JP2018093676A

JP2018093676A - 全閉外扇形回転電機およびフレーム

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Publication number: JP2018093676A
Application number: JP2016237188A
Authority: JP
Inventors: 優野崎; Masaru Nozaki
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2016-12-07
Publication date: 2018-06-14
Anticipated expiration: 2036-12-07
Also published as: JP6490043B2

Abstract

【課題】全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保する。【解決手段】全閉外扇形回転電機は、ロータシャフトと回転子鉄心とを有する回転子と、固定子鉄心と固定子巻線とを有する固定子と、固定子および回転子鉄心を収納するフレーム４０と、反結合側軸受および結合側軸受と、反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットと、外扇と、冷却器とを備える。フレーム４０は、フレーム底板４１、２枚のフレーム側板４２、２枚のフレーム端板４３ａ、４３ｂと、複数の支持板４５と、軸方向に延びて支持板４５を貫通し支持板４５と外面が結合し両端でそれぞれフレーム端板４３ａ、４３ｂを貫通し外面がフレーム端板４３ａ、４３ｂと結合し両端が開放された複数の冷却用連結管とを具備する。【選択図】図２

Description

本発明は、全閉外扇形回転電機およびそのフレームに関する。

回転電機は、軸方向に延びたロータシャフトおよびその径方向外側に取り付けられた回転子鉄心を有する回転子と、回転子鉄心の径方向外側に設けられた円筒状の固定子鉄心およびその径方向内側部分を軸方向に貫通する固定子巻線を有する固定子と、固定子鉄心の径方向外側に配されて回転子鉄心および固定子を収納するフレームとを備える。

回転電機のフレームは、外面の板部として、フレーム底板、フレーム側板、およびフレーム端板を有し、箱状に形成されている。

軸方向の両端部を閉止するように設けられたフレーム端板には、軸受ブラケットを取付けるための開口が形成されている。軸受を介して固定子の磁気振動による振動等が発生しないように、この箱状のフレームは、通常、内側に補強のための構造材を有している。

フレームにおいて、箱状の構造体の補強は、具体的には、たとえば、軸方向に間隔をあけて配された支持板と、支持板同士、あるいは支持板とフレーム端板とを接続する連結管などが用いられている。

支持板には、中央に固定子鉄心が貫通する開口が形成されており、支持板は、固定子鉄心を径方向外側から支持する。連結管は、この支持板とフレーム端板とを軸方向に結合、および支持板どうしを軸方向に結合するために、周方向に互いに間隔をあけて配されている。連結管は、各支持板を貫通しながら各支持板と結合し、両端でフレーム端板と結合し、フレーム端板によって両端の開口を閉止されている。

特開２００９−２５４０１２号公報

回転電機を小型化しようとする場合、特に、フレームの大きさを縮小することが効果的である。しかしながら、フレームを縮小して小型化する場合、通常、冷却性能が問題となる。

そこで、本発明は、全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、回転軸の周りを回転可能に支持され軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に配され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た固定子鉄心と、前記固定子鉄心の径方向内側部分を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子および前記回転子鉄心を収納するフレームと、前記ロータシャフトの両端を回転可能に支持する反結合側軸受および結合側軸受と、前記反結合側軸受および結合側軸受のそれぞれを固定支持する反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットと、前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側に取り付けられた外扇と、互いに並列に配されて軸方向に延びて前記フレームの外部からの外気を通過させる両端が開放された複数の冷却管と、前記冷却管のそれぞれの両端を支持する２つの冷却器端板と、前記複数の冷却管を内蔵し前記フレームに形成された冷却器入口開口および冷却器出口開口で前記フレームと連通する冷却器カバーとを有する冷却器と、を備えた全閉外扇形回転電機であって、前記フレームは、フレーム底板と、２枚のフレーム側板と、反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットを取り付けるための開口がそれぞれ形成され前記フレーム底板および前記フレーム側板とともに箱形を形成する２枚のフレーム端板と、軸方向に互いに間隔をおいて配されて軸方向に垂直方向に拡がる面を有し、前記フレーム底板、および前記フレーム側板と結合し、中央に前記固定子が貫通する開口が形成されて固定子を支持する複数の支持板と、軸方向に延びて、前記支持板を貫通し前記支持板と外面が結合し、両端でそれぞれ前記フレーム端板を貫通し外面が前記フレーム端板と結合し、両端が開放された複数の冷却用連結管と、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、全閉外扇形回転電機を構成するフレームであって、前記フレームは、箱形に組み立てられる、フレーム底板、２枚のフレーム側板、反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットを取り付けるための開口がそれぞれ形成された２枚のフレーム端板と、軸方向に互いに間隔をおいて配されて軸方向に垂直方向に拡がる面を有し、前記フレーム底板、および前記フレーム側板と結合し、中央に固定子が貫通する開口が形成されて固定子を支持する複数の支持板と、軸方向に延びて、前記支持板を貫通し前記支持板と外面が結合し、両端でそれぞれ前記フレーム端板を貫通し外面が前記フレーム端板と結合し、両端が開放された複数の冷却用連結管と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することができる。

実施形態に係る回転電機の構成を示す回転軸に沿って切断した立断面図である。実施形態に係る回転電機のフレームの構成を示す斜視図である。実施形態に係る回転電機のフレームの構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視横断面図である。実施形態に係る回転電機のフレームの付加質量体を有する制振用連結管の構成を示す長手方向の断面図である。実施形態に係る回転電機のフレームの減衰用部材を有する制振用連結管の構成を示す長手方向の断面図である。

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。

図１は、実施形態に係る回転電機の構成を示す回転軸に沿って切断した立断面図である。全閉外扇形回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、フレーム４０、反結合側軸受３０ａ、結合側軸受３０ｂ、および冷却器６０を有する。

回転子１０は、回転軸方向（以下、軸方向という。）に水平に延びたロータシャフト１１、およびロータシャフト１１の径方向外側に設けられた円筒状の回転子鉄心１２を有する。

ロータシャフト１１の軸方向の一方の端部は、結合対象、すなわち、当該全閉外扇形回転電機１００が電動機ならば駆動対象機器、当該全閉外扇形回転電機１００が発電機ならば原動機と結合する結合部１１ａが形成されている。以下、軸方向に、結合部１１ａの方向を結合側、これと反対の方向を反結合側と呼ぶこととする。

ロータシャフト１１は、反結合側軸受３０ａおよび結合側軸受３０ｂにより回転可能に支持されている。ロータシャフト１１には、軸方向に回転子鉄心１２を挟んで、反結合側に内扇１５ａが、結合側に内扇１５ｂが、それぞれ取り付けられている。また、ロータシャフト１１の反結合側軸受３０ａの軸方向の外側には、当該全閉外扇形回転電機１００を自ら冷却するために、外扇５５が設けられている。また、外扇５５を覆うように外扇カバー５６が取り付けられている。外扇カバー５６には、外気の取入のための流入口５６ａが形成されている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側にギャップ１８を介して設けられた円筒状の固定子鉄心２１、および固定子鉄心２１の径方向内側に形成されたスロット（図示せず）内を回転軸方向に貫通する複数の固定子巻線２２を有する。

フレーム４０は、固定子２０および回転子鉄心１２を収納するように、これらの外側を囲んでいる。また、フレーム４０は、軸方向の両端にフレーム端板４３ａ、４３ｂが設けられている。フレーム端板４３ａ、４３ｂのそれぞれには円形の開口４３ｓが形成されており、フレーム端板４３ａの開口には反結合側軸受ブラケット３５ａが、フレーム端板４３ｂの開口は結合側軸受ブラケット３５ｂが、それぞれの開口を塞ぐように取り付けられている。反結合側軸受ブラケット３５ａおよび結合側軸受ブラケット３５ｂは、それぞれ反結合側軸受３０ａおよび結合側軸受３０ｂを固定支持している。

フレーム４０の上方には、冷却器６０が設けられている。冷却器６０は、複数の冷却管６１、冷却器カバー６３、冷却器端板６２ａ、６２ｂ、およびガイド板６６ａ、６６ｂを有する。

複数の冷却管６１は、冷却器カバー６３に収納され、互いに並列に配され軸方向に延びている。また、それぞれの冷却管６１は、両端が冷却器端板６２ａ、６２ｂを貫通し、冷却器端板６２ａ、６２ｂにより固定支持されている。それぞれの冷却管６１の両端は開口している。

また、後述するフレーム４０の補強用の複数の冷却用連結管７１（図３）は、軸方向に延びて、両端がフレーム端板４３ａ、４３ｂを貫通し、フレーム端板４３ａ、４３ｂに結合している。冷却用連結管７１の両端は開放されている。

フレーム４０、反結合側軸受ブラケット３５ａ、結合側軸受ブラケット３５ｂ、冷却器カバー６３、および冷却器端板６２ａ、６２ｂは、互いに相俟って閉空間４０ｓを形成している。また、冷却器６０においては、冷却管６１も閉空間４０ｓを形成する要素であり、冷却管６１の外側が閉空間４０ｓとなっている。同様に、フレーム４０内においては、冷却用連結管７１も閉空間４０ｓを形成する要素であり、冷却用連結管７１の外側が閉空間４０ｓとなっている。

フレーム４０側の空間と、冷却器カバー６３側の空間とは、フレーム４０に形成された冷却器入口開口６４および冷却器出口開口６５ａ、６５ｂで連通している。冷却器入口開口６４は軸方向の中央に、また、冷却器出口開口６５ａ、６５ｂはこれを挟んで軸方向の両側であって、それぞれ内扇１５ａ、１５ｂの上方に設けられている。

閉空間４０ｓ内は、たとえば空気などの冷却用気体が満たされている。冷却用気体は、内扇１５ａおよび内扇１５ｂに駆動されて、閉空間４０ｓ内を循環する。具体的には、内扇１５ａは、反結合側軸受３０ａ側から回転子１０側に冷却用気体を圧送する。また、内扇１５ｂは、結合側軸受３０ｂ側から回転子１０側に冷却用気体を圧送する。

反結合側および結合側からそれぞれ内扇１５ａ、１５ｂにより回転子１０側に圧送された冷却用気体は、回転子１０およびギャップ１８に流入し、回転子鉄心１２および固定子鉄心２１を冷却しながら通過した後に、冷却器入口開口６４を経由して、冷却器６０に流入する。

冷却器入口開口６４を経由して冷却器６０に流入した冷却用気体は、ガイド板６６ａとガイド板６６ｂの間を、冷却管６１の内部を通過する外気に冷却されながら、冷却管６１の外側を上昇した後、上部連通空間６３ａ内に流入する。上部連通空間６３ａに流入した冷却用気体は、軸方向の両側、すなわち反結合側および結合側にそれぞれ分流する。

上部連通空間６３ａから反結合側に分流した冷却用気体は、下方に方向転換した後に、冷却管６１内を通過する外気により冷却されながら冷却管６１の外側を下降し、冷却器出口開口６５ａを介して、フレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇１５ａに流入し、内扇１５ａによって回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。このように、冷却用気体は、反結合側の循環流路を循環する。

また、上部連通空間６３ａから結合側に分流した冷却用気体は、下方に方向転換した後に、冷却管６１を通過する外気により冷却されながら冷却管６１の外側を下降し、冷却器出口開口６５ｂを介して、フレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇１５ｂに流入し、内扇１５ｂによって回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。このように、冷却用気体は、結合側の循環流路を循環する。

以上のように、冷却用気体は、閉空間４０ｓ内で、結合側の循環流路、反結合側の循環流路の２つの流路に分かれて循環する。

一方、外気は、外扇５５により、外扇カバー５６に形成されている流入口５６ａから外扇カバー５６内に吸い込まれ、冷却器端板６２ａ側から複数の冷却管６１のそれぞれの内部に圧送されるとともに、フレーム端板４３ａ側から後述する複数の冷却用連通管７１（図３）の内部に圧送される。

複数の冷却管６１の内部を通過する外気は、まず、反結合側の循環流路を循環する冷却用気体を冷却しながら温度上昇し、次に、結合側の循環流路を循環する冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、冷却器端板６２ｂ側で、冷却管６１から流出する。同様に、複数の冷却用連通管７１の内部を通過する外気は、まず、反結合側の循環流路を循環する冷却用気体を冷却しながら温度上昇し、次に、結合側の循環流路を循環する冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、フレーム端板４３ｂ側で、冷却用連通管７１から流出する。

図２は、実施形態に係る回転電機のフレームの構成を示す斜視図である。また、図３は、実施形態に係る回転電機のフレームの構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視横断面図である。

フレーム４０は、箱形の筐体部分と、その内部でこれを補強し、固定子から受ける荷重を伝達する補強部分とを有する。

筐体部分は、フレーム底板４１、２つのフレーム側板４２、および２つのフレーム端板４３ａ、４３ｂを有する。なお、図２では、２つのフレーム側板４２のうちの手前側の図示を省略している。フレーム端板４３ａおよびフレーム端板４３ｂには、反結合側軸受３０ａおよび結合側軸受３０ｂがそれぞれ取り付けられるように、開口４３ｈが形成されている。

補強部分は、複数の支持板４５および複数の連結管７０を含んでいる。連結管７０は、前述の複数の冷却用連結管７１、および制振用連結管７２を含む。

支持板４５は、軸方向にフレーム端板４３ａとフレーム端板４３ｂに挟まれて、互いに軸方向に間隔をあけて配されている。それぞれの支持板４５には、固定子鉄心２１が貫通する支持板開口４５ａが形成されている。支持板４５は、たとえば、焼嵌めにより固定子鉄心２１と結合させ、支持板開口４５ａの径は、固定子鉄心２１の外径とほぼ同じ寸法である。

冷却用連結管７１および制振用連結管７２は、それぞれ、支持板４５を貫通し、貫通部で、支持板４５と結合している。また、冷却用連結管７１および制振用連結管７２は、両端がフレーム端板４３ａ、４３ｂを貫通し、フレーム端板４３ａ、４３ｂに結合し、両端は開放されている。但し、制振用連結管７２の両端は閉止されていてもよい。複数の連結管７０は、周方向に互いに間隔をもって配列している。

この結果、冷却用連結管７１内を外気が通過することにより、冷却用連結管７１が、冷却器６０の冷却管６１と同様の働きをし、冷却用気体の冷却能力の増大に寄与する。

一方、制振用連結管７２は、その内部に、制振用部材７３を有している。制振用部材７３は、減衰用部材７３ｂと付加質量体７３ａとを含む。

図４は、実施形態に係る回転電機のフレームの付加質量体を有する制振用連結管の構成を示す長手方向の断面図である。すなわち、制振用連結管７２が、内部に、制振用部材７３としての付加質量体７３ａを有する場合を示している。制振用連結管７２内には、軸方向に複数の付加質量体７３ａが設けられている。ただし、複数ではなく一つであってもよい。制振用連結管７２の両端は閉止蓋７２ａにより閉止されている。付加質量体７３ａは、軸方向にスペーサ７４により位置決めされている。

付加質量体７３ａは、たとえば、円筒状の容器とそれに内蔵される液体又は固体を有する、なお、付加質量体７３ａが円筒状の固体であってもよい。このように、フレーム４０という構造体の一部に付加質量体７３ａを設けることにより、フレーム４０の固有周期が低下する。たとえ、フレーム４０が回転子１０や固定子２０のある次数の振動と共振するような場合には、付加質量体７３ａを設けることにより、フレーム４０の固有周波数を共振周波数からずらすことができ、共振を回避することができる。また、周方向には制振用連結管７２とする連結管７０を選定し、軸方向にはスペーサ７４により位置決めすることにより、付加質量体７３ａを設ける位置を調整することができる。

図５は、実施形態に係る回転電機のフレームの減衰用部材を有する制振用連結管の構成を示す長手方向の断面図である。すなわち、制振用連結管７２が、内部に制振用部材７３としての減衰用部材７３ｂを有する場合を示している。制振用連結管７２は、軸方向に複数の減衰用部材７３ｂを有している。ただし、複数ではなく一つであってもよい。減衰用部材７３ｂは、軸方向にスペーサ７４により位置決めされている。スペーサ７４を固定するために制振用連結管７２の両端は、図４に示すように、閉止蓋７２ａにより閉止されていてもよい。

減衰用部材７３ｂは、たとえば、円筒状の容器と、それに内蔵される粉末状あるいは粒状の固体、その他、各種形状の複数の固体片を有する。

減衰用部材７３ｂは、振動が発生した場合に、容器の内部で複数の内臓物が互いの衝突や摩擦、あるいは内蔵物の容器への衝突や内蔵物と容器との摩擦により、その振動のエネルギーの一部を吸収する。この結果、制振用連結管７２が振動の減衰を早める効果を有する。

したがって、減衰用部材７３ｂは、付加質量体７３ａのうちで、内蔵物が移動するもので、振動のエネルギーの一部を吸収するようなものであってもよい。

このように、制振用連結管７２が制振用部材７３を内包することにより、全閉外扇形回転電機１００の制振効果を高めることができる。

以上のように、本実施形態によれば、フレーム４０の補強用の連結管を冷却用連結管７１とすることにより全閉外扇形回転電機１００の冷却効率を確保することができる。また、フレーム４０の補強用の連結管の一部を制振用連結管７２とすることにより、全閉外扇形回転電機１００の制振効果を高めることができる。

［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。たとえば、実施形態では、ロータシャフトが水平方向に延びた横置き型の全閉外扇形回転電機の場合を示したが、ロータシャフトが鉛直方向に延びた立置き型の全閉外扇形回転電機の場合であってもよい。

さらに、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、１１ａ…結合部、１２…回転子鉄心、１５ａ、１５ｂ…内扇、１８…ギャップ、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０ａ…反結合側軸受、３０ｂ…結合側軸受、３５ａ…反結合側軸受ブラケット、３５ｂ…結合側軸受ブラケット、４０…フレーム、４０ｓ…閉空間、４１…フレーム底板、４２…フレーム側板、４３ａ、４３ｂ…フレーム端板、４３ｈ…フレーム端板開口、４５…支持板、４５ａ…支持板開口、５５…外扇、５６…外扇カバー、５６ａ…流入口、６０…冷却器、６１…冷却管、６２ａ、６２ｂ…冷却器端板、６３…冷却器カバー、６３ａ…上部連通空間、６４…冷却器入口開口、６５ａ、６５ｂ…冷却器出口開口、６６ａ、６６ｂ…ガイド板、７０…連結管、７１…冷却用連結管、７２…制振用連結管、７２ａ…閉止蓋、７３…制振用部材、７３ａ…付加質量体、７３ｂ…減衰用部材、７４…スペーサ、１００…全閉外扇形回転電機

Claims

回転軸の周りを回転可能に支持され軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に配され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た固定子鉄心と、前記固定子鉄心の径方向内側部分を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記固定子および前記回転子鉄心を収納するフレームと、
前記ロータシャフトの両端を回転可能に支持する反結合側軸受および結合側軸受と、
前記反結合側軸受および結合側軸受のそれぞれを固定支持する反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットと、
前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側に取り付けられた外扇と、
互いに並列に配されて軸方向に延びて前記フレームの外部からの外気を通過させる両端が開放された複数の冷却管と、前記冷却管のそれぞれの両端を支持する２つの冷却器端板と、前記複数の冷却管を内蔵し前記フレームに形成された冷却器入口開口および冷却器出口開口で前記フレームと連通する冷却器カバーとを有する冷却器と、
を備えた全閉外扇形回転電機であって、
前記フレームは、
フレーム底板と、２枚のフレーム側板と、反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットを取り付けるための開口がそれぞれ形成され前記フレーム底板および前記フレーム側板とともに箱形を形成する２枚のフレーム端板と、
軸方向に互いに間隔をおいて配されて軸方向に垂直方向に拡がる面を有し、前記フレーム底板、および前記フレーム側板と結合し、中央に前記固定子が貫通する開口が形成されて固定子を支持する複数の支持板と、
軸方向に延びて、前記支持板を貫通し前記支持板と外面が結合し、両端でそれぞれ前記フレーム端板を貫通し外面が前記フレーム端板と結合し、両端が開放された複数の冷却用連結管と、
を具備することを特徴とする全閉外扇形回転電機。
前記冷却用連結管は、前記外扇により駆動される外気が通過可能に構成されていることを特徴とする請求項１に記載の全閉外扇形回転電機。
軸方向に延びて、前記支持板を貫通し前記支持板と外面が結合し、両端でそれぞれ前記フレーム端板を貫通し外面が前記フレーム端板と結合し、内部に制振用部材を軸方向の位置調整可能に収納し、前記冷却用連結管と並列に配された制振用連結管をさらに有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の全閉外扇形回転電機。
前記制振用部材は、付加質量体を含むことを特徴とする請求項３に記載の全閉外扇形回転電機。
前記制振用部材は、粒状または粉状の固体およびこれらを収納する容器を含むことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の全閉外扇形回転電機。
全閉外扇形回転電機を構成するフレームであって、
前記フレームは、
箱形に組み立てられる、フレーム底板、２枚のフレーム側板、反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットを取り付けるための開口がそれぞれ形成された２枚のフレーム端板と、
軸方向に互いに間隔をおいて配されて軸方向に垂直方向に拡がる面を有し、前記フレーム底板、および前記フレーム側板と結合し、中央に固定子が貫通する開口が形成されて固定子を支持する複数の支持板と、
軸方向に延びて、前記支持板を貫通し前記支持板と外面が結合し、両端でそれぞれ前記フレーム端板を貫通し外面が前記フレーム端板と結合し、両端が開放された複数の冷却用連結管と、
を具備することを特徴とするフレーム。