JP6118303B2

JP6118303B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6118303B2
Application number: JP2014226335A
Authority: JP
Inventors: 俊昭原; 孝夫善家
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-11-06
Filing date: 2014-11-06
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2034-11-06
Also published as: JP2016093012A; CN105591490B; CN105591490A

Description

本発明は、回転軸を水平にして設置される回転電機に関する。

従来の典型的な回転電機は、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。回転子は、軸方向に延びたロータ軸およびその周りに配された回転子鉄心を有する。ロータ軸はフレームに軸受ブラケットを介して支持された軸受部によって回転自在に軸支される。

固定子は、回転子の径方向の周囲に配され、ロータ軸方向に延びており、固定子鉄心および固定子鉄心に巻回された固定子コイルを有する。固定子は、全体として円筒形状であり、内側の面は、回転子の外側の面と対応し、固定子の内側面と回転子の外側面間には、ギャップが形成されている。

固定子は、フレーム内の複数個所に軸に垂直な方向に設けられた固定子支持板によって支持されている。固定子支持板はフレームの底板および側板とたとえば溶接によって結合されている。固定子支持板の中央には、固定子が貫通するための円形の開口部が形成されている。開口部の縁と固定子の外側とは、溶接等で結合されている。

固定子は、この複数の固定子支持板によって周囲を拘束され、また、自重を支持されている。回転電機の組み立ては、たとえば、固定子支持板の開口に固定子を水平軸方向に挿入することにより行われていた。

特開２０００−５０５３８号公報

回転電機においては、その運転時に、磁気吸引力を有する回転子磁極の回転によって、固定子が軸に垂直な方向の平面内で楕円状に変形する円環振動が発生する（特許文献１参照）。この円環振動をもたらす電磁振動は、固定子の極間の電磁力に起因することから電源周波数の２倍の周波数を有する。

以上のように構成された回転電機においては、電磁振動が直接フレームに伝わりやすいため、フレームによって支持されている軸受部分への影響、あるいは、フレームによって支持されているクーラ等への機械的な荷重による影響などの問題がある。

また、回転電機の製造時の組み立て時においても、固定子の挿入、取付けに専用の組み立て装置が必要となるなどの問題がある。

そこで、本発明は、固定子の電磁振動のフレームへの伝達を抑制し、かつ組立作業性を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る回転電機は、水平な回転軸の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を挟んだ位置にそれぞれ配設され、前記ロータシャフトを支持する２つの軸受と、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巻線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、据付基礎の上面に対向するフレーム底板、および前記フレーム底板と下端で結合され前記固定子を挟んで互いに対向し上方および前記軸方向に広がる２つのフレーム側板とを有するフレームと、前記フレームに固定支持され前記２つの軸受をそれぞれ支持する２つの軸受ブラケットと、前記フレーム底板と結合され、前記フレーム側板とは非接触であって、前記回転軸の長手方向の複数個所でそれぞれ前記固定子を下部で剛に支持し、前記フレーム側板と対向する部分に剛性を調整するための切欠きを有する複数の固定子支持部材と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、固定子の電磁振動のフレームへの伝達を抑制し、かつ組立作業性を向上させることできる。

実施形態に係る回転電機の立断面図である。図１の第ＩＩ−ＩＩ線矢視水平断面図である。図１の第ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視立断面図である。実施形態に係る回転電機の組み立て方法の手順を示すフロー図である。実施形態に係る回転電機の組み立て方法の手順のうちフレーム内へ固定子を搭載するステップでの状態を示す概念的鳥瞰図である。従来の回転電機の組み立て方法の手順のうちフレーム内へ固定子を搭載するステップでの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冷却器付回転電機について説明する。図１は、実施形態に係る回転電機の立断面図である。図２は、図１の第ＩＩ−ＩＩ線矢視水平断面図である。また、図３は、図１の第ＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視立断面図である。

回転電機２００は、回転子２０、軸受２５ａ、２５ｂ、固定子３０、フレーム１０を有する。

回転子２０は、ロータシャフト２１および回転子鉄心２２を有する。ロータシャフト２１は、両端近傍を軸受２５ａおよび２５ｂによって水平に回転可能に軸支されている。回転子鉄心２２は、径方向にはロータシャフト２１の径方向外側であって、回転軸方向には軸受２５ａと軸受２５ｂの間に設けられ、ロータシャフト２１に取り付けられている。また、図示しないファンが、ロータシャフト２１に取り付けられている。

回転子鉄心２２は、外形が円柱形状で、たとえば断面が孔あき円板形状のケイ素鋼板の積層構造を有する。なお、たとえば同期機などのように回転子鉄心２２に図示しない回転子巻線が巻回されている場合でもよい。軸受２５ａ、２５ｂは、たとえば、転がり軸受、すべり軸受などを用いることでよい。

固定子３０は、固定子鉄心３１および固定子巻線３２を有する。固定子鉄心３１は、全体として円筒形状であり、ロータシャフト２１の回転軸方向（以下、主軸方向）には回転子鉄心２２とほぼ同じ範囲に設けられる。また、固定子鉄心３１は、回転子鉄心２２の径方向外側に設けられている。固定子鉄心３１の径方向内側の面と、回転子鉄心２２の径方向外側面とが互いに対向し、所定の範囲のギャップを形成している。

固定子鉄心３１の径方向の内面には、図示しない複数のスロットがロータシャフト２１に平行に形成され、これにより図示しない複数の突出部（ティース）が回転子鉄心２２に対向するように形成されている。この突出部の周りに、固定子巻線３２が巻回されている。

フレーム１０は、回転子鉄心２２および固定子３０を収納する。フレーム１０は、フレーム底板１１、フレーム側板１２、および第１フレーム端板１３ａ、第２フレーム端板１３ｂを有する。フレーム底板１１は、ロータシャフト２１の下方で水平に広がっている。フレーム側板１２は、フレーム底板１１の両側の辺部に結合する２枚の平板である。フレーム側板１２は、互いに固定子を挟んで対向するようにロータシャフト２１に平行に鉛直上方に広がっている。

２枚のフレーム側板１２のそれぞれには側板開口１２ａが形成されている。後述する固定子支持部材３５と固定子鉄心３１との結合作業等において、この２つの側板開口１２ａをアクセス用に用いることができる。

第１フレーム端板１３ａおよび第２フレーム端板１３ｂは、主軸方向に関しては、それぞれ、軸受２５ａおよび軸受２５ｂが取り付けられている位置の近傍に互いに対向するように設けられている。第１フレーム端板１３ａおよび第２フレーム端板１３ｂは、それぞれ、主軸方向に垂直に平面上に広がっている。第１フレーム端板１３ａは、フレーム底板１１および２枚のフレーム側板１２のそれぞれの辺部と結合している。第２フレーム端板１３ｂも同様に、フレーム底板１１および２枚のフレーム側板１２のそれぞれの辺部と結合している。

以上のように、フレーム１０は、全体として直方体形状である。なお、フレーム１０は、最後に上方から被せる上部蓋１５を有する。ここで、上部蓋１５は、単なる水平平板状の蓋の場合もあるが、たとえば、密封型で内部冷却用気体の冷却用の冷却器を内蔵する冷却器カバーのような、上部に取り付けて上部を閉鎖するものであれば、上部蓋と称することとする。

フレーム１０は、フレーム底板１１を下側にして据付基礎５上に設置される。当該回転電機２００が使用場所に設置された状態では、フレーム底板１１は水平な状態で、通常、据付基礎５に密着している。フレーム底板１１と据付基礎５の間は、剛に結合されている。たとえば、据付基礎５に埋め込まれた図示しない埋め込み金物とフレーム底板１１が溶接で結合されてもよい。あるいは、据付基礎５に埋め込まれた図示しないアンカーボルトをたとえばフレーム底板１１に形成された孔に通してナットで締め付けることでもよい。

第１フレーム端板１３ａには、円形の第１端部開口１４ａが形成されている。第１端部開口１４ａは、回転子２０が軸方向に通り抜け可能な口径に形成されている。第２フレーム端板１３ｂには、円形の第２端部開口１４ｂが形成されている。第１端部開口１４ａを覆うように、軸受ブラケット２６ａが第１フレーム端板１３ａに取り付けられている。軸受２５ａは、軸受ブラケット２６ａに支持されている。また、第２端部開口１４ｂを覆うように、軸受ブラケット２６ｂが第２フレーム端板１３ｂに取り付けられている。軸受２５ｂは、軸受ブラケット２６ｂに支持されている。

フレーム底板１１上には、主軸方向の複数個所で、固定子支持部材３５が固定されている。図示の例では、固定子支持部材３５は、主軸方向に垂直に広がる板状である。なお、固定子支持部材３５は板状でなくともよい。たとえば、軸方向に厚みの分布のある形状の物でもよい。

固定子支持部材３５の下端３５ａは、フレーム底板１１に密着し、たとえば溶接でフレーム底板１１に固定されている。なお、回り止めがなされたボルト・ナットによる結合など、確実に剛に結合されていれば他の結合手段でもよい。

固定子支持部材３５の上部３５ｂは、固定子鉄心３１の下半分と密着するように内側が半円形状に形成されている。固定子支持部材３５の上部３５ｂと固定子鉄心３１の下半分とは、たとえば溶接によって結合されている。なお、固定子鉄心３１そのものではなく、固定子鉄心の外面に設けられた補強用の部材と結合されていてもよい。

固定子支持部材３５の下端３５ａと上部３５ｂの中間の高さの部分には、両側に切欠き３５ｃが設けられている。切欠き３５ｃを設けることによって、固定子支持部材３５の剛性が低下して可撓性が増す。可撓性を有することによって、固定子支持部材３５自体が振動エネルギーを吸収、すなわちダンピング効果を有し、全体の振動を低下させる。したがって、振動低減の必要程度に応じて、必要な剛性を確保しながら、切欠き３５ｃの大きさを決定すればよい。

また、当該回転電機２００の運転中にも、固定子支持部材３５がフレーム側板１２と接触しないよう、固定子支持部材３５とフレーム側板１２間にはギャップ３６（図２）が形成されている。

図４は、実施形態に係る回転電機の組み立て方法の手順を示すフロー図である。まず、フレーム底板１１を下側にしてフレーム１０を設置する（ステップＳ０１）。この段階では、フレーム１０の上部蓋１５は外されていて、フレーム１０の上部は開放された状態である。

次に、フレーム底板１１に、主軸方向に沿って複数個所に、固定子支持部材３５の下端３５ａを取り付け、剛に結合する（ステップＳ０２）。この際、固定子支持部材３５とフレーム側板１２とが接触しないように固定子支持部材３５の位置決めをする。

次に、固定子３０を鉛直上方から、フレーム１０内の固定子支持部材３５の上部に搭載する（ステップＳ０３）。このとき、固定子３０は、固定子鉄心３１および固定子巻線３２が組み立てられた状態である。また、回転子２０がないため、固定子３０の内部は円筒状に空間が存在する状態である。次に、固定子３０と各固定子支持部材３５の上部３５ｂとを、たとえば溶接により結合する（ステップＳ０４）。

次に、固定子３０とフレーム１０とが一体になっている状態のままで、回転子２０を水平の状態を保ったまま、第１フレーム端板１３ａの第１端部開口１４ａを経て、固定子３０の中央の空間に挿入する（ステップＳ０５）。この際、回転子２０は、ロータシャフト２１および回転子鉄心２２が組み立てられた状態である。

回転子２０の挿入は、第２端部開口１４ｂをロータシャフト２１が貫通して回転子２０が軸方向に所定の位置に到達するまで行う。また径方向については、回転子２０の挿入時、および回転子の挿入後において、固定子鉄心３１の径方向内側と回転子鉄心２２の径方向外側とのギャップ３６を全周にわたり所定の幅内に維持するように行う。回転子２０の挿入後は、ロータシャフト２１の両端は、図示しない２個の支持台で支持される。２個の支持台は、たとえば、それぞれフレーム１０を挟んで、フレーム１０の前後に配される。

回転子２０が所定の位置に到達して、ロータシャフト２１の両端が支持台に支持された状態で、軸受２５ａ、２５ｂおよび軸受ブラケット２６ａ、２６ｂを取り付ける（ステップＳ０６）。具体的には、軸受２５ａをロータシャフト２１の一方からロータシャフト２１に被せ所定の位置まで移動させる。

次に、軸受ブラケット２６ａが軸受２５ａを支持固定するように軸受ブラケット２６ａと軸受２５ａと組み合わせて、軸受ブラケット２６ａを第１フレーム端板１３ａに取り付ける。また、軸受ブラケット２６ｂが軸受２５ｂを支持固定するように軸受ブラケット２６ｂと軸受２５ｂと組み合わせて、軸受ブラケット２６ｂを第２フレーム端板１３ｂに取り付ける。

この状態で、主要な要素が組み立てられたことになる。こののち、ロータシャフト２１に取り付けると第１端部開口１４ａを通過できない場合のファン（図示せず）のロータシャフト２１への取付け、電気配線の取付けなどを行う。それらが終了すると、最終的にフレーム１０の上部蓋１５の取付けを行う（ステップＳ０７）。

図５は、実施形態に係る回転電機の組み立て方法の手順のうちフレーム内へ固定子を搭載するステップ（Ｓ０３）での状態を示す概念的鳥瞰図である。また、図６は、従来の回転電機の組み立て方法の手順のうちフレーム内へ固定子を搭載するステップでの状態を示す概念的鳥瞰図である。

比較の対象である従来の例を示した図６では、フレーム２１０が、水平位置にある状態を示していないが、これが水平位置にあるとして説明する。この従来の例においては、フレーム２１０内に設けられた２枚の固定子支持板２５０は、それぞれ固定子３０の全周にわたって固定子３０を拘束するように形成されている。

したがって、フレーム２１０の上部が開放されていても、上方から固定子３０をフレーム２１０内に吊り下ろすことができない。このため、固定子３０についても、フレーム端板２１１に形成された端部開口２１１ａから挿入する必要がある。固定子３０は、水平軸方向に挿入する場合、挿入時の姿勢を保つことがロータシャフト２１を有する回転子２０に比べて容易ではない。このため、専用の組み立て治具を必要とする。

そこで、図６に示すように、端部開口２１１ａ、固定子支持板２５０に形成された開口２５０ａが鉛直方向に揃うように、フレーム１０を据付時とは異なる姿勢に置きなおして、上部から吊り下ろす方が現実的な場合もある。

一方、本実施形態においては、ステップＳ０３のフレーム内へ固定子を搭載するステップでは、図５に示すように、フレーム１０の姿勢を変えるような手順を必要とせず、組み立てのすべての工程にわたって、同一の姿勢で組み立て作業を行うことができる。

以上のように構成された本実施形態に係る回転電機においては、その運転時に、磁気吸引力を有する回転子磁極の回転によって、固定子３０が軸に垂直な平面内で楕円状に変形する円環振動などの電磁振動が発生する。この円環振動は、固定子３０から固定子支持部材３５に伝達される。固定子支持部材３５は微小に変形することによって円環振動のエネルギーを吸収しダンピング効果を生ずる。また、エネルギーの大部分は、固定子支持部材３５からフレーム底板１１に伝達される。フレーム底板１１は、据付基礎５に密着し、据付基礎５と剛に結合している。このため、フレーム底板１１に伝達された振動エネルギーは据付基礎５に伝達される。

このように、円環振動などの電磁振動のエネルギーは一部固定子支持部材３５により減衰し、大部分は最終的には据付基礎５に伝達される。したがって、電磁振動がフレーム側板１２、あるいは第１フレーム端板１３ａ、あるいは第２フレーム端板１３ｂに伝わることがなくなる。この結果、フレーム１０によって支持されている軸受部分への影響、あるいは、フレーム１０によって支持されている図示しないクーラ等への機械的な荷重による影響などの問題がなくなる。

また、回転電機の製造時の組み立て時においても、図６に示す従来例のような固定子の挿入、取付けに専用の組み立て装置が必要となるなどの問題が生じない。

以上のように、本発明によれば、固定子の電磁振動のフレームへの伝達を抑制し、かつ組立作業性を向上させることできる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。たとえば、実施形態では、フレームは直方体の箱形の物の場合を例に示したが、これに限定はされない。たとえば、フレーム全体が横置きの円筒形状で上部が開放されている場合でも、本発明は適用可能である。この場合は、フレームのうち据付基礎に密着している範囲の部分をフレーム底板として固定子支持部材を結合し、それ以外の部分とは非接触となるように固定子支持部材の形状、寸法を決めればよい。

また、実施形態では、回転子２０は、ロータシャフト２１とケイ素鋼板などの積層構造を持つ回転子鉄心２２とを有する場合を示したが、これには限定されない。たとえば、かご型誘導電動機のようにかご構造の場合でもよく、その場合も、かご部分を回転子鉄心２２と称することとする。

また、実施形態では、軸受ブラケットはフレーム端板に取り付ける場合を示したが、フレーム端板がなく、軸受ブラケットを直接、フレーム底板およびフレーム側板と結合する場合でもよい。あるいは、軸水平に設置されるフレームが、円筒状で上部に開口がある場合は、軸受ブラケットをこの円筒と結合させることでもよい。

また、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。

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、１０…フレーム、１１…フレーム底板、１２…フレーム側板、１２ａ…側板開口、１３ａ…第１フレーム端板、１３ｂ…第２フレーム端板、１４ａ…第１端部開口、１４ｂ…第２端部開口、１５…上部蓋、２０…回転子、２１…ロータシャフト、２２…回転子鉄心、２５ａ、２５ｂ…軸受、２６ａ、２６ｂ…軸受ブラケット、３０…固定子、３１…固定子鉄心、３２…固定子巻線、３５…固定子支持部材、３５ａ…下端、３５ｂ…上部、３５ｃ…切欠き、３６…ギャップ、２００…回転電機、２１０…フレーム、２５０…固定子支持板

Claims

水平な回転軸の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を挟んだ位置にそれぞれ配設され、前記ロータシャフトを支持する２つの軸受と、
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巻線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、据付基礎の上面に対向するフレーム底板、および前記フレーム底板と下端で結合され前記固定子を挟んで互いに対向し上方および前記軸方向に広がる２つのフレーム側板とを有するフレームと、
前記フレームに固定支持され前記２つの軸受をそれぞれ支持する２つの軸受ブラケットと、
前記フレーム底板と結合され、前記フレーム側板とは非接触であって、前記回転軸の長手方向の複数個所でそれぞれ前記固定子を下部で剛に支持し、前記フレーム側板と対向する部分に剛性を調整するための切欠きを有する複数の固定子支持部材と、
を備えることを特徴とする回転電機。
前記固定子支持部材は、上方から固定子を搭載可能なように上方が開放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。