JP2017118719A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は長尺化した回転電機の軸方向中心付近の冷媒風量を増加させ、冷却効率を向上させた回転電機システムを提供することにある。【解決手段】回転子と固定子とを備えた回転電機であって、前記固定子はコイルと固定子鉄心とを備え、前記コイルは、周方向に配置され、前記固定子鉄心は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて成る積層電磁鋼板が複数組のパケット鉄心に分割されると共に、該複数組のパケット鉄心の１つとそれに隣り合う他のパケット鉄心との間に、冷媒を固定子径方向に流す流路となるダクトが形成され、前記パケット鉄心と前記ダクトとが軸方向に交互に配設されて構成され、前記ダクトのうち軸方向両端部から中心側に位置するダクトにおいて、ダクトを挟んで対向する二つのパケット鉄心の、その径方向長さ大きくした部分を有することを特徴とする回転電機【選択図】 図6

Description

本発明は、回転電機、及びシステムに関する。

通常の産業プラントでは圧縮機システムを地上に設置されるものが大半であるが、ガスプラントでは洋上プラントや、海中にて使用する圧縮機等がある。また、地中3000ｍ下で運転される圧縮機もある。このような環境で、圧縮機と同時に使用される回転電機に対して要求される訴求事項としては小型・軽量化である。設置スペースが限られた中で、高出力な圧縮機システムを設置する必要があるため、圧縮機、回転電機を含めたシステム規模の縮小化は必須となる。システム全体の縮小化を図るための最も効果的な方法として、回転速度の高速化が挙げられる。一般的な圧縮機システムの回転速度は一定速機が大半であるため、回転速度は1500〜3600min^-1となる。システム規模を大幅に縮小するには回転速度を数万min^-1クラスまで増速することが必要とされている。また、駆動用の回転電機を高速化することでギアボックス(増速ギア)を無くすことができ、圧縮機側の回転軸と回転電機の回転子を直結することが可能となる。

回転電機を高速化するにあたり、制約事項として回転子径の大きさが挙げられる。通常、回転子径と軸長を冷却や軸振動に問題が無いよう寸法を決定する。しかしながら、高速化した場合、回転子径の寸法の自由度が低下する。これは、回転子の周速度は音速を超えないように寸法を設定する必要がある。このことから、出力を増加させようとした場合、軸長を長くして出力を増加させることとなる。すなわち、高速化した回転電機の体格は軸方向に、長尺化することが必然的となる。長尺化した時の課題として、回転電機内で軸方向に温度分布が生じる。特に軸方向中心付近でピーク温度が発生するため、軸方向中心付近を積極的に冷却し温度分布を平準化する必要がある。

このような、長尺化した回転電機の冷却に関して、様々な回転電機構造が検討されており、例えば特許文献1-3が挙げられる。

特許文献1は回転電機内の軸流ファンから送風される冷媒が固定子鉄心の軸方向に配置された複数の通風ダクトを形成し、固定子押さえ板と固定子フレームとの間の空隙を通過するのを制限するように、冷媒の熱交換器と固定子鉄心を押さえ板で保持した構造としている。

特許文献2は固定子鉄心に配置した通風ダクトの数を軸方向中心で増やし、且つ、通風ダクトの間隔も狭くすることで、冷媒の流量を軸方向中心付近で増やした構造としている。

特許文献3は固定子鉄心の外径が異なる積層鋼板を軸方向に積層することで、固定子鉄心の外径側に溝深さが異なる通風路を形成し、且つ、固定子鉄心の軸方向に通風ダクトを配置した構造としている。

特開2013-090412号公報 特開2010-166816号公報 特開2013-074654号公報

特許文献1は固定子の外径側に流れる冷媒の流量を抑制することで、回転子、固定子間のギャップ部及び固定子の通風ダクトへの冷媒流量を増加させたことを特長としている。この構造は通風ダクトへの冷媒流量は増加するが、軸方向中心付近の流量を増加するのには困難である。

特許文献2は固定子の軸方向の通風ダクトの総数及び通風ダクトの間隔を変えたことを特長としている。通風ダクト数や通風ダクト幅を変えることで、軸方向から径方向に流れる冷媒の流量を調整することが出来るため、軸方向中心付近を冷却する場合、有効な構造である。しかしながら、軸方向から冷媒を径方向へ流す際、流入口部の形状により、通風抵抗が大きく変わる。軸方向中心への流量を増やしても、特許文献2の流入口形状では通風抵抗が大きくなり、温度を低減するための冷媒流量が不十分になる可能性がある。

特許文献3は固定子に積層された電磁鋼板の異なる外径にすることで、固定子外径側の通風路に段差を設けている。これは径方向に流れる冷媒流量の影響により、軸方向の冷媒流量に分布が生じることを抑制し固定子を効率良く冷却させている。特許文献3は回転子外径側に流れる冷媒に段差により調節している。単純に固定子の端部外側から冷媒を軸方向に流す場合、段差は必要なく流入口の開口部を大きくすれば良い。よって、軸方向中心部の冷媒流量を増加させるには不向きである。

特許文献１−３では、長尺化した回転電機の軸方向中心付近の冷却を十分に行うことができない。

本発明の一つの目的は、長尺化した回転電機の軸方向中心付近の冷媒風量を増加させ、冷却効率を向上させた回転電機システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一例では、回転電機は、
回転子と固定子とを備えた回転電機であって、
前記固定子はコイルと固定子鉄心とを備え、
前記コイルは、前記固定子の周方向に配置され、
前記固定子鉄心は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて成る積層電磁鋼板が複数組のパケット鉄心に分割され、かつ、前記複数組のパケット鉄心のうちの１つと隣り合う他のパケット鉄心との間に冷媒を固定子径方向に流す流路となるダクトを形成し、
前記パケット鉄心と前記ダクトとが軸方向に交互に配設されて構成され、
前記ダクトは、前記冷媒が流出する側より流入する側の流路断面積が大きくなるように構成する。

本発明によれば、長尺化した回転電機の軸方向中心付近の冷却効率を上げることが可能となる。

回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例１） 流入口の大きさと流量の関係を示した説明図である。（実施例1） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例1） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例2） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例3） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例3） 流入口の大きさと流量の関係を示した説明図である。（実施例3） 軸方向長さとコイル温度の関係を示した説明図である。（実施例3） 軸方向長さとコイル温度の関係を示した説明図である。（実施例3） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例3） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例3） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例3） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例4） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例5） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例6） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例6） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例7） 回転電機の実施方法を示した説明図である。（実施例8）

以下本発明の詳細を図面を用いながら説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与する。

図１は、本発明装置の第１実施例となる回転電機の断面図である。主に油及び天然ガスを精製する圧縮機システムに使用する回転電機である。出力は数MW、回転速度は数万min-1クラスの回転電機であり、回転速度を増加させた利点として回転電機のシステム規模を縮小できることから、洋上等の設置スペースが限られた場所で適用される。

図1に示すように回転電機1を構成する主な部品として、回転子2、固定子3、フレーム4、熱交換器5で構成される。回転子2はシャフトと一体となった鉄心19と銅バー6及びエンドリング7により構成され、軸受8により支持され回転する。

固定子3は電磁鋼板9にコイル10が施しており、固定子3はフレーム4に締結されている。軸方向の構造は積層された電磁鋼板9との間に、冷媒13を流すためのダクトピース11を設けることでダクト12を形成しており、電磁鋼板9とダクトピース11が交互に配置される。固定子3の軸方向の両端部には電磁鋼板9が分離しないよう面圧を加えて抑えるためのコアクランプ17が取り付けられる。

次に冷媒の流れについて説明する。冷媒13の流れはファン14により、回転子2と固定子3の間に形成されたギャップ15へ送られる。ギャップ15に流れた冷媒13は固定子3に形成されたダクト12を抜けて、熱交換器5に流れる。熱交換器5から再びファン14に冷媒13が戻ることで、冷媒13は回転電機1の内部を循環することになる。

ここで、固定子3の軸方向中心部にあるダクト12aの拡大図を図2に示す。図2に示すように、ダクト12aのギャップ15からの流入口16を大きくしている。流入口16を大きくすることで、通風抵抗を減らし冷媒13の流量を増加させることが可能となる。また、コイル10が露出する部分が増えることで、冷媒13に接触する面積が増加するためコイル10の温度低減が可能となる。

つまり、軸方向中心付近のみ流入口を拡大することで、通風抵抗を減らし冷媒流量が増加し軸方向中心のピーク温度を低減できる。また、コイルが、冷媒に接触する面積が増えるため温度を低減できる。
次に流入口16の大きさと流量増加の関係を図3に示す。図3に示すように、横軸を流入口幅、縦軸に流量を示しており、両軸とも流入口を大きくしてない時（ダクト12aと同じ幅）を1.0にした規格化値(p.u)としている。図3から、流入口の幅を約1.4倍に拡大することで冷媒13の流量を約10%増加させることができる。

本実施例では軸方向の温度分布が軸方向中心で最も高くなった場合の例を示している。よって、図1に示すように、流入口16を拡大したダクト12aを軸方向の中心に設けているが、これは軸方向中心に限定するものでは無い。このことから、流入口16の拡大する部位は、軸方向のピーク温度が発生する位置に合わせて設けることが適切である。これについては実施例3にて詳しく説明する。

また、本実施例では回転子2をシャフトと一体となった鉄心19と銅バー6、エンドリング7で構成したソリッド型の回転子としているが、図4で示すように、回転子2aを固定子3と同じように、電磁鋼板9を積層しダクトピース11で構成しても同様の効果を得られる。しかしながら、ソリッド型回転子にした場合、回転子2にダクトピース11を設けることは困難である。

よって、回転子2からの冷媒13の流れは無いため、固定子内部を冷却するための冷媒13の流路経路はギャップ15とダクト12のみとなる。このことから、本発明はソリッド型回転子に適用した方が効果的と言える。更に、本実施例では誘導機としているが、同期機、永久磁石同期機としても動揺の効果が得られる。

また、固定子3に施したコイル10の巻線方法も分布巻、集中巻にしても問題無い。軸受8も本実施例では玉軸受としているが、その他の軸受、或いは高速化に対応するために磁気軸受を適用しても問題無い。

以上の構成にすることで、回転電機の軸方向中心付近における最大温度が発生する部位に冷媒流量を増加させて、温度を低減し温度分布を平準化することが可能となる。

図5は、本発明の第2実施例となる回転電機の断面図である。図5に示すように、実施例1で示した構成において、固定子3に形成したダクト12aにコアクランプ17aを設けている。

固定子3の端部に設けたコアクランプ17とダクト12aに設けたコアクランプ17aにより、積層した電磁鋼板9に面圧を加えている。回転電機の軸長が長くなると、積層した電磁鋼板9に面圧を均一に加えるのが困難になり、固定子3自体の剛性が低下し、振動や騒音が大きくなる可能性がある。

極端に軸長が長くなる場合、本実施例のように、ダクト12aの間にコアクランプ17aを設けて、固定子3の両端部では無く、軸長が短い状態の中間部で面圧を加え剛性を確保することができる。

また、ダクト12aにコアクランプ17aを設けることで、コアクランプ17aの厚さ分、流入口16を大きくすることができるので、実施例1の効果をより助長することができる。

図6は、本発明の第3実施例となる回転電機の断面図である。図6に示すように、実施例1と実施例2で示した構成において、固定子3に設けたダクト12bの流入口16aの形状を軸方向両端部に向かって漸増させている。

ダクト12bの拡大図を図7に示す。図7に示すように、固定子3を構成している電磁鋼板9の内径を軸方向両端部に向かって大きくして積層していしている。このような、形状にすることでギャップ15からダクト12bに流入する通風抵抗を低減できる。本来であれば、流入口16aの角部に曲線を設けることが最適ではあるが、電磁鋼板9を積層し固定子3を組立後に機械加工するため、大型の固定子3の場合は加工が困難となる。

また、積層した面を加工することになるので、電磁鋼板9の捲れや絶縁層が加工により除去される可能性もある。

本実施例のように、電磁鋼板9を積層するまえに打ち抜き加工し、流入口16aの漸増(段構造)構造を形成することで、電磁鋼板9の捲れや絶縁層を回避でき、角部を曲線にしたときと同様の効果も得られる。

図8に漸増させた場合の流入口16aの大きさと流量増加の関係を示す。図8に示すように、横軸を流入口幅、縦軸に流量を示しており、両軸とも流入口を大きくしてない状態(ダクト12bと同じ幅)で、且つ、漸増させてない状態を1.0にした規格化値(p.u)としている。

図8から、流入口幅を約1.4倍にすると、流量も約1.3倍増加する。実施例1の図3に対して、流入口を大きくした状態から、徐々に流入口を小さく（固定子内径側から流入口を見た場合）することで約1.18倍、流量を増加させることができる。このことから、流入口の形状が流量に大きく影響していることがわかる。

ここで、固定子3に設けた流入口16aの軸方向位置について説明する。図9、図10にコイル10の軸方向温度分布を示す。図9では、ピーク温度が発生する位置は、軸長の中心から少し右側にずれた位置で発生している。図10ではピーク温度が発生する位置は、軸長中心の左右で発生している。

図11、図12は図9、図10で示した温度分布に対応した流入口16aの配置を示す。図11では、軸長中心から右側にずれた位置に合わせて流入口16aを設けている。図12は軸長中心に対して左右に流入口16aを設けている。

このことから、流入口16aはピーク温度が発生する位置に合わせ設けることが適切である。また、図12で示すように流入口16aは複数個設けても良い。次に流入口16aの径方向位置について説明する。図1〜図12は全て、拡大した流入口16、16aを固定子3の内径側に設けているが、図13では流入口16bを固定子3の外径側に設けている。

図13の冷媒の流れについて説明する。冷媒13の流れはファン14により、回転子2と固定子3の間に形成されたギャップ15と固定子3の外径側にあるバイパス流路18へ送られる。ギャップ15に流れた冷媒13は固定子3に形成されたダクト12を抜けて、熱交換器5に流れる。熱交換器5から再びファン14に冷媒13が戻り循環する。

一方、パイバス流路18に流れた冷媒13は直接、固定子3に形成されたダクト12cの流入口16bへ流れる。流入口16bに流れた冷媒13はギャップ15に流れ、ギャップ15に直接流れてきた冷媒13と合流する。このような流路を形成することで、固定子3の軸方向中心部に温度が低い冷媒13を直接流すことができる。

直接流れてきた冷媒13に対して流入口16bを設けることで、通風抵抗を減らし流量を増加させることができる。このことから、冷媒流路に合わせて流入口16bは固定子3の内径側及び外径側に設けても良い。また、固定子3の外径側に設ける場合も、上述したように複数個設けても良い。

図14は、本発明の第4実施例となる回転電機の断面図となる。図14に示すように、実施例1から実施例3で示した構成において、固定子3に配置したダクト12の幅をダクト12b幅よりも小さくしている。これにより、ダクト12bへ流れる冷媒13の流量を増やすことができピーク温度を低減できる。

図15は、本発明の第5実施例となる回転電機の断面図となる。図15に示すように、実施例1から実施例4で示した構成において、固定子3の両端部における電磁鋼板9の内径を軸方向中心から両端部に向かって漸増させている（漸増部20）。

こうすることで、ギャップ15の流入口の通風抵抗を低減できるため、ギャップ15へ冷媒13が流れやすくなる。また、図15にコイル10及びエンドリング7から空気中に漏れ磁束21が流れる。漏れ磁束21は交流電流により発生するため、磁束自体も交番することになる。

固定子3の端部は図15で示す通り、漏れ磁束21の経路となるため、端部の電磁鋼板9のみ漏れ磁束21により渦電流が流れ損失が発生する。しかしながら、本実施例のように、端部を漸増させた構造にすることで、端部の渦電流を低減する効果もあり損失を低減することができる。

図16は、本発明の第6実施例となる回転電機の断面図となる。図16に示すように、実施例1から実施例5で示した構成において、回転子2のエンドリング7の両端部外径を軸方向中心から両端部に向かって漸増（漸増部22）させている。

こうすることで、ギャップ15の流入口の通風抵抗を低減できるため、ギャップ15へ冷媒13が流れやすくなる。図17は回転子2bを界磁巻線型同期機としている。図17に示すようにポールシュー23を漸増させた構造としている。こうすることで、冷媒13を流れやすくなるとともに、実施例5と同様に端部の漏れ磁束21による渦電流損失を低減できる効果もある。

図18は、本発明の第7実施例となる固定子の断面図となる。図18に示すように、実施例1から実施例6で示した構成において、固定子3に設けたスロット24に配置するコイル10をスロット24内の外径側に配置して、空隙部25を形成している。空隙部15はギャップ15と連通しているため、冷媒13が流入する面積を大きくする効果があるため、冷媒13の流量増加が図れる。

図19は、本発明の回転電機を圧縮機システムに適用した例を示す。図19に示すように、実施例1から実施例7で示した回転電機1を圧縮機24と直結して駆動する。高速化したことにより、従来であれば回転電機1と圧縮機26の間に増速ギアが配置されるが、高速化したことにより回転電機1と圧縮機26を直結することが可能となる。

1 回転電機
2、2a、2b 回転子
3 固定子
4 フレーム
5 熱交換器
6 銅バー
7 エンドリング
8 軸受
9 電磁鋼板
10 コイル
11 ダクトピース
12、12a、12b、12c ダクト
13 冷媒
14 ファン
15 ギャップ
16、16a、16b 流入口
17、17a コアクランプ
18 バイパス流路
19 鉄心
20 漸増部
21 漏れ磁束
22 漸増部
23 ポールシュー
24 スロット
25 空隙部
26 圧縮機

Claims (8)

1. 回転子と固定子とを備えた回転電機であって、
   前記固定子はコイルと固定子鉄心とを備え、
   前記コイルは、前記固定子の周方向に配置され、
   前記固定子鉄心は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて成る積層電磁鋼板が複数組のパケット鉄心に分割され、かつ、前記複数組のパケット鉄心のうちの１つと隣り合う他のパケット鉄心との間に冷媒を固定子径方向に流す流路となるダクトを形成し、
   前記パケット鉄心と前記ダクトとが軸方向に交互に配設されて構成され、
   前記ダクトは、前記冷媒が流出する側より流入する側の流路断面積が大きいことを特徴とする回転電機。
2. 回転子と固定子とを備えた回転電機であって、前記固定子はコイルと固定子鉄心とを備え、前記コイルは、周方向に配置され、前記固定子鉄心は、軸方向に複数の電磁鋼板が積層されて成る積層電磁鋼板が複数組のパケット鉄心に分割されると共に、該複数組のパケット鉄心の１つとそれに隣り合う他のパケット鉄心との間に、冷媒を固定子径方向に流す流路となるダクトが形成され、前記パケット鉄心と前記ダクトとが軸方向に交互に配設されて構成され、前記ダクトのうち軸方向両端部から中心に位置するダクトにおいて、ダクトを挟んで対向する二つのパケット鉄心の、その径方向長さが軸方向両端部へ向かって遠ざかるにつれて大きくなる部分を有し、前記固定子の、積層した前記固定子鉄心の面圧を確保するための、クランプを前記固定子の軸方向両端部と軸方向中心のダクトの両側の前記パケット鉄心に設けたことを特長とする回転電機。
3. 請求項1から2の回転電機において、前記パケット鉄心と前記ダクトとが軸方向に交互に配設されて構成され、前記ダクトのうち軸方向両端部から中心側に位置するダクトにおいて、ダクトを挟んで対向する二つのパケット鉄心の、その径方向長さが軸方向両端部へ向かって遠ざかるにつれて漸増する部分を有することを特徴とする回転電機。
4. 請求項1から3の回転電機において、該複数組の前記パケット鉄心の１つとそれに隣り合う他の前記パケット鉄心との間に、冷媒を前記固定子径方向に流す流路となる前記ダクトが形成され、前記パケット鉄心と前記ダクトとが軸方向に交互に不等間隔で配設されて構成されたことを特徴とする回転電機。
5. 請求項1から4の回転電機において、前記固定子の軸方向両端部の前記固定子鉄心内径側の端部から軸方向中心に向かって、漸増する部分を有することを特長とする回転電機。
6. 請求項1から5の回転電機おいて、前記回転子の軸方向両端部の回転子外径を端部から軸方向中心に向かって、漸増する部分を有することを特長とする回転電機。
7. 請求項1から6の回転電機において、前記固定子にコイルを配置するためにスロットを設け、前記スロット内の外径側に前記コイルを配置し、その配置した前記コイルよりも内径側に、空隙部を設けたことを特長とする回転電機。
8. 請求項1から7の回転電機おいて、前記回転電機をコンプレッサー用駆動機として使用したことを特徴とするコンプレッサーシステム。

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