特許 7082957 回転子冷却構造およびタービン発電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-01

(45)【発行日】2022-06-09

(54)【発明の名称】回転子冷却構造およびタービン発電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 9/06 20060101AFI20220602BHJP

   H02K 19/26 20060101ALI20220602BHJP

【ＦＩ】

H02K9/06 B

H02K19/26 A

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019105395

(22)【出願日】2019-06-05

(65)【公開番号】P2020198761

(43)【公開日】2020-12-10

【審査請求日】2021-06-23

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】特許業務法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩永 康太

【審査官】宮崎 賢司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１０－１０４２０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０２１４８１６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１４２０９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５２２２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平３－２４５７５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１７５７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開昭５７－０６５５６８（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ９／０６

Ｈ０２Ｋ １９／２６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心の径方向外側部分を貫通し前記回転子鉄心の軸方向の両外側に突出し前記ロータシャフトの外側表面との間に環状空間を形成する回転子巻線端部構造を含む回転子巻線とを有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に空隙を介して前記回転子鉄心を囲むように配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
前記ロータシャフトの軸方向の両側を回転可能に支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
冷却用気体を冷却する冷却管と前記冷却管を収納する冷却器カバーとを有する冷却器と、
励磁機、回転整流器、および、前記励磁機および前記回転整流器を収納して前記冷却器カバーおよび前記フレームと相まって閉空間を形成する励磁装置カバーとを有し、中心孔導体構造を介して前記回転子巻線に直流電力を供給する励磁装置と、
前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、
を備えるタービン発電機の前記回転子を冷却する回転子冷却構造であって、
前記回転子冷却構造は、
前記ロータシャフトの反結合側のシャフト端部から回転軸に沿って形成され、前記中心孔導体構造を収納する中心孔と、
前記ロータシャフトの前記中心孔導体構造の側部に形成されて、前記中心孔導体構造により分割された前記中心孔内の軸方向外側空間と軸方向内側空間とを互いに連通させる複数の導体側部流路と、
前記軸方向内側空間と前記環状空間とを連通する複数の巻線端部側流路と、
を有することを特徴とする回転子冷却構造。

【請求項2】

前記複数の導体側部流路は、互いに回転軸に関して対称に形成され、
前記複数の巻線端部側流路は、互いに回転軸に関して対称に形成されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子冷却構造。

【請求項3】

前記複数の導体側部流路は、それぞれ、前記中心孔導体構造の側部から前記ロータシャフトの前記シャフト端部まで延びるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転子冷却構造。

【請求項4】

前記シャフト端部における前記中心孔の入口には、前記回転子巻線への異物侵入防止用の入口メッシュが設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回転子冷却構造。

【請求項5】

軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心の径方向外側部分を貫通し前記回転子鉄心の軸方向の両外側に突出し前記ロータシャフの外側表面との間に環状空間を形成する回転子巻線端部構造を含む回転子巻線とを有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に空隙を介して前記回転子鉄心を囲むように配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
前記ロータシャフトの軸方向の両側を回転可能に支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
冷却用気体を冷却する冷却管と前記冷却管を収納する冷却器カバーとを有する冷却器と、
励磁機、回転整流器、および、前記励磁機および前記回転整流器を収納して前記冷却器カバーおよび前記フレームと相まって閉空間を形成する励磁装置カバーとを有し、中心孔導体構造を介して前記回転子巻線に直流電力を供給する励磁装置と、
前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、
前記回転子を冷却する回転子冷却構造と、
を備えるタービン発電機であって、
前記回転子冷却構造は、
前記ロータシャフトの反結合側のシャフト端部から回転軸に沿って形成され、前記中心孔導体構造を収納する中心孔と、
前記ロータシャフトの前記中心孔導体構造の側部に形成されて、前記中心孔導体構造により分割された前記中心孔内の軸方向外側空間と軸方向内側空間とを互いに連通させる複数の導体側部流路と、
前記軸方向内側空間と前記環状空間とを連通する複数の巻線端部側流路と、
を有することを特徴とするタービン発電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転子冷却構造およびそれを有するタービン発電機に関する。

【背景技術】

【0002】

タービン発電機においては、回転子に界磁形成用の回転子巻線を設け、界磁を形成する直流の励磁電流を調整することにより力率を調整する場合が多い。また、回転子巻線に直流電力を供給する上で、ブラシを介して回転子の外部から供給する方式と、回転子の端部付近に整流器を含む励磁装置を設けて供給する方式があり、後者のブラシレス方式も多く採用されている。

【0003】

励磁用の直流電力は、たとえば、ロータシャフト内部にある中心孔導体を介して回転子巻線に供給される（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開昭６２－１１８７３９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

回転子巻線に電流が流れることによって、抵抗損による熱、すなわちジュール熱が発生する。この発熱が主な原因で、たとえば、温度上昇により回転子のバランスが変化してサーマル振動を生ずる、あるいは、発電効率の低下をもたらす、などの問題が生ずる場合がある。また、ロータシャフト内部にある中心孔導体の発熱が大きい場合には回転するロータシャフトのバランスへの影響も出てくることになる。

【0006】

そこで、本発明は、回転子の温度上昇を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述の目的を達成するため、本発明に係る回転子冷却構造は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心の径方向外側部分を貫通し前記回転子鉄心の軸方向の両外側に突出し前記ロータシャフトの外側表面との間に環状空間を形成する回転子巻線端部構造を含む回転子巻線とを有する回転子と、前記ロータシャフトの軸方向の両側を回転可能に支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記回転子鉄心の径方向外側に空隙を介して前記回転子鉄心を囲むように配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、冷却用気体を冷却する冷却管と前記冷却管を収納する冷却器カバーとを有する冷却器と、励磁機、回転整流器、および、前記励磁機および前記回転整流器を収納して前記冷却器カバーおよび前記フレームと相まって閉空間を形成する励磁装置カバーとを有し、中心孔導体構造を介して前記回転子巻線に直流電力を供給する励磁装置と、前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、を備えるタービン発電機の前記回転子を冷却する回転子冷却構造であって、前記ロータシャフトは、反結合側のシャフト端部から回転軸に沿って形成され、前記中心孔導体構造を収納する中心孔を有し、前記回転子冷却構造は、前記ロータシャフトの前記中心孔導体構造の側部に形成されて、前記中心孔導体構造により分割された前記中心孔内の軸方向外側空間と軸方向内側空間とを互いに連通させる複数の導体側部流路と、前記軸方向内側空間と前記環状空間とを連通する複数の巻線端部側流路と、を有することを特徴とする。

【0008】

また、本発明に係るタービン発電機は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心の径方向外側部分を貫通し前記回転子鉄心の軸方向の両外側に突出し前記ロータシャフの外側表面との間に環状空間を形成する回転子巻線端部構造を含む回転子巻線とを有する回転子と、前記ロータシャフトの軸方向の両側を回転可能に支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記回転子鉄心の径方向外側に空隙を介して前記回転子鉄心を囲むように配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、冷却用気体を冷却する冷却管と前記冷却管を収納する冷却器カバーとを有する冷却器と、励磁機、回転整流器、および、前記励磁機および前記回転整流器を収納して前記冷却器カバーおよび前記フレームと相まって閉空間を形成する励磁装置カバーとを有し、中心孔導体構造を介して前記回転子巻線に直流電力を供給する励磁装置と、前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、前記回転子を冷却する回転子冷却構造と、を備えるタービン発電機であって、前記回転子冷却構造は、前記ロータシャフトの反結合側のシャフト端部から回転軸に沿って形成され、前記中心孔導体構造を収納する中心孔と、前記ロータシャフトの前記中心孔導体構造の側部に形成されて、前記中心孔導体構造により分割された前記中心孔内の軸方向外側空間と軸方向内側空間とを互いに連通させる複数の導体側部流路と、前記軸方向内側空間と前記環状空間とを連通する複数の巻線端部側流路と、を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、回転子の温度上昇を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１の実施形態に係るタービン発電機の構成を示す縦断面図である。

【図2】第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の構成を示す上半部分の縦断面図である。

【図3】第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置および回転子冷却構造の構成を示す上半部分の縦断面図である。

【図4】第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示し、Ａ部は図５のＩＶａ－ＩＶａ線矢視縦断面図、Ｂ部は図６のＩＶｂ－ＩＶｂ線矢視縦断面図である。

【図5】第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示す図４のＶ－Ｖ線矢視横断面図である。

【図6】第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示す図４のＶＩ－ＶＩ線矢視横断面図である。

【図7】第２の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示す縦断面図である。

【図8】第２の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示す図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線矢視横断面図である。

【図9】第２の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示す図７のＩＸ－ＩＸ線矢視横断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転子冷却構造およびタービン発電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0012】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るタービン発電機の構成を示す縦断面図である。

【0013】

タービン発電機１００は、回転子１０、固定子２０、フレーム３０、結合側軸受３１、反結合側軸受３２、結合側軸受ブラケット３５、反結合側軸受ブラケット３６、冷却器４０、励磁装置５０、および回転子冷却構造６０（図３）を有する。

【0014】

回転子１０は、回転軸方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２を貫通する回転子巻線１３を有する。ここで、回転子鉄心１２は、たとえば積層された電磁鋼板（図示せず）がロータシャフト１１に取り付けられていることでもよい。あるいは、回転子鉄心１２は、たとえば円柱状の素材からの削り出しにより、ロータシャフト１１と一体で製作されることでもよい。この場合は、ロータシャフト１１の軸方向の中央付近で、径が大きくなっている部分が積層された電磁鋼板に対応する部分であり、回転子鉄心１２は、このような場合も含むものとする。

【0015】

回転子鉄心１２の径方向の表面近傍の部分には、周方向に互いに間隔をおいて軸方向に貫通する複数のスロット（図示せず）が形成されている。回転子巻線１３の回転子巻線導体１３ａ（図３）は、これら複数のスロット内に収納され、さらに、回転子鉄心１２の軸方向の両側に突出し、互いに接続され、あるいは励磁装置５０側と接続している。回転子巻線１３の突出部分は互いに並列に整線されて、回転子巻線端部構造１３ｂ（図３）を形成する。

【0016】

ロータシャフト１１の一方の端部には、蒸気タービンやガスタービンなどの原動機との結合のためのカップリング部１１ａが設けられている。以下、タービン発電機１００において、カップリング部１１ａに向かう方向を結合側、その反対側に向かう方向を反結合側と呼ぶものとする。

【0017】

ロータシャフト１１には、後述するように、中心孔６１（図３）が形成されている。ロータシャフト１１は、結合側軸受３１および反結合側軸受３２により回転可能に支持されている。ロータシャフト１１の、結合側軸受３１と回転子鉄心１２との間の部分、および反結合側軸受３２と回転子鉄心１２との間の部分には、それぞれロータシャフト１１の回転とともに回転する内扇１５ａ、１５ｂが取り付けられている。内扇１５ａ、１５ｂのそれぞれの径方向の外側には、これとギャップを空けて、径方向外側に向かってフレーム３０の内面にまで拡がった内扇ガイド１５ｃ、１５ｄが設けられている。内扇ガイド１５ｃ、１５ｄはそれぞれ、内扇１５ａ、１５ｂへの冷却用気体の吸込み側の空間と内扇１５ａ、１５ｂからの吐出側の空間とを区画している。

【0018】

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に空隙１８を介して回転子鉄心１２を囲むように配された円筒形状の固定子鉄心２１と、複数の固定子巻線２２とを有する。

【0019】

固定子鉄心２１の径方向内側部分には、周方向に互いに間隔をおいて軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）が形成されている。複数の固定子巻線２２は、この複数のスロット内に布設されている。複数の固定子巻線２２は、固定子鉄心２１の軸方向の両側に突出し、互いに接続されあるいは外部ケーブルと接続されることにより、固定子鉄心２１に巻回される。

【0020】

固定子鉄心２１は、複数の電磁鋼板が軸方向の両側に配されて軸方向の両側から複数の電磁鋼板を締め付けるクランパ２３を有する。クランパ２３は、それぞれ径方向に拡がる環状の区画板２４を介してフレーム３０により支持されている。区画板２４は、固定子２０から流出する冷却用気体が冷却器４０に流入する流路を形成する。

【0021】

フレーム３０は、固定子２０の径方向外側を囲むように配され、固定子２０および回転子鉄心１２を収納する。フレーム３０の軸方向の両側の端部には、それぞれ、結合側軸受ブラケット３５および反結合側軸受ブラケット３６が取り付けられている。結合側軸受ブラケット３５および反結合側軸受ブラケット３６はそれぞれ、結合側軸受３１および反結合側軸受３２を静止支持している。

【0022】

冷却器４０は、冷却管４１および冷却器カバー４２を有する。冷却管４１の内側を、たとえば冷却水あるいは外気などの冷却媒体が流れ、冷却管４１の外側を、機内の冷却用の冷却用気体が流れる。冷却器カバー４２は、冷却管４１を収納する。

【0023】

冷却器カバー４２内の空間と、フレーム３０内の空間は、冷却器入口開口４３および２つの冷却器出口開口４４を介して連通している。冷却器入口開口４３は、固定子２０の上方に形成されている。２つの冷却器出口開口４４は、冷却器入口開口４３の軸方向の両側に配されており、それぞれの内扇１５ａ、１５ｂの吸込み側に通じている。

【0024】

励磁装置５０は、回転子巻線１３に直流電力を供給する。励磁装置５０は、反結合側軸受３２より軸方向の外側に設けられている。後述するように、励磁装置５０は、ロータシャフト１１に取り付けられた部分と、静止支持された部分からなる。励磁装置５０は、励磁装置カバー５８内に収納されている。励磁装置カバー５８内の空間は、励磁装置入口ダクト５９ａを介して冷却器カバー４２内の空間と連通している。また、励磁装置カバー５８内の空間は、励磁装置出口ダクト５９ｂを介してフレーム３０内の空間と連通している。

【0025】

このように、フレーム３０内の空間、冷却器カバー４２内の空間、および励磁装置カバー５８内の空間は全体として、冷却用気体を収納し冷却用気体が循環する閉空間１００ａを構成する。図１において、白抜き矢印Ｃは、冷却用気体の流れの方向を概念的に示している。

【0026】

それぞれの内扇１５ａ、１５ｂにより駆動された冷却用気体は、回転子鉄心１２、回転子巻線１３および固定子２０を冷却した後に、冷却器入口開口４３から冷却器４０に流入する。冷却器４０に流入した冷却用気体は、冷却管４１の外側を流れながら、冷却管４１の内部を流れる冷却媒体によって冷却される。冷却された冷却用気体は、軸方向の両側に分かれ、それぞれの冷却器出口開口４４からフレーム３０内の内扇１５ａ、１５ｂの吸い込み側に流入し、再び、内扇１５により駆動される。

【0027】

ここで、反結合側の流れについては、冷却器４０から流出する冷却用気体の一部は、励磁装置入口ダクト５９ａを経由して、励磁装置カバー５８内に流入し、励磁装置５０を冷却した後に、励磁装置出口ダクト５９ｂを介して、フレーム３０内の内扇１５ｂの吸い込み側に流入し、冷却器４０から直接流入する冷却用気体と合流する。

【0028】

図２は、第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の構成を示す上半部分の縦断面図である。

【0029】

励磁装置５０は、励磁機５１および回転整流器５２を有する。励磁機５１は、励磁機回転子５１ａおよび励磁機固定子５１ｂを有する。

【0030】

励磁機回転子５１ａおよび回転整流器５２は、ロータシャフト１１に取り付けられ、ロータシャフト１１とともに回転する。励磁機固定子５１ｂは、励磁機回転子５１ａの径方向の外側に、空隙をあけて、励磁機回転子５１ａを囲むように配されている。

【0031】

回転整流器５２は、軸方向に、反結合側軸受ブラケット３６に支持された反結合側軸受３２と励磁機５１との間に配されている。

【0032】

図３は、第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置および回転子冷却構造の構成を示す上半部分の縦断面図である。

【0033】

回転子冷却構造６０は、中心孔６１、導体側部流路６２、巻線端部側流路６３、および環状空間６５を有する。

【0034】

中心孔６１は、断面が円形で、ロータシャフト１１に、その回転軸と同軸に形成された空洞である。中心孔６１は、ロータシャフト１１の反結合側の端部であるシャフト端部１１ｆから、軸芯に沿って、回転子巻線端部構造１３ｂの近傍の軸方向位置まで形成されている。したがって、中心孔６１は、シャフト端部１１ｆから、反結合側軸受３２および内扇１５ｂの軸方向位置を超えてさらに軸方向の内側まで延びている。この中心孔６１は、回転子冷却構造６０の構成要素となっている。

【0035】

中心孔６１の内部には、励磁装置５０の一部を構成する円柱形状の中心孔導体構造５５が収納されている。中心孔導体構造５５は、後に、図４を引用しながら説明するが、円柱状または中空円柱状の中心孔導体５５ａ（図４）と、その周囲を囲む絶縁体を有する。中心孔導体５５ａは、例えば銅、アルミニウムあるいはこれらを主体とする合金などの電気的な良導体を用いる。

【0036】

中心孔導体構造５５の外径は、中心孔６１の内径に対応し、微小な間隙をもって中心孔６１に納められている。中心孔導体構造５５の軸方向外側部分の端部近傍は、整流器側ボルト５４に電気的に接続されており、整流器側ボルト５４は、回転整流器５２と整流器側接続導体５３によって電気的に接続されている。

【0037】

また、中心孔導体構造５５の軸方向内側部分の端部近傍は、回転子巻線側ボルト５６に電気的に接続されており、回転子巻線側ボルト５６は、回転子巻線側接続導体５７を介して、回転子巻線１３と電気的に接続されている。

【0038】

上述の構造により、回転整流器５２で生成された直流電力が、整流器側接続導体５３、整流器側ボルト５４、中心孔導体５５ａ、回転子巻線側ボルト５６および回転子巻線側接続導体５７を介して、回転子巻線１３に供給される経路が確保される。

【0039】

中心孔６１には、上述のように中心孔導体構造５５が収納されているため、中心孔６１内の空間は、中心孔導体構造５５からみて、回転子巻線１３から遠い軸方向外側空間６１ａと、回転子巻線１３に近い軸方向内側空間６１ｂとに分割される。

【0040】

回転子冷却構造６０の導体側部流路６２については、図４ないし図６を参照しながら詳細を説明するが、中心孔導体構造５５が設けられている軸方向領域とその両側において、ロータシャフト１１の中心孔６１が、周方向の一部の領域で径方向外側に拡がるようにして形成されている。この結果、軸方向外側空間６１ａと軸方向内側空間６１ｂは、導体側部流路６２によって互いに連通している。

【0041】

回転子冷却構造６０の巻線端部側流路６３は、軸方向内側空間６１ｂと、環状空間６５とを連通するように、軸方向内側空間６１ｂから、ロータシャフト１１の径方向外側表面にまで延びている。なお、巻線端部側流路６３は、周方向の２か所に形成されており、ロータシャフト１１の回転軸に対して互いに対称に形成されている。

【0042】

回転子冷却構造６０の環状空間６５は、ロータシャフト１１の径方向外側表面と回転子巻線端部構造１３ｂの径方向内側との間の空間である。環状空間６５は、内扇１５ｂの吐出側の下流側である。また、環状空間６５は、回転子鉄心１２において、回転子巻線導体１３ａが収納されている回転子スロットの径方向の内側に冷却用気体の流路として形成された回転子鉄心内流路１３ｃに連通している。

【0043】

ロータシャフト１１のシャフト端部１１ｆの中心孔６１の入口には、中心孔導体構造５５および回転子巻線１３への異物の侵入を防止するために、入口メッシュ６４が取り付けられている。

【0044】

図４は、第１の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示し、Ａ部は図５のＩＶａ－ＩＶａ線矢視縦断面図、Ｂ部は図６のＩＶｂ－ＩＶｂ線矢視縦断面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線矢視横断面図、図６は、図４のＶI－ＶI線矢視横断面図である。なお、図４では、中心孔導体構造５５の長手方向の中央部分の図示を省略している。ここで、Ａ部は、中心孔導体構造５５が回転子冷却構造６０の軸方向外側空間６１ａに面している側の部分を、また、Ｂ部は、中心孔導体構造５５が回転子冷却構造６０の軸方向内側空間６１ｂに面している側の部分を示す。

【0045】

中心孔導体構造５５は、前述のように中心孔６１内に収納されており、円筒状の絶縁円筒５５ｂと、その両側に取り付けられた絶縁端板５５ｃ、５５ｄと、その内部に収納された中心孔導体５５ａを有する。中心孔導体５５ａは、中心線を含む平面に沿った絶縁区画板５５ｍにより２つの周方向領域に二分割されている。

【0046】

Ａ部については、それぞれの周方向領域において、中心孔導体構造５５には、整流器側ボルト５４（図３）の軸方向および周方向位置に対応する位置に、軸芯に向かって貫通孔５５ｇが形成されている。それぞれの周方向領域における貫通孔５５ｇは、互いにロータシャフト１１の回転軸について互いに対称となるように形成されている。また、ロータシャフト１１にも、中心孔導体構造５５のそれぞれの貫通孔５５ｇと中心軸を同一にして貫通孔１１ｇが形成されている。

【0047】

Ｂ部については、それぞれの周方向領域において、中心孔導体構造５５には、回転子巻線側ボルト５６（図３）の軸方向および周方向位置に対応する位置に、軸芯に向かって貫通孔５５ｈが形成されている。それぞれの周方向領域における貫通孔５５ｈは、互いにロータシャフト１１の回転軸について互いに対称となるように形成されている。また、ロータシャフト１１にも、中心孔導体構造５５のそれぞれの貫通孔５５ｈと中心軸を同一にして貫通孔１１ｈが形成されている。

【0048】

ロータシャフト１１の絶縁円筒５５ｂの径方向外側には、互いに周方向に反対側に配され、それぞれ周方向に拡がり、かつ、軸方向に絶縁円筒５５ｂの軸方向の位置の両端より広い領域に延びた２つの導体側部流路６２が形成されている。言い換えれば、中心孔６１が、この部分は径方向外側に拡がっている。２つの導体側部流路６２は、ロータシャフト１１の回転軸に関して互いに対称の位置に形成されている。ここで、図４では、窪み状に形成されている流体側部流路６２を、横方向のハッチングにより示している。

【0049】

なお、図４においては、Ａ部について示された導体側部流路６２とＢ部について示された導体側部流路６２は、それぞれ図５および図６で設定された矢視方向の断面図であるので、ぞれぞれの周方向位置（図４では上下方向位置）が互いにずれているように示されているが、図５および図６に示されるように、互いに同一の周方向位置で軸方向に沿って直線的に形成されている。

【0050】

以上のように形成された本実施形態におけるタービン発電機１００の作用を以下に説明する。

【0051】

まず、図２および図３を用いて、励磁電流の供給について説明する。

【0052】

励磁機固定子５１ｂに直流電流が供給されると、それにより形成される磁場内を回転する励磁機回転子５１ａの巻線に交流電流が流れる。この交流電流は、回転整流器５２によって整流されて直流電流となる。この直流電流による直流電力は、図３に示すように整流器側接続導体５３および整流器側ボルト５４を介して、中心孔導体５５ａに流れる。中心孔導体５５ａから回転子巻線側ボルト５６および回転子巻線側接続導体５７を介して、回転子巻線１３に供給される。

【0053】

この結果、中心孔導体構造５５の中心孔導体５５ａおよび回転子巻線１３には、抵抗損であるジュール熱が発生する。

【0054】

次に、回転子冷却構造６０の作用について説明する。

【0055】

図１を引用しながら説明したように、冷却器４０から流出する冷却用気体の一部が、励磁装置入口ダクト５９ａを介して励磁装置カバー５８内に流入し、励磁装置５０を冷却した後に励磁装置出口ダクト５９ｂを介してフレーム３０内に還流する。励磁装置カバー５８内に流入した冷却用気体の一部は、図３に示す構成により、ロータシャフト１１のシャフト端部１１ｆに設けられた入口メッシュ６４を通過して、ロータシャフト１１に形成された中心孔６１内に流入する。

【0056】

中心孔６１内に流入した冷却用気体は、中心孔６１内の軸方向外側空間６１ａから、中心孔導体構造５５の径方向外側のロータシャフト１１に形成された導体側部流路６２に入り、さらに、中心孔６１内の軸方向内側空間６１ｂに流出する。その後、軸方向内側空間６１ｂから巻線端部側流路６３を経由して、環状空間６５に流出する。

【0057】

この環状空間６５に流出した冷却用気体は、内扇１５ｂにより駆動されて環状空間６５に流入する冷却用気体と合流し、回転子鉄心１２に形成された冷却用の流路に流入する。

【0058】

以上のように、本実施形態による回転子冷却構造６０により、中心孔導体５５ａの冷却が確実になされる。また、励磁装置カバー５８に流入する冷却用の気体について、励磁機５１および回転整流器５２の冷却に用いられる流れとは別に、ロータシャフト１１に形成された中心孔６１等を介して直接に回転子巻線１３を冷却する冷却用気体の経路が確保され、回転子巻線１３の冷却が確実になされる。この結果、回転子１０の温度上昇の低減を図ることができる。

【0059】

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係るタービン発電機の励磁装置の中心孔導体構造および回転子冷却構造の構成を示す縦断面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線矢視横断面図、図９は、図７のＩＸ－ＩＸ線矢視横断面図である。

【0060】

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、回転子冷却構造６０の導体側部流路６２ａは、互いに周方向に等しい間隔をあけて形成された８つの流路を有する。また、本実施形態においては、導体側部流路６２ａは、中心孔導体構造５５の側部からロータシャフト１１のシャフト端部１１ｆまで延びるように形成されている。すなわち、シャフト端部１１ｆまで、同一断面形状で連続して形成されている。この点以外は、第１の実施形態と同様である。なお、図７で、窪み状に形成されている流体側部流路６２ａを、横方向のハッチングにより示している。

【0061】

それぞれの流路の断面形状は、周方向に拡がり、角部が丸くなっている。なお、それぞれの流路が、中心軸に対して対称の対からなるように構成されていれば、８つに限定する必要は無く、８つ未満でもよいし、９つ以上でもよい。また、形状も、たとえば、三角形やその他の多角形であってもよい。

【0062】

以上のように形成された本第２の実施形態による回転子冷却構造６０においては、ロータシャフト１１の端部から導体側部流路６２ａを形成するため、第１の実施形態と同様の効果を有する。また、シャフト端部１１ｆから連続して加工することから、製作手順が単純化される。また、導体側部流路６２ａのそれぞれの断面の大きさが小さいことから、偏芯を生ずる可能性が低くなり、かつ、偏芯を生じた場合の調整もしやすくなる。

【0063】

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。

【0064】

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第１の実施形態における導体側部流路６２を、第２の実施形態と同様に、シャフト端部１１ｆまで延びるように形成しても良い。

【0065】

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

【符号の説明】

【0066】

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…カップリング部、１１ｆ…シャフト端部、１１ｇ、１１ｈ…貫通孔、１２…回転子鉄心、１３…回転子巻線、１３ａ…回転子巻線導体、１３ｂ…回転子巻線端部構造、１３ｃ…回転子鉄心内流路、１５ａ、１５ｂ…内扇、１５ｃ、１５ｄ…内扇ガイド、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、２３…クランパ、２４…区画板、３０…フレーム、３１…結合側軸受、３２…反結合側軸受、３５…結合側軸受ブラケット、３６…反結合側軸受ブラケット、４０…冷却器、４１…冷却管、４２…冷却器カバー、４３…冷却器入口開口、４４…冷却器出口開口、５０…励磁装置、５１…励磁機、５１ａ…励磁機回転子、５１ｂ…励磁機固定子、５２…回転整流器、５３…整流器側接続導体、５４…整流器側ボルト、５５…中心孔導体構造、５５ａ…中心孔導体、５５ｂ…絶縁円筒、５５ｃ、５５ｄ…絶縁端板、５５ｇ、５５ｈ…貫通孔、５５ｍ…絶縁区画板、５６…回転子巻線側ボルト、５７…回転子巻線側接続導体、５８…励磁装置カバー、５９ａ…励磁装置入口ダクト、５９ｂ…励磁装置出口ダクト、６０…回転子冷却構造、６１…中心孔、６１ａ…軸方向外側空間、６１ｂ…軸方向内側空間、６２、６２ａ…導体側部流路、６３…巻線端部側流路、６４…入口メッシュ、６５…環状空間、１００…タービン発電機、１００ａ…閉空間

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】