(57)【要約】【課題】中央ロータ冷却ダクトを備えた電気機械用の冷却システムを提供する。【解決手段】  電気機械はステータ（１４）を含み、ステータは、該ステータ及びロータ間のギャップ（１８）内に冷却媒体を流すための半径方向内向き誘導ダクト（３０）を該機械の中央部に隣接して有する。ロータは、機械の中央部における界磁巻線を冷却するために流れをほぼ半径方向内向きに向けるようになったスクープ（３６、４６）を有する半径方向又は斜め方向ダクト（３４、４８）を含む。冷却媒体は、サブスロット（４０）内に流れ、半径方向又は斜め方向のいずれかの外向きの流れとして出口ダクトを通って流れてギャップに戻るようになる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転電気機械であって、
ロータ（１２）と前記回転電気機械のための冷却システムとを有し、
前記ロータは、界磁巻線と該ロータ周囲のステータ（１４）とを備え、
前記冷却システムは、前記ロータの両端部を貫通して開口し且つ前記ロータ界磁巻線のそれぞれの部分の下に位置するほぼ軸方向に延びる複数のサブスロット（２８）と、前記サブスロットに連通した状態で前記ロータの両端部分に隣接して前記界磁巻線を貫通して延びて該サブスロットに沿って軸方向に流れる冷却媒体を受け且つ該冷却媒体を前記ステータ及びロータ間のギャップ（１８）内に排出する複数のダクト（２６）と、を備え、
前記ステータが、前記回転電気機械の両端部分の中間部に、前記ギャップ及びロータに向かって冷却媒体を流すための冷却媒体入口ダクト（１６）を備え、
前記ロータが、該ロータ両端部分の中間部に複数の入口ダクト（３４）及び出口ダクト（３８）を有し、前記ステータ中間部のダクトから受けた冷却媒体を前記ロータ中間部の入口ダクトに沿って内向きにまた前記ロータ中間部の出口ダクトに沿って前記ギャップ内に外向きに流す、
回転電気機械。
【請求項２】
前記ロータ中間部の入口ダクトが、半径方向外端部に、前記ステータ中間部の冷却媒体入口ダクトから受けた前記ギャップ内の冷却媒体を収集し且つ該冷却媒体を前記ロータの内側に流すためのスクープ（３６）を備える、請求項１記載の回転電気機械。
【請求項３】
前記ロータ端部のダクトから前記ギャップ内に排出された冷却媒体と前記ロータ中間部の出口ダクトから該ギャップ内に排出された冷却媒体との間にバッフル（５４）が設けられている、請求項１又は２に記載の回転電気機械。
【請求項４】
前記ロータが、前記ロータの両端部分の中間に設置された複数のサブスロット（４０）を備え、該複数のサブスロットは前記ロータ中間部の入口ダクト（３４）と連通し、該ロータ中間部の入口ダクトから受けた冷却媒体を前記ロータ中間部の出口ダクト内に流す、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電気機械。
【請求項５】
前記ロータ中間部の入口ダクト（４８）及び前記ロータ中間部の出口ダクト（４２）が、前記ロータの半径に対して角度をなして配置される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電気機械。
【請求項６】
前記ロータ中間部の入口ダクトは半径方向外端部にスクープ（３６）を備え、
前記スクープが前記ステータ中間部の冷却媒体入口ダクトから受けた前記ギャップ内の冷却媒体を収集し且つ該冷却媒体をロータの内側に流す、請求項５に記載の回転電気機械。
【請求項７】
前記ロータ端部のダクトから前記ギャップ内に排出された冷却媒体と前記ロータ中間部の出口ダクトから該ギャップ内に排出された冷却媒体との間にバッフル（５４）が設けられている、請求項５又は６に記載の回転電気機械。
【請求項８】
前記ロータ中間部の入口ダクト（４８）が、前記ロータの半径に対して角度をなして延び、前記ロータ中間部の出口ダクト（３８）が、ロータの半径方向に延びる、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電気機械。
【請求項９】
前記ロータ中間部の入口ダクト（４８）が軸方向に延びるサブスロットと連通し、該サブスロットが前記ロータ中間部の出口ダクト（３８）に連通している、請求項８に記載の回転電気機械。
【請求項１０】
前記ロータ中間部の入口ダクトが、半径方向外端部にスクープ（４６）を備え、
前記スクープが前記ステータ中間部の冷却媒体入口ダクトから受けた前記ギャップ（１８）内の冷却媒体を収集し且つ該冷却媒体をロータの内側に流す、請求項８又は９に記載の回転電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電気機械に関し、具体的には、コア冷却通気システムを有する機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば発電機などの回転電気機械において、ロータの両端部で開口したサブスロットは一般的に、ロータの界磁巻線の下に位置する。半径方向冷却スロットが、サブスロットに連通した状態で巻線を貫通して延びる。冷却媒体は、ロータの両端部から供給され、サブスロット及び界磁巻線の半径方向冷却ダクトを通って流れ、ロータ及びステータ間のギャップ内に流出する。従って、例えば空気などの冷却媒体は、ロータ界磁巻線のコイルと直接熱交換を行う関係になる。
【０００３】
この種の冷却通気システムは、特に例えば２００インチよりも小さいオーダの限られた長さをもつ小型の機械では満足できるものであることが分かっている。例えば２００インチを超えるロータのようなより大型の機械の場合には、長尺のロータにより、サブスロットを通る冷却媒体の流れが制限される。すなわち、サブスロットの累積断面積は、半径方向ダクトの累積断面積よりも著しく小さい。このことによって、半径方向冷却ダクトへの入口位置において大きな圧力低下が起こり、ロータの中央又は中間部分内への冷却媒体の流れが不十分になる。
【０００４】
これらのより長尺の回転機械においては、ロータの中間部分に付加的な冷却を行うために様々な構成が提案されかつ製作されてきた。例えば、入口孔におけるスクープを使用して、冷却媒体と回転ロータとの間の衝突によって冷却媒体を巻線内に強制的に導入するようにしてきた。また、一巻きごとに僅かに軸方向にオフセットした孔を通って冷却媒体がコイルの底部に向けて内向きに流れ、同じく軸方向にオフセットした別の孔を通ってロータ表面及びギャップに戻ることができるような斜め方向（diagonal）冷却媒体流ダクトも利用されてきた。米国特許第５，６５２，４６９号に開示されているような逆流通気システムもまた使用されてきた。
【特許文献１】米国特許第５，６５２，４６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特により長尺の電気機械のロータの中間領域における冷却及び通気の改善を行う必要性が依然として存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の好ましい実施形態では、回転電気機械を提供し、本回転電気機械は、界磁巻線とロータ周りのステータとを備えるロータと、ロータの両端部を貫通して開口し且つロータ界磁巻線のそれぞれの部分の下に位置するほぼ軸方向に延びる複数のサブスロットと該サブスロットに連通した状態でロータの両端部分に隣接して界磁巻線を貫通して延びて該サブスロットに沿って軸方向に流れる冷却媒体を受け且つ該冷却媒体をステータ及びロータ間のギャップ内に排出するようになった複数のダクトとを備える該回転電気機械用の冷却システムとを含み、前記ステータは、前記回転電気機械の両端部分の中間に、ギャップ及びロータに向かって冷却媒体を流すための冷却媒体入口ダクトを含み、前記ロータは、該ロータの両端部分の中間に複数の入口ダクト及び出口ダクトを含み、前記中間ステータダクトから受けた冷却媒体を中間ロータ入口ダクトに沿って内向きにまた中間ロータ出口ダクトに沿ってギャップ内に外向きに流すようにする。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面、特に図１を参照すると、ロータ１２とステータ１４とを含む全体を符号１０で表した電気機械を示している。図は機械の１つの端部及び中央の一部分を図示しており、反対側端部は同様である。図示するように、ステータ１４は、ステータ及びロータ間のエアギャップ１８内に冷却媒体を半径方向内向きに流すための半径方向内向き誘導ダクト１６を複数含んでいる。エアギャップ１８は、この説明の明確化のために正確な縮尺ではなく大きく誇張された深さで示されているが、エアギャップは一般的に、機械の効率を維持するために最小の深さに保たれることが分かるであろう。また、ステータ１４の末端巻線２０も図示している。
【０００８】
図１及び図４に示すように、ロータ１２は複数の界磁巻線２０を含み、界磁巻線２０は、ロータの周りで円周方向に間隔を置いた位置に形成されたスロット２２内でロータに沿って長手方向に延びる。界磁巻線は、その構造は従来型のものであり、ロータの外周部に隣接して形成された溝２５内でロータに固定されたウェッジ２４によってスロット２２内に保持される。各スロット２２を通る界磁巻線は、冷却媒体を界磁巻線２０の周りに流すためのダクト２６を形成する半径方向に整合した冷却孔を有する。冷却媒体は、ロータ１２の両端部で開口した軸方向に延びるサブスロット２８を通してダクト２６に供給される。
【０００９】
また図１に示すように、ステータ冷却スロット１６が設けられ、スロット１６を通って流れる冷却媒体は、スロット２６を通って流れる冷却媒体がギャップ１８内に流出するのと同様にエアギャップ１８内に流出する。エアギャップ１８内の冷却媒体は一般的に、ロータ及びステータの端部におけるエアギャップの環状外端部を通って流出する。
【００１０】
しかしながら、長尺のロータにおいては、サブスロット２８を通過する軸方向内向きの通常の流れによって、ロータの中間部分の流量的要求を充足することができない。その結果、特にこれらのより長尺の電気機械におけるロータの中央部分には、大きな熱蓄積が発生する。これらの長尺の電気機械の中央又は中間部分に付加的な冷却流れを供給するために、また本発明の１つの実施形態では、ロータに対する付加的な冷却流れを、中間ステータ入口ダクト（ステータ中間部の入口ダクト）３０によってステータを介して供給する。ロータの中央又は中間部分３２にはまた、ロータの表面にスクープ３６を有する半径方向内向き流ダクト３４が設けられる。スクープ３６は、ロータの外周表面を越えて突出したものとして示しているが、実際にはスクープ３６は、ロータの表面の下方に位置する。スクープ３６は、中間ステータ入口ダクト３０を介してエアギャップ１８に供給された冷却媒体を入口ダクト３４を通して半径方向内向きに向ける。冷却媒体流は次に、サブスロット４０に送給され、半径方向外向き誘導ダクト３８を通して外向きに放出される。サブスロット４０はまた、サブスロット２８に連通した状態にすることができる。ステータ入口ダクト３０を介して供給された冷却媒体は、ロータの中間部分、特に長尺の電気機械の中間ロータ部分を冷却することが分かるであろう。
【００１１】
図２を参照すると、中間ステータ入口ダクト３０又は一連のステータ入口ダクト３１からの冷却気流は、ギャップ１８にわたって、斜め方向に向いたロータ入口ダクト４８によって受けることができる。図２及び図５を参照すると、界磁巻線を貫通する斜め方向ダクト４０は、機械の中央部分内の冷却媒体をエアギャップ１８から半径方向内向きかつ軸方向に移動させる。冷却媒体は、各スロット２２の底部の近くで流れ方向を反転して、エアギャップ１８内に開口した斜め方向出口ダクト４２を通ってほぼ半径方向かつ軸方向外向きに流れる。斜め方向入口ダクト４８は、図１に示したような、流れを半径方向内向き方向に向けるのに役立つ同様の入口スクープ４６を有する。
【００１２】
これに代えて図３に示すように、機械の中央又は中間部分において界磁巻線を貫通して斜め方向に延びる入口ダクト４８は、界磁巻線の中央部に設置した部分の下で冷却媒体をロータに沿ってほぼ軸方向に流すための軸方向に延びるサブスロット５０に連通することができる。サブスロット５０は、半径方向外向き誘導ダクト２６に連通し、かつロータのサブスロット２８に連通することができる。図１〜図３のこれら実施形態の各々では、エアギャップ１８内にバッフル５４を設けて、ステータからの低温の冷却媒体流を、ロータダクトからエアギャップ内に流入する高温流から分離することができる。バッフル５４は、ロータ又はステータのいずれかに設置することができる。
【００１３】
電気機械の中央又は中間部分に隣接するステータ入口ダクトを通して冷却媒体を直接供給することによって、ロータの中央又は中間部分に付加的冷却媒体を供給することができることが分かるであろう。ロータ上のスクープは、ロータが回転している時に、追加の流量をもたらしかつ付加的冷却流に速度を与えて、その流れが半径方向内向きに流れることを可能にする。もちろんロータの回転速度は、付加的冷却媒体が界磁巻線スロットの底部又はサブスロットから流出するのを助ける。その結果、ロータの中央又は中間部分は、通常のサブスロット通気断面積を増大させずに冷却することができる。さらに、サブスロットを通る流量が減少することにより、ロータサブスロット内の流れの速度が低下して、半径方向ダクトの均一なマニホルド分配が改善されることになる。サブスロット内で発生する圧力損失が減少し、その結果、機械効率が増大することになる。さらに、機械の中央又は中間部分における流入により、ロータ／ステータギャップ内の圧力が低下し、その結果、ステータ中央セクションを通る付加的流量が生じるようになる。
【００１４】
現在最も実用的でかつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図面の図が機械を通る冷却媒体の様々な流れを示した状態の、ステータとロータとを含む電気機械の１つの半部分の概略図。
【図２】斜め方向流の中間冷却システムを示す、図１と同様の図。
【図３】本発明の別の実施形態を示す、図１と同様の図。
【図４】図１のほぼ線４−４について取った断面図。
【図５】図２のほぼ線５−５について取った概略断面図。
【符号の説明】
【００１６】
１０  電気機械
１２  ロータ
１４  ステータ
１６  ダクト
１８  エアギャップ
２０  末端巻線
２２  スロット
２４  ウェッジ
２５  溝
２６  ダクト
２８  サブスロット
３０  中間ステータ入口ダクト
３１  ステータ入口ダクト
３２  中間部分
３４  流れダクト
３６  スクープ
３８  半径方向外向き誘導ダクト
４０  サブスロット
４２  出口ダクト
４６  入口スクープ
４８  入口ダクト
５０  サブスロット
５４  バッフル
【図１】
2006353086.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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