JP2015023600A - 回転電気機械 - Google Patents

Abstract

【課題】装置サイズを増大させることなく、ケーシング内の空気を効率的に冷却できる回転電気機械を提供する。【解決手段】第１の仕切り板は、配水管を介して水室と連結され、水室から供給される冷却水が内部を流れる第２の冷却水路を有し、軸方向における固定子及び中子リングの端面に対向して設けられている。複数の仕切り板冷却フィンは、第１の仕切り板の面のケーシングの内壁面に対向する面上に回転軸に対して放射状に配列されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機や発電機等の回転電気機械に関する。

発電機等の回転電気機械は、固定子と、この固定子の開口部分に回転可能に設けられる回転子とをケーシング内に収納した構造を有している。このような回転電気機械では、ケーシング内部の各構成部品を冷却するため、回転子に撹拌ファンを設け、これを回転子と共に回転させてケーシング内の空気を攪拌する。また、固定子のコイルエンドと、このコイルエンドと対向するケーシング内面との間に仕切り板を設けた回転電気機械も知られている。撹拌ファンにより攪拌され、固定子巻線のコイルエンドを経たケーシング内の空気は、この仕切り板とケーシングの内壁面との間に案内される。

更に、上述した固定側の仕切り板に加えて、回転子の軸方向端部にも仕切り板が設けられた回転電気機械も知られている。コイルエンド側だけでなく、回転子側にも仕切り板を設けることで、冷却空気が撹拌ファンの周囲のみで短絡的に循環することを防ぐことができるため、コイルエンド側を通過する冷却空気量が確保される。

実公昭４２−１８９６４号公報 特開２００７−１３５３０６号公報

しかしながら、上述した従来の回転電気機械の構造は、コイルエンドや回転子に対向して仕切り板を設けることで冷却空気の循環経路を確保したに過ぎなかった。このため、特にケーシングが密閉構造の場合には、撹拌ファンによりケーシング内部の空気を撹拌し、撹拌された空気を中子リングの端部に一体形成された小さな冷却フィンによって冷却するだけでは冷却効果が低く、高温状態となる固定子鉄心及び固定子巻線を十分に冷却することはできなかった。また、ケーシング内に冷却装置を別途設けることもできるが、装置サイズや製造コストの増大などの問題があった。

そこで、本発明は、装置サイズを増大させることなく、ケーシング内の空気を効率的に冷却できる回転電気機械を提供することを解決しようとする課題とする。

本発明の一実施形態に係る回転電気機械は、密閉構造のケーシングと、このケーシングに軸受を介して回転可能に支持された回転軸と、この回転軸に対して同心的に配置され、その外周面側が前記ケーシングの内壁面に固定されたリング状の中子リングと、この中子リングの肉厚部内において前記回転軸の軸方向に冷却水が流れるように設けられた第１の冷却水路と、この第１の冷却水路の端部に設けられ、前記冷却水を貯留する水室と、この水室の外側に一体形成された端部冷却フィンと、前記回転軸と同心的に設けられたリング状の固定子鉄心及びこれに巻き掛けられた固定子巻線を有し、前記中子リングの内周面に固定されたリング状の固定子と、この固定子の内側において前記回転軸に固定され、前記回転軸と共に回転可能な回転子と、前記回転子の前記軸方向端部に固定され、前記回転子の回転に伴って前記ケーシング内の空気を撹拌する撹拌ファンと、配水管を介して前記水室と連結され、前記水室から供給される前記冷却水が内部を流れる第２の冷却水路を有し、前記固定子及び前記中子リングの前記軸方向端面に対向して設けられた第１の仕切り板と、この第１の仕切り板の前記ケーシングの内壁面に対向する面上に前記回転軸に対して放射状に配列された複数の仕切り板冷却フィンと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、装置サイズを増大させることなく、空気の循環経路上に延長形成された冷却フィンによってケーシング内の空気を効率的に冷却できる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電気機械の内部構造を示す断面図。 図１に示す回転電気機械を回転軸の中心側から見た正面図。 本発明の第２の実施形態に係る回転電気機械の内部構造を示す断面図。 本発明の第３の実施形態に係る回転電気機械の内部構造を示す断面図。 本発明の第４の実施形態に係る回転電気機械の内部構造を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電気機械１０の内部構造を示す断面図である。ここでは、回転電気機械１０の上下の構造が共通しているため、上半部のみを図示している。また、図２は、図１に示す回転電気機械１０を回転軸１２の中心側から見た正面図である。これらの図に示されるように、回転電気機械１０は、密閉構造のケーシング１１内に回転軸１２が軸受１３を介して回転可能に支持されている。

中子リング１４は、リング状に形成されており、回転軸１２に対して同心的に配置され、その外周面側がケーシング１１の内壁面に固定されている。この中子リング１４の肉厚部分には、冷却水が回転軸１２の軸方向（図１の左右方向）に流れる第１の冷却水路１４１が設けられている。また、第１の冷却水路１４１の端部には、冷却水を貯留する水室１４２が設けられている。更に、水室１４２の外側には、端部冷却フィン１４３が一体形成されている。

固定子１５は、回転軸１２と同心的に形成されたリング状の固定子鉄心１５１及びこのリング状の鉄心の周囲に巻き掛けられた固定子巻線１５２を有しており、中子リング１４の内周面に固定されている。固定子巻線１５２の端部であるコイルエンド１５３は、固定子鉄心１５１の両端部から突出している。

回転子１６は、円板形状のリブ１６１を有し、リング状の固定子１５の内側で回転軸１２の外周部にリブ１６１を介して固定され、回転軸１２と共に回転可能である。

永久磁石１７は、一方の面で回転子１６に固定され、反対側の面がリング状の固定子１５の内周面と所定の距離離間して対向している。

撹拌ファン１８は、図１に示されるように回転子１６の左右端部に固定されており、回転子１６の回転に伴ってケーシング１１内の空気を撹拌する。

第１の仕切り板１９は、配水管１９１を介して水室１４２と連結され、水室１４２から供給される冷却水が内部を流れる第２の冷却水路１９２を有している。第１の仕切り板１９は、固定子１５及び中子リング１４の左右の端面にそれぞれ対向して、回転子１６の回転半径方向（図１の上下方向）に延長形成されている。なお、内部を循環する空気の冷却効率を高めるために、第１の仕切り板１９は、図１に示すように、上端部の位置が水室１４２の位置よりも上方（回転軸１２から遠く）にあり、かつ、下端部の位置がコイルエンド１５３の端部の位置よりも下方（回転軸１２から近い）となるような長さに形成されることが好ましい。そして、第１の仕切り板１９は、撹拌ファン１８により撹拌されてコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３を通過することで冷却された空気をケーシング１１の内壁面との間の空間に案内する。第２の冷却水路１９２内を循環した冷却水は、配水管１９１を介して水室１４２に再度戻される。

仕切り板冷却フィン２０は、図１に示すように、ケーシング１１の内壁面に対向して第１の仕切り板１９の面上に上下方向で延長形成されている。また、図２に示すように、複数の仕切り板冷却フィン２０は、リング状の第１の仕切り板１９の面上に回転軸１２に対して放射状に配列されている。本実施形態では仕切り板冷却フィン２０として金属製の薄板を複数枚、放射状に並べて配置したことにより、ケーシング１１内で循環する空気の流れを妨げず、かつ、空気との熱交換が十分行われる。そして、この仕切り板冷却フィン２０によって、第１の仕切り板１９によりケーシング１１の内壁面との間の空間に案内された空気を更に冷却することができる。また、本実施形態の回転電気機械１０は、永久磁石式電動機であるが、回転電気機械の一例として示したものであり、永久磁石１７を持たない他の方式の回転電気機械であってもよい。

以下、上記のように構成された回転電気機械１０の動作について説明する。回転電気機械１０が運転され、回転子１６が回転軸１２を中心に回転すると、この回転子１６の端部に設けられた撹拌ファン１８も共に回転し、ケーシング１１内の空気を攪拌する。この撹拌ファン１８により攪拌された空気は、図１に示すように上下方向に延びる第１の仕切り板１９により上方向に案内される。次に、固定子巻線１５２のコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３の周囲を経由することで、冷却されながら上昇する。この後、冷却された破線矢印Ａで示すように、ケーシング１１内の上面部分にてＵターンし、ケーシング１１の内壁面との間に流れ、下降する。そして、第１の仕切り板１９及びケーシング１１の内壁面に沿って下降する空気は、第１の仕切り板１９とその面上に形成されている仕切り板冷却フィン２０によって更に冷却されながら回転軸１２及び撹拌ファン１８方向に移動し、循環流を形成する。

このように、本実施形態に係る回転電気機械１０によれば、第１の仕切り板１９及び仕切り板冷却フィン２０がケーシング１１内の空気の循環経路上に配置されているため、循環する空気を従来よりも広い表面積で効率的に冷却することが可能である。また、第１の仕切り板１９は、配水管１９１を介して既設の中子リング１４の水室１４２と接続される構成のため、回転電気機械１０の内部に追加の冷却設備を設置する必要がない。すなわち、回転電気機械１０のサイズを大きくすることなく冷却効果を高めることができる。また、固定子１５や回転子１６などの主要部品の周囲に十分なスペースに確保できるため、設計の自由度も高い。更に、第１の仕切り板１９は、主要部品と一体ではない別部品のため、交換が容易であり、メンテナンスを行い易い利点もある。

＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態に係る回転電気機械１０の内部構造を示す断面図である。同図に示されるように、本実施形態に係る回転電気機械１０は、第１の仕切り板１９の回転軸１２側の端部（図３の下端）と板面が連続する第２の仕切り板２１が更に設けられている点が第１の実施形態と異なっている。この第２の仕切り板２１は、第１の仕切り板１９と板面が連続し、ケーシング１１の内壁面と対向して第１の仕切り板１９側の端部から回転子１６の回転半径方向（図３の上下方向）に延長形成された第１の板面と、この第１の板面の端部から撹拌ファン１８の近傍まで第１の板面に対してほぼ直角方向（図３の左右方向）に延長形成された第２の板面とからなる。

上記構成において、回転電気機械１０が運転され、回転子１６が回転軸１２を中心に回転すると、この回転子１６の端部に設けられた撹拌ファン１８も回転し、ケーシング１１内の空気を攪拌する。この撹拌ファン１８により攪拌されたケーシング１１内の空気は、破線矢印Ａで示すように、第１の仕切り板１９により案内されて、固定子巻線１５２のコイルエンド１５３を冷却しながら上昇する。コイルエンド１５３を冷却することで、空気の温度は上昇するが、その後、水室１４２の端部に一体形成された端部冷却フィン１４３と熱交換することで冷却される。

次に、端部冷却フィン１４３を経た空気は、ケーシング１１内の上面部分にてＵターンし、第１の仕切り板１９とケーシング１１の内壁面との間に流れ、下降する。そして、下降した空気は、第２の仕切り板２１により垂直方向および水平方向に案内されて回転軸１２の外周と撹拌ファン１８との間の空間に流れ、撹拌ファン１８により再びコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３に向って上昇し、ケーシング１１内における循環流を形成する。

すなわち、固定子１５のコイルエンド１５３の近傍に設けた第１の仕切り板１９に加えて、回転子１６の左右両端に設けられた撹拌ファン１８に対向して第２の仕切り板２１を設けたことにより、攪拌撹拌ファン１８の周囲のみで冷却空気が短絡的に循環することを防げる。したがって、コイルエンド１５３部分を通過する冷却空気量が充分に確保されるため、冷却効率が更に向上する。

また、第２の仕切り板２１は、第１の仕切り板１９と離間し、回転子１６の端部に対向させて取り付けるのではなく、第１の仕切り板１９に端部に固定することにより、従来の構造よりも、組立性が良く、微調整が容易である。

＜第３の実施形態＞
図４は、本発明の第３の実施形態に係る回転電気機械１０の内部構造を示す断面図である。本実施形態による回転電気機械１０は、上述した第２の実施形態と基本的に同じ構造の固定子１５、回転子１６、第１の仕切り板１９及び第２の仕切り板２１を備えている。第２の実施形態と異なり、中子リング１４の外周面上に回転軸１２の軸方向で外周側冷却フィン１４４が設けられている。この外周側冷却フィン１４４とこれに対向するケーシング１１の内壁面との間には、ケーシング１１内の一端側（図４の右側）と他端側（図４の左側）とを連通する冷却通路が形成されている。

また、第２の実施形態と異なり、回転軸１２の外周に回転子１６を取り付ける円板状のリブ１６１には、回転軸１２の軸方向に貫通する通気部１６２が設けられている。

これら固定子１５及び回転子１６の一端側に配置された第１の仕切り板１９及び第２の仕切り板２１の機能は、第２の実施形態で説明した機能と同じである。すなわち、一端側において、第１の仕切り板１９は、回転子１６の回転に伴い、撹拌ファン１８により攪拌されたケーシング１１内の空気を、固定子巻線１５２のコイルエンド１５３及び水室１４２と一体の端部冷却フィン１４３を経由して、破線矢印Ａで示すように、ケーシング１１の内壁面との間に案内する。また、一端側において、第２の仕切り板２１は、第１の仕切り板１９によりケーシング１１の内面との間に案内された空気を、回転軸１２の外周と撹拌ファン１８との間の空間に案内し、ケーシング１１内における循環流を形成する。

さらに、一端側において、第２の仕切り板２１は、第１の仕切り板１９とケーシング１１の内面との間に下向きに案内された空気を、通気部２２１の一端開口部（図４の中央右側開口部）へも案内する。

これに対し、固定子１５及び回転子１６の他端側に配置された第２の仕切り板２１は、通気部１６２を通って右端側から流れてきた空気、すなわち、通気部１６２の他端開口部（図４の中央左側開口部）の空気を、回転子１６の他端側に設けられた撹拌ファン１８に案内する。また、他端側に配置された第１の仕切り板１９は、撹拌ファン１８により攪拌されたケーシング１１内の空気を、固定子巻線１５２のコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３に案内する。

また、第２の実施形態とは異なり、他端側には、第１の仕切り板１９とケーシング１１の内壁面との間に第３の仕切り板２２が更に設けられている。この第３の仕切り板２２は、第１の仕切り板１９により、他端側のコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３に流れた空気を、破線矢印Ｂで示すように、中子リング１４の外周面に設けられた外周側冷却フィン１４４とケーシング１１の内壁面との間、すなわち、ケーシング１１内の一端側と他端側とを連通する冷却通路に向わせる。

上記構成において、回転電気機械１０の運転に伴い、回転子１６が回転軸１２を中心に回転し、これと一体の撹拌ファン１８も回転する。撹拌ファン１８により攪拌されたケーシング１１内の空気は、固定子１５及び回転子１６の両側に設けられている第１の仕切り板１９及び第２の仕切り板２１により案内されて上昇し、固定子鉄心１５１の両端部からそれぞれ突出するコイルエンド１５３を冷却する。コイルエンド１５３を冷却することで、空気の温度は上昇するが、空気循環経路の下流側に配置された端部冷却フィン１４３と熱交換することで冷却される。

次に、ケーシング１１内の右端側では、端部冷却フィン１４３を経た空気は、破線矢印Ａで示すように、ケーシング１１内の上面部分にてＵターンし、ケーシング１１の内壁面との間に案内され、下降する。これに対し、ケーシング１１内の左端側では、端部冷却フィン１４３を経た空気は、第３の仕切り板２２により、左下方への流れが阻止されているため、破線矢印Ｂで示すように、中子リング１４の外周面に設けられた外周側冷却フィン１４４とケーシング１１の内壁面との間に流れる。すなわち、ケーシング１１内の一端側と他端側とを連通する冷却通路を流れた空気は、外周側冷却フィン１４４との熱交換により冷却される。なお、この冷却通路内には、通常、固定子巻線１５２に接続されるケーブル２３が設置されているので、このケーブル２３も冷却される。

冷却通路を通ってケーシング１１内の右側に達した空気は、破線矢印Ａで示す空気の流れとともに、第１の仕切り板１９とケーシング１１の内壁面との間に案内され、下降する。下降した空気は、第２の仕切り板２１に案内されて回転軸１２の外周と、回転子１６の鉄心内周との間の空間に流れる。そして、空気の一部は、右側の撹拌ファン１８により再びコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３に向って上昇する。また、残りの空気は、円板状のリブ１６１を軸方向に貫通する通気部１６２を通って、回転子１６の左側に流れる。

回転子１６の左端側に流れた空気は、第２の仕切り板２１により、回転子１６の左端側に設けられた撹拌ファン１８に案内される。そして、この撹拌ファン１８により攪拌されて、再びコイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３に向って上昇する。コイルエンド１５３を冷却することで、空気の温度は上昇するが、端部冷却フィン１４３と熱交換することで冷却される。

このように、本実施形態に係る回転電気機械１０によれば、両端部のコイルエンド１５３を冷却する２つの流路のうち、片側（図示左側）を仕切ることで、水室１４２を内蔵する中子リング１４の背面に設けられた外周側冷却フィン１４４にも空気を流すことができるため、両端に設けられたコイルエンド１５３だけでなく固定子１５全体を効率よく冷却できる。

＜第４の実施形態＞
図５は、本発明の第４の実施形態に係る回転電気機械１０の内部構造を示す断面図である。本実施形態に係る回転電気機械１０は、上述した第２の実施形態と基本的に同じ構造の固定子１５、回転子１６、第１の仕切り板１９及び第２の仕切り板２１を備えている。第２の実施形態と異なる点は、回転子１６及び永久磁石１７に跨って、固定子１５の内周面との間隙に通じる空気孔２４を設けられていることである。この空気孔２４は、回転子１６の内周面と回転軸１２の外周との間の空気を捉えて、永久磁石１７と固定子１５の内周面との間隙に導くものである。また、空気孔２４の入口部分にはガイド羽根２５設けられており、効率的に空気を捉えることができる。

上記構成において、回転電気機械１０の運転に伴い、回転子１６が回転軸１２を中心に回転し、これと一体の撹拌ファン１８も回転する。撹拌ファン１８により攪拌されたケーシング１１内の空気は、破線矢印Ａで示すように、第１の仕切り板１９に案内されて上昇し、固定子鉄心１５１の両端部に露出するコイルエンド１５３を冷却する。

次に、コイルエンド１５３を通過した空気は、ケーシング１１内の上面部分にてＵターンし、ケーシング１１の内壁面との間に案内され、下降する。ここで、第２の仕切り板２１は、第２の実施形態と同様に、第１の仕切り板１９の外面とケーシング１１の内壁面との間を下降する空気を、撹拌ファン１８の近くに案内すると共に、回転軸１２の外周と回転子１６の鉄心内周との間にも案内する。

そして、回転軸１２の外周と回転子１６の鉄心内周との間に案内された空気は、回転子１６の回転により、ガイド羽根２５から回転子１６に設けられた空気孔２４に捉えられ、破線矢印Ｃで示すように、固定子１５の内周との隙間を経てコイルエンド１５３に流れ、冷却する。コイルエンド１５３を冷却することで、空気の温度は上昇するが、空気循環経路の下流側に配置された端部冷却フィン１４３と熱交換することで冷却される。

したがって、本実施形態に係る回転電気機械１０によれば、コイルエンド１５３及び端部冷却フィン１４３に流れる空気量は、破線矢印Ａの流れに加えて、破線矢印Ｃの空気の流れが加わることになる。このため、攪拌しづらい固定子１５周辺の空気を攪拌でき、固定子１５をより効率的に冷却することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１０…回転電気機械、
１１…ケーシング、
１２…回転軸、
１３…軸受、
１４…中子リング、
１４１…第１の冷却水路、
１４２…水室、
１４３…端部冷却フィン、
１４４…外周側冷却フィン、
１５…固定子、
１５１…固定子鉄心、
１５２…固定子巻線、
１５３…コイルエンド、
１６…回転子、
１６１…リブ、
１６２…通気部、
１７…永久磁石、
１８…撹拌ファン、
１９…第１の仕切り板、
１９１…配水管、
１９２…第２の冷却水路、
２０…仕切り板冷却フィン、
２１…第２の仕切り板、
２２…第３の仕切り板、
２２１…通気部、
２３…ケーブル、
２４…空気孔、
２５…ガイド羽根。

Claims (5)

1. 密閉構造のケーシングと、
   このケーシングに軸受を介して回転可能に支持された回転軸と、
   この回転軸に対して同心的に配置され、その外周面側が前記ケーシングの内壁面に固定されたリング状の中子リングと、
   この中子リングの肉厚部内において前記回転軸の軸方向に冷却水が流れるように設けられた第１の冷却水路と、
   この第１の冷却水路の端部に設けられ、前記冷却水を貯留する水室と、
   この水室の外側に一体形成された端部冷却フィンと、
   前記回転軸と同心的に設けられたリング状の固定子鉄心及びこれに巻き掛けられた固定子巻線を有し、前記中子リングの内周面に固定されたリング状の固定子と、
   この固定子の内側において前記回転軸に固定され、前記回転軸と共に回転可能な回転子と、
   前記回転子の前記軸方向端部に固定され、前記回転子の回転に伴って前記ケーシング内の空気を撹拌する撹拌ファンと、
   配水管を介して前記水室と連結され、前記水室から供給される前記冷却水が内部を流れる第２の冷却水路を有し、前記固定子及び前記中子リングの前記軸方向端面に対向して設けられた第１の仕切り板と、
   この第１の仕切り板の前記ケーシングの内壁面に対向する面上に前記回転軸に対して放射状に配列された複数の仕切り板冷却フィンと、
   を備えることを特徴とする回転電気機械。
2. 前記第１の仕切り板は、前記回転子の回転半径方向の外側の端部の位置が前記水室の位置よりも前記回転軸から遠く、かつ、内側の端部の位置が前記コイルエンドの端部の位置よりも前記回転軸から近い長さに形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電気機械。
3. 前記第１の仕切り板と板面が連続し、前記ケーシングの内壁面と対向して前記第１の仕切り板側の端部から前記回転子の回転半径方向に延長形成された第１の板面と、この第１の板面の端部から前記撹拌ファンの近傍まで前記回転軸の軸方向に延長形成された第２の板面とからなる第２の仕切り板を更に備えることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電気機械。
4. 前記回転子は、前記軸方向に貫通する通気部を有し、前記水室は、前記中子リングの両端部に設けられ、前記第１の仕切り板、前記仕切り板冷却フィン及び前記第２の仕切り板は、前記固定子及び前記回転子の両側にそれぞれ設けられており、
   前記中子リングの外周面上に前記軸方向で固定された外周側冷却フィンと、
   一方の前記第１の仕切り板の前記回転半径方向の外側の端部から前記ケーシングの内壁面まで延長形成された第３の仕切り板と、
   を更に備えることを特徴とする請求項３記載の回転電気機械。
5. 一端面が前記回転子の外周面上に固定され、反対側の面が記固定子の内周面と所定の距離離間して対向配置された永久磁石を更に備え、
   前記回転子及び前記永久磁石は、前記回転軸側から前記固定子鉄心の内周面との前記間隙へ通じる空気孔をそれぞれ有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の回転電気機械。

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