JP6383458B1

JP6383458B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP6383458B1
Application number: JP2017094806A
Authority: JP
Inventors: 昌剛岡田; 智洋村田; 岩崎　知幸; 知幸岩崎
Original assignee: 西芝電機株式会社
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2037-05-11
Also published as: JP2018191488A

Abstract

【課題】土台枠の支持剛性を向上させ、変位及び振動を低減できる回転電機を提供する。【解決手段】固定子鉄心１と固定子巻線５から構成される固定子６と、前記固定子内に設けられ当該固定子に対して相対的に回転可能な回転子１３と、前記回転子を支持する軸受台１５と、前記固定子を支持するための固定子座９と前記軸受台を支持するための軸受座１４を備えた土台枠８と、を有する回転電機において、前記軸受座を前記土台枠の上面に設け、当該土台枠の上面から前記固定子の中心までの距離を前記固定子の半径より小さくする。【選択図】図１

Description

本発明は発電機等の回転電機に係り、特に、土台枠の上面に固定子及び軸受を設置するように構成した回転電機に関する。

直流機、同期機、誘導機等の回転電機は、固定子と回転子によって構成され、機能面では電磁誘導の原理を利用し電気エネルギーと機械エネルギー（回転エネルギー）の相互変換を行うもので、回転子を固定子の中心に正確に位置して回転させなければならない。回転子を支持する軸受及び固定子を正確に位置決めするために、回転電機の構成要素を土台枠と呼ぶ共通の土台上に設置する方法が知られている。

従来の回転電機の構成例を、図５を参照して説明する。図５は回転電機の中でも同期機の構成例を示しており、主に固定子６、土台枠８及び回転子１３から構成されている。

固定子６は、ドーナツ状の電磁鋼板１（以下、「固定子鉄心」ともいう。）を積層し、その両端を２枚の押さえ板２で挟み、長ボルト３をナットで締めこむことによって電磁鋼板１同士に圧縮力を加え形状を保持する。また、積層した電磁鋼板１の間には適当な間隔で隙間４を設け冷却空気の通り道としているものもある。電磁鋼板１にはスロットが設けられており固定子巻線５が挿入されている。このように電磁鋼板１と押さえ板２と固定子巻線５で構成されている構造体を固定子６とよぶ。押さえ板２には脚部７が設けられ、固定子６は土台枠８の上面に設けられた固定子座９の上に脚部７を設置し固定される。

一方、回転軸１０には磁極１１が取り付けられている。磁極１１は回転子鉄心に回転子巻線１２を巻装した構成となっている。この回転軸１０と磁極１１によって構成されている構造体を回転子１３とよぶ。回転子１３は土台枠８上に設置された軸受座１４及び軸受台１５によって支持され回転できるようになっている。

このように構成された回転電機は、回転子１３の回転子巻線１２に電流を流すことで回転磁界を形成し、その回転磁界が固定子巻線５と鎖交することによる電磁誘導により固定子巻線５に電圧を発生させることで、回転力を電力に変換する発電機となる。

また、外部から固定子６に電源が与えられると固定子６に回転磁界を発生する。回転子１３が発生した回転磁界との電磁作用によって回転すれば外部に回転エネルギーを供給する電動機となる。

回転電機が発電機として使用される場合には、回転軸１０にはエンジン、タービン、水車等の駆動源が接続される。また、回転電機が電動機として駆動源となる場合には回転軸１０にはポンプ、圧縮機、送風機等の被駆動機器が接続される。

図５では回転電機の回転軸１０の駆動源または被駆動機器接続側と反接続側に軸受台１５を設けた両軸受け方式となっているが、接続側の軸受台１５を省略し、接続される駆動源または被駆動機器が有する軸受で支持を兼用する片軸受方式の回転電機もある。

軸受台１５の内部は潤滑のため潤滑油が満たされている（図示せず）。また、回転子１３には羽根１６が取り付けられており、羽根１６によって冷却空気を送風して、回転子巻線１２、固定子巻線５及びその他の回転電機の構成部品を冷却するようになっている。冷却空気の流れは羽根１６が回転することで固定子６の内側へ吸込まれ、固定子６の外側へ隙間４を通り半径方向へ放射状に吐き出される。図５に示す構成例では、軸流方式の羽根１６を採用しているが、冷却空気を送風できるものであれば、遠心方式等の任意の形式の羽根を採用してもよい。

上述のように、土台枠８上に軸受台１５及び固定子６を設置するようにした構成のほかにも、固定子６及び回転子１３の重量を支えられるように十分な剛性をもたせた箱状又は筒状の筐体内に固定子６を収納するようにして、その筐体に軸受を設置するように構成した軸受ブラケット型の回転電機も存在するが、本発明の対象ではないため説明は省略する。

土台枠８上に軸受台１５及び固定子６を設置するように構成した回転電機においては、固定子６及び軸受台１５を土台枠８上の固定子座９及び軸受座１４に載せるように設置すれば回転電機として構成できるため、固定子６及び回転子１３の設置作業や軸心を合致させる作業が容易であるという特徴がある。

上述のように、土台枠８上に固定子６及び軸受台１５を設置するように構成した回転電機では、その構成上の特徴から、土台枠８上での作業が容易であり、また、土台枠８上にハウジングや防音カバー等の構造物を設けることが容易である等の利点を有している。

特開２０１１−３０３０４号公報

図５に示す従来の回転電機の軸方向図及び側面図を図６及び図７に示す。ただし、問題点を明確にするため固定子６の固定子巻線５及び回転子１３の磁極１１等は省略し、簡略化して図示している。

従来の回転電機では、図６及び図７に示すとおり、軸受台１５を設置する軸受座１４の高さが土台枠８の上面よりも低くなるように、軸受座１４を設置する部分の土台枠８を凹状に構成している。また、軸中心から土台枠８の脚部までの距離Ｓが小さい場合や、自己給油仕様で冷却のために表面積を大きくした軸受台１５が必要な場合は、土台枠８の切欠き状の凹部の高さを大きくする必要があり、土台枠８の凹部と土台枠８の下面との距離が特に小さくなる。

このような回転電機を運転すると、回転子１３が発生する磁界により、固定子６と回転子１３には互いに引き寄せあう力が発生する。また、回転子１３の重量の不釣合いによって軸受台１５を揺り動かす力が発生する。このような力が作用した場合の従来の回転電機の状態を図８に示す。図８は図６に示す回転電機を運転した状態を示し、図６と同様に簡略化している。

図８に示すように、回転子１３と固定子６は回転子１３の磁極１１が発生する磁界によって引き寄せあい、例えば、回転子１３が左方向に吸引力Ｆを受け、逆に固定子６は右方向に吸引力Ｆを受ける。図８では吸引力Ｆの作用点をそれぞれ回転子１３及び固定子６の中心で代表している。

吸引力Ｆが作用することで土台枠８が変形し変位を生じる。図８では土台枠８が変形することによる回転子１３の軸中心の変位量をＸと表す。ただし、説明の便宜上、実際に発生する変位を誇張して示している。

また、回転子１３に重量の不釣合いがある場合を考えると、回転子１３の重心位置と実際の回転中心である回転軸１０の中心は一致しないので、回転子１３が回転することにより軸受台１５を揺り動かす力が発生し、磁界の吸引力Ｆと同様に変位を生じさせる。

この場合、重量の不釣合いによる力は、回転軸１０の中心が作用点で、力の向きは回転軸１０の中心から重心に向かうものとなり、回転軸１０の回転に合わせてその力の向きは回転するものとなる。重量の不釣合いによる力によって土台枠８が変形し回転子１３の軸心がずれると、その変位した方向の固定子６と回転子１３は互いに接近する。互いの距離が縮まることにより、両者の間の磁界による吸引力Ｆが強くなるので土台枠８の変形はさらに大きくなる場合もある。このような変位もしくは振動は、回転子１３の支持剛性によって大きく変化する。

従来の回転電機では、軸受台１５を設置する軸受座１４の高さが土台枠８の上面よりも低くなるように、軸受座１４を設置する部分の土台枠８を凹状に構成しているので、土台枠８の支持剛性は弱く、土台枠８が変形することで土台枠８の凹部に応力が発生する。したがって、磁界の吸引力や振動による変位が回転電機の構成要素に過大な応力を発生させ、回転電機の耐久性に問題が発生することがあった。または、許容応力に余裕を持たせるために回転電機が大きく重たくなる場合があった。

次に、回転電機が外力を受ける場合を考える。従来の回転電機の運転状態を側面から見た状態を図９に示す。回転電機は駆動源によって回転力を与えられ発電機として使用されたり、または、被駆動機器に回転力を与えるために電動機として使用されたりするが、その際に、回転軸１０に接続した機械からの影響を受ける。

図９では回転軸１０の左端に駆動源または被駆動機器が接続されているものとする。駆動源にはディーゼルエンジン、ガスエンジン、ガスタービン、水車、風車等の回転機械が考えられるが、回転力を伝えるものならその他のものでもよい。また、被駆動機器にはポンプ、圧縮機、送風機等の回転機械が考えられるが、回転力を受けて所定の仕事をするものであればその他のものでもよい。

これらの回転機械においては、図９に示すように、回転軸１０に対して軸方向に押したり、又は引いたりする軸方向の力ｆを発生するものがある。その軸方向の力ｆによって回転軸１０を軸方向に揺さぶられることで、軸受台１５は軸方向に変位する。この変位量をＺと表している。

この場合でも、従来の回転電機では、軸受台１５を設置する軸受座１４の高さが土台枠８の上面よりも低くなるように、軸受座１４を設置する部分の土台枠８を凹状に構成しているので、土台枠８の支持剛性は弱く、土台枠８が変形することで土台枠８の凹部に応力を発生させる。したがって、回転機械から受ける軸方向の力ｆによっても回転子１３に変位が生じ、回転電機の構成要素に過大な応力を発生させ、回転電機の耐久性に問題が発生することがあった。または、許容応力に余裕を持たせるために回転電機が大きく重たくなる場合があった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、土台枠の支持剛性を向上させ、変位及び振動を低減できる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る回転電機は、固定子鉄心と固定子巻線から構成される固定子と、前記固定子内に設けられ当該固定子に対して相対的に回転可能な回転子と、前記回転子を支持する軸受台と、前記固定子を支持するための固定子座と前記軸受台を支持するための軸受座を備えた土台枠と、を有する回転電機において、前記軸受座と固定子座が同一高さとなるように当該軸受座と固定子座を前記土台枠の上面に設け、当該土台枠の上面から前記固定子の中心までの距離が前記固定子の半径より小さいことを特徴とする。

本発明によれば、軸受座を土台枠の上面に設け、土台枠の上面から固定子の中心までの距離を固定子の半径より小さくすることで、回転電機及び軸受台の支持剛性を高くし、変位及び振動が少ない回転電機を提供することができる。

本実施形態に係る回転電機の斜視図。本実施形態に係る土台枠の斜視図。本実施形態に係る運転中の回転電機の軸方向図。本実施形態に係る運転中の回転電機の側面図。従来の回転電機の斜視図。従来の回転電機の軸方向図。従来の回転電機の側面図。運転中の従来の回転電機の軸方向図。運転中の従来の回転電機の側面図。

以下、本発明を実施するための形態を、図１乃至図４を参照して説明する。なお、従来の回転電機と同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複説明を省略する。

（構成）
本実施形態に係る回転電機は、従来の回転電機と同様に、固定子と回転子から構成され、外部から回転エネルギーが与えられ、回転子側が直流で励磁されると、その磁力によって固定子側に回転子と同期した電力を発生する同期発電機となる。

また反対に、外部から固定子６に電源が与えられると固定子巻線ではその電源により回転磁界を発生する。回転子が発生した回転磁界との電磁作用によって回転すれば外部に回転エネルギーを供給する電動機となる。

上記のように、固定子と回転子の間で発生する電磁作用を利用した回転電機としては、誘導電動機、誘導発電機、直流電動機、直流発電機、同期電動機、同期発電機、同期調相機等がある。

図１は本発明の実施形態に係る回転電機を示す図で、特に同期発電機又は同期電動機の構成を示した斜視図である。ただし、固定子６の固定子巻線５及び、回転子１３の磁極１１等の構成は図５に示す従来の回転電機と同様なので、それらの構成を省略して図示している。

本実施形態に係る回転電機では、図１及び図３に示すように、軸受台１５を設置する軸受座１４の高さが土台枠８の上面となるように、軸受台１５の側部に据付脚１５ａを設け、軸受台１５の取付位置を従来よりも上部に変更し、土台枠８の上面から固定子６の中心までの距離Ｈが従来の距離ｈよりも小さくするとともに、固定子６の半径ｒよりも小さくなるようにする。このように、軸受台１５は据付脚１５ａを介して土台枠８上面の軸受座１４に設置され、回転子１３を保持する。

また、回転子１３の回転軸１０の軸中心と固定子６の軸中心が合致するように押さえ板２に脚部７を設ける。この場合、固定子６の下部は土台枠８の上面より下に位置するため、土台枠８の上面は固定子６が入り込むように空間を空けるように構成する。

本実施形態に係る回転電機の土台枠８の構成例を図２に示す。本実施形態では、図５に示す従来の土台枠８の軸受台１５を収容する切欠き状の凹部をなくし、軸受台１５を支持するための軸受座１４及び固定子６を支持するための固定子座９を土台枠８の上面に設けている。また、土台枠８には固定子６及び軸受台１５の下部が入り込むための空間がそれぞれ設けられている。

（作用）
上記のように構成された回転電機の作用を図３及び図４により説明する。図３及び図４は本実施形態に係る回転電機の運転中における軸方向図及び側面図で、本発明の構成を明確にするために簡略化して図示している。

本実施形態では、回転軸１０の中心から軸受座１４の上面までの距離は、図３及び図４に示すようにＨとなる。回転電機の回転中に吸引力Ｆが発生した場合の回転モーメントは、図８に示した従来の回転電機ではＦ×ｈであるが、本実施形態では、図３及び図４に示すようにＦ×Ｈである。回転軸１０の中心から軸受座１４の下面までの距離が短いほどその支持剛性が高くなるが、従来の回転電機の距離ｈに比べ本発明による距離Ｈは小さいので、本実施形態による回転電機の支持剛性はより高くなる。

したがって、回転子１３の重量の不釣合いによって軸受台１５を揺り動かす力が発生したときにも、回転軸１０の中心がずれる変位や振動は小さく、よって従来の回転電機に比べて回転電機の構成要素に過大な力が発生することはより小さくできる。

また、軸受台１５の据付脚１５ａの位置を上部に設定したことで、回転軸１０の中心から軸受座１４の上面までの距離Ｈが、従来のｈに比べ小さいので、軸受台１５自体の剛性も向上させることができる。

（効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、軸受台１５を軸受台１５の側部に設けた据付脚１５ａにより土台枠８の上面に設けた軸受座１４に支持固定し、土台枠８の上面から固定子６の中心までの距離Ｈを、従来の回転電機の距離ｈよりも小さくするとともに、固定子６の半径ｒよりも小さくなるように設定したことで、回転電機及び軸受台の支持剛性を高くすることができる。

また、従来の土台枠の切欠き状の凹部をなくし、土台枠８に固定子６及び軸受台１５を収容するための閉空間を設けたことで、土台枠８の剛性も高くすることができる。
これにより、回転子１３の重量の不釣合い等によって軸受台１５を揺り動かす力が発生したときにも、回転軸１０の中心がずれる変位や振動は小さく、従来の回転電機に比べて回転電機の構成要素に過大な力が発生するのを抑制することができるため、回転電機を安定的に運転することが可能となる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、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。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。これらの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。

１…電磁鋼板（固定子鉄心）、２…押さえ板、３…長ボルト、４…隙間、５…固定子巻線、６…固定子、７…脚部、８…土台枠、９…固定子座、１０…回転軸、１１…磁極、１２…回転子巻線、１３…回転子、１４…軸受座、１５…軸受台、１６…羽根

Claims

固定子鉄心と固定子巻線から構成される固定子と、前記固定子内に設けられ当該固定子に対して相対的に回転可能な回転子と、前記回転子を支持する軸受台と、前記固定子を支持するための固定子座と前記軸受台を支持するための軸受座を備えた土台枠と、を有する回転電機において、
前記軸受座と固定子座が同一高さとなるように当該軸受座と固定子座を前記土台枠の上面に設け、当該土台枠の上面から前記固定子の中心までの距離が前記固定子の半径より小さいことを特徴とする回転電機。
前記軸受台の側部に据付脚を設け、当該据付脚を前記土台枠の上面に設けられた前記軸受座に固定することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記土台枠に前記固定子及び前記軸受台を収容するために上方のみが開放された空間を設けたことを特徴とする請求項１又は２記載の回転電機。