JP2007166814A - 永久磁石を備えた回転電気機械の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子を水冷する永久磁石回転電機において、通水孔内の流量、流速を負荷状態に応じて最適に調整する冷却系を提供する。
【解決手段】中子リング両端の水室１個あたりに接続される通水孔を流入側、流出側それぞれ２個所以上とする。また、前記水室内に外部から開閉操作可能な仕切りを設け、水室１個あたりの流入側、流出側通水孔の数量を外部から変更できるように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転子側に永久磁石を備え、固定子側が巻線と鉄心からなる回転電気機械の冷却装置に関する。

回転電気機械は主として固定子と回転子から構成されている。交流回転電気機械においては固定子側に固定子鉄心および固定子巻線、回転子側に回転子鉄心および界磁巻線が設置されるものが多い。固定子巻線には交流電流が通流される結果、固定子鉄心には交流磁界が生ずるので、固定子側には固定子巻線電流によるジュール損失の他に固定子鉄心内に鉄損（ヒステリシス損および渦電流損）が発生する。

一方、回転子側では界磁巻線に流す電流は通常直流であり、回転子は固定子側の固定子巻線電流によって生じる回転磁界の回転速度と同期して回転運動を行うため、回転子鉄心内を通過する磁束はほぼ直流とみなされる。したがって回転子側では鉄損は界磁巻線電流によるジュール損失に比べて非常に小さい。

界磁巻線電流が作る磁界は直流磁界であるので、これを永久磁石で置き換えることが可能である。回転子界磁巻線の代わりに永久磁石を使用した永久磁石回転電気機械は、界磁巻線による励磁を必要としないので、界磁巻線におけるジュール発熱もない。したがって回転子側を特別に冷却する必要がなく、全体の冷却装置の負担が少なくて済み、寸法が小さくできるため、電動機設置スペースの限られる舶用などによく採用されている。

従来、この種の回転電気機械の冷却装置は特許文献１に開示されているような固定子側のみを水冷する方式が使用されている。図２はこの水冷方式により冷却を行う永久磁石回転電気機械の軸方向断面を示したものである。すなわち図２において、永久磁石２をその表面に取り付けた回転子１は回転軸１０に止着され、軸受１１を介して固定子フレームと回転自在に支承されている。該永久磁石２に対向して固定子鉄心３および固定子巻線４が配置され、これらは中子リング５を介して固定子フレームに固設されている。中子リング５内には通水孔６が円周方向に複数箇所設けられており、その軸方向両端は水室７に接続されている。

通水孔６と水室７の接続関係をこれらの円周方向展開図である図５で説明する。２本の通水孔６に対して１個の水室７が接続されており、両端の水室７の円周方向配置は通水孔６のピッチ分だけずれている。この接続により全ての通水孔６は直列に接続されたことになり、冷却水の水流は矢印で示した方向に流れる。
特開平３−１４３２４７号公報

中子リング中に通水孔を設け回転電機の固定子を水冷する冷却装置において、通水孔の直径と数量および冷却水の流量、流速などの設計値は冷却負荷となる回転電機の発生損失、冷却水を循環させるポンプ容量、通水孔を通す中子リングの強度などのバランスをとって決められる。

中子リングの寸法には制約があり、その中で強度を確保するためには、通水孔の直径および数量は小さいほうが望ましい。一方、通水孔の直径を小さくすると冷却水の流速は大となり、流速の２乗に比例する管路抵抗の増大を招くほか、水流の機械的作用による侵食、いわゆるエロージョンの発生も考慮しておかねばならない。また逆に通水孔の直径を大きくしすぎると、流速は過小となり、堆積物の付着による障害などが問題になってくる。

前記従来構造の冷却装置では、１個の水室に接続されている通水孔は流入側、流出側それぞれ１本であるため、上記の設計パラメータのバランスをとることが困難な場合が生ずる。また、回転電機の運転は全負荷だけでなく無負荷に近い状態もあり、発生損失も運転状態によって異なる。これに応じて冷却条件、すなわち冷却水の水量、流速などを変えて冷却用ポンプの動力低減を図る場合でも、従来構造の冷却装置では設計時の最適条件が保てない場合も生じてくる。

このため本発明では、中子リング両端の水室１個あたりに接続される通水孔を流入側、流出側それぞれ２個所以上とした。また、前記水室内に外部から開閉操作可能な仕切りを設け、水室１個あたりの流入側、流出側通水孔の数量を外部から変更できるように構成した。

本発明では、中子リング両端の水室１個あたりに接続される通水孔を流入側、流出側それぞれ２個所以上としたため、回転電機の発生損失、冷却水を循環させるポンプ容量、通水孔を通す中子リングの強度などによって決まる通水孔の直径と数量および冷却水の流量、流速などの設計値をバランスよく設定でき、必要な流量に対して通水孔１本あたりの直径を小さくできるので中子リングの強度面で優位性が発揮される。

また、回転電機の無負荷から全負荷までの運転条件の違いによる発生損失の増減に対応して水室１個あたりの流入側、流出側通水孔の数量を外部から変更することにより、通水孔中の流量、流速を常に最適値に近づけた冷却ポンプの運転を行うことができる。

次に、本発明による回転電気機械の冷却装置の具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は本発明による冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の中子リング部の円周方向展開図である。図１において水室７は中子リングの軸方向両端に配置されており、水室１個に対して４本の通水孔６が接続されている。両端の水室７は円周方向に通水孔２本分だけずれて配置されている。このように通水孔６および水室７を接続すると、冷却水の水流は矢印で図示するようになり、水室１個あたりの流入側、流出側通水孔の数量はそれぞれ２本となる。

１つの水室に接続される通水孔を流入側、流出側それぞれ複数個とした本発明の効果は回転電機の発生損失、冷却水を循環させるポンプ容量、通水孔を通す中子リングの強度などによって決まる通水孔の直径と数量および冷却水の流量、流速などの設計値をバランスよく設定できることと、通水孔を貫通させる中子リングの強度面の優位性である。強度面に関して図３で具体的に説明する。図３は通水孔を持つ中子リングの一部を示す断面図であり、（ａ）は従来の冷却装置における中子リング、（ｂ）は本発明の冷却装置における中子リングを示している。図３（ａ）の従来の冷却装置では直径ｄの通水孔がピッチＤで円周方向に配置されている。図３（ｂ）の本発明の冷却装置では同じピッチＤの間の通水孔の数量を２倍としている。冷却性能を確保するために通水孔内の冷却水への伝熱面積を一定に保つとすると、本発明の冷却装置での通水孔の直径は従来装置での半分のｄ/２で良い。

この両者で強度面での優劣を比較する。図３において中子リングの強度を検討する際の内部応力は引張り力÷断面積で評価するが、引張り力ＦA（円周方向の引張り）に対する断面積の計算は孔列の部分を除いて、図３（ａ）の従来の冷却装置では（Ｗ−ｄ）×奥行き、図３（ｂ）の本発明の冷却装置では（Ｗ−ｄ/２）×奥行きとなって本発明の冷却装置
の方が孔列を設けたときの断面積の減少が少ない。また、引張り力ＦB（半径方向の引張り）に対する断面積の計算では従来の冷却装置の通水孔ピッチＤの範囲の断面積をみると、双方とも（Ｄ−ｄ）×奥行きとなって同等である。この両者の検討から強度面でも水室１個あたり通水孔の数量を２倍とした本発明の冷却装置が優位であるということができる。

なお、図１の構成では水室７は個々に独立した形に描かれているが、ドーナツ形のように円周方向に連続した形状であって、内部に仕切りを設けてそれぞれを水室とする構成であっても同等の効果が生じる。

図４は本発明の第２の実施例による冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の中子リング部の円周方向展開図である。図４において中子リングの軸方向両端に配置された水室７は円周方向には連続しており、通水孔１本分のピッチで仕切り１３が外部から操作可能なように全周にわたって設置されている。

図４は両端の水室７の仕切り１３を、片側が閉−開−開−開−閉、もう一方がこれに対応して開−開−閉−開−開とした状態を示している。この状態では仕切り１３で仕切られた水室１個あたりに接続される通水孔６の数は４本であり、冷却水の流れ方向は矢印のようになるので、水室１個あたりの通水孔は流入側、流出側それぞれ２個に相当し、実施例１の場合の構成と同等になる。

図示はしていないが、仕切り１３を通水孔２本分のピッチで設置することも可能である。
この場合、仕切り１３を１個づつ互い違いに開閉させると水室１個あたりの通水孔が流入側、流出側それぞれ２本となり、前述の実施例と同等の構成となる。このように仕切り１３の開閉状態で水室１個あたりの通水孔の数を変えることができるので、回転電機の負荷状態の違いによる発生損失に合わせた冷却水の最適な流量、流速を得ることができる。

本発明の冷却装置の展開図 永久磁石を持ち、固定子を水冷する回転電気機械の軸方向断面図 通水孔を持つ中子リングの一部を示す断面図であり、（ａ）は従来の冷却装置における中子リングの断面図、（ｂ）は本発明の冷却装置における中子リングの断面図 本発明の第２の実施例による冷却装置の展開図 従来の冷却装置の展開図

符号の説明

１ 回転子 ２ 永久磁石 ３ 固定子鉄心 ４ 固定子巻線
５ 中子リング ６ 通水孔 ７ 水室 ８ 冷却フィン
９ コイルエンド １０ 回転軸 １１ 軸受 １２ 攪拌ファン
１３ 仕切り

Claims (2)

1. 永久磁石を備えた回転子と、鉄心と固定子コイルによって構成され中子リングを介してフレームに取り付けられる固定子からなる回転電気機械であって、該中子リングを軸方向に貫通する通水孔と、該通水孔の軸方向両端に位置し該通水孔を連結する水室とで構成される冷却装置において、１つの水室に接続される通水孔を流入側、流出側それぞれ２個所以上としたことを特徴とする永久磁石を備えた回転電気機械の冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、１つの水室に接続される通水孔が流入側、流出側それぞれ２個所以上となるように、前記水室内に外部から開閉操作可能な仕切りを設けたことを特徴とする永久磁石を備えた回転電気機械の冷却装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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