JP2019017126A

JP2019017126A - 全閉型回転電機

Info

Publication number: JP2019017126A
Application number: JP2017130289A
Authority: JP
Inventors: 佳朗前川; Yoshiro Maekawa
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2019-01-31
Also published as: CN109217564A

Abstract

【課題】冷却管群を備えた全閉型回転電機におけるカルマン渦や気柱の共鳴による振動や騒音を抑制する。【解決手段】全閉型回転電機は、回転子１１と、固定子１２と、互いに平行に延びて配列されて外部冷却媒体が内部を通る複数の冷却管２１と、回転子鉄心１４と固定子１２と複数の冷却管２１とを収容しロータシャフト１３が貫通し内部気体を収容する密閉空間を形成するケーシング２２と、ケーシング２２内でロータシャフト１３に固定されて密閉空間内で内部気体を循環させ冷却管２１が延びる方向に垂直な方向に冷却管２１の外側を流れる内部気体の流れを生じさせる内部ファン２５、２６と、密閉空間内で冷却管２１の外側の内部気体の流れの方向の下流側に配置されて冷却管２１によるカルマン渦の発生を抑制するメッシュ３１と、を備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、冷却管群を備えた全閉型回転電機に関する。

全閉型回転電機において、ジュール熱や機械損失に伴う発熱によるケーシング内の過熱を防ぐために、ケーシング内に冷却管群を配置し、各冷却管内に外部空気または冷却水を流して冷却管外側の内部気体（ケーシング内気体）を冷却する構造が知られている（特許文献１、２参照）。この場合、通常、内部ファンによって内部気体を循環させることにより、冷却管外側の内部気体を流動させて冷却促進が図られる。

特開２０１６−１２３２３３号公報特開２０１４−１６６０６１号公報特開平６−１７４３９０号公報

冷却管群の外側の内部気体が流動することにより、冷却管群の外側の下流側にカルマン渦が発生し、機器の振動を励起したり騒音を発生させたりすることがありうる。また、冷却管群の外側の内部気体を冷却管群が冷却することにより、気柱の共鳴による振動や騒音を発生させることもありうる。

なお、特許文献３には、伝熱管後流に発生するカルマン渦による管外流体の流れ方向のモードの気柱共鳴音の発生を抑制するために、管外流体の流れを横切るようにワイヤメッシュを配置する技術が開示されている。しかし、特許文献３に開示されている技術は、ボイラなどの多管式熱交換器で管外流体が加熱されることを想定したものであって、管外流体が伝熱管によって冷却される場合については想定されていない。さらに、回転電機に備えられた冷却器への適用は想定されていない。

この発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、冷却管群を備えた全閉型回転電機におけるカルマン渦による振動や騒音を抑制することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る全閉型回転電機は、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に固定された回転子鉄心とを備えた回転子と、前記回転子鉄心を周方向に取り囲んで配置された固定子と、互いに平行に延びて配列されて、外部冷却媒体が内部を通るように構成された複数の冷却管と、前記回転子鉄心と、前記固定子と、前記複数の冷却管とを収容し、前記ロータシャフトが貫通し、内部に内部気体を収容する密閉空間を形成するケーシングと、前記ケーシング内で前記ロータシャフトに固定されて、前記密閉空間内で前記内部気体を循環させ、前記複数の冷却管が延びる方向に垂直な方向に前記冷却管の外側を流れる前記内部気体の流れを生じさせる内部ファンと、前記密閉空間内で前記複数の冷却管の外側の前記内部気体の流れの方向の下流側に配置されて、前記複数の冷却管によるカルマン渦の発生を抑制するメッシュと、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、冷却管群を備えた全閉型回転電機におけるカルマン渦による振動や騒音を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る全閉型回転電機の模式的立断面図である。図１のＩＩ−ＩＩ線矢視部分立断面図である。図１のメッシュを示す図であって、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視部分平面図である。本発明の第２の実施形態に係る全閉型回転電機のメッシュを示す図であって、図３に相当する部分平面図である。本発明の第３の実施形態に係る全閉型回転電機のメッシュを示す図であって、図３に相当する部分平面図である。本発明の第４の実施形態に係る全閉型回転電機のメッシュを示す図であって、図３に相当する部分平面図である。本発明の第５の実施形態に係る全閉型回転電機の模式的立断面図である。本発明の第６の実施形態に係る全閉型回転電機の模式的立断面図である。

以下、図面を参照して本発明に係る全閉型回転電機の実施の形態について、図面を参照して説明する。ここで、互いに共通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、本発明の第１の実施形態に係る全閉型回転電機の模式的立断面図である。図２は図１のＩＩ−ＩＩ線矢視部分立断面図である。図３は、図１のメッシュを示す図であって、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視部分平面図である。

第１の実施形態に係る全閉型回転電機は、回転子１１と、回転子１１の径方向外側を取り囲んで配置された円筒状の固定子１２とを有する。回転子１１は、水平方向に延びるロータシャフト１３と、ロータシャフト１３の径方向外側に固定された円筒状の回転子鉄心１４とを有する。回転子鉄心１４を軸方向に挟んで２個の軸受１５、１６が配置され、ロータシャフト１３は、２個の軸受１５、１６によって回転可能に支持されている。

固定子１２の上方に冷却器２０が配置されている。冷却器２０は、軸方向に互いに平行に配列された複数の冷却管２１を含む。固定子１２と、回転子鉄心１４と、冷却器２０はケーシング２２内に配置されている。ロータシャフト１３は、ケーシング２２を貫通して延びている。複数の冷却管２１それぞれの両端はケーシング２２の外側に向かって開口している。ケーシング２２内は閉空間となっている。

ケーシング２２の一方の軸方向の外側で、外部ファン２３がロータシャフト１３に固定されている。ケーシング２２に隣接して外部ファン２３を覆うように、外部ファンカバー２４が配置されている。外部ファン２３によって駆動された外部空気は外部ファンカバー２４内を案内されて、冷却管２１内を一方の端部から他方の端部に通り抜けて外部ファンカバー２４とは軸方向反対側で外部に解放されるように構成されている。図１で、外部空気の流れを点線矢印Ａで示している。

ケーシング２２内で、回転子鉄心１４を軸方向に挟む位置に、２個の内部ファン２５、２６がロータシャフト１３に固定されている。ケーシング２２内で冷却管２１の外側の空間にガイド板２７が配置され、それによって、ケーシング２２内で冷却管２１の外側の空間が、軸方向中央のガス上昇部２８と、ガス上昇部２８を軸方向に挟むガス下降部２９、３０に区画されている。

ケーシング２２内で冷却管２１の上方でガス上昇部２８の上端を覆うように水平に広がるメッシュ３１が配置されている。ケーシング２２内でメッシュ３１および冷却管２１の上方に上部空間３２が形成されている。

ロータシャフト１３の回転による内部ファン２５、２６の回転により、ケーシング２２内のガス（内部気体、たとえば空気）は、図１の実線矢印Ｂに示すように、ケーシング２２内を循環する。すなわち、内部気体は、内部ファン２５、２６から、回転子鉄心１４および固定子１２の内部およびその周辺に送られて回転子鉄心１４および固定子１２を冷却する。それによって内部気体は昇温され、ガス上昇部２８を上昇し、冷却管２１の外側を通るときに冷却管２１内の外部空気によって冷却される。ガス上昇部２８内で冷却管２１の外側を通り過ぎた内部気体はメッシュ３１を通ってさらに上昇して上部空間３２に流入する。

内部気体は、上部空間３２からは下降流に転じ、ガス下降部２９、３０内で冷却管２１の外側を通り、ここでも、内部気体は冷却管２１によって冷却される。ガス下降部２９、３０を出た内部気体は内部ファン２５、２６へ戻される。なお、上述のように上部空間３２で内部気体の流れの方向が上昇から下降に転じるので、上部空間３２は内部気体の流路の曲がり部となっている。

メッシュ３１は、この実施形態では、図２および図３に示すように、回転軸方向すなわち冷却管２１の延びる方向に延びる棒状の複数の軸方向メッシュ要素４０と、軸方向メッシュ要素４０に垂直な方向に延びる棒状の複数の横方向メッシュ要素４１とが互いに交差する構成となっている。図示の例では、横方向メッシュ要素４１の上に軸方向メッシュ要素４０が載っていて、これらは、溶接またはろう付けにより結合されている。軸方向メッシュ要素４０同士の間隔（ピッチ）ｐ１は、好ましくは、冷却管２１同士の間隔（ピッチ）ｐ２よりも小さい。これにより、互いに隣接する冷却管２１同士の間の下流側位置に少なくとも一つの軸方向メッシュ要素４０が存在するようになる。

この実施形態によれば、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜けた内部気体は、メッシュ３１を通って上部空間３２に流れ込む。このため、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜ける際に発生したカルマン渦がメッシュ３１によって乱され、カルマン渦の発達が抑制される。これにより、カルマン渦による振動や騒音を抑制することができる。

上記説明では、メッシュ３１は、横方向メッシュ要素４１の上に軸方向メッシュ要素４０が載っているとしたが、変形例として、軸方向メッシュ要素４０の上に横方向メッシュ要素４１が載った構造であってもよい。さらに別の変形例として、軸方向メッシュ要素４０と横方向メッシュ要素４１のそれぞれがたわみやすい構成であって、これらが互いに編み合わされた構造であってもよい。

［第２の実施形態］
図４は、本発明の第２の実施形態に係る全閉型回転電機のメッシュを示す図であって、第１の実施形態の図３に相当する部分平面図である。

この第２の実施形態では、メッシュ３１を構成する各メッシュ要素４５が、回転軸方向すなわち冷却管２１の延びる方向に対して約４５度の角度をなし、互いに交差している。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態でも、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜ける際に発生したカルマン渦がメッシュ３１によって乱され、カルマン渦の発達が抑制される。これにより、カルマン渦による振動や騒音を抑制することができる。

［第３の実施形態］
図５は、本発明の第３の実施形態に係る全閉型回転電機のメッシュを示す図であって、第１の実施形態の図３に相当する部分平面図である。

この第３の実施形態では、メッシュ３１を構成するメッシュ要素４７が、ハニカム状の網目状をなしている。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

［第４の実施形態］
図６は、本発明の第４の実施形態に係る全閉型回転電機のメッシュを示す図であって、第１の実施形態の図３に相当する部分平面図である。

この第４の実施形態では、メッシュ３１は多数の貫通孔４６が設けられた平板状である。図示の例では、各貫通孔４６はほぼ同じ寸法の円形であって、冷却管２１の延びる方向およびそれに垂直な方向に正方格子状に等間隔で並んでいる。その他の構成は第１の実施形態と同様である。

なお、この第４の実施形態の変形例として、各貫通孔４６の形状は円形以外に、楕円その他の形状でもよい。また、各貫通孔４６の形状や寸法が揃っていなくてもよい。さらに、貫通孔４６の並び方は正方格子状に限らず、斜交格子状でも、また、不規則的な配列でもよい。

［第５の実施形態］
図７は、本発明の第５の実施形態に係る全閉型回転電機の模式的立断面図である。

この第５の実施形態は、第１の実施形態の変形であって、メッシュ３１が、ケーシング２２内で冷却管２１の上方でガス上昇部２８の上端を覆っているだけでなく、ガス下降部２９、３０の上端をメッシュ３１ａが覆うように水平に広がって配置されている。メッシュ３１、３１ａの構造は、たとえば第１の実施形態（図２、図３）のメッシュ３１と同様である。その他の構成も第１の実施形態と同様である。

この第５の実施形態によれば、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜けた内部気体は、メッシュ３１を通って上部空間３２に流れ込む。このため、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜ける際に発生したカルマン渦がメッシュ３１によって乱され、カルマン渦の発達が抑制される。さらに、上部空間３２からガス下降部２９、３０に流れ込む際にメッシュ３１ａを通り抜けるので、カルマン渦の影響をさらに抑制できる。これにより、カルマン渦による振動や騒音をさらに抑制することができる。

なお、上記説明ではメッシュ３１、３１ａの構造は第１の実施形態と同様としたが、メッシュ３１、３１ａの構造は、第２〜第４の実施形態（図４〜図６）と同様のものとしてもよい。さらに、メッシュ３１とメッシュ３１ａの構造が異なるものとしてもよい。

［第６の実施形態］
図８は、本発明の第５の実施形態に係る全閉型回転電機の模式的立断面図である。

この第６の実施形態は、第１の実施形態の変形であって、メッシュ３１が、ケーシング２２内で冷却管２１の上方でガス上昇部２８の上端を覆っているだけでなく、ガス下降部２９、３０の下部で冷却器２０の下端をメッシュ３１ｂが覆うように水平に広がって配置されている。メッシュ３１、３１ｂの構造は、たとえば第１の実施形態（図２、図３）のメッシュ３１と同様である。その他の構成も第１の実施形態と同様である。

この第６の実施形態によれば、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜けた内部気体は、メッシュ３１を通って上部空間３２に流れ込む。このため、ガス上昇部２８内で複数の冷却管２１の間を通り抜ける際に発生したカルマン渦がメッシュ３１によって乱され、カルマン渦の発達が抑制される。さらに、ガス下降部２９、３０内で複数の冷却管２１の間を通り抜けた内部気体は、メッシュ３１ｂを通り抜ける。このため、ガス下降部２９、３０内で複数の冷却管２１の間を通り抜ける際に発生したカルマン渦がメッシュ３１ｂによって乱され、カルマン渦の発達が抑制される。これにより、カルマン渦による振動や騒音をさらに抑制することができる。

なお、上記説明ではメッシュ３１、３１ｂの構造は第１の実施形態と同様としたが、メッシュ３１、３１ｂの構造は、第２〜第４の実施形態（図４〜図６）と同様のものとしてもよい。さらに、メッシュ３１とメッシュ３１ｂの構造が異なるものとしてもよい。

［他の実施形態］
メッシュ３１、３１ａ、３１ｂの構造としては、上記第１〜第４の実施形態の例のほか、たとえば金属ウール（steel wool）を敷き詰めたものでもよい（図示省略）。また、第１〜第４の実施形態の同種または異種のメッシュ３１を複数枚、上下に重ね合わせてもよい（図示省略）。

また、ガス上昇部２８上端部のメッシュ３１、ガス下降部２９、３０上端部のメッシュ３１ａ、ガス下降部２９、３０下部のメッシュ３１ｂは、それらのいずれの一つでも設ければカルマン渦発生・発達の抑制の効果がある。さらに、任意の二つまたは三つを組み合わせればさらに効果がある。

また、上記実施形態では、冷却管２１内に外部空気を流して内部気体を冷却するものとしたが、外部空気を流す代わりに、冷却管２１内に冷却水を流す構造とすることも可能である。

また、上記実施形態では、回転軸が水平方向であるとしたが、回転軸が水平方向でなくても、たとえば回転軸が鉛直方向であっても、この発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、内部ファン２５、２６が２個あるものとしたが、内部ファンは１個だけであってもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。この実施形態は、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。これら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。

１１…回転子、１２…固定子、１３…ロータシャフト、１４…回転子鉄心、１５、１６…軸受、２０…冷却器、２１…冷却管、２２…ケーシング、２３…外部ファン、２４…外部ファンカバー、２５、２６…内部ファン、２７…ガイド板、２８…ガス上昇部、２９、３０…ガス下降部、３１，３１ａ，３１ｂ…メッシュ、３２…上部空間、４０，４１，４５，４７…メッシュ要素、４６…貫通孔

Claims

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に固定された回転子鉄心とを備えた回転子と、
前記回転子鉄心を周方向に取り囲んで配置された固定子と、
互いに平行に延びて配列されて、外部冷却媒体が内部を通るように構成された複数の冷却管と、
前記回転子鉄心と、前記固定子と、前記複数の冷却管とを収容し、前記ロータシャフトが貫通し、内部に内部気体を収容する密閉空間を形成するケーシングと、
前記ケーシング内で前記ロータシャフトに固定されて、前記密閉空間内で前記内部気体を循環させ、前記複数の冷却管が延びる方向に垂直な方向に前記冷却管の外側を流れる前記内部気体の流れを生じさせる内部ファンと、
前記密閉空間内で前記複数の冷却管の外側の前記内部気体の流れの方向の下流側に配置されて、前記複数の冷却管によるカルマン渦の発生を抑制するメッシュと、
を備えたことを特徴とする全閉型回転電機。
前記ケーシング内で前記内部気体の流れをガイドするガイド板をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の全閉型回転電機。
前記ケーシング内の前記内部気体の流路が曲がり部を有し、前記曲がり部をはさんで上流側と下流側に前記複数の冷却管の周囲を通る流路が形成されており、
前記メッシュは、前記曲がり部の上流側で前記上流側の複数の冷却管の下流側に配置されていること、
を特徴とする請求項２に記載の全閉型回転電機。
前記ケーシング内の前記内部気体の流路が曲がり部を有し、前記曲がり部をはさんで上流側と下流側に前記複数の冷却管の周囲を通る流路が形成されており、
前記メッシュは、前記曲がり部の下流側の複数の冷却管の下流側に配置されていること、
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の全閉型回転電機。
前記メッシュは、前記複数の冷却管の下流側で前記複数の冷却管のうちの互いに隣接する冷却管同士の間を区切るように配列された複数のメッシュ要素を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の全閉型回転電機。
前記メッシュは、前記複数の冷却管にのうちの互いに隣接する冷却管同士の間隔よりも狭い間隔をあけて配列された複数のメッシュ要素を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の全閉型回転電機。
前記メッシュは、互いに交差して格子状をなす複数のメッシュ要素を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の全閉型回転電機。
前記メッシュは、ハニカム状に形成されたメッシュ要素を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の全閉型回転電機。
前記メッシュは、複数の貫通孔が形成された板状のメッシュ要素を備えていることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか一項に記載の全閉型回転電機。