JP4864492B2 - Rotating machine cooling structure - Google Patents
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Description
本発明は、高速回転する回転機の冷却構造に関する。 The present invention relates to a cooling structure for a rotating machine that rotates at a high speed.
従来、比較的低速回転の回転機においては、回転子に穴または溝等の通気スロットが設けられ、固定子コアが回転子の回転軸の軸方向に分割されたものがある。この場合、回転子の通気スロットを介して軸方向に冷却ガスを供給し、回転子から固定子コアの分割された隙間へ冷却ガスを流すことにより、回転子及び固定子を冷却するように構成されている。しかし、高速回転の回転機では、回転子の剛性確保や遠心力による付属品の飛散防止などの観点から、上記のような通気スロットを有する回転子を採用することが困難であるため、表面が滑らかな回転子が採用され、上記のような冷却構造は適用できない。また、高速回転を行う回転機では、鉄損による回転子及び固定子の発熱が大きいため、冷却効率の高い冷却構造が求められる。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a relatively low-speed rotating machine, there is a rotating machine in which a rotor is provided with a ventilation slot such as a hole or a groove, and a stator core is divided in the axial direction of the rotating shaft of the rotor. In this case, the rotor and the stator are cooled by supplying the cooling gas in the axial direction via the ventilation slots of the rotor and flowing the cooling gas from the rotor to the divided gaps of the stator core. Has been. However, in a high-speed rotating machine, it is difficult to employ a rotor having a ventilation slot as described above from the viewpoint of ensuring rigidity of the rotor and preventing scattering of accessories due to centrifugal force. A smooth rotor is employed, and the cooling structure as described above cannot be applied. Further, in a rotating machine that performs high-speed rotation, the rotor and the stator generate a large amount of heat due to iron loss, so a cooling structure with high cooling efficiency is required.
従来の高速回転を行う回転機の冷却構造の一例を、図5(a)、(b)、(c)にそれぞれ示す。図5(a)、(b)、(c)では、冷却ガスの流れる方向を矢印で示している。 Examples of conventional cooling structures for rotating machines that perform high-speed rotation are shown in FIGS. 5 (a), 5 (b), and 5 (c), respectively. In FIGS. 5A, 5B, and 5C, the direction in which the cooling gas flows is indicated by arrows.
図5(a)に示す例では、回転子51と固定子コア52との間隙へ一端側から冷却ガスを流入させ、回転子51の軸方向に冷却ガスを流して他端側から流出させるようにしている。図5(b)に示す例では、固定子コア52を2分割してその間隙へ冷却ガスを流入させ、回転子51の表面に達した冷却ガスが分岐されて回転子51の表面を回転子51の両端へ向かって流れるようにしている。図5(c)に示す例では、固定子コア52を4つに分割してその中央の間隙から回転子51の表面へ冷却ガスを流入させるとともに、回転子51と固定子コア52との間隙へそれらの両端から回転子51の軸方向に冷却ガスを流入させ、固定子コア52が分割されている両側の間隙から冷却ガスを流出させるようにしている。
In the example shown in FIG. 5A, the cooling gas is introduced into the gap between the
また、特許文献1には、タービン発電機の固定子鉄心を冷却する構成が開示されている。この構成では、固定子の外側から内側方向へ冷却ガスが流れる第1の通風路群と、固定子の内側から外側方向へ冷却ガスが流れる第2の通風路群とが、周方向に交互に配置され、第1の通風路群を通過して固定子と回転子との間隙に至った冷却ガスは、その第1の通風路群の両側に隣接する第2の通風路群を通過して固定子の外周側へ流れるように構成されるとともに、第1の通風路群を通過する間に温度上昇した冷却ガスの温度を下げるために、固定子と回転子との端部の間隙から軸方向へ冷却ガスを供給するように構成されている。
一般的に、高速回転の回転機では、回転子と固定子との間隙が回転機の効率を高めるために非常に狭くなっており、図5(a)、(b)、(c)に示されるように、回転子の軸方向に冷却ガスを流す場合には、流路の圧損が大きく、冷却に必要な冷却ガスの流量を得るのが容易ではなく、高い冷却効率が得られない。さらにこの場合、回転子の回転による風損が大きくなり、回転子の軸方向に冷却ガスが流れる間に、風損によって冷却ガスが加熱されて、冷却ガスの温度が上昇し、冷却効率が低下するという問題がある。 In general, in a high-speed rotating machine, the gap between the rotor and the stator is very narrow in order to increase the efficiency of the rotating machine, as shown in FIGS. 5 (a), (b), and (c). As described above, when the cooling gas flows in the axial direction of the rotor, the pressure loss of the flow path is large, and it is not easy to obtain the flow rate of the cooling gas necessary for cooling, and high cooling efficiency cannot be obtained. Further, in this case, the windage loss due to the rotation of the rotor increases, and the cooling gas is heated by the windage loss while the cooling gas flows in the axial direction of the rotor, the temperature of the cooling gas rises, and the cooling efficiency decreases. There is a problem of doing.
また、特許文献1に開示された構成を、高速回転を行う回転機に適用した場合には、固定子と回転子との間隙にも軸方向へ冷却ガスを供給するため、前述のように、流路の圧損が大きくなる。さらに、第1の通風路群を通過して固定子と回転子との間隙に至った冷却ガスは、回転子の回転方向とは逆方向に隣接している第2の通風路群へも流入することになるため、回転子の回転による風損が大きくなる。したがって、この場合でも冷却効率が低下するという問題が発生する。
In addition, when the configuration disclosed in
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、風損等を低減して回転子及び固定子コアの冷却効率を向上することができる回転機の冷却構造を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a cooling structure for a rotating machine that can reduce windage loss and improve the cooling efficiency of a rotor and a stator core. It is aimed.
上記課題を解決するために、本発明の回転機の冷却構造は、筒状の固定子コアの内周面と、前記固定子コアの内側に配設された略円柱形の回転子の側面との間に第1の間隙を有し、前記固定子コアが前記回転子の回転軸方向に複数の分割片に分割され、複数の前記分割片の間に第2の間隙を有し、各々の前記第2の間隙に、前記第2の間隙を周方向に区分するための複数の第1の仕切り部材を径方向に延びるように設けることにより、前記区分された各々の空間からなる、前記筒状の固定子コアの外周面側から内周面側の方向へ第1の冷却ガスを流すためのガス流入路と、前記筒状の固定子コアの内周面側から外周面側の方向へ前記第1の冷却ガスを流すためのガス流出路とが交互に配設され、 前記ガス流入路から前記第1の間隙へ流入する前記第1の冷却ガスの実質的に全部が、その粘性により前記回転子の回転に伴って前記回転子の周囲を前記回転子の回転方向と同方向へ流れて、前記ガス流入路と隣接する前記ガス流出路へ流出する程度に、前記第1の間隙が狭く且つ前記回転子が高い回転速度で回転可能なように構成されている。 In order to solve the above-described problems, a cooling structure for a rotating machine according to the present invention includes an inner peripheral surface of a cylindrical stator core, and a side surface of a substantially cylindrical rotor disposed inside the stator core. The stator core is divided into a plurality of divided pieces in the direction of the rotation axis of the rotor, and a second gap is provided between the plurality of divided pieces. The cylinder comprising each of the divided spaces by providing a plurality of first partition members for dividing the second gap in the circumferential direction in the second gap so as to extend in the radial direction. Gas inflow passage for flowing the first cooling gas from the outer peripheral surface side to the inner peripheral surface side of the cylindrical stator core, and from the inner peripheral surface side to the outer peripheral surface side of the cylindrical stator core Gas outflow paths for flowing the first cooling gas are alternately arranged, and flow into the first gap from the gas inflow path Substantially all of the first cooling gas flows around the rotor in the same direction as the rotation direction of the rotor as the rotor rotates due to its viscosity , and is adjacent to the gas inflow path. The first gap is narrow and the rotor can rotate at a high rotational speed to the extent that it flows into the gas outflow passage.
この構成によれば、複数に分割された固定子コアの各々の間隙に、第1の仕切り部材を設けてガス流入路及びガス流出路を交互に形成し、固定子コアの外周面側からガス流入路へ流入した第1の冷却ガスは、ガス流入路から固定子コアと回転子との間隙へ流入し、回転子の周囲をその回転方向と同方向へ流れて隣接するガス流出路を介して固定子コアの外周面側へ流出する。このように、固定子コアと回転子との間隙へ流入した第1の冷却ガスが回転子の周囲をその回転方向と同方向へ流れることにより回転子による風損を小さくできるとともに、流入したガス流入路と隣接するガス流出路から流出するため回転子の周囲を流れる距離を短くして流路の圧損も小さくできる。これにより、冷却ガスの温度上昇を抑えることができ、回転子及び固定子コアの冷却効率を向上することができる。 According to this configuration, the first partition member is provided in the gap between the plurality of divided stator cores to alternately form the gas inflow passages and the gas outflow passages, and the gas flows from the outer peripheral surface side of the stator core. The first cooling gas that has flowed into the inflow path flows into the gap between the stator core and the rotor from the gas inflow path, flows around the rotor in the same direction as the rotation direction, and passes through the adjacent gas outflow path. Out to the outer peripheral surface side of the stator core. As described above, the first cooling gas flowing into the gap between the stator core and the rotor flows in the same direction as the rotation direction around the rotor, so that the windage loss due to the rotor can be reduced and the inflowing gas Since the gas flows out from the gas outflow path adjacent to the inflow path, the distance flowing around the rotor can be shortened to reduce the pressure loss of the flow path. Thereby, the temperature rise of cooling gas can be suppressed and the cooling efficiency of a rotor and a stator core can be improved.
また、前記筒状の固定子コアの内周面に、固定子コイルが埋設され前記回転軸方向に延びるスロットが前記内周面の周方向に並んで複数設けられており、前記スロットに埋設された前記固定子コイルが前記固定子コアの前記回転軸方向の両端からはみ出したコイルエンドの各々に対し第2の冷却ガスを供給して排出するガス流路が設けられた構成としてもよい。 A stator coil is embedded in the inner peripheral surface of the cylindrical stator core, and a plurality of slots extending in the rotation axis direction are provided side by side in the circumferential direction of the inner peripheral surface, and embedded in the slot. The stator coil may have a gas flow path for supplying and discharging a second cooling gas to each of coil ends protruding from both ends of the stator core in the rotation axis direction.
この構成によれば、コイルエンドと、回転子及び固定子コアとをそれぞれ独立して冷却できるため、回転機全体としての冷却効率を向上することができる。 According to this configuration, since the coil end, the rotor, and the stator core can be cooled independently, the cooling efficiency of the entire rotating machine can be improved.
また、前記筒状の固定子コアの内周面に、固定子コイルが埋設され前記回転軸方向に延びるスロットが前記内周面の周方向に並んで複数設けられており、前記スロット内の前記固定子コイルの表面が、各々の前記スロットの間の前記固定子コアの内周面よりも後退した位置に位置するように構成されてあってもよい。 In addition, a plurality of slots are provided in the inner peripheral surface of the cylindrical stator core, in which a stator coil is embedded and extending in the rotation axis direction, and are arranged in the circumferential direction of the inner peripheral surface. The surface of the stator coil may be configured to be located at a position retracted from the inner peripheral surface of the stator core between the slots.
この構成によれば、ガス流入路から流入した冷却ガスが回転子表面において回転軸方向に広がりやすくなり、回転子表面を一様に冷却することが可能になる。 According to this configuration, the cooling gas flowing in from the gas inflow path is likely to spread in the direction of the rotation axis on the rotor surface, and the rotor surface can be uniformly cooled.
また、前記固定子コアの外周面と第3の間隙を有して前記外周面を覆うように配設された筒状の外囲部材と、前記固定子コアの外周面と前記外囲部材との間に前記回転子の回転軸と略平行に所定の間隔で延びるように配設された複数の第2の仕切り部材と、前記固定子コアの前記回転軸方向の両端の外周部と前記外囲部材との間を塞ぐように配設された端部材とによって、前記第3の間隙が前記固定子コアの外周面の周方向に並ぶ複数の空間に区画され、前記第1の仕切り部材は、各々の前記ガス流入路及び各々の前記ガス流出路がそれぞれの前記空間と連通するように配置され、各々の前記ガス流入路に連通する各々の前記空間である分配空間へ前記第1の冷却ガスを供給するためのガス供給路と、各々の前記ガス流出路に連通する各々の前記空間である集合空間から前記第1の冷却ガスを排出するためのガス排出路とが、前記外囲部材の内部に設けられた構成としてもよい。 A cylindrical outer member disposed to cover the outer peripheral surface with a third gap from the outer peripheral surface of the stator core; and an outer peripheral surface of the stator core and the outer member; A plurality of second partition members disposed so as to extend at a predetermined interval substantially parallel to the rotation axis of the rotor, and outer peripheral portions at both ends in the rotation axis direction of the stator core and the outer The third gap is partitioned into a plurality of spaces arranged in the circumferential direction of the outer peripheral surface of the stator core by an end member disposed so as to close the space between the surrounding member, and the first partition member is Each of the gas inflow passages and each of the gas outflow passages are arranged so as to communicate with the respective spaces, and the first cooling to the distribution spaces which are the respective spaces communicating with the respective gas inflow passages. A gas supply path for supplying gas and each of the gas outflow paths communicating with the gas supply path; From the set space is serial space and the gas discharge path for discharging the first cooling gas may be configured provided inside of the outer surrounding member.
この構成によれば、外囲部材に第1の冷却ガスのガス供給路及びガス排出路が内蔵されることにより、外部からガス流入路及びガス流出路に対し第1の冷却ガスを供給及び排出するための構成が容易になる。 According to this configuration, the first cooling gas is supplied and discharged from the outside to the gas inflow path and the gas outflow path by incorporating the gas supply path and the gas discharge path of the first cooling gas in the surrounding member. The structure for doing this becomes easy.
また、前記ガス供給路は、各々の前記分配空間と連通し前記外囲部材の内部に設けられた第1の空洞部と、前記第1の空洞部と連通し外部から前記第1の冷却ガスを供給するための第1のガス供給口とによって構成され、前記ガス排出路は、各々の前記集合空間と連通し前記外囲部材の内部に設けられた第2の空洞部と、前記第2の空洞部と連通し外部へ前記第1の冷却ガスを排出するための第1のガス排出口とによって構成されてあってもよい。 The gas supply path communicates with each of the distribution spaces, and includes a first cavity portion provided in the surrounding member, communicates with the first cavity portion, and the first cooling gas from the outside. A first gas supply port for supplying gas, and the gas discharge path communicates with each of the collective spaces, and is provided with a second cavity portion provided in the outer member, and the second And a first gas discharge port for discharging the first cooling gas to the outside.
この構成によれば、回転機に対し、第1の冷却ガスを供給するためのガス配管を第1のガス供給口に接続し、第1の冷却ガスを排出するためのガス配管を第1のガス排出口に接続すればよく、外部のガス配管との接続が容易になる。 According to this configuration, the gas pipe for supplying the first cooling gas to the rotating machine is connected to the first gas supply port, and the gas pipe for discharging the first cooling gas is the first gas pipe. What is necessary is just to connect to a gas exhaust port, and the connection with external gas piping becomes easy.
また、前記筒状の固定子コアの内周面に、固定子コイルが埋設され前記回転軸方向に延びるスロットが前記内周面の周方向に並んで複数設けられており、前記スロットに埋設された前記固定子コイルが前記固定子コアの前記回転軸方向の両端からはみ出した第1及び第2のコイルエンドを有し、前記外囲部材は、前記第1及び第2のコイルエンドの各々を収納する第1及び第2のコイルエンド収納部を有するハウジングであり、前記ハウジングの前記第1及び第2のコイルエンド収納部の各々に、第2の冷却ガスを供給するための第2のガス供給口と前記第2の冷却ガスを排出するための第2のガス排出口とが設けられた構成としてもよい。 A stator coil is embedded in the inner peripheral surface of the cylindrical stator core, and a plurality of slots extending in the rotation axis direction are provided side by side in the circumferential direction of the inner peripheral surface, and embedded in the slot. The stator coil has first and second coil ends that protrude from both ends of the stator core in the rotation axis direction, and the surrounding member includes the first and second coil ends. A housing having first and second coil end storage portions to be stored, and a second gas for supplying a second cooling gas to each of the first and second coil end storage portions of the housing A supply port and a second gas discharge port for discharging the second cooling gas may be provided.
この構成によれば、コイルエンドと、回転子及び固定子コアとをそれぞれ独立して冷却できるため、回転機全体としての冷却効率を向上することができる。さらに、第1の冷却ガスのガス供給路及びガス排出路が内蔵される外囲部材を含むハウジングに、コイルエンドへ供給する第2の冷却ガスのガス供給口及びガス排出口が設けられているため、外部から第1の冷却ガス及び第2の冷却ガスを供給及び排出するための構成が容易になる。また、ハウジングに第1の冷却ガスのガス供給路及びガス排出路が内蔵された構成であるため、ハウジングを含めた回転機の大型化を抑制し、小型化が可能になる。 According to this configuration, since the coil end, the rotor, and the stator core can be cooled independently, the cooling efficiency of the entire rotating machine can be improved. Furthermore, a gas supply port and a gas discharge port for the second cooling gas supplied to the coil end are provided in the housing including the surrounding member in which the gas supply channel and the gas discharge channel for the first cooling gas are built. Therefore, the configuration for supplying and discharging the first cooling gas and the second cooling gas from the outside becomes easy. In addition, since the first cooling gas supply path and the gas discharge path are built in the housing, the rotating machine including the housing can be prevented from being enlarged and downsized.
また、前記第1の間隙が1〜2mmであり、且つ前記回転子が毎分10000回転以上の回転速度で回転可能なように構成されてもよい。このような高速回転を行う回転機において、本発明の効果はより顕著になる。 Also, the first gap is 1 to 2 mm, may be constructed and so that the rotor can rotate per minute 10,000 rpm or more rotational speed. In the rotating machine that performs such high-speed rotation, the effect of the present invention becomes more remarkable.
本発明は、以上に説明した構成を有し、風損等を低減して回転子及び固定子コアの冷却効率を向上することができる回転機の冷却構造を提供することができるという効果を奏する。 The present invention has the configuration described above, and has an effect of providing a cooling structure for a rotating machine that can reduce windage loss and the like and improve the cooling efficiency of the rotor and the stator core. .
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施の形態の回転機の構成を示す断面図である。また、図2(a)は図1におけるA−A断面図であり、図2(b)は図1におけるB−B断面図である。図3は、図2(a)の一部拡大図である。図4は、同回転機の外部の冷却ガスの配管系統を示す模式図である。なお、図1〜図4において、符号を付していない矢印は冷却ガスの流れる方向を示す。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a rotating machine according to an embodiment of the present invention. 2A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. FIG. 4 is a schematic diagram showing a cooling gas piping system outside the rotating machine. In FIGS. 1 to 4, arrows without reference numerals indicate the direction in which the cooling gas flows.
本実施の形態の回転機は、10000rpm(回転/分)以上の高速回転を行う電動機であり、図1に示すように、側面が滑らかな円柱形の回転子1が筒状の固定子コア5の内側に配置されている。回転子1と固定子コア5の歯部5a(図3)との間隙は、1〜2mm程度である。また、固定子コア5の歯部5aの先端部分は、図3に示すように、周方向に拡がっているが、この拡がり部分は、図2(a)、(b)では作図を簡略化し、示されていない。
The rotating machine of the present embodiment is an electric motor that rotates at a high speed of 10,000 rpm (rotation / min) or more, and as shown in FIG. 1, a
回転子1は、表面に永久磁石を接着し、さらにその表面を炭素繊維強化樹脂(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)で覆って構成されており、回転子1の表面(円柱形の側面)は溝等がなく、滑らかになっている。回転子1のシャフトはその両側が軸受3,4によって支持されている。
The
固定子は、固定子コア5及び固定子コイル6で構成される。固定子コア5は、回転子1の回転軸の方向(以下、「軸方向」という)に複数(本実施の形態では6つ)の分割片に分割されており、分割片の間にスリット8を有する。固定子コア5は、薄い鉄板を重ね合わせたもので、その内周面側には軸方向に延びる多くのスロット9(図2(a)、(b))が設けられて、そのスロット9内に固定子コイル6が入れられている。ここで、スロット9内の固定子コイル6の占積率を減らして、スロット9内の固定子コイル6の表面を、各スロット9の間の固定子コア5の内周面(歯部5aの表面)よりも後退させた構成にしている。すなわち、固定子コア5の歯部5aと回転子1との間の間隙(1〜2mm程度)よりも、スロット9内の固定子コイル6と回転子1との間の間隙(3〜4mm程度)の方が大きいように構成されている。また、固定子コア5の各々の分割片の間(各スリット8)には、スリット8の全幅に渡り、かつ固定子コア5の径方向に延びるように(放射状に)スペース部材10を設けているので、各スリット8の幅を一定に保つことが可能である。このように、スペース部材10は、その厚みがスリット8の幅(固定子コア5の分割片の間の距離)に等しく、かつ放射状に設けられている。
The stator includes a
回転子1及び固定子はハウジング7内に収納され、ハウジング7には、冷却ガスの3つの供給口11,12,13と、3つの排出口14(図2(b)),15,16とが設けられている。また、ハウジング7の内部には、供給口11と繋がるガス供給用マニホールド17と、排出口14と繋がるガス排出用マニホールド18とが設けられている。また、固定子コア5の両端にはそれぞれリング状の端板(端部材)19,20が設けられ、各端板19,20によって、固定子コア5の外周面とハウジング7との間の空間は、コイルエンド6a、6b側の空間(コイルエンド収納室26,27)と分離されている。
The
また、図2(a)、(b)に示すように、固定子コア5の外周面とハウジング7との間に回転子1の回転軸と略平行に延びてかつ所定の間隔をもって8本の仕切り部材(第2の仕切り部材)21が配設されている。各仕切り部材21の回転軸と略平行に延びた両端は前述の端板19,20と接しており、8本の仕切り部材21と前述の端板19,20とによって、固定子コア5の外周面とハウジング7との間の空間が8つの空間に仕切られている。この8つの空間によって、固定子コア5の外周面の周方向に並び、交互に配置されたガス供給分配路22とガス排出集合路23とがそれぞれ4つ構成されている。ハウジング7の内側には、その内部のガス供給用マニホールド17を各ガス供給分配路22と連通させるための穴24が設けられ、これにより1つの供給口11と4つのガス供給分配路22とが連通している。同様に、ハウジング7の内側には、その内部のガス排出用マニホールド18を各ガス排出集合路23と連通させるための穴25が設けられ、これにより1つの排出口14と4つのガス排出集合路23とが連通している。
Further, as shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), the eight cores extend substantially in parallel with the rotation axis of the
また、各仕切り部材21と接しているスペース部材10(図3では、10a、10b、10cに該当)は、スリット8内を通過する冷却ガスのガス流入路とガス流出路とを分離するための仕切り部材(第1の仕切り部材)としての機能を兼ねる。すなわち、各スリット8において、各々のガス供給分配路22の両側の仕切り部材21と接している両側のスペース部材10の間の間隙は、ガス供給分配路22から回転子1表面へ冷却ガスを流すガス流入路となり、各々のガス排出集合路23の両側の仕切り部材21と接している両側のスペース部材10の間の間隙は、回転子1表面からガス排出集合路23へ冷却ガスを流すガス流出路となる。
Further, the space member 10 (corresponding to 10a, 10b, 10c in FIG. 3) in contact with each
各スペース部材10の幅t(図3)は、歯部5aの部分で、ガス流入路及びガス流出路の冷却ガスの流れを妨げないように(冷却ガスが流れやすいように)設定されている。また、仕切り部材21と接していないスペース部材10は、固定子コア5の外周側の端部よりも内側から歯部5aの中ほどに至る範囲に設けられているが、仕切り部材21と接しているスペース部材10は、仕切り部材として確実に機能させるために固定子コア5の外周側の端部から歯部5aの先端に至る範囲に設けられている。
The width t (FIG. 3) of each
なお、各スリット8において、仕切り部材として機能するスペース部材10は、本実施の形態のように各仕切り部材21に対して少なくとも1つ設けられてあればよい。また、本実施の形態では、各スリット8において、各スロット9の間の固定子コア5の各歯部5aに対応してスペース部材10が配置されているが、各スリット8の幅を一定に保つことができれば、仕切り部材として機能するスペース部材10以外のスペース部材10は必ずしも全て設ける必要はない。要するに、仕切り部材として機能するスペース部材10によってスリット8内に前述のガス流入路とガス流出路とが分離して構成されればよく、全てのスペース部材10については、それらによって各スリット8の幅を一定に保つことができればよい。例えば仕切り部材以外のスペース部材10を複数(例えば2つ等)の歯部5aごとに1つ設けるようにしてもよいし、他の手段によってスリット8の幅を一定に保つことができれば仕切り部材以外のスペース部材10は無くてもよい。
In each
上記のように構成された回転機の製作方法については、例えば、各スリット8にスペース部材10が設けられている固定子コア5の外周面に、軸方向に長い8本の仕切り部材21を溶接等によって取り付け、さらに、仕切り部材21を取り付けた固定子コア5の両端にリング状の端板19,20を溶接等によって取り付ける。さらに固定子コイル6を巻いて固定子部とする。また、鋳造などの技法を用いて、3つの供給口11,12,13及び3つの排出口14,15,16と、2つのマニホールド17、18と、マニホールド17に繋がる内側の4つの穴24と、マニホールド18に繋がる内側の4つの穴25とを有する円筒形のハウジング本体を製作しておく。この円筒形のハウジング本体に後で両側の蓋部分が取り付けられてハウジング7となる。そして、前述の固定子部を、円筒形のハウジング本体に嵌め込む。これにより、固定子コア5の外周面とハウジング本体の内周面との間に、各仕切り部材21及び端板19,20で仕切られたガス供給分配路22及びガス排出集合路23が形成される。この後で、ハウジング本体に両側の蓋部分をボルト等によって取り付ける。
As for the method of manufacturing the rotating machine configured as described above, for example, eight
次に、本実施の形態の回転機の内部の冷却ガスの流れについて説明する。なお、回転子1は矢印R(図2(a)、(b))の方向へ回転しているものとする。冷却ガスには、例えば空気を用いればよい。
Next, the flow of the cooling gas inside the rotating machine according to the present embodiment will be described. The
(回転子及び固定子内部冷却流路)
まず、供給口11から流入する冷却ガス(第1の冷却ガス)は、ガス供給用マニホールド17を通り、各々の穴24から各ガス供給分配路22へ供給され、各スリット8へ流入する。図3に示すように、例えば、ある1つのガス供給分配路22から各スリット8へ流入した冷却ガスは、仕切り部材であるスペース部材10aと10bの間(ガス流入路)を通過して回転子1の表面に達する。そして、回転子1と固定子との間隙を、回転子1の回転により回転子1の回転方向(矢印R)と同じ方向へ流れて、回転子1の表面から仕切り部材であるスペース部材10aと10cの間(ガス流出路)を通過して、上記のガス供給分配路22と隣接するガス排出集合路23へ流出する。このようにして、各スリット8から流出される冷却ガスは、各ガス排出集合路23を通り、各々の穴25からガス排出用マニホールド18へ流入し、排出口14から排出される。本実施の形態では、回転子1と固定子コア5(歯部5a)との間隙を1〜2mm程度とし、10000rpm以上の高速回転を行うこと等により、回転子1の回転により回転子1と固定子との間隙に発生する回転方向のガス流速が各スリット8から流入する冷却ガス流速に比べて十分に速いため、各スリット8から回転子1と固定子との間隙へ流入した冷却ガスは、回転子1の回転方向とは逆方向に流れることなく、ほとんど全て回転子1の回転方向と同じ方向へ流れる。
(Internal cooling passage for rotor and stator)
First, the cooling gas (first cooling gas) flowing in from the
(コイルエンド冷却流路)
次に、供給口12から流入する冷却ガス(第2の冷却ガス)は、コイルエンド収納室26へ流入してコイルエンド6aを冷却し、排出口15から排出される。同様に、供給口13から流入する冷却ガス(第2の冷却ガス)は、コイルエンド収納室27へ流入してコイルエンド6bを冷却し、排出口16から排出される。
(Coil end cooling flow path)
Next, the cooling gas (second cooling gas) flowing in from the
固定子コア5の回転軸方向の両端の外周部とハウジング7との間を塞ぐように端板19,20が設けられているため、供給口12、13からコイルエンド収納室26、27へ供給された冷却ガスが、ガス供給分配路22及びガス排出集合路23へ流入することがなく、また、ガス供給分配路22及びガス排出集合路23の冷却ガスがコイルエンド収納室26、27へ流入することもない。このように、回転子1及び固定子内部を冷却する冷却ガス流路と、各コイルエンド6a、6bを冷却する冷却ガス流路とが独立して設けられている。
Since the
なお、ガス供給用及びガス排出用マニホールド17,18はそれぞれ終端がないリング状に形成されているが、必ずしもリング状に形成されていなくてもよい。ガス供給用マニホールド17の場合には、供給口11と各々のガス供給分配路22とが連結されてあればよい。例えば、供給口11の周方向の位置を、図2(b)に示された排出口14の位置(図2(a)のXで示される位置)までずらし、そのずらした位置の供給口11に対し、回転軸(回転子1)を挟んで反対側の部分(図2(a)のYで示される部分)でマニホールド17が分断されていてもよい。同様にして、ガス排出用マニホールド18の場合も、排出口14と各々のガス排出集合路23とが連結されてあればよく、途中で分断されていてもよい。
The gas supply and
本実施の形態では、各々のガス供給分配路22から各スリット8へ流入した冷却ガスは、回転子1の表面に達した後、回転子1と固定子との間隙を、回転子1の回転方向(矢印R)と同じ方向へ流れて、回転子1の表面からスリット8を介して上記ガス供給分配路22と隣接するガス排出集合路23へ流出する。したがって、回転子1の表面に供給された冷却ガスは、回転子1と固定子との間隙を回転子1の回転方向へ流れ、かつ比較的短距離で通過してスリット8へ流出するので、流路の圧損を小さくできるとともに、回転子1の回転による風損を小さくできるため、冷却ガスの温度上昇を小さく抑え、回転子1の冷却効率を向上することができる。
In the present embodiment, the cooling gas flowing into each
また、スロット9内の固定子コイル6の占積率を減らして、スロット9内の固定子コイル6の表面を、スロットが設けられていない固定子コア5の内周面(歯部5aの表面)よりも後退させていることにより、スリット8へ供給された冷却ガスが回転子1の表面において回転軸方向に広がりやすくなり、回転子1の表面を一様に冷却することが可能になる。
Further, the space factor of the
また、固定子コア5が分割されているスリット8の数、及びスリット8とスリット8と間の間隔を調整することにより、回転子1の表面をさらに一様に冷却することができる。
Moreover, the surface of the
また、冷却ガスがスリット8を通過する際に、固定子コア5及びスロット9内の固定子コイル6からも熱を奪うため、固定子内部を一様に冷却することができる。
Further, when the cooling gas passes through the
また、本実施の形態では、固定子コア5の周囲に交互に配設されるガス供給分配路22及びガス排出集合路23を4つずつ設けた構成としたが、それぞれ少なくとも1つずつは必要であり、スリット8のガス流入路から回転子1の表面に流入した冷却ガスを、回転子1と固定子との間隙を短距離で通過させてスリット8のガス流出路へ流出させ、流路の圧損を小さくするためには、それぞれ複数配設されている方が好ましい。
In this embodiment, four gas supply /
また、回転子1及び固定子内部を冷却する冷却ガス流路と独立して、各コイルエンド6a、6bを冷却する冷却ガス流路を設けることにより、コイルエンド6a、6bにフレッシュな冷却ガスを大量に供給して冷却を行うことができ、回転機全体を効率よく冷却することができる。
In addition, by providing a cooling gas flow path for cooling the coil ends 6a and 6b independently of the cooling gas flow path for cooling the
また、固定子コア5に複数の仕切り部材21及び端板19,20を取り付け、固定子コア5とハウジング7との間に、複数のガス供給分配路22及び複数のガス排出集合路23を構成し、ハウジング7内部に、複数のガス供給分配路22と1つの供給口11とを連結するガス供給用マニホールド17と、複数のガス排出集合路23と1つの排出口14とを連結するガス排出用マニホールド18とを設けた構成とすることにより、冷却ガス流路を含む回転機のハウジング7を小型化することが可能になる。すなわち、回転機の小型化が図れる。また、上記構成により、外部の冷却ガスの配管との接続も容易になる。
A plurality of
図4は、本実施の形態の回転機の外部の冷却ガスの配管系統の一例を示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing an example of a cooling gas piping system outside the rotating machine of the present embodiment.
ハウジング7の供給口11,12,13及び排出口14,15,16には、例えば、図4に示すように、冷却ガスの配管が接続されている。この図4は、供給口11,12,13及び排出口14,15,16の正確な位置を示すものではなく、それに接続される配管系統を模式的に示したものである。
For example, as shown in FIG. 4, a cooling gas pipe is connected to the
回転子及び固定子内部冷却系(以下、「回転子冷却系」という)では、供給口11には吸気ダクトに連結された配管31が接続され、排出口14には、バルブ33、流量計34及び冷却ファン35が設けられて排気ダクトに接続された配管32が接続されている。この構成の場合、ファン35が排気ポンプとして働き、冷却ガス(空気)の流量調整は、バルブ33の調整及び/又はファン35の回転数の調整によって行う。配管31から流入した冷却ガスは、供給口11からハウジング7内部へ供給され、排出口14から配管32を流れて外部へ排出される。
In the rotor and stator internal cooling system (hereinafter referred to as “rotor cooling system”), a
コイルエンド冷却系では、吸気ダクトに連結され冷却ファン39が設けられた配管36が2本の配管37,38に分岐され、それぞれの配管37,38はバルブ40,42及び流量計41,43が設けられて、それぞれの供給口12,13に接続されている。また、排出口15,16は、それぞれ排気ダクトに接続された配管44,45が接続されている。この構成の場合、ファン39が吸気ポンプとして働き、冷却ガス(空気)の流量調整は、バルブ40,42の調整及び/又はファン39の回転数の調整によって行う。配管36から流入した冷却ガスは、2本の配管37,38に分岐してそれぞれの供給口12,13からハウジング7内部へ供給され、それぞれ排出口15,16から配管44,45を流れて外部へ排出される。
In the coil end cooling system, a
この図4の例では、回転子冷却系を、排気ポンプを用いた構成としたが、コイルエンド冷却系のように、吸気ポンプを用いた構成としてもよい。また、コイルエンド冷却系を、回転子冷却系のように排気ポンプを用いた構成としてもよい。ただし、吸気ポンプを用いた構成の場合、吸気ポンプとして働くファンの発熱により回転機へ供給される冷却ガスの温度が少し上昇するので、特に、回転機内の冷却ガスの流路が複雑である回転子冷却系では、図4のように排気ポンプを用いた構成とした方が好ましい。 In the example of FIG. 4, the rotor cooling system is configured using an exhaust pump, but may be configured using an intake pump, such as a coil end cooling system. Further, the coil end cooling system may be configured to use an exhaust pump as in the rotor cooling system. However, in the case of a configuration using an intake pump, the temperature of the cooling gas supplied to the rotating machine slightly rises due to the heat generated by the fan acting as the intake pump, so that the rotation of the cooling gas in the rotating machine is particularly complicated. In the child cooling system, it is preferable to use an exhaust pump as shown in FIG.
上記に述べた本実施の形態では、回転子1が10000rpm以上の高速回転を行う構成であり、その上限値(最高回転速度)については理論上は無限大であるが、現実的には回転子の共振周波数の影響(ロータダイナミクス)や、遠心力による回転子表面に接着した永久磁石の剥離、破損防止の面より制限される。
In the present embodiment described above, the
なお、本実施の形態では、回転機として電動機を用いてその冷却構造を説明したが、発電機の場合も同様にしてその冷却構造を適用することができる。 In the present embodiment, the cooling structure is described using an electric motor as a rotating machine. However, the cooling structure can be similarly applied to a generator.
本発明に係る回転機の冷却構造は、高速回転を行う回転機の冷却構造として有用である。 The cooling structure for a rotating machine according to the present invention is useful as a cooling structure for a rotating machine that performs high-speed rotation.
1 回転子
3,4 軸受
5 固定子コア
6 固定子コイル
6a,6b コイルエンド
7 ハウジング
8 スリット
9 スロット
10 スペース部材
11,12,13 供給口
14,15,16 排出口
17 ガス供給用マニホールド
18 ガス排出用マニホールド
19,20 端板
21 仕切り部材
22 ガス供給分配路
23 ガス排出集合路
24,25 穴
26,27 コイルエンド収納室
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記固定子コアが前記回転子の回転軸方向に複数の分割片に分割され、複数の前記分割片の間に第2の間隙を有し、
各々の前記第2の間隙に、前記第2の間隙を周方向に区分するための複数の第1の仕切り部材を径方向に延びるように設けることにより、前記区分された各々の空間からなる、前記筒状の固定子コアの外周面側から内周面側の方向へ第1の冷却ガスを流すためのガス流入路と、前記筒状の固定子コアの内周面側から外周面側の方向へ前記第1の冷却ガスを流すためのガス流出路とが交互に配設され、
前記ガス流入路から前記第1の間隙へ流入する前記第1の冷却ガスの実質的に全部が、その粘性により前記回転子の回転に伴って前記回転子の周囲を前記回転子の回転方向と同方向へ流れて、前記ガス流入路と隣接する前記ガス流出路へ流出する程度に、前記第1の間隙が狭く且つ前記回転子が高い回転速度で回転可能なように構成された回転機の冷却構造。 A first gap is provided between the inner peripheral surface of the cylindrical stator core and the side surface of the substantially cylindrical rotor disposed inside the stator core;
The stator core is divided into a plurality of divided pieces in the direction of the rotation axis of the rotor, and has a second gap between the plurality of divided pieces;
Each of the second gaps includes a plurality of first partition members for dividing the second gap in the circumferential direction so as to extend in the radial direction, thereby including each of the divided spaces. A gas inflow passage for flowing the first cooling gas from the outer peripheral surface side to the inner peripheral surface side of the cylindrical stator core; and from the inner peripheral surface side to the outer peripheral surface side of the cylindrical stator core. Gas outlets for flowing the first cooling gas in the direction are alternately arranged,
Substantially all of the first cooling gas flowing into the first gap from the gas inflow path is rotated around the rotor as the rotor rotates due to its viscosity. A rotating machine configured such that the first gap is narrow and the rotor can rotate at a high rotation speed to the extent that it flows in the same direction and flows out to the gas outflow path adjacent to the gas inflow path. Cooling structure.
前記第1の仕切り部材は、各々の前記ガス流入路及び各々の前記ガス流出路がそれぞれの前記空間と連通するように配置され、
各々の前記ガス流入路に連通する各々の前記空間である分配空間へ前記第1の冷却ガスを供給するためのガス供給路と、各々の前記ガス流出路に連通する各々の前記空間である集合空間から前記第1の冷却ガスを排出するためのガス排出路とが、前記外囲部材の内部に設けられた請求項1に記載の回転機の冷却構造。 A cylindrical outer member disposed to cover the outer peripheral surface with a third gap from the outer peripheral surface of the stator core, and between the outer peripheral surface of the stator core and the outer member A plurality of second partition members disposed so as to extend at a predetermined interval substantially parallel to the rotation axis of the rotor, outer peripheral portions at both ends of the stator core in the rotation axis direction, and the surrounding member The third gap is partitioned into a plurality of spaces arranged in the circumferential direction of the outer peripheral surface of the stator core, by an end member disposed so as to close the gap between
The first partition member is disposed such that each of the gas inflow passages and each of the gas outflow passages communicate with the respective spaces,
A gas supply path for supplying the first cooling gas to a distribution space, which is each of the spaces communicating with each of the gas inflow paths, and a set of each of the spaces communicating with each of the gas outflow paths The cooling structure for a rotating machine according to claim 1, wherein a gas discharge path for discharging the first cooling gas from the space is provided inside the outer member.
前記ガス排出路は、各々の前記集合空間と連通し前記外囲部材の内部に設けられた第2の空洞部と、前記第2の空洞部と連通し外部へ前記第1の冷却ガスを排出するための第1のガス排出口とによって構成された請求項4に記載の回転機の冷却構造。 The gas supply path communicates with each of the distribution spaces, and is provided with a first cavity portion provided in the outer member, and communicates with the first cavity portion to supply the first cooling gas from the outside. And a first gas supply port for
The gas discharge path communicates with each of the collective spaces, and has a second cavity portion provided in the surrounding member, communicates with the second cavity portion, and discharges the first cooling gas to the outside. The cooling structure for a rotating machine according to claim 4, wherein the cooling structure is configured by a first gas discharge port.
前記外囲部材は、前記第1及び第2のコイルエンドの各々を収納する第1及び第2のコイルエンド収納部を有するハウジングであり、
前記ハウジングの前記第1及び第2のコイルエンド収納部の各々に、第2の冷却ガスを供給するための第2のガス供給口と前記第2の冷却ガスを排出するための第2のガス排出口とが設けられた請求項4または5に記載の回転機の冷却構造。 A stator coil is embedded in the inner peripheral surface of the cylindrical stator core, and a plurality of slots extending in the rotation axis direction are provided side by side in the circumferential direction of the inner peripheral surface, and the slots embedded in the slots A stator coil having first and second coil ends protruding from both ends of the rotation axis direction of the stator core;
The surrounding member is a housing having first and second coil end storage portions that store the first and second coil ends,
A second gas supply port for supplying a second cooling gas to each of the first and second coil end storage portions of the housing and a second gas for discharging the second cooling gas. The cooling structure for a rotating machine according to claim 4 or 5, wherein a discharge port is provided.
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