JP5992149B2 - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、冷却用のファンが組みつけられた回転電機および回転電機の製造方法に関する。

回転子のコイルに励磁電流を供給するための励磁機を回転子と同軸に設置している回転電機がある。励磁機は、回転子のシャフトの外周に絶縁材を介して装着されるコレクタリングと、このコレクタリングに摺接して励磁電流を供給するブラシと、コレクタリングおよびブラシを覆うコレクタカバーと、コレクタリングやブラシを冷却するためにシャフトに取り付けられてコレクタカバー内の空気を攪拌するファンとを有している。

ファンは、シャフトに接合するための中央リングと、遠心方向へ気流を発生するための複数の翼とを少なくとも有し、各部材どうしが溶接やリベット接合などによって組み立てられている。このファンは、シャフトに対して中央リングが締り嵌めの寸法公差で製造され、焼き嵌めによって取り付けられる。

実開昭６０−１５３８９７号公報 特表２０１０−５２５７７１号公報

ファンを構成する部材は、溶接性および焼き嵌めなどを考慮して、構造用鋼材を使用することが多い。しかし、ファンを鋼材で製造すると質量が大きくなるため、入念な振れ取りが必要であるだけでなく、シャフトに組み付ける際に揚重装置が必要になる。また、溶接によってファンを組み立てる場合、材料取り、部品ごとの加工、仮組み、溶接、検査、焼鈍、仕上加工、歪取り、振れ取りといったような様々な製造工程を要し、製造単価が高くなるだけでなく、各工程において熟練した技能を要する。

また、設計要求としてファンに求められる静圧上昇性能を満足するためには、翼の断面形状を流線形にするか、厚みが均一な断面の翼である場合には湾曲させたり翼面積を大きくしたりするか、翼枚数を増やすなどの策を講じなければならない。翼の断面形状を流線型にすると、各翼の加工工数が増大するとともに、組み立ての際の位置決めが難しくなる。翼が均一な厚みの断面である場合、翼の面積を広げたり枚数を増やしたりする必要があるので、ファンの質量がさらに増加してしまう。翼の面積を広げた場合は、ファンの外形が大きくなるため、これに合わせてコレクタカバーも大きくしなければならない。

ファンが取り付けられた近傍には、コレクタリングやコレクタカップリングが配置されており、これらもまたシャフトに焼き嵌めされている。したがって、運開後のメンテナンスでファンを取り外す必要が生じた場合、コレクタリングやコレクタカップリングも合わせて取り外さなければならない。

そこで、本発明は、製造性に優れかつ軽量であり、性能および信頼性の高いファンを有した回転電機および回転電機の製造方法を提供する。

一実施形態の回転電機は、
原動機によって回転される回転子の励磁コイルに励磁電流を供給して固定子の誘導コイルに電力を発生させる回転電機であって、
前記回転子および前記固定子を収納するフレームを貫通して延びた前記回転子のシャフトの外周に装着されて前記励磁コイルに接続された一対のコレクタリングと、
前記シャフトの端部に取り付けられるカップリングと、
前記コレクタリングおよびカップリングの外周径よりも大きい内周径の中央リングおよび当該中央リングから延びる翼を有するファンと、
一対の前記コレクタリングの間の前記シャフトに装着され、前記中央リングを前記シャフトの軸方向に結合するボスと、を備える。
また、一実施形態の回転電機の製造方法は、
原動機によって回転される回転子の励磁コイルに励磁電流を供給して固定子の誘導コイルに電力を発生させる回転電機の製造方法であって、
前記回転子および前記固定子を収納するフレームを貫通して延びた前記回転子のシャフトの外周に前記励磁コイルに接続される一対のコレクタリングを装着する工程と、
前記シャフトの端部にカップリングを取り付ける工程と、
前記コレクタリングの間の前記シャフトにボスを装着する工程と、
前記コレクタリング、前記カップリングおよび前記ボスを前記シャフトに取り付けた状態で、前記コレクタリングおよびカップリングの外周径よりも大きい内周径を有するファンを前記回転子のシャフトに沿って前記コレクタリングおよびカップリングを超えて移動させて前記ボスに取付ける工程と、を備える。

第１の実施形態の回転電機を模式的に示す断面図。 図１に示した回転電機のファンの周辺を拡大した断面図。 図２に示したファンの一部を切り欠いた側面図。 図３中のＦ４−Ｆ４線に沿うファンの断面図。 第２の実施形態の回転電機のファンを軸方向に分解した断面図。 図５に示したファンの連結部を拡大した断面図。 第３の実施形態の回転電機のファンを軸方向に分解した断面図。 図７に示したファンの係合部の分解斜視図。

第１の実施形態の回転電機１について、図１から図４を参照して説明する。図１に示す回転電機１は、原動機Ｔによって回転される回転子１１の励磁コイルに励磁電流を供給して固定子１２の誘導コイルに電力を発生させる。回転子１１および固定子１２は、フレーム１３に収納される。フレーム１３の内部は、冷却媒体ガスＧとして用いられる水素ガスで満たされている。回転子１１の端部は、フレーム１３を貫通して延びている。冷却媒体ガスＧをフレーム１３内に密封するために、フレーム１３を貫通する回転子１１のシャフト１１１に軸封装置１４および軸受１５が装着されている。

この回転電機１は、図２に示すようにコレクタリング２１とカップリング２２とファン２３とボス２４とを備える。コレクタリング２１は、フレーム１３を貫通して延びた回転子１１のシャフト１１１の外周に絶縁材２５を介在させて焼き嵌めによって装着されている。このコレクタリング２１は、図２に示すようにシャフト１１１の軸Ｌに沿う方向に距離を空けて一対に設けられ、励磁コイルの両端にそれぞれ接続されている。カップリング２２は、シャフト１１１の端部に焼き嵌めによって取り付けられる。

ファン２３は、図２に示すようにシャフト１１１の外周を囲う環状にかつ一体に形成されている。ボス２４は、一対のコレクタリング２１の間に焼き嵌めによって装着され、シャフト１１１の軸Ｌに沿う方向にファン２３が結合固定される。図２に示すように、ファン２３の内周径Ｒ２３は、コレクタリング２１の外周径Ｒ２１およびカップリング２２の外周径Ｒ２２よりも大きく作られている。したがって、ファン２３は、コレクタリング２１、ボス２４、カップリング２２が取り付けられた状態で、シャフト１１１の端部から通されてボス２４に取り付けることができる。つまり、必要に応じてファン２３だけを取り外すことも可能である。

このファン２３は、アルミニウム合金製の１つの環状の鍛造品から機械切削で、図３および図４に示すように、中央リング２３１と複数の翼２３２と側部リング２３３とを削り出して一体に形成されている。

ファン２３を削りだすための材料として鍛造品を採用することによって、鋳物とは異なり、材料の内部に気孔が入っていないので、気孔を起点とする亀裂の発生の心配も無く、また、気孔を加味した予備寸法を設定する必要も無くなる。したがって、材料の信頼性も高く、加工後のファン２３の重量も小さくなる。また、ファン２３に使用される鍛造品のアルミニウム合金の材料は、引張強さが１３０ＭＰａ以上のものを採用する。回転電機１の機動および停止の際にファンに加わる繰り返し負荷に対する疲労強度を高く設定することができる。

中央リング２３１は、ボス２４に結合される肉厚の基部２３１Ａと、基部からシャフト１１１の軸Ｌに対して垂直に延びるディスク部２３１Ｂとを有している。中央リング２３１は、軸Ｌに平行に開通するボルト孔２３１Ｃを基部２３１Ａに有している。ボス２４は、このボルト孔２３１Ｃに対応してネジ穴２４Ａが形成されている。

ファン２３は、ボス２４に対してシャフト１１１の軸Ｌと平行にボルト孔２３１Ｃに通されるボルト２６によって締結される。ボス２４に対してファン２３を取り付ける場合、いくつかのネジ穴２４Ａにガイドピンを装着しておくと、位置決め作業が容易になる。他のネジ穴２４Ａにボルト２６を装着した後で、ガイドピンをボルト２６に代えればよい。

さらにこのファン２３は、シャフト１１１の軸Ｌと平行に貫通したネジ穴２３１Ｄを基部２３１Ａの数箇所に有している。このネジ穴２３１Ｄは、シャフト１１１の軸Ｌに沿ってボス２４からファン２３を離す際に、ジャッキボルトを装着するために使用される。ファン２３の直径が大きくなると、ボス２４に対して平行に組み立てたり取り外したりすることが難しくなる。ボス２４にファン２３を組み付ける場合は、ボルト２６を均等に締めていくことによって比較的すんなりと取り付けることができる。しかし、ファン２３をボス２４から取り外す場合、ボルト２６を利用することはできない。そこで、このネジ穴２３１Ｄにジャッキボルトを取り付け、均等に締め込んでいくことで、ジャッキボルトでボス２４の側面を押し、ファン２３をボス２４から離す。

複数の翼２３２は、それぞれ中央リング２３１のディスク部２３１Ｂの両側面からシャフト１１１の軸Ｌと平行に延び、流線型の断面を有している。図３に示すように各翼２３２は、ファン２３がシャフト１１１に伴って回転することでシャフト１１１に対して遠心方向に気流を発生させる角度に形成されている。本実施形態の場合、翼２３２を機械切削によって削りだすため、翼を個別に作って溶接する場合に比べて、翼２３２の形状を流線型にしても製造コストは大きく変わらない。

翼２３２の断面が流線型に形成されていることによって、翼の厚みが均一な場合に比べて、少ない数の翼２３２でも十分な静圧上昇性能を得ることができるため、ファン２３の軽量化に寄与する。また、翼２３２が流線型に形成されることで、回転中の風切り音を防止することにもなる。

側部リング２３３は、図２および図４に示すようにシャフト１１１の軸Ｌに垂直な面に沿って翼２３２の端部を周方向に連結する。これによって、回転子１１とともにファン２３が回転する間、翼２３２が個々に振動することを防止する。

以上のように構成された回転電機１において、ファン２３の内周径Ｒ２３は、コレクタリング２１やカップリング２２の外周径Ｒ２１，Ｒ２２よりも大きく形成されている。したがって、回転子１１のシャフト１１１にコレクタリング２１、ボス２４、カップリング２２をそれぞれ焼き嵌めによって取り付けた後からでもファン２３を組み付けることができる。このとき、溶接を行なわずに環状の鍛造品から機械切削によって、中央リング２３１と翼２３２と側部リング２３３のすべてを削り出してファン２３を形成する。ファンを構成する各部品の単品加工、組立に必要な治具の段取り、仮組立、溶接、応力除去のための焼鈍、歪取り、溶接部の検査、仕上げ加工といった、様々な付随作業が排除されるので、機械切削に多少の時間を要しても、トータルコスト的にファン２３を安く作ることができる。また、ファン２３をアルミニウム合金によって作っているので、ファン２３自体が軽くなり、組立作業の能率も向上する。

さらに、ボスとファンが一体に作られていた従来の回転電機の場合、コレクタリングやカップリングを回転子のシャフトに組み付ける作業と前後して、ファンを取り付けなければならなかったのに対し、この実施形態の回転電機１によれば、コレクタリング２１やカップリング２２とともにボス２４を先に取り付けておき、後からファン２３を付けることができる。つまり、周辺の作業状況や必要に応じて一時的にファン２３を外しておくこともできる。回転子１１の製造工程において、ファン２３を取り付けるタイミングの自由度が増し、作業手順の見直しやハンドリングの改善も期待される。

第２の実施形態の回転電機１について、図５および図６を参照して説明する。各図中において第１の実施形態の回転電機１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付して第１の実施形態の対応する記載を参酌することとする。第２の実施形態の回転電機１は、図５および図６に示すようにファン２３の基部２３１Ａとボス２４との結合部の構造が、第１の実施形態の回転電機１と異なっている。その他の構造は第１の実施形態の回転電機１と同じである。

第２の実施形態において、図５に示すように、ボス２４は、回転子１１のシャフト１１１の軸Ｌに沿う方向に凹んだ環状の溝２４４を有している。ファン２３は、この溝２４４に対してシャフト１１１の軸Ｌに沿う方向に嵌合する環状の凸部２３４を基部２３１Ａに有している。ボルト孔２３１Ｃは、シャフト１１１の軸Ｌと平行に凸部２３４を貫通するように形成され、ボス２４のネジ穴２４Ａも溝２４４の底部に設けられる。

さらに、この第２の実施形態の場合、図６に示すように、ファン２３の凸部２３４の外周径Ｄ２３がボス２４の溝２４４の内周径Ｄ２４よりもわずかに大きい、締り嵌めの寸法関係に形成されている。したがって、ファン２３をボス２４に組み付ける場合、ファン２３を冷し嵌めによって装着する。または、ファン２３の凸部２３４とボス２４の溝２４４の嵌め合いストロークに対して十分な長さの植え込みボルトをガイドとしてボス２４のネジ穴２４Ａの等配となる数箇所に取り付け、植え込みボルトに装着したナットでファン２３をボス２４に対して圧入するように組み立ててもよい。

このように、ファン２３の凸部２３４の外周径Ｄ２３がボス２４の溝２４４の内周径Ｄ２４よりも大きい締りばめの寸法関係に設けられていることによって、ファン２３に作用する遠心力でファン２３が偏心するのを予防することができる。

第３の実施形態の回転電機１について、図７および図８を参照して説明する。各図中において第１および第２の実施形態の回転電機１と同じ機能を有する構成は、同一の符号を付して第１および第２の実施形態の対応する記載を参酌することとする。第３の実施形態の回転電機１は、図７および図８に示すようにファン２３の凸部２３４の外周とボス２４の溝２４４の外周との間にシャフト１１１の回転方向に位置決めする係合部を有している点が第２の実施形態と異なっている。

第３の実施形態では、係合部として、ファン２３の凸部２３４の外周に突起２３５を形成し、ボス２４の溝２４４の外周に突起２３５に対応するノッチ２４５を形成している。突起２３５とノッチ２４５の凹凸の関係は、逆であってもよい。また、係合部を設ける代わりに位置決めの穴をファン２３およびボス２４のそれぞれに設け、この穴にピンやキーを挿してもよい。さらに、突起２３５とノッチ２４５の代わりに、ファン２３の凸部２３４とボス２４の溝２４４に、円弧の一部を直線状に加工して互いに合致させるフラット部を形成してもよい。

ファン２３の凸部２３４とボス２４の溝２４４にシャフト１１１の回転方向に位置決めする係合部（突起２３５およびノッチ２４５）を設けることによって、回転電機１の起動や停止によってファン２３とボス２４との間に周方向の力が作用した場合にもファン２３がずれ動くことを防止できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
以下、本願の出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
原動機によって回転される回転子の励磁コイルに励磁電流を供給して固定子の誘導コイルに電力を発生させる回転電機であって、
前記回転子および前記固定子を収納するフレームを貫通して延びた前記回転子のシャフトの外周に装着されて前記励磁コイルに接続された一対のコレクタリングと、
前記シャフトの端部に取り付けられるカップリングと、
前記シャフトの外周を囲う環状に一体に形成されて前記コレクタリングおよびカップリングの外周径よりも大きい内周径を有したファンと、
一対の前記コレクタリングの間に装着され前記シャフトの軸方向に前記ファンが結合固定されるボスと、を備えることを特徴とする回転電機。
［２］
前記ファンは、前記ボスに結合される中央リングと、前記中央リングに対して前記シャフトの軸と平行に延び前記シャフトに対して遠心方向に気流を発生させる流線型の断面を有した複数の翼と、前記シャフトの軸に垂直な面に沿って前記翼の端部を周方向に連結する側部リングと、を一体に削り出して作られることを特徴とする［１］に記載された回転電機。
［３］
前記ボスは、前記シャフトの軸方向に凹んだ環状の溝を有し、
前記ファンは、前記溝に対して前記シャフトの軸方向に嵌合する環状の凸部を有することを特徴とする［１］または［２］に記載された回転電機。
［４］
前記凸部の外周径と前記溝の内周径は、締り嵌めの関係に形成されることを特徴とする［３］に記載された回転電機。
［５］
前記ファンは、前記ボスから前記軸方向に前記ファンを押し離すジャッキボルトを装着するネジ穴を有していることを特徴とする［１］から［４］のいずれかに記載された回転電機。
［６］
前記ファンと前記ボスとは、前記シャフトの回転方向に位置決めする係合部を備えることを特徴とする［１］から［５］のいずれかに記載された回転電機。

１…回転電機、１１…回転子、１１１…シャフト、１２…固定子、１３…フレーム、２１…コレクタリング、２２…カップリング、２３…ファン、２３１…中央リング、２３１Ｄ…ネジ穴、２３２…翼、２３３…側部リング、２３４…凸部、２４…ボス、２４４…溝、２３５…突起（係合部）、２４５…ノッチ（係合部）、Ｒ２１…（コレクタリングの）外周径、Ｒ２２…（カップリングの）外周径、Ｒ２３…（ファンの）内周径、Ｄ２３…（凸部の）外周径、Ｄ２４…（溝の）内周径。

Claims (8)

1. 原動機によって回転される回転子の励磁コイルに励磁電流を供給して固定子の誘導コイルに電力を発生させる回転電機であって、
   前記回転子および前記固定子を収納するフレームを貫通して延びた前記回転子のシャフトの外周に装着されて前記励磁コイルに接続された一対のコレクタリングと、
   前記シャフトの端部に取り付けられるカップリングと、
   前記コレクタリングおよびカップリングの外周径よりも大きい内周径の中央リングおよび当該中央リングから延びる翼を有するファンと、
   一対の前記コレクタリングの間の前記シャフトに装着され、前記中央リングを前記シャフトの軸方向に結合するボスと、
   を備えることを特徴とする回転電機。
2. 前記翼は、前記中央リングに対して前記シャフトの軸と平行に延び前記シャフトに対して遠心方向に気流を発生させる流線型の断面を有して複数設けられ、
   前記ファンは、前記中央リング、前記翼、および前記シャフトの軸に垂直な面に沿って前記翼の端部を周方向に連結する側部リングからなる一体成形であることを特徴とする請求項１に記載された回転電機。
3. 前記ボスは、前記シャフトの軸方向に凹んだ環状の溝を有し、
   前記ファンは、前記溝に対して前記シャフトの軸方向に嵌合する環状の凸部を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された回転電機。
4. 前記ファンは、前記ボスに結合される前の前記凸部の外周径が、前記溝の内周径よりも大きく形成されてなることを特徴とする請求項３に記載された回転電機。
5. 前記ファンは、前記ボスから前記軸方向に前記ファンを離すジャッキボルトを装着可能なネジ穴を有していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載された回転電機。
6. 前記ファンと前記ボスとは、前記シャフトの回転方向に位置決めする係合部を備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載された回転電機。
7. 原動機によって回転される回転子の励磁コイルに励磁電流を供給して固定子の誘導コイルに電力を発生させる回転電機の製造方法であって、
   前記回転子および前記固定子を収納するフレームを貫通して延びた前記回転子のシャフトの外周に前記励磁コイルに接続される一対のコレクタリングを装着する工程と、
   前記シャフトの端部にカップリングを取り付ける工程と、
   前記コレクタリングの間の前記シャフトにボスを装着する工程と、
   前記コレクタリング、前記カップリングおよび前記ボスを前記シャフトに取り付けた状態で、前記コレクタリングおよびカップリングの外周径よりも大きい内周径を有するファンを前記回転子のシャフトに沿って前記コレクタリングおよびカップリングを超えて移動させて前記ボスに取付ける工程と、
   を備えることを特徴とする回転電機の製造方法。
8. 前記ボスに結合される中央リングと、前記中央リングに対して前記シャフトの軸と平行に延び前記シャフトに対して遠心方向に気流を発生させる流線型の断面を有した複数の翼と、前記シャフトの軸に垂直な面に沿って前記翼の端部を周方向に連結する側部リングと、を一体に削り出して前記ファンを製造する工程をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載された回転電機の製造方法。

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