JP5918656B2

JP5918656B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5918656B2
Application number: JP2012187367A
Authority: JP
Inventors: 錦霞謝; 成重大村; 良晃八木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-08-28
Filing date: 2012-08-28
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-08-28
Also published as: JP2014045606A; CN103683663B; CN103683663A

Description

本発明は、内部の空気が循環する系統が形成された回転電機に関する。

回転電機は、運転時に回転子鉄心や固定子鉄心に取り付けられたコイルから発熱する。ある限度以上に過熱されるとコイルの絶縁物の劣化が促進する。その結果、当該絶縁物が損傷する。また、絶縁物の交換タイミングが短縮する。

従来の回転電機は、温度上昇を抑えるために、鉄心に通風ダクトが設けられている。通風ダクトには、ファンの回転によって生じた冷却風が流されるようになっている。ファンは、回転軸と共に回転して、固定子枠内の空気を循環させる機能を有している。

冷却風により固定子鉄心を冷却するときに、固定子鉄心の部位によって冷却度合いが異なること、すなわち鉄心温度のアンバランスが生じることがある。

鉄心の温度のアンバランスを低下させて、冷却効果を高める方法として、特許文献１に開示されているように、回転軸の軸方向に風仕切板を設けることが知られている。

特開平５−１３０７５３号公報

しかし、上記の例では、固定子鉄心の軸方向両側から固定子内の軸方向中央に向かうように空気が流れている。この方法を一方通風式回転電機に適用した場合、熱交換器出口から出た冷媒（冷却空気）は回転軸と回転子の間に形成される通風路（半径方向空隙）を通り、回転子および固定子鉄心にあるダクトを通って鉄心を冷却し、最後に熱交換器入口へと戻ることとなる。

ダクトは、冷却空気が半径方向に流れる流路であって、固定子鉄心内に軸方向に互いに間隔をあけて複数形成されている。軸方向に複数形成されたダクトそれぞれを通る冷却空気の量は均一ではないことが多いため、固定子鉄心の温度に軸方向の不均一が生じてしまう。このため、上記の例では一方向に循環する流通経路の場合には、対応できない。

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、一方通風式回転電機に係る固定子等を均一に冷却できるようにすることである。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機は、所定の軸周りを回転する回転軸と、前記回転軸を半径方向外側から所定の半径方向空隙を保ちながら取り囲むように配置された円環状で、前記回転軸と共に回転する回転子と、前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、前記固定子を半径方向外側から取り囲むように構成された本体部と、この本体部内の空気が流入可能で且つ内部の空気が前記本体部内に流出可能に構成された風道部と、を備えるフレームと、前記風道部内に配置されて、前記本体部内の空気を冷却可能な熱交換器と、を有し、前記固定子の第１軸方向端部から前記半径方向空隙を流れた後に前記第１軸方向端部の反対側の第２軸方向端部に向かって流れる前記本体部内の空気が、前記本体部内の前記第２軸方向端部側から前記風道部内に流入し、前記熱交換器で冷却されて、前記本体部内の前記第１軸方向端部側に流入するように一方通行の空気流路が形成された回転電機において、前記回転軸の軸方向中央よりも前記第１軸方向端部側に、前記回転軸の外周を取り囲むように固定されて、前記半径方向空隙の少なくとも一部を塞ぐように前記回転軸に垂直な方向に広がる面が形成された風仕切り板を有し、前記本体部と前記風道部とを仕切る第１板群が、前記固定子と前記熱交換器との間で、前記第１軸方向端部から前記第２軸方向端部に向かって上昇するような傾斜部を備えて、前記固定子の上面と前記傾斜部とによってはさまれた固定子上方流路が形成され、当該固定子上方流路は前記第１軸方向端部から前記第２軸方向端部に向かって拡大するように構成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、一方通風式回転電機に係る固定子等を均一に冷却することが可能である。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図であって、上半分を断面で示す。図１の回転電機のII−II矢視の概略側面図である。図１の回転子および固定子を部分的に拡大した部分拡大正面図である。本発明に係る第２の実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図である。本発明に係る第３の実施形態の回転電機の風仕切り板等を模式的に示した部分側面図である。図５の風仕切り板よりも、半径方向空隙内の気流の下流側に配置された風仕切り板等を模式的に示した部分側面図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図であって、上半分を断面で示す。図２は、図１の回転電機のII−II矢視の概略側面図である。図３は、図１の回転子２０および固定子３０を部分的に拡大した部分拡大正面図である。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。

本実施形態の回転電機は、回転軸２と、リブ１０と、回転子２０と、固定子３０と、回転軸２および固定子３０等を収容するフレーム４０と、を有する。

回転軸２は、水平な軸周りを回転する円柱状の部材で、軸受６により回転自在に支持されている。回転軸２には、回転軸２と共に回転する内部ファン４が取り付けられている。

リブ１０は、取付け部１１と、支持部１２と、円環部１３と、を有する（図２）。

取付け部１１は、回転軸２の外周面を取り囲んで回転軸２に取り付けられる部材である。支持部１２は、取付け部１１から放射状に円環部１３の内周面まで延びる棒状で、周方向に等間隔（９０度ごと）に、すなわち４箇所に形成される（図２）。周方向に隣り合う支持部１２の間には、風仕切り板８が配置される。風仕切り板８については、後で説明する。

円環部１３は、支持部１２に支持されて、回転軸２の外周面に所定の半径方向空隙６０を保ちながら取り囲むように構成されている。

回転子２０は、リブ１０の円環部１３の半径方向外側を取り囲むように固定されて、回転軸２と共に回転する。この回転子２０は、回転子鉄心２１と、導体の回転子バー２３と、を有する。回転子鉄心２１は、鋼板が軸方向に複数積層されてなる複数の鋼板群２５と、軸方向に隣り合う鋼板群２５の間それぞれに配置された複数の間隔板２６と、を有する（図３）。固定子鉄心２１には、軸方向に延びるスロット２４が形成されている。間隔板２６には、半径方向に貫通する回転子ダクト２２が形成されている。この例では、間隔板２６が軸方向に複数配列されているため、回転子ダクト２２は、軸方向に複数形成される。

回転子バー２３は、スロット２４を貫通するように配置される部材である。

固定子３０は、回転子２０を半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。この固定子３０は、固定子鉄心３１および固定子巻線３５等からなる。固定子鉄心３１は、詳細な図示は省略するが、複数の鋼板群３２と、複数の間隔板３３と、を有する。

鋼板群３２は、鋼板が軸方向に複数積層されてなる部材である。間隔板３３は、軸方向に互いに隣接する鋼板群３２の間に配置される部材である。この間隔板３３には、空気が半径方向に流通可能な流路（固定子ダクト３４）が形成されている。固定子巻線３５は、固定子鉄心３１に形成されたスロット（図示せず）に巻きまわされる。

フレーム４０は、本体部４１および風道部４２を有する。本体部４１は、軸受６等が固定されて、固定子３０を半径方向外側から取り囲み、回転子２０および固定子３０を収容する。

風道部４２は、本体部４１と互いに連通するように形成されて、本体部４１内の空気が流入可能で、且つ風道部４２の内部の空気が本体部４１内に流出可能に構成されている。空気の流路等については、後述する。

風道部４２内には、熱交換器４３が配置されている。この熱交換器４３は、フレーム４０内の空気を冷却する機能を有し、冷却された空気によって固定子３０等を冷却する。当該熱交換器４３は、固定子３０等を冷却するための空気の流路上に配置される。この例では、熱交換器４３は、固定子３０の上方に配置される。

この熱交換器４３の周囲には、複数の板からなり空気の流路を形成する複数の板群が配置されている。

これらの板群には、固定子３０と熱交換器４３を仕切る第１板群５１と、本体部４１から風道部４２への入口部を形成する第２板群５２と、熱交換器４３に空気を流入させるための第３板群５３と、を含む。

第１板群５１は、固定子３０の上方で且つ熱交換器４３の下方に取り付けられて、固定子３０および熱交換器４３を仕切るように配置される。この第１板群５１の下方は、固定子３０内を通り抜けた空気が流れる流路（固定子上方流路６１）が形成されて、第１板群５１の上方は、熱交換器４３を通り抜けた空気が流れる流路（熱交換器下方流路６２）が形成される。

第２板群５２は、固定子３０と内部ファン４との間に配置されて、風道部入口流路６３を形成する。この風道部入口流路６３は、固定子上方流路６１から流れる空気が流入し、その後、内部ファン４を通り抜けて風道部４２に流れるように形成されている。

第３板群５３は、熱交換器４３の軸方向両側の端部の上方それぞれに配置されて、曲面が形成された板である。この第３板群５３により、風道部入口流路６３から流れる空気が流れる熱交換器上流側流路６４を形成する。

風仕切り板８は、回転軸２に垂直な方向に広がる面が形成されている板状の部材であって、リブ１０の軸方向中央よりも図１における左側で、回転子２０の左側端部よりも右側に配置される。

この風仕切り板８は、周方向に隣り合う支持部１２の周方向間隙それぞれに取り付けられ、この例では、４枚の風仕切り板８が回転軸２の外周を取り囲むように配置される（図２）。なお、図１では、風仕切り板８を固定するための支持部１２や取付け部１１の図示は省略している。

このように構成することで、各風仕切り板８は、半径方向空隙６０の一部を塞ぎ、半径方向間隙を通り抜けようとする空気の流れを阻害することができる。

続いて、冷却空気の流路について説明する。

回転電機に電力が供給されると、回転軸２および回転子２０が回転し、固定子巻線３５から熱が発生し、その熱は、固定子鉄心３１等に伝わる。

回転軸２の回転に伴い、内部ファン４が回転する。内部ファン４の回転により、フレーム４０内に空気の流れが発生する。この例では、図１における複数の矢印Ａで示すように空気が流れる。すなわち、内部ファン４は、図１における内部ファン４の左側の半径方向空隙６０および固定子上方流路６１の空気を吸い込むように回転する。

内部ファン４によって吸い込まれた空気は、風道部入口流路６３を経て、熱交換器上流側流路６４に流れ込む。その後、当該空気は、熱交換器４３を通り抜ける。熱交換器４３を通り抜けている間に、当該空気は冷却される。

詳細な図示は省略するが、熱交換器４３には、内部に冷却水配管が配置されている。この冷却水配管は、風道部４２の外部から冷却水を供給し、熱交換後に再び風道部４２の外部に流れるように構成されている。

熱交換器４３により冷却された空気は、熱交換器下方流路６２に流れ込んで、回転子２０および固定子３０の軸方向外側（図１の左側）を経て、一部は半径方向空隙６０に流れ込む。半径方向空隙６０に流れ込んだ空気の多くは、風仕切り板８に吹き付けられる。

風仕切り板８に吹き付けられた空気の一部は、風仕切り板８よりも下流側（図１の右側）に流れて、そのまま半径方向空隙６０を通り抜けて、内部ファン４に向かって流れる。

風仕切り板８に吹き付けられた空気の一部は、回転子ダクト２２を半径方向外側に通り抜けて、固定子鉄心３１の固定子ダクト３４に流れ込む。このとき、風仕切り板８の図１の右側にある鋼板群３２等を冷却することができる。風仕切り板８の図１の右側にある鋼板群２５、３２等を冷却した空気は、固定子上方流路６１に流れ出て、内部ファン４に向かって流れる。

仮に風仕切り板８がない場合には、半径方向空隙６０に流れ込んだ空気は、その多くが半径方向空隙６０の下流側（図１の右側）に向かって流れてしまう。その結果、特に上流側の回転子ダクト２２および固定子ダクト３４の半径方向流路に流れる空気は、少なくなる。この場合、回転子２０および固定子３０を冷却する効果が低くなる。特に上流側の固定子鉄心３１の冷却効率は低くなってしまう。

これに対して、本実施形態では、風仕切り板８を配置することによって、固定子３０内の軸方向の上流側を効率よく冷却できる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、冷却されにくい軸方向の上流側の固定子鉄心３１の冷却効果を向上させることで、固定子鉄心３１等を軸方向に均一に冷却できるようにすることが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図である。なお、図４では、リブ１０の支持部１２および取付け部１１について、回転子２０の軸方向中央よりも上流側（図４における左側）のみ示し、下流側は省略している。本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の風仕切り板８は、回転子２０の軸方向中央よりも、上流側、すなわち、図４における左側に、風仕切り板８が軸方向に複数（この例では、二つ）配置されている。

これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ると共に、第１の実施形態よりも、半径方向空隙６０内において上流側の固定子３０等を冷却しやすくなる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について図５および図６を用いて説明する。図５は、本実施形態の回転電機の風仕切り板８等を模式的に示した部分側面図である。図６は、図５の風仕切り板８よりも、半径方向空隙６０内の気流の下流側に配置された風仕切り板８等を模式的に示した部分側面図である。

なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１に示すものと同様である。

本実施形態の回転子２０は、支持部１２が軸方向に複数配列されて支持されている。この例では、軸方向に配列された全ての支持部１２に風仕切り板８が取り付けられている。このとき、風仕切り板８の面積が上流側と下流側で異なるように構成される。

この例では、上流側が下流側よりも面積が大きくなるように、すなわち、半径方向空隙６０に占める割合が大きくなるように構成されている。図５に示す風仕切り板８が取り付けられる軸方向位置は、図６に示す風仕切り板８が取り付けられる軸方向位置よりも、上流側である。

このように構成することで、第１の実施形態よりも、半径方向空隙６０から各間隔板３３の半径方向流路に流す空気の量を細かく調整することが可能になり、固定子３０等を均一に冷却することが可能になる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

上述した実施形態では、内部ファン４でフレーム４０内の空気を流通させているが、これに限らない。他の電源で回転する外部ファンで、フレーム４０内の空気を循環させてもよい。

また、第３の実施形態では、風仕切り板８の外寸で面積を調整しているが、これに限らない。所定の形状の穴（例えば、円形や矩形）で面積を調整してもよい。

２…回転軸、４…内部ファン、６…軸受、８…風仕切り板、１０…リブ、１１…取付け部、１２…支持部、１３…円環部、２０…回転子、２１…回転子鉄心、２２…回転子ダクト、２３…回転子バー、２４…スロット、２５…鋼板群、２６…間隔板、３０…固定子、３１…固定子鉄心、３２…鋼板群、３３…間隔板、３４…固定子ダクト、３５…固定子巻線、４０…フレーム、４１…本体部、４２…風道部、４３…熱交換器、５１…第１板群、５２…第２板群、５３…第３板群、６０…半径方向空隙、６１…固定子上方流路、６２…熱交換器下方流路、６３…風道部入口流路、６４…熱交換器上流側流路

Claims

水平方向に延びる軸の周りを回転する回転軸と、
前記回転軸を半径方向外側から所定の半径方向空隙を保ちながら取り囲むように配置された円環状で、前記回転軸と共に回転する回転子と、
前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、
前記固定子を半径方向外側から取り囲むように構成された本体部と、この本体部内の空気が流入可能で且つ内部の空気が前記本体部内に流出可能に構成された風道部と、を備えるフレームと、
前記風道部内で前記固定子の上方に配置されて、前記本体部内の空気を冷却可能な熱交換器と、
を有し、
前記固定子の第１軸方向端部から前記半径方向空隙を流れた後に前記第１軸方向端部の反対側の第２軸方向端部に向かって流れる前記本体部内の空気が、前記本体部内の前記第２軸方向端部側から前記風道部内に流入し、前記熱交換器で冷却されて、前記本体部内の前記第１軸方向端部側に流入するように一方通行の空気流路が形成された回転電機において、
前記回転軸の軸方向中央よりも前記第１軸方向端部側に、前記回転軸の外周を取り囲むように固定されて、前記半径方向空隙の少なくとも一部を塞ぐように前記回転軸に垂直な方向に広がる面が形成された風仕切り板を有し、
前記本体部と前記風道部とを仕切る第１板群が、前記固定子と前記熱交換器との間で、前記第１軸方向端部から前記第２軸方向端部に向かって上昇するような傾斜部を備えて、前記固定子の上面と前記傾斜部とによってはさまれた固定子上方流路が形成され、当該固定子上方流路は前記第１軸方向端部から前記第２軸方向端部に向かって拡大するように構成されていること、
を特徴とする回転電機。
前記風仕切り板は、軸方向に互いに間隔をあけて複数配列されていること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記空気流路の上流側にある前記風仕切り板の面積よりも、下流側にある前記風仕切り板の面積が小さくなるように構成されていること、を特徴とする請求項２に記載の回転電機。