JP2018186617A

JP2018186617A - 回転電機およびその回転子

Info

Publication number: JP2018186617A
Application number: JP2017086188A
Authority: JP
Inventors: 孔三西村; Kozo Nishimura
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2037-04-25
Also published as: JP6592027B2

Abstract

【課題】より簡素化された構成により回転電機の冷却効率を確保する。【解決手段】回転電機は、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軸方向流量配分構造１００と、その径方向外側に設けられ回転子鉄心ダクト１３が形成された回転子鉄心１２とを有する回転子１０と、固定子鉄心ダクトが形成された円筒状の固定子鉄心２１と固定子巻線２２とを有する固定子２０と、結合側軸受および反結合側軸受と、冷却ファンとを備える。軸方向流量配分構造１００は、回転子鉄心１２を支持する複数の支持部材と、軸方向流路１０３の端部を閉止する閉止板１０４と、軸方向流路１０３に沿って互いに間隔をあけて配されて流路断面積を制限するとともに回転子鉄心ダクト１３を形成する複数の流量調節器１０２とを有する。【選択図】図２

Description

本発明は、回転電機およびその回転子に関する。

回転電機は、回転子と固定子とを備えている。回転子は、通常、回転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、通常、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に巻回された固定子コイルを有する。固定子鉄心および回転子鉄心には、磁束を効果的に通過させられるように所定の断面積の磁路が確保されている。

また、巻線型の誘導式回転電機の場合は、回転子にも回転子巻線が設けられている。

負荷運転時には、回転電機の機内においては、固定子巻線および回転子巻線では主に銅損が発生し、また固定子鉄心および回転子鉄心においては主に鉄損が発生する。

このように固定子および回転子において生ずる鉄損および銅損による発熱による固定子巻線や回転子巻線等の温度上昇から固定子および回転子を保護するために、これらを冷却する必要がある。

このため、たとえば、誘導式回転電機においては、回転子に生ずる渦電流などによる鉄損を低減するために、通常、回転子鉄心は、電磁鋼板を積層した構造となっている。

また、ロータシャフトに取り付けた内扇により、空気などの冷却用気体を強制的に循環させ、冷却用気体により固定子および回転子を冷却している。また、固定子鉄心に、冷却用気体の径方向流路である固定子鉄心ダクトを設けて、冷却用気体による冷却機能を高めている。さらには回転子鉄心にも、冷却用気体の径方向流路である回転子鉄心ダクトおよび軸方向流路を設けて、冷却用気体による冷却機能を高めている技術が知られている（特許文献１）。

特許５０６５１６６号公報

回転電機の機内の循環機能を向上させるために、内扇を大きくすること、あるいは、回転子および固定子内の流路を広げることは、大きな効果をもたらす。

内扇が、固定子巻線の端部（固定子巻線の固定子鉄心の軸方向外側部分）の軸方向の外側に配されている場合、内扇の容量増大は、フレームとの干渉という制約がある。また、回転子および固定子内の流路は、通常、積層板間に軸方向に間隙を設けることにより行われる。このため、回転子および固定子内の流路を広げることは、ロータシャフトの軸長を長くする結果となり、インパクトが大きい。

そこで、本発明は、回転電機の機内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、本発明は、軸方向に延びて回転可能に支持され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設けられて冷却用気体の軸方向の流量配分を調節する軸方向流量配分構造と、前記軸方向流量配分構造の径方向外側に設けられ軸方向に間隔をあけて径方向外側への流路である回転子鉄心ダクトが形成された回転子鉄心とを有する回転子と、ギャップを介して前記回転子鉄心の径方向外側に設けられて軸方向に間隔をあけて径方向外側への流路である固定子鉄心ダクトが形成された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を駆動する内扇と、を備えた回転電機であって、前記軸方向流量配分構造は、前記ロータシャフトと前記回転子鉄心とを結合し、前記回転子鉄心を支持する複数の支持部材と、軸方向流路の端部を閉止する閉止板と、前記回転子鉄心の径方向の内表面と前記ロータシャフトの外表面とによって形成された前記軸方向流路に沿って互いに間隔をあけて配されて、前記軸方向流路の流路断面積を制限するとともに、前記回転子鉄心ダクトを形成する複数の流量調節器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明は、回転電機の回転部分である回転子であって、軸方向に延びて回転可能に支持され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設けられて冷却用気体の軸方向の流量配分を調節する軸方向流量配分構造と、前記軸方向流量配分構造の径方向外側に設けられ軸方向に間隔をあけて径方向外側への流路である回転子鉄心ダクトが形成された回転子鉄心と、を備え、前記軸方向流量配分構造は、前記ロータシャフトと前記回転子鉄心とを結合し、前記回転子鉄心を支持する複数の支持部材と、軸方向流路の端部を閉止する閉止板と、前記回転子鉄心の径方向の内表面と前記ロータシャフトの外表面とによって形成された前記軸方向流路に沿って互いに間隔をあけて配されて、前記軸方向流路の流路断面積を制限するとともに、前記回転子鉄心ダクトを形成する複数の流量調節器と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の機内の冷却を効果的に行うことができる。

第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す軸方向に沿った立断面図である。第１の実施形態に係る回転電機の回転子および固定子鉄心内の構成を示す図３のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。第１の実施形態に係る回転電機の回転子および固定子鉄心内の構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。第１の実施形態に係る回転電機における軸方向流量配分構造の流量調節器の正面図である。第１の実施形態における流量調節器を回転子鉄心内に設置した状態を示す回転子および固定子鉄心内の構成を示す回転軸方向に沿った縦断面図である。第２の実施形態に係る回転電機における軸方向流量配分構造の流量調節器の正面図である。第２の実施形態における流量調節器を回転子鉄心内に設置した状態を示す回転子および固定子鉄心内の構成を示す回転軸方向に沿った縦断面図である。第３の実施形態に係る回転電機における軸方向流量配分構造の正面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機およびその回転子について説明する。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の実施形態に係る回転電機の構成を示す軸方向に沿った断面図である。本第１の実施形態における回転電機２００は、全閉外扇式のかご形誘導電動機の場合を例にとって示す。回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、フレーム４０および冷却器６０を有する。

回転子１０は、回転軸方向に水平に延びたロータシャフト１１、軸方向流量配分構造１００、回転子鉄心１２、および複数のロータバー１５を有する。

ロータシャフト１１の一端には、駆動対象あるいは原動機などの結合対象との結合のためのカップリング部１１ａが形成されている。以下、回転軸方向（「軸方向」）にみて、カップリング部１１ａ側を結合側、その反対側を反結合側と呼ぶ。ロータシャフト１１は、軸方向の両側を、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と反結合側軸受３０ａとの間に、内扇５１が取り付けられている。図１では、内扇５１が軸流ファンである場合を示しているが、たとえば、遠心ファンでもよい。ただし、遠心ファンの場合は、内気、すなわちフレーム４０内の各部を冷却する冷却用気体の循環の流れの方向は、軸流ファンである場合とは逆になる。

回転子鉄心１２は、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられ円筒状である。回転子鉄心１２の径方向外側表面近傍には、複数の回転子スロット（図示せず）が形成されている。複数の回転子スロットは、回転子鉄心１２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いる。複数のロータバー１５のそれぞれは、それぞれの回転子スロット内を貫通している。ロータバー１５は、回転子鉄心１２の軸方向の外側で、電気的および機械的に互いに結合している。

回転子鉄心１２の径方向中央には、回転子鉄心中央貫通孔１２ａが形成されている。回転子鉄心中央貫通孔１２ａの径は、ロータシャフト１１の外径よりも大きい。また、回転子鉄心１２は、後述する軸方向流量配分構造１００によりロータシャフト１１と同軸に支持されている。この結果、ロータシャフト１１の外表面および回転子鉄心１２の内表面は、互いに相俟って軸方向流路１０３（図２）を形成する。

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、および固定子鉄心２１の径方向内側表面近傍を軸方向に貫通する固定子巻線２２を有する。固定子鉄心２１は、ギャップ１８を挟んで回転子鉄心１２の径方向外側に配されている。

固定子鉄心２１は、強磁性体であるたとえばケイ素鋼板などの複数の電磁鋼板が軸方向に積層されている。それぞれの電磁鋼板は、中央にロータシャフト１１が貫通する円形の開口が形成された孔明き円板である。

固定子鉄心２１には、軸方向に間隔をおいて固定子鉄心ダクト２３（図２）が形成されている。それぞれの固定子鉄心ダクト２３は、たとえばスペーサ（図示せず）により間隙寸法が維持されている。固定子鉄心ダクト２３は、ギャップ１８に流入した冷却用気体、あるいは回転子鉄心１２から径方向外側に流出した冷却用気体が、径方向内側から径方向外側に流れる流路となる。

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、これらの径方向外側を囲んでいる。フレーム４０の回転軸方向の両側には、反結合側軸受ブラケット４５ａおよび結合側軸受ブラケット４５ｂが設けられており、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。

固定子鉄心２１の内扇５１が設けられている側の端部には、固定子鉄心２１とフレーム４０とを接続する仕切り板４２が設けられている。仕切り板４２は、固定子鉄心２１から径方向外側に流出した冷却用気体が軸方向に内扇５１と反対側に流れるように、冷却用気体が内扇５１側に戻ることを防止する。

フレーム４０の上部には、冷却器６０が設けられている。冷却器６０は、複数の冷却管６１、端板６２ａおよび６２ｂ、ガイド板６６、および冷却管６１を収納する冷却器カバー６３を有する。

冷却管６１は、軸方向に延びて、互いに並列に配されている。それぞれの冷却管６１は、両端が端板６２ａ、６２ｂを貫通し、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。ガイド板６６は、冷却管６１をその長手方向の中間で支持するとともに、冷却器６０内を通過する冷却用気体の流れのガイドとして設けられている。

ロータシャフト１１の反結合側軸受３０ａより外側の端部近傍には、回転電機２００を自ら冷却するために、外扇５５が設けられている。フレーム４０および端板６２ａには、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、外気の取り入れ口である流入口５６ａが形成されている。外扇カバー５６内の雰囲気は、冷却管６１のそれぞれの内部に連通している。

フレーム４０、反結合側軸受ブラケット４５ａ、結合側軸受ブラケット４５ｂ、冷却器カバー６３、および端板６２ａ、６２ｂは、互いに相俟って閉空間７０を形成する。また、冷却器６０においては、冷却管６１も閉空間７０を形成する要素であり、冷却管６１の外側が閉空間７０の一部となっている。閉空間７０を構成するフレーム４０内の空間と冷却器カバー６３内の空間とは、冷却器入口開口６４および冷却器出口開口６５を介して連通している。

閉空間７０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５１に駆動されて、閉空間７０内を循環する。内扇５１により駆動された冷却用気体は、軸方向の一方から回転子鉄心１２および固定子２０に流入する。

回転子鉄心１２および固定子２０を通過してこれらを冷却した冷却用気体は、固定子鉄心２１の径方向外側に流出した後に、軸方向に内扇５１と反対側、すなわち、結合側に流れて、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６０に流入した冷却用気体は、ガイド板６６と端板６２ｂの間を、複数の冷却管６１の外表面で冷却されながら上部連通空間６７まで上昇する。冷却用気体は、上部連通空間６７で反結合側の方向に方向を転換する。

反結合側の方向に方向転換した冷却用気体は、さらに下方に方向転換し、ガイド板６６と端板６２ａの間の複数の冷却管６１の外表面で冷却されながら、冷却管６１の外側を下降し、その後、冷却器出口開口６５を経由して冷却器６０から流出する。冷却器６０から流出した冷却用気体は、フレーム４０内に流入し、内扇５１に流入する。

図２は、第１の実施形態に係る回転電機の回転子および固定子鉄心内の構成を示す図３のＩＩ−ＩＩ線矢視断面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視断面図である。

回転子鉄心１２は、軸方向に積層された、強磁性体であるたとえばケイ素鋼板などの回転子鉄心用電磁鋼板１４を有する。回転子鉄心１２の軸方向には、互いに間隔をおいて、軸方向に間隙を有する径方向外側への流路である複数の回転子鉄心ダクト１３が形成されている。それぞれの回転子鉄心ダクト１３は、流量調節器１０２により互いに隣接する回転子鉄心用電磁鋼板１４の相互の間隔が維持されている。回転子鉄心ダクト１３は、径方向の内側から外側に向かう冷却用気体の流路を構成するように形成されている。具体的には、図４および図５の説明において述べる。

ロータシャフト１１と回転子鉄心１２に挟まれて、軸方向流量配分構造１００が形成されている。軸方向流量配分構造１００は、ロータシャフト１１の外表面と回転子鉄心１２の内表面とで形成され軸方向に延びる軸方向流路１０３に設けられた複数の支持部材１０１、軸方向に間隔をおいて設けられた複数の流量調節器１０２、および軸方向流路１０３の最下流に設けられた閉止板１０４を有する。

支持部材１０１は、軸方向に延びて径方向にはロータシャフト１１と回転子鉄心１２間に拡がっている。支持部材１０１は、周方向に互いに間隔をあけて配されている。支持部材１０１は、回転子鉄心１２を支持して、回転子鉄心１２とロータシャフト１１との相対的な位置を維持、すなわち、回転子鉄心１２とロータシャフト１１とが同軸に維持する。この結果、前述のように、ロータシャフト１１の外表面と回転子鉄心１２の内表面とに挟まれたアニュラス状の空間である軸方向流路１０３が形成される。

ここで、支持部材１０１は、軸方向流路１０３の全長にわたり設けられていなくともよい。たとえば、十分な支持機能を有するならば、軸方向に断続的に配されていてもよい。また、板状に限らない。たとえば、径方向に延びるパイプ状であってもよい。

閉止板１０４は、回転子鉄心１２の内扇５１側からみて反対端の部分、すなわち、最下流に配されている。閉止板１０４は、円板状であり中央開口が形成されている。閉止板１０４の外径は回転子鉄心１２の内径に対応し、中央開口の径は、ロータシャフト１１の外径に対応した寸法である。ここで、それぞれ対応した寸法とは、ほぼ等しい場合をいう。具体的には、ロータシャフト１１の径方向外側であって回転子鉄心１２の開方向内側に配置可能で、かつ、実質的にこれらとの隙間からのリークが無いとみなせるような寸法であることを言うものとする。以下も同様の意味を表わすものとする。

流量調節器１０２は、上流側である内扇５１側から配された流量調節器１０２ａ、流量調節器１０２ｂ、および流量調節器１０２ｃを有する。流量調節器１０２は、軸方向に、回転子鉄心ダクト１３を形成する箇所に設けられている。

なお、流量調節器１０２が、流量調節器１０２ａ、流量調節器１０２ｂ、および流量調節器１０２ｃの３つを有する場合を示したが、これに限定されない。回転子鉄心ダクト１３および流量調節器１０２の数は、回転電機２００の冷却条件とロータシャフト１１の長さの条件の両者を勘案して設定すればよく、３か所より少ない場合、あるいは多い場合であってもよい。

図４は、軸方向流量配分構造の流量調節器の正面図である。また、図５は、流量調節器を回転子鉄心内に設置した状態を示す回転子および固定子鉄心内の構成を示す回転軸方向に沿った縦断面図である。流量調節器１０２はそれぞれ、環状円板１１１とスペーサ１１２とを有する。

環状円板１１１の外径は、回転子鉄心１２の内径に対応した寸法である。すなわち、回転子鉄心１２の内側に挿入可能で、かつ、実質的に回転子鉄心１２との隙間からのリークが無視できるような寸法である。環状円板１１１には、中央に円形の中央開口１１１ａが形成されている。中央開口１１１ａは、流量調節器１０２ａから、流量調節器１０２ｂ、および流量調節器１０２ｃとなるにつれて小さくなるように形成されている。

スペーサ１１２は、複数が環状円板１１１に周方向に互いに間隔をおいて取り付けられている。それぞれのスペーサ１１２は、径方向に延びて軸方向に拡がった平板状である。スペーサ１１２は、径方向に環状円板１１１より突出し、回転子鉄心１２の径方向外表面あるいはその近傍まで延びている。

スペーサ１１２は、互いに隣接する回転子鉄心用電磁鋼板１４の間に設けられ、互いに隣接する回転子鉄心用電磁鋼板１４間の間隔を維持するとともに、冷却用気体の径方向外側方向への流れのガイドとして機能することにより、回転子鉄心ダクト１３を形成する。

環状円板１１１の中央開口１１１ａの径により、冷却用気体の軸方向の流路抵抗の大きさが調節可能である。また、スペーサ１１２の軸方向の幅により、冷却用気体の径方向の流路抵抗が調節可能である。径方向へ分岐する冷却用気体の流路抵抗は、各回転子鉄心ダクト１３への方向転換や縮流等による圧力損失も考慮する。

以上では、それぞれの環状円板１１１の中央開口１１１ａとロータシャフト１１との間の流路断面積は、下流に行くに従って減少していく場合を示したが、これに限定されない。すなわち、逆に、流路断面積が下流に行くに従って増加していく場合でもよい。この際、回転子鉄心ダクト１３側の流路抵抗との組み合わせが重要である。また、全体の流路抵抗を抑えることも重要である。

冷却用気体の軸方向の流路抵抗と径方向の流路抵抗との組み合わせを適切に設定することにより、回転子１０における発熱分布等に対して、十分な風量でかつ好ましい風量分布を得ることができる。

いま、たとえば、３つの回転子鉄心ダクト１３ａ、１３ｂおよび１３ｃ側に、それぞれＷ１、Ｗ２およびＷ３の流量の冷却用気体が流れる状態を想定する。このとき、これらの合計の流量で流入した軸方向流路１０３内の流量は、流量調節器１０２ａを（Ｗ２＋Ｗ３）で通過し、流量調節器１０２ｂをＷ３で通過する。

いま、単純に、軸方向流路１０３での圧力損失が、流量調節器１０２のみで発生すると仮定する。また、流量調節器１０２ａの入口の圧力をＰ１、流量調節器１０２ｂの入口の圧力をＰ２、流量調節器１０２ｂの出口の圧力をＰ３とすると、Ｐ１、Ｐ２およびＰ３は、それぞれ、回転子鉄心ダクト１３ａ、１３ｂおよび１３ｃの入口の圧力である。

一方、ギャップ１８には、軸方向の流れが生じている。ギャップ１８内の軸方向の流量は、内扇５１から流入し、固定子鉄心ダクト２３に一部が流出し、また、回転子鉄心ダクト１３から流入することにより、複雑な分布となる。このため、ギャップ１８内の軸方向の圧力分布も複雑であるが、少なくとも、内扇５１側から単調に減少する圧力分布となっている。いま、ギャップ１８において、回転子鉄心ダクト１３ａ、１３ｂおよび１３ｃのそれぞれの出口の圧力を、Ｐｇ１、Ｐｇ２およびＰｇ３とする。

この場合、次のような関係が成立する。なお、ζ１、ζ２およびζ３はそれぞれ、回転子鉄心ダクト１３ａ、１３ｂおよび１３ｃを通過する場合の圧力損失係数であり、Ｃは、定数である。また、Ｘは、通常、０．５から１．０の間の値を有する。
Ｗ１＝Ｃ・ζ１（Ｐ１−Ｐｇ１）^Ｘ・・・（１）
Ｗ２＝Ｃ・ζ２（Ｐ２−Ｐｇ２）^Ｘ・・・（２）
Ｗ３＝Ｃ・ζ２（Ｐ２−Ｐｇ２）^Ｘ・・・（３）

固定子鉄心ダクト２３についても、記載を省略するが、それぞれの流量について同様に関係式を設定することができる。

これらの、圧力と流量の関係式を成立させるような、圧力損失係数ζ１、ζ２およびζ３等を得ることによって、回転子鉄心ダクト１３等における好ましい流量配分を得ることができる。

いま、軸方向流路１０３は形成されているが、閉止板１０４が設けられていない場合を想定する。この場合、内扇５１により駆動され回転子鉄心１２の軸方向の一方の端部から軸方向流路１０３に流入した冷却用気体は、回転子鉄心ダクト１３に到達しても、流路の方向転換による圧損等があるため、そのまま軸方向流路１０３を直進しやすく、回転子鉄心１２に冷却用気体が十分に流れないおそれがある。

これは、軸方向流路１０３側の圧損を、回転子鉄心ダクト１３側に比べて相対的に大きくすることにより低減するが、この対策は、冷却用気体の一巡圧損を増加させ、冷却用気体の流量低下をもたらすことになる。また、回転子鉄心ダクト１３側の圧損を減らそうとする対策は、回転子鉄心１２の軸方向長さの増加をもたらすことになる。

また、閉止板１０４は設けられているが流量調節器１０２が設けられていない場合、回転子鉄心ダクト１３側に分岐する場合の冷却用気体の方向転換による圧力損失があるため、分岐流量が少なく、閉止板１０４の直前の回転子鉄心ダクト１３に流入する量が大きくなり軸方向の流量に偏りを生ずるなど、軸方向の流量バランスが十分ではない状況が生じやすい。

一方、本第１の実施形態に係る回転電機２００およびその回転子１０においては、回転子鉄心ダクト１３を設ける軸方向位置に流量調節器１０２が設けられており、それぞれの流量調節器１０２は、軸方向流路１０３側の流路抵抗を環状円板１１１により、また、回転子鉄心ダクト１３側の流路抵抗をスペーサ１１２により、それぞれ独立に調整することができる。

また、軸方向に、環状円板１１１の位置とスペーサ１１２の位置とがずれているため、回転子鉄心１２あるいはロータシャフト１１に特に固定しなくとも、回転子鉄心用電磁鋼板１４の間に挟むだけで位置を固定することができる。

以上のように形成された本実施形態に係る回転電機においては、内扇５１から送られた冷却用気体は、回転子鉄心１２および固定子鉄心２１の軸方向の端部から、回転子１０の軸方向流路１０３およびギャップ１８の内部に流入し、軸方向に移動する。軸方向流路１０３に流入した冷却用気体は、軸方向に移動しながら、回転子鉄心ダクト１３が設けられている軸方向位置においては、順次、適正な割合の冷却用気体が回転子鉄心ダクト１３側に分岐して、回転子１０を冷却しながら径方向外側に移動し、ギャップ１８に流出する。

この際に、各回転子鉄心ダクト１３へ分岐する流量が確保され、回転子鉄心１２中に流れる冷却用気体の流量のバランスを確保することができる。すなわち、回転電機の機内の冷却を効果的に行うことができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る回転電機における軸方向流量配分構造の流量調節器の正面図である。また、図７は、流量調節器を回転子鉄心内に設置した状態を示す回転子および固定子鉄心内の構成を示す回転軸方向に沿った縦断面図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、流量調節器１０２は、第１の実施形態における環状円板１１１に代えて、内側環状円板１１３および外側環状円板１１４を有する。その他の点においては、第１の実施形態と同様である。

内側環状円板１１３には、それと同心に中央開口１１３ａが、また、外側環状円板１１４には、それと同心に中央開口１１４ａが形成されている。内側環状円板１１３の中央開口１１３ａの径は、ロータシャフト１１の外径に対応している。また、外側環状円板１１４の外径は、回転子鉄心１２の内径に対応している。

内側環状円板１１３の外径は、外側環状円板１１４の中央開口１１４ａの内径よりも小さい。すなわち、内側環状円板１１３と外側環状円板１１４との間には、環状の開口が形成される。

以上のように構成された本実施形態においては、流量調節器１０２における軸方向の冷却用気体の流路の径方向の位置が調整可能となる。

［第３の実施形態］
図８は、第３の実施形態に係る回転電機における軸方向流量配分構造の正面図である。本第３の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態においては、流量調節器１０２は、第１の実施形態における環状円板１１１とは異なる環状円板１１５を有する。その他の点では第１の実施形態と同様である。

本実施形態における環状円板１１５は、すべて、互いに同一の外径であり、同一径の中央開口１１５ａが形成されている。環状円板１１５の外径は、回転子鉄心１２の内径に対応した寸法である。また、環状円板１１５に形成された中央開口１１５ａの径は、ロータシャフト１１の外径に対応した寸法である。

また、環状円板１１５には、複数の円形の通気孔１１５ｂが形成されている。複数の通気孔１１５ｂは、周方向に互いに間隔をあけて形成されている。複数の通気孔１１５ｂによる流路断面積の変化の仕方は、たとえば、通気孔１１５ｂをそれぞれ同数設けて、通気孔１１５ｂの大きさを変化させてもよい。あるいは、通気孔１１５ｂの形状は、たとえば楕円形や長方形など、円形以外の形状でもよい。

複数の通気孔１１５ｂによる流路断面積は、回転子鉄心ダクト１３の軸方向の間隔と相俟って、冷却用気体の全体の流量配分と冷却流量とを、最も好ましい状態にするように設定される。

以上のように構成された本実施形態に係る回転子１０においては、回転子１０およびその周囲の状況に応じて、軸方向流量配分構造を選択、設定することができる。

［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、実施形態においては、横置型の回転電機の場合を例にとって示したが、立置型の場合であってもよい。

また、実施形態においては、全閉外扇式のかご形誘導電動機の場合を例にとって示したが、これに限定されない。たとえば、冷却器が水冷式であってもよい。さらには、たとえば、回転子鉄心および固定子が閉空間内に収納されていない開放式であっても、本発明は有効である。

また、実施形態においては、内扇が一つで、軸方向流路１０３の流れは一方向のみの場合を示したが、これに限定されない。すなわち、内扇が回転子鉄心１２を挟んで軸方向の両側に設けられている場合にも本発明は有効である。この場合、閉止板１０４は、たとえば、軸方向流路１０３の軸方向の中央に設けられることになる。

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、１２ａ…回転子鉄心中央貫通孔、１３、１３ａ、１３ｂ、１３ｃ…回転子鉄心ダクト、１４…回転子鉄心用電磁鋼板、１５…ロータバー、１８…ギャップ、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、２３…固定子鉄心ダクト、３０ａ…反結合側軸受、３０ｂ…結合側軸受、４０…フレーム、４２…仕切り板、４５ａ…反結合側軸受ブラケット、４５ｂ…結合側軸受ブラケット、５１…内扇、５５…外扇、５６…外扇カバー、５６ａ…流入口、６０…冷却器、６１…冷却管、６２ａ、６２ｂ…端板、６３…冷却器カバー、６４…冷却器入口開口、６５…冷却器出口開口、６６…ガイド板、６７…上部連通空間、７０…閉空間、１００…軸方向流量配分構造、１０１…支持部材、１０２、１０２ａ、１０２b、１０２ｃ…流量調節器、１０３…軸方向流路、１０４…閉止板、１１１…環状円板、１１１ａ…中央開口、１１２…スペーサ、１１３…内側環状円板、１１３ａ…中央開口、１１４…外側環状円板、１１４ａ…中央開口、１１５…環状円板、１１５ａ…中央開口、１１５ｂ…通気孔、２００…回転電機

Claims

軸方向に延びて回転可能に支持され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設けられて冷却用気体の軸方向の流量配分を調節する軸方向流量配分構造と、前記軸方向流量配分構造の径方向外側に設けられ軸方向に間隔をあけて径方向外側への流路である回転子鉄心ダクトが形成された回転子鉄心とを有する回転子と、
ギャップを介して前記回転子鉄心の径方向外側に設けられて軸方向に間隔をあけて径方向外側への流路である固定子鉄心ダクトが形成された円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を駆動する内扇と、
を備えた回転電機であって、
前記軸方向流量配分構造は、
前記ロータシャフトと前記回転子鉄心とを結合し、前記回転子鉄心を支持する複数の支持部材と、
軸方向流路の端部を閉止する閉止板と、
前記回転子鉄心の径方向の内表面と前記ロータシャフトの外表面とによって形成された前記軸方向流路に沿って互いに間隔をあけて配されて、前記軸方向流路の流路断面積を制限するとともに、前記回転子鉄心ダクトを形成する複数の流量調節器と、
を備えることを特徴とする回転電機。
前記複数の流量調節器は、
前記回転子鉄心の内径に対応する外径を有し、中央開口が形成された少なくとも一つの環状円板と、
前記環状円板に取り付けられて、前記回転子鉄心ダクトを形成する複数のスペーサと、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記流路断面積は、前記中央開口の大きさにより調節可能な請求項２に記載の回転電機。
前記流量調節器のそれぞれは、複数の前記環状円板を有し、
前記流路断面積は、前記複数の前記環状円板の外径および中央開口の大きさの組合せにより調節可能な請求項２に記載の回転電機。
前記中央開口の径は前記ロータシャフトの外径に対応し、
前記環状円板には、複数の通気口が形成され、前記流路断面積は、前記複数の通気孔の大きさにより調節可能な請求項２に記載の回転電機。
回転電機の回転部分である回転子であって、
軸方向に延びて回転可能に支持され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設けられて冷却用気体の軸方向の流量配分を調節する軸方向流量配分構造と、
前記軸方向流量配分構造の径方向外側に設けられ軸方向に間隔をあけて径方向外側への流路である回転子鉄心ダクトが形成された回転子鉄心と、
を備え、
前記軸方向流量配分構造は、
前記ロータシャフトと前記回転子鉄心とを結合し、前記回転子鉄心を支持する複数の支持部材と、
軸方向流路の端部を閉止する閉止板と、
前記回転子鉄心の径方向の内表面と前記ロータシャフトの外表面とによって形成された前記軸方向流路に沿って互いに間隔をあけて配されて、前記軸方向流路の流路断面積を制限するとともに、前記回転子鉄心ダクトを形成する複数の流量調節器と、
を備えることを特徴とする回転子。