JP2016093014A - 全閉式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】全閉式回転電機の冷却器での冷却効率を向上させる。【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、固定子２０および回転子鉄心１２を冷却する循環流体を管内の外部からの外部空気で冷却する複数の冷却管４２が並行して配列された冷却器４１と、フレーム３０の上部に取り付けられて冷却器４１を内包して、冷却器入口側開口３１と冷却器出口側開口３２とによってフレーム３０と連通する冷却器カバー４３とを有する。また、全閉式回転電機１００は、ロータシャフト１１に取り付けられてフレーム３０内の循環流体を循環させる内扇ファン１５と、冷却器カバー４３内にあって冷却器４１の上方に設けられ鉛直軸回りに循環流体の回転流を生成する調整ファン６１を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、内扇ファン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。

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。

回転子鉄心と固定子とを収納するフレームには、冷却器を内包する冷却器カバーが取り付けられている。冷却器カバーはフレームとともに密閉空間を形成する。冷却器においては、冷却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管外の冷却気体が密閉空間内を流れる。空気などの冷却気体は、ロータシャフトに取り付けられた内扇ファンによって駆動されて密閉空間内を循環する（特許文献１）。

実開昭６１−１４９９５７号公報

図７は、従来の全閉式回転電機の内扇ファン１５の部分での横断面図である。また、図８は、冷却器４１上部の平断面図である。密閉空間４５内の冷却用気体は、ロータシャフトに取り付けられた内扇ファン１５が回転することにより駆動され、フレーム３０内から冷却器カバー４３内に移行する。この際、内扇ファン１５により駆動される気体は、回転軸を中心に周方向にほぼ対称に内扇ファン１５から流出する。

この結果、フレーム３０から冷却器カバー４３への方向の速度成分は、均一ではなくなる。このため、冷却管４２を流れる冷却用気体の速度分布も均一ではなくなり、熱交換量にも分布が発生する。このような状態は冷却器での冷却性能の低下を招くことになる。

本発明は、全閉式回転電機の冷却器での冷却性能を向上させることを目的とする。

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、水平に延びた主軸のまわりに回転可能に軸支され主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主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、主軸方向に延びる固定子鉄心と、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、前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する循環流体を管外被冷却側流体とし外部からの外部空気を管内冷却側流体とし前記主軸の方向に延びた複数の冷却管が並行して配列された冷却器と、前記フレームの上部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、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するために前記主軸の方向の一方の端部を含む領域の下方に設けられた冷却器入口側開口と、前記フレーム内に流出するために前記主軸の方向の他方の端部を含む領域の下方に設けられた冷却器出口側開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記冷却器入口側開口下方側であって前記回転子鉄心の主軸方向外側の部分の前記ロータシャフトに取り付けられて前記循環流体を前記密閉空間内で循環させる内扇ファンと、前記冷却器カバー内にあって前記冷却器の上方に設けられ鉛直軸回りに前記循環流体の回転流を生成する調整ファンと、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、全閉式回転電機の冷却器での冷却性能を向上させることができる。

第１の実施形態に係る全閉式回転電機の縦断面図である。 図１のＩＩ―ＩＩ線矢視横断面図である。 図１のＩＩＩ―ＩＩＩ線矢視平断面図である。 第２の実施形態に係る全閉式回転電機の縦断面図である。 図４のＶ―Ｖ線矢視横断面図である。 図４のＶＩ―ＶＩ線矢視平断面図である。 従来の全閉式回転電機の内扇ファンの部分での横断面図である。 従来の全閉式回転電機の冷却器上部の平断面図である。

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の縦断面図である。図２は、図１のＩＩ―ＩＩ線矢視横断面図である。また、図３は、図１のＩＩＩ―ＩＩＩ線矢視平断面図である。

全閉式回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、フレーム３０、軸受ブラケット３６、冷却器４１および冷却器４１を収納する冷却器カバー４３を有する。回転子１０は、主軸まわりに回転可能に軸支され水平方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２を有する。固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に設けられた円筒状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の表面に主軸方向に形成されたスロットに沿って設けられた固定子コイル２２を有する。回転子鉄心１２および固定子２０は、フレーム３０内に収納されている。

ロータシャフト１１は、回転子鉄心１２の主軸方向の両外側においてそれぞれ軸受３５によって支持されている。軸受３５の固定部側はそれぞれ軸受ブラケット３６によって固定支持されている。軸受ブラケット３６は、フレーム３０によって固定支持されている。フレーム３０の上部には、冷却器カバー４３が搭載されている。フレーム３０、両側の軸受ブラケット３６、および冷却器カバー４３は密閉空間４５を形成している。フレーム３０内の雰囲気と冷却器カバー４３内の雰囲気とは、互いに冷却器入口側開口３１および冷却器出口側開口３２で連通している。

冷却器４１は、複数本の冷却管４２を有する。それぞれの冷却管４２は、互いに平行に主軸方向に延びている。それぞれの冷却管４２は両端で冷却器カバー４３と接続し冷却管４２の内側は外部に開放されている。冷却管４２の外側は冷却器カバー４３と溶接によって接合されている。冷却管４２の外側は密閉空間４５の一部であり、冷却管４２は密閉空間４５を構成する要素の一部である。

フレーム３０の外側には、外扇ファン４４がロータシャフト１１に取り付けられている。外扇ファン４４の吸込み側の外扇カバー４４ａには図示しない吸込み口が設けられている。外扇ファン４４は、外扇カバー４４ａに形成された吸込み口から外部雰囲気の空気すなわち外部空気を吸い込み、吸い込んだ外部空気を冷却管４２の管内に送り込む。外扇カバー４４ａは、吸い込んだ外部空気の冷却管４２入口までのガイドとなっている。それぞれの冷却管４２内に流入した外部空気は、冷却管４２の外側を流れる循環流体（たとえば空気）との熱交換で循環流体を冷却した後に、冷却管４２端部から放出される。ここで、循環流体は、密閉空間４５内を循環する冷却用の気体である。

ロータシャフト１１の回転子鉄心１２の一方の軸方向外側に、内扇ファン１５が取り付けられている。内扇ファン１５の周囲には、仕切り板３７ａが設けられている。仕切り板３７ａは、フレーム３０内を内扇ファン１５の吸込み側と吐出側とに区分している。また、仕切り板３７ａと回転子鉄心１２を挟んで軸方向反対側には仕切り板３７ｂが設けられており、回転子鉄心側とその外側とを区分している。

内扇ファン１５は、ロータシャフト１１の回転とともに回転し、回転子鉄心１２側の循環流体を吸込み、主軸方向外側に吐き出す。この循環流体は、冷却器入口側開口３１を経由してフレーム３０から冷却器カバー４３側に移送される。冷却器カバー４３側に移送された循環流体は冷却器４１で冷却管４２の外側を通過しながら冷却された後に、冷却器出口側開口３２を経て、冷却器カバー４３側からフレーム３０内に移送される。フレーム３０内に移送された循環流体は、回転子鉄心１２および固定子２０に流入してこれらを冷却した後、再び内扇ファン１５に流入する。

冷却器４１の上方の空間内には、調整ファン６１が設けられている。調整ファン６１は冷却管４２の長手方向の中央から主軸方向の冷却器入口側開口３１に近い位置に設けられている。調整ファン６１は、冷却器カバー４３の上面に固定支持され、鉛直軸廻りに回転する。調整ファン６１を上方からみた調整ファン６１（図３参照）の回転方向は反時計回りであり、内扇ファン１５を回転子鉄心１２の反対側から見た内扇ファン１５（図２参照）の回転方向が時計回りであるのとは逆方向となっている。

次に、以上のように構成された本実施形態による全閉式回転電機の作用を説明する。内扇ファン１５から回転子鉄心１２と反対側の空間内に流出した循環流体は、この空間内から冷却器入口側開口３１を経由して冷却器カバー４３内に流入する。

図２に示すように、軸方向に回転子鉄心１２（図１）の反対側から内扇ファン１５を見て、内扇ファン１５が時計方向に回転する場合を考える。内扇ファン１５を通過する循環流体は、径方向成分と回転方向成分を合成した方向に流出する。この空間内から流出して冷却器入口側開口３１を通過する際の流速分布は、内扇ファン１５の回転方向の影響を受けるため均一ではない。すなわち、内扇ファン１５からの流出方向が冷却器入口側開口３１の方向を向いている側（図２において左側）の方が冷却器入口側開口３１を通過する際の流速が高くなる。

図３に示すように、冷却器入口側開口３１を通過して冷却器４１へ流入した循環流体も同様に、進行方向に垂直な方向に速度分布を有する。ここで、循環流体の流れは、冷却器カバー４３内、すなわち冷却器４１内の冷却管４２の外側の流路および冷却器４１の上方の空間においてほぼ主軸方向の流れである。

この流れは、調整ファン６１の周囲を通過する。調整ファン６１を上方から見ると、調整ファン６１は反時計回りに回転している。この回転により調整ファン６１の周囲には反時計まわり方向の流れ成分が生ずる。この反時計まわり方向の循環流体の流れ成分は、冷却器入口側開口３１を通過して冷却器４１へ流入した循環流体の流量分布における不均一さを緩和する方向に働く。この結果、調整ファン６１の周辺より下流の循環流体の流れは、主軸方向に垂直な方向の速度分布上の不均一さが減少する。

このため、流速が低いために冷却管４２の内部を流れる外部空気と、冷却管４２の外部を流れる循環流体との熱交換量が低いために冷却器４１全体としての冷却効率が低いという状態が改善され、冷却効率が向上する。

以上のように、本実施形態によれば、全閉式回転電機１００の冷却器４１での冷却効率を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る全閉式回転電機の縦断面図である。図５は、図４のＶ―Ｖ線矢視横断面図である。図６は、図４のＶＩ―ＶＩ線矢視平断面図である。

本実施形態は第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、２台の調整ファン６２ａ、６２ｂが設けられている。調整ファン６２ａと調整ファン６２ｂは、主軸に垂直な水平方向に互いに並んで配設されている。調整ファン６２ａ、６２ｂを上方からみた回転方向（図６）は、内扇ファン１５を回転子鉄心１２の反対側から見た内扇ファン１５の回転方向（図５）とは逆方向である。

今、内扇ファン１５を回転子鉄心１２の反対側から見た回転方向が第１の実施形態と同様に時計回りの場合を考える。この場合、調整ファン６２ａ、６２ｂを上方からみた回転方向は、反時計回りである。

主軸に垂直な水平方向で、冷却管４２ａおよび冷却管４２ｂの２つのグループに分割する。冷却管４２ａのグループは調整ファン６２ａの下方に配されているグループである。冷却管４２ｂのグループは調整ファン６２ｂの下方に配されているグループである。調整ファン６２ａの回転方向が内扇ファン１５の回転方向と反対側であることの効果によって、調整ファン６２ａの領域を通過する循環流体の流速の主軸方向に垂直な方向の分布は平均化される。また、調整ファン６２ｂの回転方向が内扇ファン１５の回転方向と反対側であることの効果によって、調整ファン６２ｂの領域を通過する循環流体の流速の主軸方向に垂直な方向の分布は平均化される。

また、冷却管４２ｂのグループの相互のピッチは、冷却管４２ａのグループの相互のピッチよりも大きい。すなわち、冷却管４２ｂの外側の循環流体の流速は、流路の流動抵抗が小さくなり、冷却管４２ａの外側の循環流体の流速よりも大きくなっている。

冷却管における径方向の熱通過率Ｕと、冷却管内側の熱伝達率ｈｉ、冷却管の熱伝導率λ、冷却管外側の熱伝達率ｈｏとは、次の式（１）の関係がある。ただし、ｔは冷却管の厚みである。
１／Ｕ＝１／ｈｉ＋ｔ／λ＋１／ｈｏ （１）

ここで、冷却管の内外の流体が気体であるので、右辺第２項の熱伝導率による熱抵抗分は第１項および第３項に比べ一般に無視できる。ここで、熱伝達率は強制対流の場合一般にたとえば流速の０．５ないし０．８乗程度に比例する。したがって、冷却管の内側の外部空気の流速が冷却管の外側の循環流体の流速よりも十分に大きい場合は、内側の熱伝達率ｈｉが外側の熱伝達率ｈｏより十分に大きくなる。したがって、それぞれの逆数である内側の熱抵抗分は外側の熱抵抗分に比べて小さくなる。

以上により、内側の外部空気の流速が外側の循環流体の流速より十分に大きければ、１／Ｕはほぼ１／ｈｏに等しい、すなわち、径方向の熱通過率Ｕは外側の熱伝達率ｈｏにほぼ等しいといえる。すなわち、冷却管の熱通過率Ｕは、冷却管の外側の流速によりほぼ決まる。冷却管４２ｂの外側の循環流体の流速は、冷却管４２ａの外側の循環流体の流速よりも大きくなっていることから、冷却管４２ｂでの熱通過率の方が冷却管４２ａでの熱通過率よりも大きくなる。

冷却管４２ｂでの冷却管４２ｂ内の外部空気と冷却管４２ｂ外の循環流体との熱交換量は、外部空気の温度と流速、循環流体の温度と流速、および冷却管４２ｂの伝熱面積に依存する。前記のピッチの違いから、冷却管４２ｂのグループ全体の伝熱面積は冷却管４２ａのグループ全体の伝熱面積より小さくなる。一方、冷却管４２ｂ外の循環流体の流速は、冷却管４２ａ外の循環流体の流速より大きいため、冷却管４２ｂの外側の熱伝達率は冷却管４２ａの外側の熱伝達率よりも大きくなる。

以上のように、冷却管４２ｂを冷却管４２ａに比較すると、伝熱面積は小さくなるが、外側の熱伝達率は大きくなり、総合的には、冷却管４２ｂのグループの熱交換量と、冷却管４２ａのグループの熱交換量はほぼ等しくなる。

以上のように本実施形態に係る全閉式回転電機においては、さらに冷却器４１での熱交換量の分布の偏りをなくし平均化することにより冷却性能を確保することができる。

なお、本実施形態の変形として、冷却管４２ｂのグループのピッチを広くする代わりに、冷却管４２ｂの配管径を小さくすることにより、冷却管４２ｂ外側の循環流体の圧力損失の低減を図ってもよい。冷却管４２ａおよび冷却管４２ｂそれぞれの内側を通る外部空気は外扇ファン４４により供給される。このため、冷却管４２ａおよび冷却管４２ｂの内側の外部空気の流速は、一般に冷却管４２ａおよび冷却管４２ｂの外側の循環流体の流速よりも十分に大きい。

このため、冷却管４２ｂの径を小さくすることによる伝熱面積の減少を、冷却管外側の流速が速くなることによる熱通過率Ｕの増加が補償する関係となるように設定することにより、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

［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、１５…内扇ファン、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子コイル、３０…フレーム、３１…冷却器入口側開口、３２…冷却器出口側開口、３５…軸受、３６…軸受ブラケット、３７ａ、３７ｂ…仕切り板、４１…冷却器、４２、４２ａ、４２ｂ…冷却管、４３…冷却器カバー、４４…外扇ファン、４４ａ…外扇カバー、４５…密閉空間、６１、６２ａ、６２ｂ…調整ファン、１００…全閉式回転電機

Claims (3)

1. 水平に延びた主軸のまわりに回転可能に軸支され主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主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、主軸方向に延びる固定子鉄心と、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、
   前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する循環流体を管外被冷却側流体とし外部からの外部空気を管内冷却側流体とし前記主軸の方向に延びた複数の冷却管が並行して配列された冷却器と、
   前記フレームの上部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、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するために前記主軸の方向の一方の端部を含む領域の下方に設けられた冷却器入口側開口と、前記フレーム内に流出するために前記主軸の方向の他方の端部を含む領域の下方に設けられた冷却器出口側開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、
   前記冷却器入口側開口下方側であって前記回転子鉄心の主軸方向外側の部分の前記ロータシャフトに取り付けられて前記循環流体を前記密閉空間内で循環させる内扇ファンと、
   前記冷却器カバー内にあって前記冷却器の上方に設けられ鉛直軸回りに前記循環流体の回転流を生成する調整ファンと、
   を備えることを特徴とする全閉式回転電機。
2. 前記調整ファンを上方からみた前記調整ファンの回転方向は、前記内扇ファンを前記回転子鉄心の反対側から見た前記内扇ファンの回転方向とは逆方向であることを特徴とする請求項１に記載の全閉式回転電機。
3. 前記調整ファンは複数設けられ、前記調整ファンのそれぞれは前記冷却管の長手方向に対し垂直方向に配列されて、
   前記冷却管を前記調整ファンのそれぞれが設けられた位置の下方に設けられた冷却管のグループに分割したときに、互いに隣接する冷却管のグループどうしは、前記循環流体の圧力損失が順次低くなるように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の全閉式回転電機。

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