JP2010154585A

JP2010154585A - 回転電機

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Publication number: JP2010154585A
Application number: JP2008326735A
Authority: JP
Inventors: Kiyonori Koga; 清訓古賀; Toshiyuki Umemoto; 俊行梅本; Takashi Shimada; 隆祥嶋田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-12-24
Filing date: 2008-12-24
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2028-12-24
Also published as: JP5325566B2

Abstract

【課題】ケーシングを必要以上に大きくすることなしに、固定子と回転子とを冷却するに足る十分な風量の冷却ガスを流すことができる通風路を備えた、小型で信頼性の高い、回転電機を得ることである。
【解決手段】ケーシングの側面とファンとの間に通風路を形成するように、ケーシングとファンの羽根長さとほぼ等しい間隔で設けられた端面部と、ファンの側面と所定の間隔で円筒状に設けられたファン対向部とを有する仕切りガイドと、ファンとガス冷却器の間に通風路を形成するように、仕切りガイドの軸方向の中央側に仕切りガイドとファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた中央側ガイドとを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機に関するものであり、特に、密閉型で固定子と回転子とを冷却する冷却ガスの通風経路を備えた回転電機に関するものである。

密閉型の回転電機では、回転子の両側の回転軸に取付けたファンにより冷却ガスを固定子および回転子内に通風して、固定子コイル、固定子コアおよび回転子コイルを冷却している。
密閉型の回転電機における、冷却ガスの通風方式には、大略、ファンから回転電機内部を冷却した後にガス冷却器を通過してガスを冷却するフォワードフロー通風方式と、ファンからガス冷却器を通過させてガスを冷却した後に回転電機内部を冷却するリバースフロー通風方式がある。

フォワードフロー通風方式の密閉型回転電機は、ガイドと、このガイドの内側に設けられた固定子および回転子と、回転子の両端に設けられたファンと、冷却ガスを冷却するガスクーラと、これらを中に納めるケーシングとを備えている。
このフォワードフロー通風方式の密閉型回転電機では、ガスクーラで冷却された冷却ガスは、ファンの回転により、ケーシングとガイドとの間に形成された通風路を流れ、ファンを通過してガイドの内側に送入される。この送入された冷却ガスは、固定子および回転子を冷却した後、固定子の外径側に排出される。この固定子および回転子を冷却し高温となって排出された冷却ガスは、ガスクーラを通過して冷却され、通風路を通って再びファンへと循環する（例えば、特許文献１参照）。

また、リバースフロー通風方式の密閉型回転電機も、ガイドと、このガイドの内側に設けられた固定子および回転子と、回転子の両端に設けられたファンと、冷却ガスを冷却するガスクーラと、これらを中に納めるケーシングとを備えている。
このリバースフロー通風方式の密閉型回転電機では、回転子の両端に設けられたファンは、フォワードフロー通風方式の場合とは逆向に冷却ガスを流す。ファンから吐出された冷却ガスは通風路を通りガスクーラに導かれる。このガスクーラを通過して冷却された低温の冷却ガスは、ガスクーラから排出されて固定子および回転子に配流され、固定子および回転子を冷却した後、再びファンへ導かれる（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１の風導、風導板、外殻は、それぞれ本願明細書の通風路、ガイド、ケーシングに相当する。

特開２００１−２９８９０６号公報（第２〜３頁、第１２〜１３図）

特許文献１に記載のフォワードフロー通風方式の密閉型回転電機では、ガスクーラで冷却された冷却ガスは、ケーシングとガイドとの間に形成された通風路を通りファンに導かれ、このファンからガイドの内側に送入される。
特許文献１に記載のリバースフロー通風方式の密閉型回転電機では、ファンから吐出された冷却ガスは通風路を通りガスクーラに導かれ、このガスクーラを通過して冷却された冷却ガスが、ガイドの内側に送入される。

上記フォワードフロー通風方式とリバースフロー通風方式との両方の密閉型の回転電機では、回転電機の効率を低下させる大きなファンを用いることなしに、固定子と回転子とを十分に冷却する冷却ガスの風量を得るため、通風路での圧力損失を小さくしなければならない。すなわち、通風路の冷却ガスの通風方向に対して直角な断面の面積を大きくする必要があり、ケーシングの寸法が大きくなり回転電機を小型化できないとの問題があった。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、ケーシングを必要以上に大きくすることなしに、固定子と回転子とを冷却するに足る十分な風量の冷却ガスを流すことができる通風路を備えた、小型で信頼性の高い、回転電機を得ることである。

本発明に係わる回転電機は、回転子と、回転子の軸方向両端に取付けられたファンと、回転子を所定のギャップを設けて取り囲むように、回転子と同軸に配置された固定子と、固定子と回転子を収納する密封されたケーシングと、固定子と回転子を冷却する冷却ガスを冷却するガス冷却器と、ケーシングの端面の内部において、ケーシングの側面とファンとの間に通風路を形成するように、ケーシングとファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた端面部と、ファンの側面と所定の間隔で円筒状に設けられたファン対向部とを有する仕切りガイドと、ファンとガス冷却器の間に通風路を形成するように、仕切りガイドの軸方向の中央側に仕切りガイドとファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた中央側ガイドとを備えたものである。

本発明に係わる回転電機は、回転子と、回転子の軸方向両端に取付けられたファンと、回転子を所定のギャップを設けて取り囲むように、回転子と同軸に配置された固定子と、固定子と回転子を収納する密封されたケーシングと、固定子と回転子を冷却する冷却ガスを冷却するガス冷却器と、ケーシングの端面の内部において、ケーシングの側面とファンとの間に通風路を形成するように、ケーシングとファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた端面部と、ファンの側面と所定の間隔で円筒状に設けられたファン対向部とを有する仕切りガイドと、ファンとガス冷却器の間に通風路を形成するように、仕切りガイドの軸方向の中央側に仕切りガイドとファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた中央側ガイドとを備えたものであり、回転電機における固定子および回転子の高効率の冷却と、回転電機の小型化とが可能になる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機の水平面での断面模式図である。
図１に示す太字矢印は冷却ガスの流れを表している。図１に示すように、本実施の形態の回転電機１００は、回転子５と、回転子５の両端に取付けられたファン４と、回転子５を所定のギャップ１７を設けて取り囲み、回転子５と同軸に配置された固定子１５と、回転電機のケーシング１と、ケーシング１の端面の内部にケーシング１の側面と対向して設けられ、ケーシング１とで入口側通風路６を形成する仕切りガイド２と、仕切りガイド２の内側に仕切りガイド２と対向して設けられ、仕切りガイド２とで出口側通風路７を形成する中央側ガイド３と、固定子１５と回転子５とを冷却する冷却ガスを冷却するガス冷却器１４を備えている。そして、入口側通風路６と出口側通風路７とは、仕切りガイド２を挟んで平行に設けられている。

仕切りガイド２は、ケーシング１の端面の内側に平行な面である端面部２ａと、端面部２ａの外周側にケーシング１の側面との間に固定子１５の外周側につながる通風路が形成できるように設けられた外周部２ｂと、端面部２ａの内周側にファン４の側面と所定の間隔で設けられた円筒状のファン対向部２ｃとを有する形状である。
中央側ガイド３は、端面部の内側と対向する軸に垂直な平面と、軸が挿通する孔の周囲がファン４の羽の軸側の端に相当する部分までは平板状であり、その周囲は径方向の外側になるにしたがって次第に軸方向の端面側になるような傾斜が設けられている。中央側ガイド３がこのような形状である理由は、仕切りガイド２との間の最小距離が、どの部分でも同じになるようにするためである。
ガス冷却器１４は、中央側ガイド３と仕切りガイド２の外周部２ｂとの間、すなわち固定子１５の軸方向の端面側に設けられる。

次に、本実施の形態の回転電機１００における、冷却ガスによる固定子１５と回転子５との冷却機構を説明する。
まず、ファン４の回転による吸引により、冷却ガスは、ガス冷却器１４から、固定子コア１５の軸方向の端面と中央側ガイド３とで形成された空間部１０へ排出される。このガス冷却器１４から排出された冷却ガスは分岐して、回転子５と固定子コア１５ａとのギャップ１７の方向と、回転子５の内部方向とに流入していく。

回転子５の内部方向、すなわち回転子５の保持環５ａから回転子５内に流入した冷却ガスは、回転子５の胴内に軸方向と半径方向とに設けられた冷却パスを通り、回転子コイル１５ｂを冷却し、ギャップ１７へと排出される。
ギャップ１７の方向に直接に流入した冷却ガスは、回転子５よりギャップ１７に排出された冷却ガスと一緒になり、固定子コア１５ａの半径方向に多数設けられた通風溝を通過して、固定子コア１５ａと固定子コイル１５ｂとを冷却した後、固定子コア１５ａの背部に排出される。

次に、固定子コア１５ａの背部（外周部）に排出された冷却ガスは、入口側通風路６において回転子の軸に垂直な方向（軸に垂直な方向と記す）を回転子の軸側に流れ、ファン４に到る。ファン４を通過した冷却ガスは方向を変えて、出口側通風路７において軸に垂直な方向を外周側へ流れ、ガス冷却器１４に戻る。ガス冷却器１４に戻った冷却ガスはガス冷却器１４で冷却され、再び、固定子コア１５ａの軸方向の端面と中央側ガイド３とで形成された空間部１０へ排出される。
本実施の形態の回転電機１００は、このような冷却ガスの循環により、固定子１５と回転子５とが冷却される。

図２は、本発明の実施の形態１に係わる回転電機における通風路要部の構造を示す断面模式図である。図２に示す太字矢印は冷却ガスの流れを表している。
本実施の形態の回転電機１００において、図２に示す入口側通風路６の軸に平行な方向の通風路幅Ｗｉとファン４の羽長さＦｈとの比であるＷｉ／Ｆｈを変えて、ファン４の通風効率Ｅｆを求め、これらの関係を、Ｗｉ／Ｆｈを横軸としＥｆを縦軸として図３に示した。図３に示すように、Ｗｉ／Ｆｈが約１までは、この値の増加とともに、Ｅｆが大きく増加するが、Ｗｉ／Ｆｈが約１以上では、Ｅｆは飽和しその増加が非常に小さくなることを見出した。

また、図２に示す出口側通風路７の軸に平行な方向の通風路幅Ｗｏとファン４の羽長さＦｈとの比であるＷｏ／Ｆｈを変えて、ファン４の通風効率Ｅｆを求め、これらの関係を、Ｗｏ／Ｆｈを横軸としＥｆを縦軸として図４に示した。図４に示すように、Ｗｏ／Ｆｈが約１までは、この値の増加とともに、Ｅｆが大きく増加するが、Ｗｏ／Ｆｈが約１以上では、Ｅｆは飽和しその増加が非常に小さくなることを見出した。

本実施の形態の回転電機１００は、入口側通風路６の通風路幅Ｗｉとファン４の羽長さＦｈとをほぼ同じにしてあるとともに、出口側通風路７の通風路幅Ｗｏとファン４の羽長さＦｈとをほぼ同じにしてあり、ファン４の通風効率が優れるとともに、入口側通風路６と出口側通風路７との幅が大きくなり過ぎない冷却ガス循環路を備えたものである。
すなわち、本実施の形態の回転電機１００は、固定子および回転子の高効率の冷却と小型化とが可能なものである。
出口側と入口側は、図に示した気流の向きの場合にファン４との関係で表現するものである。回転機１００が逆方向に回転する場合には、気流の向きは逆になり、出口側と入口側とは入れ替わるが、同様な効果が得られる。これは、他の実施の形態でも同様である。

実施の形態２．
図５は、本発明の実施の形態２に係わる回転電機における部分断面模式図である。
図５に示す太字矢印は冷却ガスの流れを表している。図５に示すように、本実施の形態の回転電機２００は、仕切りガイド２１が、ファン４の外周部と対向する部分でＵ字状に折り曲げられ、仕切りガイド２１が、実施の形態１の場合と同様な端面部２１ａ、外周部２１ｂおよびファン対向部２１ｃに加えて、ファン対向部２１ｃの軸方向の中央側から軸に垂直な面として設けられた内面部２１ｄを有する。中央側ガイド３は、軸に垂直な平面になっている。内面部２１ｄと中央側ガイド３とが対向し、その間に出口側通風路７を形成している。これ以外の点では、実施の形態１の回転電機１００と同様である。

本実施の形態の回転電機２００も、入口側通風路６の通風路幅Ｗｉとファン４の羽長さＦｈとをほぼ同じにしてあるとともに、出口側通風路７の通風路幅Ｗｏとファン４の羽長さＦｈとをほぼ同じにしてあり、ファン４の通風効率が優れるとともに、入口側通風路６と出口側通風路７との幅が大きくなり過ぎない冷却ガス循環路を備えたものである。
すなわち、本実施の形態の回転電機２００も、固定子および回転子の高効率の冷却と小型化とが可能なものである。特に、ファン４通過後に流れる冷却ガスの方向が、ファン４の軸に対して略垂直方向であり、冷却ガスの通風抵抗がさらに小さくなる。

実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３に係わる回転電機における部分断面模式図である。
図６に示す太字矢印は冷却ガスの流れを表している。図６に示すように、本実施の形態の回転電機３００は、中央側ガイド３を用いず、入口側通風路６からファン４を通過した冷却ガスが、固定子１５と回転子５との側に流れるようにしてあるとともに、ガス冷却器１４を、固定子１５の外周側に設けた以外、実施の形態１の回転電機１００と同様である。

本実施の形態の回転電機３００は、入口側通風路６の通風路幅Ｗｉとファン４の羽長さＦｈとをほぼ同じにしてあるので、ファン４の通風効率が優れるとともに、入口側通風路６の幅が大きくなり過ぎない冷却ガス循環路を備えたものである。
すなわち、本実施の形態の回転電機３００は、固定子および回転子の高効率の冷却と小型化とが可能なものである。特に、中央側ガイド３を用いないので回転電機をさらに小型化できるとともに、ファン４を通過した冷却ガスが空間部２０に放出されるので冷却ガスの通風抵抗をさらに小さくできる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４に係わる回転電機における部分断面模式図である。
図７に示す太字矢印は冷却ガスの流れを表している。図７に示すように、本実施の形態の回転電機４００は、ファン４の回転方向を逆転させるとともに、入口側通風路６を出口側通風路７とした以外、実施の形態３の回転電機３００と同様である。

本実施の形態の回転電機４００は、出口側通風路７の通風路幅Ｗｏとファン４の羽長さＦｈとをほぼ同じにしてあるので、ファン４の通風効率が優れるとともに、出口側通風路７の幅が大きくなり過ぎない冷却ガス循環路を備えたものである。
すなわち、本実施の形態の回転電機４００は、固定子および回転子の高効率の冷却と小型化とが可能なものである。特に、中央側ガイド３を用いないので、回転電機をさらに小型化できるとともに、空間部３０から冷却ガスがファン４に入るので、冷却ガスの通風抵抗をさらに小さくできる。

本発明に係わる回転電機は、固定子および回転子の高効率の冷却と小型化とが可能であり、小型・高性能な回転電機として用いることができる。

本発明の実施の形態１に係わる回転電機の水平面での断面模式図である。本発明の実施の形態１に係わる回転電機における通風路要部の構造を示す断面模式図である。本発明の実施の形態１に係わる回転電機におけるＷｉ／ＦｈとＥｆとの関係を示す図である。本発明の実施の形態１に係わる回転電機におけるＷｏ／ＦｈとＥｆとの関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係わる回転電機における部分断面模式図である。本発明の実施の形態３に係わる回転電機における部分断面模式図である。本発明の実施の形態４に係わる回転電機における部分断面模式図である。

符号の説明

１ケーシング、２仕切りガイド、２ａ端面部、２ｂ外周部、
２ｃファン対向部、３中央側ガイド、４ファン、５回転子、
５ａ回転子保持環、６入口側通風路、７出口側通風路、
１０，２０，３０空間部、１４ガス冷却器、１５固定子、１５ａ固定子コア、
１５ｂ固定子コイル、１７ギャップ、２１仕切りガイド、２１ａ端面部、
２１ｂ外周部、２１ｃファン対向部、２１ｄ内面部、
１００，２００，３００，４００回転電機。

Claims

回転子と、上記回転子の軸方向両端に取付けられたファンと、上記回転子を所定のギャップを設けて取り囲むように、上記回転子と同軸に配置された固定子と、上記固定子と上記回転子を収納する密封されたケーシングと、上記固定子と上記回転子を冷却する冷却ガスを冷却するガス冷却器と、上記ケーシングの端面の内部において、上記ケーシングの側面と上記ファンとの間に通風路を形成するように、上記ケーシングと上記ファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた端面部と、上記ファンの側面と所定の間隔で円筒状に設けられたファン対向部とを有する仕切りガイドと、上記ファンと上記ガス冷却器の間に通風路を形成するように、上記仕切りガイドの軸方向の中央側に上記仕切りガイドと上記ファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた中央側ガイドとを備えた回転電機。
上記仕切りガイドが、上記ファン対向部の軸方向における中央側の端に軸に垂直な面として設けられる内面部とを有するものであり、上記中央側ガイドが上記内面部と上記ファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
回転子と、上記回転子の軸方向の両端に取付けられたファンと、上記回転子を所定のギャップを設けて取り囲むように、上記回転子と同軸に配置された固定子と、上記固定子と上記回転子を収納する密封されたケーシングと、上記固定子と上記回転子を冷却する冷却ガスを冷却するガス冷却器と、上記ケーシングの端面の内部において、上記ケーシングの側面と上記ファンとの間に通風路を形成するように、上記ケーシングと上記ファンの羽長さとほぼ等しい間隔で設けられた端面部と、上記ファンの側面と所定の間隔で円筒状に設けられたファン対向部とを有する仕切りガイドとを備えた回転電機。