(57)【要約】【課題】ロータ（１００）を有する電動機械の端部領域（１７２、１７４）のための冷却ガス通気チムニ（１５０）を提供する。【解決手段】ロータ内には、複数の半径方向スロットが設けられ、また半径方向スロット内には、複数のコイル（１３０）が嵌装される。コイルは、半径方向に積み重ねられたターンを形成する。本通気チムニ（１５０）は、半径方向に積み重ねられたターンの少なくとも一部分内に形成された１つ又はそれ以上のチムニスロットを含む。チムニスロットは、ロータまでほぼ半径方向に延び、またチムニスロットの表面の少なくとも一部分は、伝熱を強化するための粗い表面輪郭を有するような乱流発生形状にされる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（１００）と、前記ロータ内に設けられた複数の半径方向スロットと、前記複数の半径方向スロット内にそれぞれ嵌装されかつ複数の半径方向に積み重ねられたターンを含む複数のコイル（１３０）とを有する電動機械の端部領域（１７２、１７４）のための冷却ガス通気チムニ（１５０）であって、
前記半径方向に積み重ねられたターンの少なくとも一部分内に形成されかつ前記ロータまでほぼ半径方向に延びる１つ又はそれ以上のチムニスロット、を含み、
前記１つ又はそれ以上のチムニスロットの表面の少なくとも一部分が、伝熱を強化するための粗い表面輪郭を有するような乱流発生形状にされる、
冷却ガス通気チムニ。
【請求項２】
前記１つ又はそれ以上のチムニスロットが、１つ又はそれ以上の突起、リブ、セレーション或いは陥凹、若しくはそれらの組合せを含む、請求項１記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項３】
前記１つ又はそれ以上の突起、リブ、セレーション或いは陥凹が、一般的に断面がＶ字形、丸コーナ付きＶ字形、三角形、丸コーナ付き三角形、台形、丸コーナ付き台形、球形、四辺形及び丸コーナ付き四辺形の１つ又は組合せである、請求項２記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項４】
前記１つ又はそれ以上の突起、リブ、セレーション或いは陥凹の少なくとも一部分が、前記ロータに対してほぼ半径方向に配向される、請求項１から請求項３のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項５】
前記１つ又はそれ以上の突起、リブ、セレーション或いは陥凹の少なくとも一部分が、前記ロータの軸方向軸線と半径方向軸線との間の方向に配向される、請求項１から請求項４のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項６】
前記粗い表面輪郭が、複数段付き表面を含む、請求項１から請求項５のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項７】
前記粗い表面輪郭が、前記チムニスロットの少なくとも一部分の位置をほぼ軸方向及びほぼ円周方向の少なくとも１つの方向又はそれらの組合せの方向にオフセットさせることによって得られ、
該通気チムニの少なくとも一部分が、実質的に非直線通路で構成される、
請求項１から請求項６のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項８】
前記粗い表面輪郭が、連続したコイル内の一連の交互配列された大小の開口によって得られる、請求項１から請求項７のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項９】
前記粗い表面輪郭が、前記コイルの少なくとも一部分内の異なる寸法の開口によって得られる、請求項１から請求項８のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【請求項１０】
該通気チムニの粗い表面輪郭が、前記チムニスロットの１つ又はそれ以上内への突起又は陥凹のフライス加工、圧印加工或いはパンチ加工の少なくとも１つ、若しくはそれらの組合せによって得られる、請求項１から請求項９のいずれか１項記載の冷却ガス通気チムニ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動機械のロータ内の通気チムニの伝熱性能を高めることに関する。具体的には、本発明は、ロータ内の通気チムニの表面を乱流発生形状にして伝熱性能を高めることに関する。
【背景技術】
【０００２】
大型のガス冷却式電動機械におけるロータは、一般的に機械加工した高強度中実鉄鍛造品で製作されたロータ本体を有する。ロータ本体の外周部内には、特定の円周方向位置において軸方向に延びる半径方向スロットを機械加工して、ロータ巻線を収容するようにする。このタイプの機械におけるロータ巻線は一般的に、幾つかの完全コイルで構成され、各コイルは、銅導電体からなる多くの界磁ターンを有する。コイルは、同心パターンとして半径方向スロット内に嵌装され、例えば２極ロータ内には２つのそのような同心パターンが設けられる。コイルは、各スロット内の機械加工ダブテール面に当接した楔によって、遠心力に抗してロータ本体のスロット内に支持される。主ロータ本体の端部を越えて延びるロータ巻線コイルの領域は、「コイル端」と呼ばれ、高強度の鋼製保持リングによって遠心力に抗して支持される。ロータコイル端の下方に配置されたロータシャフト鍛造品のセクションは、スピンドルと呼ばれる。本明細書の以下における参照及び説明を容易にするために、ロータ巻線は、ロータ本体の半径方向スロット内の中央半径方向流れ領域と、ロータスピンドルから半径方向に間隔を置いて配置された状態で磁極面を越えて延びるロータコイル端領域と、半径方向流れ通気又は放出チムニを含むスロット端部領域とを有するものと見なすことができる。スロット端部領域は、中央半径方向流れ領域とロータコイル端領域との間に位置する。
【０００３】
大型ターボ電気機械つまり電動機械の設計は、ステータ及びロータ巻線内に高い電力密度を必要とする。定格が増大するにつれて、巻線の比負荷（つまり、所定の断面によって運ばれる電流）もまた冷却器（又は熱交換器）のようなヒートシンクまでの距離も増大する。付加的な冷却方法を採用して、発電機の部品から熱を取り去ることができる。
【０００４】
ロータ巻線の直接冷却は、電気機械の設計において確立された慣用的実施法である。幾つかの方法で、一般的には水素ガス又は空気である冷却媒体を巻線に直接導入する。ガスは、銅ロータ巻線の内側に半径方向に切込まれたサブスロットを介してロータに流入することができる。ガスは、銅内に配置した半径方向ダクトを通して排出される。ロータの回転及びガスの加熱によって生じるポンプ作用により、サブスロットを通してガスが引き込まれかつ半径方向ダクトから引き出される。それに代えて、ガスは、ロータの回転表面においてギャップから外にすくい出すことができ、また対角線方向又は半径方向−軸方向通路に沿って銅巻線を通過させることができる。ガスは、サブスロットを必要とせずにロータ表面において今一度排出される。これらの２つの方策により、ロータ本体内の巻線が冷却される。
【０００５】
ロータ端部ターンは、付加的な冷却を必要する可能性がある。そのための１つの確立された方法は、銅ターン内に１つ又はそれ以上の縦方向溝を設けることである。この溝は、該溝を通してガスを引き入れることになる出口に連結している。出口は、ロータ本体の端部における半径方向配向ダクトとすることができ、或いは溝は、ロータ本体の歯又は極内の通気スロットに至ることができる。一般的に、端部ターンを機械的に支持する保持リングは、穿孔されない。端部ターンに溝を設ける方策は、半径方向タイプ又はギャップピックアップタイプのいずれかであれあらゆるタイプのロータ本体冷却に使用することができる。端部ターン冷却溝はまた、半径方向通気又は放出チムニに排出することもできる。
【０００６】
端部セクションガスを排出するために、排出又は通気チムニは、中央本体セクション内の半径方向又は対角線方向流れダクトから付加的冷却を何ら受けないロータ本体の最外側軸方向位置に設置される。放出チムニは一般的に、ロータ内の最も高温のセクションであり、電気絶縁温度限界値を超えてはならないので、出力が制限される。
【０００７】
一般的に放出チムニに排出する多数の溝故に、チムニ流れ断面積は通常、スロット幅の方向及び導電体の長手方向に沿った方向の両方向において、ロータの中央本体セクションを冷却するために使用する半径方向ダクトよりも大きい。チムニを通して放出される冷却ガスは、既に端部セクションを冷却しかつ該端部セクションから熱を除去しているので、チムニに流入するガスは、高温になっている。チムニを囲む導電体は、熱を発生しかつさらに冷却される必要があるが、この導電体温度は、それが高い温度のガスで冷却されているので、高いものとなる。これにより、ロータの最高温領域の１つが放出チムニの位置付近に生じ、このことが、ロータ出力及び電気出力性能を制限する。同時に、大きなチムニ流れ面積は、巻線から一層大きな導電面積を取り去ることを必要とすることになり、それにより、電気抵抗の増大を引き起こし、またチムニが高温のガスで冷却されるのと同一の区域における加熱を引き起こす。加えて、放出チムニは、ロータの本体セクション内の一般的な半径方向冷却ダクトにおけるガス流れ断面積と比べて、その壁上により小さな伝熱表面積を有することになる。さらに、その大きな寸法故に、放出チムニは一般的に、フライス加工等で機械加工されるが、この加工では滑らかな表面が残り、この生じた滑らかな壁が、伝熱性能をさらに低下させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第２，７７８，９５９号公報
【特許文献２】米国特許第３，９９５，１８０号公報
【特許文献３】米国特許第４，５４３，５０３号公報
【特許文献４】米国特許第４，７０９，１７７号公報
【特許文献５】米国特許第５，２８１，８７７号公報
【特許文献６】米国特許第５，６４４，１７９号公報
【特許文献７】米国特許第５，６８５，０６３号公報
【特許文献８】米国特許第６，２０４，５８０  Ｂ１号公報
【特許文献９】米国特許第６，３６２，５４５号公報
【特許文献１０】米国特許第６，６２８，０２０  Ｂ１号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】M.K.CHYU, "et al., "Concavity Enhanced Heat Transfer In An Internal Cooling Passage ", ASME Proceedings of the 1997 International Gas Turbine & Aeroengine Congress & Exhibition, Paper No. 437, p. 1-7, Orlando,FL, June 2-5, 1997.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従って、当技術分野では、ロータの端部セクションを一層効果的に冷却するような高い伝熱特性を有する放出チムニに対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ロータを有する電動機械の端部領域のための冷却ガス通気チムニを提供する。ロータ内には、複数の半径方向スロットが設けられ、また半径方向スロット内には、複数のコイルが嵌装される。コイルは、半径方向に積み重ねられたターンを形成する。本通気チムニは、半径方向に積み重ねられたターンの少なくとも一部分内に形成された１つ又はそれ以上のチムニスロットを含む。チムニスロットは、ロータまでほぼ半径方向に延び、またチムニスロットの表面の少なくとも一部分は、伝熱を強化するための粗い表面輪郭を有するような乱流発生形状にされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電動機械のロータの概略図。
【図２】図１のロータのコイル端領域と中央半径方向流れ領域の間に設置された通気チムニの断面図。
【図３】半径方向ダクトと比較した通気チムニの相対的寸法を示す、図２の切断線Ａ−Ａに沿った上面図。
【図４】通気チムニ内の端部ターン冷却溝の終端部の断面を示す、図２の切断線Ｂ−Ｂに沿った図。
【図５】本発明の１つの実施形態による乱流発生形状通気チムニの断面図。
【図６】半径方向ダクトと比較した通気チムニの相対的寸法を示す、図５の切断線Ａ−Ａに沿った上面図。
【図７】本発明の１つの態様による乱流発生形状通気チムニ内の端部ターン冷却溝の終端部の断面を示す、図５の切断線Ｂ−Ｂに沿った図。
【図８】通気チムニのための乱流発生形状表面を得るために使用することができるフライス加工の１つの実施形態を示す図。
【図９】通気チムニのための乱流発生形状表面を得るために使用することができるフライス加工の別の実施形態を示す図。
【図１０】通気チムニのための乱流発生形状表面を得るために使用することができるフライス加工のさらに別の実施形態を示す図。
【図１１】本発明の別の実施形態による乱流発生形状通気チムニの断面図。
【図１２】通気チムニ内に存在するセレーションを示す、図１１の切断線Ａ−Ａに沿った上面図。
【図１３】本発明の別の実施形態によるオフセット流れ通路を有する、通気チムニ内の端部ターン冷却溝の終端部の断面図。
【図１４】本発明のさらに別の実施形態を示しており、交互寸法の流れ通路を有する通気チムニ内の端部ターン冷却溝の終端部の断面図を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、ロータ１００の断面を示しており、ロータ１００は、ロータ本体１１０、ロータスピンドル１２０、巻線１３０、サブスロット１４０、及び通気又は放出チムニ１５０を含む。ロータ１００は一般的に、機械加工した高強度中実鉄鍛造品で製作される。軸方向に延びる半径方向スロットが、特定の円周方向位置においてロータ本体１１０の外周部内に機械加工されて、ロータ巻線１３０を収容する。ロータ巻線１３０は一般的に、幾つかの完全コイルを含み、各コイルは、銅導電体からなる多くの界磁ターンを有する。コイルは、同心パターンとして半径方向スロット内に嵌装され、例えば２極ロータ内には２つのそのような同心パターンが設けられる。コイルは、各スロット内の機械加工ダブテール面に当接した楔によって、遠心力に抗してロータ本体のスロット内に支持される。主ロータ本体の端部を越えて延びるロータ巻線コイルの領域は、「コイル端」と呼ばれ、高強度の鋼製保持リングによって遠心力に抗して支持される。コイル端セクションは、領域１７４で示している。ロータコイル端の下方に配置されたロータシャフト鍛造品のセクションは、スピンドル１２０と呼ばれる。本明細書の以下における参照及び説明を容易にするために、ロータ巻線は、ロータ本体の半径方向スロット内に中央半径方向流れ領域つまり本体冷却領域１７０を有するものと見なすことができる。コイル端領域１７４は、磁極面を越えて延び、かつロータスピンドルから半径方向に間隔を置いて配置される。スロット端部領域１７２は、放出チムニ１５０を含む。スロット端部領域１７２は、本体冷却領域１７０とコイル端領域１７４との間に設置される。幾つかの実施形態では、ロータ端部領域は、スロット端部領域１７２及び／又はコイル端領域１７４を含むことができる
図２は、電動機械のロータ内の端部ターン冷却溝から排出するための１つの公知のシステムを示している。端部ターン冷却溝２１０は、右側から流入しかつチムニ１５０に排出する。冷却ガスは、冷却溝２１０内でほぼ水平つまり軸方向に流れ（図２に矢印で示すように）、かつ通気チムニ１５０内でほぼ垂直つまり半径方向に流れる。チムニ１５０を含む各ターン（つまり導電体層）内の孔は、チムニスロットと呼ぶことができる。従って、チムニ１５０は、１つ又はそれ以上のチムニスロットで構成される。サブスロット１４０からガスを通気させるためにまた、付加的な半径方向配向ダクト２２０を設置することができる。ロータ端部ターンはまた、溝２１０の上半分が第１のチムニに連結しまた下方溝が第２のチムニに連結した状態で、２つのチムニに排出することができる。
【００１４】
図３は、図２の切断線Ａ−Ａに沿った上面図を示しており、半径方向ダクト２２０と比較したチムニ１５０の相対的寸法を示している。チムニ１５０の半径方向断面積は、ダクト２１０又は２２０の断面積よりも大きい。図４は、図２の切断線Ｂ−Ｂに沿った図を示しており、チムニ１５０内の端部ターン冷却溝２１０の終端部の断面を示している。チムニ１５０の内壁は、滑らかであることが分かる。
【００１５】
図５は、通気チムニ１５０の伝熱性能を高めた本発明の１つの実施形態を示している。チムニ１５０の内壁は、粗面とするか或いは乱流発生形状とすることができる。この実施形態では、壁は、冷却ガスの流れ内に突き出た三角形つまりＶ字形の突起５５２を有することができる。これらの突起５５２は、ガスの流れに乱流を発生させ、チムニ１５０の表面積と冷却ガスとの間に一層大きな相互作用を生じさせる。その結果、チムニ１５０内のより温かい冷却ガスが伝熱面積の増大によって周囲の銅巻線を一層効果的に冷却することになる。本発明の別の実施形態では、突起５５２は、チムニ１５０の全体又は一部分上に配置することができる。幾つかの実施形態では、突起５５２はまた、その断面がＶ字形、丸コーナ付きＶ字形、三角形、丸コーナ付き三角形、台形、丸コーナ付き台形、球形、四辺形及び丸コーナ付き四辺形の１つ又は組合せとすることができる。突起５５２はまた、ディンプル、不整形、スカラップ及び波形形状とすることができる。
【００１６】
図６は、図５の切断線Ａ−Ａに沿った上面図を示しており、半径方向ダクト２２０と比較したチムニ１５０の相対的寸法を示している。図７は、図５の切断線Ｂ−Ｂに沿った図を示しており、チムニ１５０内の端部ターン冷却溝２１０の終端部の断面を示している。チムニ１５０の内壁は、伝熱面積を増大させかつ冷却ガスの流れに乱流を発生させる複数突起を有することが分かる。
【００１７】
図８、図９及び図１０は、チムニ１５０のための粗い表面（粗面）を得る様々な方法を示している。突起及び／又は陥凹を備えた内表面を有するチムニを得るために、個々の銅巻線は、該チムニの端縁部が粗面になるか又は特殊な輪郭を有するように、フライス加工、圧印加工又はパンチ加工することができる。図８は、銅導電体８２０内のチムニスロット上に三角形の輪郭を得るために使用することができるフライス加工の１つの実施形態を示している。フライス加工工具８１０は、銅導電体８２０内の開口（チムニ１５０の一部を形成する）にテーパを付けるように設計された表面輪郭を有することができる。図９は、銅導電体８２０内のチムニスロット上に複数段付き輪郭を得るために使用することができるフライス加工の１つの実施形態を示している。フライス加工工具９１０は、銅導電体８２０内の開口（チムニ１５０の一部を形成する）に段部を形成するように設計された表面輪郭を有することができる。図１０は、銅導電体８２０内のチムニスロット上に段付き輪郭を得るために使用することができるフライス加工の別の実施形態を示している。フライス加工工具１０１０は、銅導電体８２０内の開口（チムニ１５０の一部を形成する）の一側内に段部を形成するように設計された表面輪郭を有することができる。
【００１８】
図１１は、チムニ１５０の内表面にセレーションを付けた本発明の別の実施形態を示している。これらのセレーション１１５２は、半径方向つまり垂直方向に延びるように示しているが、これらセレーションは、軸方向、半径方向、又は軸−半径方向に配向することもできる。軸−半径方向は、ロータ１００の軸方向軸線（例えば、図１における水平方向）と半径方向軸線（例えば、図１における垂直方向）との間のあらゆる角度と定義することができる。セレーションはまた、さらに螺旋構成に形成することもできる。半径方向セレーション１１５２は、巻線を含む各導電体層内に、或いは導電体層の一部分内に形成することができる。セレーション１１５２はまた、その断面がＶ字形、丸コーナ付きＶ字形、三角形、丸コーナ付き三角形、台形、丸コーナ付き台形、四辺形及び丸コーナ付き四辺形の１つ又は組合せとすることができる。図１２は、図１１の切断線Ａ−Ａに沿った上面図を示しており、チムニ１５０内に突出したセレーション１１５２を示している。セレーション１１５２は、チムニ１５０の伝熱面積を増大させかつチムニ内を通って上方に流れるガスの冷却効果を高める。
【００１９】
図１３は、本発明の別の実施形態を示しており、この実施形態では、チムニ１５０は、円周方向にオフセットしたチムニスロットで構成されている。各導電体層は、隣接する又はその他の導電体層に対して円周方向にオフセットした孔つまりチムニスロットを有し、チムニが難儀な流れ通路として形成されるようにすることができる。オフセット流れ通路は、この流路が強制的にガスをあちこちに曲げて流すので、流れを乱しかつ乱流を発生させる。このことによる１つの結果として、冷却ガスとチムニ１５０の表面との間の相互作用が増大する。オフセットパターンはまた、チムニ１５０の表面積を増大させ、これが伝熱性能を高めるのを助ける。チムニスロットは、様々な量だけ又は群として円周方向にオフセットさせることができる。例えば、幾つかの実施形態では、２つ又はそれ以上の隣接する導電体層の第１の群は、同じ円周方向位置に設置されたチムニスロットを有することができ、また隣接するチムニスロットの第２の群は、異なる円周方向位置に設置されたそれらのチムニスロットを有することができる。その他の実施形態では、チムニスロットの幾つか又は全ては、複数の又は異なる円周方向位置に設置することができる。チムニスロットはまた、それらの位置が円周方向及び軸方向に変化するように構成することができる。
【００２０】
図１４は、別の実施形態を示しており、この実施形態では、チムニ１５０は、交互寸法のチムニスロットで構成される。各導電体層は、隣接する導電体層に対して異なる寸法になった孔つまりチムニスロットを有することができる。可変寸法の流れ通路は、流れを乱し、乱流を発生させ、かつ冷却ガスとチムニ１５０の表面との間の相互作用を増大させる。チムニ１５０の表面積もまた増大し、それが、伝熱性能の高めるのを助ける。幾つかの実施形態では、チムニスロットは、２つ又はそれ以上の異なる寸法を含むことができる。その他の実施形態では、チムニスロットは、同一又は異なる寸法を有する隣接するチムニスロットの群を含むことができる。
【００２１】
上記したチムニ構成のいずれも、特定用途に適するように互いに組合せ或いは修正することができる。上記の実施形態の全ては、ロータ本体を冷却する半径方向流れ及びギャップピックアップ方法で使用することができ、また単一、二重又は多重チムニ構成として使用することができる。幾つかの実施形態では、交互寸法又は位置について示したが、高い伝熱性能を得るために、複数寸法（例えば、２つより多い）及び／又は複数位置（例えば、２つより多い）を使用することもできる。本明細書に記載した方法、システム及び装置は、空気、水素ガス又はあらゆるその他の適当な冷却媒体で冷却される電動機械において使用することができる。通気チムニは一般的に、ロータ本体の駆動及び非駆動端部に設置され、また本明細書に記載した実施形態は、ロータ本体の駆動及び非駆動端部のいずれか又は両方に適用することができる。
【００２２】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には分かるであろう。
【符号の説明】
【００２３】
１００  ロータ
１１０  ロータ本体
１２０  スピンドル
１３０  巻線
１４０  サブスロット
１５０  通気又はチムニ
１７０  本体冷却領域
１７２  スロット端部領域
１７４  コイル端領域
２１０  端部ターン冷却溝
２２０  ダクト
５５２  突起
８１０  フライス加工工具
８２０  導電体
９１０  フライス加工工具
１０１０  フライス加工工具
１１５２  セレーション
【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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