JP3590849B2 - 回転電機回転子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発電機や電動機などの回転電機の回転子に係り、特に高速運転される回転電機に好適な回転子に関する。
【０００２】
【従来技術】
例えばタービン駆動の発電機など、高速で運転される回転電機の回転子は、直径に比較して極端に大きな軸方向寸法に作られるのが通例である。
図８は、このような回転電機の回転子の一例を示したもので、ここに示したのは、いわゆる回転界磁型同期発電機の回転子で、概略、胴部を形成する円柱状の回転子鉄心１と、この回転子鉄心１の中心軸上の両側に延伸した回転軸２で構成されている。
【０００３】
この回転子鉄心１は、例えば鋼などの強磁性材から鍛造削り出しなどにより、回転軸２も含めて一体に成形され、その胴部の表面には複数の溝が放射状に設けてあり、これらの溝の中に巻線を施し、界磁電流を供給することにより、回転界磁型回転電機の回転子として構成されるようになっている。
【０００４】
ここで、この回転子鉄心１に形成されている溝は、図９にスロット７として示されているもので、このとき、各スロット７の下部には、更にサブスロット６が設けてあり、これにより、例えば空気や水素などの冷却媒体に対して回転軸方向の通路（アキシャルダクト）が与えられるようになっている。
【０００５】
また、回転子鉄心１の胴部の両端からは、回転子巻線３の端部がスロット７から突き出されているが、ここには円筒状をしたリテイニングリング４が焼嵌めてあり、これにより端部に働く大きな遠心力を受け止め、端部が変形しないように保持している。
【０００６】
さらに、回転軸２の両側には冷却媒体通流用のファン５が取付けてあり、これにより冷却媒体を加圧し、その通流が図られるようになっている。
そして、この回転電機回転子は、図示してない軸受装置により、回転軸２の両側で軸が支えられ、図示してない固定子に対して所定の位置で、所定の空隙を保って安定に高速回転できるように構成されている。
【０００７】
次に、図９に図１０を加えて、スロット７の中の構成について説明する。ここで、まず図９（ａ）は、図８において、回転軸２の中心線に対して直角方向から見た断面図で、図９（ｂ）は、中心線方向から見た断面図であり、次に図１０は、スロット７の中から収納物を取り出して示した分解斜視図である。
【０００８】
これらの図９、図１０から明らかなように、スロット７には、回転子巻線３に働く遠心力を保持するためのウエッジ８と、回転子巻線３の上部とウエッジ８間の絶縁を保つためのクリページブロック９、回転子巻線３、回転子巻線３の下部と回転子鉄心１間の絶縁を保つための底敷絶縁材１０、それにサブスロットカバー１１が、回転子鉄心１の半径方向の外側から順に並んで積層され、収納されている。
【０００９】
ここで、回転子巻線３は、半径方向に並んで配置した複数本の導体条で構成してあり、これら各導体条の間には層間絶縁材１２が挟み込まれている。
更にスロット７の内面にはスロットアーマー１３か設けてあり、これにより回転子巻線３の側面と回転子鉄心１の間の絶縁が保たれるようにしてある。
【００１０】
このとき、ウエッジ８とクリページブロック９、回転子巻線（導体条）３、層間絶縁材１２、底敷絶縁材１０、それにサブスロットカバー１１の各部材には、夫々回転子の軸方向に並んで複数個の通風孔が設けてある。
【００１１】
ここで、これらの通風孔は、夫々ウエッジ通風孔１４、クリページブロック通風孔１５、回転子巻線通風孔１６、層間絶縁通風孔１７、底敷絶縁通風孔１８、それにブスロットカバー通風孔１９と呼ばれており、これらの通風孔１４〜１９により、スロット７内で冷却媒体が半径方向に流れるためのラジアルダクトと呼ばれる複数の通路が、回転軸方向に並んで形成されるようになっている。
【００１２】
なお、この図では、回転子巻線（導体条）３に形成してある回転子巻線通風孔１６が、回転子軸方向とは直角な方向、つまり回転子巻線（導体条）３の幅方向に並んだ２列の楕円形の開孔になっているが、１列の場合もある。
【００１３】
図１１は、この回転子における冷却媒体の通流経路を示したもので、ファン５により加圧された冷却媒体は、矢印で示すように、まずサブスロット６内に流入し、このサブスロット６内を軸方向に進みながら遠心力を受け、上記した複数のラジアルダクトに分岐する。
【００１４】
そして、ラジアルダクトに分岐した冷却媒体は、夫々のラジアルダクトを構成しているサブスロットカバー通風孔１９から底敷絶縁通風孔１８、回転子巻線通風孔１７、層間絶縁通風孔１６、クリページブロック通風孔１５、それにウエッジ通風孔１４の順に夫々の通風孔を通って流れ、最終的に回転子鉄心１の外周部分に達した後、回転子と固定子の間の空隙を通って流れる。
【００１５】
ここで、上記した従来技術による回転電機の回転子では、図１０に示されているように、ウエッジ通風孔１４、クリページブロック通風孔１５、回転子巻線通風孔１６、それに層間絶縁通風孔１７の各通風孔は、回転軸方向に渡って等しいピッチで同じ個数にしてあるが、他方、底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９については、図示のように、上記の各通風孔の４個に対して１個の割合の少ない個数で、つまりピッチでいえば大きなピッチで設けられていた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、回転軸方向に並んでいる複数のラジアルダクト間での冷却媒体の流量配分について配慮がされているとはいえず、回転子の冷却に問題があった。
ここで、従来技術では、図１０から明らかなように、底敷絶縁通風孔１８及びサブスロットカバー通風孔１９が複数個の回転子巻線通風孔１６に対して１個の割合で設けられている。
【００１７】
この結果、従来技術では、サブスロット６内を流れる冷却媒体がラジアルダクトに分岐する際の通風抵抗が各位置で異なってしまい、このため、回転子巻線通風孔１６の夫々における冷却媒体の流量が各ラジアルダクト間で差を生じ、例えば図１２の特性▲１▼で示すようになってしまい、従って、回転子の冷却に問題が生じてしまうのである。
【００１８】
本発明の目的は、簡単な構成で冷却媒体の流量配分が適切化でき、冷却性能が充分に向上できるようにした回転電機の回転子を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、回転子鉄心のスロット内に、少なくともウエッジ、クリページブロック、回転子巻線用導体条、層間絶縁材、底敷絶縁材、サブスロットカバー及びスロットアーマーの各部材を備え、これら各部材に回転子軸方向に並んだ複数個の通風孔を形成することにより、冷却媒体通流用の複数のラジアルダクトが形成されるようにした回転電機の回転子において、前記回転子鉄心を、回転子軸方向の少なくとも一方と他方の端部にある２個の区間と中央にある１個の区間に区分し、前記各部材の中の前記底敷絶縁材及び前記サブスロットカバーに形成してある通風孔の回転子軸方向でのピッチが、前記一方と他方の端部にある２個の区間では、前記各部材の中の前記底敷絶縁材及び前記サブスロットカバー以外の部材に形成してある通風孔の回転子軸方向でのピッチより大きくされ、前記中央にある１個の区間では、前記各部材の中の前記底敷絶縁材及び前記サブスロットカバー以外の部材に形成してある通風孔の回転子軸方向でのピッチと同じにされているようにして達成される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による回転電機の回転子について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
まず、図１は、本発明の第１の実施の形態による回転電機回転子の断面図で、回転子鉄心１と回転軸２、回転子巻線３、リテイニングリング４、それにファン５は、図８で説明した従来技術による回転電機回転子と同じであり、従って、この図では、従来技術との違いは表わされていない。
【００２５】
そして、この実施形態でも、図２に示すように、サブスロット６を有するスロット７が設けられている点は、図９で説明した従来技術と同じである。
ここで、この図２の（ａ）は、図１を回転軸２の中心線に対して直角方向から見た断面図で、図２の（ｂ）は中心線方向から見た断面図である。
【００２６】
そして、このスロット７の中には、ウエッジ８とクリページブロック９、回転子巻線３、底敷絶縁材１０、それにサブスロットカバー１１が、回転子鉄心１の半径方向の外側から順に並んで、収納されており、従って、この点も従来技術と同じである。
【００２７】
しかも、回転子巻線３は、半径方向に並んで配置した複数本の導体条で構成してあり、これら各各導体条の間に層間絶縁材１２が挟み込まれ、また、スロット７の内面にはスロットアーマー１３か設けてあり、これにより回転子巻線３の側面と回転子鉄心１の間の絶縁が保たれるようにしてある点も同じである。
【００２８】
更に、ウエッジ８にウエッジ通風孔１４が、クリページブロック９にクリページブロック通風孔１５が、回転子巻線３に回転子巻線通風孔１６が、層間絶縁材１２に層間絶縁通風孔１７が、底敷絶縁材１０に底敷絶縁通風孔１８が、そしてサブスロットカバー１１にはサブスロットカバー通風孔１９が、夫々設けてある点も同じであり、これらの通風孔１４〜１９により、スロット７内で冷却媒体が半径方向に流れるためのラジアルダクトが、回転軸方向に並んで形成されるようになっている点も同じである。
【００２９】
ここで、図３は、従来技術の説明に使用した図１０と同じく、スロット７の中から収納物を取り出して示した分解斜視図であるが、この図３と図２（ａ）に表わされているように、この実施形態による回転子が、従来技術による回転子と異なる点は、底敷絶縁材１０とサブスロットカバー１１に設けてある底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９のピッチにある。
【００３０】
すなわち、この実施形態では、図２（ａ）と図３から明らかなように、底敷絶縁通風孔１８及びサブスロットカバー通風孔１９が、ウエッジ通風孔１４とクリページブロック通風孔１５、それに回転子巻線通風孔１６に対して、１対１に対応して個別に形成してあるのに対して、従来技術では、図９（ａ）と図１０から明らかなように、回転子巻線通風孔１６の４個に対して、底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９が１個づつ設けてあり、この点で相違している。
【００３１】
このように、底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９が、回転子巻線３に設けられている２列の回転子巻線通風孔１６に対して、１対１に対応して個別に設けられていると、通風孔１４〜１９により形成される複数のラジアルダクトは、全てがサブスロット６から回転子１の周辺まで独立した通路として形成されることになる。
【００３２】
従って、この実施形態によれば、サブスロット６内を流れる冷却媒体がラジアルダクトに分岐する際の通風抵抗を各ラジアルダクトで同じにすることができ、この結果、例えば図１２の特性▲２▼で示すように、回転軸方向でほぼ均一な冷却媒体の流量配分が得られ、回転子の冷却性能を向上させることができる。
【００３３】
ところで、このように、回転軸方向でほぼ均一な冷却媒体の流量配分が得られるようにするためには、必ずしも上記実施形態のように構成する必要は無く、通風孔の回転子軸方向でのピッチが、少なくとも回転子巻線３と底敷絶縁材１０、それにサブスロットカバー１１において同じになるようにしてやれば良い。
【００３４】
また、この実施形態では、回転子巻線３に設けられている回転子巻線通風孔１６が２列の場合について示したが、１列の場合でも適用可能なことはいうまでもない。
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
【００３５】
まず、図４と図５は、本発明の第２の実施の形態で、この回転電機回転子が図１〜図３で説明した第１の実施形態と異なっている点は、図４に示されているように、回転子鉄心１を軸方向で複数の部分に区分し、各区分での底敷絶縁材１０とサブスロットカバー１１に設けてある底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９のピッチを変えている点にある。
【００３６】
すなわち、この実施形態では、回転子鉄心１を軸方向の一方の端部と他方の端部にある２個の区間Ｌ_ｃ と、中央にある１個の区間Ｌ_ｄ の３区間に分け、両端側の区間Ｌｃ では、図５（ａ）に、Ｃ部拡大断面として示してあるように構成し、中央の区間Ｌ_ｄ では、図５（ｂ）に、Ｄ部拡大断面として示してあるように構成したものである。
【００３７】
ここで、まず、区間Ｌｃ では、図５（ａ）に示されているように、図２（ａ）に示した第１の実施形態と同じく、底敷絶縁通風孔１８及びサブスロットカバー通風孔１９が、回転子巻線３に設けられている回転子巻線通風孔１６に対して、１対１に対応して個別に設けてある。従って、この場合、区間Ｌ_ｃ では、スロット７内の状態は、図３に示すようになっている。
【００３８】
次に、中央の区間Ｌ_ｄ では、図５（ｂ）に示されているように、図９（ａ）に示した従来技術と同じく、回転子巻線３に設けられている回転子巻線通風孔１６の４個に対して、底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９が１個づつ設けてある。従って、この場合、区間Ｌ_ｄ では、スロット７内の状態は、図１０に示すようになっていることになる。
【００３９】
従って、この第２の実施形態によれば、回転子巻線通風孔１６の冷却媒体の流量を回転子の軸方向で局所的に増減させることができ、回転子の冷却状態に応じて区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ の長さを変えることにより、必要とする温度分布に常に適切に対応することができ、同じく回転子の冷却性能を充分に向上させることができる。
【００４０】
このとき、区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ で、スロット７内の状態を入替えて実施してもよく、区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ の長さの割合及び区間Ｌ_ｃ 同士の長さの割合については、任意に設定して実施することができる。
【００４１】
また、この実施形態で、通風孔のピッチが異なる区間が３つ以上ある場合にも適用できる。
また、この第２の実施形態でも、回転子巻線に設けられた回転子巻線通風孔１６が１列の場合にも適用できることはいうまでもない。
【００４２】
次に、図６と図７は、本発明の第３の実施の形態で、この第３の実施形態も、回転子鉄心１を軸方向で複数の部分に区分し、各区分での底敷絶縁材１０とサブスロットカバー１１に設けてある底敷絶縁通風孔１８とサブスロットカバー通風孔１９のピッチを変えている点は、第２の実施形態と同じである。
【００４３】
しかして、この第３の実施形態が、第２の実施形態と異なっている点は、スロット７の内部に収納されたサブスロットカバー１１に設けられているサブスロットカバー通風孔１９のピッチだけを区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ で変え、底敷絶縁材１０の底敷絶縁通風孔１８は、区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ で同じにした点にある。
【００４４】
従って、この第３の実施形態によっても、回転子巻線通風孔１６の冷却媒体の流量を回転子の軸方向で局所的に増減させることができ、回転子の冷却状態に応じて区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ の長さを変え、必要とする温度分布に常に適切に対応することができ、同じく回転子の冷却性能を充分に向上させることができる。
【００４５】
このとき、区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ で、スロット７内の状態を入替えて実施してもよく、区間Ｌ_ｃ と区間Ｌ_ｄ の長さの割合及び区間Ｌ_ｃ 同士の長さの割合については、任意に設定して実施することができる。
また、この第３の実施形態でも、回転子巻線に設けられた回転子巻線通風孔１６が１列の場合にも適用できることはいうまでもない。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば、回転電機の回転子での冷却媒体の流量の軸方向分布が変えられるので、回転子の軸方向温度分布が制御でき、常に効率的に回転子を冷却することができる。
また、この結果、回転電機の高効率化と低コスト化、更には小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転電機回転子の第１の実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明による回転電機回転子の第１の実施形態におけるスロット内の構成を示す説明図である。
【図３】本発明による回転電機回転子の第１の実施形態におけるスロット内の構成を示す分解斜視図である。
【図４】本発明による回転電機回転子の第２の実施形態を示す断面図である。
【図５】本発明による回転電機回転子の第２の実施形態におけるスロット内の構成を示す説明図である。
【図６】本発明による回転電機回転子の第３の実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明による回転電機回転子の第３の実施形態におけるスロット内の構成を示す説明図である。
【図８】従来技術による回転電機回転子の一例を示す断面図である。
【図９】従来技術による回転電機回転子の一例におけるスロット内の構成を示す説明図である。
【図１０】従来技術による回転電機回転子の一例におけるスロット内の構成を示す分解斜視図である。
【図１１】回転電機回転子内での冷却媒体の通流状態を説明するための断面図である。
【図１２】回転電機回転子の回転子における冷却風量の軸方向分布の一例を示す特性図である。
【符号の説明】
１ 回転子鉄心
２ 回転軸
３ 回転子巻線
４ リテイニングリング
５ ファン
６ サブスロット
７ スロット
８ ウエッジ
９ クリページブロック
１０ 底敷絶縁材
１１ サブスロットカバー
１２ 層間絶縁材
１３ スロットアーマー
１４ ウエッジ通風孔
１５ クリページブロック通風孔
１６ 回転子巻線通風孔
１７ 層間絶縁通風孔
１８ 底敷絶縁通風孔
１９ サブスロットカバー通風孔

Claims (1)

1. 回転子鉄心のスロット内に、少なくともウエッジ、クリページブロック、回転子巻線用導体条、層間絶縁材、底敷絶縁材、サブスロットカバー及びスロットアーマーの各部材を備え、これら各部材に回転子軸方向に並んだ複数個の通風孔を形成することにより、冷却媒体通流用の複数のラジアルダクトが形成されるようにした回転電機の回転子において、
   前記回転子鉄心を、回転子軸方向の少なくとも一方と他方の端部にある２個の区間と中央にある１個の区間に区分し、
   前記各部材の中の前記底敷絶縁材及び前記サブスロットカバーに形成してある通風孔の回転子軸方向でのピッチが、
   前記一方と他方の端部にある２個の区間では、前記各部材の中の前記底敷絶縁材及び前記サブスロットカバー以外の部材に形成してある通風孔の回転子軸方向でのピッチより大きくされ、
   前記中央にある１個の区間では、前記各部材の中の前記底敷絶縁材及び前記サブスロットカバー以外の部材に形成してある通風孔の回転子軸方向でのピッチと同じにされていることを特徴とする回転電機回転子。

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