(57)【要約】【課題】  本発明は、電気機械におけるロータを提供する。【解決手段】  本ロータ（１０）は、少なくとも２つの磁極を有する磁気コア（１２）と、各磁極ごとに１つの複数の巻線組立体（３０）と、磁気コア（１２）及び巻線組立体（３０）を囲み、異なる軸方向幅を有する複数のリング（２１）を含む円筒状チューブ（２０）とを含む。リング（２１）の各々は、隣接するリング（２１）から軸方向に間隔を置いて配置される。リング（２１）のそれぞれの軸方向幅は、チューブ（２０）の中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向にチューブ（２０）の中心又はその近傍に位置したリング（２１ａ）の軸方向幅（Ｗａ）よりも徐々に小さくなる。異なる半径方向高さを有する複数の巻線ブレース（３１）が、巻線組立体（３０）の少なくとも１つに結合される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械におけるロータ（１０）であって、
少なくとも２つの磁極を有する磁気コア（１２）と、
各磁極ごとに１つの複数の巻線組立体（３０）と、
前記磁気コア（１２）及び巻線組立体（３０）を囲み、異なる軸方向幅を有する複数のリング（２１）を含む円筒状チューブ（２０）と、
を含むロータ（１０）。
【請求項２】
前記チューブ（２０）が非金属材料で形成されている、請求項１記載のロータ（１０）。
【請求項３】
前記リング（２１）の各々が、隣接するリング（２１）から軸方向に間隔を置いて配置されている、請求項１記載のロータ（１０）。
【請求項４】
前記リング（２１）が、前記磁気コア（１２）内に形成された半径方向排出スロット（１７）が該リング（２１）間のそれぞれの空間と軸方向に整列しているか或いは前記チューブ（２０）の両軸方向端部におけるリング（２１）のそれぞれの軸方向幅が軸方向に該チューブ（２０）の中心又はその近傍に位置したリング（２１ａ）の軸方向幅（Ｗａ）よりも小さくなるように、軸方向に間隔を置いて配置されている、請求項３記載のロータ（１０）。
【請求項５】
該ロータ（１０）が、前記巻線組立体（３０）の少なくとも１つに結合された複数の巻線ブレース（３１）をさらに含み、前記巻線ブレース（３１）が異なる半径方向高さを有し、前記チューブ（２０）の両軸方向端部に位置した巻線ブレース（３１）の半径方向高さが、軸方向に該チューブ（２０）の中心又はその近傍に位置した巻線ブレース（３１ａ）の半径方向高さ（ｈ１）よりも小さいか、或いは前記巻線ブレース（３１）のそれぞれの半径方向高さが、前記チューブ（２０）の中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向に該チューブ（２０）の中心又はその近傍に位置した巻線ブレース（３１ａ）の半径方向高さ（ｈ１）よりも徐々に小さくなっている、請求項３記載のロータ（１０）。
【請求項６】
その中に複数の通気孔（４１）が形成されたシールド（４０）をさらに含み、前記シールド（４０）が、（ｉ）前記チューブ（２０）と（ｉｉ）前記磁気コア（１２）及び巻線組立体（３０）との間に配置され、前記通気孔（４１）が、円形又は楕円形のいずれかであるか、或いは前記シールド（４０）の軸方向におけるそれぞれの列（４２〜４６）として整列しており、前記それぞれの列（４２〜４６）の通気孔（４１）が、前記リング（２１）間に形成されたそれぞれの軸方向空間と軸方向に整列している、請求項１記載のロータ（１０）。
【請求項７】
少なくとも２つの磁極を有する磁気コア（１２）と複数の巻線組立体（３０）とを含むロータ（１０）構成部品を囲むための円筒状チューブ（２０）であって、
異なる軸方向幅を有する複数のリング（２１）を含む、
円筒状チューブ（２０）。
【請求項８】
前記リング（２１）が、前記磁気コア（１２）内に設けられた半径方向排出スロット（１７）が該リング（２１）間のそれぞれの空間と軸方向に整列するように、軸方向に間隔を置いて配置されている、請求項７記載の円筒状チューブ（２０）。
【請求項９】
該チューブ（２０）の両軸方向端部におけるリング（２１）のそれぞれの軸方向幅が、軸方向に該チューブ（２０）の中心に位置したリング（２１ａ）の軸方向幅（Ｗａ）よりも小さい、請求項７記載の円筒状チューブ（２０）。
【請求項１０】
前記リング（２１）のそれぞれの軸方向幅が、該チューブ（２０）の中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向に該チューブ（２０）の中心に位置したリング（２１ａ）の軸方向幅（Ｗａ）よりも徐々に小さくなっている、請求項７記載の円筒状チューブ（２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機（それに限定されないが）のような電気機械に関し、より具体的には、発電機ロータの巻線の一様な冷却を促進する発電機ロータのマニホルドに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロータ及びステータを有する従来型の発電機では、ロータには、励磁電流源から電流を受けながら発電機を励磁する界磁巻線が設けられる。ステータには、それから電力を出力する巻線が設けられる。典型的なロータ構造は、発電機ロータ内にフライス加工した半径方向スロット内にバーごとで界磁巻線が組立てられることを必要とする。ロータ界磁巻線を閉じ込めることは通常、ロータウェッジ、ロータ歯及び保持リングを用いて達成される。炭素充填強化エンクロージャ（ＣＦＲＥ）型ロータは、ロータシャフト内にフライス加工したコイルスロットの必要性を排除し、界磁巻線を各磁極ごとに１つの単一巻線モジュールとして組立てることを可能にする。マニホルド内の排出又は通気孔間の軸方向間隔を一定にした個々の半径方向マニホルドを各コイルモジュールの下方で使用することは知られている。
【特許文献１】特開２００１−２５８１９５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ロータ巻線に対してより一様な冷却を行うことが望ましい。ロータ巻線に対してより一様な冷却を行うことによって、「ホットスポット」（非常に高温の領域）を回避することができる。従って、これらの領域における発電機構成部品（例えば、絶縁体）の物理的劣化の進行を回避し、それによって発電機の運用年数を延ばすことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
電気機械におけるロータは、少なくとも２つの磁極を有する磁気コアと、各磁極ごとに１つの複数の巻線組立体と、磁気コア及び巻線組立体を囲む円筒状チューブとを含む。チューブは、異なる軸方向幅を有する複数のリングを含む。チューブは、非金属材料で形成することができる。リングの各々は、隣接するリングから軸方向に間隔を置いて配置することができる。リングは、磁気コア内に形成した半径方向排出スロットが該リング間のそれぞれの空間と軸方向に整列するように、軸方向に間隔を置いて配置することができる。チューブの両軸方向端部に位置したリングのそれぞれの軸方向幅は、軸方向に該チューブの中心又はその近傍に位置したリングの軸方向幅よりも小さくすることができる。リングのそれぞれの軸方向幅は、チューブの中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向に該チューブの中心又はその近傍に位置したリングの軸方向幅よりも徐々に小さくなるようにすることができる。ロータはさらに、巻線組立体の少なくとも１つに結合された複数の巻線ブレースを含むことができ、これら巻線ブレースは異なる半径方向高さを有する。チューブの両軸方向端部に位置した巻線ブレースの半径方向高さは、軸方向に該チューブの中心又はその近傍に位置した巻線ブレースの半径方向高さよりも小さくすることができる。巻線ブレースのそれぞれの半径方向高さは、チューブの中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向に該チューブの中心又はその近傍に位置した巻線ブレースの半径方向高さよりも徐々に小さくなるようにすることができる。ロータはさらに、巻線組立体の少なくとも１つに結合されかつ互いに軸方向に軸方向に間隔を置いて配置された複数の巻線ブレースを含むことができ、一対の隣接する巻線ブレース間の軸方向距離は別の隣接する巻線ブレース間の軸方向距離とは異なっている。チューブの端部に位置した巻線ブレース間のそれぞれの軸方向距離は、該チューブの中心又はその近傍に位置した巻線ブレース間の軸方向距離よりも小さくすることができる。隣接する巻線ブレース間のそれぞれの軸方向距離は、チューブの中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向に該チューブの中心に位置した隣接する巻線ブレース間の軸方向距離よりも徐々に小さくなるようにすることができる。ロータはさらに、その中に複数の通気孔が形成されたシールドを含むことができ、シールドは、（ｉ）チューブと（ｉｉ）磁気コア及び巻線組立体との間に配置される。通気孔は、円形又は楕円形とすることができる。通気孔は、シールドの軸方向におけるそれぞれの列として整列させることができ、それぞれの列の通気孔は、リング間に形成されたそれぞれの軸方向空間と軸方向に整列させることができる。通気孔は、シールドの軸方向におけるそれぞれの列として整列させることができ、それらの列間の軸方向距離は、均等でないようにすることができる。シールド内に形成した通気孔の列間の距離は、シールドの中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、徐々に小さくなるようにすることができる。
【０００５】
少なくとも２つの磁極を有する磁気コアと複数の巻線組立体とを含むロータ構成部品を囲むための円筒状チューブは、異なる軸方向幅を有する複数のリングを含む。チューブは、非金属材料で形成することができる。リングの各々は、隣接するリングから軸方向に間隔を置いて配置することができる。リングは、磁気コア内に形成した半径方向排出スロットが該リング間のそれぞれの空間と軸方向に整列するように、軸方向に間隔を置いて配置することができる。チューブの両軸方向端部におけるリングのそれぞれの軸方向幅は、軸方向に該チューブの中心又はその近傍に位置したリングの軸方向幅よりも小さくすることができる。リングのそれぞれの軸方向幅は、チューブの中心から離れる軸方向距離が増大するにつれて、軸方向に該チューブの中心又はその近傍に位置したリングの軸方向幅よりも徐々に小さくなるようにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、それに限定されないが、ステータ５０内に回転可能に取付けられたロータ１０を含む発電機のような電気機械を示す。ロータ１０は、その周りでロータ１０がステータ５０内で回転する長手方向軸線１１と、多極磁気コア１２（２極コアを図示する）と、各極ごとに１つの複数の巻線組立体３０とを含む。ロータ１０はまた、コア１２及び巻線組立体３０を囲む非金属円筒状チューブ２０を含む。ロータ１０はまた、チューブ２０と巻線組立体３０との間に配置された連続シールド４０を含むことができる。
【０００７】
巻線組立体３０を２極磁気コア１２の平行側面鍛造品上に摺動嵌合した後に、巻線組立体３０を覆ってチューブ２０を摺動嵌合する。チューブ２０は、炭素繊維ガラス繊維複合材のような非金属低密度複合材料で作られており、ロータ１０とステータ５０との間に形成した発電機空隙５２に巻線通気ガスを排出するように構成される。チューブ２０を形成する材料は、高い強度対重量比を有するのが好ましい。
【０００８】
図２は、ロータ１０の他の構成部品（例えば、破線で示したコア１２）を囲むチューブ２０の例示的な実施形態の詳細を示す。チューブ２０は、複数のリング２１によって形成され、リング２１は、所定の距離を有するそれぞれの空間２２が該リング２１の各々間に形成されるように軸方向に互いに隔てられる。空間２２は、冷却ガス流の方向を表す矢印２５によって示すように冷却流体の半径方向排出路を形成する。具体的には、空間２２は、冷却流体を空隙５２に通気させるための半径方向排出路を形成する。空間２２は、冷却ガスがロータ１０のマニホルドを通って矢印２５で示した方向に流れるように、コア１２の半径方向排出路１７と軸方向に整列している。
【０００９】
リング２１のそれぞれの軸方向幅は、変化している。例えば、チューブ２０の軸方向中心に位置したリング２１ａの軸方向幅Ｗａは、隣接するリング２１ｂの軸方向幅Ｗｂよりも大きい。リング２１ｂの軸方向幅Ｗｂは、リング２１ｃの軸方向幅Ｗｃよりも大きい。同様に、リング２１ａの軸方向幅Ｗａは、リング２１ｄの軸方向幅Ｗｄよりも大きく、次にこのリング２１ｄの軸方向幅Ｗｄは、リング２１ｅの軸方向幅Ｗｅよりも大きい。リング２１のそれぞれの軸方向幅は、このようにチューブ２０の中心からの軸方向距離が増大するにつれて徐々に小さくなる。従って、シリンダ２０の端部に位置したリング２１は、最も小さい軸方向幅を有する。チューブ２０の中心に位置したリング２１ａは、最も大きい軸方向幅Ｗａを有する。
【００１０】
リング２１のそれぞれの軸方向幅を変えることによって、一連の空間２２間の軸方向距離が変化する。具体的には、一連の空間２２間の軸方向距離は、チューブ２０の中心からの軸方向距離が増大するにつれて徐々に小さくなる。従って、チューブ２０は、空間２２間の可変距離間隔のために、自ずと冷却流体流の一様でない分布をもたらすことになる。リング２１のそれぞれの軸方向幅を調整することによって、冷却流体の半径方向排出路を形成する一連の空間２２間の距離を調整することができる。
【００１１】
図３は、シールド４０の例示的な実施形態の詳細を示す。シールド４０は、複数の通気孔４１を備えた連続金属体で形成される。連続円筒状シールド４０に形成した通気孔４１は、シールド４０及び／又はチューブ２０内に応力集中を生じさることなく、冷却流体を空隙５２に通気するための排出開口を形成する。コア１２及びシールド４０を通る冷却流体の流れは、矢印２５で示す。通気孔４１は、図３に示したような楕円形状又は図４の別の例示的な実施形態で示したような円形状を有することができる。
【００１２】
通気孔４１は、それぞれの軸方向列として整列している。例えば、多数の通気孔４１（図３には６つの通気孔４１を示す）は、軸方向列４２として整列させることができる。列４２内のこれらの孔４１の各々は、シールド４０の中心から等しい軸方向距離を有する。シールド４０内には、その各々が複数の通気孔４１を含む他の軸方向列４３〜４６もまた形成される。通気孔４１の列は、コア１２のそれぞれの半径方向排出路１７と整列する。
【００１３】
図３に示すように、通気孔４１の列間の軸方向間隔は均等でない。一連の通気孔４１の列を隔てる軸方向距離は、シールド４０の中心からの軸方向距離が増大するにつれて徐々に小さくなる。例えば、列４４及び４３間の軸方向距離は、列４３及び４２間の距離よりも短い。この通気孔４１の均等でない間隔のために、シールド４０によって供給される冷却流体の流れは、（自ずと）一様でないものとなる。
【００１４】
図１に示すように、シールド４０は、巻線組立体３０と円筒状チューブ２０との間に配置される。シールド４０内に形成した孔の軸方向列（図３に示す）は、チューブ２０のリング２１間の空間と軸方向に整列して、矢印２５で示した冷却流体の流れを確立する。例えば、シールド４０内に形成した通気孔４１の軸方向列４２は、円筒状チューブ２０のリング２１ａ及び２１ｂ間の空間と軸方向に整列する。シールド４０内に形成した通気孔４１の列４３は、円筒状チューブ２０のリング２１ｂ及び２１ｃ間の軸方向空間と軸方向に整列する。シールド４０内に形成した通気孔４１の列４５は、円筒状チューブ２０のリング２１ａ及び２１ｄ間の空間と軸方向に整列する。最後の実例として、シールド４０の通気孔４１の列４６は、円筒状チューブ２０のリング２１ｄ及び２１ｅ間の空間と軸方向に整列する。このようにして、通気孔４１の列は、円筒状チューブ２０の一連のリング２１間の軸方向空間と整列して、矢印２５で示した冷却流体排出路を確立する。
【００１５】
図５〜図６は、チューブ２０及びコア１２に結合された複数の巻線ブレース３１を示す。巻線ブレース３１は、巻線３３をコア１２に結合する。具体的には、それぞれの固定ピン３５は、各巻線ブレース３１をコア１２に結合して、コア１２に対して巻線３３を結合することができるようにする。
【００１６】
巻線ブレース３１の各々はまた、リング２１のそれぞれの１つに結合される。図５に示すように、巻線ブレース３１は、可変半径方向高さ及び可変軸方向間隔を有する。例えば、リング２１ｃに結合した巻線ブレース３１ｃの半径方向高さｈ３は、リング２１ｂに結合した巻線ブレース３１ｂの半径方向高さｈ２よりも小さく、次に巻線ブレース３１ｂの半径方向高さｈ２は、最も中心のリング２１ａに結合した巻線ブレース３１ａの半径方向高さｈ１よりも小さい。同様に、リング２１ｅに結合した巻線ブレース３１ｅの半径方向高さｈ５は、リング２１ｄに結合した巻線ブレース３１ｄの半径方向高さｈ４よりも小さく、次に巻線ブレース３１ｄの半径方向高さｈ４は、最も中心のリング２１ａに結合した巻線ブレース３１ａの半径方向高さｈ１より小さい。従って、巻線ブレース３１のそれぞれの半径方向高さは、チューブ２０の中心から離れる距離が増大するにつれて徐々に小さくなる。
【００１７】
一連の巻線ブレース３１間の軸方向間隔もまた、チューブ２０の中心からの軸方向距離が増大するにつれて徐々に小さくなる。例えば、巻線ブレース３１ｃ及び３１ｂ間の軸方向間隔Ｓ２は、巻線ブレース３１ｂ及び３１ａ間の軸方向間隔Ｓ１よりも小さい。同様に、巻線ブレース３１ｅ及び３１ｄ間の軸方向間隔Ｓ４は、巻線ブレース３１ｄ及び３１ａ間の軸方向間隔Ｓ３よりも小さい。巻線ブレース３１の可変軸方向間隔は、該巻線ブレース３１の半径方向内側端縁とロータ１０のシャフトとの間に形成される、チューブ２０から出る冷却流体流の（そうでなければ）一様でない分布を打ち消す。巻線ブレース３１の各隣接する対間の半径方向排出流は、これら２つの巻線ブレース３１間の軸方向間隔距離を変えることによって、冷却流体の所望の流れを得るように調整することができる。さらに、巻線ブレース３１の半径方向高さ（例えばｈ１〜ｈ５）を調整し、従って各巻線ブレース３１の半径方向内側端縁の位置を調整して、下流側チューブ２０における冷却流体の流れを絞ることができる。従って、巻線ブレース３１の軸方向間隔（例えば、Ｓ１〜Ｓ４）及び巻線ブレース３１の半径方向高さ（例えばｈ１〜ｈ５）を各々調整して、さらに一様なロータ巻線温度を得ることができる。巻線ブレース３１の軸方向間隔及び半径方向高さを調整することによって、ステータ巻線及びロータ巻線の両方におけるホットスポットを最小にする、ロータ１０及びステータ５０内における冷却流体の全体的分布を達成することができる。チューブ２０に応力集中が生じさせることなく、通気を行うことができる。従って、ロータ組立体を単純化することができ、また全ての格納構造の交換を必要とするのとは対照的に、個々の部品に対する局所的損傷の危険性を排除することができる。
【００１８】
現在最も実用的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、また特許請求の範囲に記載した参照符号は本発明の技術的範囲を狭めるのではなく、それらを容易に理解するためのものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、電気機械のロータ、ステータ、シールド及びエンクロージャチューブの概略図。
【図２】図１に示す円筒状エンクロージャチューブの側面図。
【図３】図１に示すシールドの例示的な実施形態の側面図。
【図４】図１に示すシールドの別の例示的な実施形態の側面図
【図５】図１に示す円筒状エンクロージャチューブに結合した、可変半径方向高さを有する一連の巻線ブレースの断面図。
【図６】図５に示す巻線ブレースの１つを示す部分断面図。
【符号の説明】
【００２０】
１０  ロータ
１２  磁気コア
１７  半径方向排出スロット
２０  円筒状チューブ
２１  リング
２２  リング間の空間
３０  巻線組立体
３１  巻線ブレース
４０  シールド
４１  シールドの通気孔
５０  ステータ
５２  発電機空隙
【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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【外国語明細書】
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