JP2009240132A - 回転電機の円筒形回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子巻線におけるコイルエンド部の円弧状部に通流させる冷媒ガスの通流流量を増大させて冷却効果を高めることができ、かつ製造コストの安い回転電機の円筒形回転子を提供することを課題とする。
【解決手段】円筒状回転子における外周を保持体に覆われた回転子巻線端部（コイルエンド）の円弧状部を構成する素線導体に、その少なくとも重なり合う面の一方の面に開口する冷媒ガス通流用の凹溝を設けるとともに、凹溝によって形成される冷媒ガス通流路を、スペーサによって円弧状部の軸方向端面側に形成された冷媒ガス通流路から独立して冷媒ガスの流出室に連通させることにより、コイルエンド部の円弧状部の冷却効果を高める。
【選択図】図１

Description

この発明は、タ−ビン発電機などの回転電機の円筒形回転子に係り、特にその回転子巻線のコイルエンド部の冷却構造の改良に関する。

円筒形回転子を持つ回転電機は各種の用途に用いられ、大容量のタービン発電機に多く用いられる。以下に、図８ないし図１２に示す、一般的なタービン発電機について説明する。

図８は、特許文献１等に示された一般的なタービン発電機の要部を模式化して示す縦断面図である。図９は、図８のＰ矢視の平面図であり、図１０は、図９におけるＡ−Ｃ線の断面図であり、図１１は、図９におけるＢ−Ｃ線の断面図である。また図１２は、図８におけるＱ部を拡大して示す一部を破断した部分正面図である。

図８〜図１２において、タービン発電機９は、ケーシング６と、固定子７と、２極の円筒形回転子８と、軸流ファン６９，６９と、冷却装置９３とを備えている。円筒形回転子８の外周面と固定子７の内周面との間には空隙部９１が介在されている。円筒形回転子８は、回転軸部８１と、回転軸部８１と一体に構成された回転子鉄心部８２と、２極機に対応した１対の回転子巻線２，２と、リング状の保持体８３，８３とを備えており、ケーシング６に図示しない軸受部を介して固定子７に回転自在に支持されている。

なお、タービン発電機には、軸流ファン６９が回転軸部８１の一方にのみ設けられ、冷媒ガスがケーシング６内を循環するように冷媒ガス流路が形成されているものもある。

それぞれの回転子巻線２は、平角銅線からなる素線導体２１を多重に巻回して形成された複数の層コイル２２で構成される。それぞれの層コイル２２は、回転子鉄心部８２に円周方向に所定の間隔をおいて形成されている図示しない複数の巻線用溝の異なる巻線用溝に装填される。回転子巻線２の各層コイル２２の巻線用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。そして、上述の構造を持つ１対の回転子巻線２，２は、回転軸部８１の中心軸線（図８中に１点鎖線で示す）Ｘ−Ｘに対して互いに線対称の関係となるように配設されている。

回転子巻線２の回転子鉄心部８２の両端部から巻線用溝の外へ突き出された巻線端部（コイルエンド部）２９，２９は、リング状の保持体８３によってその少なくとも外周部が保持され、円筒形回転子８が回転することによって発生される大きな遠心力によって変形しないよう保護される。保持体８３は、ここでは、回転子巻線２のそれぞれのコイルエンド部２９を保持する円筒状部８３１と、ファン６９側の端部で円筒状部８３１に結合される円環状部８３２とを備えている（図１２参照）。

ファン６９、６９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却する冷媒ガス９９をタービン発電機９内に循環させるために設けられており、回転子巻線２の両端のコイルエンド部２９の回転軸部８１の軸長方向に関する外側の位置に、回転軸部８１に嵌め込まれて配設されている。固定子７は、周知の如く、多数の薄板製の鉄心板を軸方向に積層してなり，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用溝に装填された固定子巻線７２とを備えている。そして、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気ダクト７３が多数形成されている。

次にケーシング６内に設けられた冷媒ガス９９の通流路について説明をする。まず、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６１，６２が固定子鉄心７１の鉄心板の積層方向に間隔を置いて図示の如くに設けられている。外側の仕切板６１と内側の仕切板６２とを接続するようにして複数の円筒状の連絡ダクト６３が配置されている。仕切板６１と仕切板６２とによって区切られたそれぞれの空間は排気ダクト６４，６４となり、両側を仕切板６２、６２で区切られた空間は中央給気ダクト６５となる。また、ケーシング６の両端部には、ファン６９、６９にそれぞれ対応させて吸気ダクト６６，６６が設けられている。

冷却装置９３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から熱を除去する周知の冷却器９４と、冷却器９４と排気ダクト６４，６４とを接続する排気風胴９５と、冷却器９４と吸気ダクト６６，６６とを接続する吸気風胴９６，９６とを備えて構成されている（図９参照）。

このように構成されたタービン発電機９において、ファン６９、６９で加圧された冷媒ガス９９は、まず、保持体８３の付近で大きく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６３を経て中央給気ダクト６５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および回転子コイル端部２９との間の空間のそれぞれから回転子巻線２に流入する冷媒ガス流９９Ｃとに分かれるのである。

冷媒ガス流９９Ｃは、回転子巻線２の端部（コイルエンド部）２９を冷却しつつ回転子鉄心部８２の端部に到り、冷媒ガス流９９Ｃの内の多くの部分がこの端部から巻線用溝部の底部に設けたガス通流路に流入し、回転子巻線２を冷却した後、通気孔８８から空隙部９１へ流出する。冷媒ガス流９９Ｂは、中央給気ダクト６５に連通されている通気ダクト７３中を通流し、固定子鉄心７１および固定子巻線７２を冷却しつつ固定子鉄心部７１の積厚方向の中央部から空隙部９１に流入する。このようにして、空隙部９１で合流された冷媒ガス９９は、排気ダクト６４，６４に連通している通気ダクト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６４，６４に到る。

排気ダクト６４，６４に到達した冷媒ガス９９は、円筒形回転子８，固定子７を冷却して比較的に高温になっているが、この高温の冷媒ガス９９は、排気風胴９５を経て冷却器９４に流入して冷却される。冷却器９４で冷却されて再び低温に戻った冷媒ガス９９は、吸気風胴９６，９６および吸気ダクト６６，６６を経てファン６９により吸気され、ケーシング６内に供給されるのである。

このように、タービン発電機９においては、冷却器９４を介して冷媒ガス９９を内部に循環させて冷却を行うことにより、安定な運転状態を得ているが、この種の回転電機に採用されている円筒形回転子８の回転子巻線２は、特に、そのコイルエンド部２９の冷却が十分でないため、この部分の温度が高くなる傾向にあった。このため、従来からこの回転子巻線のコイルエンド部の冷却効果を高めて温度を低下させるため工夫が行われており、その一つの例として特許文献１に示された従来例を図１３〜図２０に示す。
図１３は、図８におけるＲ部を拡大して示す部分断面斜視図、図１４は図１３におけるＬ部を拡大して示す部分斜視図、図１５は回転子巻線２の円弧状部２４を形成する素線導体２１の縦断面図である。また、図１６は図８におけるＲ部を拡大して示す部分的な正面断面図、図１７は図１６におけるＵ−Ｕ線に沿う部分断面図、図１８は、図１３におけるＶ−Ｖ線に沿う部分断面図、図１９は図１３におけるＷ−Ｗ線に沿う部分断面図、図２０は図１９におけるＰ矢視の部分平面図である。

これらの図に示すように、円筒形回転子８は、回転軸部８１と、回転子鉄心部８２と、１対の回転子巻線２と、回転子巻線２のコイルエンド部２９に配設された複数のスペーサ５４および５４Ａと、隔壁体５５と、仕切壁体５６と、外周部絶縁体５７と、複数の楔３と、保持体８３，８３等とで２極構造に構成される。回転子巻線２は、それぞれの磁極毎に平角銅線からなる素線導体２１が複数回巻回して構成された複数個（ここでは６個）の層コイル２２で構成されている。それぞれの層コイル２２は、周知の鞍形コイルとして形成されている。各層コイル２２の直線状部２３の中央部分が、回転子鉄心部８２の異なる巻線用溝８４に装填され、また、層コイル２２の円弧状部２４は、回転子巻線２のコイルエンド部２９の主要部分を構成している。
各層コイル２２のコイルエンド部２９の相互間にはスペーサ５４が、最も外側の層コイル２２の外側面と、最も内側の層コイル２２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８の加減速時に発生する加速度などに対応してコイルエンド部９に働く大きな応力に対処している。スペーサ５４は、細長い平板状の電気絶縁材からなる基板部５４１と、基板部５４１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５４２とで構成されている。この突起部５４２は、コイルエンド部２９における層コイル２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るものである。スペーサ５４は複数の突起部５４２が基板部５４１の両方の側面に備えているが、スペーサ５４Ａは、複数の突起部５４２が基板部５４１の一方の側面のみに備えている点でスペーサ５４と相違している。

スペーサ５４，５４Ａが持つ基板部５４１は、層コイル２２の高さ方向寸法Ｈとほぼ同等の幅寸法を有し、素線導体２１の長さ方向に沿わせた長さを有している。スペーサ５４，５４Ａにおける突起部５４２は、山形や三角形などの尖頭部を持つ形状を有し、基板部５４１の長さ方向に間隔を隔てて設けられ、その反基板部５４１側の端面が層コイル２２の側面に当接される。この突起部５４２は、基板部５４１の幅方向の両端部のそれぞれに、その尖頭部を内側に向け、しかも、互いに位置を半間隔長だけずらして形成されている。

これによって、層コイル２２のコイルエンド部２９の側面には、冷媒ガス９９が通流される、突起部５４２によってジグザグ状とされた通流路５４３が形成されることになる。この通流路５４３を後記する貫通孔５５ａと関連付けて視察すると、貫通孔５５ａから層コイル２２の直線状部２３に沿って冷媒ガス９９が通流する通流路５４Ｘと、貫通孔５５ａから層コイル２２の円弧状部２４に沿って冷媒ガス９９が通流する通流路５４Ｙとして把握することができる（図１３参照）。なお、突起部５４２の持つ形状としては、矩形状のものも知られている。

各層コイル２２のコイルエンド部２９の回転軸部８１と対向する面に配置される隔壁体５５は、電気絶縁材を用いて全体として円筒を構成しており、コイルエンド部２９における層コイル２２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、層コイル２２の直線状部２３と円弧状部２４との結合部位直下の部位に貫通孔５５ａ（図１６参照）が、また、後記する排気室５６Ｘに対向する部位に貫通孔５５ｂ（図１７参照）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（２極機であるため）が用いられており、排気室５６Ｘを形成すべき部位を仕切るようにして、隔壁体５５の内周面に当接させて配置されている（図１７参照）。

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、磁極の中間位置の直下に位置している２個の空間が、冷媒ガス流９９Ｃが流入される流入室５５Ｘとなり、また、磁極の中心位置（磁極の中心線Ｙ−Ｙを図１７中に２点鎖線で示す）の直下に位置している２個の空間が排気室５６Ｘとなる。この排気室５６Ｘは、そのファン６９側の端部は閉塞され、その反ファン６９側の端部は後記する排気溝８６（図１３参照）に連通されている。なお、流入室５５Ｘは、そのファン６９側の端部は開口をされ、その反ファン６９側の端部は後記する溝部通流路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、コイルエンド部２９における層コイル２２の外周側と、保持体８３の円筒状部８３１の内周側との間に配置されている（図１７参照）。楔３は、巻線用溝８４に装填された部分の回転子巻線２が、円筒形回転子８が回転することで発生される大きな遠心力によって巻線用溝８４から飛び出さないようにするなどのために、巻線用溝８４の開口部にこれを塞ぐように装着されている。

楔３には、図１８〜図２０に示すように回転軸部８１の軸長方向に長い小判形の貫通孔３ａが形成されており、それぞれの貫通孔３ａは、素線導体２１に形成されている後記する貫通孔２１ａなどを介して溝部通流路８４ａ（図１３参照）に連通されている。この溝部通流路８４ａは、各巻線用溝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、溝部通流路８４ａの両端部はそれぞれ流入室５５Ｘに連通されている。なお、前記タービン発電機の円筒形回転子８における通気孔８８は、円筒形回転子８の貫通孔３ａとこれに対応して層コイル２２に関連して形成されている後記する諸貫通孔によって構成されていることになる。

回転子鉄心部８２には、１対の回転子巻線２、２を構成する層コイル２２に対応した個数と位置とに従う複数の巻線用溝８４と、歯部８５と、複数の排気溝８６とが図１３に示すように形成されている。各巻線用溝８４の底部には段付部８４ｂが形成されており、この段付部８４ｂの下部に前記した溝部通流路８４ａが形成されている（図１８参照）。また、最外側および最内側の層コイル２２が装填される巻線用溝８４の反歯部８５側を形成する回転子鉄心部８２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。

ここで、主として図１８〜図２０を参照して、円筒形回転子８の巻線用溝８４内の電気絶縁および冷媒ガス９９の通流路について更に説明する。それぞれの巻線用溝８４内には、まず、回転子鉄心部８２と層コイル２２との間の電気絶縁用として、電気絶縁材をＬ字状に形成した１対の溝部絶縁体５８１が図示のように装填される。この溝部絶縁体５８１は、Ｌ字状をなすその底辺部分を溝の段付部８４ｂ上に、その先端部間に幅Ｗ₅₈₁ を持つ間隙部５８１ａが形成されるようにして載置される。そして層コイル２２は、その下面と両側面とを溝部絶縁体５８１によって電気絶縁されるようにして、巻線用溝８４に装填されている。この層コイル２２の上側には、電気絶縁材製の上部絶縁体５８２を介して、前記楔３が装着されている。なお、５１１は、素線導体２１の相互間を電気絶縁するための電気絶縁材製の素線間絶縁体である。

それぞれの層コイル２２を構成する素線導体２１の巻線用溝８４内に収納されている部分には、回転軸部８１の軸長方向に沿って冷媒ガス９９（後記する冷媒ガス流９９Ｚ）を通流させるための複数の貫通孔２１ａが形成されている。それぞれの貫通孔２１ａは、冷媒ガス９９のための広い通流面積を確保するために、回転軸部８１の軸長方向に沿って長い小判形に形成されている。また、素線間絶縁体５１１および上部絶縁体５８２のそれぞれにも、貫通孔２１ａに対向する位置に、貫通孔２１ａとほぼ同一形状の貫通孔５１１ａおよび５８２ａが形成されている。そして、楔３に形成された貫通孔３ａは、図１８およびに図１９に示すように、前記諸貫通孔５１ａ，５１１ａおよび５８２ａに対向する部位に形成される。

さらに、回転子コイル２のコイルエンド部２９の冷却効果向上のために、円弧状部２４の素線導体２１の両側面にそれぞれ図１４および図１５に示すように、冷媒ガス９９を通流するための凹溝２５が形成されている。それぞれの凹溝２５は、その開口２５ａをスペーサ５４またはスペーサ５４Ａが配置されている側に面するようにしている。なお、この円弧状部２４の素線導体２１の凹溝２５を除いた有効断面積は直線状部２３のそれと同じになるように選ばれている。

このように構成された従来例の円筒形回転子８における冷媒ガス流９９Ｃの通流経路は次のように形成されている。すなわち、ファン６９によってそれぞれの流入室５５Ｘ（図１３参照）へ送られた冷媒ガス流９９Ｃは、流入室５５Ｘにおいて、回転軸部８１の軸長方向に沿って溝部通流路８４ａに流入する冷媒ガス流９９Ｚと、隔壁体５５が持つ貫通孔５５ａから層コイル２２の側面にスペーサ５４と５４Ａによって形成されているジグザグ状の通流路５４Ｘおよび凹溝２５に流入する冷媒ガス流とにまず分岐される。さらに貫通孔５５ａから流入した冷媒ガス流は、この貫通孔５５ａの近傍において、層コイル２２のコイルエンド部の円弧状部の端面に形成されたジグザグ状の通流路５４Ｘを通流する冷媒ガス流９９Ｘと、層コイル２２のコイルエンド部の直線状部の側面に形成されたジグザグ状の通流路５４Ｙ側を通流する冷媒ガス流９９Ｙとにさらに分岐される。

冷媒ガス流９９Ｚは、流入室５５Ｘ→溝部通流路８４ａ→通気孔８８（間隙部５８１ａと、貫通孔５１ａ，５１１ａおよび５８２ａと、貫通孔３ａ）を順次通過した後に空隙部９１に流入し、この間、回転子巻線２の直線状部の巻線用溝８４に装填されている部位と、回転子鉄心部８２Ａとを冷却する。

また、冷媒ガス流９９Ｘは、流入室５５Ｘ→貫通孔５５ａ→通流路５４Ｘ→排気路８５ａを順次通過した後に空隙部９１（図８参照）に流入し、この間、回転子巻線２の直線状部２３の回転子鉄心から突出し露出しているコイルエンド部２９に在る部位と、回転子鉄心部８２の両端部とを冷却する。

さらに、冷媒ガス流９９Ｙは、流入室５５Ｘ→貫通孔５５ａ→通流路５４Ｙおよび凹溝２５→貫通孔５５ｂ→排気室５６Ｘ→排気溝８６を順次通過して空隙部９１へ流入し、この間、回転子巻線２の円弧状部２４と、回転子鉄心部８２の両端部とを冷却する。

回転子巻線２の円弧状部２４における冷媒ガス流９９Ｙの通流路としては、スペーサ５４Ａが持つ通流路に素線導体２１の凹溝２５内の通流路が加わるため、冷媒ガス流９９Ｙに対する流体抵抗が低減される。また、円弧状部２４の長さ方向に関する凹溝２５の端面は、当然のことながら円弧状部２４の端面側に開口をしているので、貫通孔５５ａから流出した直後の冷媒ガス流９９Ｙは、容易に凹溝２５内に流入されることになる。これらのことにより、冷媒ガス流９９Ｙの流量をより大きくすることができる。

この冷媒ガス流９９Ｙが円弧状部２４と接触し合う面積は、円弧状部２４の素線導体２１が凹溝２５を有していることで増大する。すなわち、円筒形回転子１が持つ回転子巻線２のコイルエンド部２９では、冷媒ガス流９９Ｙの流量と、円弧状部２４の冷媒ガス流９９Ｙに対する放熱面積とが共に増大することと、冷媒ガス流９９Ｙの凹溝２５への流入が容易となることとが相まって、円弧状部２４の冷却効果が増大される。この結果、回転子巻線２のコイルエンド部の直線状部２３との接続部位を含めて円弧状部２４の温度上昇が低減される。

また、コイルエンド部における冷媒ガスの通流路５４Ｘ，５４Ｙはジグザグ状の通流路となっているため、ここを流れる冷媒ガス流９９Ｘ，９９Ｙが層コイル２２の側面と比較的長く接触することになるので、層コイル２２を良好に冷却することができる。このような冷却構成を備えることによって、円筒形回転子８では、コイルエンド部２９を含む回転子巻線２の冷却効果を向上することができる。

前記の従来例においては回転子巻線２のコイルエンド部の円弧状部の素線導体２１に、側面に開口した凹溝２５を設けて、コイルエンド部の冷却効果を高めているが、この凹溝２５の代わりに図２１に示すように、素線導体２１に中空孔２６ｂを設けるようにしてもよいことが、特許文献１に提案されている。
特許第３７９１１４６号公報

前記した従来装置においては、回転子巻線におけるコイルエンド部の円弧状部の素線導体に冷媒ガスを通流させるために設けられている凹溝２５は、素線導体の幅方向の両端部に形成されるので、素線導体の幅方向の中央部の冷却が不十分となるとともに、回転子巻線におけるコイルエンド部の円弧状部の側面にスペーサを組み合わせて形成される冷媒ガスの通流路と、素線導体の凹溝によって形成される冷媒ガスの通流路とが合流されて共通の排出室に導かれる構成となっているため、この通流路における流体抵抗の低減が制限され、冷媒ガス通流流量を増大できない問題がある。

また、図２１に示すように、冷媒ガスを通流させるための中空孔２５ｂを設けた素線導体２１により回転子巻線におけるコイルエンド部の円弧状部を構成した場合は、中空孔２５ｂを素線導体の幅方向の中央部に設けることにより、素線導体の中央部の冷却効果を高めることができるようになるが、素線導体２１の製造コストが高くなる問題がある。それとともに、この場合も、素線導体の中空孔２５ｂによって形成される冷媒ガスの通流路が円弧状部２４に設けられた連通溝４６（図２１参照）によって回転子巻線におけるコイルエンド部の円弧状部２４の側面にスペーサ５４を組み合わせて形成される冷媒ガスの通流路と合流されて共通の排出室に導かれているため、この通流路の流体抵抗の低減が制限されるため、冷媒ガス通流流量の大きな増大が望めない問題がある。

この発明は、前記のような問題を解決するため、回転子巻線におけるコイルエンド部の円弧状部に通流させる冷媒ガスの通流流量を増大させて冷却効果を高めることができ、かつ製造コストの安い回転電機の円筒形回転子を提供することを課題とするものである。

前記の課題を解決するため請求項１の発明は、回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数の巻線用溝を有する回転子鉄心部と、一対または複数対の磁極用の回転子巻線と、回転軸部の軸長方向に関する外側の位置の少なくとも何れか一方に配設された冷媒ガスを循環するための冷却用ファンとを備え、それぞれの磁極用の前記回転子巻線は、平角状の素線導体を多重に巻回して形成した複数の層コイルで構成されると共にそれぞれの層コイルが異なる巻線用溝に装填され、巻線用溝内に収納されていない部分である回転子巻線のコイルエンド部におけるそれぞれの層コイルの側面部に回転子巻線を冷却する冷媒ガスを通流させるための通流路を形成するスペーサが配設されてなり、前記回転子巻線のそれぞれの層コイルは、互いにほぼ平行させて配置されると共にその長さ方向の中央部分が前記巻線用溝に装填される１対の直線状部と，両直線状部の端部の間を接続して互いにほぼ平行して配置される１対の円弧状部とでなり、少なくとも前記回転子巻線のコイルエンド部が前記冷媒ガスによって冷却されるようにしてなる回転電機の円筒形回転子において、前記回転子巻線の層コイルの有するコイルエンド部の円弧状部を構成する素線導体に、積層したとき互いに重り合う面の少なくと一方の面に開口した冷媒ガス通流用の凹溝を形成したことを特徴とするものである。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝を互いに連通し、この凹溝によって形成される冷媒ガス通流路の冷媒ガスの排出口を、前記スペーサによって形成された冷媒ガス通流路の冷媒ガスの排出口とは独立して設けることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の幅を前記素線導体の幅近くまで拡げることを特徴とするものである。

さらに、請求項４の発明は、請求項１ない３のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の内壁面に少なくとも１つ以上の凹または凸を形成することを特徴とするものである。
さらに、請求項５の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の断面積を内径側よりも外径側が大きくなる構成とし、内径側より外径側の風量を多くしたことを特徴とするものである。
さらに、請求項６の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の断面積を、磁極側よりも端側が大きくなるように構成し、磁極側より端側の風量を多くしたことを特徴とするものである。

さらに、請求項７の発明は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の前記冷媒ガス入口部の端側の少なくとも一部を斜め形状とし、前記冷媒ガス入口部の開口面積を大きくしたことを特徴とするものである。
さらに、請求項８の発明は、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記素線導体を絶縁シートを介して積層し、前記凹溝を外周面にのみ形成したことを特徴とするものである。

この発明によれば、回転電機の円筒形回転子において、前記回転子巻線の層コイルの有するコイルエンド部の円弧状部を構成する素線導体に形成する冷媒ガス通流用の凹溝が素線導体の互いに重ね合わされる一方の面側に開口させて形成されるので、中空孔を設けた素線導体に比して、加工が容易になるとともに安価に製造することができるようになる。

また、この発明においては、回転子巻線の層コイルの円弧状部の素線導体に形成された冷媒ガス通流用の凹溝によって形成される冷媒ガス通流路の冷媒ガスの排出口を、前記スペーサによって形成された冷媒ガス通流路の冷媒ガスの排出口とは独立して設けているので、回転子巻線の層コイルの有するコイルエンド部の円弧状部に冷媒ガスを通流してこの部分を冷却するための通流路の排出口の面積を増やして通流抵抗を低減することができるので、この通流路への冷媒ガスの通流流量を増やして冷却効果を高めることができる。

さらに、この発明よれば、回転子巻線の層コイルの円弧状部の素線導体に形成された冷媒ガス通流用の凹溝を可能な限り前記素線導体の幅一杯に拡げることにより、回転子巻線の層コイルの円弧状部の素線導体の全体をほぼ均一に冷却し、素線導体の温度分布をより均一化することができるとともに、冷媒ガス通流用の凹溝の内壁面に少なくとも１つ以上の凹または凸を形成することにより、素線導体の凹溝による冷却効果を一層高めることができる等の高価も得られる。
さらに、この発明によれば、凹溝の断面積を内径側よりも外径側が大きくなる構成とし、内径側より外径側の風量を多くすること、あるいは、前記凹溝の断面積を、磁極側よりも端側が大きくなる構成とし、磁極側より端側の風量を多くしたことにより、素線導体の長さの違い、および径方向位置に起因する冷却流路部の風量の差異を補完し、コイルエンド部の各素線導体の温度を均一にすることができる。

さらに、この発明によれば、前記凹溝の前記冷媒ガス入口部の端側の少なくとも一部を斜め形状とし、前記入口部の開口面積を大きくすることにより、冷媒ガスを前記凹溝に流入し易くすることができる。

さらに、この発明によれば、前記素線導体を絶縁シートを介して積層した場合に、前記凹溝を外周面に形成することにより、前記絶縁シートが前記円筒形回転子の回転による遠心力によって撓むことを防止することができる。

この発明の実施の形態について図１〜図５に示す実施例に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施例の構成を示す部分（図８におけるタービン発電機のＲ部相当）断面斜視図、図２は、図１のＴ部を拡大して示す斜視図、図３は、図２のIII−III線に沿う縦断面図、図４はこの発明に使用する素線導体の部分平面図、図５は図４のＶ−Ｖ
線に沿う縦断面図である。

図１〜図５示すこの発明の実施例において、円筒形回転子の回転子巻線２や冷媒ガスの流通経路の基本的な構成は前記従来例とほぼ同じであるので、従来装置と同一の構成要素は同一の符号を付して示す。
この発明においては、従来装置と同様に、回転子巻線２を構成する層コイル２２のコイルエンド部のそれぞれの直線状部２３および円弧状部２４にスペーサ５４または５４Ａをあてがうことによって冷媒ガス通流路５４Ｘおよび５４Ｙが形成される。
回転軸部８１の外周に設けた隔壁５５には、冷媒ガスの流入室５５Ｘから冷媒ガス通流路５４Ｘおよび５４Ｙへ冷媒ガスを導くための貫通孔５５ａが設けられている。さらに層コイル２２の円弧状部２４の軸方向の端面側の冷媒ガス通流路５４Ｙは隔壁５５に設けられた出口となる貫通孔５５ｂを介して流出室５６Ｘ連通されている（図１および図４参照）。

回転子巻線２の層コイル２２のコイルエンド部の円弧状部２４を構成する素線導体２１には、断面を図５に示すように、冷媒ガスを通流するための凹溝２６が設けられる。この凹溝２６は、素線導体２１を絶縁シートを介して（図示せず）積層したとき、互いに重なり合う面の少なくとも一方の面に開口される。このような凹溝２６の設けられた素線導体２１は、引抜加工や切削加工により容易に製造することができる。なお、凹溝２６を素線導体２１の両面に設ける場合には、絶縁シートは素線導体２１の互いに重なり合う面にのみ設ける。凹溝２６を素線導体２１の一方の面に設ける場合には、外周面側に設ける。このようにすることにより、絶縁シートが円筒形回転子８の回転による遠心力が絶縁シートにかかっても、絶縁シートは、素線導体２１の凹溝２６が設けた面とは反対側の面に押し付けられるだけであるため、絶縁シートが撓むことを防止することができる。

また、素線導体２１の凹溝２６の底壁には、図４に示すように、冷媒ガス通流路の出口となる貫通孔２７を設ける。この貫通孔２７は、素線導体２１を複数回巻回して層コイル２２を構成したとき、図３に示すように一直線に重なり合い各凹溝２６を連通させ、かつ隔壁５５に設けた貫通孔５５ｃの直上に位置する部位に設けられる。これにより、各素線導体２１の凹溝２６によって形成される層コイル２２の円弧状部２４の冷媒ガス通流路２６Ｙは、入口となる凹溝の円周方向の端面の開口および隔壁５５の貫通孔５５ａ通して回転軸部８１上の流入室５５Ｘに連通され、出口となる凹溝２６の底壁の貫通孔２７および隔壁５５の貫通孔５５ｂを通して回転軸部８１上の流出室５６Ｘに独立して連通されるようになる。なお、図３、４では、貫通孔２７は１つであるが、２つ設けるようにしても良いことは勿論である。

また、図２において、２点鎖線で囲まれた素線導体２６の端側１００を無くし、冷媒ガス入口部の端側の少なくとも一部を斜め形状とすれば、冷媒ガス入口部の開口面積を大きくして冷媒ガス流９９Ｙが凹溝２６に入り易くすることができる。

この発明によれば、このように構成されているので、ファン６９（図８参照）により加圧された冷媒ガスは、回転軸部８１上の流入室５５Ｘから、貫通孔５５ａを通して層コイル２２の直線状部２３および円弧状部２４に供給される。供給された冷媒ガスの一部は、直線状部２３の側方のスペーサ５４Ａによって形成される通流路５４Ｘ内を突起部５４２によってジグザグに流れる冷媒ガス流９９Ｘとなって排気路８５ａを通して空隙部９１（図８参照）へ流れ、この間にコイルエンド部の直線状部２３を冷却する。
冷媒ガスは、もう一方で層コイル２２のコイルエンド部の円弧状部２４のスペーサ５４または５４Ａによって形成される通流路５４Ｙおよび素線導体２１の凹溝２６によって形成される通流路２６Ｙ内を冷媒ガス流９９Ｙおよび９９Ｙ´となって流れる。通流路５４Ｙを流れる冷媒ガス流９９Ｙは隔壁５５の貫通孔５５ａから流出室５６Ｘへ流れ、排気路８６から空隙部９１へ流れる。素線導体２１の凹溝２６によって形成された通流路２６Ｙを流れる冷媒ガス流９９Ｙ´は、凹溝２１の底壁に設けられた貫通孔２７および隔壁５５に設けられた貫通孔５５ｃから流出室５６Ｘへながれ、排出路８６を経由して空隙部９１へ流出する。このような冷媒ガス流９９Ｙおよび９９Ｙ´によって、層コイル２２のコイルエンド部の円弧状部２４が冷却される。

この発明によれば、層コイル２２のコイルエンド部の円弧状部２４における、軸方向の端面側にスペーサ５４または５４Ａによって形成された冷媒ガスの通流路５４Ｙと、素線導体２１内に凹溝２６によって形成された通流路２６Ｙが互いに独立した並列の通流路となるので、円弧状部２４を冷却する冷媒ガスの通流路の流体抵抗が低減されて、通流流量を増大することができる。このため、層コイル２２のコイルエンド部の円弧状部２４の冷却効果を一層高めることができる。

図６は、この発明における素線導体２１に設ける凹溝２６の変形例を示すものである。
この変形例による凹溝２６は、その内壁面に多数の凹凸を設けることにより、凹溝２６の内壁面のこの凹溝２６内を流れる冷媒ガスに対する放熱面積を増大したものである。
このように素線導体２１内の凹溝２６の冷媒ガスに対する放熱面積を増大するようにすれば、冷媒ガスによるコイルエンド部の円弧状部２４の冷却効果をなお一層高めることができて有利である。

この発明においては、回転子巻線のコイルエンド部の円弧状部を構成する素線導体２１の断面積は、凹溝２６の部分を除いた有効断面積は、凹溝の設けられていない直線状部２３の断面積と等しくなるように選定すればよいので、凹溝２６の形状には何も制限がなく自由な形状にすることができる。このため、凹溝２６の断面積を一定（したがって冷媒ガス通流量一定）にした場合、その幅ｄ_mを図５に示すように、素線導体２１の幅方向の両端部に相互に重ね合わせて支持するときの必要最小限の機械強度が維持される支持代ｄ₀を残した限度一杯の幅ｄ_mまで拡大して、その分深さｈを浅くした形状の凹溝とすることにより、凹溝２６を素線導体２１の幅一杯近くまで拡げることができるので、素線導体２１の全体をより均一に冷却することが可能となり、これによっても冷却効果を向上することができる。

さらに、この発明においては、凹溝２６の形状には何も制限がなく自由な形状にすることができることから、凹溝２６の冷却風量を調節することが容易である。

例えば、周方向部分が長い端側の巻線の導体については、冷却流路の風量が内径側と比較して少なくなるので、溝の断面積を大きくして総風量の増大を図り、一方、周方向部分が短い磁極側の巻線の導体については、冷却流路の風量が他と比較して多くなるので、溝の断面積を小さくする、あるいは溝なしとして風量の配分を図り、風量の最適化を図ることができる。また、導体の径方向位置による冷却流路の風量の差異に対しても、同様に風量の配分を図り、各素線導体の温度を均一化し、冷却風量の利用率の向上と、風量の最適化を実現することができる。

図７は、冷却風量の配分例を説明するための図である。図７（ａ）は、周方向部分導体の回転軸方向位置と凹溝２６を流れる冷却風量との関係を示したものである。周方向部分の導体の長さは、磁極側（導体Ａ）が短く、端側（導体Ｃ）が長くなるので、凹溝２６の断面積が一定の場合には、導体の長さが長くなる端側に行くほど風量は減少していくが、凹溝２６の断面積を端側になるほど大きくしていくことにより、風量を増加させることができることを示している。

また、図７（ｂ）は、周方向部分導体の径方向位置と凹溝２６を流れる冷却風量との関係を示したものである。周方向部分導体の長さは、外径側が長く、内径側が短くなるので、凹溝２６の断面積が一定の場合には、導体の長さが長くなる外径側に行くほど風量は減少していくが、凹溝２６の断面積を外径側になるほど大きくしていくことにより、風量を増加させることができることを示している。
このように最適化を行なうことにより、回転軸方向位置および径方向位置に起因する周方向部分導体の長さの違いによる冷却流路の風量の差異を補完し、コイルエンド部全体の各素線導体の温度を均一化することができる。

この発明の実施例の構成を示す部分断面斜視図。 図１のＴ部を拡大して示す斜視図。 図２のIII−III線に沿う縦断面図。 この発明に使用する素線導体の部分平面図。 図４のＶ−Ｖ線に沿う縦断面図である。 この発明に用いる他の素線導体の例を示す縦断面図。 冷却風量の配分例を説明するための図。 従来から公知の一般的なタービン発電機の要部を模式化して示す縦断面図。 図８のＰ矢視の平面図。 図９におけるＡ−Ｃ線に沿う断面図。 図９におけるＢ−Ｃ線に沿う断面図。 図８におけるＱ部を拡大して示す一部破断面を含む構成図 図８におけるＲ部を拡大して示す部分断面斜視図。 図１３におけるＬ部を拡大して示す部分斜視図。 回転子巻線２の円弧状部２４を形成する従来の素線導体断面図。 図８におけるＲ部を拡大して示す部分断面図。 図１６におけるＵ−Ｕ線に沿う部分断面図。 図１３におけるＶ−Ｖ線に沿う部分断面図。 図１３におけるＷ−Ｗ線に沿う部分断面図。 図１９におけるＰ矢視の部分平面図である。 他の従来例の層コイルの円弧状部の構成を示す部分斜視図。

符号の説明

１：タービン発電機
２：回転子巻線
２１：素線導体
２２：層コイル
２３：直線状部
２４：円弧状部
２６：凹溝
２７：貫通孔
２９：回転子コイル端部（コイルエンド部）
５：隔壁
５５Ｘ：冷媒ガスの流入室
５６Ｘ：冷媒ガスの流出室
６９：ファン
８：回転子
８１：回転軸部
８２Ａ：回転子鉄心部
８３：保持体
９９Ｘ、９９Ｙ、９９Ｙ´、９９Ｚ：冷媒ガス流

Claims (8)

1. 回転軸部と、回転軸部とほぼ同心の円形状として外周が形成されると共に外周の円周方向に沿わせて形成された複数の巻線用溝を有する回転子鉄心部と、一対または複数対の磁極用の回転子巻線と、回転軸部の軸長方向に関する外側の位置の少なくとも何れか一方に配設された冷媒ガスを循環するための冷却用ファンとを備え、それぞれの磁極用の前記回転子巻線は、平角状の素線導体を多重に巻回して形成した複数の層コイルで構成されると共にそれぞれの層コイルが異なる巻線用溝に装填され、巻線用溝内に収納されていない部分である回転子巻線のコイルエンド部におけるそれぞれの層コイルの側面部に回転子巻線を冷却する冷媒ガスを通流させるための通流路を形成するスペーサが配設されてなり、前記回転子巻線のそれぞれの層コイルは、互いにほぼ平行させて配置されると共にその長さ方向の中央部分が前記巻線用溝に装填される１対の直線状部と，両直線状部の端部の間を接続して互いにほぼ平行して配置される１対の円弧状部とでなり、少なくとも前記回転子巻線のコイルエンド部が前記冷媒ガスによって冷却されるようにしてなる回転電機の円筒形回転子において、前記回転子巻線の層コイルの有するコイルエンド部の円弧状部を構成する素線導体に、積層したとき互いに重なり合う面の少なくとも一方の面に開口した冷媒ガス通流用の凹溝を形成したことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
2. 請求項１に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝を互いに連通し、この凹溝によって形成される冷媒ガス通流路の冷媒ガスの排出口を、前記スペーサによって形成された冷媒ガス通流路の冷媒ガスの排出口とは独立して設けたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
3. 請求項１または２に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の幅を前記素線導体の幅近くまで拡げたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
4. 請求項１ない３のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の内壁面に少なくとも１つ以上の凹または凸を形成したことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の断面積を、内径側よりも外径側が大きくなるように構成し、内径側より外径側の風量を多くしたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の断面積を、磁極側よりも端側が大きくなるように構成し、磁極側より端側の風量を多くしたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記凹溝の前記冷媒ガス入口部の端側の少なくとも一部を斜め形状とし、前記冷媒ガス入口部の開口面積を大きくしたことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回転電機の円筒形回転子において、前記素線導体を絶縁シートを介して積層し、前記凹溝を外周面側にのみ形成したことを特徴とする回転電機の円筒形回転子。

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