JP5690078B2 - 熱伝達を高めた回転電気機械ロータ及びそのための方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転電気機械のロータにおける熱伝達性能を高めることに関する。具体的には、本発明は、ロータの半径方向ダクト内にリブをパンチ加工して熱伝達性能を高めるようにすることに関する。

大型のガス冷却式回転電気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スチール鍛造品で製造されたロータ本体を有する。ロータ本体の外周部内には、軸方向に延びる半径方向スロットを特定の円周方向位置において機械加工して、ロータ巻線を収容している。この形式の機械におけるロータ巻線は一般的に、その各々が銅導電体の多くの界磁ターンを有する多数の完成コイルから成る。コイルは、例えば二極ロータにおける２つのそのような同心パターンを備えた同心パターンとして半径方向スロットに嵌装される。コイルは、各スロット内の機械加工したダブテール表面に対して保持されたウェッジによって遠心力に抗するようにロータ本体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、「端部巻線」と呼ばれ、高強度スチール保持リングによって遠心力に抗するように支持される。ロータ端部巻線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言及及び説明を容易にするために、ロータ巻線は、冷却ダクトを含みかつロータ本体の半径方向スロット内に配置された中央領域と、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たロータ端部巻線領域と、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して特徴付けることができる。スロット端部領域は、中央半径方向流れ領域とロータ端部巻線領域との間に位置する。

大型のターボ電気機械又は回転電気機械の設計には、ステータ及びロータ巻線に高出力密度が必要となる。定格が高くなると、巻線（すなわち、所定の断面によって運ばれる電流）の比負荷及び冷却器のような熱シンクまでの距離の両方もまた大きくなる。

ロータ巻線の直接冷却は、電気機械設計において定評のある実施技術である。一般的には水素ガス又は空気である冷却媒体は、幾つかの方法で巻線に対して直接導入される。ガスは、ロータ本体の半径方向スロット内に軸方向に切込んだサブスロットを通ってロータに流入することができる。このガスは、銅巻線内に配置された半径方向ダクトを通して排出される。ロータの回転によって生じるポンプ作用及びガスの加熱により、サブスロットを通してガスを引き寄せかつ半径方向ダクトから押し出す。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すくい取ることができかつ銅巻線を通る対角線方向又は半径方向−軸方向通路に沿って流すことができる。この場合も、ガスは、サブスロットを必要としないでロータ表面において排出される。これらの２つの方式により、ロータ本体における巻線が冷却される。

米国特許第６，６２８，０２０号公報

本発明の態様によると、ロータ及び該ロータ内の複数の半径方向スロットを有する回転電気機械における半径方向ダクトを提供する。複数のコイルが、半径方向スロット内にそれぞれ嵌装され、またコイルは、複数の半径方向積重ねターンを形成する。半径方向ダクトは、半径方向積重ねターンの少なくとも一部分内に形成されかつロータに対してほぼ半径方向に延びる１つ又はそれ以上の冷却スロットを含む。１つ又はそれ以上の冷却スロットの内部表面の少なくとも一部分は、熱伝達を高めるようになった１つ又はそれ以上のリブを含む。

本発明の別の態様によると、ロータ及び該ロータ内の複数の半径方向スロットを有する回転電気機械を提供する。複数のコイルが、半径方向スロット内にそれぞれ嵌装され、またコイルは、複数の半径方向積重ねターンを形成する。複数の冷却スロットが、半径方向積重ねターン内に形成される。半径方向ダクトが、冷却スロットのコラムから成る。半径方向ダクトは、半径方向積重ねターンの少なくとも一部分内に形成された１つ又はそれ以上の冷却スロットを含み、また冷却スロットは、ロータに対してほぼ半径方向に延びる。冷却スロットの内部表面の少なくとも一部分は、熱伝達を高めるようになった１つ又はそれ以上のリブを含む。

本発明のさらに別の態様によると、回転電気機械のロータにおける半径方向ダクトを形成する方法を提供する。半径方向ダクトは、該半径方向ダクトの熱伝達を高める複数のリブを有する。本方法は、複数のリブの形状に対応した複数のグルーブを有する溝付きパンチ加工ダイを準備するステップと、巻線コイルを準備するステップと、巻線コイル内に冷却スロットをパンチ加工するステップと、巻線コイル内に所望の数の冷却スロットが形成されるまで、パンチ加工するステップを繰り返すステップとを含む。

回転電気機械のロータの概略図。 ロータ巻線の断面図。 通気チムニの相対寸法を半径方向ダクトと比較した状態で示す、図２の切断線Ａ−Ａに沿った平面図。 整列配置及び千鳥配置の両方になったリブを有する半径方向ダクトを備えたロータ巻線の断面図。 半径方向ダクトの輪郭を示す、図４の切断線Ａ−Ａに沿った平面図。 本発明の態様によって具現化されたパンチ加工プロセスのフローチャート。 ２つの巻線コイル及びパンチ加工プロセスによって形成されたブレイクアウト部の部分斜視図。

図１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、通気又は放出チムニ１５０を備えたロータ１００の断面図を示している。複数の半径方向配向通気又は放出ダクト（図示せず）もまた、含むことができる。ロータ１００は一般的に、機械加工した高強度中実スチール鍛造品で製造される。ロータ本体１１０の外周部内には、軸方向に延びる半径方向スロットを特定の円周方向位置において機械加工して、ロータ巻線１３０を収容している。ロータ巻線１３０は一般的に、その各々が銅導電体の多くの界磁ターンを有する幾つかの完成コイルを含む。コイルは、例えば二極ロータにおける２つのそのような同心パターンを備えた同心パターンとして半径方向スロットに嵌装される。コイルは、各スロット内の機械加工したダブテール表面に対して保持されたウェッジによって遠心力に抗するようにロータ本体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、「端部巻線」と呼ばれ、高強度スチール保持リングによって遠心力に抗するように支持される。端部巻線セクションは、領域１７４で示している。ロータ端部巻線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言及及び説明を容易にするために、ロータ巻線は、複数の半径方向配向通気又は放出ダクトを含みかつロータ本体の半径方向スロット内に配置された中央領域又は本体冷却領域１７０を有するものとして特徴付けることができる。端部巻線領域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。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／又は端部巻線領域１７４を含むことができる。

図２は、回転電気機械のロータを冷却するための１つの公知のシステムを示している。端部ターン冷却グルーブ２１０は、右側から流入させかつチムニ１５０に排出させる。冷却ガスは、冷却グルーブ２１０内でほぼ水平方向又は軸方向（図２に矢印で示すように）に流れ、かつ通気チムニ１５０内でほぼ垂直方向又は半径方向に流れる。チムニ１５０を含む各ターン（又は導電体層）における孔は、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を含む。複数の半径方向ダクト２２０はまた、サブスロット１４０からガスを放出するように設置することもできる。半径方向ダクト２２０は、本体冷却領域１７０の全て又は一部分内に設けることができる。

図３は、図２の切断線Ａ−Ａに沿った平面図を示しており、この図３は、半径方向ダクト２２０と比較したチムニ１５０の相対寸法を半径方向ダクト２２０と比較した状態で示している。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。半径方向ダクト２２０は、コイルの長さに沿って設置しかつロータ１００の作動時にコイルを冷却するために使用することができる。半径方向ダクト２２０及びチムニ１５０の内部壁は滑らかであることが分かるであろう。

図４及び図５は、半径方向ダクト２２０の熱伝達性能を高める本発明の１つの実施形態を示している。半径方向ダクト２２０の内部壁は、該内部壁内に形成された複数の半径方向に延びるリブ５２５を有することができる。この実施形態では、壁は、冷却ガスの流れ内に突き出たほぼ三角形又はＶ字形突起部つまりリブ５２５を有することができる。リブは、ロータ１００に対して半径方向に延びるように配向することができる。リブ５２５は、半径方向ダクト２２０の表面積を増大させかつ銅巻線と冷却ガスとの間での熱伝達を向上させる。

本発明のさらの別の実施形態では、リブ５２５は、半径方向ダクトの個々の巻線の全て又は一部分上に配置することができる。１つの実施例として、リブは、半径方向に延びる全ての他の巻線層上に配置することができ、それにより、流れに乱流を与えるのを助けることができる。リブはまた、図４の右側ダクト２２０に示すような整列配置とは対照的に、各巻線層において千鳥配置（図５および、左側ダクト２２０において示すような）とすることもできる。幾つかの実施形態では、リブ５２５はまた、その断面をＶ字形、丸味付きコーナ部を備えたＶ字形、三角形、丸味付きコーナ部を備えた三角形、台形、丸味付きコーナ部を備えた台形、球形、四辺形、及び丸味付きコーナ部を備えた四辺形の１つ又はその組合せとすることもできる。リブはまた、隣接する半径方向積重ねターンが、オフセットしたリブを有するように配置することもできる。

１つの実施例として、ダクト２２０の長さ及び幅は、それぞれ約１インチ及び１／１０インチとすることができる。リブ５２５は、ダクト２２０の中心に向かって突き出た約０．０２インチ又はそれ以上の長さを有することができる。この実施形態では、ダクトの表面積が、リブがないダクトに比して約１１％ほど増大することになる。しかしながら、ダクト２２０内にはあらゆる好適な数のリブを配置することができ、またダクト２２０の対向する側面上のリブは、整列配置（図示せず）又は千鳥配置（図５に示すような）とすることができる。

突起部つまりリブ５２５を有する内部表面を備えたダクトを得るために、個々の銅巻線は、該ダクトの側面が所望の輪郭を有するようにフライス加工、コイニング加工又はパンチ加工することができる。パンチ加工作業には、ダイ上の「グルーブ」がリブ５２５の形状に対応するようになった溝付きダイを使用することができる。

図６は、リブ５２５を有する半径方向ダクト２２０を得るために使用することができるパンチ加工作業６００の１つの実施形態を示している。ステップ６１０において、溝付きのパンチ加工ダイが準備される。パンチ加工ダイにおける「グルーブ」は、リブ５２５の形状に対応している。ステップ６２０において、巻線コイルが準備される。ステップ６３０において、巻線コイル内に、半径方向ダクトスロット又は冷却スロットの１つがパンチ加工される。パンチ加工した後に、より多くの冷却スロットを所望する（ステップ６３５）場合には、ステップ６４０において巻線コイル又はパンチ加工ダイを再配置することができる。所望の数の冷却スロットが巻線コイル内にパンチ加工されるまで、ステップ６３０〜ステップ６４０が繰り返される。

ダクトをパンチ加工するプロセスでは、パンチによって押下げられる材料を支持するベースプレートを使用することができる。ベースプレートは、パンチ加工ダイのための間隙を形成するように僅かにオーバサイズとすることができる。パンチとベースプレートとの間の間隙により、パンチが貫通して移動する時に一部の巻線材料が支持されていない状態になる。一部の支持されていない材料は、パンチ先端の前方にブレイクアウト部を形成する傾向になる。このブレイクアウト部は、拡大した出口孔に類似している。形成された孔は、パンチが材料から出た場所で拡大している。パンチ加工プロセスにより生じたブレイクアウト部は、該ブレイクアウト部が１つの巻線相上のリブから次の相上のリブまでの間に電撃距離（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｓｔｒｉｋ ｄｉｓｔａｎｃｅ）を形成するので、リブを備えたダクト設計にとって利点がある。電撃距離により、隣接層上のリブ間における電気絶縁体の必要性が排除される。

図７は、２つの隣接する巻線７１０の部分斜視図を示している。両方の巻線７１０間には、絶縁体層７２０が配置される。パンチ加工作業によって生じたブレイクアウト部７３０は、テーパ表面を形成しかつ隣接する巻線間の電撃距離を増加させる。例えば、電撃距離７４０は、半径方向上向きに延びる底部巻線上のリブ５２５の頂部におけるポイントから上部巻線のリブ５２５の底部におけるポイントまでの間の距離であると言える。機械加工したダクトは、こうしたブレイクアウト領域を有しない、つまり本発明の態様によって得られる電撃距離の増大の利点を有しない。機械加工したダクトにおける電撃距離は、巻線間の介在絶縁体層の厚さである。さらに、機械加工したダクトにおける巻線間絶縁体は、ダクトの輪郭と緊密に整合して短絡問題を回避するようにしなければならず、それは、費用がかかりかつ達成するのが困難である可能性がある。

上記実施形態の全てが、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法で使用することができ、また様々な半径方向ダクト構成で使用することができる。幾らかの実施形態では、交互する寸法又は位置を使用することができる。本明細書で説明した方法及び装置は、空気、水素ガス又はあらゆるその他の好適な冷却媒体で冷却する回転電気機械において使用することができる。

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改良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。

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 通気又は放出チムニ
１７０ 本体冷却領域
１７２ スロット端部領域
１７４ 端部巻線領域
２１０ 端部ターン冷却グルーブ
２２０ ダクト
５２５ リブ
６００ 方法
６１０ 溝付きパンチ加工ダイを準備するステップ
６２０ 巻線コイルを準備するステップ
６３０ パンチ加工するステップ
６３５ より多くのスロットを設けるステップ
６４０ 再配置するステップ
７１０ 巻線コイル
７２０ 絶縁体
７３０ ブレイクアウト部
７４０ 電撃距離

Claims (10)

1. ロータ、前記ロータ内に設けられた複数の半径方向スロット及び前記複数の半径方向スロット内にそれぞれ嵌装された複数のコイルを有し、前記複数のコイルが複数の半径方向積重ねターンを含む回転電気機械における半径方向ダクト（２２０）であって、
   前記半径方向積重ね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に対してほぼ半径方向に延びる１つ又はそれ以上の冷却スロットを含み、
   前記１つ又はそれ以上の冷却スロットの内部表面の少なくとも一部分が、熱伝達を高めるようになった複数のリブ（５２５）を含み、
   前記複数のリブ（５２５）が、千鳥構成で配置され、半径方向に延び、前記半径方向ダクト（２２０）の表面積を増大させ、
   前記１つ又はそれ以上の冷却スロットが、隣接する巻線のリブ（５２５）間における電撃距離を増大させるブレイクアウト部を含む、
   半径方向ダクト。
2. 前記１つ又はそれ以上のリブが全体として、その断面がＶ字形、丸味付きコーナ部を備えたＶ字形、三角形、丸味付きコーナ部を備えた三角形、台形、丸味付きコーナ部を備えた台形、四辺形、及び丸味付きコーナ部を備えた四辺形の１つ又はその組合せである、請求項１に記載の半径方向ダクト。
3. 前記リブが、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または請求項２のいずれか１項記載の半径方向ダクト。
4. 隣接する半径方向積重ねターンが、オフセットしたリブを有する、請求項１から請求項３のいずれか１項記載の半径方向ダクト。
5. 回転電気機械であって、ロータと、前記ロータ内に設けられた複数の半径方向スロット及び前記複数の半径方向スロット内にそれぞれ嵌装された複数のコイルと、前記請求項１乃至４のいずれか１項に記載の半径方向ダクト（２２０）とを含み、
   前記複数のコイルが複数の半径方向積重ねターンを含み、前記冷却スロットが前記複数の半径方向積重ねターン内に形成され、前記半径方向ダクト（２２０）が前記冷却スロットのコラムから成る、
   ことを特徴とする回転電気機械。
6. 隣接する半径方向積重ねターンの間に配置された絶縁体層（７２０）を含む、
   請求項５項記載の回転電気機械。
7. 前記ロータが、ロータ本体（１１０）、ロータスピンドル（１２０）及び、前記複数のコイルと前記ロータスピンドル（１２０）との間に設けられたサブスロット（１４０）を含み、
   半径方向に延びる放出チムニ（１５０）が、前記ロータ本体（１１０）及び前記複数の半径方向積重ねターン内に形成され、
   前記放出チムニ（１５０）が、軸方向に流れる冷却ガスを、半径方向に排出する、
   請求項５又は６項記載の回転電気機械。
8. その熱伝達を高める複数のリブを有する、回転電気機械のロータにおける半径方向ダクトを形成する方法であって、
   前記複数のリブの形状に対応した複数のグルーブを有する溝付きパンチ加工ダイを準備するステップと、
   巻線コイルを準備するステップと、
   前記巻線コイルを支持するベースプレートを準備するステップであって、前記ベースプレートは、前記パンチ加工ダイよりも僅かにオーバサイズである、前記ステップと、
   前記ベースプレート上で、前記巻線コイル内に冷却スロットをパンチ加工するステップと、
   前記巻線コイル内に所望の数の冷却スロットが形成されるまで、前記パンチ加工するステップを繰り返すステップと、を含み、
   前記パンチ加工するステップが、隣接する半径方向積重ねターン間における電撃距離を増大させるブレイクアウト部を前記巻線コイル内に形成する、
   方法。
9. 請求項１から請求項４のいずれか１項記載の半径方向ダクトを形成する方法であって、
   前記複数のリブの形状に対応した複数のグルーブを有する溝付きパンチ加工ダイを準備するステップと、
   巻線コイルを準備するステップと、
   前記巻線コイルを支持するベースプレートを準備するステップであって、前記ベースプレートは、前記パンチ加工ダイよりも僅かにオーバサイズである、前記ステップと、
   前記ベースプレート上で、前記巻線コイル内に冷却スロットをパンチ加工するステップと、
   前記巻線コイル内に所望の数の冷却スロットが形成されるまで、前記パンチ加工するステップを繰り返すステップと、を含み、
   前記パンチ加工するステップが、隣接する半径方向積重ねターン間における電撃距離を増大させるブレイクアウト部を前記巻線コイル内に形成する、
   方法。
10. 請求項５から請求項７のいずれか１項記載の回転電気機械を形成する方法であって、
    前記複数のリブの形状に対応した複数のグルーブを有する溝付きパンチ加工ダイを準備するステップと、
    巻線コイルを準備するステップと、
    前記巻線コイルを支持するベースプレートを準備するステップであって、前記ベースプレートは、前記パンチ加工ダイよりも所定の大きさだけオーバサイズである、前記ステップと、
    前記ベースプレート上で、前記巻線コイル内に冷却スロットをパンチ加工するステップと、
    前記巻線コイル内に所望の数の冷却スロットが形成されるまで、前記パンチ加工するステップを繰り返すステップと、を含み、
    前記パンチ加工するステップが、隣接する半径方向積重ねターン間における電撃距離を増大させるブレイクアウト部を前記巻線コイル内に形成する、
    方法。