JP4203416B2 - 耐衝撃型船舶用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ハウジング内に固定子と回転子を備え、回転子が駆動軸に結合された、軍艦等の耐衝撃型船舶用回転電機、例えば電動機又は発電機に関する。

振動緩衝型の船舶用回転電機、例えば電動機は国際公開第０２／３０７４２号パンフレット等で公知である。この公知の電動機は、振動緩衝のため、回転子と固定子を互いに支持する支持部と、振動を減衰するばね部材を経て固定子を電動機ハウジングに支持する支持部とを備えている。

公知の構造は、ハウジングおよび回転子／固定子ユニットの分離を可能としているが、軍艦にとっては、弾丸が命中した場合は不十分である。そこでは振動のみに対処するものであってはならず、大きな衝撃加速度を受け入れ、固定子および回転子によって形成される構造ユニットの、公知の振動緩衝手段によって与えられるものより一層大きな限界内の変位を可能にするものでなければならない。

この課題は、ハウジング内に固定子および回転子を備え、回転子は駆動軸に結合され、固定子および回転子は相対的に回転可能であり、放射方向／軸方向に制限されてはいるが大きな遊びをもって、ハウジングに対して可動構造ユニットを形成するように互いに結合され、可動構造ユニットはハウジングに対して通常の振動振幅より大きく変位することができ、ハウジングは軍艦に弾性的に結合されることによって解決される。固定子および回転子の大きな間隔と関連して、本発明によれば、回転子軸のねじれに対しても抵抗力のある構成を達成できる。本発明の対策によってハウジング又は他の船体部分からの１００ｇを超える衝撃加速度に耐えることができ、運転中の回転子および固定子が損傷を受けることが無くなる。衝撃加速度におけるこの損傷は危険なものである。構造ユニット自体は１００ｇを超える加速度に耐えることができる。衝撃加速度を回避するためには、数ｍｍの変位量、極端な場合は数ｃｍの変位量が必要であり、かつ達成可能である。

耐衝撃性の船舶用回転電機の構成において、好ましくは、電動機が船体の下側にゴンドラ状に配置され、冷媒が通流しやすく構成されたハウジング内に配置され、回転子に結合された駆動軸に少なくとも１つのプロペラが連結され、固定子はラジアル軸受を経て回転子に連結され、固定子および回転子からなる構造ユニットがハウジングにも駆動軸にも弾性的に支持され、回転子と固定子との間に５０ｍｍ迄の空隙が生ずる。

電気式操舵プロペラにおける船舶用回転電機は特に大きな衝撃加速度に曝される。なぜなら、場合により電気式操舵プロペラの直下で機雷や魚雷が爆発することがあるからである。操舵プロペラのハウジングに対する明らかに１００Ｇを超える衝撃加速度を意味する場合であっても、耐衝撃型船舶用回転電機は船の操舵運転を継続せねばならないが、それは操舵プロペラおよび船尾の弾性結合部に関連して上述の手段で達成される。

本発明の他の構成では、ハウジングが船内に弾性的に据え付けられた基礎フレームに配置され、駆動軸がプロペラ軸又は水噴射羽根車軸に弾性結合する弾性カップリングを備える。この結果、船の内部に配置され、例えば機雷の爆発や、船内に強い震動を引き起こす飛行物体の命中にも対抗し得る船舶用回転電機を構成できる。耐衝撃型船舶用回転電機が発電機として構成される場合は、発電機の損傷を回避できる。即ち内部に構成された船舶用回転電機にとっても、船体に対向して電気式操舵プロペラに配置された船舶用回転電機にとっても、二重の弾性構造が得られる。電気式操舵プロペラの場合、それは柔軟な弾性の操舵プロペラ軸によって達せられ、船の内部に設けられる回転電機の場合は弾性の基礎フレームによって達せられる。いずれにしても、大きな衝撃波も回復も問題なく耐衝撃型船舶用回転電機の耐久構造を達成できる。

回転子を、円筒状支持体とその支持体に取り付けられた活性部とに分割し、回転子自体は駆動軸に弾性的に支持され、固定子は支持体に軸支され、固定子自体がハウジングに弾性的に支持されることによって、本発明による有意義な柔軟性構造ユニットが得られる。これは衝撃加速度下の回転子および固定子の本質的に共通の変位運動を可能にする。

駆動軸への回転子の支持は、軸方向および放射方向には柔軟に、周方向にはトルクを伝達し得るように強固に行われる。軸受は、要求に従い、転がり軸受として構成され、又は滑り軸受として構成される。それにより、本発明に従った剛構造が得られる。なお、滑り軸受は、特に大きな衝撃加速度が見込まれる場合に用いられる。

しかし、本発明による電動機又は発電機は自体の弾性又は弾性取付けによって既に良好な固体遮音手段を備えているが、赤外線照射を経て逆作用力による位置測定の可能性も生ずる。これを低減し、電動機を小断面にもかかわらず高負荷を可能とするために、電動機は液冷式に構成される。その場合、水冷却は通常の循環式とするのがよい。

耐衝撃型電動機の水冷却のため、固定子は冷却装置として構成すると良く、冷却水は冷媒通路を経て固定子を貫流する。冷媒通路は放射方向冷媒通路として構成できる。しかし冷媒通路は固定子の周面部を蛇行状に走る周方向冷媒通路としても構成できる。更に特に簡単な解決策として、冷媒通路は固定子に沿って軸方向に走る軸方向冷媒通路としても構成できる。ここでも、冷却は特に有効に行われる。全体として、特に操舵プロペラ駆動機にとって重要な、実質的な赤外線照射の減少が達成され、単純な空気冷却に比較して小型構造において大きな負荷を掛けることが可能になる。

本発明によれば、冷媒通路は分配器として作用する少なくとも１つの水室を備えることができる。それにより、電動機又は発電機の内部に多数の単位接続部を設けることなく、個々の冷却冷媒通路に冷却水を供給できる。

本発明の他の構成においては、固定子は冷却空気が吹き付けられるコイル端を有する巻線を備える。これにより、冷媒通路によっては冷却技術的に捕捉できない固定子部分も非常に好ましい形で冷却される。しかし、コイル端に対しては、コイル端を貫通したり取り巻いたりする冷媒通路も可能ではあるが、それは特に衝撃緩衝型の電機にとっては構造的な困難性が大きすぎるので、通常はそれを断念することになる。このようにして冷却方式として船内又はデッキの循環式冷却装置に接続される、コイル端に対する空気通流方式が提供される。空気によるコイル端の冷却によって電機の構造大きさを変化させることことなく、コイル端領域に自由空間を存在させ得る。

耐衝撃型回転電機の特に有利な構成は、これを永久磁石励磁型回転電機として構成することで得られる。その場合、回転子にスリップリング等を備えない特に簡単な構造の電機を構成できる。回転子および固定子を小型で互いに比較的離れたユニットとして構成できる。その場合、固定子は空心巻線として構成できる。全体的に、特に操舵プロペラ電動機にとって特に強靭で耐衝撃型の構造が得られる。

船内に装備されるこの構造形式の電動機の場合、固定子はハウジング内に滑りリングを経て、例えば回転自在の固定子ヨークにより、回転自在に構成するのが良い。そうすることで、電機を完全に分解する必要無しに、また電機を全体として組み立てたり分解したりすることなく、場合によっては例えば冷却装置に必要な改修を実施できる。このことは特に海軍の軍艦用耐衝撃型船舶用回転電機にとって特に有利である。なぜなら、ドック停泊期間を無くし得るからである。固定子での作業に電機の分解を必要としない。

次に図面を参照して詳細に説明する。その説明と従属請求項から本発明の他の利点も明らかになろう。

図１は海軍の軍艦用耐衝撃型船舶用の円筒型電動機又は発電機の駆動軸１を示す。駆動軸１は各端部にプロペラ２又は３を支持している。駆動軸１を駆動する電動機を上半分だけ断面図で示す。この電動機は回転子４と固定子５からなり、回転子４は永久磁石型形の磁気活性層６を備え、円筒状支持体７上に配置されている。固定子５は多分割型の支持ハウジング８を備えている。支持ハウジング８はラジアル軸受９を経て回転子４の支持体７に連結されている。

回転子４と固定子５からなる構造ユニットは弾性ダンパ１０、１１によって、一方で駆動軸１、他方で電動機と駆動軸を収容するハウジング１２に支持されている。駆動軸１はラジアル軸受１３を経てハウジング１２内に軸支されている。

ハウジング１２は、駆動装置を船体に固定する支持筒体１４を備えている。支持筒体１４は二重壁型に構成されるか、例えば冷却空気を通流させるべく垂直方向に走る冷媒通路１６を備える。支持筒体１４は一般に船舶を制御する回転可能な軸として構成される。

固定子５の冷却、特にコイル端１５の冷却のために、例えば電動機の一端で支持筒体１４から冷却空気が支持ハウジング８と支持体７の間の空間に供給され、電動機の他端で放出される。冷却空気は電動機内で回転子４の磁気活性層６と支持体７との間を軸方向に通流する。固定子又は固定子巻線の冷却のために固定子ハウジング８は支持筒体１４から導入される冷却水を通流させる冷媒通路を備える。

図２とその要部を拡大した図３を参照するに、回転子２４と固定子２５からなる電動機は、船体の下方に支持筒体３９でゴンドラ状に懸垂され、冷却媒体が通流しやすいように構成されたハウジング３２内に配置されている。固定子２５の支持ハウジング２８は、アンギュラ転がり軸受として構成されたラジアル軸受２９を経て回転子２４の支持体２７に支持されている。この支持体２７はダンパ３０を経て駆動軸２１に弾性的に支持されている。ダンパ３０は環状フランジ１８、１９内に軸方向に固定されている。

固定子２５の支持ハウジング２８は、ダンパ３１を経てハウジング３２に支持されている。これらダンパ３１は各々ゴム材料１７からなっており、ボルト３５、３６を経て支持体２８およびハウジング３２に機械的に結合されている。回転子を支持する駆動軸２１は滑り軸受３３、３４によってハウジング３２内に軸支されている。滑り軸受３３、３４は周囲の水に対し封止装置３７、３８によって封止される。

図４は軸方向冷媒通路４０を示す。該通路４０は循環冷却される冷却水を貫流させる。冷却水は、好ましくは電動機又は発電機（上述の実施態様は発電機にも適用可能）で発生する熱を排出し、電動機又は発電機の表面温度が上昇しないようにする。

同じ目的で用いる冷媒通路４５を図５に示す。各コイル端４４は、既に述べたように空気で冷却される。この電機は進入する衝撃を受け止め、かつ同時に緩衝すべくばねダンパ４１、４２を備えている。ばねダンパ４１、４２は、特に弾性プラスチック又はゴムからなっている。適当な部品として高弾性の連結器、例えば Rexroth社の連結器「SPIROFLEX KS」を使用できる。この連結器は機械的に高負荷を課すことができ、かつ所望のダンパおよびばね特性を持っている。

固定子に設けた冷媒通路に、特に外部から通流させる方式を図６に示す。方向転換冷媒管４７を経て、冷却水が逆向き冷媒通路４８、４９を通流する。この結果、固定子表面全体にわたって一様な冷却を行い、空気冷却されるコイル端と関連して電動機又は発電機の熱が内部にこもる事態を解消させることができる。

保守作業を容易にする、回転する固定子ヨークと関連する冷却方式の構造例を図７と８に示す。ここでは符号５０で固定子冷媒通路の端部の水室を示し、符号５１で巻線への水導入部、又はその逆の水導入出部を示している。符号５５はコイル端５７用のファンを示す。コイル端５７は、通常ファン５５から供給される冷却空気のみで冷却される。しかし上述のごとく、巻線に脱イオン水を通流させてもよい。それにより固定子巻線も冷却できる。その場合の冷却は、例えば図６に示す形式に構成できる。

５３と５４は、他の冷却水導入方式の変形例による冷媒通路を示す。固定子ヨーク内に支持され、例えばウォーム軸装置５２を経て回転駆動される固定子の放熱には特に注意を払わなければならない。と言うのは、電動機ハウジングを経ての放熱は僅かしか行えないからである。滑りリング５６もまた放熱には殆ど寄与しない。要するに図７と８の構成で与えられるのは、回転電機の特に改修に便利な構造である。このことは基礎フレームへの弾性取付けに関連し、電機軸との弾性結合により、本発明による基本的考え方を用いて極めて耐衝撃性の船舶用回転電機に導くことができる。

駆動装置の要部の概略縦断面図である。 駆動装置の全体構造を示す縦断面図である。 図２の駆動装置の要部の拡大図である。 本発明による回転電機の縦断面図である。 本発明による回転電機の他の例を示す縦断面図である。 図５による周方向冷媒通流方式の冷媒通流形態を説明する図である。 固定子ヨークを冷却する回転電機の一構成例を示す縦断面図である。 固定子ヨークを冷却する回転電機の他の構成例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 駆動軸、２、３ プロペラ、４、２４ 回転子、５、２５ 固定子、６ 磁気活性層、７ 円筒状支持体、８、２８ 支持ハウジング、９、１３、２９ ラジアル軸受、１０、１１ 弾性ダンパ、１２、３２ ハウジング、１４、３９ 支持筒体、１５、４４、５７ コイル端、１６、４０、４５ 冷媒通路、１７ ゴム材料、１８、１９ 環状フランジ、２１ 駆動軸、２７ 支持体、３０、３１ ダンパ、３３、３４ 滑り軸受、３５、３６ ボルト、３７、３８ 封止装置、４２ ばねダンパ、４７ 方向転換冷媒管、４８、４９ 逆向き冷媒通路、５０ 水室、５１ 水導入出部、５２ ウォーム軸装置、５３ 周方向冷媒通路、５４ 軸方向冷媒通路、５５ ファン、５６ 滑りリング

Claims (14)

1. ハウジング内に固定子および回転子を備え、回転子が駆動軸に結合され、固定子および回転子が相対的に回転可能であって、放射方向／軸方向に制限された遊びをもってハウジング（１２）に対し可動構造ユニットを形成するように互いに結合されており、
   ハウジング（１２）が軍艦に弾性的に結合され、かつ回転子が駆動軸（１）に弾性的に支持された円筒状支持体と該支持体に取り付けられた活性部とからなり、固定子が回転子の支持体に軸支されると共に固定子自体がハウジングに弾性的に支持されており、
   大きな衝撃加速度に曝された際、前記可動構造ユニットがハウジング（１２）に対し通常の振動振幅より大きく変位可能であることを特徴とする電動機又は発電機等の耐衝撃型船舶用回転電機。
2. 回転電機のハウジング（１２、３２）が船内に弾性的に据え付けられた基礎フレームに配置され、前記駆動軸（１、２１）がプロペラ軸又は水噴射羽根車軸に弾性結合する弾性連結部を備えることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 駆動軸（１）への回転子の支持が、軸および放射方向に柔軟に、周方向にトルクを伝達し得るように強固に行われることを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。
4. ラジアル軸受が転がり軸受であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転電機。
5. 駆動軸を軸支する軸受が滑り軸受であることを特徴とする請求項１から３の１つに記載の回転電機。
6. 電動機が液冷式であることを特徴とする請求項１から５の１つに記載の回転電機。
7. 固定子が冷媒通路を経て電動機用の冷却水を導く冷却装置を備えることを特徴とする請求項６記載の回転電機。
8. 冷媒通路が放射方向冷媒通路として構成されたことを特徴とする請求項７記載の回転電機。
9. 冷媒通路が周方向冷媒通路として構成されたことを特徴とする請求項７記載の回転電機。
10. 冷媒通路が軸方向冷媒通路として構成されたことを特徴とする請求項７記載の回転電機。
11. 冷媒通路が分配器として作用する少なくとも１つの水室に接続されたことを特徴とする請求項７記載の回転電機。
12. 固定子が冷却空気を吹き付けられるコイル端を有する巻線を備えることを特徴とする請求項１から１１の１つに記載の回転電機。
13. 電動機が永久磁石励磁型電動機として構成されたことを特徴とする請求項１から１２の１つに記載の回転電機。
14. 固定子がハウジング内に滑りリングを経て回転自在に構成されたことを特徴とする請求項１３記載の回転電機。

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