JP2007116792A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】一般に、回転電機はファンにより昇圧した空気を循環させて冷却を行うため、回転電機内にはファン通過後の温度上昇した空気が循環することになり、回転電機各部の温度はその分だけ上昇してしまう。また、ファンで昇圧した空気を回転電機内の各部へ循環させるため、各部に流れる冷却媒体の流量、特に各セクションごとの流量配分をコントロールすることが難しい。
【解決手段】固定子鉄心と固定子枠の間に設けられた仕切り板によって軸方向に分割された複数のセクションを有する回転電機において、少なくとも一つ以上のセクションに外気から直接冷却用空気を取り入れるとともに、固定子枠外周に設置された少なくとも一つ以上の電動ブロアーとつながっているセクションから電動ブロアーを介して冷却用空気を外気へ排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却媒体を循環して冷却する回転電機の冷却構造に関するものである。

従来の回転電機の例として、ＷＯ０１／０１８９４３号公報（以下、特許文献１）に記載のものがある。特許文献１の図４に記載の回転電機には、固定子枠と固定子鉄心との間に周方向に連続した通風路を軸方向に複数設け、この通風路に対応して冷却器を設置されている。

また、特開平６−２８４６３９号公報（以下、特許文献２）の図２には、回転子と固定子の磁極間に極間仕切板を供え、固定子枠外側の周方向に所定の間隔をおいて電動ファンと冷却器を交互に配置し、さらに、固定子枠内に冷媒の流出セクション，流入セクションを設けた回転電機が記載されている。

ＷＯ０１／０１８９４３号公報 特開平６−２８４６３９号公報

特許文献１の回転電機では、冷却器を設置する必要があるため、冷却器の設置コストがかかるという課題がある。また、ファン通過後にファン動力分だけ温度上昇した空気が回転電機内を循環するため、回転電機各部の温度はその分だけ上昇してしまう。また、回転軸両端に設置されたファンで昇圧した空気を回転電機内の各部へ循環させるため、各部に流れる冷却媒体の流量、特に各セクションごとの流量配分、すなわち固定子鉄心内の軸方向流量分布をコントロールすることが難しい。

さらに、一定回転で運転される回転電機では、定格出力以下の出力で運転する部分負荷運転の場合でもファン動力は常に一定であるため、出力に対するファン動力の比率が相対的に大きくなり、部分負荷運転時の効率が低下するという課題がある。

特許文献２の回転電機では、固定子の軸方向が均等に冷却されないという課題がある。

本発明の主要な目的は、固定子鉄心内の軸方向流量分布をコントロールし、効果的に固定子の冷却を行うことができる回転電機を提供することである。

本発明の一つの特徴は、回転電機を、磁性材の固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、回転軸に固定された磁性材の回転子鉄心に回転子巻線を巻回した回転子と、固定子及び回転子を収納する固定子枠で構成され、固定子鉄心と固定子枠の間に設けられた仕切り板によって軸方向に分割された複数のセクションと、セクションとつながっており、固定子鉄心内に形成され、冷却媒体を径方向に流す冷却流路と固定子枠に軸方向に複数配置された電動ブロアーとを有し、電動ブロアーは固定子枠内の冷却媒体を固定子枠外部に送るものとした点にある。

本発明のその他の特徴は、発明を実施するための最良の形態欄で説明する。

本発明によれば、固定子鉄心内軸方向流量分布がコントロールできるため、効果的に固定子の冷却を行うことができる。

以下に、本発明による回転電機について、図示の実施形態に基づき詳細を説明する。

図７は、比較例の回転電機の構造を示す回転電機の断面図の一例である。

図７の回転電機は、回転電機を冷却するための空気を外気から取り入れ、外気に放出する開放型の回転電機である。

回転電機は、固定子鉄心１と固定子鉄心に巻回された固定子巻線２（図で現れている部分は端部）を有する固定子、回転軸３と回転軸に固定された回転子鉄心４と回転子鉄心に巻回された回転子巻線（図示せず）を有する回転子、固定子及び回転子を収納する固定子枠５、で構成されている。回転子は回転軸により回転しており、回転軸両端には冷却用空気を循環させるためのファン９が設置されている。

固定子鉄心内には所定間隔ごとに径方向冷却流路が設けられている。固定子鉄心外周と固定子枠の間は仕切り板によって軸方向に複数のセクション７に分けられており、各セクションごとに冷却用空気が固定子鉄心内に設けられた径方向冷却流路を通って固定子鉄心の内周側から外周側へ（または外周側から内周側へ）に流れる構造となっている。

ファンで昇圧された空気は、固定子巻線端部を通って固定子外周側へ、または回転子内部やエアギャップを通って固定子鉄心内周側に至る。固定子巻線端部を通った空気は、複数セクションを跨ぐ軸方向通風配管（図示せず）により軸方向中央側の冷却流路を形成する各セクションに送られる。各セクションに到達した空気は固定子鉄心外周側から内周側へ至った後、回転子内部やエアギャップを通った空気と合流して、固定子鉄心内周側から外周側を通って、さらにセクションへ至り、最終的に固定子枠の外へ放出される。

このような構成の回転電機では、ファン通過後にファン動力分だけ温度上昇した空気が回転電機内を循環するため、回転電機各部の温度はその分だけ上昇してしまう。また、回転軸両端に設置されたファンで昇圧した空気を回転電機内の各部へ循環させるため、各部に流れる冷却媒体の流量、特に各セクションごとの流量配分、すなわち固定子鉄心内の軸方向流量分布、をコントロールすることが難しい。

さらに、一定回転で運転される回転電機では、定格出力以下の出力で運転する部分負荷運転の場合でもファン動力は常に一定であるため、出力に対するファン動力の比率が相対的に大きくなり、部分負荷運転時の効率が低下するという課題がある。

上記の課題を解決するために、本実施例では、冷却媒体の駆動源として回転子両端に設置されていたファンの代わりに、少なくとも一つ以上の電動ブロアーを固定子枠外周に設置することを特徴としている。

図１は、本発明の第一の実施形態を示す回転電機の断面図である。

回転電機は、固定子鉄心１と固定子鉄心に巻回された固定子巻線２（図で現れている部分は端部）を有する固定子、回転軸３と回転軸に固定された回転子鉄心４と回転子鉄心に巻回された回転子巻線（図示せず）を有する回転子、固定子及び回転子を収納する固定子枠５、で構成されている。回転子は回転軸により回転する。

固定子鉄心内には所定間隔ごとに径方向冷却流路が設けられている。固定子鉄心外周と固定子枠の間は仕切り板６によって軸方向に複数のセクション７に分けられており、各セクションごとに冷却用空気が固定子鉄心内に設けられた径方向冷却流路を通って固定子鉄心の内周側から外周側へ（または外周側から内周側へ）に流れる構造となっている。

この実施例では、図７の比較例と異なり、回転軸には冷却用空気を循環させるためのファンが設置されておらず、代わりに固定枠外周に電動ブロアー８が設置されている。電動ブロアーは、冷却用空気が固定子鉄心内周側から外周側に流れるセクションとつながっており、固定子鉄心内径側から外径側に流れてきた冷却用空気を外気へ放出する役目を果たしている。一方、電動ブロアーとつながっていないセクションでは、外気から直接取り入れた冷却用空気が固定子鉄心外周側から内周側へ流れる。

この結果、比較例では、ファン通過後の温度上昇した空気を循環することにより回転電機を冷却していたが、本実施例では、ファン通過による温度上昇分がなくなるため、その分だけ回転電機内の固定子及び回転子の温度を低減することができる。また、比較例では、固定子巻線端部や回転子などを冷却した後の温度上昇した空気により固定子鉄心及び固定子巻線を冷却していたが、本実施例では、外気から直接取り入れた空気により回転電機の固定子鉄心及び固定子巻線を冷却することができるため、固定子鉄心及び固定子巻線の温度をより低減することができる。

さらに、比較例では、回転軸両端のファンから供給される冷却用空気は各セクションの通風抵抗に応じて分配されるため、各セクションの風量配分をコントロールすることが困難であったが、本実施例では、軸方向に複数個設置された電動ブロアーにより各セクションに流れる流量を調整することができる。例えば、設計の段階で、固定子巻線の端部側の温度が高いことがわかっている場合には、端部側の電動ブロアー８ａの出力を中央側の電動ブロアー８ｂに比べて大きくして固定子巻線端部側の冷却風量を増やすことにより固定子巻線の軸方向温度分布を均一にすることができる。場合によっては、あらかじめ端部側の電動ブロアー８ａと中央側の電動ブロアー８ｂの特性（圧力，流量、など）が異なるものを設置しておいてもよい。また、固定子巻線内に温度センサーを設置しておき、その温度センサーのデータに応じて、各電動ブロアーの出力を調整することもできる。例えば、運転中に何らかの原因により固定子巻線の端部側の温度が上がった場合には、端部側の電動ブロアー８ａの出力を増加させて、冷却風量を増やせばよい。

加えて、比較例では、一定回転で運転される回転電機を部分負荷運転する場合、常に一定のファン動力が損失として発生するため、部分負荷効率が低下するが、本実施例では、部分負荷運転の出力に応じて電動ブロアーの出力を調整することができ、部分負荷効率を向上させることができる。例えば、回転電機の出力値とファン出力の関係をあらかじめデータ化しておけば、回転電機の出力指令値が与えられた時にその出力に対して適切なファン出力、すなわち冷却用空気流量を決定することができる。

この実施例では、電動ブロアーにより冷却用空気が外部に放出されているか、冷却用空気の流れを全く逆にして、外部から空気を取り入れる形にした場合、電動ブロアーを通った空気が回転電機内の固定子及び回転子を冷却することになるため、空気温度は電動ブロアーを通過した分だけ上昇するが、それ以外の点については、同様の効果が期待できる。

図２は、本発明の第二の実施形態を示す回転電機の断面図である。

図２の実施例は、図１の実施例と比べて、固定子巻線端部を冷却した空気が直接電動ブロアーを介して外気へ放出されている点が異なっている。図１の実施例では、固定子巻線端部を冷却した空気は一旦固定子鉄心内周側に向かい、固定子鉄心内部の冷却流路を内周側から外周側へ通った後、電動ブロアーを介して外気へ排出される。図２の実施例では、固定子鉄心内部の冷却流路を通らない分だけ固定子巻線端部を冷却する空気流量が増加し、固定子巻線端部の温度を低下させることができる。

この実施例では、図１の実施例と比べて固定子巻線端部の温度をさらに低減できる他は、図１の実施例と同様の効果が期待できる。

図３は、本発明の第三の実施形態を示す回転電機の断面図である。

図３の実施例は、図２の実施例と同様に、固定子巻線端部を冷却した空気が直接電動ブロアーを介して外気へ放出されているが、固定子巻線端部専用の電動ブロアーを設置している点が図２の実施例とは異なっている。

この実施例では、図２の実施例と同様の効果が期待できる。

図４は、本発明の第四の実施形態を示す回転電機の断面図である。

図４の実施例は、図１の実施例と比べて、各セクションごとに設置されていた電動ブロアーをまとめて、電動ブロアーの数を減らした点が異なっている。

この実施例では、各セクションごとの流量配分を調整することができないが、それ以外の点に関しては図１の実施例と同様の効果が期待できる。

図５は、本発明の第五の実施形態を示す回転電機の断面図である。

図５は、ファンと電動ブロアーを併用した場合の実施例を示している。

外気から取り入れられた空気は、回転軸両端に設置されたファンにより昇圧され、固定子巻線端部を通って固定子鉄心外周側へ、または回転子内部やエアギャップを通って固定子鉄心内周側に至る。固定子巻線端部を通った空気は、複数セクションを跨ぐ軸方向通風配管（図示せず）により軸方向中央側の冷却流路を形成する各セクションに送られる。各セクションに到達した空気は固定子鉄心内周側へ至った後、回転子内部やエアギャップを通った空気と合流して、固定子鉄心内周側から外周側を通って、さらにセクションへ至り、最終的に電動ブロアーを介して固定子枠の外へ放出される。

この実施例では、冷却用空気の通風経路で考えると、ファンと電動ブロアーを直列に配置していることがわかる。この場合、冷却用空気を循環させるのに必要な圧力をファンと電動ブロアーで分担することができるので、ファンのみの場合、あるいは電動ブロアーのみの場合に比べて、各々ファンと電動ブロアーは小型のものを使用することができる。この結果、ファン通過後の温度上昇はファンのみの場合に比べて小さくすることできる。また、これ以外の点に関しては、図１の実施例と同様の効果が期待できる。

図６は、本発明の第六の実施形態を示す回転電機の断面図である。

図６は、ファンと電動ブロアーを併用した場合の実施例を示している。

外気から取り入れられた空気は、回転軸両端に設置されたファンにより昇圧され、固定子巻線端部を通って固定子鉄心外周側へ、または回転子内部やエアギャップを通って固定子鉄心内周側に至る。一方、電動ブロアーを介して取り入れられた外気は、電動ブロアーとつながっているセクションを通過した後、固定子鉄心外周側から内周側へ至る。固定子巻線端部を通った空気は、複数セクションを跨ぐ軸方向通風配管（図示せず）により軸方向中央部の冷却流路を形成するセクションに送られた後、固定子内周側へ至る。固定子内周側に至った各々の空気は、固定子内部，回転子内部やエアギャップを通った空気と合流して、固定子鉄心内周側から外周側を通って、さらにセクションへ至り、最終的に固定子枠の外へ放出される。

この実施例では、冷却用空気の通風経路で考えると、ファンと電動ブロアーを並列に配置していることがわかる。この場合、冷却用空気流量をファンと電動ブロアーで分担することができるので、ファンのみの場合、あるいは電動ブロアーのみの場合に比べて、各々ファンと電動ブロアーは小出力のものを使用することができる。ただし、ファン通過後の温度上昇は、ファンのみの場合とあまり変わらない。これ以外の点に関しては、図１の実施例と同様の効果が期待できる。

図８は、本発明の第七の実施形態を示す回転電機の断面図である。

図８の実施例は、図５の実施例において、電動ブロアーから排出される冷却媒体を熱交換器により冷却し、再び冷却媒体として利用する構成としたものであり、冷却媒体を閉ループで循環させる密閉型の回転電機である。

この実施例では、図５の実施例と同様の効果が期待できる。また、この実施例では、ファンと電動ブロアーを併用した構成について示したが、電動ブロアーのみの構成でも同様の効果が得られるのは明らかである。

上記実施例の効果をまとめると、電動ブロアーにより固定子枠内の冷却媒体を外気に放出する場合、外気を直接回転電機内に取り入れ循環させることができるため、ファン通過後の温度上昇した空気が回転電機内を循環する必要がなくなり、その分だけ回転電機各部の温度を低減することができる。さらに、固定子枠外周から各セクションに直接外気を供給することが可能となるため、回転電機各部の温度を一層低減することが可能となる。また、複数の電動ブロアーを設置した場合、各セクションの流量配分、すなわち固定子鉄心内の軸方向流量分布を調整することが可能になり、固定子鉄心及び固定子巻線の温度分布を均一化することができる。

さらに、部分負荷運転時に必要な冷却風量に応じて電動ブロアーの出力を調整すればよいため、一定回転で運転される回転電機で従来発生していたファン動力分による効率低下分を低減することができる。また、回転電機の回転停止後でも、電動ブロアーを別途運転することにより、回転電機を冷却することが可能となる。

本発明の第一の実施形態を示す回転電機の断面図。 本発明の第二の実施形態を示す回転電機の断面図。 本発明の第三の実施形態を示す回転電機の断面図。 本発明の第四の実施形態を示す回転電機の断面図。 本発明の第五の実施形態を示す回転電機の断面図。 本発明の第六の実施形態を示す回転電機の断面図。 従来の実施形態を示す回転電機の断面図。 本発明の第七の実施形態を示す回転電機の断面図。

符号の説明

１…固定子鉄心、２…固定子巻線、３…回転軸、４…回転子鉄心、５…固定子枠、６…仕切り板、７…セクション、８…電動ブロアー、９…ファン、１０…熱交換器。

Claims (16)

1. 磁性材の固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、回転軸に固定された磁性材の回転子鉄心に回転子巻線を巻回した回転子と、前記固定子及び回転子を収納する固定子枠で構成され、前記固定子鉄心と前記固定子枠の間に設けられた仕切り板によって軸方向に分割された複数のセクションと、前記セクションとつながっており、前記固定子鉄心内に形成され、冷却媒体を径方向に流す冷却流路と前記固定子枠に軸方向に複数配置された電動ブロアーとを有し、前記電動ブロアーは固定子枠内の冷却媒体を固定子枠外部に送ることを特徴とする回転電機。
2. 磁性材の固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、回転軸に固定された磁性材の回転子鉄心に回転子巻線を巻回した回転子と、前記固定子及び回転子を収納する固定子枠で構成され、前記固定子鉄心と前記固定子枠の間に設けられた仕切り板によって軸方向に分割された複数のセクションと、前記セクションとつながっており、前記固定子鉄心内に形成され、冷却媒体を径方向に流す冷却流路と前記固定子枠に軸方向に複数配置された電動ブロアーとを有し、前記電動ブロアーは固定子枠内の冷却媒体を外部に送風する前記複数のセクションのうち少なくとも一つのセクションから、前記電動ブロアーを介して冷却媒体を固定子枠外部に送ることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１において、前記複数のセクションのうち少なくとも一つのセクションに固定子枠外部から直接冷却媒体を取り入れることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１において、前記回転軸に冷却媒体を駆動するファンが設置されていることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１において、冷却媒体を冷却する熱交換器を有し、回転電機内の冷却媒体の循環経路を、前記熱交換器を含み、かつ外気と遮断された閉ループで形成することを特徴とする回転電機。
6. 請求項１において、前記複数の電動ブロアーの出力をそれぞれ独立に調整する出力調整手段を有することを特徴とする回転電機。
7. 請求項６において、前記出力調整手段は、回転電機内の温度計測値に基づいて前記電動ブロアーの出力を調整することを特徴とする回転電機。
8. 請求項６において、前記出力調整手段は、回転電機の出力値、または出力指令値に基づいて前記電動ブロアーの出力を調整することを特徴とする回転電機。
9. 磁性材の固定子鉄心に固定子巻線を巻回した固定子と、回転軸に固定された磁性材の回転子鉄心に回転子巻線を巻回した回転子と、前記固定子及び回転子を収納する固定子枠で構成され、前記固定子鉄心と前記固定子枠の間に設けられた仕切り板によって軸方向に分割された複数のセクションと、前記セクションとつながっており、前記固定子鉄心内に形成され、冷却媒体を径方向に流す冷却流路と前記固定子枠に軸方向に複数配置された電動ブロアーとを有し、前記電動ブロアーは固定子枠外部の冷却媒体を固定子枠内部に送ることを特徴とする回転電機。
10. 請求項９において、前記電動ブロアーは固定子枠内の冷却媒体を固定子枠外部に送る前記複数のセクションのうち少なくとも一つ以上のセクションから、前記電動ブロアーを介して冷却媒体を外気に放出することを特徴とする回転電機。
11. 請求項９において、前記複数のセクションのうち少なくとも一つのセクションに、固定子枠外部から直接冷却媒体を取り入れることを特徴とする回転電機。
12. 請求項９において、前記回転軸に冷却媒体を駆動するファンが設置されていることを特徴とする回転電機。
13. 請求項９において、冷却媒体を冷却する熱交換器を有し、回転電機内の冷却媒体の循環経路を、前記熱交換器を含み、かつ外気と遮断された閉ループで形成することを特徴とする回転電機。
14. 請求項９において、前記複数の電動ブロアーの出力をそれぞれ独立に調整する出力調整手段を有することを特徴とする回転電機。
15. 請求項１４において、前記出力調整手段は、回転電機内の温度計測値に基づいて前記電動ブロアーの出力を調整することを特徴とする回転電機。
16. 請求項１４において、前記出力調整手段は、回転電機の出力値、または出力指令値に基づいて前記電動ブロアーの出力を調整する出力調整手段を有することを特徴とする回転電機。
    
    

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