JP6142470B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、発電機や電動機等の回転電機に関する。

下記特許文献１には、所定の熱源を用いて冷媒を蒸気化してタービンを回転させて発電機を駆動することにより、熱源（排熱）の熱エネルギを電力として回収する熱回収システムが開示されている。この熱回収システムにおける発電機は、タービン軸に設けられ、永久磁石あるいは界磁巻線を有するロータと、該ロータの外周に所定ギャップを隔てて配置され、三相の電気子巻線を有するステータとが円筒状ケーシング（本体ケーシング）内に収容されたものであり、当該ステータから外部に三相交流を出力する。

特開２０１１−１０６３１６号公報

ところで、上記回収システムの発電機では、発電機の内部と外部との気密性を確保する必要から、電気子巻線に発生する三相交流を外部に出力するために専用の気密端子を用いている。この気密端子は、例えばステンレス材からなる円筒状ケーシングを備え、タービン軸の軸線方向においてステータに隣り合うように発電機本体の円筒状ケーシングに装着される。すなわち、上記発電機は、電気子巻線の各出力端を気密端子と接続することにより気密状態を確保した状態で三相交流を外部に出力する。

しかしながら、このような気密端子を用いた三相交流（発電出力）の出力構成は、コスト面、装置の小型化、また装置の組立性の面で必ずしも好ましいものではない。すなわち、専用の気密端子は比較的高価であり、装置コストを上昇させる大きな要因となる。また、専用の気密端子は発電機全体に占める大きさの割合が比較的高く、装置の小型化を阻害する要因となっている。さらに、電気子巻線の各出力端と気密端子と接続する工程作業は比較的煩雑であり、装置の組み立て作業の作業性を低下させる要因となっている。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、専用の気密端子を用いることなく内部の気密状態を確保した状態で電気子巻線と外部とを接続することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、界磁を備え、回転軸に設けられたロータと、回転軸を支持する軸受と、電気子巻線を備え、ロータの外周に配置されたステータと、電気子巻線に接続された複数の引出線を備え、該引出線を介して電気子巻線を外部と接続するための接続具と、該ステータを固定収容すると共にロータを軸受を介して回転自在に収容し、かつ、引出線の端部が挿通する接続用開口が設けられたケーシングと、引出線の端部が挿通した状態で接続用開口を気密に閉鎖する樹脂注入部材とを備える、という手段を採用する。

また、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、接続用開口は、ケーシングを形成する部材によって全周が囲まれた状態に設けられている、という手段を採用する。

また、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、接続用開口は、ケーシングにおいて回転軸の周方向に相当する位置に設けられている、という手段を採用する。

また、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、ケーシングの外周部には放熱用フィンが形成されている、という手段を採用する。

さらに、第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、回転軸がタービン軸に接続された発電機である、という手段を採用する。

本発明によれば、樹脂注入部材を用いてケーシングに設けられた接続用開口を気密に閉鎖するので、内部の気密性を確保した状態でステータの電気子巻線を外部と接続することができる。したがって、このような本発明によれば、従来のような専用の気密端子を用いないので、回転電機のコストを従来よりも低減することが可能であり、また装置の小型化を実現することが可能であり、また装置の組立性を従来よりも向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る発電機Ａの縦断面図（ａ）及び右側面図（ｂ）である。 本発明の一実施形態に係る発電機Ａの正面図（ａ）及び横断面図（ｂ）である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る発電機Ａは、図１及び図２に示すように、本体ハウジング１、タービンハウジング２、軸受プレート３、蓋体４、回転軸５（タービン軸）、軸受６Ａ，６Ｂ、ロータ７、ステータ８、接続具９、樹脂注入部材１０及びタービン翼１１等によって構成されている。

これら各構成要素のうち、本体ハウジング１、軸受プレート３、蓋体４、回転軸５（タービン軸）、軸受６Ａ，６Ｂ、ロータ７、ステータ８、接続具９及び樹脂注入部材１０は発電機本体を構成し、一方、本体ハウジング１、タービンハウジング２、軸受プレート３、回転軸５（タービン軸）、軸受６Ａ，６Ｂ及びタービン翼１１は膨張タービンを構成している。すなわち、発電機Ａは、駆動源である膨張タービンと当該膨張タービンによって駆動される発電機本体とが一体化された構造を有している。本体ハウジング１、軸受プレート３、蓋体４、回転軸５（タービン軸）及び軸受６Ａ，６Ｂは、発電機本体の機能構成要素であると共に膨張タービンの機能構成要素でもある。なお、本体ハウジング１、軸受プレート３及び蓋体４は、本実施形態におけるケーシング（筺体）を構成している。

本体ハウジング１は、略円筒状（筒状）の金属部材であり、例えばアルミニウムあるいはステンレスから形成されている。この本体ハウジング１は、図示するように内周壁に固定した状態でステータ８及び接続具９を収容すると共に、一対の軸受６Ａ，６Ｂの一方、つまり軸受６Ａを支持することによりロータ７を回転自在に収容する。また、この本体ハウジング１には、１つの接続用開口１ａ及び多数の冷却用フィン１ｂが形成されている。

接続用開口１ａは、図２（ａ）に示されているように、本体ハウジング１において軸受プレート３近傍部位に設けられた略矩形状の開口であり、接続具９の一部（後述する引出線の端部）が挿通した状態で樹脂注入部材１０によって気密状態に閉塞されている。この接続用開口１ａは、本体ハウジング１を形成する金属部材（アルミニウムあるいはステンレス）によって全周が囲まれた状態で設けられているので、樹脂注入部材１０を外周の全方向からしっかりと支持する。したがって、上記接続具９の一部に外力が作用した場合に、樹脂注入部材１０との間に隙間が発生することなく気密性能が保持される。

これに対して、仮に接続用開口１ａが本体ハウジング１において軸受プレート３に当接する部位を切り欠いて設けられた場合には、樹脂注入部材１０の外周の一部が本体ハウジング１とは別部材である軸受プレート３に接する状態となるので、接続具９の一部に外力が作用した場合に樹脂注入部材１０と軸受プレート３との間に隙間が発生し易くなり気密性能が保持され難い。

一方、上記放熱用フィン１ｂは、本体ハウジング１に軸線方向に沿って外周部に所定幅の溝（円環状溝）を一定間隔で多数形成することによって設けられた円環状フィンである。このような放熱用フィン１ｂは、空気との接触面積が大きいので、本体ハウジング１内のロータ７及びステータ８（主にステータ８）が発生する熱を空気中に良好に放熱する。なお、図２では、接続用開口１ａの近傍部位に放熱用フィン１ｂを設けない状態を示しているが、接続用開口１ａの近傍部位にも放熱用フィン１ｂを設けてもよい。

タービンハウジング２は、このような本体ハウジング１の一端に所定のシール部材を介してネジ止めされた略円筒状の金属部材であり、内部にタービン翼１１を収容している。このタービンハウジング２には、気体流入口２ａ、スクロール２ｂ及び気体排出口２ｃ（渦巻状流路）が設けられている。気体流入口２ａからタービンハウジング２内に流入した流体（例えば排ガス）は、タービン翼１１に軸方向から噴射されることによって当該タービン翼１１に回転力を付与し、スクロール２ｂ及び気体排出口２ｃを経由してタービンハウジング２外に流出する。

軸受プレート３は、本体ハウジング１の他端に所定のシール部材を介してネジ止めされた略円環状（リング状）の金属部材であり、内周壁において他方の軸受６Ｂを支持する。蓋体４は、このような軸受プレート３にネジ止めされた円板状の金属部材であり、本体ハウジング１の他端側を閉鎖する。

回転軸５（タービン軸）は、丸棒状の金属部材であり、一端部が軸受６Ａを介して本体ハウジング１に回転自在に支持され、また他端が軸受６Ｂを介して軸受プレート３に回転自在に支持されている。一対の軸受６Ａ，６Ｂは、ボールべアリング（ラジアル軸受）であり、内輪が回転軸５（タービン軸）の各端部近傍にそれぞれ圧入固定される一方、外輪が本体ハウジング１あるいは軸受プレート３に支持されている。

ロータ７は、回転軸５の周回りに設けられた所定局数（例えば６局）の永久磁石（界磁）を備え、回転軸５の周方向に局性が変化する磁界を発生する。ステータ８は、所定局数（例えば６局）のステータコアに分布巻のステータ巻線（電気子巻線）を施したものである。各極のステータ巻線（電気子巻線）のリード線は、接続具９に接続されている。

接続具９は、略円環状の部材であり、本体ハウジング１内においてステータ８の側方（軸受プレート３側）に当該ステータ８と隣り合うように収容されている。この接続具９は、図２（ｂ）に示すように、略全体として円環状に湾曲すると共に一部（後端部）が外方に向けて直線状に突出する形状の帯状導線を円環状の支持板９ａの片面に引出線Ｕ，Ｖ，Ｗとして固定したものである。各極のステータ巻線（電気子巻線）のリード線は、各々に引出線Ｕ，Ｖ，Ｗの何れかにカシメ固定される。

また、この接続具９は、図１（ｂ）等に示すように、後端部が接続用開口１ａに挿通した状態で本体ハウジング１内に収容されている。すなわち、この接続具９では、本体ハウジング１の軸線方向ではなく、本体ハウジング１の半径方向に各引出線Ｕ，Ｖ，Ｗの後端部が突出する。このような接続具９は、各極のステータ巻線（電気子巻線）を三相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応する３つの引出線Ｕ，Ｖ，Ｗに接続することにより、ロータ７で発生した起電力を三相交流電力として外部に出力する。

樹脂注入部材１０は、このような接続具９の後端部が挿通された状態の接続用開口１ａを気密状態に閉塞（封止）する樹脂部材であり、例えばエポキシ樹脂から形成されている。すなわち、この樹脂注入部材１０は、溶融状態の樹脂が接続用開口１ａに注入されて固化したものであり、接続用開口１ａを気密状態に封止すると共に、本体ハウジング１とともに接続具９の後端部を固定支持する。なお、図１及び図２では、樹脂注入部材１０が接続用開口１ａのみを塞ぐような状態に描かれているが、接続用開口１ａから支持板９ａの片面にかけて、つまり接続用開口１ａ及び引出線Ｕ，Ｖ，Ｗを全体として覆うように設けてもよい。

タービン翼１１は、上記タービンハウジング２内に突出する回転軸５（タービン軸）の一端に取り付けられており、回転軸５（タービン軸）回りに回転自在である。このタービン翼１１は、気体流入口２ａからタービンハウジング２内に流入した流体の膨張過程で作用する力によって回転し、回転軸５（タービン軸）を介してロータ７を回転させる。

次に、このように構成された発電機Ａの動作について詳しく説明する。
本発電機Ａは、外部から供給される流体によって膨張タービンが作動（回転）することによって発電機本体で三相交流電力を発生させて外部に出力する。すなわち、本発電機Ａによれば、外部から供給される流体によってタービン翼１１に発生する回転動力によってロータ７が回転駆動され、これによってステータ８の電気子巻線に起電力が誘起され、この結果として三相交流電力が接続具９を介して外部に出力される。

ここで、上記流体の一部が回転軸５（タービン軸）や軸受６Ａ回りの隙間を介して微小ながらタービンハウジング２内から本体ハウジング１内に漏れ出す場合があるので、上記隙間を除いて本体ハウジング１内の気密性を確保する必要がある。本体ハウジング１において上記隙間を除いて隙間が発生する部位は、本体ハウジング１と軸受プレート３との当接部、軸受プレート３と蓋体４との当接部及び接続用開口１ａであるが、本体ハウジング１と軸受プレート３との当接部、軸受プレート３と蓋体４との当接部には、各々にシール部材が介装されているので気密性が確保されている。また、接続用開口１ａは、樹脂注入部材１０によって封止されているので、これも気密性が十分に確保されている。

すなわち、本実施形態によれば、樹脂注入部材１０を用いて本体ハウジング１に設けられた接続用開口１ａが封止されているので、本体ハウジング１内部の気密性を確保した状態でステータ８が発生する三相交流電力を接続具９を介して外部に出力することができる。したがって、本実施形態によれば、従来のような専用の気密端を用いないので、発電機Ａのコストを従来よりも低減することが可能であり、また発電機Ａの小型化を実現することが可能である。また、本実施形態によれば、発電機Ａの組立性を従来よりも向上させることができる。

本実施形態によれば、樹脂注入部材を用いてケーシングに設けられた接続用開口を気密に閉鎖するので、内部の気密性を確保した状態でステータの電気子巻線を外部と接続することができる。したがって、本実施形態によれば、従来のような専用の気密端を用いないので、回転電機のコストを従来よりも低減することが可能であり、また装置の小型化を実現することが可能であり、また装置の組立性を従来よりも向上させることができる。

さらに、本実施形態によれば、接続具９における各引出線Ｕ，Ｖ，Ｗの後端部が本体ハウジング１の半径方向に突出するように構成されているので、各引出線Ｕ，Ｖ，Ｗの後端部を本体ハウジング１の軸線方向に引き出した場合よりも当該軸線方向に長さを短くすることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、図１（ｂ）に示すように、樹脂注入部材１０のみを樹脂注入部材１０で封止したが、本発明はこれに限定されない。樹脂注入部材１０に加え、例えばステータ８や接続具９をも樹脂注入部材１０で一体的に封止してもよい。

（２）上記実施形態では、本体ハウジング１の軸線方向に沿って複数の放熱用フィン１ｂ（円環状フィン）を複数設けたが、本発明はこれに限定されない。このような放熱用フィン１ｂは、空気が本体ハウジング１の周方向に対流することを想定したものであり、例えば空気が本体ハウジング１の軸線方向に対流する場合には、本体ハウジング１の外周部に上記軸線方向に沿った溝を所定角度毎に多数形成することにより、多数の放射状フィンを設けてもよい。

（３）上記実施形態は、本願発明を発電機Ａに適用したものであるが、本願発明はこれに限定されない。本願発明は回転電機の他の形態である電動機にも適用可能である。

Ａ…発電機、１…本体ハウジング、１ａ…接続用開口、１ｂ…放熱用フィン、２…タービンハウジング、２ａ…気体流入口、２ｂ…スクロール、２ｃ…気体排出口、３…軸受プレート、４…蓋体、５…回転軸（タービン軸）、６Ａ，６Ｂ…軸受、７…ロータ、８…ステータ、９…接続具、９ａ…支持板、Ｕ，Ｖ，Ｗ…引出線、１０…樹脂注入部材、１１…タービン翼

Claims (5)

1. 界磁を備え、回転軸に設けられたロータと、
   前記回転軸を支持する軸受と、
   各々にリード線を有すると共に交流電力の相毎に複数設けられた電気子巻線を備え、前記ロータの外周に配置されたステータと、
   前記交流電力の相数に対応する数の引出線を備え、該引出線を介して前記電気子巻線を外部と接続するための接続具と、
   該ステータを固定収容すると共に前記ロータを前記軸受を介して回転自在に収容し、かつ、前記引出線の端部が挿通する接続用開口が設けられたケーシングと、
   前記引出線の端部が挿通した状態で前記接続用開口を気密に閉鎖する樹脂注入部材と
   を備え、
   前記接続具は、前記交流電力の相が互いに共通する複数の前記リード線と単一の前記引出線とを前記交流電力の相毎にそれぞれ接続することを特徴とする回転電機。
2. 前記接続用開口は、前記ケーシングを形成する部材によって全周が囲まれた状態に設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 前記接続用開口は、前記ケーシングにおいて前記回転軸の周方向に相当する位置に設けられていることを特徴とする請求項１または２記載の回転電機。
4. 前記ケーシングの外周部には放熱用フィンが形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記回転軸がタービン軸に接続された発電機であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回転電機。

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