JP2016054591A

JP2016054591A - 全閉式回転電機

Info

Publication number: JP2016054591A
Application number: JP2014179034A
Authority: JP
Inventors: 慎吾葉山; Shingo Hayama
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2016-04-14
Anticipated expiration: 2034-09-03
Also published as: JP5977298B2; CN105391200A; CN105391200B

Abstract

【課題】全閉式回転電機の固定子の冷却を効果的に行う。
【解決手段】全閉式回転電機１００は、ロータシャフト１１と回転子鉄心１２とを有する回転子１０と、固定子鉄心２１と固定子コイル２２とを有する固定子２０と、フレーム３０と、フレーム３０とともに密閉空間４５を構成し、冷却器入口側開口３１と第１の冷却器出口側開口３２ａと第２の冷却器出口側開口３２ｂとでフレーム３０と連通する冷却器カバー４２と、冷却器４１と、ファン１５ａ、１５ｂと、固定子鉄心２１を軸方向に貫通し周方向に互いに間隔をあけて配されて、第１の端部は第１の冷却器出口側開口３２ａと第２の冷却器出口側開口３２ｂのいずれか一方で開口し、第２の端部はファン１５ａ、１５ｂによる冷却用気体流により内部の冷却用気体が流出可能な位置で開口する複数の冷却管５１ａ、５１ｂとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内扇と冷却器を備えた全閉式の回転電機に関する。

全閉式の回転電機は、回転子と、固定子と、通常は冷却器とを備えている。回転子は、通常、軸回りを回転するロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する。また、固定子は、強磁性体の鋼板を軸方向に積層した円筒形状の固定子鉄心と、この固定子鉄心に形成されたティース部に巻回された固定子コイルを有する。固定子鉄心は、磁束を効果的に通過させられるように一定の面積の磁路が確保されている。

また、回転子鉄心と固定子とを収納する密閉空間内に設けられた冷却器においては、伝熱管の内側を外部からの冷却媒体が流れ、冷却媒体によって冷却された冷却用気体が密閉空間内を流れる。空気などの冷却用気体は、ロータシャフトに取り付けられたファン、すなわち内扇によって駆動されて密閉空間内を循環する。

負荷運転時には、固定子コイルでは主に銅損が発生し、また固定子鉄心においては主に鉄損が発生する。このように固定子に生ずる鉄損および銅損による発熱に対して、固定子コイル等を保護するために固定子を冷却する必要がある。

従来は、たとえば、固定子鉄心の外周部に冷却フィン（ヒダ）を形成することにより放熱面積を大きくして、フレームと固定子鉄心との間の空間を軸方向に流れる冷却風などにより冷却している（特許文献１）。

特開平１１−４５５４号公報

固定子コイルは、多くの部材と機械的に接触、あるいは結合しているが、電気的には、絶縁が維持されている必要がある。このため、固定子コイルおよびその周辺の部材には、多くの絶縁材が使用されている。

絶縁材料は、それぞれの材質等に応じて使用温度に耐熱性能上の制限がある。一方、近年の回転電機の単機容量の増大化とともに、固定子コイルの電流密度は上昇する傾向にある。このため、固定子コイルをはじめ、固定子の各部の冷却が重要である。

そこで、本発明は、全閉式回転電機の固定子の冷却を効果的に行うことを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る全閉式回転電機は、回転軸まわりに回転可能に軸支され軸方向に延びたロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に固定されて軸方向に延びた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配されて、軸方向に積層された複数の積層用板からなり径方向の流通路を形成するダクトを挟んで軸方向に並ぶ複数の積層体を有する固定子鉄心と、その固定子鉄心に巻回された固定子コイルとを有する固定子と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、前記フレームに取り付けられて、前記フレームとともに密閉空間を構成し、冷却器入口側開口と第１の冷却器出口側開口と第２の冷却器出口側開口とで前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記冷却器カバー内に設けられて、前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、前記回転子に取り付けられて前記冷却用気体の前記密閉空間内での循環を駆動するファンと、前記固定子鉄心を軸方向に貫通し周方向に互いに間隔をあけて配されて、第１の端部は前記第１の冷却器出口側開口と前記第２の冷却器出口側開口のいずれか一方で開口し、第２の端部は前記ファンによる冷却用気体流により内部の冷却用気体が流出可能な位置で開口する複数の冷却管と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、全閉式回転電機の固定子の冷却を効果的に行うことができる。

第１の実施形態に係る全閉式回転電機を示す縦断面図である。図１のＩＩ―ＩＩ矢視横断面図である。第２の実施形態に係る全閉式回転電機を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る全閉式回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る全閉式回転電機を示す縦断面図である。また、図２は、図１のＩＩ―ＩＩ矢視横断面図である。

全閉式回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、２つの軸受３６、冷却器４１を有する。回転子１０は、ロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向に設けられた回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、両側を回転可能に軸支され、軸方向に水平に延びている。回転子鉄心１２は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造である。ロータシャフト１１にはファン１５ａ、１５ｂが取り付けられている。

固定子２０は、回転子１０の径方向外側に設けられて、軸方向に延びた円筒状である。固定子２０は、固定子鉄心２１と固定子コイル２２を有する。固定子鉄心２１は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造である。積層構造は、図示しないスペーサによって軸方向に互いに間隙を有し、固定子ダクト２３を形成している。固定子ダクト２３は、固定子２０の内側から全周にわたって径方向に冷却用気体が流出する流路となる。なお、図１では、固定子ダクト２３が１つのみ設けられている場合を示したが、これに限定されず、軸方向に複数設けられていてもよい。

回転子鉄心１２の径方向外側に対向する固定子鉄心２１の内側には周方向に互いに間隔をおいて軸方向に延びた図示しないスロットが形成されている。それぞれのスロット内および固定子鉄心２１の軸方向の両外側には固定子コイル２２が設けられている。

２つの軸受３６は、回転子鉄心１２をはさんでロータシャフト１１の軸方向の両側を回転可能に支持している。それぞれの軸受３６は、たとえば、転がり軸受である。軸受３６は、それぞれ軸受ブラケット３５に固定支持されている。

回転子鉄心１２および固定子２０は、フレーム３０および両側の軸受ブラケット３５により形成された空間内に収納されている。また、フレーム３０の上部には、冷却器カバー４２が設けられている。冷却器カバー４２は、冷却器４１を収納している。

フレーム３０は冷却器カバー４２と相俟って、密閉空間４５を形成する。フレーム３０と冷却器カバー４２とは、冷却器入口側開口３１、第１の冷却器出口側開口３２ａ、および第２の冷却器出口側開口３２ｂによって連通している。フレーム３０には仕切り板３７が設けられている。仕切り板３７は、円形の開口が形成された板状であり、固定子鉄心２１の軸方向両側の端部に取り付けられている。固定子鉄心２１の径方向外側の雰囲気と、軸方向外側の雰囲気は、仕切り板３７により隔離されている。

固定子鉄心２１内には、複数の冷却管５１ａ、５１ｂが設けられている。複数の冷却管５１ａ、５１ｂは、周方向に互いに間隔をあけて配列され、それぞれが固定子鉄心２１を軸方向に貫通する。冷却管５１ａは、固定子鉄心２１の軸方向外側に両端が延びている。冷却管５１ａの第１の端部は、第１の冷却器出口側開口３２ａの位置の冷却管入口開口部５２ａにおいて開口している。冷却管入口開口部５２ａは、端部に行くほど断面が広がるように形成されている。また、冷却管５１ａの第２の端部は、固定子鉄心２１を挟んで冷却管入口開口部５２ａ側と反対側に設けられたファン１５ｂの吸い込み口近傍の位置の冷却管出口開口部５３ａで開口している。

同様に、冷却管５１ｂは、固定子鉄心２１の軸方向外側に両端が延びている。冷却管５１ｂの第１の端部は、第２の冷却器出口側開口３２ｂの位置の冷却管入口開口部５２ｂにおいて開口している。冷却管入口開口部５２ｂは、端部に行くほど断面が広がるように形成されている。また、冷却管５１ｂの第２の端部は、固定子鉄心２１を挟んで冷却管入口開口部５２ｂ側と反対側に設けられたファン１５ａの吸い込み口近傍の位置の冷却管出口開口部５３ｂで開口している。

また、冷却管５１ａおよび冷却管５１ｂの固定子鉄心２１内の配置は、図２に示すように、冷却管５１ａと冷却管５１ｂとが、周方向に互いに交互に並んでいる。また、冷却管５１ａが固定子鉄心２１を貫通後、ファン１５ｂの吸い込み側に延びる部分は、ロータシャフト１１の回転軸方向に向かっている。冷却管５１ｂについても図示しないが同様である。なお、冷却管５１ａおよび冷却管５１ｂの固定子鉄心２１外部における配置は、これに限定されず、周囲の状況、サポートの具合などを勘案して決定すればよい。

次に、本実施形態に係る全閉式回転電機１００の作用を説明する。密閉空間４５内の例えば空気などの冷却用気体は、ファン１５ａ、１５ｂが回転することによって、この密閉空間４５内を循環する。密閉空間４５内の冷却用気体は、ファン１５ａ、１５ｂによって回転子鉄心１２および固定子２０の方向に駆動される。

駆動された冷却用気体は、回転子鉄心１２と固定子鉄心２１間に形成されたギャップ部２５に両側から流入して、ギャップ部２５内を軸方向中心に向かって流れた後、固定子ダクト２３から径方向外側に流出する。あるいは、回転子鉄心１２内に図示しない流路を有する場合は、駆動された冷却用気体の一部はこの流路を通過後に、固定子ダクト２３から径方向外側に流出する。

固定子ダクト２３から流出した冷却用気体は、両側の仕切り板３７およびフレーム３０に囲まれた空間Ａに流出する。空間Ａに流出した冷却用気体は、冷却器入口側開口３１を経由して冷却器カバー４２内の冷却器４１に流入する。冷却器４１に流入した冷却用気体は冷却された後に冷却器４１から流出して、２方向に分かれて、冷却器カバー４２内で冷却器４１により分割された２つの空間Ｂ１、Ｂ２に流入する。

空間Ｂ１に流入した冷却用気体は、第１の冷却器出口側開口３２ａを経由して、フレーム３０内の仕切り板３７の軸方向外側の空間Ｃ１に流入する。空間Ｃ１に流入した冷却用気体はファン１５ａに吸い込まれる。同様に、空間Ｂ２に流入した冷却用気体は、第２の冷却器出口側開口３２ｂを経由して、フレーム３０内の仕切り板３７の軸方向外側の空間Ｃ２に流入する。空間Ｃ２に流入した冷却用気体はファン１５ｂに吸い込まれる。

以上が、密閉空間４５内の冷却気体の主たる流れである。この流れの結果、密閉空間４５内には圧力勾配が生ずる。密閉空間４５内の圧力は、ファン１５ａおよびファン１５ｂの出口が最も高く、空間Ａでは固定子鉄心２１等における圧力損失分だけ低下している。さらに、冷却器４１を通過後の空間Ｂ１および空間Ｂ２では、冷却器４１での圧力損失分だけさらに低下している。さらに、ファン１５ａおよびファン１５ｂまで流れる結果、ファン１５ａおよびファン１５ｂの吸い込み口が最も圧力が低くなっている。

ここで、冷却管５１ａ、冷却管５１ｂは、前述の主たる流れの流路の一部と並行した流路となる。冷却管５１ａの冷却管入口開口部５２ａと冷却管出口開口部５３ａのそれぞれにおける圧力を比較すると、前述のように、冷却管入口開口部５２ａにおける圧力の方が冷却管出口開口部５３ａにおける圧力より高い。したがって、冷却管５１ａ内では、冷却管入口開口部５２ａから冷却管出口開口部５３ａに向かって冷却用気体が流れる。

同様に、冷却管５１ｂの冷却管入口開口部５２ｂと冷却管出口開口部５３ｂのそれぞれにおける圧力を比較すると、前述のように、冷却管入口開口部５２ｂにおける圧力の方が冷却管出口開口部５３ｂにおける圧力より高い。したがって、冷却管５１ｂ内では、冷却管入口開口部５２ｂから冷却管出口開口部５３ｂに向かって冷却用気体が流れる。

以上のように、回転子１０が回転している状態では、ファン１５ａ、ファン１５ｂが回転し、主たる流路の一部と並列流路である冷却管５１ａおよび冷却管５１ｂに冷却用気体が流れ、固定子鉄心２１の冷却効果が向上する。

また、固定子鉄心２１内では、冷却管５１ａと冷却管５１ｂとが周方向に互いに交互に並んでいることから、固定子鉄心２１内の冷却用気体は、軸方向に互いに逆方向の流れが、周方向に交互に存在することになり、冷却用気体を固定子鉄心２１内に流すことによる軸方向の温度分布のアンバランスの発生を抑制することができる。

以上のように、本実施形態により、全閉式回転電機１００の固定子２０の冷却を効果的に行うことができる。

［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る全閉式回転電機を示す縦断面図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、冷却管５１ａ、５１ｂそれぞれの第２の端部である冷却管出口開口部５４ａおよび冷却管出口開口部５４ｂの位置は、それぞれファン１５ａ、ファン１５ｂの吐出側である。また、冷却管出口開口部５４ａおよび冷却管出口開口部５４ｂの開口の方向は、ファン１５ａ、１５ｂの上流から下流に向かう方向と同じ方向である。

ファン１５ａ、１５ｂの吐出側では、冷却用気体の流速が早くなっている。この箇所に冷却管出口開口部５４ａおよび冷却管出口開口部５４ｂの開口が下流側に向けて存在すると、外側流体の流れによる吸引作用によって冷却管出口開口部５４ａおよび冷却管出口開口部５４ｂの圧力が低下する。この結果、冷却管入口開口部５２ａの圧力より冷却管出口開口部５４ａの圧力が低くなり、冷却管５１ａ内を冷却用気体が流れる。同様に、冷却管入口開口部５２ｂの圧力より冷却管出口開口部５４ｂの圧力が低くなり、冷却管５１ｂ内を冷却用気体が流れる。

本実施形態は、ファン１５ａ、１５ｂの吐出側の流速が大きく前記の吸引作用が大きい場合に有効である。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。また、実施形態は、その他の様々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。実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１５ａ、１５ｂ…ファン、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子コイル、２３…固定子ダクト、２５…ギャップ部、３０…フレーム、３１…冷却器入口側開口、３２ａ…第１の冷却器出口側開口、３２ｂ…第２の冷却器出口側開口、３５…軸受ブラケット、３６…軸受、３７…仕切り板、４１…冷却器、４２…冷却器カバー、４５…密閉空間、５１ａ、５１ｂ…冷却管、５２ａ、５２ｂ…冷却管入口開口部、５３ａ、５３ｂ、５４ａ、５４ｂ…冷却管出口開口部、１００…全閉式回転電機

Claims

回転軸まわりに回転可能に軸支され軸方向に延びたロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に固定されて軸方向に延びた回転子鉄心とを有する回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に配されて、軸方向に積層された複数の積層用板からなり径方向の流通路を形成するダクトを挟んで軸方向に並ぶ複数の積層体を有する固定子鉄心と、その固定子鉄心に巻回された固定子コイルとを有する固定子と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
前記フレームに取り付けられて、前記フレームとともに密閉空間を構成し、冷却器入口側開口と第１の冷却器出口側開口と第２の冷却器出口側開口とで前記フレームと連通する冷却器カバーと、
前記冷却器カバー内に設けられて、前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、
前記回転子に取り付けられて前記冷却用気体の前記密閉空間内での循環を駆動するファンと、
前記固定子鉄心を軸方向に貫通し周方向に互いに間隔をあけて配されて、第１の端部は前記第１の冷却器出口側開口と前記第２の冷却器出口側開口のいずれか一方で開口し、第２の端部は前記ファンによる冷却用気体流により内部の冷却用気体が流出可能な位置で開口する複数の冷却管と、
を備えることを特徴とする全閉式回転電機。
前記第２の端部は、前記流出可能な位置として、前記ファンの吸い込み側で開口していることを特徴とする請求項１に記載の全閉式回転電機。
前記第２の端部は、前記流出可能な位置として、周囲の冷却用気体流による吸引力が生ずる前記ファンの吐出側で開口していることを特徴とする請求項１に記載の全閉式回転電機。
前記複数の冷却管のうち、前記第１の端部が前記第１の冷却器出口側開口で開口する冷却管は、前記第１の端部が前記第２の冷却器出口側開口で開口する冷却管の少なくとも一つと周方向に隣接することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の全閉式回転電機。
前記第１の端部は、入口に向けて開口面積が増大するように形成された吸い込み部を有することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の全閉式回転電機。