(57)【要約】【課題】  回転子スポーク機構における通風損失を低減する。【解決手段】  実施形態によれば、回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ冷却ガスを当該回転子スポークの内部空間に取り込むための流入孔を有する端板と、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムとを具備する回転電機の回転子において、前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ前記端板の流入孔を通じて前記回転子スポークの内部空間に取り込まれる冷却ガス同士が相互干渉することを妨げる第１の仕切り板が前記回転子スポークの内部空間に設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ冷却ガスを当該回転子スポークの内部空間に取り込むための流入孔を有する端板と、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムとを具備する回転電機の回転子において、
前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ前記端板の流入孔を通じて前記回転子スポークの内部空間に取り込まれる冷却ガス同士が相互干渉することを妨げる第１の仕切り板が前記回転子スポークの内部空間に設けられている、回転電機の回転子。
【請求項２】
各端板には回転子半径方向に２つ以上の流入孔が設けられ、
隣り合う流入孔を通じて前記回転子スポークの内部空間に取り込まれる冷却ガス同士が相互干渉することを妨げる第２の仕切り板が前記回転子スポークの内部空間に設けられている、請求項１に記載の回転電機の回転子。
【請求項３】
前記第２の仕切り板は、前記流入孔の下流側において、板の伸びる向きが回転子軸方向から途中で回転子半径方向へと変化するＬ字形状の板である、請求項２に記載の回転電機の回転子。
【請求項４】
前記第２の仕切り板は、前記流入孔の下流側において、板の伸びる向きが回転子軸方向から徐々に回転子半径方向へと変化する湾曲形状の板である、請求項２に記載の回転電機の回転子。
【請求項５】
前記流入孔の下流側に、ベルマウス形状の部材がさらに設けられている、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項６】
前記流入孔の上流側に、当該回転子の回転方向に開口する開口部を有し前記開口部に流入する冷却ガスを前記流入孔へ導く流入孔カバーが設けられている、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【請求項７】
回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ冷却ガスを当該回転子スポークの内部空間に取り込むための流入孔を有する端板と、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムとを具備する回転電機の回転子において、
前記回転子スポークの軸方向両端面からそれぞれ前記端板の流入孔を通じて冷却ガスが流入する空間と、前記回転子リムへ冷却ガスを導く空間とを、回転子半径方向に仕切る貫通孔付き仕切り板が前記回転子スポークの内部空間に設けられている、回転電機の回転子。
【請求項８】
前記貫通孔付き仕切り板は、開口面積の異なる複数の貫通孔を備えている、請求項７に記載の回転電機の回転子。
【請求項９】
前記流入孔の下流側に、ベルマウス形状の部材がさらに設けられている、請求項７又は８に記載の回転電機の回転子。
【請求項１０】
前記流入孔の上流側に、回転子回転方向に向けて開口する開口部を有し当該開口部に流入する冷却ガスを前記流入孔へ導く流入孔カバーが設けられている、請求項７乃至９のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転電機の回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の回転子の冷却技術に関しては、効率向上を目的に、より少ない冷却ガスを用い、より効果的に冷却を行うための構造や構成の技術開発が進められている、例えば回転子部の回転子スポーク内の冷却ガスの流れを整流化し、通風損失を低減する技術が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭５９−１１７４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図９は、従来の一般的な回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図１０は、従来の一般的な回転子スポーク流入孔の構成を示す斜視図である。
【０００５】
回転子軸１には回転子スポーク機構２が固設されている。この回転子スポーク機構２は回転子軸１を中心に放射線状に回転子軸１表面から外側に伸びた回転子スポーク３とこの回転子スポーク３の上端および下端にそれぞれ固着された端板５から構成される。
【０００６】
回転電機の機内を冷却する方法として、回転子軸１と回転子に付随する構造物の回転に伴う遠心ファン作用により冷却ガス６を循環するラジアル通風方式と呼ばれる通風方式が知られている。ラジアル通風方式では、冷却ガス６が端板５に設けられた流入孔４より回転子スポーク機構２内に流入し、その後、回転子スポーク機構２内を外周方向に移動し、回転子リム７に設けられたリムダクト（冷却ガス通路）８を通過してポール９の間に流出すると同時に回転子コイル１０を冷却するように構成されている。
【０００７】
冷却ガス６は、回転子スポーク機構２の上端側の端板５と下端側の端板５とから流入し、回転子スポーク機構２の中央へ向かう流速ベクトルを有するため、回転子スポーク機構２の中央近傍で衝突し、複雑な流動となって渦などが発生し、様々な通風損失が生じ、効率的な冷却を阻害する。また、その後流で回転子スポーク機構２からリムダクト８に流入する際には、冷却ガス６の流速ベクトルがリムダクト８のダクト内の流れ方向に対し平行でないため、リムダクト８入口近傍で入口損失が大きくなるとともに、流れの剥離も発生、通風損失が大きくなる。さらに、ここで発生する流れの剥離により、回転子スポーク機構２内の冷却ガス６の流量分布が不均一となり、回転方向Ｒに沿って複数設けられたリムダクト８へ流入する冷却ガス６の流量も回転軸方向に対して分布を有することとなり、流入する冷却ガス６の流量が少ないリムダクト８が存在し、その結果、局所的に冷却が不十分、すなわち温度の高い部分が生じることとなる。このため、耐温度に上限のあるコイル絶縁材料の保護や回転軸方向の熱伸び差を回避することを目的に、冷却ガス６の必要流量が増加し、さらに通風損失が大きくなる原因となる。
【０００８】
また、冷却ガス６を回転子スポーク機構２内へ導入する駆動力は、前述のとおり回転子の回転に伴う遠心ファン作用であり、流入冷却ガス量を増加させるためには、回転子の回転数を増加させるか、回転子半径を拡張する必要がある。
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、回転子スポーク機構における通風損失を低減することが可能な回転電機の回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態によれば、回転子軸と、前記回転子軸の外周側に設けられる回転子スポークと、前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ冷却ガスを当該回転子スポークの内部空間に取り込むための流入孔を有する端板と、前記回転子スポークの外周側に設けられ冷却ガスの通路となるリムダクトを有する回転子リムとを具備する回転電機の回転子において、前記回転子スポークにおける回転子軸方向の両端面からそれぞれ前記端板の流入孔を通じて前記回転子スポークの内部空間に取り込まれる冷却ガス同士が相互干渉することを妨げる第１の仕切り板が前記回転子スポークの内部空間に設けられている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転子スポーク機構における通風損失を低減することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図２】同実施形態に係る回転子スポーク流入孔の構成を示す斜視図。
【図３】回転子の第１の変形例の構成を示す縦断面図。
【図４】回転子の第２の変形例の構成を示す縦断面図。
【図５】回転子の第３の変形例の構成を示す縦断面図。
【図６】回転子の第４の変形例の構成を示す斜視図。
【図７】第２の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図８】図７中の貫通孔付き仕切り板の構成を示す縦断面図。
【図９】従来の一般的な回転電機の回転子の構成を示す縦断面図。
【図１０】従来の一般的な回転子スポーク流入孔の構成を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
最初に、図１〜図６を参照して、第１の実施形態について説明する。なお、前述した図９、図１０と共通する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図２は、同実施形態に係る回転子スポーク流入孔の構成を示す斜視図である。
【００１５】
回転子軸１には回転子スポーク機構２が固設されており、この回転子スポーク機構２は回転子軸１を中心に放射線状に回転子軸１表面から外側に伸びた回転子スポーク３とこの回転子スポーク３の上端および下端にそれぞれ固着された端板５から構成される。
【００１６】
また、回転電機の機内を冷却する方法として、回転子軸１と回転子に付随する構造物の回転に伴う遠心ファン作用により冷却ガス６を循環するラジアル通風方式が採用されており、冷却ガス６が端板５に設けられた複数の流入孔４より回転子スポーク機構２内に流入し、その後、回転子スポーク機構２内を外周方向に移動し、回転子リム７に設けられたリムダクト８を通過してポール９の間に流出すると同時に回転子コイル１０を冷却するように構成されている。
【００１７】
本実施形態では、図１に示すように回転子スポーク機構２によって仕切られた内部空間を、隣り合う流入孔４間の適当な位置で回転子スポーク構造２の軸方向に（回転子半径方向に）区切る、半径方向仕切り板１１を設け、さらに回転子スポーク構造２の内部空間を上下に（回転子軸方向に）区切る、上下方向仕切り板１２を設けている。半径方向仕切り板１１は、隣り合う２つの流入孔４を通じて回転子スポーク３の内部空間に取り込まれる冷却ガス同士が相互干渉することを妨げる。一方、上下方向仕切り板１２は、回転子スポーク３における回転子軸方向の両端面からそれぞれ端板５の流入孔４を通じて回転子スポーク３の内部空間に取り込まれる冷却ガス同士が相互干渉することを妨げる。
【００１８】
半径方向仕切り板１１の回転子半径方向の設置位置は、端板５の内径側にある流入孔４の半径方向中心位置と外径側にある流入孔４の半径方向中心位置との間の中間点であっても良いし、あるいは端板５の内径側にある流入孔４の半径方向外縁部と外径側にある流入孔４の半径方向内縁部との間の中間点であっても良い。あるいは、端板５の内径側にある流入孔４の半径方向外縁部と外径側にある流入孔４の半径方向内縁部とに挟まれた領域の面積を半径方向に等分する位置であってもよい。
【００１９】
また、半径方向仕切り板１１の回転子軸方向の長さは、上下方向仕切り板１２との間に空隙を確保できるように設定すれば良い。また、この半径方向仕切り板１１の回転子回転方向より見た断面形状は、図１のように長方形であっても良いが、円弧状などの他の形状であっても良い。
【００２０】
さらに、上下方向仕切り板１２の回転子軸方向の設置位置は、回転子スポーク構造２内を流れる冷却ガス６の流量が回転子軸方向に均等となる位置とすることが望ましい。例えば、上側から流入する冷却ガス６の流量が下側から入る冷却ガス６の流量と比較して大きいと事前に分かっている場合には、上下方向仕切り板１２を回転子スポーク構造２の回転子軸方向中心位置よりも下側に設置することで、流量が回転子軸方向に均等となるようにしてもよい。
【００２１】
第１の実施形態によれば、半径方向仕切り板１１を設けることにより、端板５に複数設けた流入孔４から流入した冷却ガス６が回転子スポーク構造２内部流入直後の冷却ガス６の相互干渉を回避することができ、冷却ガス６の乱れによる損失を低減することができる。また、半径方向仕切り板１１の長さを調整することにより、冷却ガス６の流量配分を調整することができる。さらに、上下方向仕切り板１２を併設することにより、回転子スポーク機構２の上下面の流入孔４から流入した冷却ガス６が衝突して複雑な流動となって渦などが発生することを回避することができる。
【００２２】
なお、上記実施形態では、回転子スポーク３の上端および下端のそれぞれの端板５に２つの流入孔４を設ける場合を例示したが、流入孔４の数はこれには限られない。例えば、回転子スポーク機構２の回転子半径方向の長さなどに応じて、回転子スポーク３の上端および下端のそれぞれの端板５に３つ以上の流入孔４を設けても良い。その場合、流入孔４の増設に応じて、前述した半径方向仕切り板１１を増設しても良い。
【００２３】
また、上記実施形態では、回転子スポーク３の上端および下端のそれぞれの端板５に２つの流入孔４を設ける場合を例示したが、これに限らず、例えば回転子スポーク３の上端および下端のそれぞれの端板５に設ける流入孔４を１つのみとし、半径方向仕切り板１１を設置しない構成としてもよい。その場合、半径方向仕切り板１１を設置した場合の効果は得られないが、上下方向仕切り板１２が設けられているため、回転子スポーク機構２の上下面の流入孔４から流入する冷却ガス６が衝突して複雑な流動となって渦などが発生することを回避することができ、簡易な構成で回転子スポーク機構２内の通風損失の低減を図ることができる。
【００２４】
（第１の変形例）
第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第１の変形例について説明する。
【００２５】
図３は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第１の変形例の構成を示す縦断面図である。
【００２６】
この第１の変形例では、前述した半径方向仕切り板１１の代わりに、Ｌ字形仕切り板１３を設ける。このＬ字形仕切り板１３は、流入孔４の下流側において、板の伸びる向きが回転子軸方向から途中で回転子半径方向へと変化するＬ字形状の板である。Ｌ字形仕切り板１３は、例えば前述した半径方向仕切り板１１の先端部分に、上下方向仕切り板１２と平行な仕切り板を追設することによって構成しても良い。
【００２７】
このように構成することにより、端板５の流入孔４から流入する冷却ガス６の回転子スポーク機構２内部流入直後での相互干渉を回避することができることに加え、上下方向仕切り板１２ともに冷却ガス６の流路を形成することでき、冷却ガス６をさらに少ない通風損失でリムダクト８へ誘導することが可能となり、リムダクト８に流入する冷却ガス６の流量分布を均一化することや逆に分布を持たせるなど、冷却設計に応じた流量配分を行うことが容易となる。
【００２８】
さらに、冷却ガス６の流速ベクトルをリムダクト８内の流れの方向にとほぼ同じ方向へ偏流させることができ、リムダクト８入口での通風損失を低減できる。
【００２９】
（第２の変形例）
第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第２の変形例について説明する。
【００３０】
図４は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第２の変形例の構成を示す縦断面図である。
【００３１】
この第２の変形例では、前述した半径方向仕切り板１１の代わりに、湾曲形仕切り板１４を設ける。この湾曲形仕切り板１４は、流入孔４の下流側において、板の伸びる向きが回転子軸方向から徐々に回転子半径方向へと変化する湾曲形状の板である。この湾曲形状は、回転子の回転数や半径、流入孔の半径位置に応じて選択的に決定するようにしても良い。
【００３２】
このように構成することにより、特に端部側での冷却ガス６の流速ベクトルをリムダクト８の流れ方向に偏流させる際に整流板効果が期待でき、より通風損失を低減することが可能となる。
【００３３】
（第３の変形例）
第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第３の変形例について説明する。
【００３４】
図５は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第３の変形例の構成を示す縦断面図である。
【００３５】
この第３の変形例では、前述した流入孔４の下流側に、ベルマウス形状の部材１７を設ける。
【００３６】
このように構成することにより、流入孔４の開口部より下流側で冷却ガス６の流入時に発生する渦を最小限に抑えることができ、また半径方向仕切り板１１による冷却ガス６の流速ベクトル変更をサポートし、よりスムーズにリムダクト側へ誘導でき、冷却ガス６の通風損失を低減することができる。
【００３７】
（第４の変形例）
第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第４の変形例について説明する。
【００３８】
図６は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子の第４の変形例の構成を示す斜視図である。
【００３９】
この第４の変形例では、前述した流入孔４の上流側に、箱状の冷却ガス取り込み用の流入孔カバー１８を設ける。この流入孔カバー１８は、当該回転子の回転方向に開口する開口部を有しており、当該開口部に流入する冷却ガス６を流入孔４へ導く構造を有する。
【００４０】
このように構成することにより、より多くの冷却ガス６を効率良く回転子スポーク機構２内部に流入させることができ、冷却ガス６の総流量を増加させ、かつ多くの冷却ガス６を効率的にリムダクト８へ誘導することが可能となる。
【００４１】
なお、上述した第１〜第４の変形例は、適宜組み合わせて実施してもよい。
［第２の実施形態］
次に、図７および図８を参照して、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。
【００４２】
図７は、第２の実施形態に係る回転電機の回転子の構成を示す縦断面図である。また、図８は、図７中の貫通孔付き仕切り板１５を回転子半径方向に見た断面構造を示す縦断面図である。
【００４３】
第２の実施形態では、図７に示すように回転子スポーク機構２によって仕切られた内部空間を、流入孔４よりも外径側の適当な位置で回転子スポーク構造２の軸方向に（回転子半径方向に）区切る、貫通孔付き仕切り板１５を設けている。この貫通孔付き仕切り板１５は、回転子軸１と平行に、かつ回転子スポーク機構２の軸方向両端面に接するように設置される。これにより、貫通孔付き仕切り板１５は、回転子スポーク３の軸方向両端面からそれぞれ端板５の流入孔４を通じて冷却ガスが流入する空間と、リムダクト８へ冷却ガスを導く空間とを、回転子半径方向に仕切る。
【００４４】
なお、流入孔４は回転子半径方向に複数設けられていても良い。その場合は、最も外径側に位置する流入孔４よりも外径側の位置で、貫通孔付き仕切り板１５が回転子スポーク機構２の内部空間を区切るように構成する。また、貫通孔付き仕切り板１５の設置位置は、最も外径側に位置する流入孔４よりも外径側であれば特に限定されるものではない。また、貫通孔付き仕切り板１５は２枚以上設けても良い。
【００４５】
貫通孔付き仕切り板１５は、図８に示すように複数の貫通孔１６を備えており、冷却ガス６をリムダクト８へ流入する前に整流化し、リムダクト８入口での通風損失を低減させる。なお、貫通孔１６の形状は図８のように円形でも良いが、矩形など、その他の形状であっても良い。また、複数の貫通孔１６の開口面積はそれぞれ同一としても良いが、図８に示すように開口面積の異なるものを設けることによって冷却ガス６がさらに整流化されてリムダクト８入口での通風損失をさらに低減できる効果があるのであれば、そのように構成しても良い。
【００４６】
このように構成することにより、端板５の流入孔４から流入した冷却ガス６をリムダクト８へ流入する前に整流化することができ、また冷却ガス６の流速ベクトルをリムダクト８内の流れの方向と同じ方向へ偏流させることができ、リムダクト８入口での通風損失を低減させることができる。
【００４７】
また、上述した貫通孔付き仕切り板１５は、図８に示すように貫通孔１６の断面積を回転子軸方向に変化させることで、貫通孔１６通過時の通風損失を変化させることができ、貫通孔付き仕切り板１５を通過した冷却ガス６の流量分布を回転子軸方向に調整することができるので、より自由な冷却設計を行うことが可能となる。もちろん、このときの貫通孔１６の形状は円形である必要はなく、矩形など、その他の形状にすることが可能であり、通風損失を最小化する形（例えば、貫通孔１６を通過する冷却ガス６の流速ベクトルの平行性を保ちつつ貫通孔１６の面積を大きくできる形）を選択することも可能である。
【００４８】
さらに、第１の実施形態の変形例３の場合と同様に、図５に示すように流入孔４の下流側にベルマウス形状の部材１７を設けることにより、流入孔４の開口部外側で冷却ガス６の流入時に発生する渦を最小限に抑えることができ、流入時の通風損失を低減させることができる。
【００４９】
加えて、第１の実施形態の変形例４の場合と同様に、図６に示すように流入孔４の上流側に箱状の冷却ガス取り込み用の流入孔カバー１８を設けることにより、より多くの冷却ガス６を効率良く回転子スポーク機構２の内部に流入させることができ、冷却ガス６の総流量を増加させ、かつ多くの冷却ガス６を効率的にリムダクト８へ誘導することが可能となる。
【００５０】
以上詳述したように各実施形態によれば、回転子スポーク機構における通風損失を低減することが可能となる。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５２】
１…回転子軸、２…回転子スポーク機構、３…回転子スポーク、４…流入孔、５…端板、６…冷却ガス、７…回転子リム、８…リムダクト、９…ポール、１０…回転子コイル、１１…半径方向仕切り板、１２…上下方向仕切り板、１３…Ｌ字形仕切り板、１４…湾曲形仕切り板、１５…貫通孔付き仕切り板、１６…貫通孔、１７…ベルマウス形状の部材、１８…流入孔カバー。
【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】
2018196283.tif 000009
【図８】
2018196283.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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