JP2004274814A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子軸端に設けた軸流ファンにより固定子コイルおよび回転子コイルを冷却するようにした通風システムを備えた回転電機に関する。
【0002】
【従来の技術】
図11は、横軸形の回転電機例えばタービン発電機の冷却システムを模式化して示す断面図である。
図11において、1は回転子であり、回転子軸2と一塊に形成された回転子鉄心3と、この回転子鉄心3の周方向に切削加工して設けたスロット内に納めた回転子コイル(図示せず)とから構成され、回転子軸2は軸受4(軸受自体の構成は省略する)を介して回転自在に支持されている。
回転子鉄心3の両端に張り出した回転子コイル端部は、回転子1の回転による強大な遠心力で変形しないように保持環5で覆い保護している。
【0003】
また、6は固定子全体を示すものであり、固定子枠7に固定された固定子鉄心8とその内径の周方向に設けたスロット内に納めた固定子コイル9とから構成されている。そして固定子鉄心9の外径側すなわち背面側と固定子枠7との間に形成された空間部を環状仕切り部10によって2つの給気セクションと、3つの排気セクションとに区分している。なお、前記固定子鉄心8は固定子コイル9を冷却するための通風ダクト11を軸方向に適当な間隔で挿入した間隔片によって多数形成しており、これらの通風ダクト11は設けられている位置によって、給気セクションまたは排気セクションに連通するようになっている。
【0004】
ところで、このタービン発電機通風システムは、回転子軸2両端に対称的に設けた押し込み形の軸流ファン12と、回転子鉄心3内に形成した回転子通風ダクト13と、固定子鉄心8の積層面に形成した前記固定子通風ダクト11と、この固定子通風ダクト11に連通する前記給気セクションおよび排気セクションと、この排気セクションから排気された温まった冷却媒体を冷却するクーラ14と、このクーラ14で冷却された冷却媒体を前記軸流ファン12に導く流路15とから構成している。
【0005】
前記軸流ファン12で加圧された冷却媒体は矢印の如く固定子通風ダクト11、回転子通風ダクト13、固定子6および回転子1の間のエアギャップ16側に分岐して流れる。固定子6側に送気された冷却媒体は、固定子6の給気セクションの固定子通風ダクト11を流れる過程で固定子コイル9を冷却し、エアギャップ16を介して排気セクションの固定子通風ダクト11を通ってクーラ14に送られる。また、回転子1側への冷却媒体は、保持環5内の回転子コイル端部の隙間に流れ込み、回転子通風ダクト13を通って固定子6、回転子1間のエアギャップ16に排出される過程で、回転子コイル端部を含む回転子コイルを冷却し、回転子1の外周側の回転子1、固定子6間のエアギャップ16部で固定子の給気セクションを通過した冷却媒体と合流し、固定子排気セクションの固定子通風ダクト11を通って排気ダクト17からクーラ14に送られる。
【0006】
一方、エアギャップ16部への直接流入した冷却媒体は、エアギャップ16で固定子側の給気セクションから流入した流れと、回転子1側を通過した流れと合流し、固定子7の排気セクションの固定子通風ダクト11を通って排気ダクト17からクーラ14に送られる。
【0007】
図12は、タービン発電機の従来の軸流ファンまわりの冷却構造を示す断面図であり、(a)は回転子の軸線上半部を示す側面図であり、(b)は同正面図である。
【0008】
図12において、クーラ14で冷却された冷却媒体は流路15を構成する内側ファンガイド18および外側ファンガイド19によって、軸中心部に向かって流れていた冷却媒体の流れの向きを軸方向へ変える。前記内側ファンガイド18は、軸流ファン14の翼先端部を囲繞する円筒部20と、前記固定子枠7に直接または間接的に固定される環状板部21と、両者間を接続する中間接続間22とから構成されている。円筒部20と環状板部21とはなるべく滑らかに接続されるような構造にすることが望ましく、そのためは中間接続管22を円弧状にしている例もあるが、多くは製造上の面から中間接続管22としては、両端で口径の異なる複数個の中間接続管22−1、22−2…を溶接して円筒部20と環状板部21との間を接続し、内側ファンガイド18を構成している。すなわち、円筒部20と中間接続管22−1、中間接続管22−1と22−2、中間接続管22−2と環状板部21とをそれぞれ溶接して接続している。
【0009】
外側ファンガイド19は、内側ファンガイド18の環状板部21に対して所定の距離を隔てて配置された環状板部23と、軸受4の外周部を覆い軸流ファン12側へ冷却媒体を導く部品24とから構成されている。環状板部23と冷却媒体を導く部品24とは弧形状に滑らかに接続される場合もあるが、多くは前記内側ファンガイド18と同様に、製造上の面から溶接により構成している。すなわち軸受4の外周部を覆う外側ファンガイド部品24−1と24−2、24−2と環状板部23とをそれぞれ溶接して接続している。
【0010】
内側ファンガイド18のコーナ部18x3となる中間接続管22−2と環状板部21との溶接部では、冷却媒体の流れが図示破線のように、内側ファンガイド18の壁面から剥離し、剥離位置から離れた個所で再び壁面に付着する。この再付着距離は冷却媒体流速、コーナ部の形状に依存する剥離の大きさの程度によって異なってくるが、発電機のコンパクト化にともなってコーナ部18x3と軸流ファン12の距離が短くなっており、軸流ファン12の外周端近傍には再付着する前の剥離流れが流入する場合がある。
【0011】
軸流ファン12の理論ファンヘッドは軸流ファン前縁における相対速度ベクトルと周速度ベクトルと絶対速度ベクトルから成る速度三角形と軸流ファン後縁における相対速度ベクトルと周速度ベクトルと絶対速度ベクトルから成る速度三角形によって決まり、圧力損失としては形状に依存した損失のほか、軸流ファン12の翼先端部と、対向する内側ファンガイド18の円筒部20との間に形成されたチップギャップ25における冷媒漏れ現象による漏れ損失およびそれによって誘起される軸流ファン12の翼間内2次流れ損失が大きな割合を占めている。
【0012】
漏れ損失は翼圧力面側から負圧面側に向かった方向26に圧力勾配が大きくなり、チップギャップ25を通過して負圧面側に流れ込む冷却媒体が生じることに起因するため、チップギャップ25の幅を通常5mmのところ、これよりも狭くするなどチップギャップ25の流れ抵抗を大きくして抑制することが現在試みられている。
【0013】
しかし、チップギャップ25幅を狭くすることは軸流ファン12およびファンガイド18の加工精度および組立精度を向上させなければならず、製造上高コストになるので、ギャップ幅が翼高さに対して大きい機種も多い。
【0014】
軸流ファン12に流入する流れが剥離している場合には、前縁における速度三角形の絶対速度ベクトル(軸流速)が小さくなるので迎え角が大きくなり、前縁でも流れが剥離し、翼間内の圧力損失増大につながるため、軸流ファン12への流入速度分布を整流することがファン高効率化に必要である。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
以上述べたように、固定子および回転子を冷却する軸流ファンに冷却媒体を導くための流路を外側ファンガイドおよび内側ファンガイドによって形成した従来の回転電機においては、回転電機のコンパクト化にともなって軸流ファン上流側のダクト直線部が短くなり、ファンへの流入速度分布の整流状態が悪化した場合、軸流ファンの翼先端部と内側ファンガイドの円筒部間のチップギャップにおける翼圧力面側から翼負圧面側への漏れ損失またはそれに誘起される2次流れ損失が大きくなるという課題を抱えている。
【0016】
本発明は上記従来技術の課題を解決するためになされたもので、冷媒の軸流ファンへの流入速度分布を整流し、軸流ファンの翼先端部と内側ファンガイドとの間のチップギャップでの漏れ損失を低減することが可能な通風システムを備えた回転電機を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、請求項1に係る回転電機の発明は、回転子軸の端部に設けられ冷却媒体を固定子および回転子に向けて送気し循環させる軸流ファンと、回転子軸に同心状に配置され前記軸流ファンの翼先端部をチップギャップを介して囲繞する円筒部およびこの円筒部の開口縁部に中間接続管を介して接続した環状板部からなる内側ファンガイドと、この内側ファンガイドとともに前記軸流ファンの吸込み流路を形成する外側ファンガイドと、前記固定子背面に形成された排気ダクトから前記軸流ファンの吸込み流路までの流路に設けられ前記冷却媒体を冷却するクーラとを備えた回転電機において、前記内側ファンガイドの軸流ファンの翼先端部を囲繞する円筒部に、前記軸流ファンの翼圧力面から翼負圧面に向かう冷媒漏れを抑制する漏れ抑制手段を設けたことを特徴とする。
【0018】
また、請求項8に係わる回転電機の発明は、回転子軸の端部に設けられ冷却媒体を固定子および回転子に向けて送気し循環させる軸流ファンと、回転子軸に同心状に配置され前記軸流ファンの翼先端部をチップギャップを介して囲繞する円筒部およびこの円筒部の開口縁部に中間接続管を介して接続した環状板部からなる内側ファンガイドと、この内側ファンガイドとともに前記軸流ファンの吸込み流路を形成する外側ファンガイドと、前記固定子背面に形成された排気ダクトから前記軸流ファンの吸込み流路までの流路に設けられ前記冷却媒体を冷却するクーラとを備えた回転電機において、前記軸流ファンの吸込み流路を構成する内側ファンガイドのコーナ部を形成する軸流ファン直前の中間接続管を0〜30度以内に傾斜させ、かつ傾斜させた円筒部と中間接続管の接続コーナ部から軸方向に50mm以内の位置に軸流ファンを取付けることを特徴とする。
【0019】
さらに、請求項9に係わる回転電機の発明は、回転子軸の端部に設けられ冷却媒体を固定子および回転子に向けて送気し循環させる軸流ファンと、回転子軸に同心状に配置され前記軸流ファンの翼先端部をチップギャップを介して囲繞する円筒部およびこの円筒部の開口縁部に中間接続管を介して接続した環状板部からなる内側ファンガイドと、この内側ファンガイドとともに前記軸流ファンの吸込み流路を形成する外側ファンガイドと、前記固定子背面に形成された排気ダクトから前記軸流ファンの吸込み流路までの流路に設けられ前記冷却媒体を冷却するクーラとを備えた回転電機において、前記内側ファンガイドの環状板部の軸流ファンの吸込み流路のコーナ部近傍に電機内部空間部に貫通する微小孔を設けたことを特徴とする。
【0020】
さらにまた、請求項10に係わる回転電機の発明は、回転子軸の端部に設けられ冷却媒体を固定子および回転子に向けて送気し循環させる軸流ファンと、回転子軸に同心状に配置され前記軸流ファンの翼先端部をチップギャップを介して囲繞する円筒部およびこの円筒部の開口縁部に中間接続管を介して接続した環状板部からなる内側ファンガイドと、この内側ファンガイドとともに前記軸流ファンの吸込み流路を形成する外側ファンガイドと、前記固定子背面に形成された排気ダクトから前記軸流ファンの吸込み流路までの流路に設けられ前記冷却媒体を冷却するクーラとを備えた回転電機において、内側ファンガイド部の軸流ファンの吸込み流路のコーナ部よりも回転子軸側に外側ファンガイド部を設置したことを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる回転電機の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図を通じて同一要素には同一符号をつけることにより重複する説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【0022】
(第1の実施の形態)
図1は本発明に係わる回転電機の第1の実施の形態における要部の構造を示す断面図である。本実施の形態と、図11および図12に示す従来の技術との主な相違点は、本実施の形態では、軸流ファン12の翼先端部を囲繞する内側ファンガイド18の円筒部20にチップギャップを通って冷媒が漏れるのを抑制する冷媒漏れ抑制手段を設けた点にある。
【0023】
本実施の形態の冷媒漏れ抑制手段は、軸流ファン12の翼圧力面から翼負圧面への冷媒漏れを抑制するために、内側ファンガイド18の円筒部20に微小孔27を設け、軸流ファン12の送気によって気圧の高まった発電機の内部空間部28からチップギャップ25に向けて冷却媒体を噴射させることによって、チップギャップ25の圧力を発電機の内部空間部28と連続させるようにしたものである。この冷却媒体の噴射量の調整は、微小孔27の口径を調整することによって行う。微小孔27の口径は大きすぎると、噴射量が多くなって効率が悪くなるので、ファンガイド円筒部20からチップギャップ25への冷媒噴射量が翼圧力面から翼負圧面への冷媒漏れを抑制するのに必要にして十分な量となるような大きさに選定する必要がある。このためには、内部空間部28の圧力値からの圧力降下を見込んで、チップギャップ25の幅よりも口径を小さくすることが望ましい。例えば、チップギャップ25が2mmの軸流ファンの場合、微小孔27の口径は2mmよりも小さい寸法(1.5mmとか1mm)が好ましい。なお、微小孔27は円筒部20の軸方向および円周方向に複数個設けることが好ましい。
【0024】
本実施の形態では、微小孔27からのわずかな冷媒の流れによって通風損失が発生するが、チップギャップ25の圧力が上昇するため、翼圧力面からこのチップギャップ25への漏れ流れが抑制され、漏れ損失およびそれに誘起される翼間内2次流れ損失が低減される。
【0025】
以上述べたように、本実施の形態によれば、軸流ファン12の翼先端部をチップギャップ25を介して囲繞する内側ファンガイド18の円筒体20に微小孔27を設けて、電機内部空間部28から冷媒をわずか噴射させることによって、内部空間部28とチップギャップ25の圧力が連続的になるので、チップギャップ25の圧力は内部空間部28の圧力から内側ファンガイド18に設けた孔の通風損失を差し引いた圧力となり、チップギャップ25の圧力は翼圧力面の圧力より局所的に大きくなる。
【0026】
これにより、軸流ファン12の翼圧力面から翼負圧面への周方向漏れ流れが抑制され、チップギャップでの漏れ損失が低減し、さらに漏れ流れの影響によるファン中央部の流れの二次損失を抑制することから、ファン効率を向上することができる。
【0027】
また、チップギャップ25幅が軸流ファン12の翼高さに対して大きい場合にも過大な漏れ損失および翼間内2次流れを低減できるため、製造上のコストを低減できるという効果を得ることができる。
【0028】
(第2の実施の形態)
図2は本発明に係わる回転電機の第2の実施の形態における要部の構造を示す断面図である。
第2の実施の形態は、第1の実施の形態を改良したもので、軸流ファンの翼間では軸方向に沿って圧力上昇するため、内側ファンガイドに設ける口径を軸方向に電機内部に向かって大きくなるように変化させ、軸流ファンの翼間での軸方向圧力上昇に対応した圧力分布となるようにしたものである。
【0029】
すなわち、内側ファンガイド18の円筒部20に、電機内部に向かって口径が大きくなるように複数個の微小孔27−1、27−2、…27−nを設けたものである。
【0030】
微小孔27の口径によって微小孔27−1、27−2、…27−nにおける圧力損失を調整することができるため、翼間内の圧力上昇に対応させて翼前縁近傍では内部空間部28からの圧力降下が大きくなるような小さな孔、翼後縁近傍では内部空間部25と翼圧力面の圧力が同程度になるので前縁近傍より大きな孔を設けるのが望ましい。微小孔27−1、27−2、…27−nの列は1列だけではなく、周方向に複数列設けるようにしてもよい。
【0031】
本実施の形態によれば、微小孔27−1、27−2、…27−nからのわずかな流れによる通風損失が発生するものの、内側ファンガイド円筒部20に設ける微小孔27−1、27−2、…27−nの径を軸方向に変化させることで各微小孔における通風損失が異なるため、軸流ファン12の翼間内軸方向圧力上昇に対応した圧力分布とすることができる。この結果、翼圧力面からチップギャップ25を介した漏れ流れをより一層抑制することができ、漏れ損失およびそれに誘起される翼間内2次流れ損失を低減させることができる。
【0032】
(第3の実施の形態)
図3は本発明に係わる回転電機の第3の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
第3の実施の形態は、第2の実施の形態を更に改良したもので、軸流ファン12先端に対向する内側ファンガイド18の円筒部20に口径の異なる微小孔27a−1、27a−2、…27a−nを複数翼負圧面から翼圧力面方向に傾斜させて設けたものである。なお、この微小孔27a−1、27a−2、…27a−nは周方向にも複数設けることができる。
【0033】
本実施の形態の場合、微小孔27a−1、27a−2、…27a−nからのわずかな流れによる通風損失が発生するが、内部空間部25から軸流ファン12の翼先端部と内側ファンガイドの円筒部20の間のチップギャップ25への流入方向を、翼圧力面から翼負圧面への漏れ流れと逆の翼負圧面から翼圧力面としているので、一層漏れ流れを抑制する効果が大きい。
【0034】
(第4の実施の形態)
図4は本発明に係わる回転電機の第4の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
第4の実施の形態は、軸流ファン12の翼先端部に対向する内側ファンガイド18の円筒部20に微小孔27を設け、さらにこの微小孔27を挟むように、チップギャップ25側の周方向に凹凸部を形成するように複数の突条(または溝)29を設けたものである。言い換えれば、微小孔27は突条29相互の溝に開けられているということである。
【0035】
本実施の形態の場合、軸流ファン12の翼先端部と内側ファンガイド18の円筒部20間のチップギャップ25が周方向に凹凸部となる流路になるので、翼圧力面から翼負圧面に向かう漏れ流れ方向への通風抵抗(拡大縮小損失)が大きくなる。また、微小孔27を通って内部空間部25から流入してくる冷却媒体にとっても通風抵抗となるので、翼面内に微小孔27からの流れが入り込みづらくなり、通風効果を上げることができる。
【0036】
(第5の実施の形態)
図5は本発明に係わる回転電機の第5の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
この第5の実施の形態は、前記第4の実施の形態を改良したものであり、翼弦線の傾きに対応して周方向に凹凸となるような傾斜した突条29aを設けたものである。
【0037】
本実施の形態の場合、軸流ファン12の翼先端部と内側ファンガイド18の円筒部20間のチップギャップ25が翼先端近傍の翼断面の翼弦線の90°方向に凹凸状の流路となるので、漏れ流れ方向への通風抵抗(拡大縮小損失)が第5の実施の形態よりも大きくなる。
【0038】
しかも、突条29aまたは溝が翼弦線に沿っているため、軸流ファン12先端と内側ファンガイド18のチップギャップ25の幅が翼弦線に沿って均一になり、翼圧力面から翼負圧面への漏れ流れが一層抑制される。
【0039】
(第6の実施の形態)
図6は本発明に係わる回転電機の第6の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
この第6の実施の形態は、前記第5の実施の形態を更に改良したものであり、内側ファンガイド18の円筒部20のチップギャップ25側に翼先端近傍の翼断面の平均反り線の90°方向に対応して周方向に凹凸部を形成するように、複数の曲がり突条29bを設けたものである。
【0040】
本実施の形態の場合、軸流ファン12の先端と内側ファンガイド18の円筒部20間のチップギャップ25が翼先端近傍の翼断面の平均反り線の90°方向に凹凸する流路になるので、漏れ流れ方向への通風抵抗(拡大縮小損失)が大きくなり、突条29bまたな溝が平均反り線に沿っているため、軸流ファン12先端と内側ファンガイド18の円筒部20間のチップギャップ25の幅が平均反り線に沿って均一になり、翼圧力面から翼負圧面への漏れ流れが抑制される。
【0041】
(第7の実施の形態)
図7は本発明に係わる回転電機の第7の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
第7の実施の形態は、流路15内において前記円筒部20とこれに接続される中間接続管22−1とのコーナ部18x1から軸方向内部に向かって50mm以内の位置に軸流ファン12を設置するという条件のもとで、冷媒層流の壁面からの剥離が軸流ファン12の効率に影響を及ぼさないように円筒部20と中間接続管22−1とのなす角度θ1を選定したものである。
【0042】
図8はファンガイド傾斜角θ1とチップギャップ25における冷媒層流の剥離領域δとの関係をシミュレーションした結果を表したグラフである。
図8は、シミュレーションによって軸流ファン12の設置位置Xをコーナ部18x1から電機内部に向かって50mmとしたとき、ファンガイド傾斜角θ1をいろいろ変えていった場合の剥離領域(境界層厚さ)δの変化の様子を示す図である。この図8から明らかなように、θ1が30度の前後で剥離領域(境界層厚さ)δが大きく変化することが確かめられた。剥離領域(境界層厚さ)δがチップギャップ25の幅(通常、2〜5mm)よりも厚くなると、軸流ファン12の効率が悪くなることから、効率を悪くしないためには剥離領域(境界層厚さ)δをチップギャップ25の幅と同等にする必要がある。そのためには、ファンガイド傾斜角θ1を30度以下にすれば良いことがわかる。
【0043】
なお、図7において中間接続管22−2を省略し、中間接続管22−1と環状板部21とが直接接続される構造の場合でも同様であり、逆に中間接続管22−2と環状板部21との間にさらにコーナ部があっても軸流ファン12直前の中間接続管22−1と円筒部20とのなす角度θ1に関しては同様である。
【0044】
以上述べたように、本実施の形態によれば、チップギャップ25に冷却媒体が軸方向から流入しないので漏れ損失およびそれに誘起される翼間内2次流れ損失が低減され、軸流ファン12効率を向上することができる。また、軸流ファン12上流側の流れを整流するための助走距離(言い換えれば、剥離した流れが再付着するための助走距離)を長くとる必要がないのでコンパクト化につながるとともに、ファン上流側流路のコーナ部を形成する内側ファンガイド18を流れの剥離が小さい弧形状とする必要がないので製造上のコストを低減するメリットが得られる。
【0045】
(第8の実施の形態)
図9は本発明に係わる回転電機の第8の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
第8の実施の形態は、軸流ファン12上流側の流路にあるコーナ部18xを形成する内側ファンガイド18において流れが大きく剥離することが予測されるコーナ部(環状板部21と中間接続管22−2とのなす角度θ2が中間接続管22−2と中間接続管22−1とのなす角度θ3や中間接続管22−1と円筒部20のなす角度θよりも大きいコーナ部)の上流側位置する環状板部21において、上流側に傾斜させた微小孔30を設けるものである。この傾斜微小孔30は環状板部21の周方向に複数個設けるか、あるいは複数の中間接続管22−1、22−2および環状板部21の軸方向に複数設けるようにしてもよい。
【0046】
この実施の形態の場合、傾斜微小孔30からのわずかな冷媒の噴射によって、流路15内を流れる冷却媒体が環状板部21の壁面で撹乱されるので、その壁面に沿った流れにはならなくなり、コーナ部での剥離が緩和される。環状板部21の壁面近傍での流れの乱れは大きくなるが剥離の程度が緩和されるため、軸流ファン12先端のファン性能が急激に低下することを回避することができる。
【0047】
以上述べたように、本実施の形態によれば、軸流ファンの吸込み流路のコーナ部で大きく流れが剥離した場合にも翼先端近傍の性能低下を抑制できるので、軸流ファン12上流側の流れを整流するための助走距離(剥離した流れが再付着するための助走距離)を長くとる必要がなくコンパクト化につながるとともに、軸流ファン上流側流路のコーナ部を形成する内側ファンガイド18を流れの剥離が小さい弧形状とする必要がないので製造上のコストを低減できるメリットが得られる。
【0048】
(第9の実施の形態)
図10は本発明に係わる回転電機の第9の実施の形態における要部構造を示す断面図である。
第9の実施の形態は、外側ファンガイド19の環状板部23と軸受4の外周部を覆う外側ファンガイド部品24−2との接続部であるコーナ部19xを、内側ファンガイド18の環状板部21と中間接続管22−2とを接続するコーナ部18x3よりも回転子軸2に近づけるようにしたものである。すなわち、回転軸2表面からコーナ部19xまでの距離L2と、回転軸2表面からコーナ部18x3までの距離L1とはL1>L2という関係にする。
【0049】
流路15は半径方向に向いているので外径側から内径側(回転子軸2側)に向かって流路断面積が小さくなる縮流になっており、冷却媒体流速が徐々に速くなる。内側ファンガイド18における流れの剥離はまず環状板部21と中間接続管22−2とを接続するコーナ部18x3で生じるため、剥離の程度を抑制するために流速が小さいことが望ましい。
【0050】
この実施の形態の場合、外側ファンガイドのコーナ部を内側ファンガイドのコーナ部よりも回転子軸側に配置するようにしたので、軸流ファン上流側流路断面の急縮流が内側ファンガイドのコーナ部の後流となり、内側ファンガイドのコーナ部での流れの大きな剥離を抑制することができる。
なお、この実施の形態の場合も、内部ファンガイド18の円筒部20に微小孔27を設けているが、微小孔27を設けることは必須要件ではない。
【0051】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、軸流ファンによって圧力上昇した内側ファンガイドの外径側の内部空間部28と、軸流ファン先端周縁部および内側ファンガイド間のチップギャップ25の圧力を連続的にすることができ、その結果、翼圧力面から翼負圧面への周方向への冷媒漏れを抑制することができるので、チップギャップ25の漏れ損失およびそれに誘起される2次流れ損失が低減された高効率ファンを有する通風システムを備えた回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による回転電機の第1の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図2】本発明による回転電機の第2の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図3】本発明による回転電機の第3の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図4】本発明による回転電機の第4の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図5】本発明による回転電機の第5の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図6】本発明による回転電機の第6の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図7】本発明による回転電機の第7の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図8】内側ファンガイドの傾斜角と境界層の厚さの関係を示す図。
【図9】本発明による回転電機の第8の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図10】本発明による回転電機の第9の実施の形態における要部構造を示す断面図。
【図11】タービン発電機全体の冷却構造を示す断面図。
【図12】従来のタービン発電機の要部構造を示す断面図。
【符号の説明】
1…回転子、2…回転子軸、3…回転子鉄心、4…軸受、5…保持環、6…固定子、7…固定子枠、8…固定子鉄心、9…固定子コイル、10…環状仕切り部、11…固定子通風ダクト、12…軸流ファン、13…回転子通風ダクト、14…クーラ、15…流路、16…エアギャップ、17…排気ダクト、18…内側ファンガイド、18x…流れの剥離個所、19…外側ファンガイド、20…円筒部、21…環状板部、22−1,22−2…中間接続管、23…環状板部、24−1,24−2…外側ファンガイド部品、25…チップギャップ、26…翼圧力面側から負圧面側に向かう冷媒漏れ、27…微小孔、28…回転電機の内部空間、29,29a,29b…周方向の凹凸部、30…傾斜微小孔。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotating electric machine including a ventilation system configured to cool a stator coil and a rotor coil by an axial fan provided at an end of the rotor shaft.
[0002]
[Prior art]
FIG. 11 is a cross-sectional view schematically illustrating a cooling system for a horizontal-axis type rotating electric machine, for example, a turbine generator.
In FIG. 11,
The ends of the rotor coil projecting from both ends of the
[0003]
Reference numeral 6 denotes the whole stator, which comprises a
[0004]
By the way, this turbine generator ventilation system includes a push-type
[0005]
The cooling medium pressurized by the
[0006]
On the other hand, the cooling medium that has flowed directly into the
[0007]
12A and 12B are cross-sectional views showing a conventional cooling structure around an axial fan of a turbine generator. FIG. 12A is a side view showing an upper half of an axis of a rotor, and FIG. is there.
[0008]
In FIG. 12, the cooling medium cooled by the
[0009]
The
[0010]
Corner portion 18x of
[0011]
The theoretical fan head of the
[0012]
The leakage loss is caused by the fact that the pressure gradient increases in the
[0013]
However, reducing the width of the
[0014]
When the flow flowing into the
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional rotating electric machine in which the flow path for guiding the cooling medium to the axial fan for cooling the stator and the rotor is formed by the outer fan guide and the inner fan guide, the size of the rotating electric machine is reduced. If the straight section of the duct on the upstream side of the axial fan becomes shorter and the commutation state of the inflow velocity distribution into the fan deteriorates, the blade pressure at the tip gap between the tip of the axial fan and the cylindrical section of the inner fan guide There is a problem that the leakage loss from the surface side to the blade suction side or the secondary flow loss induced by the leakage loss increases.
[0016]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of the prior art, and rectifies the distribution of the inflow velocity of the refrigerant into the axial flow fan, so that the tip gap between the blade tip of the axial flow fan and the inner fan guide can be used. It is an object of the present invention to provide a rotating electric machine provided with a ventilation system capable of reducing a leakage loss of a motor.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, an invention of a rotating electric machine according to
[0018]
Further, the invention of the rotating electric machine according to
[0019]
Furthermore, the invention of the rotating electric machine according to
[0020]
Furthermore, the invention of a rotating electric machine according to
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of a rotating electric machine according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same elements will be denoted by the same reference numerals, without redundant description, and different parts will be mainly described.
[0022]
(First Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a main part of a rotating electric machine according to a first embodiment of the present invention. The main difference between this embodiment and the prior art shown in FIGS. 11 and 12 is that, in this embodiment, the
[0023]
The refrigerant leakage suppressing means of the present embodiment is provided with a
[0024]
In the present embodiment, ventilation loss occurs due to a small flow of the refrigerant from the minute holes 27, but since the pressure in the
[0025]
As described above, according to the present embodiment, the
[0026]
Thereby, the circumferential leakage flow from the blade pressure surface to the blade suction surface of the
[0027]
Further, even when the width of the
[0028]
(Second embodiment)
FIG. 2 is a sectional view showing a structure of a main part of a rotary electric machine according to a second embodiment of the present invention.
The second embodiment is an improvement of the first embodiment. Since the pressure increases along the axial direction between the blades of the axial fan, the bore provided on the inner fan guide is axially provided inside the electric machine. The pressure distribution is changed so as to increase toward the center, so that a pressure distribution corresponding to an increase in the axial pressure between the blades of the axial fan is obtained.
[0029]
That is, a plurality of micro holes 27-1, 27-2,... 27-n are provided in the
[0030]
Since the pressure loss in the minute holes 27-1, 27-2,... 27-n can be adjusted by the diameter of the minute holes 27, the
[0031]
According to the present embodiment, although the ventilation loss occurs due to the slight flow from the minute holes 27-1, 27-2,..., 27-n, the minute holes 27-1, 27 provided in the inner fan guide
[0032]
(Third embodiment)
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a main structure of a rotating electric machine according to a third embodiment of the present invention.
The third embodiment is a further improvement of the second embodiment. Micro holes 27a-1 and 27a-2 having different diameters are formed in the
[0033]
In the case of the present embodiment, although a ventilation loss occurs due to a slight flow from the minute holes 27a-1, 27a-2,... 27a-n, the blade tip of the
[0034]
(Fourth embodiment)
FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a main structure of a rotary electric machine according to a fourth embodiment of the present invention.
In the fourth embodiment, a
[0035]
In the case of the present embodiment, the
[0036]
(Fifth embodiment)
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a fifth embodiment of the present invention.
The fifth embodiment is an improvement of the fourth embodiment, and is provided with an
[0037]
In the case of the present embodiment, the
[0038]
Moreover, since the
[0039]
(Sixth embodiment)
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a sixth embodiment of the present invention.
The sixth embodiment is a further improvement of the fifth embodiment. The sixth embodiment has an average warpage of 90% near the tip of the blade near the
[0040]
In the case of the present embodiment, the
[0041]
(Seventh embodiment)
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a seventh embodiment of the present invention.
The seventh embodiment is different from the first embodiment in that the
[0042]
FIG. 8 is a graph showing the result of simulating the relationship between the fan guide inclination angle θ1 and the separation region δ of the laminar refrigerant flow in the
FIG. 8 shows a peeling area (thickness of a boundary layer) when the installation position X of the
[0043]
In FIG. 7, the intermediate connecting pipe 22-2 is omitted, and the same applies to a structure in which the intermediate connecting pipe 22-1 and the
[0044]
As described above, according to the present embodiment, since the cooling medium does not flow into the
[0045]
(Eighth embodiment)
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to an eighth embodiment of the present invention.
In the eighth embodiment, the corner portion (the annular connection between the
[0046]
In the case of this embodiment, since the cooling medium flowing in the
[0047]
As described above, according to the present embodiment, even when the flow largely separates at the corner of the suction flow path of the axial fan, the performance degradation near the blade tip can be suppressed. It is not necessary to increase the approach distance for rectifying the flow of air (the approach distance for the separated flow to reattach), leading to compactness and an inner fan guide that forms the corner of the axial fan upstream flow path Since it is not necessary to form the
[0048]
(Ninth embodiment)
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a main part structure of a rotary electric machine according to a ninth embodiment of the present invention.
In the ninth embodiment, the
[0049]
Since the
[0050]
In the case of this embodiment, the corner portion of the outer fan guide is arranged closer to the rotor shaft than the corner portion of the inner fan guide. At the corner portion of the inner fan guide, and large separation of the flow at the corner portion of the inner fan guide can be suppressed.
In this embodiment as well, the minute holes 27 are provided in the
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the pressure of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing a structure of a main part of a rotary electric machine according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a main structure of a rotary electric machine according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a sectional view showing a main structure of a rotating electric machine according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a main structure of a rotary electric machine according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the inclination angle of the inner fan guide and the thickness of the boundary layer.
FIG. 9 is a sectional view showing a structure of a main part of an electric rotating machine according to an eighth embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a sectional view showing a main part structure of a rotating electric machine according to a ninth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a sectional view showing a cooling structure of the entire turbine generator.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a main structure of a conventional turbine generator.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記内側ファンガイドの軸流ファンの翼先端部を囲繞する円筒部に、前記軸流ファンの翼圧力面から翼負圧面に向かう冷媒漏れを抑制する漏れ抑制手段を設けたことを特徴とする回転電機。An axial fan provided at an end of the rotor shaft for supplying and circulating a cooling medium toward the stator and the rotor, and a tip gap which is concentrically arranged on the rotor shaft and has a blade tip portion of the axial fan. And an inner fan guide comprising an annular plate portion connected to an opening edge of the cylindrical portion through an intermediate connecting pipe, and together with the inner fan guide, form a suction flow passage for the axial flow fan. An outer fan guide, and a rotating electric machine including a cooler provided in a flow path from an exhaust duct formed on the stator back surface to a suction flow path of the axial fan to cool the cooling medium,
A rotating portion provided on a cylindrical portion surrounding a tip of the blade of the axial fan of the inner fan guide, for suppressing a refrigerant leak from a blade pressure surface of the axial fan to a blade negative pressure surface. Electric machine.
前記軸流ファンの吸込み流路を構成する内側ファンガイドのコーナ部を形成する軸流ファン直前の中間接続管を0〜30度以内に傾斜させ、かつ傾斜させた円筒部と中間接続管の接続コーナ部から軸方向に50mm以内の位置に軸流ファンを取付けることを特徴とする回転電機。An axial fan provided at an end of the rotor shaft for supplying and circulating a cooling medium toward the stator and the rotor, and a tip gap which is concentrically arranged on the rotor shaft and has a blade tip portion of the axial fan. And an inner fan guide comprising an annular plate portion connected to an opening edge of the cylindrical portion through an intermediate connecting pipe, and together with the inner fan guide, form a suction flow passage for the axial flow fan. An outer fan guide, and a rotating electric machine including a cooler provided in a flow path from an exhaust duct formed on the stator back surface to a suction flow path of the axial fan to cool the cooling medium,
The intermediate connecting pipe immediately before the axial fan that forms the corner of the inner fan guide that forms the suction flow path of the axial fan is inclined within 0 to 30 degrees, and the inclined cylindrical part is connected to the intermediate connecting pipe. A rotating electric machine having an axial fan mounted at a position within 50 mm in an axial direction from a corner.
前記内側ファンガイドの環状板部の軸流ファンの吸込み流路のコーナ部近傍に電機内部空間部に貫通する微小孔を設けたことを特徴とする回転電機。An axial fan provided at an end of the rotor shaft for supplying and circulating a cooling medium toward the stator and the rotor, and a tip gap which is concentrically arranged on the rotor shaft and has a blade tip portion of the axial fan. And an inner fan guide comprising an annular plate portion connected to an opening edge of the cylindrical portion through an intermediate connecting pipe, and together with the inner fan guide, form a suction flow passage for the axial flow fan. An outer fan guide, and a rotating electric machine including a cooler provided in a flow path from an exhaust duct formed on the stator back surface to a suction flow path of the axial fan to cool the cooling medium,
A rotating electric machine having a small hole penetrating into an electric machine internal space near a corner of a suction flow path of an axial fan in an annular plate portion of the inner fan guide.
内側ファンガイド部の軸流ファンの吸込み流路のコーナ部よりも回転子軸側に外側ファンガイド部を設置したことを特徴とする回転電機。An axial fan provided at the end of the rotor shaft to supply and circulate the cooling medium toward the stator and the rotor, and a gap between the blade tip of the axial fan arranged concentrically with the rotor shaft. An inner fan guide composed of a cylindrical portion surrounding the cylindrical portion and an annular plate portion connected to an opening edge of the cylindrical portion through an intermediate connecting pipe; and an outer portion that forms a suction flow passage of the axial flow fan together with the inner fan guide. In a rotating electric machine including a fan guide and a cooler provided in a flow path from an exhaust duct formed on the stator back surface to a suction flow path of the axial fan to cool the cooling medium,
A rotating electric machine characterized in that an outer fan guide section is provided closer to a rotor shaft than a corner section of a suction flow path of an axial fan of an inner fan guide section.
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