JP2020162204A

JP2020162204A - 回転電機および回転電機システム

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Publication number: JP2020162204A
Application number: JP2019056226A
Authority: JP
Inventors: 大貴古賀; Daiki Koga
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-10-01
Anticipated expiration: 2039-03-25
Also published as: JP7030074B2

Abstract

【課題】回転電機の外部冷却システムへの依存度を低減させる。【解決手段】回転電機１００は、ロータシャフト１１と回転子鉄心１２とを有する回転子１０と、固定子鉄心２１と固定子巻線２２とを有する固定子２０と、２つの軸受３１、３２と、フレーム４０と、２つの軸受ブラケット４５、４６と、冷却用気体を駆動して回転子鉄心１２および固定子鉄心２１を通過させる内扇１５と、冷却用気体を冷却する冷却媒体を通過させる冷却管５１を有する冷却器５０と、ロータシャフト１１に取り付けられてロータシャフト１１とともに回転し、冷却媒体を駆動して冷却器５０に循環させる冷媒ポンプ６０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機および回転電機システムに関する。

全閉形の回転電機は、通常、機内を循環する冷却用気体を外部の冷却媒体で冷却するために、冷却器を有する。冷却媒体としては、通常、外気を使用する場合と、冷却水などの冷却用の液体を用いる場合がある。

液体の冷却媒体を用いる場合は、回転電機の冷却器と、外部のポンプと、冷却源との間で、冷却媒体を循環させる方式が一般的である。すなわち、冷却器が外部の冷却システムの一部となっており、冷却媒体の駆動および冷却を外部のシステムに依存する形となる（特許文献１、２参照）。

特開昭６１−２２４９２９号公報特開平４−１０１６４７号公報

液体の冷却媒体による冷却方式は、冷却効率が良いというメリットがある。ただし、前述のような、冷却器が外部の冷却システムの一部となっており、冷却媒体の駆動および冷却を外部のシステムに依存する。

すなわち、たとえば、回転電機の冷却器と接続される外部冷却システムの冷却媒体用のポンプの特性は、冷却器の圧力損失、必要な冷却媒体の流量等の回転電機側の特性と、整合がとれている必要がある。また、回転電機の冷却器に供給される冷却媒体の液質についても、回転電機側から必要な要求レベルを満たす必要がある。このため、計画段階での回転電機側と、外部冷却システム側との整合性の確認、あるいは調整が必要である。また、計画変更のたびごとの確認、調整が必要となる。このため、外部冷却システムへの依存度をできる限り低減させることが望まれる。

そこで、本発明は、回転電機の外部冷却システムへの依存度を低減させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る回転電機は、軸方向に延びたロータシャフトと前記ロータシャフトに取り付けら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置された固定子鉄心と前記固定子鉄心内を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、前記フレームの軸方向の両側の端部に取り付けられて前記２つの軸受をそれぞれ静止支持する２つの軸受ブラケットと、冷却用気体を駆動して前記回転子鉄心および前記固定子鉄心を通過させる内扇と、前記冷却用気体を冷却する冷却媒体を通過させる冷却管を有する冷却器と、前記ロータシャフトに取り付けられて前記ロータシャフトとともに回転し、前記冷却媒体を駆動して前記冷却器に循環させる冷媒ポンプと、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機システムは、前述の回転電機と、前記冷却媒体を冷却する冷却源と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の外部冷却システムへの依存度を低減させることができる。

第１の実施形態に係る回転電機を示す立断面図である。第１の実施形態に係る回転電機システムの構成を示す系統図である。第２の実施形態に係る回転電機を示す立断面図である。第２の実施形態に係る回転電機の冷媒ポンプを示す図３のＩＶ−ＩＶ矢視正面図である。第２の実施形態に係る回転電機の構成を示す系統図である。

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回転電機システムについて説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る回転電機を示す立断面図である。

回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、結合側軸受３１および反結合側軸受３２、フレーム４０、結合側軸受ブラケット４５および反結合側軸受ブラケット４６、冷却器５０、並びに冷媒ポンプ６０を有する。

回転子１０は、軸方向に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１に取り付けられた回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は軸方向に延び、一方の端部には結合対象（図示せず）との結合のためのカップリング部１１ａが設けられている。ロータシャフト１１は、回転子鉄心１２を挟んだ両側の部分で、結合側軸受３１および反結合側軸受３２により回転可能に支持されている。ロータシャフト１１の、回転子鉄心１２と結合側軸受３１との間の部分、および回転子鉄心１２と反結合側軸受３２との間の部分には、それぞれ内扇１５が取り付けられている。

固定子２０は、円筒状の固定子鉄心２１と、固定子巻線２２を有する。固定子鉄心２１は、回転子鉄心１２の径方向外側を囲むように配置されている。固定子巻線２２は、固定子鉄心２１の径方向の内面に周方向に互いに間隔をおいて軸方向に貫通するように形成された複数のスロット（図示せず）内に配されて、固定子鉄心２１の軸方向の両側に突出している。

フレーム４０は筒状であり、固定子２０の径方向外側を囲むように配されている。フレーム４０の端部には、結合側軸受ブラケット４５および反結合側軸受ブラケット４６が取り付けられており、それぞれ結合側軸受３１および反結合側軸受３２を静止支持している。

冷却器５０は、フレーム４０の上方に設けられている。冷却器５０は、たとえば冷却水などの液体の冷却媒体が内側を通過する冷却管５１と、冷却管５１を収納する冷却器カバー５２を有する。冷却器カバー５２内の空間とフレーム４０内の空間とは、冷却器入口開口５３および２つの冷却器出口開口５４を介して連通している。冷却器入口開口５３は、固定子２０の上方に形成され、２つの冷却器出口開口５４は、冷却器入口開口５３を挟んで軸方向の両側に形成されている。

図１において白抜き矢印によって示すように、両側の内扇１５によりフレーム４０内を循環する冷却用気体は、冷却器入口開口５３から冷却器５０に入り、冷却管５１内の冷却媒体により冷却された冷却用気体が、両側の冷却器出口開口５４からフレーム４０内に流入し、それぞれの内扇１５により回転子鉄心１２および固定子２０側に送られる。

冷媒ポンプ６０は、反結合側軸受ブラケット４６の軸方向外側に設けられている。冷媒ポンプ６０は、たとえば遠心ポンプであり、複数のポンプ翼６１と、ポンプ翼６１を収納するケーシング６２を有する。

ポンプ翼６１は、ロータシャフト１１の、反結合側軸受３２の軸方向外側の部分に取り付けられている。

ケーシング６２は、支持ロッド６７を介して反結合側軸受ブラケット４６により支持されている。なお、支持ロッド６７に代えて、板状の支持構造物でもよい。ケーシング６２のポンプ翼６１の径方向外側部分は広い空間となっており、圧力室６３が形成されている。圧力室６３において、ポンプ翼６１から流出する冷却媒体の運動エネルギーの多くが圧力に変換される。

ケーシング６２の反結合側軸受ブラケット４６に面する側に対して軸方向の反対側（図１中の左側）となるケーシング６２の中央部分には、冷却媒体の流入口である入口開口６４が形成されている。また、ケーシング６２の径方向の外側端部には、冷却媒体の流出口である出口開口６５が形成されている。

図２は、第１の実施形態に係る回転電機システムの構成を示す系統図であり、冷却媒体の流路を示している。

回転電機システム２００は、回転電機１００と、外部冷却システム８０を有する。外部冷却システム８０は、冷却源８１および外部配管９０を有する。外部配管９０は、冷却器出口管９１および冷却源出口管９２を有する。

まず、回転電機１００内では、冷媒ポンプ６０の出口開口６５（図１）が、ポンプ出口管６６の一方の端部に接続している。ポンプ出口管６６の他方の端部は、冷却器５０の冷却管５１（図１）に接続している。

外部冷却システム８０の冷却源８１は、回転電機１００の外部に設置されている。冷却媒体は、回転電機１００の冷却器５０で、機内冷却用の冷却用気体を冷却し、自身は逆に温度上昇し、たとえば水などの冷却媒体の冷却を行う。冷却源８１は、この冷却媒体を冷却する。冷却源８１による冷却媒体の冷却は、図２に示すように、冷却媒体とこれを冷却する冷却源の流体が互いに混合することなく熱交換が行われる非接触式によってもよいが、冷却塔のように冷却媒体が外気と直接接触することにより熱交換が行われる接触式の熱交換により行ってもよい。

回転電機１００の冷却器５０の冷却管５１と冷却源８１とは、外部配管９０の冷却器出口管９１により接続されている。また、冷却源８１と冷媒ポンプ６０とは、外部配管９０の冷却源出口管９２により接続されている。

以上のような本第１の実施形態による回転電機システム２００においては、機内冷却用の冷却用気体を冷却する冷却媒体は、回転電機１００自身が有する冷媒ポンプ６０によって、外部配管９０によって接続された回転電機１００の冷却器５０と回転電機１００の外部の外部冷却システム８０を循環する。

すなわち、冷却媒体の循環について、その循環機能を担う冷媒ポンプ６０を回転電機１００自身が有する。

このように、回転電機の外部冷却システムへの依存度を低減させることができる。

［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る回転電機を示す立断面図である。また、図４は、冷媒ポンプを示す図３のＩＶ−ＩＶ矢視正面図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態における回転電機１００ａは、外扇７０をさらに有する。また、冷媒ポンプ６０ａには、通風孔６８が形成されている。その他の点では、第１の実施形態と同様である。

外扇７０は、たとえば軸流ファンであり、冷媒ポンプ６０ａと反結合側軸受ブラケット４６との間に設けられている。外扇７０は、ロータシャフト１１に取り付けられた複数の翼７１と、これらの翼７１の径方向外側にこれらの翼７１を囲むように設けられた円筒状の外扇カバー７２を有する。外扇カバー７２の一方の端部は、複数の支持ロッド６７を介して反結合側軸受ブラケット４６に結合し、反結合側軸受ブラケット４６により支持されている。

冷媒ポンプ６０ａの複数の通風孔６８は、周方向に互いに間隔をおいて、圧力室６３を軸方向に貫通するように形成されている。

以上のような構成による回転電機１００ａにおいては、ロータシャフト１１が回転すると複数の翼７１が回転し、駆動力を生ずる。この結果、外気は、支持ロッド６７の間から複数の翼７１に吸い込まれる。複数の翼７１から軸方向に吐き出された外気は、冷媒ポンプ６０ａの通風孔６８に流入し通風孔６８内を通過する。この結果、冷媒ポンプ６０ａのケーシング６２の圧力室６３内の冷却媒体が冷却される。

ここで、冷媒ポンプ６０ａにおいて、冷却媒体が冷却される通風孔６８が貫通するのがケーシング６２内の圧力室６３である。この結果、圧力室６３内に通風孔６８の貫通部による流路の障害物が存在することになるが、圧力室６３においては冷却媒体の流速が低いため、通風孔６８が形成されていることによる冷却媒体の圧力損失の増大分は大きくならない。

図５は、第２の実施形態に係る回転電機の構成を示す系統図である。

冷却器５０の出口側は、ポンプ入口管６９により、冷媒ポンプ６０ａの入口開口６４（図３）に接続されている。また、冷媒ポンプ６０ａの出口開口６５（図３）は、第１の実施形態と同様に、ポンプ出口管６６により冷却器５０に接続されている。

本実施形態に係る回転電機システム２００ａにおいては、外部冷却システムが存在せず、回転電機１００ａそのものである。すなわち、回転電機１００ａ自体が、冷却媒体を駆動する機能を有する冷媒ポンプ６０ａと、冷却媒体を冷却する機能を有する外扇７０と冷媒ポンプ６０の通風孔６８との組み合わせを備えている。したがって、外部冷却システムは不要である。

以上のように、本第２の実施形態によれば、外部冷却システムに依存しない回転電機を提供することができる。

［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。

さらに、これらの実施形態は、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。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…カップリング部、１２…回転子鉄心、１５…内扇、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３１…結合側軸受、３２…反結合側軸受、４０…フレーム、４５…結合側軸受ブラケット、４６…反結合側軸受ブラケット、５０…冷却器、５１…冷却管、５２…冷却器カバー、５３…冷却器入口開口、５４…冷却器出口開口、６０、６０ａ…冷媒ポンプ、６１…ポンプ翼、６２…ケーシング、６３…圧力室、６４…入口開口、６５…出口開口、６６…ポンプ出口管、６７…支持ロッド、６８…通風孔、６９…ポンプ入口管、７０…外扇、７１…翼、７２…外扇カバー、８０…外部冷却システム、８１…冷却源、９０…外部配管、９１…冷却器出口管、９２…冷却源出口管、１００、１００ａ…回転電機、２００…回転電機システム

Claims

軸方向に延びたロータシャフトと前記ロータシャフトに取り付けら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置された固定子鉄心と前記固定子鉄心内を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
前記フレームの軸方向の両側の端部に取り付けられて前記２つの軸受をそれぞれ静止支持する２つの軸受ブラケットと、
冷却用気体を駆動して前記回転子鉄心および前記固定子鉄心を通過させる内扇と、
前記冷却用気体を冷却する冷却媒体を通過させる冷却管を有する冷却器と、
前記ロータシャフトに取り付けられて前記ロータシャフトとともに回転し、前記冷却媒体を駆動して前記冷却器に循環させる冷媒ポンプと、
を備える回転電機。
前記冷媒ポンプは、
複数のポンプ翼と、
前記複数のポンプ翼を収納し、前記複数のポンプ翼の径方向外側に圧力室が形成されているケーシングと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記冷媒ポンプには、外気が通過する冷却用の通風孔が形成されており、
前記ロータシャフトに取り付けられて前記ロータシャフトとともに回転し、外気を、前記通風孔に向けて駆動する外扇をさらに有する、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記通風孔は、前記圧力室を貫通するように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回転電機と、
前記冷却媒体を冷却する冷却源と、
を備えることを特徴とする回転電機システム。