JP5244744B2

JP5244744B2 - 立形回転電機

Info

Publication number: JP5244744B2
Application number: JP2009202159A
Authority: JP
Inventors: 健脇田
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: JP2011055640A

Description

本発明は、鉛直に延びる回転軸を有する立形回転電機に関する。

近年、水力発電設備は、高速、大容量化の一途をたどり、ここで使用される立形水車発電機や揚水発電電動機等の立形回転電機は、高速、高電圧および高荷重下で運転される。しかも、この立形回転電機は、電力需要の要求に応じて、素早い起動や停止を行う必要がある。このような種々の負荷条件下で運転される状況で、当該立形回転電機は、安定した電力供給のために高い信頼性が要求されている。

立形回転電機の回転軸は、この回転軸に固定されて回転軸と共に回転する回転子の上方下方それぞれに、軸受ユニットが設けられている。一般に、上方の軸受ユニットは、ラジアル荷重を支持するラジアル軸受とスラスト荷重を支持するスラスト軸受が一体となるように構成されたスラスト・ラジアル軸受が設けられている。下方の軸受ユニットは、ラジアル荷重を支持するラジアル軸受が設けられている。

このスラスト・ラジアル軸受には、スラスト荷重およびラジアル荷重それぞれを機械的に支持するすべり軸受が用いられているものが多い。また、下方に設けられたラジアル軸受には、ラジアル荷重を機械的に支持するすべり軸受や玉軸受等が用いられているものが多い。

特開２００２−２１３３８４号公報

すべり軸受は、支持面（すべり面）の潤滑油等によりオイルホワール・オイルホイップ等の振動が発生することがある。このような振動が発生すると、ラジアル荷重を受ける支持面の磨耗の進行速度が大きくなることがある。また、当該支持面の摩擦により、回転効率が低下することがある。

このような問題を解決する方法として、上記の特許文献１に開示されているように、立軸ポンプにおいて、スラスト・ラジアル軸受の下方にラジアル磁気軸受を設けて、ラジアル荷重を支持するものが知られている。

上記のような立形回転電機に作用するラジアル荷重は、スラスト荷重を支持する付近が、他の部位に比べて大きくなることが多い。この場合、スラスト・ラジアル軸受のラジアル軸受部のラジアル荷重支持面の磨耗速度が、他のラジアル軸受の支持面に比べて大きくなる。

ところが、上記特許文献１に開示された例では、立軸ポンプ上方に配置されたスラスト・ラジアル軸受から下方に離れた位置にラジアル磁気軸受が配置されているため、スラスト・ラジアル荷重のラジアル荷重支持面の磨耗を抑制することはできない。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、立形回転電機のラジアル軸受の支持面磨耗を抑制し、立形回転電機の回転効率を向上させることである。

上記目的を達成するための本発明に係る立形回転電機は、鉛直に延びた軸周りを回転可能な回転軸と、この回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転する回転子と、この回転子を半径方向外側から覆うように配置された固定子と、を有する立形回転電機において、前記回転軸、回転子および固定子を、少なくとも半径方向外側から覆うように構成されたフレームと、前記フレーム内で前記回転子よりも上方で、前記回転軸の周面から半径方向外側に張り出すように形成された略円筒状で、前記回転軸と共に回転するスラストカラー部と、前記スラストカラー部の底面側に近接配置されて、少なくとも前記回転軸および回転子の軸方向荷重を受けるように構成されたスラストすべり軸受と、前記スラストカラー部の周面の少なくとも一部を半径外側から覆うように前記スラストカラー部に取り付けられた磁性部材と、この磁性部材の半径方向外側に固定されて前記磁性部材と所定の半径方向間隙を保ちながら前記フレームに直接または間接的に固定された電磁石部と、を有するラジアル磁気軸受と、前記フレーム内で前記回転子より下方に配置されて、前記回転軸を半径方向外側から回転自在に支持するように構成された下方ラジアル軸受と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、立形回転電機のラジアル軸受の支持面磨耗を抑制し、立形回転電機の回転効率を向上させることが可能になる。

本発明の一実施形態に係る立形回転電機の一部断面の概略正断面図である。図１の上部軸受ユニット内のラジアル磁気軸受の電磁石部の配置例であって、回転軸の軸中心および対向する電磁石部それぞれを含む鉛直面で切った状態を模式的に示す概略斜視図である。図２のラジアル磁気軸受およびスラストすべり軸受の構成を模式的に示す概略正断面図である。

以下、本発明に係る立形回転電機の一実施形態について、図１〜図３を参照して説明する。

図１は、本実施形態の立形回転電機の一部断面の概略正断面図である。図２は、図１の上部軸受ユニット１５内のラジアル磁気軸受２０の電磁石部の配置例であって、回転軸１０の軸中心と対向する電磁石部それぞれを含む鉛直面で切った状態を、模式的に示す概略斜視図である。なお、図２では、スラストすべり軸受３０の可動摺動面部３２や、ラジアル磁気軸受２０の磁性部材２２等の図示は省略している。図３は、図２のラジアル磁気軸受２０およびスラストすべり軸受３０の構成を模式的に示す概略正断面図である。

先ず、本実施形態の立形回転電機の構成について説明する。本実施形態の立形回転電機は、図１に示すように、鉛直に延びた軸周りを回転可能な回転軸１０と、この回転軸１０に固定されて回転軸１０と共に回転する回転子４２と、この回転子４２を半径方向外側から覆うように配置された固定子４４と、を有する。さらに、この立形回転電機は、回転軸１０、回転子４２および固定子４４を少なくとも半径方向外側から覆うように構成されたフレーム４６を有する。固定子４４は、フレーム４６に間接または直接的に固定されている。

回転軸１０には、回転子４２の上方および下方それぞれに、回転軸１０を支持する上部軸受ユニット１５および下部軸受ユニット１６がそれぞれ配置されている。これら上部軸受ユニット１５および下部軸受ユニット１６それぞれは、フレーム４６に固定されている。

また、詳細な図示は省略するが、下部軸受ユニット１６よりも下方側の回転軸１０の下端部には、負荷（図示せず）が連結されている。

図２および図３に示すように、この上部軸受ユニット１５は、回転軸１０に着脱可能に取り付けられたスラストカラー部１２が含まれている。このスラストカラー部１２は、回転軸１０の周面から半径方向外側に張り出すように形成された略円筒状で、回転軸１０と共に回転するように構成されている。このスラストカラー部１２には、スラストすべり軸受３０と、ラジアル磁気軸受２０がそれぞれ配置されている。すなわち、上部軸受ユニット１５は、ラジアル・スラスト軸受の機能を備えている。

ここで、スラストカラー部１２およびスラストすべり軸受３０、並びにスラストカラー部１２およびラジアル磁気軸受２０の位置的な関係等をそれぞれ説明する。

スラストカラー部１２の下方には、スラスト荷重を受けるスラストすべり軸受３０が配置されている。このスラストすべり軸受３０は、潤滑油等を介して互いに接する可動摺動面部３２および受面部３４を有する。ここで、スラスト荷重は、回転軸１０や回転子４２等の自重によって鉛直下向きに作用する荷重や、負荷により鉛直下向きに作用する荷重等が含まれる。

この可動摺動面部３２には、スラストカラー部１２の下面側に下方に面するように形成された穴あき円板状の摺動面３３が形成されている。この摺動面３３は、ホワイトメタル等で形成される。受面部３４は、可動摺動面部３２の下方に配置されて、摺動面３３と対向する上方に面する受面３５が形成されている。この摺動面３３を含む可動摺動面部３２は、スラストカラー部１２に取り付けられて一体に組み立てられている。

スラストカラー部１２の周面には、ラジアル磁気軸受２０が配置されている。このラジアル磁気軸受２０は、永久磁石により形成されたリング状の磁性部材２２と、この磁性部材２２の半径方向外側に配置された４つの電磁石部、すなわち、第１電磁石部２４ａ、第２電磁石部２４ｂ、第３電磁石部２４ｃおよび第４電磁石部（図示せず）を有する。これらの第１〜第４電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、それぞれコの字形の鉄心２５にコイル２６が巻かれたものである。

リング状の磁性部材２２は、スラストカラー部１２の周面を半径外側から覆うようにスラストカラー部１２に取り付けられている。また、この磁性部材２２は、周方向には同じ磁極となるように、且つ上方をＳ極で下方をＮ極となるように構成されている。この磁性部材２２は、スラストカラー部１２に着脱可能に取り付けられており、磁極の設計に応じて、容易に交換することが可能である。

第１〜第４電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃそれぞれは、磁性部材２２の半径方向外側に固定されて、磁性部材２２と所定の半径方向間隙を保ちながら、フレーム４６に直接または間接的に固定されている。第１〜第４電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、図２に示すように、周方向に互いに等間隔に４箇所、すなわち９０度ごとに配置されている。

この立形回転電機は、回転軸１０が回転するときには、磁性部材２２と各電磁石部との間に作用する吸引力や反発力等によって、当該所定の間隙２８を保ちながら回転するように構成されている。図３の例では、磁性部材２２と電磁石部が吸引するように各電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃの磁気を制御している。

また、この立形回転電機は、フレーム４６内で且つ回転子４２より下方に下方ラジアル玉軸受５０が配置されている。この下方ラジアル玉軸受５０は、回転軸１０を半径方向外側から機械的に回転自在に支持し、回転軸１０に作用するラジアル荷重を支持するように構成されている。

上記のように立形回転電機を構成することによって、以下のような効果を得る。

磁気軸受は、上述のようなオイルホワール・オイルホイップ等が原理的に発生しない。このため、スラストすべり軸受３０近傍でラジアル荷重を支持する軸受に、ラジアル磁気軸受２０を用いることによって、立形回転電機の振動を抑制する効果が高くなる。また、スラストカラー部１２の回転面を非接触で支持するため、軸受の支持面の磨耗の進行速度を抑制できる。このため、立形回転電機の回転効率を向上させることができる。さらに、部品等の交換頻度を低減することも可能になる。

また、回転軸１０の固有振動数に近い回転数で、立形回転電機を運転するときには、ラジアル磁気軸受２０の電磁力等を調整することで、振動を抑制することもできる。

また、立形回転電機が組み上がった後に、ラジアル磁気軸受２０の磁性部材２２や各電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃの構成を、変更することが比較的容易に行える。このため、仮に使用したい回転数で自励振動等が発生することがあっても、磁性部材２２や電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃ等のラジアル磁気軸受２０の構成部材を交換して、振動特性を変更させることが可能である。このため、立形回転電機を設計するときの自由度を向上させることができる。

また、本実施形態では、磁気軸受をラジアル方向の荷重を支持のみに使用している。スラスト方向の荷重に比べ、ラジアル方向の荷重は小さいため、軸受装置自体は、小規模なものでよい。このため、立形回転電機を大型化することなく振動特性を改善することが可能になる。

以上説明した実施形態は単なる例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上記実施形態の説明では、ラジアル磁気軸受２０の可動摺動部は、スラストカラー部１２に取り付けられているが、これに限らない。例えば、スラストカラー部１２に当該摺動面３３を形成して、可動周面部をスラストカラー部１２の一部としてもよい。

また、回転子４２の下方でラジアル荷重を支持するラジアル軸受には、玉軸受を用いているがこれに限らない。例えば、すべり軸受や磁気軸受を用いることも可能である。

また、ラジアル磁気軸受２０の磁性部材２２に永久磁石を用いているが、これに限らない。例えば、鉄鋼材料等を用いることも可能である。このときは、当該鉄鋼材料と、第１〜第４電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃそれぞれとの間に半径方向に作用する吸引力を制御すればよい。

また、第１〜第４電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃそれぞれを、磁性部材２２と反径方向に互いに反発するように制御してもよい。この場合、第１〜第４電磁石部２４ａ、２４ｂ、２４ｃそれぞれの制御をより単純にすることができる。

１０…回転軸、１２…スラストカラー部、１５…上部軸受ユニット、１６…下部軸受ユニット、２０…ラジアル磁気軸受、２２…磁性部材、２４ａ…第１電磁石部、２４ｂ…第２電磁石部、２４ｃ…第３電磁石部、２５…鉄心、２６…コイル、２８…間隙、３０…スラストすべり軸受、３２…可動摺動面部、３３…摺動面、３４…受面部、３５…受面、４２…回転子、４４…固定子、４６…フレーム、５０…下方ラジアル玉軸受

Claims

鉛直に延びた軸周りを回転可能な回転軸と、この回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転する回転子と、この回転子を半径方向外側から覆うように配置された固定子と、を有する立形回転電機において、
前記回転軸、回転子および固定子を、少なくとも半径方向外側から覆うように構成されたフレームと、
前記フレーム内で前記回転子よりも上方で、前記回転軸の周面から半径方向外側に張り出すように形成された略円筒状で、前記回転軸と共に回転するスラストカラー部と、
前記スラストカラー部の底面側に近接配置されて、少なくとも前記回転軸および回転子の軸方向荷重を受けるように構成されたスラストすべり軸受と、
前記スラストカラー部の周面の少なくとも一部を半径外側から覆うように前記スラストカラー部に取り付けられた磁性部材と、この磁性部材の半径方向外側に固定されて前記磁性部材と所定の半径方向間隙を保ちながら前記フレームに直接または間接的に固定された電磁石部と、を有するラジアル磁気軸受と、
前記フレーム内で前記回転子より下方に配置されて、前記回転軸を半径方向外側から回転自在に支持するように構成された下方ラジアル軸受と、
を有することを特徴とする立形回転電機。
前記スラストすべり軸受は、
下方に面する穴あき円板状のすべり面が形成された可動摺動面部と、
前記可動面部の下方に配置されて、上方に面して前記すべり面と潤滑油を介して互いに摺動可能な受け面が形成されて、この受け面で前記軸方向荷重を受ける受面部と、
を有し、
前記可動摺動面部および前記磁性部材は、前記スラストカラー部と一体となるように形成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の立形回転電機。
前記磁性部材は、前記スラストカラー部を半径方向外側から覆う少なくとも１つのリング状部材であること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の立形回転電機。
前記磁性部材は、前記リング状の周方向に沿って同じ磁極で且つ前記リング状部材の上方と下方で異なる磁極になるように構成されていること、を特徴とする請求項３に記載の立形回転電機。
前記磁性部材は、永久磁石であ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立形回転電機。
前記電磁石部は、前記磁性部材と半径方向に互いに吸引するように構成され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立形回転電機。
前記電磁石部は、前記磁性部材と半径方向に互いに反発するように構成され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立形回転電機。
前記スラストカラー部は、前記回転軸と着脱可能に構成されていること、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立形回転電機。
前記磁性部材は、前記スラストカラー部に着脱可能に取り付けられていること、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立形回転電機。
前記下方ラジアル軸受は、前記回転軸を半径方向外側から機械的に支持するように構成されていること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか一項に記載の立形回転電機。