(57)【要約】  ウェッジ８に設けられたウェッジ孔８１が、第１の内径を有する第１の部分８６と、第１の部分８６よりも回転子１の回転子鉄心２の径方向外側に配置され、第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分８５とを有している。第１の部分８６と第２の部分８５とを設けることで、ウェッジ孔８１の孔出口外側の通風抵抗が安定的に低減する。その結果、ウェッジ孔８１の孔出口から噴出する冷却ガスの風量が増加して、回転子１の冷却能力が向上する。
2019220779.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びた複数のコイルスロットが外周面に設けられた円筒状の回転子鉄心と、
前記コイルスロット内に配置された回転子コイルと、
前記コイルスロットの開口部に設けられ、前記回転子コイルを前記コイルスロット内に固定させるとともに、前記回転子鉄心の径方向に延びて前記コイルスロットの内部から外部に向かって冷却ガスを流通させる１以上のウェッジ孔を有する、ウェッジと
を備え、
前記ウェッジ孔のうちの少なくとも１つは、
第１の内径を有する第１の部分と、
前記第１の部分よりも前記回転子鉄心の径方向外側に配置され、
ウェッジ孔の全周にわたって前記第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分と
を有する、
回転子。
【請求項２】
前記第１の内径は、前記回転子鉄心の径方向に沿って一定である、
請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記第２の内径は、前記回転子鉄心の径方向に沿って一定である、
請求項１または２に記載の回転子。
【請求項４】
前記第２の内径は、前記回転子鉄心の径方向外側に向かって連続的に増加する、
請求項１または２に記載の回転子。
【請求項５】
前記ウェッジ孔のうちの前記少なくとも１つは、
前記ウェッジ孔の径方向外側のウェッジ表面に溝を有した、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の回転子。
【請求項６】
前記ウェッジ孔のうちの前記少なくとも１つは、前記回転子鉄心の前記外周面から突出した突縁を有し、
前記第２の部分の全部または一部は、前記突縁によって構成される、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の回転子。
【請求項７】
前記第２の部分の内壁は、前記ウェッジ孔の全周にわたって、前記ウェッジ孔の中心軸を中心として軸対称な形状になるように構成されている、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の回転子。
【請求項８】
請求項１から７までのいずれか１項に記載の回転子と、
前記回転子の外周に対して空隙を介して配置された固定子と
を備えた回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却機構を有する回転子および回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ラジアルフロー冷却方式は、構造が簡単で冷却性能が高いため、発電機などの回転電機に広く採用されている。ラジアルフロー冷却方式を採用したタービン発電機の回転子鉄心には、回転軸を中心として放射状に複数のコイルスロットが形成されている。各コイルスロットは軸方向に延出しており、各コイルスロット内には、それぞれ回転子コイルが複数段積層され、回転子コイルを相互に絶縁するためにターン絶縁物が介挿されている。また、複数段積層された回転子コイルは絶縁物を介してウェッジによって固定されている。ウェッジは回転子の回転時に働く遠心力に対して、回転子コイルがコイルスロットから出るのを防止する働きを有している。【０００３】
回転子コイルが積層された、各コイルスロットの回転軸側の底部には、軸方向の全長にわたって、断面がＵ字状のチャンネルが形成されている。各コイルスロットには、このＵ字状のチャンネルと、回転子コイルを径方向に貫通した少なくとも一つ以上のラジアルパスとが形成されている。ラジアルパスは、回転子の径方向の通風路である。回転子の冷却ガスは、回転子の両端部からＵ字状のチャンネルに導入され、回転子の軸方向の中央へと流れる。そして、冷却ガスは、Ｕ字状のチャンネルから各ラジアルパスへと流入した後、絶縁物とウェッジとに設けられた孔により、回転子と固定子との間の間隙へと排出される。なお、以下では、回転子と固定子との間の間隙を、エアギャップと呼ぶこととする。この一連の働きの中で，冷却ガスは回転子コイルで発生した熱を吸収し、回転子を冷却している。【０００４】
近年、回転電機の小型化・大容量化に伴って回転子の発熱密度または発熱量が増加している。そのため、回転子の冷却能力のさらなる向上が要求されており、回転子を流れる冷却ガスの流量を増やすことが必要となっている。【０００５】
ウェッジ孔からエアギャップへ回転子内の冷却ガスが排出される際に、回転子内の冷却ガスの流れが、エアギャップ内の高速な冷却ガスの流れと衝突する。その場合には、ウェッジ孔からエアギャップに排出される回転子内の冷却ガスの流れが妨げられる。【０００６】
そこで、回転子内の冷却ガスの流れが妨げられない構成について提案されている（例えば、特許文献１および特許文献２参照）。【０００７】
特許文献１の回転電機の回転子は、回転子の回転時にエアギャップで生じる高速ガス流に対して半径方向外向きの速度成分を持たせるＶ字形溝を、ウェッジ孔の開口部の高速ガス流上流側に設けている。さらに、ウェッジ孔からの排気流を高速ガス流方向に導くように半径方向に対して傾斜した傾斜面を、楔排気孔の高速ガス流下流側に設けている。これにより、高速ガス流と排気流との合流角度が小さくなる。その結果、楔排気孔の出口における排気流の圧力損失を低減することができる。【０００８】
また、特許文献２の回転電機の回転子は、回転子のウェッジ孔から噴出される冷却ガス流れをエアギャップ内に導く突起物を、エアギャップ内の冷却ガス流れの上流側に設けることが記載されている。また、特許文献２には、ウェッジ孔の下流側に、噴出冷却ガス流れの流路断面積を拡大させる傾斜面を設けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−３４０６５３号公報
【特許文献２】特開平１０−１７８７５４号公報
【特許文献３】特開２０１７−１８４５２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、ラジアルフロー冷却方式におけるエアギャップ内の冷却ガス流れは、ファンによる軸方向の流れと回転する回転子による周方向に旋回する流れとが合成することで形成される。そのため、エアギャップ内の冷却ガスの流れは、軸方向の位置によって異なる。【００１１】
特許文献１に記載された回転電機の回転子においては、エアギャップ内の流れの周方向成分が支配的になる回転子中央付近では冷却効果が期待できる。しかしながら、軸方向成分が大きくなるエアギャップ入口付近では期待した冷却効果を得ることは難しい。【００１２】
また、上述したように、エアギャップ内の流れは、２つの流れが合流して形成されるものであるため、容易に予測できるものではない。そのため、特許文献２に記載された回転電機の回転子を用いて、意図した効果を得るためには、正確に、エアギャップ内の流れの向きを予測する必要があり、非常に高度な設計を要求される。【００１３】
一方、ファンの脈動、偏流などにより、エアギャップ内を流れる冷却ガスの流量が変動する、あるいは、流量分布に偏りが生じると、特許文献１および特許文献２に記載されるような指向性のある構造では、安定した通風抵抗低減効果が得られない場合がある。【００１４】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、簡易な構造で、回転子の内部から外部に冷却ガスが噴出する際の通風抵抗の安定した低減効果を得て、冷却能力の向上を図る、回転子および回転電機を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る回転子は、軸方向に延びた複数のコイルスロットが外周面に設けられた円筒状の回転子鉄心と、前記コイルスロット内に配置された回転子コイルと、前記コイルスロットの開口部に設けられ、前記回転子コイルを前記コイルスロット内に固定させるとともに、前記回転子鉄心の径方向に延びて前記コイルスロットの内部から外部に向かって冷却ガスを流通させる１以上のウェッジ孔を有する、ウェッジとを備え、前記ウェッジ孔のうちの少なくとも１つは、第１の内径を有する第１の部分と、前記第１の部分よりも前記回転子鉄心の径方向外側に配置され、ウェッジ孔全周にわたって前記第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分とを有する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る回転電機の回転子によれば、ウェッジ孔を介して回転子の内部から外部に向かって冷却ガスが噴出する際に、内径の大きい第２の部分を通ることで、回転子内の冷却ガスの流れが穏やかに偏向される。それにより、噴出する冷却ガスが、回転子外部の高速な冷却ガスの流れと衝突する際の通風抵抗を安定的に低減させることができるので、噴出する冷却ガスの風量が増加し、回転子の冷却能力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る回転電機の回転子が適用される、タービン発電機の概略図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る回転電機の回転子の部分断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る回転子のウェッジ近傍を示す部分断面図である。
【図４】回転子鉄心の径方向外側からみた本発明の実施の形態１に係る回転子のウェッジを示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る回転子のウェッジを示す図である。
【図６】エアギャップ内の冷却ガスの周方向流速を示す図である。
【図７】エアギャップ内の冷却ガスの流速分布を示す図である。
【図８】比較例としての一般的な回転子のウェッジ近傍を示す部分断面図である。
【図９】特許文献１に記載の従来の回転電機の回転子の一例を示す図である。
【図１０】回転子鉄心の径方向外側からみた特許文献１に記載のウェッジ示す図である。
【図１１】特許文献２に記載の従来の回転電機の回転子の一例を示す図である。
【図１２】回転子鉄心の径方向外側からみた特許文献２に記載のウェッジ示す図である。
【図１３】特許文献３に記載の従来の回転電機の回転子の一例を示す図である。
【図１４】回転子鉄心の径方向外側からみた特許文献３に記載のウェッジ示す図である。
【図１５】本発明に係る回転電機の回転子が適用される、タービン発電機端部を示す概略図である。
【図１６】本発明の実施の形態２に係る回転子のウェッジ近傍を示す部分断面図である。
【図１７】回転子鉄心の径方向外側からみた本発明の実施の形態２に係る回転子のウェッジを示す図である。
【図１８】本発明の実施の形態２に係る傾斜面の第１変形例を示す図である。
【図１９】本発明の実施の形態３に係る回転子のウェッジ近傍を示す部分断面図である。
【図２０】回転子鉄心の径方向外側からみた本発明の実施の形態３に係る回転子のウェッジを示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態４に係る回転子のウェッジ近傍を示す部分断面図である。
【図２２】回転子鉄心の径方向外側からみた本発明の実施の形態４に係る回転子のウェッジを示す図である。
【図２３】本発明の実施の形態４におけるエアギャップ内の冷却ガスの流れを示す図である。
【図２４】本発明の実施の形態５に係る回転子のウェッジ近傍を示す部分断面図である。
【図２５】回転子鉄心の径方向外側からみた本発明の実施の形態５に係る回転子のウェッジを示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態５に係る突出した傾斜面の第１変形例を示す図である。
【図２７】本発明の実施の形態５に係る突出した傾斜面の第２変形例を示す図である。
【図２８】本発明の実施の形態５に係る突出した傾斜面の第３変形例を示す図である。
【図２９】本発明の実施の形態５に係る突出した傾斜面の第４変形例を示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態５におけるエアギャップ内の冷却ガスの流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る回転電機の回転子の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１９】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転子１が搭載された回転電機１００の概略図である。図１の回転電機１００は、例えばタービン発電機である。図２は、実施の形態１に係る回転子１の径方向の部分断面図である。さらに、図３は、実施の形態１に係る回転子１のウェッジ８のウェッジ孔８１部分の拡大図である。図４は、回転子鉄心２の径方向外側からみた本発明の実施の形態１の回転子のウェッジ８を示す図である。また、図５は、実施の形態１に係る回転子１のウェッジ８を示す図である。
【００２０】
図１に示すように、回転電機１００は、回転子１と、固定子１１０とを備えている。さらに、回転電機１００は、冷却器１３０と、２つのファン１４０と、回転軸１５０とを備えている。固定子１１０は、円筒状に形成されている。固定子１１０の内周面が回転子１の外周面に対向するように、回転子１は、固定子１１０内に配置されている。以下では、固定子１１０の内周面を、固定子内周面１１１と呼び、回転子１の外周面を回転子外周面１０と呼ぶこととする。固定子内周面１１１と回転子外周面１０との間には空隙があり、以下では、当該空隙を、エアギャップ１２０と呼ぶこととする。このように、固定子１１０は、回転子１の外周に対してエアギャップ１２０を介して配置されている。
【００２１】
回転子１は、回転子鉄心２と回転子コイル５とを備えて構成されている。回転子鉄心２は回転軸１５０に固定され、回転軸１５０の回転により回転する。また、２つのファン１４０は、それぞれ、回転子１の両端部の位置で回転軸１５０に固定されている。各ファン１４０は、回転軸１５０の回転により回転し、回転電機１００内に冷却ガス１６０を循環させる。図１の矢印は、冷却ガス１６０の流れを示す。冷却器１３０は、回転電機１００の熱を吸収した冷却ガス１６０を回収して冷却する。冷却された冷却ガス１６０は、再び、ファン１４０によって、回転電機１００内を循環する。
【００２２】
回転子１を構成する回転子鉄心２の外周面には、回転子鉄心２の軸方向に延びた複数のコイルスロット３が設けられている。それらのコイルスロット３は、回転子鉄心２の周方向に間隔をおいて形成されている。図２では、複数のコイルスロット３のうち、１つのコイルスロット３のみを示している。なお、各コイルスロット３は、すべて、図２に示したコイルスロット３と同様の構成を有しているため、ここでは、１つのコイルスロット３についてのみ説明する。
【００２３】
コイルスロット３は、回転子鉄心２の軸方向に沿って、回転子鉄心２の一端側から他端側に亘って形成されている。図２に示すように、コイルスロット３は、Ｕ字型の凹部となっており、回転子鉄心２の回転子外周面１０側に開口部を有している。コイルスロット３内には、複数の回転子コイル５が積層されて配置されている。これらの回転子コイル５は、絶縁物７を介して、コイルスロット３の開口部に嵌合されたウェッジ８によって固定されている。ウェッジ８は、図２、図４および図５に示すように、回転子鉄心２の径方向に貫通して、コイルスロット３の内部と外部とを連通させるウェッジ孔８１を少なくとも１つ有している。さらに、各回転子コイル５の間には、ターン絶縁物６が介挿されている。
【００２４】
また、図２に示すように、複数の回転子コイル５とターン絶縁物６には、それぞれ、それらを回転子鉄心２の径方向に貫通する少なくとも一つ以上のラジアルパス９が形成されている。また、絶縁物７は、回転子鉄心２の径方向に貫通する絶縁物孔７１を有している。絶縁物孔７１は、ラジアルパス９と連通するとともに、ウェッジ孔８１と連通している。ウェッジ孔８１は、例えば円型の貫通孔から構成されている。
【００２５】
また、各コイルスロット３の底部には、Ｕ字型のチャンネル４が形成されている。チャンネル４の内部は、空洞である。チャンネル４と、ラジアルパス９と、絶縁物孔７１と、ウェッジ孔８１とは、冷却ガス１６０が流れる通風路を形成している。冷却ガス１６０は、チャンネル４から各コイルスロット３内に入り、ラジアルパス９、絶縁物孔７１、および、ウェッジ孔８１を通って、エアギャップ１２０に流れ込む。
【００２６】
また、本実施の形態１においては、図２、図３、図４および図５に示すように、ウェッジ孔８１の内径は、第１の内径と、第１の内径より大きい第２の内径とを含んでいる。ウェッジ孔８１の第２の内径を有する第２の部分８５は、ウェッジ孔８１の第１の内径を有する第１の部分８６よりも、回転子鉄心２の径方向外側に配置されている。以下では、第２の部分を「孔径拡大部８５」と呼ぶこととする。
【００２７】
本実施の形態１では、図２、図３、図４および図５に示すように、回転子１の回転子外周面１０に位置するウェッジ孔８１の孔出口に、孔径拡大部８５が設けられている。孔径拡大部８５は、ウェッジ孔８１の孔出口から、予め設定された深さΔＨにかけて、断面Ｌ字型の切欠きを設けることにより、Ｌ字型の段付き部８５ａを形成することで、構成されている。孔径拡大部８５は、ウェッジ孔８１の全周にわたって均等に偏りなく設けられており、すなわち、環状に構成されており、構造に指向性を持たない。すなわち、孔径拡大部８５は、ウェッジ孔８１からエアギャップ１２０に向けて噴出される回転子１内の冷却ガス流れ１１の向きを意図的に特定の方向に制御する構成は有していない。図２および図３において、孔径拡大部８５の内壁が、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として左右対称に図示されていることから分かるように、孔径拡大部８５の内壁は、ウェッジ孔８１の全周、すなわち、３６０°にわたって、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として軸対称な形状になるように構成されている。換言すれば、図４に示すように、回転子鉄心２の径方向外側からウェッジ８を見ると、ウェッジ孔８１の中心軸に対して対称の構成になっている。また、図５は、ウェッジ８単体の一部を示している。孔径拡大部８５の内径を第２の内径とし、ウェッジ孔８１の他の部分の内径を第１の内径とすると、第２の内径は、段付き部８５ａの段差の奥行き分だけ、第１の内径よりも大きい。なお、本実施の形態１においては、第１の内径および第２の内径は、共に、径方向外側に向かって徐々に増減することなく、径方向に沿って一定である。
【００２８】
このように、本実施の形態１においては、段付き部８５ａの段付き位置を境にして、孔径拡大部８５部分を「ウェッジ孔８１の第２の内径を有する第２の部分」とし、ウェッジ孔８１の孔径拡大部８５以外の他の部分８６を「ウェッジ孔８１の第１の内径を有する第１の部分」としたとき、ウェッジ孔８１は、第１の内径を有する第１の部分８６と、第１の部分８６よりも回転子鉄心２の径方向外側に配置され、ウェッジ孔８１の全周にわたって第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分とを有している。
【００２９】
ところで、回転子１の回転で生じる回転子外周面１０の壁面剪断力により、粘性を有する冷却ガス１６０は、エアギャップ１２０内で回転子１の周方向に加速され、周方向の冷却ガス流れ１２１が生じる。図６に、エアギャップ１２０内の冷却ガス１６０の周方向流速分布を示す。縦軸は、冷却ガス１６０の回転子周方向の流速Ｖを回転子外周面１０における周速度ＶRで除した無次元速度Ｖ/ＶRである。横軸は、固定子内周面１１１を基準としたときのエアギャップ１２０内のエアギャップ幅方向の距離ｘをエアギャップ幅Ｌで除した無次元距離ｘ/Ｌである。従って、回転子外周面１０の無次元距離ｘ／Ｌの値は１で、固定子内周面１１１の無次元距離ｘ／Ｌの値は０となる。
【００３０】
図６に示されるように、回転子外周面１０および固定子内周面１１１の境界層の影響を受ける領域以外では、回転子１の周方向の冷却ガス１６０の冷却ガス流れ１２１の平均周速度は、回転子外周面１０における冷却ガス流れ１２１ａの周速度の約１／２であると考えられている。
【００３１】
また、図１に示すように、回転子１の両端に設けられた２つのファン１４０から押し出された冷却ガス１６０がエアギャップ１２０の入口から流入し、エアギャップ１２０内を軸方向に流れることにより、軸方向にも冷却ガス１６０の冷却ガス流れ１２１ｂが生じる。
【００３２】
この軸方向の冷却ガス流れ１２１ｂの量および速度は、エアギャップ１２０の入口からエアギャップ１２０内への冷却ガス１６０の流入量、回転子１からエアギャップ１２０への冷却ガス１６０の流入量、および、エアギャップ１２０から固定子１１０への冷却ガス１６０の流出量から決定される。
【００３３】
このように、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、回転子１の軸方向の流れと回転子１の周方向の流れとが合成したものであり、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１を正確に予測するためには非常に高度な設計を要する。
【００３４】
図７は、形成された旋回流、即ち、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１の様子を図示したものである。図中、実線１２２は、回転子１上にとった回転座標系からみた流速分布である。上記の通り、実際のエアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、軸方向流れと周方向流れとが合成されたものであるが、図７では、簡単のため、周方向流れの流速分布のみを用いて説明する。エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１には、流速分布１２２に示されるように、固定子内周面１１１および回転子外周面１０では、急峻な流速勾配を有する乱流境界層が発達する。従って、ウェッジ孔８１からエアギャップ１２０に向けて噴出される回転子１内の冷却ガス流れ１１は、この境界層を打ち破るために大きなエネルギを要する。換言すれば、回転子１内の冷却ガス流れ１１は、噴出の際に通風抵抗を生じることになる。
【００３５】
ここで、本実施の形態１の効果を説明するために、比較例として、図８に、一般的な回転子のウェッジ孔の孔出口部分の構成について示す。ウェッジ孔８１からエアギャップ１２０へ回転子１内の冷却ガスが排出される際に、エアギャップ１２０内の高速な冷却ガス流れと衝突することによって、ウェッジ孔８１から排出される回転子１内の冷却ガス流れ１１が妨げられる。その結果として通風抵抗が発生する。回転子１は定格運転時には高速で回転するため、エアギャップ１２０内の冷却ガス１６０は周方向に高速で流れる。そのため、回転子１の回転時のウェッジ孔８１での通風抵抗は、回転子１の静止時の約３倍に増加する。従って、回転子コイル５の温度を一定基準以下に保つためには、差圧の大きな通風ファンを採用する必要がある。しかし、差圧の大きな通風ファンを採用すると、ファン動力損が大きくなるため、回転電機の運転効率が低下してしまう問題点があった。
【００３６】
そのため、本実施の形態１では、ウェッジ孔８１の孔出口の全周にわたって孔径拡大部８５を設けている。図７を用いて上述したように、回転子外周面１０には、急峻な流速勾配を有する乱流境界層が形成されている。このとき、本実施の形態１のように、孔径拡大部８５を設けている場合には、回転子１内の冷却ガス流れ１１が、回転子外周面１０に形成される乱流境界層に衝突する際に、孔径拡大部８５が無い場合に比べて、回転子１内の冷却ガス流れ１１は穏やかに偏向することができる。したがって、冷却ガス流れ１１の乱流境界層との衝突角を小さくすることができる。その結果、冷却ガス流れ１１の噴出の際に必要なエネルギを低減することができる。回転子１内の冷却ガス流れ１１がエアギャップ１２０内へ噴出する際の通風抵抗は低減される。そのため、本実施の形態１では、差圧の大きなファンを採用する必要が無い。その結果、ファン動力損を抑え、回転電機の運動効率の向上を図ることができる。
【００３７】
なお、本実施の形態１では、孔径拡大部８５を設けたことによる孔径拡大に伴い、孔径拡大部８５には回転子１内の冷却ガス流れ１１の一部が剥離したことで、剥離領域１２４が形成されるため、拡流損失を生じるが、当該拡流損失は微々たるものであり、全体として通風損失は低減される。
【００３８】
ところで、回転子１内の冷却ガス流れ１１とエアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１の衝突を緩和する従来の技術としてウェッジ孔８１に指向性の構造を持たしたものがある。
【００３９】
指向性ウェッジ孔を有する従来の回転電機の回転子の例として、図９および図１０に示すように、Ｖ字溝９０２をウェッジ孔８１の開口部の上流側に設け、さらに、ウェッジ孔８１の下流側に傾斜面９０３を設けたものがある（例えば、特許文献１参照）。なお、上記ウェッジ８を回転子鉄心２の径方向外側からみると図１０に示すような構成に見える。
【００４０】
図１０より明らかなように、特許文献１に記載されるような回転子１のウェッジ８は、エアギャップ１２０内の冷却ガス１２１の流れの周方向成分が支配的な時に効果が高いが、回転子端部のような、軸方向流れが大きい箇所での効果は低くなる。そのため、指向性ウェッジ孔を適用する箇所で効果が変化してしまう課題がある。
【００４１】
指向性ウェッジ孔を有する従来の回転電機の回転子の他の例として、図１１および図１２に示すように、突起９０１をウェッジ孔８１の開口部の上流側に設け、さらに、ウェッジ孔８１の下流側に傾斜面９０２を設けたものがある（例えば、特許文献２参照）。なお、上記ウェッジ８を回転子鉄心２の径方向外側からみると図１２に示すような構成に見える。
【００４２】
図１１より明らかなように、上記ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果は突起９０１の設置位置で大きく変化する。すなわち、突起９０１を正確にエアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１の上流側に設置できれば大きな低減効果を得ることができるが、設置位置が適切でないと低減効果は得ることができない。しかし、上述の通り、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は回転子１の軸方向の流れと回転子１の周方向の流れとが合成したものである。そのため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１を正確に予測するためには非常に高度な設計を要し、期待した低減効果を得ることは難しい。
【００４３】
そこで、ウェッジ孔８１を無指向性構造とすることで、上記課題を回避することができる。すなわち、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１がどの方向からきても、一定の通風抵抗低減効果を得ることができる。
【００４４】
なお、従来の回転電機の回転子として、図１３および図１４に示すように、回転子のコイルスロットに挿入された導体バー９０４に設けられた通風孔９０６の径方向外側部分に、テーパー部９０５が形成されているものがある（例えば、特許文献３参照）。その場合、導体バーの通風孔出口の全周面に対してテーパー加工を行うため、どの方向からエアギャップ内の冷却ガスが流れてきても一定の効果が期待できる。なお、図１４に示す通り、回転子鉄心２の径方向外側からウェッジ８をみると図４と同様な構成になっているように見える。しかしながら、通電加熱する導体バー９０４にテーパー加工を施すことにより、通電する導体バー９０４の断面積が減少し、銅損が増大するという問題が生じる。一方、本実施の形態１においては、通電加熱を伴わないウェッジ８に対して加工を施すため、特許文献３に記載の従来技術のように、銅損増大を招くこともない。
【００４５】
ところで、ファン１４０が脈動を起こした際には、回転電機１００の各部における冷却ガス１６０の流量が変動することになる。当然のことながら、エアギャップ１２０の流量も変動する。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の変動に合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態１のように、ウェッジ孔８１が指向性が無く、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の脈動に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００４６】
また、ファン１４０に偏流が発生した際にも、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の流量分布に偏りが生じる可能性がある。例えば図１５のように、冷却器１３０が回転電機１００の上側のみに設置されている場合、冷却ガス１６０はファン１４０の上側から吸い込まれ、下側に押し出される傾向が強くなる。結果として、エアギャップ１２０に流入する際の冷却ガス１６０の流量分布は周方向で偏りが生じる。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の偏りに合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態１のように、指向性が無く、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の偏流に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００４７】
ところで、回転電機１００の運転時には、各ラジアルパス９への冷却ガス１６０の流量分配の偏りなどのため、局所的な高温部が回転子コイル５に発生する場合がある。以下では、この局所的な高温部をホットスポットと呼ぶこととする。ホットスポットが発生した場合、回転電機１００の絶縁不良または回転子１の熱変形に伴う回転軸ぶれを起こす場合がある。また、その結果、最終的に回転電機１００の破損につながる可能性がある。そのため、従来の技術では、予め冷却ガス１６０の流量が不足する可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１の孔径を他のラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１と比べ広く、逆に、冷却ガス１６０の流量が過剰になる可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１の孔径を他のラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１と比べ狭くするなどして、回転子１の各ラジアルパス９に供給される冷却ガス１６０の流量分配を調整してきた。
【００４８】
本実施の形態１においては、予め冷却ガス１６０の流量が不足する可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１に対してのみ、孔径拡大部８５を設けるようにする。その場合、孔径拡大部８５が設けられたラジアルパス９に供給される冷却ガス１６０の流量を増やすことができる。その結果、ホットスポットの発生を抑制し、回転子コイル５を均一に冷却することができる。
【００４９】
あるいは、個々のウェッジ孔８１の孔径を調節する従来の技術と本実施の形態１とを併せて回転電機１００に適用することにより、回転子１の冷却能力を向上できるだけでなく従来よりも均一に冷却できる。
【００５０】
以上のように構成された実施の形態１の回転子１によれば、回転子鉄心２に、軸方向に延びた複数のコイルスロット３を形成し、各コイルスロット３にチャンネル４を形成している。そして、各コイルスロット３に、複数の回転子コイル５とターン絶縁物６とを積層して絶縁物７を介してウェッジ８で固定している。さらに、複数の回転子コイル５とターン絶縁物６に、それぞれ径方向に貫通するとともに、チャンネル４と連通する少なくとも一つ以上のラジアルパス９を形成している。絶縁物７とウェッジ８には、これら少なくとも一つ以上のラジアルパス９と連通するとともに、外周側に開口する、絶縁物孔７１とウェッジ孔８１とを形成している。そして、チャンネル４と、少なくとも一つ以上のラジアルパス９と、絶縁物７およびウェッジ８に形成された絶縁物孔７１とウェッジ孔８１により、冷却ガス１６０の通風路を形成している。さらに、ウェッジ８に穿てられたウェッジ孔８１の回転子１の径方向外側に位置する孔出口には孔径拡大部８５が設けられている。
【００５１】
これにより、実施の形態１の回転子１によれば、簡単な構造を用いて、回転子コイル５の銅損を増加させることなく、回転電機１００の回転子１の通風抵抗を安定して低減することができ、回転子１の冷却能力をより向上できる。
【００５２】
実施の形態２．
図１６および図１７を用いて、本発明の実施の形態２に係る回転子１に設けられたウェッジ孔８１について説明する。図１６は、本発明の実施の形態２に係る回転子１のウェッジ８部分を示す部分断面図である。図１７は、回転子鉄心２の径方向外側からみた本発明の実施の形態２に係る回転子１のウェッジ８を示す図である。
【００５３】
図１６に示すように、実施の形態２においては、回転子１のウェッジ孔８１に、傾斜面８２ａから構成された孔径拡大部８２が設けられている。実施の形態１に係る孔径拡大部８５の孔径が径方向に沿って一定だったのに対し、実施の形態２に係る孔径拡大部８２の内径、すなわち、第２の内径が、回転子１の径方向外側に向かって連続的に増加している点が実施の形態１と異なる。他の構成は実施の形態１と同様である。
【００５４】
本実施の形態２においては、図１６に示すように、回転子１のウェッジ孔８１の孔出口の先端の内側部分が、傾斜面８２ａになっている。すなわち、ウェッジ孔８１の孔出口の形状が、逆テーパー状になっており、開口部分が最も内径が大きくなっている。
【００５５】
上述したように、本実施の形態２においては、回転子１のウェッジ孔８１に、傾斜面８２ａから構成された孔径拡大部８２が設けられているが、この場合に限らず、図１８に示すように、傾斜面８２ａの代わりに、曲面８２ｂから孔径拡大部８２を構成するようにしてもよい。曲面８２ｂの場合も、傾斜面８２ａと同様に、孔径拡大部８２の内径は、回転子１の径方向外側に向かって連続的に増加している。
【００５６】
なお、図１６および図１８において、孔径拡大部８２の内壁が、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として左右対称に図示されていることから分かるように、孔径拡大部８２の内壁は、ウェッジ孔８１の全周、すなわち、３６０°にわたって、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として軸対称な形状になるように構成されている。従って、本実施の形態２においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を有さない。なお、ウェッジ８を回転子鉄心２の径方向外側からみると、図１７に示すような構成に見える。
【００５７】
このように、本実施の形態２においては、ウェッジ孔８１の全周にわたって傾斜面８２ａまたは曲面８２ｂからなる孔径拡大部８２を設けている。そのため、回転子１内の冷却ガス流れ１１が、回転子外周面１０に形成される乱流境界層に衝突する際に、回転子１内の冷却ガス流れ１１が傾斜面８２ａまたは曲面８２ｂに沿って緩やかに偏向する。これにより、冷却ガス流れ１１の噴出の際に必要なエネルギを低減できる。すなわち、ウェッジ孔８１の孔出口の全周にわたって、傾斜面８２ａまたは曲面８２ｂを設けることにより、回転子１内の冷却ガス流れ１１がエアギャップ１２０内へ噴出する際の通風抵抗は抑制される。
【００５８】
このとき、本実施の形態２においては、ウェッジ孔８１に傾斜面８２ａまたは曲面８２ｂを設けることで、回転子１内の冷却ガス流れ１１が孔径拡大部８２を通過する際に生じる剥離領域１２４を、実施の形態１よりも低減することができるため、実施の形態１よりも高い通風抵抗低減効果が期待できる。
【００５９】
なお、この低減効果は、ウェッジ孔８１に傾斜面８２ａを設けた場合よりも、曲面８２ｂを設けた場合の方が高い。
【００６０】
また、本実施の形態２においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を持たないため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１がどの方向からきても一定の通風抵抗低減効果が期待できる。そのため、例えば特許文献２などの従来技術のように、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１を予測する必要がなく、より簡便に冷却性能が向上した回転子１を得ることができる。
【００６１】
また、通電加熱を伴わないウェッジ８に対して加工を施すため、特許文献３に記載の従来技術のように銅損増大を招くこともない。
【００６２】
ところで、ファン１４０が脈動を起こした際には、回転電機１００の各部における冷却ガス１６０の流量が変動することになる。当然のことながら、エアギャップ１２０の流量も変動する。このとき、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の変動に合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態２のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の脈動に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００６３】
また、ファン１４０に偏流が発生した際にも、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の流量分布に偏りが生じる可能性がある。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の偏りに合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態２のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の偏流に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００６４】
さらに、予め冷却ガス１６０の流量が不足する可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１に対してのみ本実施の形態２の孔径拡大部８２を適用してもよい。その場合には、適用されたラジアルパス９に供給される冷却ガス１６０の流量を増やすことができ、ホットスポットの発生を抑制し、回転子コイル５を均一に冷却することができる。
【００６５】
そして、上述の個々のウェッジ孔８１の孔径を調節する従来の技術と本実施の形態２を併せて回転電機１００に適用することにより、回転子１の冷却能力を向上できるだけでなく従来よりも均一に冷却することが期待できる。
【００６６】
なお、本実施の形態２において、傾斜面８２ａまたは曲面８２ｂが始まる位置を境にして、孔径拡大部８２を「ウェッジ孔８１の第２の内径を有する第２の部分」とし、ウェッジ孔８１の孔径拡大部８２以外の他の部分を「ウェッジ孔８１の第１の内径を有する第１の部分」としたとき、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、ウェッジ孔８１は、第１の内径を有する第１の部分と、第１の部分よりも回転子鉄心２の径方向外側に配置され、第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分とを有している。
【００６７】
これにより、実施の形態２による回転子１のウェッジ８によれば、簡単な構造を用いて、回転子コイル５の銅損を増加させることなく、回転電機１００の回転子１の通風抵抗を低減することができ、回転子１の冷却能力をより向上できる。
【００６８】
実施の形態３．
図１９および図２０を用いて、本発明の実施の形態３に係る回転子１に設けられたウェッジ孔８１について説明する。図１９は、本発明の実施の形態３に係る回転子１のウェッジ８部分を示す部分断面図である。図２０は、回転子鉄心２の径方向外側からみた本発明の実施の形態３の回転子１のウェッジ８を示す図である。
【００６９】
図１９に示すように、実施の形態３においては、回転子１のウェッジ孔８１に対して、溝８６がウェッジ８の表面に形成されている点が実施の形態１および実施の形態２と異なる。他の構成は実施の形態１および実施の形態２と同様である。
【００７０】
なお、図１９において、溝８６が、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として左右対称に図示されていることから分かるように、溝８６は、ウェッジ孔８１の全周、すなわち、３６０°にわたって、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として軸対称な形状になるように構成されている。従って、本実施の形態３においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を有さない。なお、上記ウェッジ８を回転子鉄心２の径方向外側からみると図２０に示すような構成に見える。
【００７１】
このとき、本実施の形態３においては、ウェッジ孔８１に溝８６を設けることで、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、ウェッジ孔８１から噴出される回転子内の冷却ガス流れ１１と衝突する前に、溝８６によって偏向する。そのため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１とウェッジ孔８１から噴出される回転子内の冷却ガス流れ１１との衝突角は、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１が溝８６によって偏向した分だけ、さらに大きくなる。結果として、実施の形態１および実施の形態２よりも高い通風抵抗低減効果が期待できる。
【００７２】
また、本実施の形態３においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を持たないため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１がどの方向からきても一定の通風抵抗低減効果が期待できる。そのため、例えば特許文献２などの従来技術のように、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１を予測する必要がなく、より簡便に冷却性能が向上した回転子１を得ることができる。
【００７３】
また、通電加熱を伴わないウェッジ８に対して加工を施すため、特許文献３に記載の従来技術のように銅損増大を招くこともない。
【００７４】
ところで、ファン１４０が脈動を起こした際には、回転電機１００の各部における冷却ガス１６０の流量が変動することになる。当然のことながら、エアギャップ１２０の流量も変動する。このとき、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の変動に合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態３のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の脈動に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００７５】
また、ファン１４０に偏流が発生した際にも、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の流量分布に偏りが生じる可能性がある。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の偏りに合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態２のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の偏流に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００７６】
さらに、予め冷却ガス１６０の流量が不足する可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１に対してのみ本実施の形態２の孔径拡大部８２を適用してもよい。その場合には、適用されたラジアルパス９に供給される冷却ガス１６０の流量を増やすことができ、ホットスポットの発生を抑制し、回転子コイル５を均一に冷却することができる。
【００７７】
そして、上述の個々のウェッジ孔８１の孔径を調節する従来の技術と本実施の形態３を併せて回転電機１００に適用することにより、回転子１の冷却能力を向上できるだけでなく従来よりも均一に冷却することが期待できる。
【００７８】
これにより、実施の形態３による回転子１のウェッジ８によれば、簡単な構造を用いて、回転子コイル５の銅損を増加させることなく、回転電機１００の回転子１の通風抵抗を低減することができ、回転子１の冷却能力をより向上できる。
【００７９】
実施の形態４．
図２１および図２２を用いて、本発明の実施の形態４による回転子１を構成するウェッジ孔８１について説明する。図２１は、本発明の実施の形態４による回転子１のウェッジ８を示す部分断面図である。図２２は、回転子鉄心２の径方向外側からみた本発明の実施の形態４の回転子１のウェッジ８を示す図である。実施の形態４においては、ウェッジ孔８１が、突起８３ａから構成された突縁を有している点が、実施の形態１〜３とは異なる。本実施の形態４では、第２の内径を有する第２の部分としての孔径拡大部８３が、当該突縁によって構成されている。他の構成は実施の形態１〜３と同様である。
【００８０】
本実施の形態４においては、図２１に示すように、回転子１の径方向外側に位置するウェッジ孔８１の孔出口の全周にわたって突起８３ａが施されて、ウェッジ孔８１の突縁が形成されている。突起８３ａは、図２１に示すように、回転子鉄心２の回転子外周面１０から突出するように設けられている。突起８３ａからなる突縁は、短円筒形状を有し、その壁厚は、全周にわたって一定である。本実施の形態４では、突起８３ａで囲まれている部分を、孔径拡大部８３と呼ぶこととする。ここで、突起８３ａは、図２１に示すように、ウェッジ孔８１の出口孔よりも外側の部分に設けられているため、突起８３ａから構成された孔径拡大部８３の内径、すなわち、第２の内径は、ウェッジ孔８１の全周にわたって他の部分の内径、すなわち、第１の内径よりも大きい。
【００８１】
なお、図２１において、孔径拡大部８３の内壁および外壁が、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として左右対称に図示されていることから分かるように、孔径拡大部８３の内壁および外壁は、ウェッジ孔８１の全周、すなわち、３６０°にわたって、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として軸対称な形状になるように構成されている。従って、本実施の形態４においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を有さない。なお、上記ウェッジ８を回転子鉄心２の径方向外側からみると、図２２に示すような構成に見える。
【００８２】
このように、本実施の形態４において、突起８３ａで囲まれている孔径拡大部８３を「ウェッジ孔８１の第２の内径を有する第２の部分」とし、ウェッジ孔８１の孔径拡大部８３以外の他の部分を「ウェッジ孔８１の第１の内径を有する第１の部分」としたとき、本実施の形態４においても、実施の形態１と同様に、ウェッジ孔８１は、第１の内径を有する第１の部分と、第１の部分よりも回転子鉄心２の径方向外側に配置され、第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分とを有している。
【００８３】
本実施の形態４では、回転子１の径方向外側に位置するウェッジ孔８１の孔出口全周にわたって突起８３ａを設けることにより、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、ウェッジ孔８１から噴出される回転子内の冷却ガス流れ１１と衝突する前に、突起８３ａに衝突することで一部が剥離し、ウェッジ孔８１の周囲には剥離領域が形成される。
【００８４】
図２３は、回転子１の径方向外側に位置するウェッジ孔８１の孔出口全周にわたって突起８３ａが施されている場合における、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１の様子を図示したものである。図２３において、実線１２２は、回転子１上にとった回転座標系からみた流速分布である。上記の通り、実際のエアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、軸方向流れと周方向流れが合成されたものである。但し、図２３では、簡単のため、周方向流れの流速分布を用いて説明する。
【００８５】
図２３に示すように、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、突起８３ａに衝突し、突起８３ａの上方、すなわち、回転子鉄心２の外径方向に偏向される。さらに、冷却ガス流れ１２１は、突起８３ａの上端に達した後、その一部が剥離する。この剥離現象に伴い、突起８３ａの下流の流速分布は、図２３の流速分布のように逆流が生じ、死水領域１２３が形成される。この死水領域１２３での冷却ガス流れ１２１の速さは、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１の主流の速さと比較して微々たるものである。また、死水領域１２３内の静圧は低くなっている。即ち、乱流剪断層が強ければ強いほど、それを打ち破って流体を噴出させるのに要するエネルギは大きいことを考えれば、突起８３ａによって形成される死水領域１２３に冷却ガス流れ１１を噴出させるには小さなエネルギで十分であることは明らかである。
【００８６】
本実施の形態４においては、回転子外周面１０に位置するウェッジ孔８１の孔出口の全周にわたって、突起８３ａを設けている。それにより、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１が、回転子１のウェッジ孔８１から噴出される回転子１内の冷却ガス流れ１１と衝突する前に、突起８３ａと衝突する。その結果、回転子１内の冷却ガス流れ１１がウェッジ孔８１を通過してエアギャップ１２０へ排出される際の通風抵抗を抑制できる。
【００８７】
また、図２１から分かるように、突起８３ａの高さはエアギャップ１２０の幅に比べて十分に小さいため、突起８３ａを通過するために伴う通風抵抗は小さい。そのため、ウェッジ孔８１から噴出した回転子１内の冷却ガス流れ１１がウェッジ孔８１の下流にある突起８３ａとの衝突に伴う通風抵抗の増加は微々たるものであり、全体として通風抵抗は低減される。
【００８８】
また、下流側に位置する突起８３ａを死水領域１２３内に納まるように設置した場合、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１が下流側の突起８３ａと衝突する際の通風抵抗は、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１が上流側の突起８３ａと衝突する際の通風抵抗に比べ小さくなるため、より高い冷却能力をもつ回転電機１００の回転子１が得られる。
【００８９】
本発明の実施の形態４においても、実施の形態１，２と同様に、ウェッジ孔８１の構造が指向性を持たないため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１がどの方向から流れてきても一定の通風抵抗低減効果が期待できる。そのため、特許文献２の従来技術のように、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１を予測する必要がなく、より簡便に回転子１の冷却性能を向上することができる。
【００９０】
また、通電加熱を伴わないウェッジ８に対して加工を施すため、特許文献３に記載の技術のように銅損増大を招くこともない。
【００９１】
ところで、ファン１４０が脈動を起こした際には、回転電機１００の各部における冷却ガス１６０の流量が変動することになる。当然のことながら、エアギャップ１２０の流量も変動する。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の変動に合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態４のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の脈動に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００９２】
また、ファン１４０に偏流が発生した際にも、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の流量分布に偏りが生じる可能性がある。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の偏りに合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態４のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の偏流に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【００９３】
さらに、予め冷却ガス１６０の流量が不足する可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１に対してのみ、本実施の形態４の突起８３ａを適用すれば、適用されたラジアルパス９に供給される冷却ガス１６０の流量を増やすことができ、ホットスポットの発生を抑制し、回転子コイル５を均一に冷却することができる。
【００９４】
そして、個々のウェッジ孔８１の孔径を調節する従来の技術と本実施の形態４の突起８３ａとを併せて回転電機１００に適用することにより、回転子１の冷却能力を向上できるだけでなく従来よりも均一に冷却することが期待できる。
【００９５】
これにより、実施の形態４による回転子１のウェッジ８によれば、簡単な構造を用いて、回転子コイル５の銅損を増加させることなく、回転電機１００の回転子１の通風抵抗を低減することができ、回転子１の冷却能力をより向上できる。
【００９６】
なお、本実施の形態４において、ウェッジ孔８１の第２の内径の拡がり方によっても効果の程度が異なる。たとえば、第１の内径に対する第２の内径の比を、ウェッジ孔８１の第２の内径の拡がりとして、第１の内径に対する第２の内径の比を、１．６倍以下程度とすると良い。
【００９７】
実施の形態５．
図２４および図２５を用いて、実施の形態５による回転子１を構成するウェッジ孔８１について説明する。図２４は、本発明の実施の形態５による回転子１のウェッジ８部分を示す部分断面図である。図２５は、回転子鉄心２の径方向外側からみた本発明の実施の形態５の回転子１のウェッジ８を示す図である。図２４に示すように、実施の形態５においては、回転子１の径方向外側に位置するウェッジ孔８１の孔出口の全周にわたって、回転子外周面１０よりも外側に向かって突出した傾斜面８４ａが施されている点が、実施の形態１〜４とは異なる。他の構成は実施の形態１〜４と同様である。
【００９８】
本実施の形態５においては、図２４に示すように、回転子１の径方向外側に位置するウェッジ孔８１の孔出口全周にわたって、傾斜面８４ａが施されている。実施の形態５においては、傾斜面８４ａの一部が回転子外周面１０から突出することで、ウェッジ孔８１が、突起から構成された突縁を有している点が、実施の形態２とは異なる。すなわち、本実施の形態４では、第２の内径を有する第２の部分としての孔径拡大部８３の一部が、当該突縁によって構成されている。以下では、傾斜面８４ａで囲まれている部分を、孔径拡大部８４と呼ぶこととする。
【００９９】
孔径拡大部８４の製造方法としては、例えば、図８に示すような一般的なウェッジ８の厚みを予め設定された厚み分だけ厚くする。その場合、回転子外周面１０から、回転子の径方向外側に向かって、当該厚み分だけ、ウェッジ８の先端が突出することになる。このとき、ウェッジ８の先端の内側面が一定の角度の傾斜面になるように形成することにより、傾斜面８４ａを形成することができる。また、外側面においても同様に形成することで、孔径拡大部８４を形成することができる。
【０１００】
このように、本実施の形態５において、傾斜面８４ａで囲まれている孔径拡大部８４を「ウェッジ孔８１の第２の内径を有する第２の部分」とし、ウェッジ孔８１の孔径拡大部８４以外の他の部分を「ウェッジ孔８１の第１の内径を有する第１の部分」としたとき、実施の形態１と同様に、ウェッジ孔８１は、第１の内径を有する第１の部分と、第１の部分よりも回転子鉄心２の径方向外側に配置され、ウェッジ孔８１の全周にわたって第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分とを有している。
【０１０１】
なお、ウェッジ８の先端の内側面の形状は、図２４に示す傾斜面８４ａに限定されるものではなく、例えば、図２６に示すように、曲面８４ｂであってもよい。
【０１０２】
また、孔径拡大部８４の突起部分の外側面は、図２４に示すように、回転子外周面１０に対して直角である必要はなく、例えば、図２７に示すように、傾斜面８４ｃであってもよい。傾斜面８４ｃは、図２７に示されるように、傾斜面８４ａの頂点から回転子外周面１０に向かって一定の角度で傾斜している。このとき、傾斜面８４ｃが、傾斜面８４ａと反対側に向かって傾斜しているため、２つの傾斜面８４ａ，８４ｃから形成された部分は、図２７に示すように、山状になっている。なお、図２７は、図２４の構成に対して傾斜面８４ｃを設けた例を示しているが、図２８は、図２６の構成に対して、傾斜面８４ｃを設けた例を示す。図２８に示すように、曲面８４ｂから形成された孔径拡大部８４の外側面を傾斜面８４ｃから構成するようにしてもよい。
【０１０３】
また、孔径拡大部８４の突起部分の外側面に、図２９に示すように、溝８６を設けるように構成してもよい。
【０１０４】
なお、図２４〜図２８において、孔径拡大部８４の内壁および外壁が、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として左右対称に図示されていることから分かるように、孔径拡大部８４の内壁および外壁は、ウェッジ孔８１の全周、すなわち、３６０°にわたって、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として軸対称な形状になるように構成されている。従って、本実施の形態５においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を有さない。なお、ウェッジ８を回転子鉄心２の径方向外側からみると図２５に示すような構成に見える。
【０１０５】
図２９においても、径拡大部８４の内壁および外壁、そして溝８６が、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として左右対称に図示されていることから分かるように、孔径拡大部８４の内壁および外壁は、ウェッジ孔８１の全周、すなわち、３６０°にわたって、ウェッジ孔８１の中心軸を軸として軸対称な形状になるように構成されている。従って、本実施の形態５においても、ウェッジ孔８１の構造は指向性を有さない。
【０１０６】
図３０は、回転子１の径方向外側に位置するウェッジ孔８１の孔出口の全周にわたって、回転子外周面１０から突出した孔径拡大部８４が施されている場合において、回転子１の回転座標系からみた流速分布図である。上記の通り、実際のエアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、軸方向流れと周方向流れとが合成されたものである。図３０では、簡単のため、周方向流れの流速分布のみを用いて説明する。各ウェッジ孔８１の孔出口全周にわたって突出した孔径拡大部８４を設けることにより、実施の形態４の場合と同様に、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１は、以下のようになる。すなわち、冷却ガス流れ１２１は、ウェッジ孔８１から噴出される回転子内の冷却ガス流れ１１と衝突する前に、突出した孔径拡大部８４の外側面に衝突する。それにより、ウェッジ孔８１の周囲には死水領域１２３が形成される。死水領域１２３の形成に伴う静圧低下により、回転子１内の冷却ガス流れ１１がウェッジ孔８１を通過する際の通風抵抗は低下する。また、ウェッジ孔８１内側には傾斜面８４ａまたは曲面８４ｂが施されているため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１との衝突角を緩和でき、よりいっそう高い通風抵抗低減効果が期待できる。
【０１０７】
本実施の形態５に係るウェッジ孔８１の構造は、指向性を持たないため、エアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１がどの方向からきても一定の通風抵抗低減効果が期待できる。そのため、特許文献２の従来技術のようにエアギャップ１２０内の冷却ガス流れ１２１を予測する必要がなく、より簡便に回転子１の冷却性能を向上することができる。
【０１０８】
また、通電加熱を伴わないウェッジ８に対して加工を施すため、特許文献３に記載の技術のように銅損増大を招くこともない。
【０１０９】
ところで、ファン１４０が脈動を起こした際には、回転電機１００の各部における冷却ガス１６０の流量が変動することになる。当然のことながら、エアギャップ１２０の流量も変動する。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の変動に合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態５のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の脈動に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【０１１０】
また、ファン１４０に偏流が発生した際にも、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の流量分布に偏りが生じる可能性がある。このような場合、ウェッジ孔８１が指向性をもつ構造であった場合、エアギャップ１２０の冷却ガス１６０の偏りに合わせて、ウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果も変動する。一方、本実施の形態５のように、指向性が無く、且つ、通風抵抗を低減できるような構造をウェッジ孔８１に適用した場合、ファン１４０の偏流に関係なく、安定したウェッジ孔８１の通風抵抗低減効果を期待できる。
【０１１１】
さらに、予め冷却ガス１６０の流量が不足する可能性があるラジアルパス９に連通されたウェッジ孔８１に対してのみ、本実施の形態５の孔径拡大部８４を適用すれば、適用されたラジアルパス９に供給される冷却ガス１６０の流量を増やすことができ、ホットスポットの発生を抑制し、回転子コイル５を均一に冷却することができる。
【０１１２】
そして、個々のウェッジ孔８１の孔径を調節する従来の技術と本発明の実施の形態５を併せて回転電機１００に適用することにより、回転子１の冷却能力を向上できるだけでなく従来よりも均一に冷却することが期待できる。
【０１１３】
これにより、実施の形態５による回転子１のウェッジ８によれば、簡単な構造を用いて、回転子コイル５の銅損を増加させることなく、回転電機１００の回転子１の通風抵抗を低減することができ、回転子１の冷却能力をより向上できる。
【０１１４】
なお、本実施の形態５においても、実施の形態４と同様に、ウェッジ孔８１の第２の内径の拡がり方によっても効果の程度が異なる。たとえば、第１の内径に対する第２の内径の比を、ウェッジ孔８１の第２の内径の拡がりとして、第１の内径に対する第２の内径の比を、１．６倍以下程度とすると良い。
【０１１５】
上記の実施の形態１〜５は、本発明のいくつかの実施形態を示すものであり、本発明は、それに限定されるものではない。本発明は、その発明の範囲内において、適宜、変形、省略することが可能である。また、本発明は、冷却ガス１６０の種類に依存するものではない。
【符号の説明】
【０１１６】
１  回転子、２  回転子鉄心、３  コイルスロット、４  チャンネル、５  回転子コイル、６  ターン絶縁物、７  絶縁物、  ８  ウェッジ、９  ラジアルパス、１０  回転子外周面、１１  冷却ガス流れ、７１  絶縁物孔、８１  ウェッジ孔、８２，８３，８４，８５  溝、８６ 孔径拡大部、８２ａ  傾斜面、８２ｂ  曲面、８３ａ  突起、８４ａ  傾斜面、８４ｂ  曲面、８４ｃ  傾斜面、１００  回転電機、１１０  固定子、１１１  固定子内周面、１２０  エアギャップ、１２１  冷却ガス流れ、１２２  冷却ガス流速分布、１２３  死水領域、１２４  剥離領域、１３０  冷却器、１４０  ファン、１５０  回転軸、１６０  冷却ガス、９０１  突起、９０２，９０３  傾斜面、９０４  導体バー、９０５  テーパー部、９０６  通風孔。
【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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【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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【手続補正書】
【提出日】令和2年5月26日(2020.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
本発明に係る回転子は、軸方向に延びた複数のコイルスロットが外周面に設けられた円筒状の回転子鉄心と、前記コイルスロット内に配置された回転子コイルと、前記コイルスロットの開口部に設けられ、前記回転子コイルを前記コイルスロット内に固定させるとともに、前記回転子鉄心の径方向に延びて前記コイルスロットの内部から外部に向かって冷却ガスを流通させる１以上のウェッジ孔を有する、ウェッジとを備え、前記ウェッジ孔のうちの少なくとも１つは、第１の内径を有する第１の部分と、前記第１の部分よりも前記回転子鉄心の径方向外側に配置され、ウェッジ孔全周にわたって前記第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分とを有し、前記ウェッジ孔のうちの前記少なくとも１つは、前記回転子鉄心の前記外周面から突出した突縁を有し、前記第２の部分の全部または一部は、前記突縁によって構成される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びた複数のコイルスロットが外周面に設けられた円筒状の回転子鉄心と、
前記コイルスロット内に配置された回転子コイルと、
前記コイルスロットの開口部に設けられ、前記回転子コイルを前記コイルスロット内に固定させるとともに、前記回転子鉄心の径方向に延びて前記コイルスロットの内部から外部に向かって冷却ガスを流通させる１以上のウェッジ孔を有する、ウェッジと
を備え、
前記ウェッジ孔のうちの少なくとも１つは、
第１の内径を有する第１の部分と、
前記第１の部分よりも前記回転子鉄心の径方向外側に配置され、
ウェッジ孔の全周にわたって前記第１の内径よりも大きい第２の内径を有する第２の部分と
を有し、
前記ウェッジ孔のうちの前記少なくとも１つは、前記回転子鉄心の前記外周面から突出した突縁を有し、
前記第２の部分の全部または一部は、前記突縁によって構成される、
回転子。
【請求項２】
前記第１の内径は、前記回転子鉄心の径方向に沿って一定である、
請求項１に記載の回転子。
【請求項３】
前記第２の内径は、前記回転子鉄心の径方向に沿って一定である、
請求項１または２に記載の回転子。
【請求項４】
前記第２の内径は、前記回転子鉄心の径方向外側に向かって連続的に増加する、
請求項１または２に記載の回転子。
【請求項５】
前記ウェッジ孔のうちの前記少なくとも１つは、
前記ウェッジ孔の径方向外側のウェッジ表面に溝を有した、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の回転子。
【請求項６】
前記第２の部分の内壁は、前記ウェッジ孔の全周にわたって、前記ウェッジ孔の中心軸を中心として軸対称な形状になるように構成されている、
請求項１から５までのいずれか１項に記載の回転子。
【請求項７】
請求項１から６までのいずれか１項に記載の回転子と、
前記回転子の外周に対して空隙を介して配置された固定子と
を備えた回転電機。
【国際調査報告】
2019220779.tif 000033
2019220779.tif 000034
2019220779.tif 000035
2019220779.tif 000036