(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の巻線溝を持つ円柱状の回転子鉄心部と、導電体を複数層巻回して形成されてそれぞれが異なる巻線溝に装填されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルを有する回転子巻線とを備えた回転電気機械の円筒形回転子において、
冷媒ガスは鞍形コイルの両端部分の内周側のそれぞれに形成された内周部通流路を経て巻線溝の底部に回転子鉄心部の長さ方向に沿わせて形成された溝底部通流路の両端部からそれぞれの巻線溝に流入し、鞍形コイルは巻線溝に収納される部位に前記導電体に設けられた貫通孔を用いて全体として斜めに形成され冷媒ガスを導電体の各層を貫通して通流させる複数の冷媒ガスダクトを有し、回転子鉄心部の長さ方向の端面付近に配設される前記冷媒ガスダクトは冷媒ガス流入側の開口を前記内周部通流路に臨ませて形成することを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【請求項２】
複数の巻線溝を持つ円柱状の回転子鉄心部と、導電体を複数層巻回して形成されてそれぞれが異なる巻線溝に装填されて最外周部を回転子用楔で保持されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルを有する回転子巻線とを備えた回転電気機械の円筒形回転子において、
冷媒ガスは鞍形コイルの両端部分の内周側のそれぞれに形成された内周部通流路を経て巻線溝の底部に回転子鉄心部の長さ方向に沿わせて形成された溝底部通流路の両端部からそれぞれの巻線溝に流入し、鞍形コイルは巻線溝に収納される部位に前記導電体に設けられた貫通孔を用いて全体として斜めに形成されて冷媒ガスを導電体の各層を貫通して通流させる複数の冷媒ガスダクトを有し、回転子用楔はそれぞれの冷媒ガスダクトと対向する部位に冷媒ガス通流用の貫通孔を有すると共に、この貫通孔はその中心位置を冷媒ガスダクトの回転子用楔側の開口の中心位置よりも回転子鉄心部の軸長方向の中心側にずらして形成することを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【請求項３】
複数の巻線溝を持つ円柱状の回転子鉄心部と、導電体を複数層巻回して形成されてそれぞれが異なる巻線溝に装填されて最外周部を回転子用楔で保持されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルを有する回転子巻線とを備えた回転電気機械の円筒形回転子において、
冷媒ガスは鞍形コイルの両端部分の内周側のそれぞれに形成された内周部通流路を経て巻線溝の底部に回転子鉄心部の長さ方向に沿わせて形成された溝底部通流路の両端部からそれぞれの巻線溝に流入し、鞍形コイルは巻線溝に収納される部位に前記導電体に設けられた貫通孔を用いて全体として斜めに形成されて冷媒ガスを導電体の各層を貫通して通流させる複数の冷媒ガスダクトを有し、回転子用楔はそれぞれの冷媒ガスダクトと対向する部位に冷媒ガス通流用の貫通孔を有すると共に、この貫通孔は対向し合う前記冷媒ガスダクトが持つ傾斜方向と同方向の傾斜を持たせて形成することを特徴とする回転電気機械の円筒形回転子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、タービン発電機などの回転電気機械の円筒形回転子に係わり、回転子巻線の導電体が持つ直線状部の温度上昇の低減に好適なその構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
円筒形回転子を持つ回転電気機械は各種の用途に用いられているが、大容量のものとしてはタービン発電機が著名である。以下に、タービン発電機に代表させて、従来例の回転電気機械の円筒形回転子の説明を行うことにするが、まずは、一般例の円筒形回転子を持つ回転電気機械の構成の概要について図６を用いて説明する。ここで図６は、一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示す縦断面図である。図６において、Ｘ−Ｘは回転軸部の中心軸線であり、Ｚ−Ｚは回転子鉄心部の軸長方向に関する中心線である。
【０００３】
図６において、９は、円筒形回転子８，固定子７，冷媒ガス９９の通流路を持つケーシング６，軸流ファン６９，６９と、図示しない冷却装置とを備えた円筒形回転子を有する一般例の２極の回転電気機械である。円筒形回転子８の外周面と固定子７の内周面と間には空隙部９１が介在されている。円筒形回転子８は、回転軸部８１，回転軸部８１と一体に構成されて回転軸部８１と同心の円柱状の外形を持つ回転子鉄心部８２，２極機に対応した１対の回転子巻線５および保持体８３とを備え、図示しない軸受部を介して回転自在に支持されている。
【０００４】
回転電気機械９では、両回転子巻線５は断面が平角形状の導電体（平角銅線）を巻回して形成された鞍形コイルの複数個を用いて構成されている。それぞれの鞍形コイルは、回転子鉄心部８２の外周の円周方向に沿わせて形成されている図示しない複数の巻線溝に、互いに同心状となる配置関係で装填されている。回転子巻線５の各鞍形コイルが巻線溝に収納されている部位には、回転軸部８１の軸長方向に分布して多数の通気孔８８が形成されている。回転子巻線５の巻線溝内に収納されないことで回転子鉄心部８２の両端面から突き出されて配置される部位である端部８９，８９は、円筒状をした保持体８３によってその外周側が保持され、円筒形回転子８が回転することで発生される強大な遠心力に対して保持されている。
【０００５】
両軸流ファン６９は円筒形回転子８，固定子７を冷却する冷媒ガス（例えば、空気や水素ガス）９９を回転電気機械９内に循環させるために設けられ、この事例の場合には、図示のように回転子巻線５の両端部８９の回転軸部８１の軸長方向に関する外側の位置のそれぞれに配設されている。固定子７は、多数の薄板材製の鉄心板を積層して形成されて回転軸部８１と同心の円形の内径を持つ固定子鉄心７１と、固定子鉄心７１に形成されている図示しない複数の巻線溝に装填された固定子巻線７２とを備える。固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向の要所には、冷媒ガス９９を通流させるための通風ダクト７３の複数個が形成されている。
【０００６】
回転電気機械９では、ケーシング６は固定子鉄心７１の外周面に外接させて合計４枚の仕切板が固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向に間隔を隔てて配設され、端部側の仕切板と内側の仕切板とを接続するようにして複数の円筒状の連絡ダクトが配設されている。この４枚の仕切板により区切られることで、固定子鉄心７１の外周側の空間には鉄心板の積層方向に関する中央部に中央給気ダクト６１が、鉄心板の積層方向の中央部を除く両端部のそれぞれには排気ダクト６２，６２が形成されている。またケーシング６の両端部には、それぞれの軸流ファン６９に対応させて吸気ダクト６３，６３が備えられている。冷却装置は、円筒形回転子８，固定子７を冷却することで高温となった冷媒ガス９９から熱を除去する図示しない冷却器を備えている。
【０００７】
一般例の回転電気機械９は上述のごとくに構成されているので、それぞれの軸流ファン６９で加圧されたそれぞれの冷媒ガス９９の流れは、まず保持体８３が配置されている付近で大きく３つに分岐される。すなわち、それぞれの保持体８３の外周部を経て両端部から空隙部９１に直接流入する冷媒ガス流９９Ａと、固定子巻線７２の両端部のそれぞれを冷却した後に連絡ダクトを経て中央給気ダクト６１に流入する冷媒ガス流９９Ｂと、それぞれの回転軸部８１の外周面と保持体８３との間の空間のそれぞれから円筒形回転子８に流入する冷媒ガス流９９Ｃとである。
【０００８】
これ等の冷媒ガス流の内の冷媒ガス流９９Ｃは、回転子巻線５の端部８９を強制対流により冷却しつつ回転子鉄心部８２の端部に到り、冷媒ガス流９９Ｃの内の多くの部分はこの端部から巻線溝部に流入し、回転子巻線５および回転子鉄心部８２を強制対流により冷却した後、通気孔８８から空隙部９１に順次流入する。このようにして、空隙部９１で合流されたそれぞれの冷媒ガス９９は、排気ダクト６２，６２に連通している通風ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ排気ダクト６２，６２に到る。排気ダクト６２，６２に到達した冷媒ガス９９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却したので比較的に高温になっているが、この高温の冷媒ガス９９は図示しない排気風胴（前記冷却装置が備える）を経て冷却器に流入して除熱される。冷却器で除熱されて再び低温に戻った冷媒ガス９９は、図示しない吸気風胴（前記冷却装置が備える）を経て軸流ファン６９に流入される。
【０００９】
すなわち一般例の回転電気機械９は、冷却器を介して冷媒ガス９９を循環させることで比較的に安定な運転状態を得ることができているが、この種の回転電気機械に採用されている円筒形回転子８では、回転子巻線５の最高温度が端部８９に発生し易いので、端部８９の温度低減に関する検討が種々行われてきている。次に、このような検討の結果得られた従来例の回転電気機械の円筒形回転子を図７，図８を用いて説明する。なお以降の説明では、図６に示した一般例の回転電気機械９と同一部分には同じ符号を付しその説明を省略する。ここで、図７は図６のＱ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子の斜視図であり、図８は図６のＲ部に対応した部位の図７におけるＡ−Ａ断面図である。なお、図７は保持体およびその周辺部を取り除いて回転子巻線の外周部が露出された状態として図示している。
【００１０】
図７，図８において、８Ａは、回転軸部８１，回転子鉄心部８２Ａ，１対の回転子巻線５Ａ，それぞれ複数のスペーサ５４および５４Ａ，隔壁体５５，仕切壁体５６，外周部絶縁体５７，複数の回転子用楔５８および楔下絶縁層５９，保持体８３とを備えた２極の円筒形回転子である。円筒形回転子８Ａでは、回転子巻線５Ａには、それぞれの磁極毎に断面が平角形状の導電体（平角銅線）５１を用いて複数層巻回された６個の鞍形コイル５２が用いられ、回転子鉄心部８２Ａに形成された異なる巻線溝８４に互いに同心状となる配置関係で装填されている。この鞍形コイル５２を構成するそれぞれの巻回層は、長さ方向の中央部分で巻線溝８４内に装填される１対の直線状部５１Ａと、直線状部５１Ａの長さ方向の端部の間を接続して配置される１対の円弧状部５１Ｂとを組み合わせて形成されている。そうして、回転子巻線５Ａでは、直線状部５１Ａと円弧状部５１Ｂとは長尺の平角銅線５１を直角状に曲げ加工することで一体に形成されている。
【００１１】
直線状部５１Ａはその長さ方向の中央部分で巻線溝８４に装填され、円弧状部５１Ｂは回転子巻線５Ａの端部８９の主要部分を構成している。直線状部５１Ａの長さ方向の中央部分は巻線溝８４内に収納されるが、この部位には回転軸部８１の軸長方向に沿って多数の貫通孔５１ａが形成されており、回転子巻線５Ａでは鞍形コイル５２を構成する全ての巻回層が持つ貫通孔５１ａの形成位置は、溝底部通流路８４ａに近い巻回層ほど冷媒ガス流９９Ｃの流入側に順次ずらすようにしている（図８参照）。すなわち、回転子巻線５Ａでは、鞍形コイル５２の巻回層を構成するそれぞれの直線状部５１Ａが持つ貫通孔５１ａにより、冷媒ガス流９９Ｃを鞍形コイル５２の各巻回層を貫通して通流させる冷媒ガスダクト５３が形成されている。そうしてこの冷媒ガスダクト５３は、直線状部５１Ａの中央部分に長さ方向に分布して複数個が形成されると共に、全ての冷媒ガスダクト５３は、冷媒ガス流９９Ｃが溝底部通流路８４ａに流入してくる側に傾斜させて形成されている。なお、巻線溝８４に収納されるそれぞれの鞍形コイル５２の外周部には、巻線溝８４との電気絶縁を確保するための図示しない溝絶縁層が形成されている。
【００１２】
端部８９における鞍形コイル５２の相互間にはスペーサ５４が、最外位置の鞍形コイル５２の外側面と最内位置の鞍形コイル５２の内側面とにはスペーサ５４Ａがそれぞれ配置されて、円筒形回転子８Ａの加減速時に発生する加速度などに対応して端部８９に働く強大な応力に対処している。スペーサ５４は、電気絶縁材からなる板状の基板部と、基板部の両側面のそれぞれに一定の厚さを持たせて形成された電気絶縁材製の複数の突起部とで構成されている。この突起部は端部８９における鞍形コイル５２の側面に沿わせて冷媒ガス９９を通流させる通流路を確保するために設けられている。スペーサ５４Ａのスペーサ５４に対する相異点は、複数の突起部が基板部の一方の側面のみに備えられていることである。
【００１３】
スペーサ５４，５４Ａによって端部８９における鞍形コイル５２を構成する導電体５１の側面には、冷媒ガス流９９Ｃが通流される通流路が突起部によってジグザグ状とされて形成されることになる。この通流路を後記する貫通孔５５ａと関連付けて視察すると、貫通孔５５ａから鞍形コイル５２の直線状部５１Ａに沿って冷媒ガス流９９Ｃが通流する通流路と、貫通孔５５ａから鞍形コイル５２の円弧状部５１Ｂに沿って冷媒ガス流９９Ｃが通流する通流路として把握することができる。
【００１４】
円筒形回転子８Ａでは、それぞれの端部８９に配置される隔壁体５５は、複数の部材を用いて全体として円筒を構成するようにして電気絶縁材を用いて作製されており、端部８９における鞍形コイル５２の内周側に回転軸部８１の外周面との間に空間を隔てて配置されている。隔壁体５５には冷媒ガス通流路として、鞍形コイル５２の直線状部５１Ａと円弧状部５１Ｂとの結合部位のそれぞれの近傍に、各鞍形コイル５２の両側面に連通する貫通孔５５ａが、また後記する排気路５６Ｘに対向する部位に貫通孔５５ｂが、それぞれ形成されている。仕切壁体５６は１対が１組になって合計２組が用いられており、排気路５６Ｘを形成すべき部位を仕切るようにして隔壁体５５の内周面に当接されて配置されている。
【００１５】
両側を仕切壁体５６，５６で仕切られることで隔壁体５５の内周側に形成される４個の空間の内、磁極の中間部の直下に位置している２個の空間が、冷媒ガス流９９Ｃが流入される内周部通流路５５Ｘであり、また、磁極の中心位置の直下に位置している２個の空間が排気路５６Ｘである。この排気路５６Ｘは軸流ファン（例えば、軸流ファン６９）側の端部は閉塞され、反軸流ファン側の端部は後記する排気溝８６に連通されている。なお、内周部通流路５５Ｘは軸流ファン側の端部は開口され、反軸流ファン側の端部は後記する溝底部通流路８４ａに連通されている。外周部絶縁体５７は電気絶縁材を用いて円筒状に形成され、端部８９における鞍形コイル５２の外周側と保持体８３の内周側との間に配置されている。
【００１６】
回転子用楔５８は、巻線溝８４に装填された部分の回転子巻線５Ａが円筒形回転子８Ａが回転することで発生される強大な遠心力によって巻線溝８４から飛び出さないようにするなどのために、それぞれの巻線溝８４の最外周部の付近に装着されている。回転子用楔５８には回転軸部８１の軸長方向に沿って多数の貫通孔５８ａが形成されており、それぞれの貫通孔５８ａは楔下絶縁層５９に面して形成されている巻回層が持つ貫通孔５１ａに対向させて配設されている。この貫通孔５８ａは、中心軸線が回転子鉄心部８２Ａの円周面に対して垂直になるようにすることで、その形成が容易になるように考慮されている。楔下絶縁層５９は鞍形コイル５２を回転子用楔５８に対して電気絶縁する役目を担っている。楔下絶縁層５９にも回転軸部８１の軸長方向に沿って多数の貫通孔５９ａが形成されており、それぞれの貫通孔５９ａは楔下絶縁層５９に面して形成されている巻回層が持つ貫通孔５１ａに対向させるようにして形成されている。
【００１７】
したがって、冷媒ガスダクト５３と貫通孔５８ａ，５９ａは冷媒ガス流９９Ｃに関して互いに連通し合うと共に、溝底部通流路８４ａに連通されている。溝底部通流路８４ａは、各巻線溝８４の底部に回転軸部８１の軸長方向に沿って形成されており、溝底部通流路８４ａの両端部はそれぞれ内周部通流路５５Ｘに連通している。なお、前述通気孔８８は円筒形回転子８Ａでは、冷媒ガスダクト５３および貫通孔５８ａ，５９ａによって構成されていることになる。ここで鞍形コイル５２の直線状部５１Ａが持つ貫通孔５１ａによる冷媒ガスダクト５３，回転子用楔５８が持つ貫通孔５８ａおよび楔下絶縁層５９が持つ貫通孔５９ａの位置関係をより詳しく説明する。
【００１８】
貫通孔５９ａは楔下絶縁層５９に面して形成されている巻回層が持つ貫通孔５１ａに対向させると共に、貫通孔５９ａ内の冷媒ガス流９９Ｃの通流方向が冷媒ガスダクト５３内（したがって貫通孔５１ａ内）の冷媒ガス流９９Ｃの傾斜した通流方向にほぼ合致するように形成されている。また、貫通孔５８ａは楔下絶縁層５９に面して形成されている巻回層が持つ貫通孔５１ａに対向させると共に、貫通孔５８ａの中心位置は貫通孔５９ａの中心位置にほぼ合致させて形成されている。
【００１９】
回転子鉄心部８２Ａは、一般例の前記回転子鉄心部８２に対して、１対の回転子巻線５Ａ，５Ａが持つ鞍形コイル５２に対応した個数と位置とに従う複数の巻線溝８４と、同一のハーフ磁極に属すると共に互いに隣接する巻線溝８４の相互間の部位である複数の歯部８５と、複数の排気溝８６とが図示の如くに形成されている。各巻線溝８４の底部には前記したように溝底部通流路８４ａが形成されている。また、最外，最内位置の鞍形コイル５２が装填される巻線溝８４の反歯部８５側を形成する回転子鉄心部８２Ａの部位，および各歯部８５のそれぞれの軸長方向の両端部には、排気路８５ａが形成されている。
【００２０】
従来例の円筒形回転子８Ａは上述のごとくに構成されているので、回転子巻線５Ａの端部８９では、スペーサ５４，５４Ａが持つ突起部により冷媒ガス流９９Ｃの通流路がジグザグ状に形成されることにより、冷媒ガス流９９Ｃが鞍形コイル５２の側面と十分に接触できることになり、この部位の鞍形コイル５２を効果的に冷却することができている。また、回転子巻線５Ａが巻線溝８４に収納される部分では、鞍形コイル５２の直線状部５１Ａに形成される冷媒ガスダクト５３が冷媒ガス流９９Ｃの溝底部通流路８４ａへの流入側に傾斜されて形成されており、冷媒ガス流９９Ｃに対する曲がり抵抗の影響が低減されて冷媒ガス流９９Ｃの流量が増大されるので、この部位の鞍形コイル５２も効果的に冷却することができている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来技術による回転電気機械の円筒形回転子８Ａでは、回転子巻線５Ａの鞍形コイル５２に対する冷却性能の向上をある程度は達成することが出来ているが、後記する図２に点線で示すように、多くの場合に回転子巻線５Ａの最高温度は回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａ付近や端部８９に発生している。また、回転子鉄心部８２Ａに収納されている部位の導電体５１の温度もまだ十分には低下されていない。
【００２２】
一般に電気機械の寿命は巻線の電気絶縁のために採用されている電気絶縁材の耐熱寿命特性によって決められるので、回転子巻線５Ａの一部の部位の温度が相対的に高いことは、一部の部位の温度が使用されている電気絶縁材の許容温度を越えないように回転子巻線５Ａの電流密度を設定しなければならないことを意味する。このことは、結果として円筒形回転子８Ａの、したがって回転電気機械の体格の大形化を招いたり、または、回転電気機械の定格出力の低減を余儀なくされる。ところで、回転子巻線５Ａの最高温度が回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａ付近において発生している主な理由と、回転子鉄心部８２Ａに収納されている部位の導電体５１の温度が十分には低下されていない主な理由は次記のとおりである。
【００２３】
▲１▼円筒形回転子８Ａでは回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａ付近に位置する回転子巻線５Ａが持つ直線状部５１Ａに、図８にＳ部として示すように冷媒ガスダクト５３から遠く離れている部分が存在する。このＳ部にある回転子巻線５Ａは冷媒ガスダクト５３による十分な冷却を期待できないため、その冷却は排気路８５ａを通流する冷媒ガス流９９Ｃにより主に行われている。しかしながら、排気路８５ａを通流する冷媒ガス流９９Ｃによる回転子巻線５Ａの冷却は溝絶縁層を介して行われるので、溝絶縁層が持つ熱抵抗の影響を受けてこの部位の回転子巻線５Ａの冷却効果は相対的に低下している。また、
▲２▼溝底部通流路８４ａ内を通流する冷媒ガス流９９Ｃの流量は、冷媒ガス流９９Ｃが冷媒ガスダクト５３に順次分岐されるために、冷媒ガス流９９Ｃの流入部である溝底部通流路８４ａの端部で最多であり、回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心位置（図６の中心線Ｚ−Ｚの位置）付近で最少である。したがって溝底部通流路８４ａ内を通流する冷媒ガス流９９Ｃの流速は、溝底部通流路８４ａの端部で最大であり、回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心位置付近で最小になる。ところで、冷媒ガスダクト５３内を通流する冷媒ガス流９９Ｃに対して溝底部通流路８４ａから冷媒ガスダクト５３に流れ込む部位で発生する流体抵抗は、流れ込む部位の冷媒ガス流９９Ｃの流速が高速であるほど大きくなる。
【００２４】
このために、冷媒ガスダクト５３内を通流する冷媒ガス流９９Ｃの流量は、図９（従来例の円筒形回転子の回転子巻線が持つ冷媒ガスダクト中の冷媒ガス流速の分布状態の測定例を示すグラフ）に示すように、回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａ付近にある冷媒ガスダクト５３ほど少なくなる。すなわち、端面８２ａ付近に位置する回転子巻線５Ａは、冷媒ガスダクト５３内を通流する冷媒ガス流９９Ｃの流量の点からも、その冷却効果が相対的に低いのである。なお、図９では、横軸に回転子鉄心部の軸長方向に沿う位置の回転子鉄心部中心位置（図６の中心線Ｚ−Ｚの位置）からの距離を採り、縦軸に冷媒ガスダクト中の冷媒ガス流速の相対値を採っている。
【００２５】
▲３▼さらに、冷媒ガスダクト５３中を通流する冷媒ガス流９９Ｃの通流状態を発明者らが検討したところ、図１０（従来例の円筒形回転子の回転子巻線が持つ冷媒ガスダクト中の冷媒ガス流の通流状況を説明する説明図）にＷ部として示す部位に問題点が見出された。すなわち、回転子鉄心部８２Ａの外周面に平行する断面に関する冷媒ガスダクト５３内（図１０にＶ部として示す）の冷媒ガス流９９Ｃの流速分布は、溝底部通流路８４ａ内を通流する冷媒ガス流９９Ｃが持つ回転子鉄心部８２Ａの軸長に沿う方向の速度成分の影響を受ける。
【００２６】
この結果、Ｖ部での冷媒ガス流９９Ｃの流速は、回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心位置（図６の中心線Ｚ−Ｚの位置）側で相対的に高速流（図１０に太い実線で示す）となり、回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａ側で相対的に低速流（図１０に点線で示す）となる。冷媒ガス流９９Ｃによる導電体（平角銅線）５１の冷却効果を高めるには相対的に高速な冷媒ガス流９９Ｃの高速流を極力利用することが好ましいが、回転子用楔５８に形成される貫通孔５８ａの冷媒ガスダクト５３に対する位置関係などがこれを阻害している。すなわち貫通孔５８ａは、その中心位置を楔下絶縁層５９が持つ貫通孔５９ａの中心位置にほぼ合致させて形成されているので、高速流が貫通孔５８ａに流入する際に通流方向が急変される（図１０のＷ部を参照）。
【００２７】
このために高速流に対する流体抵抗が増大することで高速流の流速が低減され、結果として冷媒ガス流９９Ｃによる導電体の冷却効果が抑制を受けている。また、それぞれの貫通孔５８ａは中心軸線が回転子鉄心部８２Ａの円周面に対して垂直になるように形成されているので、冷媒ガスダクト５３から貫通孔５８ａに流入する冷媒ガス流９９Ｃは、全体としてその通流方向を変更しなければならないので、その曲がり抵抗により冷媒ガス流９９Ｃの流速が低減され、この原因によっても冷媒ガス流９９Ｃによる導電体の冷却効果が抑制を受けている。
【００２８】
この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑みなされ、その目的は、回転子巻線の導電体が持つ直線状部の温度上昇の低減を図った回転電気機械の円筒形回転子を提供することにある。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
この発明では前述の目的は、
１）複数の巻線溝を持つ円柱状の回転子鉄心部と、導電体を複数層巻回して形成されてそれぞれが異なる巻線溝に装填されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルを有する回転子巻線とを備えた回転電気機械の円筒形回転子において、
冷媒ガスは鞍形コイルの両端部分の内周側のそれぞれに形成された内周部通流路を経て巻線溝の底部に回転子鉄心部の長さ方向に沿わせて形成された溝底部通流路の両端部からそれぞれの巻線溝に流入し、鞍形コイルは巻線溝に収納される部位に前記導電体に設けられた貫通孔を用いて全体として斜めに形成され冷媒ガスを導電体の各層を貫通して通流させる複数の冷媒ガスダクトを有し、回転子鉄心部の長さ方向の端面付近に配設される前記冷媒ガスダクトは冷媒ガス流入側の開口を前記内周部通流路に臨ませて形成すること、または、
２）複数の巻線溝を持つ円柱状の回転子鉄心部と、導電体を複数層巻回して形成されてそれぞれが異なる巻線溝に装填されて最外周部を回転子用楔で保持されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルを有する回転子巻線とを備えた回転電気機械の円筒形回転子において、
冷媒ガスは鞍形コイルの両端部分の内周側のそれぞれに形成された内周部通流路を経て巻線溝の底部に回転子鉄心部の長さ方向に沿わせて形成された溝底部通流路の両端部からそれぞれの巻線溝に流入し、鞍形コイルは巻線溝に収納される部位に前記導電体に設けられた貫通孔を用いて全体として斜めに形成されて冷媒ガスを導電体の各層を貫通して通流させる複数の冷媒ガスダクトを有し、回転子用楔はそれぞれの冷媒ガスダクトと対向する部位に冷媒ガス通流用の貫通孔を有すると共に、この貫通孔はその中心位置を冷媒ガスダクトの回転子用楔側の開口の中心位置よりも回転子鉄心部の軸長方向の中心側にずらして形成すること、さらにまたは、
３）複数の巻線溝を持つ円柱状の回転子鉄心部と、導電体を複数層巻回して形成されてそれぞれが異なる巻線溝に装填されて最外周部を回転子用楔で保持されると共に冷媒ガスによって冷却される複数の鞍形コイルを有する回転子巻線とを備えた回転電気機械の円筒形回転子において、
冷媒ガスは鞍形コイルの両端部分の内周側のそれぞれに形成された内周部通流路を経て巻線溝の底部に回転子鉄心部の長さ方向に沿わせて形成された溝底部通流路の両端部からそれぞれの巻線溝に流入し、鞍形コイルは巻線溝に収納される部位に前記導電体に設けられた貫通孔を用いて全体として斜めに形成され冷媒ガスを導電体の各層を貫通して通流させる複数の冷媒ガスダクトを有し、回転子用楔はそれぞれの冷媒ガスダクトと対向する部位に冷媒ガス通流用の貫通孔を有すると共に、この貫通孔は対向し合う前記冷媒ガスダクトが持つ傾斜方向と同方向の傾斜を持たせて形成することにより達成される。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、図７，図８に示した従来例の回転電気機械の円筒形回転子と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。また以後の説明に用いる図中には、図７，図８で付した符号については、極力代表的な符号のみを記すようにしている。図１はこの発明の実施の形態の一例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図であり、図２はこの発明の実施の形態の一例の場合の導電体の温度上昇値を従来例の場合と比較して示すグラフである。
【００３１】
図１において、１は、図７，図８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対し、回転子巻線５Ａに替えて回転子巻線２を用いるようにした円筒形回転子である。回転子巻線２では各極毎の回転子巻線に用いられる全ての鞍形コイル２１において、回転子鉄心部８２Ａの長さ方向の端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３が、冷媒ガス流９９Ｃの流入側の開口を内周部通流路５５Ｘに臨ませて形成するようにしていることが従来例による回転子巻線５Ａと異なっている。
【００３２】
すなわち、この発明による鞍形コイル２１を従来例による鞍形コイル５２と対比すると、鞍形コイル２１では、端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３は、楔下絶縁層５９に面して形成されている鞍形コイル２１の巻回層が持つ貫通孔５１ａの中心位置と端面８２ａとの間の距離Ｌが、従来例の場合よりも短縮されている。距離Ｌを従来例の場合よりも短縮することで、鞍形コイル２１では、端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３の冷媒ガス流９９Ｃの流入側の開口を、内周部通流路５５Ｘに面して配設するようにしている。このことによって、回転子巻線２では従来例の円筒形回転子８Ａで問題となっていた冷媒ガスダクト５３から遠く離れている部分（図８のＳ部）の面積が大幅に縮小される。
【００３３】
しかも、この発明の場合の端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３では、冷媒ガス流９９Ｃの流入側の開口が内周部通流路５５Ｘに面して形成されているので、この冷媒ガスダクト５３を通流する冷媒ガス流９９Ｃの流速は格段に増大される。その理由は、端面８２ａ付近の内周部通流路５５Ｘを通流する冷媒ガス流９９Ｃのほぼ全ては溝底部通流路８４ａに流れ込むが、回転子鉄心部８２Ａが持つ構造から冷媒ガス流９９Ｃに対する通流面積に関して、内周部通流路５５Ｘが持つ通流面積は全ての溝底部通流路８４ａが持つ通流面積の総和よりも広いことにある。回転子巻線２の場合の端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３では、この冷媒ガスダクト５３に流入する部位の冷媒ガス流９９Ｃは、内周部通流路５５Ｘを通流する冷媒ガス流９９Ｃなので、溝底部通流路８４ａの端部を通流している冷媒ガス流９９Ｃよりも流速が遅い。
【００３４】
冷媒ガス流９９Ｃが冷媒ガスダクト５３に流れ込む部位で発生する流体抵抗は、流れ込む部位の冷媒ガス流９９Ｃの流速が低速であるほど小さくなるので、この発明による場合の端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３では、この冷媒ガスダクト５３内を通流する冷媒ガス流９９Ｃの流量は、従来例の場合よりも増大される。したがってこの冷媒ガスダクト５３では、通流する冷媒ガス流９９Ｃの流速は従来例と対比して増大される。この結果回転子巻線２では、端面８２ａの最も近くに形成される冷媒ガスダクト５３と端面８２ａとに挟まれた部分（図８のＳ部に相当）の面積が大幅に低減されると共に、この部分にある導電体（平角銅線）５１に対する冷媒ガス流９９Ｃの冷却効果が増大され、その温度上昇が低下する。
【００３５】
発明者らがこの発明による円筒形回転子１が持つ回転子巻線２の導電体（平角銅線５１）の温度上昇値を、従来例の円筒形回転子８Ａが持つ回転子巻線５Ａの導電体の温度上昇値と比較して求めた試験結果例を図２に示す。図２では横軸に導電体長に沿う回転子巻線（鞍形コイル）位置の回転子鉄心部中心位置（図６の中心線Ｚ−Ｚの位置）からの距離を採り、縦軸に回転子巻線（鞍形コイル）の導電体の温度上昇値を採っている。また図２では回転子巻線２の導電体の温度上昇値を実線で、従来例の回転子巻線５Ａの導電体の温度上昇値を点線で示している。図２を視察することにより、回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａの付近におけるこの発明による円筒形回転子１が持つ導電体５１の直線状部５１Ａの温度上昇値が、従来例の円筒形回転子８Ａの場合よりも低減されていることが確認できる。
【００３６】
続いて、図３を用いてこの発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を説明する。ここで図３はこの発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図である。図３において、１Ａは、図７，図８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、回転子用楔５８に替えて回転子用楔３を用いるようにした円筒形回転子である。回転子用楔３を従来例の回転子用楔５８と対比すると、回転子用楔３では、形成されるそれぞれの貫通孔５８ａの中心位置を、楔下絶縁層５９に面して形成されている巻回層が持つ貫通孔５１ａの中心位置よりも回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心（図６の中心線Ｚ−Ｚの位置）側にずらして形成されていることのみが異なる。
【００３７】
すなわち、回転子用楔３に形成されるそれぞれの貫通孔５８ａの中心位置は、それぞれに対向し合う冷媒ガスダクト５３の回転子用楔３側の開口の中心位置よりも回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心側にずらされている。そうして円筒形回転子１Ａの場合では、回転子用楔３が持つ貫通孔５８ａの回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心側の端面位置は、楔下絶縁層５９が持つ貫通孔５９ａの回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心側の端面位置とほぼ合致させて形成されている。
【００３８】
図３に示すこの発明の実施の形態の異なる例による円筒形回転子１Ａでは前述の構成としたので、冷媒ガスダクト５３を通流する冷媒ガス流９９Ｃの内の図１０に太い実線で示した高速流は、貫通孔５８ａにスムーズに流入できるようになり、従来例の場合に発生していた通流方向の急変（図１０のＷ部を参照）の問題が解消される。このことにより、高速流に対する流体抵抗が低減されることで、導電体５１の直線状部５１Ａの巻線溝８４内に装填される部位に対する冷媒ガス流９９Ｃによる冷却効果が従来例と対比して増大され、この部位の導電体５１の直線状部５１Ａの温度上昇を低減できる。
【００３９】
次に、図４を用いてこの発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を説明する。ここで図４はこの発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図である。図４において、１Ｂは、図７，図８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、貫通孔５８ａが形成されている回転子用楔５８に替えて、貫通孔３ａを形成するようにした回転子用楔３Ａを用いるようにした円筒形回転子である。
【００４０】
回転子用楔３Ａに形成される貫通孔３ａを従来例による貫通孔５８ａと対比すると、貫通孔５８ａがその中心軸線を回転子鉄心部８２Ａの円周面に対して垂直になるようにして形成されているのに対して、貫通孔３ａは、冷媒ガスダクト５３が持つ冷媒ガス流９９Ｃ用通流路の傾斜方向と同方向で、しかもほぼ同等の傾斜角度を持つように形成されている。なお、貫通孔３ａの楔下絶縁層５９に接する側の中心位置は、貫通孔５８ａの場合と同様に楔下絶縁層５９が持つ貫通孔５９ａの中心位置にほぼ合致させている。
【００４１】
図４に示すこの発明の実施の形態の異なる例による円筒形回転子１Ｂでは前述の構成としたので、冷媒ガスダクト５３から貫通孔３ａに流入する冷媒ガス流９９Ｃの全体の流れは、冷媒ガスダクト５３内を通流する場合の通流方向をほぼ維持したままで貫通孔３ａ内を通流できる。したがって円筒形回転子１Ｂでは、従来例の場合に発生していた冷媒ガスダクト５３から貫通孔５８ａに流入する冷媒ガス流９９Ｃが全体として通流方向の変更を受けることによる曲がり抵抗の問題が解消される。このことにより、この部位の冷媒ガス流９９Ｃに対する流体抵抗が低減されることで、導電体５１の直線状部５１Ａの巻線溝８４内に装填される部位に対する冷媒ガス流９９Ｃによる冷却効果が従来例と対比して増大され、この部位の導電体５１の直線状部５１Ａの温度上昇を低減できる。
【００４２】
最後に、図５を用いてこの発明の実施の形態のさらに異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を説明する。なお、以下の説明においては、図１〜図４に示したこの発明による回転電気機械の円筒形回転子と同一部分には同じ符号を付し、その説明を省略する。ここで図５はこの発明の実施の形態のさらに異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図である。図５において、４は、図７，図８に示した従来例による円筒形回転子８Ａに対して、回転子巻線５Ａおよび回転子用楔５８に替えて、それぞれ回転子巻線２および回転子用楔４１を用いるようにした円筒形回転子である。
【００４３】
回転子用楔４１を図４に示したこの発明による円筒形回転子１Ｂが持つ回転子用楔３Ａと対比すると、回転子用楔４１では、形成されるそれぞれの貫通孔３ａの楔下絶縁層５９に接する側の中心位置を、楔下絶縁層５９に面して形成されている巻回層が持つ貫通孔５１ａの中心位置よりも回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心側にずらして形成されていることのみが異なる。そうして円筒形回転子４の場合では、回転子用楔４１が持つ貫通孔３ａの楔下絶縁層５９に接する側で回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心側の端面位置は、楔下絶縁層５９が持つ貫通孔５９ａの回転子鉄心部８２Ａの軸長方向の中心側の端面位置とほぼ合致させて形成されている。
【００４４】
図５に示すこの発明の実施の形態のさらに異なる例による円筒形回転子４では前述の構成としたので、円筒形回転子４が持つ作用・効果は、図１〜図４を用いて説明したこの発明による円筒形回転子１，円筒形回転子１Ａおよび円筒形回転子１Ｂがそれぞれに持つ作用・効果を総合して持つことになる。このため円筒形回転子４が持つ作用・効果の説明は重複を避けて省略するが、円筒形回転子４の場合には、回転子鉄心部８２Ａの端面８２ａ付近および巻線溝８４に収納される部位の導電体５１の直線状部５１Ａの温度上昇を従来例に対して同時に低減することができる。
【００４５】
【発明の効果】
この発明による回転電気機械の円筒形回転子では、前記課題を解決するための手段の項で述べた構成とすることで、次記する効果が得られる。
▲１▼前記課題を解決するための手段の項の第（１）項による構成とすることで、図２に例示したように、回転子巻線の回転子鉄心部の端面付近の導電体の直線状部の温度上昇値を低減することが可能になり、またこのことによって、円筒形回転子の許容電流を増加することがができて許容出力の増大が可能になる。また、
▲２▼前記課題を解決するための手段の項の第（２）項による構成とすることで、回転子巻線の巻線溝に収納される部位の導電体に対する冷媒ガス流の冷却効果が増大されることで、この部位の導電体の直線状部の温度上昇値の低減が可能になる。さらにまた、
▲３▼前記課題を解決するための手段の項の第（３）項による構成とすることで、この場合にも回転子巻線の巻線溝に収納される部位の導電体の直線状部に対する冷媒ガス流の冷却効果が増大されることで、この部位の導電体の直線状部の温度上昇値の低減が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態の一例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図
【図２】この発明の実施の形態の一例の場合の導電体の温度上昇値を従来例の場合と比較して示す図
【図３】この発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図
【図４】この発明の実施の形態の異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図
【図５】この発明の実施の形態のさらに異なる例による回転電気機械の円筒形回転子を図８と同様部位に関して示す要部の断面図
【図６】一般例の回転電気機械の主要部を模式化して示す縦断面図
【図７】図６のＱ部に対応した部位における従来例の円筒形回転子の斜視図
【図８】図６のＲ部に対応した部位の図７におけるＡ−Ａ断面図
【図９】従来例の円筒形回転子の回転子巻線が持つ冷媒ガスダクト中の冷媒ガス流速の分布状態の測定例を示すグラフ
【図１０】従来例の円筒形回転子の回転子巻線が持つ冷媒ガスダクト中の冷媒ガス流の通流状況を説明する説明図
【符号の説明】
１      円筒形回転子
２      回転子巻線
２１    鞍形コイル
５１ａ  貫通孔
５３    冷媒ガスダクト
５５Ｘ  内周部通流路
５９    楔下絶縁層５９
８２Ａ  回転子鉄心部
８２ａ  端面
９９Ｃ  冷媒ガス流
【図１】
0003736192.tif 000002
【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】
0003736192.tif 000008
【図８】
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【図９】
0003736192.tif 000010
【図１０】
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