JP6255377B2

JP6255377B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6255377B2
Application number: JP2015256524A
Authority: JP
Inventors: 大石　浩司; 浩司大石; 仁中川
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2015-12-28
Filing date: 2015-12-28
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2035-12-28
Also published as: JP2017121123A

Description

本発明は、鋳鋼製のフレームを有する回転電機に関する。

耐圧防爆形の回転電機においては、フレームが耐爆容器となる。フレームの製造方法としては、鋼板を用いる方法と、鋳物を用いる方法とがある。鋼板製の場合は、鋳物に比べて強度が高いため板厚は薄くて済み、また、溶接性が良いという特徴がある。一方、鋳物製の場合は、複雑な形状でも実現可能な点が大きなメリットである。

耐爆容器の鋳物フレーム化により、鋼板製と比較して、製造コストを削減でき、通風路を設けた複雑なフレーム構造によって回転電機内部の内気を循環させる方式が採用でき冷却性能の向上をはかることができる。この結果、回転電機の出力の増大が可能となる。

特許第２８６００３６号公報

従来、大形の耐圧防爆形回転電機のフレーム構造は、フレーム内の爆発圧力が高くなることから、鋳物製フレームでは爆発圧力に対して強度の余裕がなくなる、あるいは不足するため、鋼板製フレームが採用されている。鋼板製フレームは、フレーム外周に冷却フィンを溶接により取り付けることから、製造コストが高くなり、また、溶接できるフィンの本数も限られていた。

また、鋼板製フレームは、鋼板であるがゆえに複雑なフレーム構造の製作が難しい。このため構造が複雑化する内気循環方式により冷却性能の向上を図ることが難しいため、鋼板製のフレームを有する回転電機の出力には制限があった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、回転電機の耐爆容器のフレームを鋳鋼製と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、本発明に係る回転電機は、軸方向に延びたロータシャフトと前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子の径方向外側に配されて静止固定された円筒状の固定子と、前記回転子を回転自在に支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記結合側軸受を固定支持する鋳鋼製の結合側軸受ブラケットと、前記反結合側軸受を固定支持する鋳鋼製の反結合側軸受ブラケットと、前記回転子鉄心と前記固定子を収納するとともに前記結合側ブラケットおよび前記反結合側ブラケットと相俟って密閉空間を形成する鋳鋼製のフレームと、を備え、前記フレームには軸方向に延びて互いに周方向に間隔をあけて複数の通風路が形成され、前記複数の通風路のそれぞれについて径方向内側部の厚みが径方向外側部の厚みより大きくなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の耐爆容器のフレームを鋳鋼製とすることができる。

実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。実施形態に係る回転電機の外観を示す側面図である。実施形態に係る回転電機の内部気体流路を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視横断面図である。実施形態に係る回転電機のフレームの上部の構造を示す図３のＩＶ−ＩＶ線矢視部分縦断面図である。実施形態に係る回転電機のフレームの上部の通風路入口開口および通風路出口開口をフレームの内側から見た部分図である。従来の耐圧防爆形回転電機のフレームの上部の通風路入口開口および通風路出口開口をフレームの内側から見た部分図である。本実施形態および従来における通風路入口開口および通風路出口開口まわりの応力の比較の例を示すグラフである。実施形態に係る回転電機のフレームの上部の鋳物砂排出孔をフレームの内側から見た部分図である。従来の耐圧防爆形回転電機のフレームの上部の鋳物砂排出孔をフレームの内側から見た部分図である。本実施形態および従来における鋳物砂排出孔まわりの応力の比較の例を示すグラフである。実施形態に係る回転電機の軸受ブラケットの構造を示す縦断面図である。軸受ブラケットの外面側に厚さを増やす本実施形態の場合を示す軸受ブラケットの上半部分の縦断面図であり、（ｂ）は１０ｍｍ、（ｃ）は２０ｍｍ、（ｄ）は３０ｍｍほどそれぞれ本体部の板厚を外側に増した場合を示す。軸受ブラケットの外面側に厚さを増やした場合の径方向の変形量の変化の例を示すグラフである。軸受ブラケットの内面側に厚さを増やす場合を示す軸受ブラケットの上半部分の縦断面図であり、（ｂ）は１０ｍｍ、（ｃ）は２０ｍｍほどそれぞれ本体部の板厚を内側に増した場合を示す。軸受ブラケットの内面側に厚さを増やした場合の径方向の変形量の変化の例を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機について説明する。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。

図１は、実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。また、図２は、実施形態に係る回転電機の外観を示す側面図である。また、図３は、実施形態に係る回転電機の内部気体流路を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視横断面図である。回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、結合側軸受ブラケット４１、反結合側軸受ブラケット４２およびフレーム１００を有する。ここで、結合側軸受ブラケット４１、反結合側軸受ブラケット４２およびフレーム１００は鋳鋼製である。

回転子１０は、回転軸方向に延びたロータシャフト１１、およびロータシャフト１１の径方向外側に設けられた円筒状の回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１には、内扇１５が取り付けられている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に配されて静止固定された円筒状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１に形成されたスロット（図示せず）に巻回された固定子コイル２２を有する。

図１に矢印で冷却用気体の流れを示している。内扇１５により駆動された冷却用気体は、密閉空間１００ａ内を循環する。すなわち、冷却用気体は、回転子１０に形成された通気口（図示せず）流入して回転子１０を冷却した後、内扇１５に流入し、内扇１５により駆動される。冷却用気体は、内扇１５を出た後、通風路入口開口１１０ａから通風路１１０に入り、通風路出口開口１１０ｂから流出し、再び、回転子１０に流入することにより、適宜冷却が可能である。

ロータシャフト１１は、両端を結合側軸受３１および反結合側軸受３２により回転可能に軸支されている。結合側軸受３１は結合側軸受ブラケット４１により支持されている。また、反結合側軸受３２は反結合側軸受ブラケット４２により支持されている。

フレーム１００は、回転子鉄心１２および固定子２０を収納する。フレーム１００、結合側軸受ブラケット４１および反結合側軸受ブラケット４２は、互いに相俟って、密閉空間１００ａを形成する。

フレーム１００には、周方向に互いに間隔をあけて、軸方向に延びた通風路１１０が形成されている。密閉空間１００ａの内側部分と通風路１１０のそれぞれとは、通風路入口開口１１０ａおよび通風路出口開口１１０ｂで連結している。また、フレーム１００の鋳造の際に、通風路１１０を形成するために充填する鋳物砂を、鋳造後に抜き取るために、通風路１１０の内側の径方向内側部１１０ｇには、鋳物砂排出孔１１０ｃ（図８）が形成されている。

フレーム１００、結合側軸受ブラケット４１および反結合側軸受ブラケット４２の外表面には、互いに間隔を空けて放熱用のフィン１１５が設けられている。

内扇１５により、回転子鉄心１２を通過した冷却用気体は、通風路入口開口１１０ａから通風路１１０に流入し、通風路１１０を軸方向に通過する間に、フレーム１００、フィン１１５を介して外気と熱交換した後に通風路出口開口１１０ｂからフレーム１００内側の結合側軸受ブラケット４１側に流出し、再び、回転子鉄心１２に流入する。

図３に示すように、通風路１１０は、周方向に互いに９０度の間隔をあけて４つ形成されている。なお、通風路１１０の数は４つに限定されず、強度、冷却付加及び冷却能力等から設定すればよい。たとえば、５つ以上でもよい。通風路１１０の断面形状は、径方向高さ（Ｈ）に比べて周方向の幅（Ｗ）が大きな矩形形状であり、４隅は角の無い滑らかな形状である。少なくとも１つの通風路１１０については、フレーム１００の部材であって、通風路１１０を形成する４辺のうち、径方向で内側の部分（径方向内側部）１１０ｇは、径方向で外側の部分（径方向外側部）１１０ｈより、板厚が大きくなっている。

図４は、実施形態に係る回転電機のフレームの上部の構造を示す図３のＩＶ−ＩＶ線矢視部分縦断面図である。フレーム１００の外面の、通風路１１０が形成されている部分は、外側に突出している。すなわち、通風路１１０の長手方向の両端にあたる部分は、傾斜部１００ｄが形成されている。これは、通風路１１０の長手方向の両端部では、それぞれ、通風路入口開口１１０ａおよび通風路出口開口１１０ｂが形成されているためである。

具体的には、通風路入口開口１１０ａから通風路１１０への流入する際の流動抵抗を低減するためには１回で９０度曲がるより、２回で９０度曲がる方が有利なためである。同様に、通風路１１０から通風路出口開口１１０ｂに流出する際の流動抵抗を低減するためには、１回で９０度曲がるより、２回で９０度曲がる方が有利なためである。

図５は、実施形態に係る回転電機のフレームの上部の通風路入口開口および通風路出口開口をフレームの内側から見た部分図である。また、図６は、従来の耐圧防爆形回転電機のフレームの上部の通風路入口開口および通風路出口開口をフレームの内側から見た部分図である。

図４に示すように、通風路１１０の長手方向の両端部では、フレーム１００は円筒形状になっておらず、円錐台形状となっている。このため、円筒形状に比べると、応力を増加させる形状となっている。

従来は、流動抵抗をできるだけ低減させるために、図６に示すように、通風路入口開口５１０ａおよび通風路出口開口５１０ｂの通風路の長手方向の幅（Ｈ２）は十分に長さを確保している。このため、鋳造により大形のフレームを製作する場合は、このままでは、強度上の裕度が不足する、あるいは強度上の裕度を確保できないことになる。

本実施形態における通風路入口開口１１０ａおよび通風路出口開口１１０ｂにおいては、図５に示すように通風路１１０の長手方向についての幅（Ｈ１）が短くなっており、通風路１１０の高さＨ（図３）とほぼ等しくしている。なお、この際の等しいとは、厳密ではなく、たとえば数％程度の誤差で一致していればよい。このように通風路１１０の長手方向についての幅を短くすることによって、フレーム１００の外面の形状による強度低下を補償し、鋳造による場合でも強度上の裕度を確保することが可能である。

図７は、本実施形態および従来における通風路入口開口および通風路出口開口まわりの応力の比較の例を示すグラフである。縦軸は、従来の例の場合の応力を１００とした場合の、本実施形態の例の場合の相対的な応力の値である。この例の場合は、約６０％程度まで低減している。このように、通風路入口開口１１０ａおよび通風路出口開口１１０ｂのロータシャフト１１軸方向すなわち通風路１１０の長手方向に関する長さを減少させることによって、これらの開口まわりの応力を大幅に低減することができる。

図８は、実施形態に係る回転電機のフレームの上部の鋳物砂排出孔をフレームの内側から見た部分図である。また、図９は、従来の耐圧防爆形回転電機のフレームの上部の鋳物砂排出孔をフレームの内側から見た部分図である。従来の鋳物砂排出孔５１０ｃは、矩形に近い形状である。

図１０は、本実施形態および従来における鋳物砂排出孔まわりの応力の比較の例を示すグラフである。縦軸は、従来の場合を１００とし、本実施形態の場合のこれに対する比較を示しており、本実施形態の場合の例では、約３／４に低減している。すなわち、鋳物砂排出孔１１０ｃの開口形状を楕円形とすることにより、応力を低減することができる。

図１１は、実施形態に係る回転電機の軸受ブラケットの構造を示す縦断面図である。なお、結合側軸受ブラケット４１および反結合側軸受ブラケット４２の少なくともいずれかを以下、軸受ブラケットと総称する。結合側軸受ブラケット本体部４１ａおよび反結合側軸受ブラケット本体部４２ａのそれぞれは、結合側軸受ブラケット本体部４１ａおよび反結合側軸受ブラケット本体部４２ａの外側にフィン１１５が設けられている構成である。

図１２は、軸受ブラケットの外面側に厚さを増やす本実施形態の場合を示す軸受ブラケットの上半部分の縦断面図であり、（ｂ）は１０ｍｍ、（ｃ）は２０ｍｍ、（ｄ）は３０ｍｍほどそれぞれ本体部の板厚を外側に増している。なお、簡略化するためにフィン１１５は図示していない。

図１３は、軸受ブラケットの外面側に厚さを増やした場合の径方向の変形量の変化の例を示すグラフである。外側に板厚を増した場合は、変形量は明確に低下することが分かる。

図１４は、軸受ブラケットの内面側に厚さを増やす場合を示す軸受ブラケットの上半部分の縦断面図であり、（ｂ）は１０ｍｍ、（ｃ）は２０ｍｍほどそれぞれ本体部の板厚を内側に増している。なお、簡略化するためにフィン１１５は同様に図示していない。

図１５は、軸受ブラケットの内面側に厚さを増やした場合の径方向の変形量の変化の例を示すグラフである。図１５に示すように、変形量はほとんど変化しない。

以上のように、本実施形態における軸受ブラケットの本体部、すなわち結合側軸受ブラケット本体部４１ａおよび反結合側軸受ブラケット本体部４２ａは、その板厚を外側に増やすことにより変形量を低減することができる。

［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。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。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１５…内扇、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子コイル、３１…結合側軸受、３２…反結合側軸受、４１…結合側軸受ブラケット、４１ａ…結合側軸受ブラケット本体部、４２…反結合側軸受ブラケット、４２ａ…反結合側軸受ブラケット本体部、１００…フレーム、１００ａ…密閉空間、１００ｄ…傾斜部、１１０…通風路、１１０ａ…通風路入口開口、１１０ｂ…通風路出口開口、１１０ｃ…鋳物砂排出孔、１１０ｇ…径方向内側部、１１０ｈ…径方向外側部、１１１…閉止板、１１５…フィン、２００…回転電機、５１０ａ…通風路入口開口、５１０ｂ…通風路出口開口、５１０ｃ…鋳物砂排出孔

Claims

軸方向に延びたロータシャフトと前記ロータシャフトの径方向外側に設けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
前記回転子の径方向外側に配されて静止固定された円筒状の固定子と、
前記回転子を回転自在に支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
前記結合側軸受を固定支持する鋳鋼製の結合側軸受ブラケットと、
前記反結合側軸受を固定支持する鋳鋼製の反結合側軸受ブラケットと、
前記回転子鉄心と前記固定子を収納するとともに前記結合側ブラケットおよび前記反結合側ブラケットと相俟って密閉空間を形成する鋳鋼製のフレームと、
を備え、
前記フレームには軸方向に延びて互いに周方向に間隔をあけて複数の通風路が形成され、前記複数の通風路のそれぞれについて径方向内側部の厚みが径方向外側部の厚みより大きくなるように形成されていることを特徴とする回転電機。
前記フレームには軸方向に延びて互いに周方向に間隔をあけて複数の通風路が形成され、かつ前記複数の通風路のそれぞれについて通風路入口開口および通風路出口開口が形成され、
前記通風路入口開口および前記通風路出口開口の前記軸方向の幅は、前記通風路の径方向の幅と所定の誤差の範囲で一致していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記フレームには当該フレームの鋳造後の鋳物砂排出用孔が形成され、前記鋳物砂排出用孔の形状が楕円形に形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記結合側ブラケットおよび前記反結合側ブラケットはそれぞれ外表面に設けられた放熱用のフィンを有し、前記結合側ブラケットおよび前記反結合側ブラケットの少なくとも一方は前記フィンの設けられている部分において外面側に肉厚を増やしたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。