JP5484574B2 - 全閉横型回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機本体の四方に縦置きの熱交換器を有する全閉横型回転電機に関し、特に、熱交換器の取付構造の改良に関するものである。

従来の、縦置きの熱交換器を有する横型回転電機として、例えば、図６に示すような構成の全閉型の電動機が知られている。
図６は、回転軸の軸方向に見た正面図である。電動機本体３１の周囲にフレーム３２が設けられ、このフレーム３２に冷却器３３が付設されている。電動機本体３１とフレーム３２と冷却器３３は一体となって、外枠３４とベース３５とで形成される空間に入れられて全閉型の電動機が構成されている。冷却器３３には、外部から給水管３６及び排水管３７が接続され、冷却水を通じることにより機内空気を冷却し、電動機本体３１の温度を所定値以下に押さえるように構成されている（例えば、特許文献１参照）。

実開昭５５−４３３７１号公報（第２頁、第１図）

特許文献１のように構成された電動機では、下記のような課題があった。すなわち、冷却器３３の給・排水口が下部側にあるため、給・排水管３６，３７との接続が、冷却器３３の下部側で行われることになり、基礎のピット３８内に配置されている給・排水管との取合部の接続作業スペースが冷却器３３の下部側に必要となる。また、冷却器３３の内部は、下部側に一旦冷却水を貯める水室部が必要であり、その上部に熱交換器本体部が配置されているが、上述した取合部の接続作業スペースと水室部の高さ分だけ熱交換器本体部の長さが短くなり、処理熱量が制限されることになる。従って、熱交換器の冷却能力が抑制され、回転電機の出力が制限されるという問題点があった。
また、給・排水管３６，３７がベース３５に貫通する部分は気密のためのシールが必要なため、組立が煩雑であることに加えて、給・排水管３６，３７との取合部が電動機本体３１の四方に分散しているため、基礎のピット３８内に敷設される配管の経路が複雑となり、敷設に手間が掛かるという問題点があった。
更に、回転電機本体と冷却器（熱交換器）が一体の外枠で覆われているので、回転電機が大形化すると、外枠の外形も大きくなるため、鉄道等による輸送が困難になるという問題点もあった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、熱交換器本体部の長さが制限されることなく、また、基礎のピット側に敷設される給・排水管との取り合いが容易にできると共に、熱交換器部の解体・組立が簡単にでき、鉄道等による輸送を容易にした全閉横型回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る全閉横型回転電機は、水平配置された回転子と回転子の外周側に配置された固定子とが本体フレームに気密に収容され、本体フレーム内に封入された冷媒ガスが
冷媒流路を循環して回転子及び固定子が冷却され、冷媒流路の途中に冷媒ガスを冷却する水冷式の熱交換器を備えた全閉横型回転電機において、熱交換器は、回転子の軸線に直交する側面方向から見て、本体フレームの前面側の左右両端部近傍と、背面側の左右両端部近傍の各位置に、縦方向に向けて配設され、熱交換器の本体部分が熱交換器カバーで包囲され、熱交換器の冷却水の給水口及び排水口が、熱交換器カバーで包囲されていない熱交換器の上部側に設けられているものである。

この発明の全閉横型回転電機によれば、冷媒ガスを冷却する水冷式の熱交換器は、回転子の軸線に直交する側面方向から見て、本体フレームの前面側の左右両端部近傍と、背面側の左右両端部近傍の各位置に、縦方向に向けて配設され、熱交換器の本体部分が熱交換器カバーで包囲され、熱交換器の冷却水の給水口及び排水口が、熱交換器カバーで包囲されていない熱交換器の上部側に設けられているので、給・排水口を下部側に設けた場合と比較して、熱交換器本体部の長さを長くでき、冷却能力の向上を図ることができる。
また、熱交換器カバーを貫通して給・排水管を引き出す必要がないので、熱交換器カバーの内外の貫通部が減りシール部が減るため、作業が簡単になると共に、シール性を高めることができる。

この発明の実施の形態１による全閉横型回転電機の要部を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１による全閉横型回転電機の内部構成を模式的に示す部分平面断面図である。 図１の熱交換器の取付部を示す斜視図である。 図１の熱交換器を示す斜視図である。 図１の熱交換器カバーを示す斜視図である。 従来の全閉空気冷却器付電動機の概略正面図である。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。図１は、回転電機の本体フレームと、熱交換器及び熱交換器カバー等の主要部を示す斜視図である。但し、回転子の図示は省略し、内部が見える状態を示している。図２は、回転電機の内部を模式的に示した平面断面図であり、中心の軸線から片側半分を示している。
なお、本願発明が対象とする回転電機は、回転軸が横方向に配置され、冷却媒体が密封され、水冷式熱交換器を備えた全閉横型回転電機であるが、以下の説明では、回転電機として同期発電機の場合を例に説明する。もちろん、電動機であっても良い。

先ず図２により、発電機の概略構成について説明する。
発電機１は、本体フレーム２内に円筒形状をした固定子３が配置され、その内周側に、軸線６を中心に回転軸４と共に回転する回転子５がその軸線６を水平方向に向けて配置されている。
固定子３は、固定子鉄心３ａが軸方向に所定の間隔で冷却ガス通路を設けた状態に積層され、固定子鉄心３ａの内周面側に軸方向に形成した複数のスロットに固定子コイル３ｂが挿入されて構成されている。
一方、回転子５は、固定子３の内周面と所定のガス間隙が確保できる外径を有し、回転軸４と、磁極を形成する回転子鉄心５ａと、回転子鉄心５ａのスロットに挿入された回転子コイル（図示せず）とで構成され、本体フレーム２の両端の開口部を塞ぐエンドブラケット７の内周部に設けられた軸受８によって支承されている。

回転子５の回転軸４には、本体フレーム２の内部側に、ファン９が設けられており、回転軸４の回転によりファン９が回転して、本体フレーム２内に封入されている冷媒ガス１０（例えば、空気や水素ガス等）を機内に循環させるようになっており、本体フレーム２の内部は、冷媒ガス１０が効率よく循環できるように適宜ガイド板で仕切られて冷媒流路が形成されている。そして、冷媒流路の途中に冷媒ガス１０を冷却するための、水冷式の熱交換器１１が備えられている。

次に、図１により、熱交換器１１の周辺部の詳細について説明する。
図１において、太矢印で示す方向、すなわち、回転子５の軸心である軸線６に直交する側面方向から本体フレーム２を見て、熱交換器１１は、本体フレーム２の前面側の左右両端部近傍と、背面側の左右両端部近傍の各位置に、それぞれ１台ずつ合計４台が、縦方向に向けて配設されている。熱交換器１１の詳細は後述するが、熱交換器１１の本体部分の外面が本体フレーム２の内部に形成された冷媒流路中に曝された形となっている。熱交換器１１の内部に冷却水を循環させることにより熱交換されて、冷媒ガス１０が冷却される。このため、熱交換器１１には、冷却水の出入り口となる給水口１１ｂと排水口１１ｃとが備わっている。

冷却水は、発電機１の外部に設置された冷却水供給源（図示せず）から、発電機１が設置される基礎地盤面に設けたピット内に導入された配管を介して熱交換器１１へと流されるため、発電機１側は、その取合部２０までの給水管１３ａ〜１３ｄと排水管１４ａ〜１４ｄが、本体フレーム２の外部に配管されている。配管経路については後述する。
図１では、４台の熱交換器１１のうちの、太矢印方向に見て、前方左の１台は、本体フレーム２から取り外された状態を示している。熱交換器１１と、熱交換器カバー１２と、当該熱交換器１１に接続される給水管１３ａ及び排水管１４ａとが解体された状態である。それらが組み立てられると、前方右の１台と同様になる。

次に図３により、熱交換器１１及び熱交換器カバー１２が取り付けられる本体フレーム２の取付部の詳細について説明する。
本体フレーム２の、熱交換器１１が取り付けられる位置には、熱交換器取付板１５が設けられている。熱交換器取付板１５には、冷媒流路を構成する開口部穴１５ｂと熱交換器１１を取り付けるためのねじ穴１５ａが設けられている。また、本体フレーム２の上面の一部を切り欠いてこの切欠部の周囲に設けた取付座１６にも、ねじ穴１６ａが形成されている。図中に濃い網掛けで示す部分が熱交換器１１の取付面となる部分である。
一方、本体フレーム２の側面には、熱交換器カバー１２を取り付けるための大きな開口部２ａが形成されており、開口部２ａの周囲に設けられたカバー取付フランジ１７には、熱交換器カバー１２を取り付けるためのねじ穴１７ａが形成されている。図中に薄い網掛けで示す部分が熱交換器カバー１２の取付面となる部分である。

次に、図４により、熱交換器１１について説明する。
熱交換器１１の上部には、導入した冷却水を一旦貯める水室部１１ａが設けられており、内部は２分されて２室に分かれている。一方の室に連通して給水口１１ｂが設けられ、他方の室に連通して排水口１１ｃが設けられている。そして、水室部１１ａの下部には、複数の細管１１ｄが、下部側の水室部を介して往復するように設けられて、給水側の水室と排水側の水室とが連絡されており、細管１１ｄには多数のフィン１１ｅが取り付けられている。
熱交換器１１を本体フレーム２側に取り付けて固定するために、水室部１１ａの下部周囲に、取付穴１１ｆを有する鍔状の取付フランジ１１ｇが設けられ、更に、その下部側の熱交換器本体部を収納するフレームのうち、図で背面側のフレーム１１ｈには、先に説明した本体フレーム２の熱交換器取付板１５に形成したねじ穴１５ａに合致する取付穴１１ｉが形成されている。

熱交換器１１の下部側の水室には、排水管では抜ききれない冷却水を抜くためのドレン管１８が設けられている。
また、給水開始時や給水途中において、給水管内の空気や冷却水に混じった空気が、熱交換器１１内に侵入するので、この空気を抜くためのベント管１９が設けられている。

次に、図５により熱交換器カバー１２について説明する。
図５は、熱交換器カバー１２を内側から見た斜視図である。全体が直方体の箱状をして、一面が全面開口し、その開口側の上面の一部は切り欠かれている。開口側の周囲には取付フランジ１２ａが設けられ、取付フランジ１２ａには取付穴１２ｂが形成されている。また、上面の切欠部の周囲にもねじ穴１２ｃを有する取付座１２ｄが設けられている。下部側には、熱交換器１１のドレン管１８と対応させて、ドレン管用穴１２ｅが開けられている。
図中に濃い網掛けで示す部分が熱交換器１１の取付面となり、薄い網掛けで示す部分が本体フレーム２へ取り付ける取付面である。

以上のように構成された発電機１の熱交換器１１と熱交換器カバー１２及び各配管の組立について説明する。
図１の太矢印方向から見て前面左側の熱交換器部のように分解された状態から、先ず、熱交換器１１を本体フレーム２の開口部２ａから内部側へ挿入し、熱交換器１１の取付フランジ１１ｇを、本体フレーム２の上面側の取付座１６に合わせ、同時に、熱交換器１１のフレーム１１ｈに形成した取付穴１１ｉを本体フレーム２の内部の熱交換器取付板１５に形成したねじ穴１５ａに合わせる。このとき、各接合面には気密を保つためにガスケット（図示せず）を挟み込んでいる。その状態で、外側からボルトをねじ穴にねじ込んで締め付けることにより熱交換器１１が本体フレーム２に取り付けられる。

次に、熱交換器カバー１２の上部の取付座１２ｄを熱交換器１１の取付けフランジ１１ｇに合わせると共に、熱交換器カバー１２の取付フランジ１２ａを本体フレーム２の開口部２ａに形成したカバー取付フランジ１７に合わせる。合わせ面にはガスケット（図示せず）を挟み込む。また、組み合わせ時に、熱交換器カバー１２のドレン管用穴１２ｅに熱交換器１１のドレン管１８部を貫通させておく。組み合わせ後、各取付穴にボルトを挿入し相手側のねじ穴にねじ込んで締め付け固定する。
同様にして他の箇所にある熱交換器１１及び熱交換器カバー１２を全て取り付ける。
なお、ドレン管用穴１２ｅとドレン管１８との隙間は、図示しない閉塞板とシール材により気密に塞がれている。また、ドレン管１８とベント管１９は、組立完了後にドレン配管（図示せず）に接続される。

次は、給水管と排水管の取付作業となる。
前面の左右両側の熱交換器１１に接続される給・排水管１３ａ，１４ａ，１３ｂ，１４ｂの形状は、逆Ｊ字状をしている。背面の左右両側の熱交換器に接続される給・排水管１３ｃ，１４ｃ，１３ｄ，１４ｄの形状は、各給・排水口から立ち上がった後、軸線６の方向の中心側へ水平に伸び、次に９０度折れ曲がって前面側へ水平に伸び、前面側で９０度下方へ向けて折り曲がっている。なお、各給・排水管は、本体フレーム２に支持部材（図示せず）によって支持されている。
取付完了後は、各給・排水管と、基礎側のピット内に配管された給排水管（図示せず）との取合部２０は、発電機１の前面下部側に並んだ形となっている。なお、取合部２０を全て背面側としても良い。

以上のように構成した実施の形態１による全閉横型回転電機の特徴部と作用効果について説明する。
第1点目は、熱交換器の給・排水口を、熱交換器の上方に配置して上出しとした点である。回転電機の熱交換器に給・排水する配水管は、回転電機の設置に先立ち、冷却水供給源（図示せず）から回転電機が設置される基礎面に設けられたピット内まで配管されており、回転電機を設置するとき、ピット内から立ち上がった給・排水管と、回転電機側の熱交換器に付属する給・排水管とが接続される。この接続点、すなわち取合部を予め決めておき、回転電機の製造メーカはその取合部までの配管を製作して納入し、現地において取合部で相手側の給・排水管と接続されるのが一般的である。

もし熱交換器の給・排水口が下出しの場合であれば、熱交換器の下部側に水室部を設ける必要が有り、更に、取合部が熱交換器の直下になるので接続作業のためのスペースも必要であり、その分、熱交換器本体部の長さが短くなって、熱交換器の冷却能力が制限されるという問題点があるが、給・排水口を上部に設けたことにより、熱交換器本体部の長さを長くでき、冷却能力の向上を図ることができる。
また、給・排水口を上出しにしたことにより、熱交換器カバー１２を貫通して給・排水管を引き出す必要がないので、熱交換器カバー１２の内外の貫通部はドレン管１８の部分のみとなり、シール性の悪い円周面でのシール部が減り、作業が簡単になると共に、シール性を高めることができる。

第２点目は、４台の熱交換器１１からの給・排水管を回転電機１の一方の側（図では前面側）にまとめて引き出し、取合部２０を回転電機１の一方の側の下部に纏めた点である。熱交換器１１の給・排水口を上出しとしたことにより、熱交換器１１から取合部２０までの給排水管の引き回しの自由度が増し、配管が容易にできるようになったので、取合部２０を一方に容易に纏めることが可能となった。これにより、ピット内の配管経路を簡素化でき、配管の施工が容易になる。

第３点目は、熱交換器１１と熱交換器カバー１２を本体フレーム２に対して容易に分解可能な構造にした点である。熱交換器１１の給・排水口を上出しとしたことで、分解接合面、つまりシール面が単純な平面で構成できるため、簡単に気密を保てると共に、簡単に分解できる構造が容易に実現可能となった。また、単純な平面で構成できことで、シール性が高められる。
分解可能な構造としたことにより、回転電機が大容量となり大型化した場合でも、輸送限界以内に納めることが可能になり、鉄道等によって輸送できる範囲が拡大される。

以上のように、実施の形態１の全閉横型回転電機によれば、水平配置された回転子と回転子の外周側に配置された固定子とが本体フレームに気密に収容され、本体フレーム内に封入された冷媒ガスが冷媒流路を循環して回転子及び固定子が冷却され、冷媒流路の途中に冷媒ガスを冷却する水冷式の熱交換器を備えた全閉横型回転電機において、熱交換器は、回転子の軸線に直交する側面方向から見て、本体フレームの前面側の左右両端部近傍と、背面側の左右両端部近傍の各位置に、縦方向に向けて配設され、冷却水の給水口及び排水口が、熱交換器の上部側に設けられているので、給・排水口を下部側に設けた場合と比較して、熱交換器本体部の長さを長くでき、冷却能力の向上を図ることができる。
また、熱交換器カバーを貫通して給・排水管を引き出す必要がないので、貫通部のシール部が減り、作業が簡単になると共に、シール性を高めることができる。

また、熱交換器の給水口に接続される給水管と、排水口に接続される排水管とが、給水口及び排水口から本体フレームの前面側又は背面側のいずれか一方の下部近傍まで配管され、外部に設置された冷却水供給源からの冷却水配管との取合部が、本体フレームの前面側または背面側のいずれか一方に纏められているので、取合部に接続される相手側の給・排水管の配管経路を簡素化でき、配管の施工が容易になる。

また、熱交換器と、熱交換器の本体部分を包囲して冷媒流路の一部を形成すると共に熱交換器を保護する熱交換器カバーとが、本体フレームに取り外し可能に取り付けられているので、回転電機が大容量となり大型化した場合でも、輸送限界以下に納めることが可能になるため、鉄道等によって輸送できる範囲が拡大される。

Claims (3)

1. 水平配置された回転子と前記回転子の外周側に配置された固定子とが本体フレームに気密に収容され、前記本体フレーム内に封入された冷媒ガスが冷媒流路を循環して前記回転子及び前記固定子が冷却され、前記冷媒流路の途中に前記冷媒ガスを冷却する水冷式の熱交換器を備えた全閉横型回転電機において、
   前記熱交換器は、前記回転子の軸線に直交する側面方向から見て、前記本体フレームの前面側の左右両端部近傍と、背面側の左右両端部近傍の各位置に、縦方向に向けて配設され、前記熱交換器の本体部分が熱交換器カバーで包囲され、前記熱交換器の冷却水の給水口及び排水口が、前記熱交換器カバーで包囲されていない前記熱交換器の上部側に設けられていることを特徴とする全閉横型回転電機。
2. 請求項１に記載の全閉横型回転電機において、
   前記熱交換器の前記給水口に接続される給水管と、前記排水口に接続される排水管とが、前記給水口及び前記排水口から前記本体フレームの前記前面側又は前記背面側のいずれか一方の下部近傍まで配管され、外部に設置された冷却水供給源からの冷却水配管との取合部が、前記本体フレームの前記前面側または前記背面側のいずれか一方に纏められていることを特徴とする全閉横型回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の全閉横型回転電機において、
   前記熱交換器と、前記熱交換器の本体部分を包囲して前記冷媒流路の一部を形成すると共に前記熱交換器を保護する前記熱交換器カバーとが、前記本体フレームに取り外し可能に取り付けられていることを特徴とする全閉横型回転電機。

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