(57)【要約】【課題】回転電機の冷却性能を低下させずに小型化された冷却器を備える回転電機と、この回転電機を備えた圧縮機システム及びポンプシステムを提供する。【解決手段】固定子２と、回転子１と、固定子２と回転子１を冷却する冷媒４を循環させる送風機７と、固定子２と回転子１と送風機７を格納したケーシング１２とを備える回転電機本体と、回転電機本体に接続され、回転電機本体から冷媒４が流入し、冷媒４を冷却し、回転電機本体へ冷媒４を流出させる冷却器１０とを備える。冷却器１０の、冷媒４の通風抵抗をＲａとし、回転電機本体の、冷媒４の通風抵抗をＲｍとし、送風機７の締め切り圧力をＰ０とし、冷却器１０の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの送風機７の動作点での圧力をＰ１とすると、冷却器１０は、通風抵抗Ｒａが０．１５＜（Ｒａ／Ｒｍ）＜（Ｐ０／Ｐ１）を満たす。【選択図】図２
2019071725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、回転子と、前記固定子と前記回転子を冷却する冷媒を循環させる送風機と、前記固定子と前記回転子と前記送風機を格納したケーシングとを備える回転電機本体と、
前記回転電機本体に接続され、前記回転電機本体から前記冷媒が流入し、前記冷媒を冷却し、前記回転電機本体へ前記冷媒を流出させる冷却器と、
を備え、
前記冷却器の、前記冷媒の通風抵抗をＲａとし、
前記回転電機本体の、前記冷媒の通風抵抗をＲｍとし、
前記送風機の締め切り圧力をＰ０とし、
前記冷却器の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの前記送風機の動作点での圧力をＰ１とすると、
前記冷却器は、通風抵抗Ｒａが０．１５＜（Ｒａ／Ｒｍ）＜（Ｐ０／Ｐ１）を満たす、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
固定子と、回転子と、前記固定子と前記回転子を冷却する冷媒を循環させる送風機と、前記固定子と前記回転子と前記送風機を格納したケーシングとを備える回転電機本体と、
前記回転電機本体に接続され、前記回転電機本体から前記冷媒が流入し、前記冷媒を冷却し、前記回転電機本体へ前記冷媒を流出させる冷却器と、
を備え、
前記冷媒の定格風量における前記送風機の動作点での圧力をＰｄとし、
前記冷媒の定格風量における前記冷却器の圧力損失をΔＰａとし、
前記冷却器の、前記冷媒の通風抵抗をＲａとし、
前記送風機の締め切り圧力をＰ０とし、
前記冷却器の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの前記送風機の動作点での圧力をＰ１とすると、
前記冷却器は、圧力損失ΔＰａが０．１５＜（ΔＰａ／（Ｐｄ−ΔＰａ））＜（Ｐ０／Ｐ１）を満たす、
ことを特徴とする回転電機。
【請求項３】
圧縮機と、前記圧縮機の原動機とを備え、
前記原動機は、請求項１または２に記載の回転電機である、
ことを特徴とする圧縮機システム。
【請求項４】
ポンプと、前記ポンプの原動機とを備え、
前記原動機は、請求項１または２に記載の回転電機である、
ことを特徴とするポンプシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機、圧縮機システム、及びポンプシステムに関し、特に、冷却器を備えた回転電機と、この回転電機を備えた圧縮機システム及びポンプシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電動機などの回転電機は、回転子と固定子を冷却する必要があり、そのための冷却器を備える。回転電機の代表的な冷却器は、回転電機の内部に冷却媒体を流通させて回転子と固定子を冷却する。
【０００３】
このような冷却器を用いた比較的大容量の回転電機では、回転子と固定子の間の間隙（エアギャップ）に、回転電機の外側から内側に向かって軸方向に沿って冷却媒体を流入させるとともに、この冷却媒体を複数の通風ダクトによって径方向の内側から外側へと流通させることで、回転電機の機内を冷却する。この複数の通風ダクトは、軸方向に所定の間隔で固定子に設けられ、径方向に延伸する。
【０００４】
また、冷却媒体の一部は、回転子に設けられた軸方向に延伸する流路へ流入し、複数の通風ダクトによって径方向の内側から外側へと流通し、回転電機の機内を冷却する場合もある。この複数の通風ダクトは、固定子の通風ダクトと同様に、軸方向に所定の間隔で回転子に設けられ、径方向に延伸する。回転子の通風ダクトを流れた冷却媒体は、エアギャップを流れる冷却媒体に合流する場合もある。
【０００５】
固定子の通風ダクトを通過した冷却媒体は、冷却器に導かれて除熱された後に、回転子の回転軸の両端に設置された内扇により、再び回転電機の軸方向の内側に向かって送出される。
【０００６】
回転電機の機内を冷却する冷媒（一次冷媒）には、空気が多く用いられる。また、冷却器で一次冷媒と熱交換する冷媒（二次冷媒）には、空気や水などが用いられることが多い。以下では、一次冷媒と二次冷媒がともに空気である場合を例に説明する。なお、以下では、一次冷媒を「内気」と称し、二次冷媒を「外気」と称する。
【０００７】
従来の代表的な回転電機は、固定子と、固定子の内径側に配置された回転子と、固定子と回転子を格納するケーシングと、ケーシングの上方に設置され、固定子及び回転子を冷却した内気を除熱する冷却器を備える。冷却器の内部には、外気が内部を流通する複数の管で構成された管群が備えられている。内気は、冷却器の内部で管群の間を通過する際に、管内の外気と管壁を介して熱交換し、冷却される。
【０００８】
以上のような従来の回転電機は、例えば特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平１０−１７４３６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来、冷却器は、除熱量、冷媒の出入口の温度差、設計風量、圧力損失などの通風冷却上の仕様を与えて設計される。このような冷却器の仕様により、回転電機の冷却性能が定まる。このうち、圧力損失に関しては、内気の通風量を大きくして冷却性能を向上させるためには、できるだけ通風抵抗を小さくして圧力損失を小さくする必要がある。一般に圧力損失を小さくするためには、通風断面積を大きくする必要がある。
【００１１】
そこで、例えば、上記に説明したような冷却器では、通風断面積を大きくして圧力損失を小さくするためには、管群の配列のピッチを大きくしなければならない。管群のピッチを大きくすると、回転電機の冷却性能を向上できるが冷却器が大型化する。
【００１２】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたもので、回転電機の冷却性能を低下させずに小型化された冷却器を備える回転電機と、この回転電機を備えた圧縮機システム及びポンプシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による回転電機は、固定子と、回転子と、前記固定子と前記回転子を冷却する冷媒を循環させる送風機と、前記固定子と前記回転子と前記送風機を格納したケーシングとを備える回転電機本体と、前記回転電機本体に接続され、前記回転電機本体から前記冷媒が流入し、前記冷媒を冷却し、前記回転電機本体へ前記冷媒を流出させる冷却器とを備える。前記冷却器の、前記冷媒の通風抵抗をＲａとし、前記回転電機本体の、前記冷媒の通風抵抗をＲｍとし、前記送風機の締め切り圧力をＰ０とし、前記冷却器の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの前記送風機の動作点での圧力をＰ１とすると、前記冷却器は、通風抵抗Ｒａが０．１５＜（Ｒａ／Ｒｍ）＜（Ｐ０／Ｐ１）を満たす。または、前記冷媒の定格風量における前記送風機の動作点での圧力をＰｄとし、前記冷媒の定格風量における前記冷却器の圧力損失をΔＰａとすると、前記冷却器は、圧力損失ΔＰａが０．１５＜（ΔＰａ／（Ｐｄ−ΔＰａ））＜（Ｐ０／Ｐ１）を満たす。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、回転電機の冷却性能を低下させずに小型化された冷却器を備える回転電機と、この回転電機を備えた圧縮機システム及びポンプシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】内扇の通風量Ｑと圧力Ｐの関係を示す曲線Ｃａと、回転電機本体の通風抵抗Ｒｍを示す曲線Ｃｂとを表す図である。
【図２】本発明の実施例１において、冷却器の通風抵抗Ｒａに対する内気の通風量Ｑの依存性を示す図である。
【図３】本発明の実施例１において、冷却器の高さの低減量Δｈに対する、冷却器の通風抵抗Ｒａの依存性を示す図である。
【図４】冷却器の高さの低減量Δｈを示す、軸方向に垂直な冷却器の断面図である。
【図５】本発明の実施例３による回転電機を原動機に用いた圧縮機システムを示す図である。
【図６】回転電機の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による回転電機は、回転子と固定子を冷却する冷却器を備え、例えば、大容量の高圧回転電機（例えば、メガワット級の電動機）に用いることができる。本発明による圧縮機システム及びポンプシステムは、この回転電機を原動機として備える。
【００１７】
本発明では、冷却器の通風抵抗を一定の範囲内に収めることで、回転電機の冷却性能を低下させずに冷却器を小型化することができる。これにより、回転電機を小型軽量化できるとともに、冷却性能を低下させないので回転電機の信頼性を維持することができる。また、回転電機の製造に必要な物量が低減するので低コスト化できるとともに、回転電機の設置に広いスペースを必要としない。
【００１８】
初めに、回転電機の構成を説明する。なお、以下では、内気（一次冷媒）と外気（二次冷媒）がともに空気である場合を例に説明する。
【００１９】
図６は、回転電機の構成を示す図である。回転電機は、円筒形の固定子２と、回転軸１１を備える回転子１と、固定子２を支持する固定子フレーム８と、回転軸１１の両端に設置された内扇７と、固定子２と回転子１と固定子フレーム８と内扇７を格納したケーシング１２と、ケーシング１２の上方に設置された冷却器１０を備える。回転電機のうち、冷却器１０以外の部分、すなわちケーシング１２とその内部を回転電機本体と呼ぶ。
【００２０】
固定子２は、固定子鉄心６と、この固定子鉄心６の内径側に形成された複数のスロット（図示せず）内に収納された固定子コイル（図示せず）とを備える。固定子コイルは、固定子鉄心６の軸方向端部から軸方向に突出した固定子コイルエンド部９を備える。固定子コイルエンド部９は、ガイド板５に覆われる。
【００２１】
回転子１は、固定子２の内径側に、固定子２との間にエアギャップ３が設けられて配置される。
【００２２】
固定子フレーム８の一部は、開口部（図示せず）を備える主板１５である。
【００２３】
冷却器１０は、固定子２と回転子１を冷却した内気４を除熱する。
【００２４】
内扇７は、送風機であり、冷却器１０で除熱された内気４を回転電機本体の内部（機内）に還流し、内気４を機内に流す。内扇７は、回転軸１１の両端以外の位置に設置してもよく、内気４を機内で循環させることができれば、ケーシング１２の内部の任意の位置に、任意の数だけ設置することができる。
【００２５】
内扇７により、冷却器１０で除熱された内気４は、回転子１の内部へ向かう内気４ａ、エアギャップ３へ向かう内気４ｂ、及び固定子コイルエンド部９へ向かう内気４ｃに分流する。回転子１の内部へ向かう内気４ａは、回転子１を冷却した後、エアギャップ３に流れる。エアギャップ３へ向かう内気４ｂは、エアギャップ３に流れてきた内気４ａと合流して固定子２を冷却し、固定子フレーム８内に流入する。固定子コイルエンド部９へ向かう内気４ｃは、固定子コイルエンド部９を冷却した後、固定子フレーム８の主板１５の開口部（図示せず）を通って固定子フレーム８内に流入して、他の内気４ａ、４ｂと合流する。
【００２６】
内気４ａ、４ｂ、４ｃが合流した内気４は、固定子フレーム８の外周から流出して冷却器１０に流入し、除熱され、ケーシング１２とガイド板５とで形成される通風路１６を通り、内扇７によって機内に流入する。
【００２７】
このようにして、内気４は、回転電機本体の内部と冷却器１０の内部を循環し、固定子２と回転子１を冷却する。図６に示した回転電機は、冷媒である内気４が回転電機の内部を流れる全閉型の回転電機である。
【００２８】
冷却器１０は、複数の管で構成された管群１３を内部に備え、内気４を冷却する。管群１３の管の内部には、外扇１４により外気２３が流される。外扇１４は送風機である。内気４は、冷却器１０の内部で管群１３の管の間を通過する際に、管内の外気２３と管壁を介して熱交換し、冷却される。冷却器１０は、ケーシング１２の上方以外の位置に設置してもよく、回転電機本体から内気４が流入し、回転電機本体へ内気４を流出させることができれば、回転電機本体に接続する任意の位置に設置することができる。
【００２９】
一般に、冷却器１０を小型化すると、回転電機の圧力損失（特に、冷却器１０の通風抵抗）が大きくなって、回転電機の冷却性能が低下する。本発明者は、冷却器１０を小型化しても、回転電機の圧力損失（通風抵抗）が大きくなって回転電機の冷却性能を低下させることがないような、冷却器１０の通風抵抗（圧力損失）の範囲を見出した。
【００３０】
以下、本発明の実施例による回転電機、圧縮機システム、及びポンプシステムを説明する。
【実施例１】
【００３１】
本発明の実施例１による回転電機は、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが式（１）を満たす範囲内の値をとる。
【００３２】
【数１】
2019071725.tif 000003
【００３３】
式（１）において、Ｒａは冷却器１０の内気４の通風抵抗であり、Ｒｍは回転電機本体の内気４の通風抵抗である。また、Ｐ０は内扇７の締め切り圧力であり、Ｐ１は回転電機本体の通風抵抗Ｒｍのみを考慮したとき、すなわち冷却器１０の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの内扇７の動作点での圧力である。以下では、式（１）がどのようにして得られたかを説明する。
【００３４】
図１は、内扇７の通風量Ｑと圧力（静圧）Ｐの関係、すなわち内扇７の通風量−圧力特性を示す曲線Ｃａと、回転電機本体の通風抵抗Ｒｍを示す曲線Ｃｂとを表す図である。内扇７の締め切り圧力Ｐ０は、曲線Ｃａにおいて、通風量Ｑがゼロのときの圧力Ｐである。曲線Ｃａと曲線Ｃｂの交点（Ｑ１，Ｐ１）が、回転電機本体の通風抵抗Ｒｍのみを考慮したとき、すなわち冷却器１０の通風抵抗Ｒａを無視した場合の内扇７の動作点である。内扇７は、この動作点において、通風量がＱ１であり、圧力がＰ１である。内扇７の動作点での圧力Ｐ１は、内扇７の動作時の通風経路の圧力損失と等しい。
【００３５】
一般に、通風抵抗Ｒは、式（２）で定義される。
【００３６】
【数２】
2019071725.tif 000004
【００３７】
ここで、ρは冷媒の密度、ξは圧力損失係数、Ａは通風断面積である。
【００３８】
次に、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが式（１）を満たせば、冷却性能を低下させずに冷却器１０を小型化できる理由を、図２及び図３を用いて説明する。
【００３９】
一般に、圧力Ｐ（通風経路の圧力損失）と通風経路の通風抵抗Ｒと通風量Ｑとの関係は、式（３）で表される。
【００４０】
【数３】
2019071725.tif 000005
【００４１】
本発明の実施例による回転電機では、例えば図６に示すように、冷却器１０の通風抵抗Ｒａと回転電機本体の通風抵抗Ｒｍは、通風経路において直列になっている。従って、本実施例による回転電機では、内気４の通風量Ｑは、内気４の圧力Ｐを用いて、式（４）で表される。
【００４２】
【数４】
2019071725.tif 000006
【００４３】
図２は、冷却器１０の通風抵抗Ｒａに対する内気４の通風量Ｑの依存性を示す図である。図２において、冷却器１０の通風抵抗Ｒａは、回転電機本体の通風抵抗Ｒｍで無次元化しており、内気４の通風量Ｑは、冷却器１０の通風抵抗Ｒａを無視した場合の内扇７の動作点での通風量Ｑ１で無次元化してある。図２のグラフは、図１に示した関係Ｐ＝ＲｍＱ２と式（４）とから得られる。以下、図２のグラフについて説明する。
【００４４】
冷却器１０の通風抵抗Ｒａが回転電機本体の通風抵抗Ｒｍに対して十分小さい場合（Ｒａ＜＜Ｒｍ）は、冷却器１０の通風抵抗Ｒａは無視できるので、式（４）において、Ｒａ＝０とし、内扇７の圧力Ｐを動作点での圧力Ｐ１とすることができる。このようにして得られた関係Ｑ２＝Ｐ１／Ｒｍと、図１から得られた関係Ｐ１／Ｒｍ＝Ｑ１２とから、Ｑ２＝Ｑ１２の関係が得られる。すなわち、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが回転電機本体の通風抵抗Ｒｍに対して十分小さい場合には、内気４の通風量の二乗Ｑ２は、ほぼ一定である（（Ｑ／Ｑ１）２＝１）。図２には、（Ｑ／Ｑ１）２＝１の関係を点線２４で示している。
【００４５】
冷却器１０の通風抵抗Ｒａが回転電機本体の通風抵抗Ｒｍに対して非常に大きい場合（Ｒａ＞＞Ｒｍ）は、式（４）において、Ｒｍ＝０とし、内扇７の圧力Ｐを締め切り圧力Ｐ０とすることができる。このようにして得られた関係Ｑ２＝Ｐ０／Ｒａと、図１から得られた関係Ｑ１２＝Ｐ１／Ｒｍとから、（Ｑ／Ｑ１）２＝（Ｐ０／Ｐ１）（Ｒｍ／Ｒａ）の関係が得られる。すなわち、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが回転電機本体の通風抵抗Ｒｍに対して非常に大きい場合には、内気４の通風量の二乗Ｑ２は、冷却器１０の通風抵抗Ｒａに反比例する（Ｑ２∝１／Ｒａ）。図２には、（Ｑ／Ｑ１）２＝（Ｐ０／Ｐ１）（Ｒｍ／Ｒａ）の関係を点線１７で示している。
【００４６】
従って、内気４の通風量の二乗Ｑ２は、図２の実線で示すように、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが回転電機本体の通風抵抗Ｒｍに対して小さい領域（Ｒａ／Ｒｍ＜１）では、点線２４に漸近し、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが回転電機本体の通風抵抗Ｒｍに対して大きい領域（Ｒａ／Ｒｍ＞１）では、点線１７に漸近する。
【００４７】
以上の考察から、回転電機の内気４の通風量の二乗Ｑ２は、冷却器１０の通風抵抗Ｒａの値によって、ほとんど変化しない領域と、冷却器１０の通風抵抗Ｒａに反比例する領域に分かれることがわかる。これらの領域の境界は、図２に示した点線２４と点線１７の交点であり、式（５）を満たす。
【００４８】
【数５】
2019071725.tif 000007
【００４９】
すなわち、これらの領域の境界は、式（５）から、Ｒａ／Ｒｍ＝Ｐ０／Ｐ１である。
【００５０】
Ｒａ／ＲｍがＰ０／Ｐ１の値を超えると、図２に示すように、内気４の通風量Ｑの減少が顕著となり、冷却性能が悪化する。このため、Ｒａ／Ｒｍは、Ｐ０／Ｐ１より小さい必要がある。
【００５１】
一方、冷却器１０を小型化する観点からは、冷却器１０の通風抵抗Ｒａを単純に小さくすれば良いわけではない。前述のように、冷却器１０の通風抵抗Ｒａを小さくするためには、通風断面積を大きくする必要があり、通風断面積を大きくすると冷却器１０が大型化する。すなわち、冷却器１０の通風抵抗Ｒａを小さくすると、冷却器１０が大型化する。そこで、冷却器１０は、少なくとも、通風抵抗Ｒａの増加率が小さい範囲では、小型化すべきである。
【００５２】
一般に、冷却器１０の幅と奥行きは、回転電機本体と同一である。このため、冷却器１０は、主として高さを低減することにより、小型化できる。
【００５３】
図３は、冷却器１０の高さの低減量Δｈに対する、冷却器１０の通風抵抗Ｒａの依存性を示す図である。冷却器１０の高さの低減量Δｈは、回転電機の中心高Ｈｃで無次元化しており、冷却器１０の通風抵抗Ｒａは、回転電機本体の通風抵抗Ｒｍで無次元化してある。回転電機の中心高Ｈｃは、図６に示すように、ケーシング１２の底面から回転軸１１の中心までの高さであり、いわゆるセンターハイトである。図３に示した曲線は、後述する式（６）と通風回路網計算を用いて得られた。
【００５４】
図４は、冷却器１０の高さの低減量Δｈを示す、軸方向に垂直な冷却器１０の断面図である。図４には、２つの冷却器１０を示しており、右側の冷却器１０は、左側の冷却器１０に比べて、高さがΔｈだけ低減している。前述したように、冷却器１０は、複数の管で構成された管群１３を内部に備える。
【００５５】
冷却器１０の小型化（高さの低減）を検討するための、冷却器１０の通風抵抗Ｒａの評価には、次の管群の実験式を用いた。
【００５６】
【数６】
2019071725.tif 000008
【００５７】
式（６）において、ξは圧力損失係数、Ｒｅはレイノルズ数、Ｈは冷媒（内気４）の流れに垂直な方向の管の中心間距離、Ｄは管の外径、Ｌは冷媒の流れ方向の管の中心間距離、Ｂは冷媒の流れに垂直な方向の管と管との間の距離である（図４を参照）。冷却器１０の高さは、冷媒の流れ方向の管の中心間距離Ｌを小さくすることにより、小さくすることができる。すなわち、冷却器１０の高さの低減量Δｈは、冷媒の流れ方向の管の中心間距離Ｌを変えることにより、変えることができる。
【００５８】
式（６）は一般的に知られた式である。なお、式（６）のレイノルズ数Ｒｅの計算に必要な風速は、回転電機本体と冷却器１０を一体とした通風回路網計算により求めた。この通風回路網計算では、一般に普及している大容量の高圧回転電機（例えば、メガワット級の高圧回転電機）と、この回転電機に通常使われている冷却器をモデル化し、公知の計算方法を利用した。
【００５９】
図３に示すように、冷却器１０の高さの低減量Δｈが小さい領域では、低減量Δｈが増加しても、冷却器１０の通風抵抗Ｒａの増加率（曲線の傾き）は小さい。これは、冷却器１０の通風断面積に比べて冷却器１０の高さの低減量Δｈが小さいため、冷却器１０の高さを低減しても通風断面積の減少（通風抵抗Ｒａの増加）に与える影響が小さいためである。しかし、冷却器１０の高さの低減量Δｈが大きい領域では、低減量Δｈの増加に伴って、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが急激に増加する。冷却器１０の通風抵抗Ｒａが急激に増加するときのＲａ／Ｒｍの値は、図３から０．１５である。
【００６０】
従って、冷却器１０の通風抵抗Ｒａの増加を考慮すると、冷却器１０の高さは、Ｒａ／Ｒｍ＝０．１５になるまでは、低減できる。すなわち、冷却器１０の高さは、図３から、少なくともΔｈ＝０．２Ｈｃになるまでは低減できる。冷却器１０の通風抵抗Ｒａが増加すること（Ｒａ／Ｒｍ＞０．１５になること）に注意すれば、冷却器１０の高さをさらに低減することができる。すなわち、冷却器１０を小型化する観点からは、冷却器１０の高さは、Ｒａ／Ｒｍ＞０．１５（Δｈ／Ｈｃ＞０．２）となる範囲で低減できる。
【００６１】
以上より、冷却器１０の通風抵抗Ｒａに対し、冷却器１０を不必要に大型化させないための下限値Ｒａ／Ｒｍ＝０．１５と、内気４の通風量Ｑの減少による冷却性能の低下を防止するための上限値Ｒａ／Ｒｍ＝Ｐ０／Ｐ１が導かれた。式（１）は、Ｒａ／Ｒｍについての下限値０．１５と上限値Ｐ０／Ｐ１から得られる。図２には、式（１）に示すＲａ／Ｒｍの範囲（０．１５＜（Ｒａ／Ｒｍ）＜（Ｐ０／Ｐ１））を示している。
【００６２】
なお、Ｒａ／Ｒｍの下限値である０．１５という数値は、冷却器１０の構成（例えば、管群１３の管の外径Ｄと、管の中心間距離Ｈ、Ｌと、管と管との間の距離Ｂなど）によって変化する。しかし、一般に普及している大容量の高圧回転電機（例えば、メガワット級の高圧回転電機）に通常使われている冷却器１０では、Ｒａ／Ｒｍの下限値を０．１５とするのが好ましいと本発明者は考えている。
【００６３】
以上のように、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが式（１）を満たせば、冷却器１０の通風抵抗Ｒａの増加に起因する内気４の通風量Ｑの低下による、冷却器１０の冷却性能の低下を防止しつつ、冷却器１０を小型化できる。本実施例による回転電機は、冷却器１０の通風抵抗Ｒａが式（１）を満たすので、冷却性能を低下させずに、冷却器１０を小型化できる。冷却器１０の通風抵抗Ｒａが式（１）を満たすようにするには、冷却器１０の大きさや構成（例えば、管群１３の管の外径Ｄと、管の中心間距離Ｈ、Ｌと、管と管との間の距離Ｂなど）を変えて冷却器１０の圧力損失を変えればよい。
【００６４】
なお、実際の冷却器１０の通風抵抗Ｒａを式（１）で示す範囲内のどの値にするかは、設計問題である。冷却器１０の通風抵抗ＲａがＲａ／Ｒｍ＝０．１５より大きい場合でも、直ちに冷却器１０の冷却性能が低下するとは限らない。これは、冷却器１０を小型化した場合、通風抵抗Ｒａの増加により内気４の通風量Ｑは減少するが、冷却器１０の通風断面積の減少により内気４の風速が増加して熱伝達率が上昇するので、内気４の通風量Ｑの減少の効果が抑制されるからである。冷却器１０の通風抵抗Ｒａが０．１５Ｒｍを少し超えた値であると、熱伝達率上昇の効果が大きく、むしろ冷却器１０の冷却性能が向上する領域があることを、本発明者は経験上確認している。しかし、冷却器１０は、小型化すればするほど（すなわち、Δｈを大きくすればするほど）、図３に示したように通風抵抗Ｒａの増加率が大きくなり、通風量Ｑの低下による悪影響も大きくなり、冷却性能が低下する。すなわち、冷却器１０の冷却性能上最適な通風抵抗Ｒａの値は、式（１）で示した範囲内のいずれかにある。
【実施例２】
【００６５】
本発明の実施例２による回転電機は、冷却器１０の圧力損失ΔＰａが式（７）を満たす範囲内の値をとる。
【００６６】
【数７】
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【００６７】
式（７）において、Ｐｄは内気４の定格風量Ｑｄにおける内扇７の動作点での圧力であり、ΔＰａは内気４の定格風量Ｑｄにおける冷却器１０の圧力損失である。内扇７の圧力Ｐｄは、内扇７の通風量−圧力特性がわかっていれば、内扇７の設計風量から求めることができる。冷却器１０の圧力損失ΔＰａは、測定して求めることができる。なお、実施例１で説明したように、Ｐ０は内扇７の締め切り圧力であり、Ｐ１は回転電機本体の通風抵抗Ｒｍのみを考慮したとき、すなわち冷却器１０の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの内扇７の動作点での圧力である。
【００６８】
以下では、式（７）がどのようにして得られたかを説明する。
【００６９】
式（３）に示した圧力Ｐと通風抵抗Ｒと通風量Ｑとの関係
【００７０】
【数８】
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【００７１】
から、冷却器１０の通風抵抗Ｒａは、式（８）で表される。
【００７２】
【数９】
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【００７３】
内気４の通風経路の全通風抵抗Ｒは、冷却器１０の通風抵抗Ｒａと回転電機本体の通風抵抗Ｒｍとの和である（Ｒ＝Ｒａ＋Ｒｍ）。また、全通風抵抗Ｒは、式（９）で表される。
【００７４】
【数１０】
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【００７５】
これらの関係を用いてＲａ／Ｒｍを変形すると、式（１０）が得られる。
【００７６】
【数１１】
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【００７７】
式（１０）と式（１）とから、式（７）が得られる。
【００７８】
式（７）は、式（１）と等価であり、式（１）を冷却器１０と回転電機の主要諸元で表現したものである。
【００７９】
本実施例では、回転電機に求められる構成を、設計に用いやすいように、回転電機の主要諸元を用いて式（７）で表現している。本実施例による回転電機は、冷却器１０の圧力損失ΔＰａが式（７）を満たすので、実施例１による回転電機と同様に、冷却性能を低下させずに、冷却器１０を小型化できる。冷却器１０の圧力損失ΔＰａが式（７）を満たすようにするには、冷却器１０の大きさや構成（例えば、管群１３の管の外径Ｄと、管の中心間距離Ｈ、Ｌと、管と管との間の距離Ｂなど）を変えればよい。
【実施例３】
【００８０】
本発明の実施例３による回転電機を、図５を用いて説明する。本実施例による回転電機は、ポンプシステムまたは圧縮機システムの原動機に用いられる。本実施例では、実施例１または実施例２に示した回転電機を、電動機として、ポンプシステムまたは圧縮機システムの原動機に用いる。
【００８１】
一般に、ポンプシステムや圧縮機システムに用いられる原動機は、負荷となるポンプや圧縮機と同等以上の大きさの設置スペースが必要であることが多い。このため、冷却器１０が小さい電動機をポンプシステムや圧縮機システムの原動機として用いることは、設置スペースの縮小に非常に有効である。
【００８２】
図５は、本実施例による回転電機を原動機に用いた圧縮機システムを示す図である。圧縮機システムは、圧縮機２０と、圧縮機２０の原動機である電動機１９を備える。電動機１９は、実施例１または実施例２に示した、小型化された冷却器１０を備える回転電機である。電動機１９は、例えばインバータ１８により駆動される。圧縮機２０は、配管２２に接続され、配管２２には、弁２１が設けられている。
【００８３】
なお、図５では一例として圧縮機システムを示しているが、圧縮機２０の代わりにポンプを設置したポンプシステムにおいて、ポンプを電動機１９によって駆動することも当然可能である。本実施例では、電動機１９（回転電機）によって駆動されるのが圧縮機２０であってもポンプであっても、電動機１９の設置スペースを縮小することができる。
【００８４】
本実施例に示した構成によれば、ポンプシステムや圧縮機システムにおいて電動機１９の設置スペースを縮小できるとともに、電動機１９（回転電機）の冷却性能を低下させることがないので、システム全体の信頼性を維持できる。
【００８５】
なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１…回転子、２…固定子、３…エアギャップ、４…内気、４ａ…回転子の内部へ向かう内気、４ｂ…エアギャップへ向かう内気、４ｃ…固定子コイルエンド部へ向かう内気、５…ガイド板、６…固定子鉄心、７…内扇、８…固定子フレーム、９…固定子コイルエンド部、１０…冷却器、１１…回転軸、１２…ケーシング、１３…管群、１４…外扇、１５…主板、１６…通風路、１７…（Ｑ／Ｑ１）２＝（Ｐ０／Ｐ１）（Ｒｍ／Ｒａ）の関係を示す点線、１８…インバータ、１９…電動機、２０…圧縮機、２１…弁、２２…配管、２３…外気、２４…（Ｑ／Ｑ１）２＝１の関係を示す点線、Ｒａ…冷却器の通風抵抗、Ｒｍ…回転電機本体の通風抵抗、Ｐ０…内扇の締め切り圧力、Ｐ１…冷却器の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの内扇の動作点での圧力、Ｑ１…冷却器の通風抵抗Ｒａをゼロとしたときの内扇の動作点での通風量、Ｐｄ…内気の定格風量Ｑｄにおける内扇の動作点での圧力、ΔＰａ…内気の定格風量Ｑｄにおける冷却器の圧力損失。
【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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