JP2019054650A - 全閉外扇形回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保する。【解決手段】全閉外扇形回転電機１００は、ロータシャフト１１と回転子鉄心１２とを有する回転子１０と、固定子鉄心２１と固定子巻線２２とを有する固定子２０と、回転子鉄心１２と固定子２０を収納するフレーム４０と、結合側軸受３２および反結合側軸受３１と、結合側軸受ブラケット５２および反結合側軸受ブラケット５１と、ロータシャフト１１の反結合側軸受３１の軸方向の外側に取り付けられて反結合側軸受ブラケット５１およびフレーム４０の外表面に外気を供給する外扇５６とを備える。外扇５６からの外気の流出方向は、径方向外側でかつ反結合側軸受ブラケット５１の外面側に傾いている。【選択図】図１

Description

本発明は、全閉外扇形回転電機に関する。

全閉外扇形回転電機は、ロータシャフトおよび回転子鉄心を有する回転子と、固定子を備えており、回転子鉄心および固定子はフレーム等が形成する閉空間内に収納されている。

固定子および回転子鉄心で発生する熱を除去するための冷却は、通常、閉空間内の空気等の冷却気体の循環と、閉空間外の外気の強制送風により行っている。

具体的には、閉空間内の冷却気体の循環のためには、ロータシャフトに取り付けられた内扇が設けられている。また、外気の強制送風のためには、回転子のロータシャフトの一端（反結合側）に、外扇が設けられ、外気を強制的に送風している例が多くある（特許文献１参照）。

特開２０１５−９５９３２号公報

冷却管を有する冷却器が備えられている場合は、閉空間の内側から外側への熱移動は、冷却管の外面から内面への熱移動、すなわち冷却管での伝熱により行われる。

一方、冷却管を有さないフィンフレーム方式の場合には、たとえば、フレームに内部の冷却気体の通路が軸方向に延びており、周方向に間隔をあけて設けられている。また、周方向に通路が形成されていない領域には、外表面にフィンが設けられている。このように、閉空間の内部と外部との熱移動の境界の面積、すなわち、伝熱面積の確保を図っている。

フィンフレーム方式において、冷却能力をさらに向上させるためには、たとえば、伝熱面における内側および外側の流速を上げて、熱伝達率を向上させる方法がある。このためには、外扇および内扇の能力を上げる必要がある。外扇および内扇は、ロータシャフトに取り付けられているため、回転数を上げることはできない。したがって、外扇および内扇の径を増加させる必要がある。

固定子巻線は、極数が減るにつれて、内周側の導体と外周側の導体との間の間隔が大きくなり、その端部の接続、すなわち固定子鉄心の軸方向外側部分の接続のためのスペースが広がるため、端部が軸方向外側に張り出す長さが大きくなる。このため、内扇の径方向外側に固定子巻線の端部が配されることになる。

このような状態で、内扇の径を大きくするために内扇のロータシャフトへの取り付け位置を固定子巻線の端部より外側にすると、回転電機本体の軸方向の長さを長くする必要があり、好ましくない。

そこで、本発明は、簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る全閉外扇形回転電機は、軸方向に延びて回転可能に支持され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円筒状の回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に設けられた固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内側部分を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記結合側軸受および反結合側軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの軸方向の端部に取り付けられた結合側軸受ブラケットおよび反結合側軸受ブラケットと、前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側に取り付けられて前記反結合側軸受ブラケットおよび前記フレームの外表面に外気を供給する外扇と、を備え、前記外扇からの前記外気の流出方向は、径方向外側でかつ前記反結合側軸受ブラケットの外面側に傾いていることを特徴とする。

本発明によれば、簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することができる。

第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。 第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の内扇の構成を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外扇の構成を示す縦断面図である。 第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る全閉外扇形回転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。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す縦断面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。

全閉外扇形回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、反結合側軸受３１、結合側軸受３２、およびフレーム４０を有する。

回転子１０は、軸方向に延びるロータシャフト１１およびロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、軸方向の一方の端部に結合部１１ａを有する。

結合部１１ａは、全閉外扇形回転電機１００が電動機の場合は被駆動対象、全閉外扇形回転電機１００が発電機の場合は原動機との結合部である。以下、ロータシャフト１１の回転軸の方向（軸方向）が結合部１１ａの方向に向かう方向を結合側と呼び、これと反対方向を反結合側と呼ぶものとする。

ロータシャフト１１は、回転子鉄心１２を挟んだ軸方向の両側で、結合側は結合側軸受３２、反結合側は反結合側軸受３１によりそれぞれ回転可能に支持されている。回転子鉄心１２と反結合側軸受３１との間の位置において、内扇５５がロータシャフト１１に設けられている。

固定子２０は、固定子鉄心２１と複数の固定子巻線２２とを有する。固定子鉄心２１は、円筒状であり、回転子鉄心１２の径方向外側に空隙１８をあけて設けられている。固定子巻線２２は、固定子鉄心２１の内側部分内を貫通する。すなわち固定子鉄心２１の周方向内側に形成され、周方向に互いに間隔をあけて配され、軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）内を貫通する。

フレーム４０は、円筒状であって、固定子鉄心２１の径方向外側に配され、回転子鉄心１２および固定子２０を収納する。フレーム４０には、周方向に互いに間隔をあけて軸方向に延びた４つの流通孔４１が形成されている。

それぞれの流通孔４１の内部の流通路４１ａと、フレーム４０の内側の閉空間４０ａのうち固定子鉄心２１の軸方向外側の反結合側の空間４０ｂとを連通するように入口開口４１ｂが形成されている。また、それぞれの流通孔４１の内部の流通路４１ａと、フレーム４０の内側の閉空間４０ａのうちの固定子鉄心２１の軸方向外側の結合側の空間４０ｃとを連通するように出口開口４１ｃが形成されている。

フレーム４０の外表面のうち、流通孔４１が形成されていない周方向の領域には、複数のフレーム外側フィン４３が設けられている。フレーム外側フィン４３は、複数の互いに並列に配された板状で、それぞれ、軸方向に延びて径方向に拡がっている。

円筒状のフレーム４０の軸方向の両端は開放されており、結合側の端部には結合側軸受３２を静止支持する結合側軸受ブラケット５２が取り付けられ、反結合側の端部には反結合側軸受３１を静止支持する反結合側軸受ブラケット５１が取り付けられている。

結合側軸受ブラケット５２および反結合側軸受ブラケット５１は、フレーム４０と相まって閉空間４０ａを形成する。ロータシャフト１１の回転子鉄心１２と反結合側軸受３１の間の位置の空間４０ｂ内に、内扇５５が設けられている。閉空間４０ａ内では、たとえば空気などの冷却用気体が、内扇５５に駆動されて循環する。以上のように、流通路４１ａ、空間４０ｂおよび空間４０ｃは閉空間４０ａを構成する。

結合側軸受ブラケット５２および反結合側軸受ブラケット５１の内面には、冷却用気体の流れがスムーズになるようにガイドする、すなわち冷却用気体の循環による圧力損失を抑えるように、流れに沿った滑らかな形状の曲面が形成されている。

内扇５５は、回転子鉄心１２および固定子２０側から冷却用気体を吸い込み、冷却用気体を径方向に圧送し、フレーム４０に形成された流通路４１ａの入口開口４１ｂに流入させる。

図３は、本実施形態における内扇の構成を示す縦断面図である。内扇５５は、内扇外側回転ガイド５５ｂと内扇内側回転ガイド５５ｃ、これらの間に配された複数の内扇羽根５５ａ、および円筒状の内扇取付けカラー５５ｄを有する。

内扇外側回転ガイド５５ｂと内扇内側回転ガイド５５ｃは、互いに同軸に配された部分円錐状であり、それぞれ、軸方向の両側が開放されている。

内扇内側回転ガイド５５ｃの仮想的な頂点Ｐ２側の開口すなわち小さい方の開口の半径ｒｉｃは、内扇外側回転ガイド５５ｂの仮想的な頂点Ｐ１側の開口すなわち小さい方の開口の半径ｒｉｂよりも小さく、内扇取付けカラー５５ｄの外面に接合可能な径に形成されている。内扇内側回転ガイド５５ｃの非頂点側の開口すなわち大きい方の開口の半径ｒｏは、内扇外側回転ガイド５５ｂの反頂点側の開口すなわち大きい方の開口の径と、実質的に等しく形成されている。

内扇外側回転ガイド５５ｂと内扇内側回転ガイド５５ｃは、それぞれの仮想的な円錐の頂点Ｐ１およびＰ２を、結合側に、すなわち反結合側軸受ブラケット５１の反対側に向けて配されている。また、両者は、内扇内側回転ガイド５５ｃが、内扇外側回転ガイド５５ｂの径方向の内側に一部入り込むような位置関係となっている。内扇外側回転ガイド５５ｂの仮想的な円錐の頂角Φ１は、内扇内側回転ガイド５５ｃの仮想的な円錐の頂角Φ２よりも小さく形成されている。内扇外側回転ガイド５５ｂと内扇内側回転ガイド５５ｃとに挟まれた領域が、内扇５５により駆動される冷却用気体の流路として形成される。

複数の内扇羽根５５ａのそれぞれは、板状であり、内扇外側回転ガイド５５ｂの内面と内扇内側回転ガイド５５ｃの外面とを結合するように取り付けられている。

内扇取付けカラー５５ｄは、円筒状であり、ロータシャフト１１を周方向に囲むように、ロータシャフト１１に内面を接してロータシャフト１１に取り付けられている。内扇取付けカラー５５ｄの外面には、内扇内側回転ガイド５５ｃおよび複数の内扇羽根５５ａが取り付けられている。

複数の内扇羽根５５ａのそれぞれは、以上のように、内扇外側回転ガイド５５ｂの内面と内扇内側回転ガイド５５ｃの外面と内扇取付けカラー５５ｄの外面とに、各辺を接合するように取り付けられている。複数の内扇羽根５５ａのそれぞれは、板状である。その形状は、平板状あるいは曲面状である。複数の内扇羽根５５ａのそれぞれが取り付けられる方向について、径方向のロータシャフト１１の軸中心に向かう方向からのずれ、軸に平行な方向からのずれの程度については、風量、ヘッド、冷却用気体の方向を勘案して設定される。

以上のような構成により、内扇５５は、内扇５５からの冷却用気体の流出方向は、図３の矢印のように、径方向外向きよりも反結合側軸受ブラケット５１側に傾くように、形成されている。

なお、図３では、内扇外側回転ガイド５５ｂおよび内扇内側回転ガイド５５ｃの断面が、それぞれ直線状に延びている場合を例にとって示しているが、いずれかあるいは両方が曲線状であってもよい。

内扇５５の出口の冷却用気体は、空間４０ｂの反結合側軸受ブラケット５１の方向に圧送され、反結合側軸受ブラケット５１の内面に沿って反結合側軸受ブラケット５１の内面に熱を伝達しながら流れる。反結合側軸受ブラケット５１の内面を通過して径方向外向きに流れた冷却用気体は、複数の入口開口４１ｂから流通路４１ａに流入する。流通路４１ａで冷却されながら流通路４１ａを通過した冷却用気体は、出口開口４１ｃで流通路４１ａから流出し、フレーム４０内の空間４０ｃを経由して回転子鉄心１２および固定子２０に流入し、これらを冷却する。

ロータシャフト１１の反結合側軸受３１の軸方向の外側には、フレーム４０の外表面に外気を供給する外扇５６が設けられている。外扇５６の外側には、外扇カバー５７が設けられている。外扇カバー５７は、一端が開放された円筒状であり、開放側がフレーム４０の軸方向の一部の径方向外側を囲むように形成されている。フレーム４０の外表面に設けられたフレーム外側フィン４３の径方向の外側端部および流通孔４１が設けられている部分のフレーム４０の径方向の最外面と、外扇カバー５７の内面との間には、ギャップが形成されている。

外扇カバー５７の開放側と反対側の閉止部分には、外扇５６が外気を吸い込むための吸込み孔５７ｂが形成されている。外扇５６の吸込み側には、ガイド５７ａが設けられている。

図４は、本実施形態における外扇の構成を示す縦断面図である。外扇５６は、外扇羽根５６ａ、外扇内側回転ガイド５６ｂ、円筒状の外扇取付けリング５６ｃおよび円筒状の外扇取付け用カラー５６ｄを有する。

外扇内側回転ガイド５６ｂは、ロータシャフト１１と同軸に配された部分円錐状であり、軸方向の両側が開放されている。外扇５６は、外扇内側回転ガイド５６ｂの仮想的な円錐の頂点を反結合側の方向にして設置されている。

外扇内側回転ガイド５６ｂの頂点側の開口すなわち小さい方の開口は、外扇取付けリング５６ｃの外表面と結合している。複数の外扇羽根５６ａはそれぞれ、５角形であり、その１辺を外扇内側回転ガイド５６ｂと、また、隣接する他の１辺を外扇取付けリング５６ｃと結合している。なお、外扇羽根５６ａの形状は、５角形に限らず、他の多角形あるいは一部曲線的部分を有してもよい。

複数の外扇羽根５６ａのそれぞれは、平板状あるいは曲面板状である。複数の外扇羽根５６ａのそれぞれが取り付けられる方向について、径方向のロータシャフト１１の軸中心に向かう方向からのずれ、軸に平行な方向からのずれの程度については、風量、ヘッド、冷却用気体の方向を勘案して設定される。

外扇取付け用カラー５６ｄは、外扇取付けリング５６ｃとロータシャフト１１との間に介在し、ロータシャフト１１の径方向外側表面に取り付けられている。なお、外扇取付け用カラー５６ｄを設ける代わりに、この軸方向領域のロータシャフト１１の外径を太くしてもよい。また、ロータシャフト１１に外扇取付けリング５６ｃを直接に取り付けられる場合は、外扇取付け用カラー５６ｄは不要である。

外扇内側回転ガイド５６ｂの仮想的な円錐の頂角Φ３を１８０°より小さくすることにより、外扇５６は、通常の遠心タイプではなく、図４の矢印に示すように、外扇５６からの流出方向が径方向外向きよりも反結合側軸受ブラケット５１の外側表面に向いて傾くように、形成されている。

すなわち、外扇５６の出口の冷却用気体は、反結合側軸受ブラケット５１の外表面の方向に圧送され反結合側軸受ブラケット５１の外表面を冷却しながら流れる。反結合側軸受ブラケット５１の外表面を通過した冷却用気体は、外扇カバー５７とフレーム４０の間の環状の空間を軸方向に流れ、フレーム４０の外面に沿って軸方向に流出する。流出した冷却用気体は、フレーム４０の外面に設けられたフレーム外側フィン４３およびフレーム４０に形成された流通路４１の径方向外側の部分の外表面を冷却しながら軸方向に流れる。

このように形成された本実施形態では、反結合側軸受ブラケット５１の内面側での冷却用気体の流速が増加する。反結合側軸受ブラケット５１の外面側では、外扇５６により外気が流れている。したがって、反結合側軸受ブラケット５１の内面側でも外面側でも流体の流速が確保されており、反結合側軸受ブラケット５１内面側と外面側との間の熱貫流率が増加する。このため、フレーム４０を介しての熱除去に加えて、反結合側軸受ブラケット５１を介しての熱除去が確実に行われる。

以上のように、本実施形態に係る全閉外扇形回転電機は、複雑な構成に拠らず簡素化された構成により、全閉外扇形回転電機１００の冷却効率を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。

本第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機１００においては、反結合側軸受ブラケット５１の内面には複数の反結合側軸受ブラケット内側フィン５１ａが設けられている。反結合側軸受ブラケット内側フィン５１ａは、板状であり、径方向外側に向かって放射状に設けられている。内扇５５の出口の冷却用気体は、径方向外側、軸方向および周方向に速度成分を有するため、反結合側軸受ブラケット内側フィン５１ａの形状および配列の方向は、たとえば、定格条件での回転速度における内扇５５出口の冷却用気体の流線方向に沿って設定されている。

また、反結合側軸受ブラケット５１の外面には複数の反結合側軸受ブラケット外側フィン５１ｂが設けられている。反結合側軸受ブラケット外側フィン５１ｂは、板状であり、径方向外側に向かって放射状に設けられている。反結合側軸受ブラケット外側フィン５１ｂの形状および配列の方向は、たとえば、定格条件での回転速度における外扇５６出口の外気の流線方向に沿って設定されている。

この結果、反結合側軸受ブラケット５１を介しての熱除去においての伝熱面積を大きくすることができる。

また、結合側軸受ブラケット５２の内面には、反結合側軸受ブラケット５１の反結合側軸受ブラケット内側フィン５１ａと同様に、結合側軸受ブラケット内側フィン５２ａが、径方向外側に向かって放射状に設けられている。

また、結合側軸受ブラケット５２の外面には、結合側軸受ブラケット外側フィン５２ｂが設けられている。結合側軸受ブラケット外側フィン５２ｂについては、その配列方向は、たとえば周囲の状況等を考慮して設定してよい。

本第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機においては、以上のように、反結合側軸受ブラケット５１の内面に反結合側軸受ブラケット内側フィン５１ａが、また結合側軸受ブラケット５２の内面に結合側軸受ブラケット内側フィン５２ａが、それぞれ放射状に設けられていることから、機内の冷却用気体の循環の圧力損失の増加を最小限に抑制している。同様に、反結合側軸受ブラケット５１の外面に反結合側軸受ブラケット外側フィン５１ｂが、放射状に設けられていることから、外扇５６に駆動される外気の流れの圧力損失を最小限に抑制している。

その上で、反結合側軸受ブラケット５１を介しての熱除去がさらに確実に行われ、また、結合側軸受ブラケット５２においても熱除去が促進され、全閉外扇形回転電機の冷却効率をさらに向上させることができる。

［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。たとえば、実施形態においては、横置型の回転電機の場合を例にとって示したが、立置型の場合であってもよい。

また、実施形態では、内扇５５が、回転子鉄心１２と反結合側軸受３１との間に設けられている場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、回転子鉄心１２と結合側軸受３２との間に設けられている場合であってもよい。あるいは、両方に設けられている場合であってもよい。

さらに、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。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。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…結合部、１２…回転子鉄心、１３…回転子導体、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３１…反結合側軸受、３２…結合側軸受、４０…フレーム、４０ａ…閉空間、４１…流通孔、４１ａ…流通路、４１ｂ…入口開口、４１ｃ…出口開口、４３…フレーム外側フィン、５１…反結合側軸受ブラケット、５１ａ…反結合側軸受ブラケット内側フィン、５１ｂ…反結合側軸受ブラケット外側フィン、５２…結合側軸受ブラケット、５２ａ…結合側軸受ブラケット内側フィン、５２ｂ…結合側軸受ブラケット外側フィン、５５…内扇、５５ａ…内扇羽根、５５ｂ…内扇外側回転ガイド、５５ｃ…内扇内側回転ガイド、５５ｄ…内扇取付けカラー、５６…外扇、５６ａ…外扇羽根、５６ｂ…外扇内側回転ガイド、５６ｃ…外扇取付けリング、５６ｄ…外扇取付け用カラー、５７…外扇カバー、５７ａ…ガイド、５７ｂ…吸込み孔、１００…全閉外扇形回転電機

Claims (6)

1. 軸方向に延びて回転可能に支持され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円筒状の回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に設けられた固定子鉄心と、前記固定子鉄心の内側部分を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
   前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、
   前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
   前記結合側軸受および反結合側軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの軸方向の端部に取り付けられた結合側軸受ブラケットおよび反結合側軸受ブラケットと、
   前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側に取り付けられて前記反結合側軸受ブラケットおよび前記フレームの外表面に外気を供給する外扇と、
   を備え、
   前記外扇からの前記外気の流出方向は、径方向外側でかつ前記反結合側軸受ブラケットの外面側に傾いていることを特徴とする全閉外扇形回転電機。
2. 前記反結合側軸受ブラケットおよび前記結合側軸受ブラケットの少なくとも一方は、内面に設けられたフィンを有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記反結合側軸受ブラケットおよび前記結合側軸受ブラケットの少なくとも一方は、外面に設けられたフィンを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ロータシャフトの前記反結合側軸受と前記回転子鉄心との間の位置、または前記結合側軸受と前記回転子鉄心との間の位置の少なくとも一方に取り付けられて、冷却用気体を駆動する内扇をさらに有し、
   前記内扇からの前記冷却用気体の流出方向は、径方向外側でかつ前記回転子鉄心の反対方向に傾い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全閉外扇形回転電機。
5. 前記反結合側軸受ブラケットおよび前記結合側軸受ブラケットの少なくとも一方の内面は、前記冷却用気体をガイドするように滑らかな形状の曲面が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の全閉外扇形回転電機。
6. 前記フレームには、前記内扇により駆動された前記冷却用気体が流入し、前記固定子鉄心を挟んで前記内扇の反対側に流出するように軸方向に延びた流通路が周方向に互いに間隔をあけて形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の全閉外扇形回転電機。

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