JP6002186B2 - 立形回転電機および振動防止方法 - Google Patents

Description

本発明は、回転軸を垂直にして設置される立形回転電機およびその振動防止方法に関する。

従来の典型的な立形回転電機は、回転子、固定子、およびこれらを収納するフレームを有する。また、回転子および固定子の冷却のための冷却用気体を冷却するための冷却器が設けられている例がある（特許文献１）。冷却器は、冷却器カバーに収納されている。冷却器カバーはフレームとともに密閉空間を形成し、この密閉空間内を冷却用気体が循環する。

実開昭６３−１０９５５９号公報

図７は、従来例の立形回転電機の立断面図である。また、図８は、従来例の立形回転電機の冷却器カバーを取外した状態を示す概念的鳥瞰図である。回転電機は回転子１０、固定子２０を有し、ロータシャフト１１以外は基本的にフレーム４１に収納されている。また、冷却器５１を収納する冷却器カバー５３がフレーム４１に接続されている。

冷却用気体がフレーム４１と冷却器カバー５３内の密閉空間を循環するために、フレーム４１と冷却器カバー５３が接続する部分には、冷却用気体の通路を確保するための開口４１ａ、４１ｂおよび４１ｃが形成されている。フレームの冷却器用カバーと接続する側面は冷却気体が通るため、上から順に上部の連通開口４１ａ、中央の連通開口４１ｃおよび下部の連通開口４１ｂが形成されていることにより、構造強度上は欠損部を有している。この結果、フレーム４１においては、図８に示す一方の水平方向であるｙ方向の剛性に比べて、他の水平方向であるｘ方向および鉛直方向であるｙ方向の剛性が低くなる。

また、冷却器カバー５３の剛性は、フレーム４１の剛性に比べて低い。このため、フレーム４１の連通開口４１ａ、４１ｂおよび４１ｃが形成された側面に冷却器カバー５３が取り付けられていることは、フレーム４１の剛性の低下を補償するほどの効果をもたらさない。このため、立形回転電機の現地据付け後に、固有振動数が回転周波数に近づいて共振が発生するという問題を生ずることがあった。一方、回転電機の製作完了後に固有振動数の調整を行うことは困難であった。

そこで、本発明は、固有振動数が回転周波数に近づいており共振が発生することが判明した場合に、容易に立形回転電機の固有振動数を調整し共振による振動を防止することを可能とすることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る立形回転電機は、鉛直な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の上方に配設され、前記回転子を支持する上部軸受と、前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の下方に配設され、前記ロータシャフトを支持する下部軸受と、前記回転子鉄心の径方向外側に配されて固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子コイルとを有する固定子と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、据付基礎に支持されて鉛直上方に延びて連通開口が形成された開口側面を有するフレームと、前記フレームに固定支持され前記上部軸受を支持する上部軸受ブラケットと、前記フレームに固定支持されて前記下部軸受を支持する下部軸受ブラケットと、前記フレームの前記開口側面を塞ぐように前記フレームに接続されて、前記フレーム、前記上部軸受ブラケットおよび前記下部軸受ブラケットとともに密閉空間を形成する冷却器カバーであって、前記フレーム内を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内蔵し前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記フレームと前記冷却器カバーとの接続部において前記フレームと前記冷却器カバーとに挟まれるように設けられ、前記密閉空間を構成する部分となりかつ前記連通開口に対応した開口を有して平面的に広がった補強部材と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る立形回転電機は、鉛直な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の上方に配設され、前記回転子を支持する上部軸受と、前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の下方に配設され、前記ロータシャフトを支持する下部軸受と、前記回転子鉄心の径方向外側に配されて固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子コイルとを有する固定子と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、据付基礎に支持されて鉛直上方に延びて連通開口が形成された開口側面を有するフレームと、前記フレームに固定支持され前記上部軸受を支持する上部軸受ブラケットと、前記フレームに固定支持されて前記下部軸受を支持する下部軸受ブラケットと、前記フレームの前記開口側面を塞ぐように前記フレームに接続されて、前記フレーム、前記上部軸受ブラケットおよび前記下部軸受ブラケットとともに密閉空間を形成する冷却器カバーであって、前記フレーム内を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内蔵し前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記フレームと前記冷却器カバーとの接続部において前記フレームと前記冷却器カバーとに挟まれるように設けられ、前記密閉空間を構成する部分となりかつ前記連通開口に対応した開口を有して平面的に広がった取外し可能な調整用枠と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る振動防止方法は、立形回転電機およびこの立形回転電機に結合される結合対象回転機器の据付け後の組合せ試験において振動が発生した場合にこれを回避して振動の発生を防止する振動防止方法であって、前記立形回転電機は、回転子鉄心および固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心および固定子を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内包し前記フレームと互いに連通しかつ前記フレームとともに密閉空間を形成する冷却器カバーとを有しており、当該振動防止方法は、前記フレームから前記冷却器カバーを取り外す冷却器カバー取外しステップと、前記冷却器カバー取外しステップの後に、前記冷却器カバーとの接続用の開口部に補強部材を取付けることにより前記密閉空間を形成し前記フレームを構造強度上補強する補強部材取付けステップと、前記補強部材を取付けた前記フレームに前記冷却器カバーを取り付ける冷却器カバー取付けステップと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る振動防止方法は、立形回転電機およびこの立形回転電機に結合される結合対象回転機器の据付け後の組合せ試験において振動が発生した場合にこれを回避して振動の発生を防止する振動防止方法であって、前記立形回転電機は、回転子鉄心および固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心および固定子を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内包し前記フレームと互いに連通しかつ前記フレームとともに密閉空間を形成する冷却器カバーと、前記フレームと前記冷却器カバーの間に設けられて前記フレームと前記冷却器カバーを結合させ前記密閉空間の一部を構成する取外し可能な調整用枠とを有しており、当該振動防止方法は、前記フレームと前記冷却器カバーの相対位置を保持しながら前記調整用枠を取り外す調整用枠取外しステップと、前記調整用枠取外しステップの後に、前記調整用枠を取り外した後の空間に補強部材を取付けることにより前記密閉空間の一部を形成し前記フレームを構造強度上補強する補強部材取付けステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、固有振動数が回転周波数に近づいており共振が発生することが判明した場合に、容易に立形回転電機の固有振動数を調整し共振による振動を防止することが可能となる。

第１の実施形態に係る立形回転電機の立断面図である。 第１の実施形態に係る立形回転電機の補強部材の正面図である。 第１の実施形態に係る立形回転電機の効果を説明するグラフである。 第１の実施形態に係る振動防止方法の手順を示すフロー図である。 第２の実施形態に係る立形回転電機の立断面図である。 第２の実施形態に係る振動防止方法の手順を示すフロー図である。 従来例の立形回転電機の立断面図である。 従来例の立形回転電機の冷却器カバーを取外した状態を示す概念的鳥瞰図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る立形回転電機および振動防止方法について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る立形回転電機の立断面図である。立形回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、上部軸受３１、下部軸受３２、フレーム４１、冷却器５１および冷却器５１の外側を包囲する冷却器カバー５３を有する。立形回転電機１００は支持台６を有し、支持台６を介して据付基礎５に支持されている。また、立形回転電機１００は、結合部１１ａにおいて結合対象の回転機器（図示せず）と結合する。ここで結合対象の回転機器は、たとえば立形回転電機１００が電動機の場合のポンプ、立形回転電機１００が発電電動機の場合のポンプ水車などである。

回転子１０は、ロータシャフト１１および回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、上部を上部軸受３１によって、また下部を下部軸受３２によって回転可能に軸支されている。上部軸受３１は鉛直下方に作用するスラスト力を受けるスラスト軸受を兼ねている。固定子２０は、固定子鉄心２１および固定子コイル２２を有する。

上部軸受３１の外側部分は、フレーム４１に固定支持された上部軸受ブラケット４２に固定支持されている。また、下部軸受３２の外側部分は、フレーム４１に固定支持された下部軸受ブラケット４３に固定支持されている。

フレーム４１、上部軸受ブラケット４２、下部軸受ブラケット４３、および冷却器カバー５３は、密閉空間４５を形成している。回転子１０のロータシャフト１１の回転子鉄心１２の上方および下方には軸回りを回転する内扇ファン１５が取り付けられている。内扇ファン１５は、密閉空間４５内の冷却用気体を駆動して、冷却用気体を密閉空間４５内で循環させる。

フレーム４１内には、内扇ファン１５と内扇ファン１５の径方向外側に設けられて雰囲気を仕切る仕切り板４４が、軸方向に２か所設けられている。仕切り板４４は、水平に設けられ、中央に円形の貫通孔が形成されている。この内扇ファン１５と仕切り板４４が鉛直方向に２か所設けられていることにより、フレーム４１内は、上下に３つの区画に分割されている。

すなわち、密閉空間４５のうちフレーム４１内の最上部、すなわち上側の内扇ファン１５および仕切り板４４と上部軸受ブラケット４２に挟まれた上部空間４５ｂと、下側の内扇ファン１５および仕切り板４４と下部軸受ブラケット４３に挟まれた下部空間４５ｃと、上側と下側それぞれの内扇ファン１５および仕切り板４４に挟まれた中央空間４５ａに分割される。密閉空間４５はさらにカバー空間４５ｄを有する。

内扇ファン１５が回転することによって、密閉空間４５内の冷却用気体が密閉空間内を循環する。すなわち、中央空間４５ａ内の冷却用気体が、内扇ファン１５に吸い込まれ、上部空間４５ｂおよび下部空間４５ｃに圧送される。

上部空間４５ｂに圧送された冷却用気体は、上部の連通開口４１ａよりカバー空間４５ｄ内に流入する。同様に、下部空間４５ｃに圧送された冷却用気体は、下部の連通開口４１ｂよりカバー空間４５ｄ内に流入する。カバー空間４５ｄ内に流入した冷却用気体は、冷却器５１において冷却された後に、中央の連通開口４１ｃから中央空間４５ａに流入し、回転子鉄心１２および固定子２０等を冷却する。

冷却器５１は、互いに並列に配されて鉛直方向に延びた複数の伝熱管５１ａを有する。伝熱管５１ａの上端および下端はそれぞれ管板に支持されている。伝熱管５１ａの外側を、被冷却媒体である密閉空間４５内の冷却用気体が流れる。

伝熱管５１ａの内部には外扇ファン５４により取り入れられた冷却用媒体としての外気が流れる。外扇ファン５４は、たとえば遠心ファンであり、軸を鉛直方向にして上部軸受３１の上方のロータシャフト１１の端部に取り付けられている。外扇ファン５４の上方には、図示しない外気取入れ口が形成されている。

フレーム４１と冷却器カバー５３に挟まれるようにして、補強部材６０が設けられている。補強部材６０は、フレーム４１、上部軸受ブラケット４２、下部軸受ブラケット４３、および冷却器カバー５３とともに、密閉空間４５を形成している。

図２は、補強部材６０の正面図である。補強部材６０は、枠部６１、区切り部６２および強化部６３を有する。枠部６１は、密閉空間４５を形成する内外雰囲気の隔壁としての機能を有する。区切り部６２は、上部の連通開口４１ａと中央の連通開口４１ｃの区切り位置、および中央の連通開口４１ｃと下部の連通開口４１ｂの区切り位置に対応する位置に設けられ、枠部６１に囲まれた領域を、上部の連通開口４１ａと中央の連通開口４１ｃの区切り位置、および中央の連通開口４１ｃと下部の連通開口４１ｂの区切り位置で３つの領域に分割している。

中央の連通開口４１ｃに対応する領域には、斜材部が形成されるように強化部６３が設けられている。図８で示した座標軸の方向からは、補強部材６０は、ｘ方向およびｚ方向に広がっている。強化部６３が設けられていることによって、ｘ方向およびｚ方向の変形が拘束される。すなわち、フレーム４１において、構造強度上の弱い部分である冷却器カバー５３との結合部の側面を補強部材６０で補強することによって、フレーム４１の剛性が方向によらず確保されバランスのとれた状態となっている。

図３は、本実施形態に係る立形回転電機の効果を説明するグラフである。横軸は周波数、縦軸は振幅を示す。立形回転電機１００の回転周波数は、二点鎖線で表示されるｆｎである。破線で示しているのは補強部材６０を取付ける前の立形回転電機１００の振動の周波数である。この場合、立形回転電機１００の回転周波数ｆｎ近辺に広がっており、共振が発生する可能性がある領域である。

実線で示す曲線は、補強部材６０を取付け後の立形回転電機１００の振動の周波数である。この場合、立形回転電機１００の剛性が確保されたことによって、振動の周波数は、高い方にシフトしている。この結果、立形回転電機１００の回転周波数ｆｎから離れる方向に立形回転電機１００の振動の周波数が変化し、共振による振動発生の可能性がなくなっている。

図４は、本実施形態に係る振動防止方法の手順を示すフロー図である。立形回転電機１００および結合対象の回転機器の据付けを行う（ステップＳ０１）。この段階で、立形回転電機１００と結合対象の回転機器とが結合部において互いに結合される。この状態で、立形回転電機１００と結合対象の回転機器との組合せ試験が行われ、振動状態も確認される。ここで、振動が発生した場合（ステップＳ０２）を考える。

フレーム４１の振動に起因している場合は、立形回転電機１００のフレーム４１から冷却器カバー５３を冷却器５１と一体で取り外す（ステップＳ０３）。この冷却器カバー５３を取外した後に、フレーム４１の冷却器カバー５３との接続部の開口部に補強部材６０を取付け固定する（ステップＳ０４）。

次に、冷却器カバー５３を冷却器５１と一体で取り付ける（ステップＳ０５）。この状態においては、補強部材６０の枠部６１が密閉空間４５を形成する要素の一つとなり、密閉空間４５内の流路は、冷却器カバー５３の一部を取り外す以前の状態と変わらず、冷却効果が確保される。最後に、組合せ試験によって、振動が回避されたことを確認する（ステップＳ０６）。

なお、ステップＳ０３ないしステップＳ０５は、立形回転電機１００を据付けた現地で必ずしも実施する必要はない。設備、環境の整った製作者の向上に持ち帰って実施することで、品質管理等のさらなる徹底を図ることができる。

以上のように、本実施形態は、固有振動数が回転周波数に近づいており共振が発生することが判明した場合に、容易に立形回転電機１００の固有振動数を調整し共振を回避し振動を防止することができる。また、そのような状態をあらかじめ回避するために、立形回転電機１００の剛性を確保することができる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る立形回転電機を示す立断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形である。第１の実施形態で、補強部材６０が設けられている箇所に、本第２の実施形態では、調整用枠５３ａが設けられている。調整用枠５３ａは、密閉空間４５の一部を形成する要素となっており、フレーム４１および冷却器カバー５３と結合されている。ただし、フレーム４１および冷却器カバー５３との結合部分は取り外しが可能である。

調整用枠５３ａは、後述するように、必要が生じた場合に、冷却器カバー５３の全体をフレーム４１から取り外すことなく、補強部材６０（図２）をフレーム４１に取付けるためのものである。このために、補強部材６０が占有すべき空間を取外し可能な調整用枠５３ａで占有するようにしたものである。

図６は、第２の実施形態に係る振動防止方法の手順を示すフロー図である。ステップＳ０１およびステップＳ０２は、第１の実施形態と同様である。

ステップＳ０２で発生した振動が、フレーム４１の振動に起因している場合は、立形回転電機１００の調整用枠５３ａを取外す（ステップＳ１３）。調整用枠５３ａは一体で引き抜いても、あるいは、分解により取り外すことでもよい。この調整用枠５３ａを取外した後に、その空きスペースに補強部材６０を挿入等により設置し、フレーム４１と冷却器カバー５３との間に補強部材６０を取付け固定する（ステップＳ１４）。

この状態においては、補強部材６０の枠部６１が密閉空間４５を形成する要素の一つとなり、密閉空間４５内の流路は、冷却器カバー５３の一部を取り外す以前の状態と変わらず、冷却効果が確保される。最後に、組合せ試験によって、振動が回避されたことを確認する（ステップＳ０５）。

以上のように、冷却器カバー５３の全体をフレーム４１から取り外すことなく、補強部材６０をフレーム４１に取付けることができる。

［その他の実施形態］
以上、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は意図していない。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、これらの実施形態は、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同様に、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ものである。

５…据付基礎、６…支持台、１０…回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…結合部、１２…回転子鉄心、１５…内扇ファン、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子コイル、３１…上部軸受、３２…下部軸受、４１…フレーム、４１ａ、４１ｂ、４１ｃ…連通開口、４２…上部軸受ブラケット、４３…下部軸受ブラケット、４４…仕切り板、４５…密閉空間、４５ａ…中央空間、４５ｂ…上部空間、４５ｃ…下部空間、４５ｄ…カバー空間、５１…冷却器、５１ａ…伝熱管、５３…冷却器カバー、５３ａ…調整用枠、５４…外扇ファン、６０…補強部材、６１…枠部、６２…区切り部、６３…強化部、１００…立形回転電機

Claims (4)

1. 鉛直な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の上方に配設され、前記回転子を支持する上部軸受と、
   前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の下方に配設され、前記ロータシャフトを支持する下部軸受と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に配されて固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子コイルとを有する固定子と、
   前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、据付基礎に支持されて鉛直上方に延びて連通開口が形成された開口側面を有するフレームと、
   前記フレームに固定支持され前記上部軸受を支持する上部軸受ブラケットと、
   前記フレームに固定支持されて前記下部軸受を支持する下部軸受ブラケットと、
   前記フレームの前記開口側面を塞ぐように前記フレームに接続されて、前記フレーム、前記上部軸受ブラケットおよび前記下部軸受ブラケットとともに密閉空間を形成する冷却器カバーであって、前記フレーム内を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内蔵し前記フレームと連通する冷却器カバーと、
   前記フレームと前記冷却器カバーとの接続部において前記フレームと前記冷却器カバーとに挟まれるように設けられ、前記密閉空間を構成する部分となりかつ前記連通開口に対応した開口を有して平面的に広がった補強部材と、
   を備えることを特徴とする立形回転電機。
2. 鉛直な回転軸まわりに回転可能に軸支されたロータシャフトと、そのロータシャフトに固定された回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の上方に配設され、前記回転子を支持する上部軸受と、
   前記ロータシャフトの軸方向の前記回転子鉄心の下方に配設され、前記ロータシャフトを支持する下部軸受と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に配されて固定子鉄心と前記固定子鉄心に巻回された固定子コイルとを有する固定子と、
   前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、据付基礎に支持されて鉛直上方に延びて連通開口が形成された開口側面を有するフレームと、
   前記フレームに固定支持され前記上部軸受を支持する上部軸受ブラケットと、
   前記フレームに固定支持されて前記下部軸受を支持する下部軸受ブラケットと、
   前記フレームの前記開口側面を塞ぐように前記フレームに接続されて、前記フレーム、前記上部軸受ブラケットおよび前記下部軸受ブラケットとともに密閉空間を形成する冷却器カバーであって、前記フレーム内を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内蔵し前記フレームと連通する冷却器カバーと、
   前記フレームと前記冷却器カバーとの接続部において前記フレームと前記冷却器カバーとに挟まれるように設けられ、前記密閉空間を構成する部分となりかつ前記連通開口に対応した開口を有して平面的に広がった取外し可能な調整用枠と、
   を備えることを特徴とする立形回転電機。
3. 立形回転電機およびこの立形回転電機に結合される結合対象回転機器の据付け後の組合せ試験において振動が発生した場合にこれを回避して振動の発生を防止する振動防止方法であって、
   前記立形回転電機は、回転子鉄心および固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心および固定子を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内包し前記フレームと互いに連通しかつ前記フレームとともに密閉空間を形成する冷却器カバーとを有しており、
   当該振動防止方法は、
   前記フレームから前記冷却器カバーを取り外す冷却器カバー取外しステップと、
   前記冷却器カバー取外しステップの後に、前記冷却器カバーとの接続用の開口部に補強部材を取付けることにより前記密閉空間を形成し前記フレームを構造強度上補強する補強部材取付けステップと、
   前記補強部材を取付けた前記フレームに前記冷却器カバーを取り付ける冷却器カバー取付けステップと、
   を有することを特徴とする振動防止方法。
4. 立形回転電機およびこの立形回転電機に結合される結合対象回転機器の据付け後の組合せ試験において振動が発生した場合にこれを回避して振動の発生を防止する振動防止方法であって、
   前記立形回転電機は、回転子鉄心および固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心および固定子を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器を内包し前記フレームと互いに連通しかつ前記フレームとともに密閉空間を形成する冷却器カバーと、前記フレームと前記冷却器カバーの間に設けられて前記フレームと前記冷却器カバーを結合させ前記密閉空間の一部を構成する取外し可能な調整用枠とを有しており、
   当該振動防止方法は、
   前記フレームと前記冷却器カバーの相対位置を保持しながら前記調整用枠を取り外す調整用枠取外しステップと、
   前記調整用枠取外しステップの後に、前記調整用枠を取り外した後の空間に補強部材を取付けることにより前記密閉空間の一部を形成し前記フレームを構造強度上補強する補強部材取付けステップと、
   を有することを特徴とする振動防止方法。

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