合した下記式１に基づく総合熱伝導率値λT を増大させた構成とすること、または、
【００３９】
【数３】
0003656381.tif 000003
２）回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数のコイルスロットを有する回転子鉄心部と、平角状の導電材を素線として用いて巻回されてそれぞれのコイルスロットに装填された複数のコイルからなる一対または複数対の界磁巻線とを備え、前記素線の相互間には素線相互間の電気絶縁を保持するためのシート状の素線間絶縁体が介挿されてなり、それぞれのコイルスロットの最外周部の付近には円筒形回転子が回転することで前記コイルに生じる遠心力に対処するための楔が装填されてなり、それぞれのコイルスロット内に収納された前記コイルの最外周に位置する素線と前記楔との間にはコイルと楔との間の電気絶縁を保持するための平板状の楔下絶縁体が配設されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、楔下絶縁体に粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性を向上させた高い熱伝導特性を持つ電気絶縁材を用いることで素線と楔下絶縁体とを総合した前記式１に基づく総合熱伝導率値λT を増大させた構成とすること、さらにまたは、
３）回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数のコイルスロットを有する回転子鉄心部と、平角状の導電材を素線として用いて巻回されてそれぞれのコイルスロットに装填された複数のコイルからなる一対または複数対の界磁巻線とを備え、コイルスロット内に収納されていない部分である界磁巻線のそれぞれの端部は、その外周部を円筒状をして高い剛性を持つ保持体で覆われることで円筒形回転子の回転に伴って働く遠心力に対して保持されてなり、前記素線の相互間には素線相互間の電気絶縁を保持するためのシート状の素線間絶縁体が介挿されてなる回転電気機械の円筒形回転子において、素線間絶縁体は、前記端部のコイルに用いられる端部用の素線間絶縁体と、コイルスロットに装填されるコイルに用いられるコイルスロット内用の素線間絶縁体とに分割されて形成されてなり、端部用の素線間絶縁体に粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性を向上させた高い熱伝導特性を持つ電気絶縁材を用いることで素線と素線間絶縁体とを総合した前記式１に基づく総合熱伝導率値λT を増大させた構成とすること、により達成される。
【００４０】
【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１２〜図１８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１２〜図１８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。
【００４１】
図１は、図１６と同等部位における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のコイルスロットとその周辺部の断面図であり、図２は、この発明になる円筒形回転子のコイルのコイルスロットに装填された部位の温度分布を、従来例の場合と比較して示すグラフである。なお、図２には、コイルスロット内の素線の位置関係を明瞭にするために、図１に示したコイルの半裁図を参考までに併記した。
【００４２】
図１において、１は、図１２〜図１８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、素線間絶縁体５３を持つ界磁巻線５Ａに替えて、素線間絶縁体２１を持つ界磁巻線２を用いるようにした円筒形回転子である。素線間絶縁体２１に採用されるシート状の電気絶縁材としては、基材に従来例と同様のガラスクロス材を用い、この基材を処理するエポキシ樹脂材には、この発明による特長として、粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入することで熱伝導性の向上が図られている。この粒状の無機質充填材としては、例えば、粒径が０．１〜数十〔μｍ〕程度の、アルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ），窒化アルミニウム（ＡｌＮ），窒化ほう素（ＢＮ），酸化チタン（ＴｉＯ2 ），炭化けい素（ＳｉＣ），マグネシア（ＭｇＯ），窒化けい素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），ベリリア（ＢｅＯ）などである。
【００４３】
回転電気機械に用いられるこの種の電気絶縁材は、ＡＢＢ（スウエーデン国）から出願された特開昭６３−１１０９２９号公報などによりすでに公知となっているが、これ等の公知例では、比較的に高い電圧下で使用される主絶縁層（対地絶縁層）を主たる使用対象としており、熱伝導性と共に、耐電圧性能や部分放電に対する耐性などに配慮が払われたものとなっている。
【００４４】
発明者らは、従来技術によるコイル５２のコイルスロット８４に装填された部位における温度分布の調査を行い、図２に点線で示したようなグラフを得た。発明者は、このグラフを視察することなどにより、コイルは、コイル中を素線５１の積層方向に熱伝達する熱伝導を合わせ用いることによって有効に冷却できるとのヒントを得た。そこで、回転電気機械の円筒形回転子およびこの円筒形回転子の温度に比較的に強い関連を持つギャップ（例えば、ギャップ９１）とを総合した電算モデルを、周知の電算モデルと同様に多数のセグメントによるメッシュ構造を持つものとして作成した。そうしてこの電算モデルを用いて、コイルのコイルスロットに装填された部位の温度分布の電算解析を実施し、表１に例示するような解析結果を得た。
【００４５】
表１は、素線間絶縁体の熱伝導率値のみを変えて、コイルの最高温度部の温度上昇値，平均温度値を電算解析によって求めた結果を例示している。表１に示した解析結果は、素線間絶縁体の熱伝導率値を向上させることによって、コイルは、通気孔（貫通孔５１ａ等で構成された通気孔８８）内を通流する冷媒ガス流９９Ｚで冷却されることに加えて、溝部通流路８４ａ内を通流する冷媒ガス流９９Ｚによっても有効に冷却されることを示している。コイルから溝部通流路８４ａ内を通流する冷媒ガス流９９Ｚに伝達される熱は、コイル内を素線５１の積層方向に熱伝導によって貫流する熱であるので、素線間絶縁体の熱伝導率値の向上が有効になるのである。
【００４６】
【表１】
0003656381.tif 000004
そうして、Ｆ種絶縁材等では、良く知られているように、最高温度値を１０〔℃〕低下させるとその耐熱寿命は倍増される関係を持っている。そこで、表１に示した電算解析結果を利用し、かつ、Ｆ種絶縁材の許容最高温度上昇値を設計上の安全などを加味して１１０〔℃〕に設定して、素線間絶縁体２１に必要な熱伝導率値λr を求める。素線間絶縁体２１に持たせるのに好ましいλr 値は、最高温度値を少なくとも５〔℃〕低下することができるものとすると、このλr 値は表１から従来例のλr 値の約２．７倍であるとして求まる。
【００４７】
発明者らは、素線間絶縁体２１に用いるシート状のＦ種絶縁材として、基材に従来例と同様のガラスクロス材を用い、この基材を処理するエポキシ樹脂材に，粒状のアルミナと粒状の窒化アルミニウムとをほぼ等量混合した充填材の６０〔容積％〕とエポキシ樹脂材の４０〔容積％〕との混合物を用いて、厚さ寸法ｔr が０．４〔ｍｍ〕のシート状のＦ種絶縁材を採用した。このシート状のＦ種絶縁材の熱伝導率λr は、約１．５〔Ｗ／ｍＫ〕であり、従来例の素線間絶縁体５３（熱伝導率λr は０．３〔Ｗ／ｍＫ〕）に対して５倍も大きい値が得られている。このシート状のＦ種絶縁材を素線間絶縁体２１に適用した場合には、この発明になる界磁巻線２のコイルスロット８４に装填された部位の最高温度部の温度上昇値は約１００〔℃〕であり、その場合のコイルスロット８４に装填された部位の界磁巻線２の素線５１の積層方向の温度分布は、図２に実線で示したとおりである。
【００４８】
なお、素線間絶縁体２１に用いることができるシート状のＦ種絶縁材としては、充填材に窒化ほう素（ＢＮ），酸化チタン（ＴｉＯ2 ），炭化けい素（ＳｉＣ），マグネシア（ＭｇＯ），窒化けい素（Ｓｉ3 Ｎ4 ），ベリリア（ＢｅＯ）などの適宜の電気絶縁性の無機質粒体の採用が可能である。また、基材としては、熱伝導性を向上させたガラス繊維を用いたもの、さらには、合成樹脂製フィルムを用いることも可能である。さらに、高い熱伝導性を持つシート状の電気絶縁材を素線間絶縁体への適用が、Ｆ種絶縁の円筒形回転子に限定されるものではないことは、言うまでも無いことである。
【００４９】
次に、シート状のＦ種絶縁材の厚さ寸法ｔr や熱伝導率λr の値が変化された場合について述べる。まず、前記式２の分母と分子とを「λc ・λr ・ｔc 」で割ることにより、下記式４が得られる。同一の円筒形回転子の場合においてはλc とｔc は実質的に不変であり、かつ、ｔc ＞ｔr であることを前提として式４を視察すると、素線間絶縁体２１の厚さ寸法ｔr の変更に対しては、例えば、λr を同率で増大することによって、λT をほぼ不変にできることが分かる。すなわち、素線間絶縁体２１に関しては、ｔr 値とλr 値とを「ｔr ／λr 」として一括して取り扱うことで、ｔr 値やλr 値の変化の影響を容易に見定めることができる。なお、ｔr 値，λr 値が変化した場合のより正確なλT 値は、式４を用いて算出できる。
【００５０】
【数４】
0003656381.tif 000005
次に、図３，図４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を説明する。ここで、図３は、図１６と同等部位における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コイルスロットとその周辺部の断面図であり、図４は、この発明になる円筒形回転子のコイルのコイルスロットに装填された部位の温度分布を、従来例の場合と比較して示すグラフである。なお、図４には、コイルスロット内の素線の位置関係を明瞭にするために、図３に示したコイルの半裁図を参考までに併記した。
【００５１】
図３において、１Ａは、図１２〜図１８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、楔下絶縁体５４を持つ界磁巻線５Ａに替えて、楔下絶縁体３１を持つ界磁巻線３を用いるようにした円筒形回転子である。なお、界磁巻線３では、素線間絶縁体としては、従来例による界磁巻線５Ａに用いられている素線間絶縁体５３が使用されている。楔下絶縁体３１に採用される平板状の電気絶縁材としては、基材に従来例と同様の構成のガラスクロス材を用い、この基材を処理するエポキシ樹脂材には、この発明になる前述の素線間絶縁体２１に用いられた粒状で電気絶縁性の無機質充填材を混入して熱伝導性の向上が図られたエポキシ樹脂材が採用されている。
【００５２】
すなわち、楔下絶縁体３１の厚さ寸法ｔr は約１０〔ｍｍ〕であり、その熱伝導率値λr は、約１．５〔Ｗ／ｍＫ〕である。そうして、この楔下絶縁体３１を用いた界磁巻線３のコイルスロット８４に装填された部位の素線５１の積層方向の温度分布は、図４に実線で示したとおりである。図４に実線で示したこの発明による界磁巻線の温度分布特性を、図４に点線で示した従来例による界磁巻線の温度分布特性と対比すると、最高温度の発生する部位が最下部の素線５１側に移動すると共に、最高温度部の温度上昇値の低下が得られている。
【００５３】
そうして、最高温度部と最上部の素線５１の温度とを結ぶ温度分布特性の勾配が緩やかになっている。このことは、素線間絶縁体５３が同一であることから、この発明になる高熱伝導性の楔下絶縁体３１を採用したことの効果であることが明らかである。なお、楔下絶縁体３１に関する充填材や基材の種類、Ｆ種絶縁材以外への展開の可能性、ｔr 値やλr 値の変化に対しての式４の適用の可能性などは、前述の素線間絶縁体２１の場合と同様であるので、重複を避けてその説明を省略する。
【００５４】
続いて、図５，図６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を説明する。ここで、図５は、図１４と同等部位における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断面図であり、図６は、この発明になる円筒形回転子のコイルの端部における温度分布を、従来例の場合と比較して示すグラフである。なお、図６には、端部における素線の位置関係を明瞭にするために、図５に示したコイルの半裁図を参考までに併記した。
【００５５】
図５において、１Ｂは、図１２〜図１８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、端部用の素線間絶縁体５３Ａを持つ界磁巻線５Ａに替えて、端部用の素線間絶縁体４１を持つ界磁巻線４を用いるようにした円筒形回転子である。素線間絶縁体４１に採用されるシート状の電気絶縁材には、この発明になる前述の素線間絶縁体２１に用いられている熱伝導性の向上が図られたシート状の電気絶縁材が用いられている。そうして、素線間絶縁体４１の形状・寸法は、従来例による素線間絶縁体５３Ａと同一である。
【００５６】
そうして、この素線間絶縁体４１を用いた界磁巻線４の端部８９の素線５１の積層方向の温度分布は、図６に実線で示したとおりである。図６に実線で示したこの発明による界磁巻線の温度分布特性を、図６に点線で示した従来例による界磁巻線の温度分布特性と対比すると、界磁巻線４の最高温度部の温度上昇値を低減することができていることが分かる。このことは、界磁巻線４の端部８９の構成が端部用の素線間絶縁体４１以外は従来例の場合と同一であることから、この発明になる高熱伝導性の素線間絶縁体４１を採用したことの効果であることが明らかである。なお、素線間絶縁体４１に関する充填材や基材の種類、Ｆ種絶縁材以外への展開の可能性、ｔr 値やλr 値の変化に対しての式４の適用の可能性などは、前述の素線間絶縁体２１の場合と同様であるので、重複を避けてその説明を省略する。
【００５７】
前述したこの発明になる３つの例の円筒形回転子の界磁巻線では、素線間絶縁体や楔下絶縁体に高い熱伝導性を持つ絶縁材を用いる構成とすることにより、いずれの場合も、その最高温度部の温度上昇値の低減を図ることができている。そうして、素線５１に通流される電流値を同一とする円筒形回転子の運転条件下において、界磁巻線の最高温度部の温度が少なくとも５〔℃〕程度低減されることにより、回転電気機械の体格をそのまま維持して、その耐熱寿命を大幅に延長することができる。またこのことは、回転電気機械の体格と耐熱寿命とをそのまま維持して、その定格出力の増大が図れることになる。
【００５８】
前述の説明では、素線間絶縁体２１と、楔下絶縁体３１と、素線間絶縁体４１とは、界磁巻線にそれぞれ個別に適用されるとしてきたが、これに限定されるものではなく、素線間絶縁体２１，楔下絶縁体３１および素線間絶縁体４１は、適宜に組み合わせて併用してもよいものである。これによって、回転電気機械の耐熱寿命のさらなる延長や、定格出力のさらなる増大を図れることになる。
【００５９】
【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。
▲１▼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、コイルスロットに装填されたコイル中を素線の積層方向に溝部通流路に向けて伝達する熱伝導量が増大されることで、回転電気機械の耐熱寿命の延長，定格出力の増大を図ることが可能になる。また、
▲２▼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、コイルスロットに装填されたコイル中を素線の積層方向にギャップに向けて伝達する熱伝導量が増大されることで、回転電気機械の耐熱寿命の延長，定格出力の増大を図ることが可能になる。さらにまた、
▲３▼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、界磁巻線の端部のコイル中を素線の積層方向にその内周面に向けて伝達する熱伝導量が増大されることで、回転電気機械の耐熱寿命の延長，定格出力の増大を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１６と同等部位における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のコイルスロットとその周辺部の断面図
【図２】この発明になる円筒形回転子のコイルのコイルスロットに装填された部位の温度分布を、従来例の場合と比較して示すグラフ
【図３】図１６と同等部位における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コイルスロットとその周辺部の断面図
【図４】この発明になる円筒形回転子のコイルのコイルスロットに装填された部位の温度分布を、従来例の場合と比較して示すグラフ
【図５】図１４と同等部位における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断面図
【図６】この発明になる円筒形回転子のコイルの端部における温度分布を、従来例の場合と比較して示すグラフ
【図７】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８】図７に示した回転電気機械の図７におけるＰ矢視図
【図９】図８におけるＡ−Ｃ断面図
【図１０】図８におけるＢ−Ｃ断面図
【図１１】図７におけるＱ部の一部破断した詳細図
【図１２】図７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の主要部を示すその斜視図
【図１３】図１１におけるＳ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その部分断面図
【図１４】図１３におけるＴ部の断面図
【図１５】界磁巻線と回転子鉄心の端部を平面状に展開して示す図１３におけるＫ矢視図
【図１６】図１２におけるＶ−Ｖから見たコイルスロットとその周辺部の断面図
【図１７】図１２におけるＷ−Ｗ断面図
【図１８】図１７におけるＪ矢視図
【符号の説明】
１    円筒形回転子
２    界磁巻線
２１  素線間絶縁体
８４  コイルスロット
【図１】
0003656381.tif 000007
【図２】
0003656381.tif 000008
【図３】
0003656381.tif 000009
【図４】
0003656381.tif 000010
【図５】
0003656381.tif 000011
【図６】
0003656381.tif 000012
【図７】
0003656381.tif 000013
【図８】
0003656381.tif 000014
【図９】
0003656381.tif 000015
【図１０】
0003656381.tif 000016
【図１１】
0003656381.tif 000017
【図１２】
0003656381.tif 000018
【図１３】
0003656381.tif 000019
【図１４】
0003656381.tif 000020
【図１５】
0003656381.tif 000021
【図１６】
0003656381.tif 000022
【図１７】
0003656381.tif 000023
【図１８】
0003656381.tif 000024