JP2018501773A - 回転子 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、大型発電機や電動機で使用される回転子の重量を減らし、大型発電機や電動機で使用される回転子における回転子の長さ方向の中央部分の熱放出が円滑に行われるようにする回転子を提供する。【解決手段】 本発明は回転子に関するものである。本発明の回転子は、中空部（１４）の両端に支持部（１２）を有する回転軸（１０）と、前記中空部（１４）の外面に所定の間隔を置いて多数個が設置されるサリエントポール（２４）とを含み、前記中空部（１４）の両端縁に沿って多数個が配置され、前記サリエントポール（２４）へ流動する気流を形成する冷却ファン（２６）も含む。前記中空部（１４）の内部には内部空間（２０）が形成され、前記内部空間（２０）と外部とを連通させるために前記中空部（１４）の外面に開放されるように吐出孔（２２）が形成される。前記吐出孔（２２）は、前記中空部（１４）の長さ方向の中間から両端部に向かって延長される領域に形成される。前記支持部（１２）の端部にはフランジ（１６）が形成され、前記フランジ（１６）には流入孔（１８）が形成されることで、回転によって発生する気圧差により前記内部空間（２０）へ流入するようにする。このような本発明によれば、回転子の重量を減らすことができ、回転子から発生する熱を外部へ円滑に排出することができるため、回転子の性能および寿命を向上させるという利点がある。【選択図】 図１

Description

本発明は、回転子に関し、さらに詳しくは、発電機や電動機において固定子に対して相対的に回転する回転子に関する。

回転子と固定子との電磁相互作用によって回転子が回転して所望の機能を行うものには、発電機、電動機などがある。前記回転子は、前記固定子に対して相対回転しければならないので、その重量がある程度軽いほど良い。
また、前記回転子が前記固定子に対して電磁相互作用によって長時間回転しなければならないので、回転子と固定子から発生する熱を外部へ円滑に放出するようにすることが必要である。
しかし、前記回転子が設置される回転軸の長さが数メートルに及ぶ大型水車発電機などでは、前記回転軸の長さ方向の中間部分に対する放熱がまともに行われなくなるという問題点がある。
また、回転軸の長さ方向の中間部分に対応する回転子のコイル部分に対しても放熱がうまく行われなくなって回転子または固定子の動作性能が低下し或いは熱により焼損するという問題点がある。これは、回転軸の長さ方向の中間部分が、最も外気が供給され難い箇所であるためである。
そして、従来の回転子が大型水車発電機などで使用されるためには、その重量が大きいので、軽量化によって、回転に邪魔になる要素を除去し、回転子の製作後に移動などが難しくないようにすることが必要である。

本発明の目的は、上述したような従来技術の問題点を解決するためのもので、大型発電機や電動機で使用される回転子の重量を減らすことである。
本発明の他の目的は、大型発電機や電動機で使用される回転子における回転子の長さ方向の中央部分の熱放出が円滑に行われるようにすることである。

上記目的を達成するための本発明の特徴によれば、本発明は、内部空間が形成された中空部の両端に支持部が位置して構成され、外部の空気が前記中空部の内部空間へ流入する流入孔が前記中空部に形成される回転軸と、前記中空部の外面に所定の間隔をおいて設置されるサリエントポールとを含み、前記中空部の外面のうち、前記サリエントポール同士の間の部分に吐出孔が開放されるように形成され、前記中空部の内部空間に流入した空気が前記吐出孔を介して外部へ吐出されながら中空部および前記サリエントポールの熱を放出する。
前記吐出孔は、前記中空部の外面における、前記中空部の長さ方向の中間部に該当する領域から始まって両端部側へ多数個が形成される。
前記中空部の内部に形成される内部空間は、前記中空部の両端に開放され、前記支持部の端部に備えられるフランジが前記中空部と組み立てられ、前記フランジには、前記内部空間へ冷却空気が流入できるように流入孔が形成される。
前記流入孔は、前記フランジを囲んで多数個が円形の軌跡を形成するように設けられる。

前記中空部の両端に設置される前記支持部の端部に備えられるフランジ同士の間を連結するための締結具が貫通する貫通孔が、前記フランジに形成される。
前記貫通孔は、前記サリエントポールの設置位置と対応する前記フランジ上の位置に形成される。
本発明の他の特徴によれば、本発明は、回転軸と、前記回転軸が中央を貫通し且つ両側に開放された内部空間が形成された中空部と、前記回転軸に前記中空部を支持する軸スパイダーと、前記中空部の外面に所定の間隔をおいて設置されるサリエントポールとを含み、前記中空部の外面のうち、前記サリエントポール同士の間の部分を介して、前記内部空間の空気が外部へ吐出されながら中空部および前記サリエントポールの熱を放出する。
前記中空部における、前記内部空間の空気が吐出される部分は、前記中空部に形成された吐出孔であり、前記吐出孔は、前記中空部の外面における、前記中空部の長さ方向の中間部に該当する領域から始まって両端部側へ多数個が形成される。
前記中空部は、多数個の板が積層されて形成されるが、前記板同士の間に隙間が形成されて前記内部空間の空気が前記中空部の外面へ吐出される。
前記吐出孔と前記隙間は、前記中空部の外面における、前記サリエントポールが装着された領域同士の間に位置する。

本発明に係る回転子では、次の効果を得ることができる。
まず、本発明では、回転軸の長さ方向の中間部分に中空部を設け、前記中空部の内部に空気を流入させて回転子の遠心方向に排出しながらリムコアおよびサリエントポールの中間部分の熱を放出するようにしたので、回転子からの熱放出がより円滑に行われ、冷却空気の接近が難しい回転子の中心に冷却空気を円滑に供給することにより、局部的な劣化を防止する効果だけでなく、機器の寿命及び性能が向上するという効果がある。
本発明では、回転軸の長さ方向の中間部分に中空部を設けたので、全体的に回転子の重量が減少する。特に、回転軸が両端の中実部と中間の中空部から構成されることで、前記中空部における重量を減らすことができて回転子の性能には影響がなく、回転子の重量を減らすことができて回転子の回転によって消費されるエネルギーが最小化されるとともに、移送などの取り扱いに必要な手間が最小化される効果を得ることができる。

図１は、本発明に係る回転子の好適な実施例の構成を示す概略断面図である。 図２は、本発明の実施例の構成を示す回転軸の一端部側からみた正面図である。 図３は、本発明の実施例の要部構成を示す分解斜視図である。 図４は、本発明の実施例の回転子における空気流動を示す動作状態図である。 図５は、本発明の他の実施例の構成を示す縦断面図である。 図６は、図５に示された実施例の構成を示す横断面図である。 図７は、図５に示された実施例における空気流動を示す動作状態図である。

以下、本発明のいくつかの実施例を例示的な図面を参照して詳細に説明する。各図面の構成要素に参照符号を付加するにあたり、同一の構成要素については、たとえ他の図面上に表示されても、できる限り同一の符号を持つようにしていることに留意すべきである。また、本発明の実施例を説明するにあたり、関連した公知の構成または機能に対する具体的な説明が本発明の実施例に対する理解を妨げると判断される場合には、その詳細な説明は省略する。
また、本発明の実施例の構成要素を説明するにあたり、第１、第２、Ａ、Ｂ、（ａ）、（ｂ）などの用語を使用することができる。これらの用語は、その構成要素を他の構成要素と区別するためのものに過ぎず、該当構成要素の本質や順番、順序などを限定しない。ある構成要素が他の構成要素に「連結」、「結合」または「接続」されると記載されている場合、ある構成要素が他の構成要素に直接連結または接続されることもあり、これらの各構成要素の間に別の構成要素が「連結」、「結合」または「接続」されることもあると理解されるべきである。

図示されているところによると、本発明の実施例に係る回転子は、発電機や電動機などの回転装置で使用されるもので、特に大型の発電機や電動機で使用される。回転子の回転中心は回転軸１０となる。前記回転軸１０は、本発明では数メートルに及ぶ長さを持つ。前記回転軸１０は、両端の支持部１２と中間部分の中空部１４とからなる。前記支持部１２は、回転装置のハウジングに設置されたベアリング（図示せず）に回転可能に支持される部分である。前記支持部１２は、本実施例では円柱状である。もちろん、前記支持部１２は円筒状であってもよい。前記支持部１２は、少なくとも、前記ベアリングに支持される部分の外面が円形であればよい。

前記支持部１２の一側端部にはそれぞれフランジ１６が形成される。前記フランジ１６は円板状に作られる。前記フランジ１６には多数個の流入孔１８が穿設される。前記流入孔１８は、後述する内部空間２０へ外部の空気が流入するようにする部分である。前記流入孔１８は前記フランジ１６に多数備えられるが、その軌跡が円形をなすように形成される。前記流入孔１８自体とその形成軌跡は設計条件に応じて様々な形状を有することができる。

一方、前記フランジ１６は、両側の支持部１２を互いに連結するためのボルト（図示せず）によって締結される。このため、前記フランジ１６には貫通孔（図示せず）が形成されるが、前記貫通孔は、前記流入孔１８と同じ軌跡或いは異なる軌跡上にある。前記貫通孔は便宜のために図示しなかった。前記支持部１２と前記中空部１４との連結構造は多様に設計できる。しかし、前記貫通孔を貫通するボルトが、中空部１４に形成された吐出孔２２への空気流動を妨げないように設計されるべきである。

前記中空部１４の内部には内部空間２０が形成される。前記内部空間２０は前記中空部１４の両端に開放されているが、前記開放された部分は前記フランジ１６によって外部と遮蔽される。前記内部空間２０の両側入口の内面にはそれぞれ段差部２１が形成される。前記段差部２１は、前記フランジ１６が装着される部分である。前記段差部２１を基準に内部空間２０の内部側の内径が外部側の内径よりも小さくなるように形成され、前記フランジ１６が前記段差部２１を基準にそれ以上内部空間２０の内側に入らないようにする。

前記中空部１４は、リムコア（Ｒｉｍ ｃｏｒｅ）の役割を果たすもので、その外面には後述のサリエントポール（ｓａｌｉｅｎｔ ｐｏｌｅｓ）２４が装着される。前記中空部１４の外面に開放されるように中空部１４を貫通しては多数個の吐出孔２２が形成される。前記吐出孔２２によって前記内部空間２０が外部と連通する。前記吐出孔２２は、前記中空部１４の長さ方向の中央領域に集中的に形成される。これは、前記サリエントポール２４の中間部分の熱を効果的に放出するためである。特に、後述するサリエントポール２４が装着されていない前記中空部１４の外面に開放されるように吐出孔２２が形成される。前記吐出孔２２は、前記中空部１４の外面における、前記中空部１４の長さ方向の中間部に該当する領域から始まって両端部側へ多数個が形成される。

前記流入孔１８から前記内部空間２０に流入した空気が前記吐出孔２２を介して吐出されながら中空部１４自体及びサリエントポール２４の熱を受けて外部へ排出する。前記吐出孔２２は、図３に示すように、前記中空部１４の外面における、サリエントポール２４がない領域に開放されるように形成され、多数個が列をなすか或いは所定の領域に形成される。
前記中空部１４、すなわち、リムコアの外面にはサリエントポール２４が装着される。前記サリエントポール２４は、積層されたコアにコイルが巻き付けられて形成されるのである。前記サリエントポール２４は、多数個が所定の間隔をおいて前記中空部１４に装着される。前記サリエントポール２４を前記中空部１４の外面に装着するには、ダブテール（ｄｏｖｅｔａｉｌ）構造やボルトを用いることができる。

前記中空部１４の両側端縁に沿っては多数の冷却ファン２６が備えられる。前記冷却ファン２６は、回転子の回転に応じて自然に空気を案内して前記サリエントポール２４及び前記中空部１４の外面に冷却空気を流動させるものである。前記冷却ファン２６の設置位置や設置数は回転子の設計条件によって異なる。

図５乃至図７に示されているところによると、本実施例の回転子の回転中心は回転軸１１０となる。前記回転軸１１０の両端は、ベアリング（図示せず）によって支持される支持部１１２である。前記支持部１１２は、回転装置のハウジングに設置されたベアリングに回転可能に支持される部分である。

前記回転軸１１０の外面を囲んでは多数の軸スパイダー１１３が設けられ、前記軸スパイダー１１３により前記回転軸１１０の長さ方向の中間部から両端部へ所定の領域にわたって中空部１１４が設置される。前記中空部１１４は、円筒状をするもので、リムコア（Ｒｉｍ ｃｏｒｅ）の役割を果たす。前記中空部１１４の内部には内部空間１１６が形成される。前記内部空間１１６の中央を前記回転軸１１０が貫通し、前記内部空間１１６の内面と前記回転軸１１０との間を前記軸スパイダー１１３が連結している。前記内部空間１１６は、外部との連通のために両端が開口している。

前記中空部１１４の外面に開放されるように中空部１１４を貫通しては多数の吐出孔１１８が形成される。前記吐出孔１１８によって前記内部空間１１６が外部と連通する。前記吐出孔１１８は前記中空部１１４の長さ方向の中央領域に集中的に形成される。これは、後述するサリエントポール１２４の中間部分の熱を効果的に放出するためである。特に、後述するサリエントポール１２４が装着されていない前記中空部１１４の外面に開放されるように吐出孔１１８が形成される。前記吐出孔１１８は、前記中空部１１４の外面における、前記中空部１１４の長さ方向の中間部に該当する領域から始まって両端部側へ多数個が形成される。参考までに、前記中空部１１４は、多数個の板材を積層して形成することができるが、この場合には、前記板材同士の間に隙間を置いて吐出孔１１８を代替することもできる。

前記内部空間１１６の両端から前記内部空間１１６に流入した空気は前記吐出孔１１８を介して吐出ながら中空部１１４自体及びサリエントポール１２０の熱を受けて外部へ排出する。前記吐出孔１１８は、図６に示すように、前記中空部１１４の外面における、サリエントポール１２０がない領域に開放されるように形成され、多数個が列をなすか或いは所定の領域に形成される。

前記中空部１１４、すなわち、リムコアの外面にはサリエントポール１２０が装着される。前記サリエントポール１２０は、積層されたコアにコイルが巻き付けられて形成されるものである。前記サリエントポール１２０は、多数個が所定の間隔をおいて前記中空部１１４に装着される。前記サリエントポール１２０を前記中空部１１４の外面に装着するには、ダブテール構造やボルトを用いることができる。

前記中空部１１４の両側端縁に沿っては多数の冷却ファン１２２が備えられる。前記冷却ファン１２２は、回転子の回転に応じて自然に空気を案内して前記サリエントポール１２０及び前記中空部１１４の外面に冷却空気を流動させるものである。前記冷却ファン１２２の設置位置や設置数は回転子の設計条件によって異なる。

以下、前述したような構成を持つ本発明に係る回転子が使用されることを詳細に説明する。
まず、図１に示された実施例において、前記回転軸１０は、前記支持部１２のフランジ１６が前記中空部１４の内部空間２０の両側入口の段差部２１に密着するように装着された状態で互いに結合されることにより作られる。このような回転軸１０は、前記中空部１４に内部空間２０が形成されることにより、前記内部空間２０の体積だけの重量が除去され、同じ大きさの回転子に比べて相対的に重量が小さくなる。

前記中空部１４の外面に多数個のサリエントポール２４を図２の如く所定の間隔をおいて装着すると、回転子の組み立てが完成するのである。このように作られた回転子は、発電機や電動機などの回転装置において固定子の内部に形成された空間に位置する。このとき、前記両側の支持部１２が、前記回転装置のハウジングに設置されたベアリングに回転可能に支持されるようにする。

回転装置に設置された回転子は、固定子との電磁相互作用によって回転する。すなわち、前記サリエントポール２４にあるコイルと前記固定子に設置されたコイルとの電磁相互作用によって前記回転子が回転する。このように電磁相互作用によって回転が起こるとき、前記コイルから熱が発生する。前記熱が外部に円滑に放出されない場合、回転子の回転性能が低下または損傷してしまう。

次に、回転子と固定子から発生する熱を排出することについて図４を参照して説明する。前記回転軸１０が回転すると、前記冷却ファン２６も一体に動くが、前記冷却ファン２６の動きは気流を形成する。前記気流は前記サリエントポール２４及び前記中空部１４の外面に直接伝達される。前記冷却ファン２６は、前記中空部１４の両端縁に沿って多数個が設置され、前記中空部１４の長さ方向の両端から中央部に向かって空気を流動させる。このように形成された気流は、前記サリエントポール２４及び前記中空部１４の外面と接触しながら熱を吸収する。

しかし、前記回転軸１０が回転すると、前記サリエントポール２４の周辺の空気は、遠心方向に気流を形成し、前記冷却ファン２６によって形成された気流は、ほとんどが前記サリエントポール２４の中心部分まで伝達されずに固定子へ移動する。一方、前記サリエントポール２４及び前記中空部１４の中心部分は、気圧が低くなるので、前記中空部１４の外面に開放された吐出孔２２を介して内部空間２０の空気が前記中空部１４の外部へ排出される。

前記内部空間２０には、両端の支持部１２のフランジ１６に形成された流入孔１８を介して空気が流入するので、前記内部空間２０における空気流れは、前記吐出孔２２の付近で互いに合流し、前記吐出孔２２を介して外部へ吐出される。

前記吐出孔２２から吐出された空気は、回転子の長さ方向の中間部に該当する領域の熱を排出する役割を果たす。よって、前記冷却ファン２６によって前記サリエントポール２４の両端から中央部へ形成される気流がサリエントポール２４の中間まで及ばずに回転子の遠心方向に流動してサリエントポール２４及び中空部１４の中間部分の熱を放出しないことと、これにより中間部分が過熱することを補完することができる。

言い換えれば、前記中空部１４の吐出孔２２は、前記中空部１４の長さ方向の中央領域、前記サリエントポール２４の長さ方向の中間部分に集中的に空気を伝達して当該部分の熱を集中的に放出することができるようにするものである。よって、回転子から発生する熱を全体的に円滑に外部へ排出することができる。

このように前記回転子において遠心方向に形成される気流が前記吐出孔２２によって回転子の長さ方向の全体領域に対して一定になることにより、固定子側へ伝達される気流が図４の如く均一になって固定子からの熱も円滑に排出することができる。

一方、図５乃至図７に示されている実施例における熱の排出は、上述した実施例の場合と類似しているので簡単に説明する。すなわち、前記回転軸１１０が回転すると、前記中空部１１４の内部空間１１６の気圧が低くなるので、前記吐出孔１１８を介して内部空間１１６の空気が中空部１１４の外部へ図７の如く伝達される。もちろん、前記冷却ファン１２２によって形成された気流も前記中空部１１４の外面に沿って形成されて前記サリエントポール１２０を冷却させる。

ここで、前記吐出孔１１８を介して内部空間１１６から吐出された空気は、前記サリエントポール１２０及び中空部１１４の中間部分の熱を集中的に外部へ排出することができる。

以上の説明は本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正及び変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものである。これらの実施例により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は下記の請求の範囲によって解釈されるべきであり、それと同等の範囲内にあるすべての技術思想は本発明の権利範囲に含まれるものと解釈されるべきである。

参考までに、説明された実施例では、前記支持部１２のフランジ１６が中空部１４にボルトによって締結されるように構成されているが、これに限定されるものではない。例えば、ボルトを使用せずに、支持部１２のフランジ１６が中空部１４に直接結合されてもよく一体に形成されてもよい。すなわち、前記回転軸１０を３Ｄプリンタを用いて製作し、支持部１２と中空部１４とが一体となるようにすることもできる。

そして、図示された実施例の如く、支持部１２と中空部１４が別個に製作されて結合される場合には、前記フランジ１６と中空部との間の隙間などを介しても内部空間２０に空気が流入することがある。このような場合、これらの隙間が一種の前記流入孔１８になるのである。

図示された実施例では、前記流入孔１８及び前記吐出孔２２の形状が円形になっているが、これに限定されるものではない。前記流入孔１８及び吐出孔２２の形状は、円形だけでなく、多様な形状、例えば楕円形、多角形などであってもよい。

10…回転軸、12…支持部、14…中空部、16…フランジ、18…流入孔、20…内部空間、22…吐出孔、24…サリエントポール、26…冷却ファン、110…回転軸、112…支持部、113…軸スパイダー、114…中空部、116…内部空間、118…吐出孔、120…サリエントポール、122…冷却ファン。

Claims (10)

1. 内部空間が形成された中空部の両端に支持部が位置して構成され、外部の空気が前記中空部の内部空間へ流入する流入孔が前記中空部に形成される回転軸と、
   前記中空部の外面に所定の間隔をおいて設置されるサリエントポールとを含み、
   前記中空部の外面のうち、前記サリエントポール同士の間の部分に吐出孔が開放されるように形成され、前記中空部の内部空間に流入した空気が前記吐出孔を介して外部へ吐出されながら前記中空部および前記サリエントポールの熱を放出する、回転子。
2. 前記吐出孔は、前記中空部の外面における、前記中空部の長さ方向の中間部に該当する領域から始まって両端部側へ多数個が形成される、請求項１に記載の回転子。
3. 前記中空部の内部に形成される内部空間は、前記中空部の両端に開放され、前記支持部の端部に備えられるフランジが前記中空部と組み立てられ、前記フランジには、前記内部空間へ冷却空気が流入できるように流入孔が設けられる、請求項２に記載の回転子。
4. 前記流入孔は、前記フランジを囲んで多数個が円形の軌跡を形成するように設けられる、請求項３に記載の回転子。
5. 前記中空部の両端に設置される前記支持部の端部に備えられるフランジ同士の間を連結する締結具が貫通する貫通孔が、前記フランジに形成される、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回転子。
6. 前記貫通孔は、前記サリエントポールが設置された位置と対応する前記フランジ上の位置に形成される、請求項５に記載の回転子。
7. 回転軸と、
   前記回転軸が中央を貫通し且つ両側に開放された内部空間が形成された中空部と、
   前記回転軸に前記中空部を支持する軸スパイダーと、
   前記中空部の外面に所定の間隔をおいて設置されるサリエントポールとを含み、
   前記中空部の外面のうち、前記サリエントポール同士の間の部分を介して、前記内部空間の空気が外部へ吐出されながら前記中空部および前記サリエントポールの熱を放出する、回転子。
8. 前記中空部における、前記内部空間の空気が吐出される部分は、前記中空部に形成された吐出孔であり、前記吐出孔は、前記中空部の外面における、前記中空部の長さ方向の中間部に該当する領域から始まって両端部側へ多数個が形成される、請求項７に記載の回転子。
9. 前記中空部は、多数個の板が積層されて形成されるが、前記板同士の間に隙間が形成されて前記内部空間の空気が前記中空部の外面へ吐出される、請求項７に記載の回転子。
10. 前記吐出孔と前記隙間は、前記中空部の外面における、前記サリエントポールが装着された領域同士の間に位置する、請求項７乃至９のいずれか一項に記載の回転子。

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