JP6416147B2

JP6416147B2 - ブラシレス回転電機

Info

Publication number: JP6416147B2
Application number: JP2016075316A
Authority: JP
Inventors: 直輝岡島
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2016-04-04
Publication date: 2018-10-31
Anticipated expiration: 2036-04-04
Also published as: JP2017188993A

Description

本発明は、ブラシレス回転電機に関する。

同期回転電機においては、通常、固定子側に電機子巻線を設け、回転子側に界磁巻線（回転子巻線）を設けている。回転子に設けられた界磁巻線への直流電力は、通常、静止側に設けられた整流器からブラシを介して供給される。このブラシはメンテナンスおよび交換が必要であることから、ブラシを不要とするために、回転子とともに回転する回転整流部を設けることによってブラシレス化を図る方式が知られている。

特開２００５−１０２３６２号公報

回転整流部は、通常、円板状の回転枠に複数の整流素子が取り付けられた構成となっている。励磁装置のうちの、回転整流部および励磁機が、回転電機の軸受の軸方向外側に設けられている。回転整流部および励磁機は、カバー内に収納されている。カバーは、回転電機のフレームと連通しており、回転電機内のたとえば空気などの冷却用気体の循環通路となっている。

励磁機の回転子および回転整流部は、回転電機のロータシャフトの回転とともに回転する。この際、励磁機の回転子および回転整流部は、冷却用気体を駆動するようなファン作用をもたらす場合がしばしばある。

軸受からの潤滑油の漏えいを防止するために、エアシールが設けられている（特許文献１参照）。しかし、このファン作用が、回転整流部と軸受間の空間の圧力を低下させることにより、軸受の状態に影響を与え、たとえば、軸受から潤滑油が軸方向の外側に漏れ出すという問題が生ずる場合がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、回転電機において軸受から回転整流部側への油漏れを防止することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るブラシレス回転電機は、回転軸まわりに回転可能に軸支され回転軸方向に延びたロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に固定されて回転軸方向に延び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前記回転子鉄心を挟んで回転軸方向の前後で前記ロータシャフトを回転可能に軸支する連結側軸受およびエアシール部を有する励磁機側軸受と、前記連結側軸受を固定支持する連結側軸受ブラケットと、前記励磁機側軸受を固定支持する励磁機側軸受ブラケットと、前記回転子鉄心の径方向外側に配されて、回転軸方向に延びる固定子鉄心と、その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、前記ロータシャフトとともに回転する回転整流部を有する励磁装置と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに密閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するための冷却器入口開口と、前記フレーム内に流出するための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記励磁装置を内包し、前記冷却器カバーおよび前記フレームと連通する励磁装置カバーと、前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記密閉空間内で循環させる内扇ファンと、前記励磁機側軸受からの潤滑油の油漏れを抑制する油漏れ防止構造と、を備え、前記油漏れ防止構造は、前記回転整流部と前記励磁機側軸受との間に設けられて、前記エアシール部からの空気の流れを制限する仕切り構造と、前記励磁装置カバーの前記仕切り構造の前記回転整流器側の内部雰囲気と、前記フレーム内前記内扇ファンの吐出側の雰囲気とを連通させる連通管と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、回転電機において軸受から回転整流部側への油漏れを防止することができる。

本実施形態に係るブラシレス回転電機の立断面図である。本実施形態に係るブラシレス回転電機の油漏れ防止構造の構成を示す図１の部分断面図である。励磁機側軸受のエアシール部の構成を示すとともに、油漏れ防止構造が設けられていない場合の従来の励磁機側軸受まわりの圧力の説明用の部分断面図である。本実施形態に係るブラシレス回転電機の油漏れ防止構造による励磁機側軸受まわりの圧力の説明用の部分断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るブラシレス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、本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の立断面図である。ブラシレス回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、励磁装置７０、および油漏れ防止構造９０を有する。

回転子１０は、回転軸方向に延びて回転可能に軸支されたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に配されてロータシャフト１１に結合した円筒形状の回転子鉄心１２とを有する。

回転子鉄心１２の径方向の外側表面には、回転軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）が周方向に互いに間隔をあけて形成されている。スロットのそれぞれには、回転子巻線１３の導体が収納されている。

ロータシャフト１１には、２個の内扇ファン１５が、回転子鉄心１２を挟んで両側に取り付けられており、ロータシャフト１１の回転とともに回転する。内扇ファン１５は、軸流ファンであり、冷却用気体を、それぞれ回転子鉄心１２の反対側から回転軸方向に吸い込み、それぞれ回転子鉄心１２の方向に押し出す。

フレーム４１内の固定子２０を挟んで、回転軸方向の両側には、それぞれファンガイド１６が、回転軸方向の垂直な方向に配され、径方向に拡がっている。ファンガイド１６の周囲は、フレーム４１の内面に結合している。ファンガイド１６は、回転軸と同心の円形の開口を有する。開口の径方向の内側に、間隙をあけて内扇ファン１５が設けられている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に配されて円筒形状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の径方向内側の面に周方向に互いに間隔をおいて形成されて軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）内に布設された固定子巻線２２とを有する。

励磁装置７０は、回転整流部７１および励磁機７２を有する。回転整流部７１は、複数の整流器（図示せず）と、これらの整流器を固定支持する円板状の支持部（図示せず）とを有する。励磁機７２は、励磁機回転部７２ａおよび励磁機固定部７２ｂを有する。

回転整流部７１および励磁機回転部７２ａは、ロータシャフト１１に取り付けられ、ロータシャフト１１とともに回転する。励磁機固定部７２ｂは、励磁機回転部７２ａの径方向外側に配されて静止固定されている。励磁装置７０は、励磁装置カバー５３内に収納されている。

励磁機固定部７２ｂの有する励磁機固定部巻線（図示せず）に印加する直流により励磁されて、励磁機回転部７２ａの有する励磁機回転部巻線（図示せず）に交流が生じる。その交流電流を回転整流部７１によって整流し、回転子巻線１３に直流が流れる。

固定子２０および回転子鉄心１２は、フレーム４１内に収納されている。フレーム４１の軸方向の両端には、連結側軸受ブラケット４６および励磁機側軸受ブラケット４７がそれぞれ接続されている。連結側軸受ブラケット４６は連結側軸受３１を支持している。また、励磁機側軸受ブラケット４７は励磁機側軸受３２を支持している。連結側軸受３１および励磁機側軸受３２は、ロータシャフト１１を回転可能に支持している。

フレーム４１の上方には、冷却器カバー５２が設けられている。冷却器カバー５２内には、冷却器５１が収納されている。冷却器カバー５２は、冷却器５１で冷却される冷却用気体の流路の一部を形成している。フレーム４１と冷却器カバー５２は、互いに相俟って密閉空間６０を形成している。フレーム４１内の雰囲気と、冷却器カバー５２内の雰囲気は、冷却器入口開口４２と２つの冷却器出口開口４３とで連通している。

励磁装置カバー５３内の雰囲気と冷却器カバー５２内の雰囲気とは、励磁装置入口ダクト５４により連通している。また、励磁装置カバー５３内の雰囲気とフレーム４１内の雰囲気とは、励磁装置出口ダクト５５により連通している。

図２は、本実施形態に係るブラシレス回転電機の油漏れ防止構造の構成を示す図１の部分断面図である。励磁機側軸受３２の軸方向外側には、エアシール部３３が設けられている。

エアシール部３３が機能せずに励磁機側軸受３２から励磁装置７０側へ潤滑油が漏えいするような事態を防止するために、油漏れ防止構造９０が設けられている。油漏れ防止構造９０は、エアシール部３３を正常に機能させ油漏れを防止する。油漏れ防止構造９０は、仕切り構造９１および連通管９５を有する。

仕切り構造９１は、平板部９１ａおよび円筒部９１ｂを有する。平板部９１ａは、円板状で、中央に円形の開口を有する。円形の開口の径は、ロータシャフト１１の外径に、平板部９１ａとロータシャフト１１間のギャップ幅を加えた寸法である。円筒部９１ｂは、ロータシャフト１１と同軸でロータシャフト１１を径方向に囲むように配された、円筒状の形状である。円筒部９１ｂの第１の端部は、平板部９１ａに結合している。

仕切り構造９１は、円筒部９１ｂの第２の端部で、励磁機側軸受ブラケット４７に固定支持される。

平板部９１ａおよび円筒部９１ｂは、組み立て上、後から取り付けられるように、たとえば、それぞれが２つの部分からなり、取付け時に互いに結合されることでもよい。

平板部９１ａとロータシャフト１１間のギャップ幅は、後述する仕切り構造９１における圧力損失を必要なレベル以上の値に維持するように決められる。また、必要なレベル以上の圧力損失が得られるのであれば、円筒部９１ｂに一部開口等が形成されていてもよい。

なお、円筒部９１ｂに代えて、複数の脚の場合でもよい。ただし、仕切り構造９１の励磁機側軸受３２側から、仕切り構造９１の励磁機側軸受３２の反対側への流れによって、所定の圧力損失を生ずるような隙間の形状、寸法とする。

連通管９５は、第１の端部は、励磁装置カバー５３に接続され、励磁装置カバー５３内の雰囲気に開放されている。また、連通管９５は、励磁機側軸受ブラケット４７を貫通し、さらにファンガイド１６を貫通している。連通管の第２の端部は、ファンガイド１６の回転子鉄心１２側の雰囲気に開放されている。ファンガイド１６の回転子鉄心１２側の雰囲気は、内扇ファン１５の吐出側であり、密閉空間６０内で最も圧力の高い領域である。

以下、以上のように構成された本実施形態に係るブラシレス回転電機１００およびその油漏れ防止構造９０の作用を説明する。

ロータシャフト１１の回転に伴い、内扇ファン１５が回転し、フレーム４１内の冷却用気体を駆動する。冷却用気体は、内扇ファン１５の回転子鉄心１２側の反対側から吸い込まれ、回転子鉄心１２および固定子２０側に吐き出される。回転子鉄心１２および固定子２０を冷却して自身は温度上昇した冷却用気体は、上昇してフレーム４１側から冷却器入口開口４２を経由して、冷却器５１に流入する。

冷却用気体は、冷却器５１の伝熱管（図示せず）の外側を通過しながら、伝熱管内を流れる外気あるいは冷却水などの冷却媒体に冷却されて、冷却器５１から流出する。冷却器５１から流出した冷却用気体は、冷却器カバー５２内を上昇後、回転軸方向に２分されて、２つの冷却器出口開口４３を経由して、冷却器カバー５２内から、フレーム４１内に流入し、再び、内扇ファン１５に吸い込まれる。以上が、主たる流れである。

また、冷却器５１から流出して、冷却器出口開口４３方向に流れる冷却用気体の一部は、励磁装置入口ダクト５４を経由して、励磁装置カバー５３内に流入する。励磁装置カバー５３内に流入した冷却用気体は、励磁装置７０を冷却した後に、励磁装置出口ダクト５５から、フレーム４１内に戻り、前述の主たる流れに合流する。

図３は、励磁機側軸受のエアシール部の構成を示すとともに、油漏れ防止構造が設けられていない場合の従来の励磁機側軸受まわりの圧力の説明用の部分断面図である。なお、励磁機側軸受３２の内部の図示は省略している。

励磁機側軸受３２のエアシール部３３は、ラビリンス構造となっている。すなわち、多段のラビリンスパッキン３３ａを有し、ロータシャフト１１の外周に向かって突出する円環状突起が互いに軸方向に間隔をあけて配されている。

また、エアシール部３３には、第１のチャンバ３３ｂおよび第２のチャンバ３３ｃが形成されている。軸方向外側である第１のチャンバ３３ｂには、エアシールのため、空気供給管３３ｄにより空気が供給されている。第１のチャンバ３３ｂ内に供給された空気が、第２のチャンバ３３ｃ側に流入して、潤滑油を励磁機側軸受３２から軸方向外側に流出させないことがエアシール部３３の本来の機能である。

ロータシャフト１１の回転に伴い、励磁装置７０の回転整流部７１および励磁機回転部７２ａが回転する。この際、特に回転整流部７１は、周囲の雰囲気に対して、遠心ファンに類似の作用をもたらす。すなわち、回転整流部７１の回転に伴い、回転整流部７１の径方向外側に冷却用気体の流れが生ずる。このため、回転整流部７１の回転軸方向の前後から回転整流部７１に向かう冷却用気体の流れが生ずる。このため、回転整流部７１の回転軸方向の前後の圧力が低下し、低い圧力Ｐ_Ｌとなっている。

いま、油漏れ防止構造９０が設けられていない場合を想定すると、励磁機側軸受３２の回転軸方向の外側の圧力が低く、励磁機側軸受３２内の潤滑油を回転軸方向外側に漏えいさせる状態が生ずることになる。

このため、エアシール部３３においては、エアシールのために空気供給管３３ｄにより第１のチャンバ３３ｂに供給される空気は、本来の第２のチャンバ３３ｃの方には流れずに、圧力の低い外側に流出する。このため、空気供給管３３ｄ内も負圧となり、図３のように、むしろ励磁機側軸受３２の方から空気供給管３３ｄおよび外部への流れが生ずることも起こり得る。この結果、エアシールが機能しないので、励磁機側軸受３２から軸方向外側への油漏れが生ずる。

図４は、本実施形態に係るブラシレス回転電機の油漏れ防止構造による励磁機側軸受まわりの圧力の説明用の部分断面図である。なお、励磁機側軸受３２の内部の図示は省略している。

本実施形態に係るブラシレス回転電機１００においては、油漏れ防止構造９０が設けられている。すなわち、励磁機側軸受３２の回転軸方向外側と、回転整流部７１の回転軸方向の側部との間には、仕切り構造９１が設けられている。励磁機側軸受３２のエアシール部３３の第１のチャンバ３３ｂに常時供給されている空気のほとんどは、第２のチャンバ３３ｃ側に流れる。この際、エアシール部３３の第１のチャンバ３３ｂから励磁装置カバー５３内にも供給される空気の一部が流出している。

この一部流出している空気は、平板部９１ａとロータシャフト１１間のギャップ９４、および、もし形成されている場合は円筒部９１ｂに形成された隙間９３を通過して、回転整流部７１側に流出する。この隙間９３およびギャップ９４を通過する際に、所定の圧力損失ΔＰが生ずる。このため、励磁機側軸受３２に隣接する回転軸方向外側の圧力Ｐ_Ｈは、回転整流部７１近傍の圧力Ｐ_Ｌに比べて、前記所定の圧力損失分だけ高い圧力となっている。

この圧力が、励磁機側軸受３２からの潤滑油の漏えいを引き起こさない圧力以上であれば、励磁機側軸受３２からの潤滑油の漏えいは生じないことになる。すなわち、第１のチャンバ３３ｂに供給される空気の大部分は、第２のチャンバ３３ｃに流れ、エアシールが機能することになる。

言い換えれば、仕切り構造９１は、第１のチャンバ３３ｂから軸方向外側に流出する空気の流れの抵抗を大きくすることにより、この空気の流れを制限するものである。

励磁機側軸受３２からの潤滑油の漏えいを引き起こさない励磁機側軸受３２外側の圧力をＰ_１、回転整流部７１近傍の圧力をＰ_Ｌとすれば、所定の圧力損失ΔＰは、（Ｐ_１−Ｐ_Ｌ）以上の値であればよく、円板部９１ａおよびそれを支持する円筒部９１ｂあるいは脚部等の形状、寸法等はこの条件から決めればよい。

また、油漏れ防止構造９０は、さらに、連通管９５を有する。すなわち、励磁装置カバー５３内の雰囲気を、フレーム４１内の雰囲気に連通させることにより、励磁装置カバー５３内の圧力の低下を緩和する。なお、図１では、フレーム４１内の内扇ファン１５の吸込み側と連通するようになっているが、内扇ファン１５の径方向の外側あるいは、吐出側の雰囲気に連通させれば、さらに効果を生ずる。

本実施形態による油漏れ防止構造９０は、励磁機側軸受３２と回転整流部７１との間に仕切り構造９１を設けるため、回転整流部７１への配置上の影響はほとんどない。また、連通管９５を設けることも、回転整流部７１への影響はない。

以上のように、回転整流部７１を有するブラシレス回転電機１００において、回転整流部７１について配置への影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することができる。

［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。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。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１３…回転子巻線、１５…内扇ファン、１６…ファンガイド、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３１…連結側軸受、３２…励磁機側軸受、３３…エアシール部、３３ａ…ラビリンスパッキン、３３ｂ…第１のチャンバ、３３ｃ…第２のチャンバ、３３ｄ…空気供給管、４１…フレーム、４２…冷却器入口開口、４３…冷却器出口開口、４６…連結側軸受ブラケット、４７…励磁機側軸受ブラケット、５１…冷却器、５２…冷却器カバー、５３…励磁装置カバー、５４…励磁装置入口ダクト、５５…励磁装置出口ダクト、６０…密閉空間、７０…励磁装置、７１…回転整流部、７２…励磁機、７２ａ…励磁機回転部、７２ｂ…励磁機固定部、９０…油漏れ防止構造、９１…仕切り構造、９１ａ…平板部、９１ｂ…円筒部、９３…隙間、９４…ギャップ、９５…連通管、１００…ブラシレス回転電機

Claims

回転軸まわりに回転可能に軸支され回転軸方向に延びたロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に固定されて回転軸方向に延び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前記回転子鉄心を挟んで回転軸方向の前後で前記ロータシャフトを回転可能に軸支する連結側軸受およびエアシール部を有する励磁機側軸受と、
前記連結側軸受を固定支持する連結側軸受ブラケットと、
前記励磁機側軸受を固定支持する励磁機側軸受ブラケットと、
前記回転子鉄心の径方向外側に配されて、回転軸方向に延びる固定子鉄心と、その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、
前記ロータシャフトとともに回転する回転整流部を有する励磁装置と、
前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、
前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに密閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するための冷却器入口開口と、前記フレーム内に流出するための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、
前記励磁装置を内包し、前記冷却器カバーおよび前記フレームと連通する励磁装置カバーと、
前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記密閉空間内で循環させる内扇ファンと、
前記励磁機側軸受からの潤滑油の油漏れを抑制する油漏れ防止構造と、
を備え、
前記油漏れ防止構造は、
前記回転整流部と前記励磁機側軸受との間に設けられて、前記エアシール部からの空気の流れを制限する仕切り構造と、
前記励磁装置カバーの前記仕切り構造の前記回転整流器側の内部雰囲気と、前記フレーム内前記内扇ファンの吐出側の雰囲気とを連通させる連通管と、
を有することを特徴とするブラシレス回転電機。
前記仕切り構造は、
前記ロータシャフトの径方向の外側に間隙を介して設けられて径方向に拡がる平板部と、
前記ロータシャフトの径方向外側を囲むように回転軸方向に延びた円筒部と、
を有し、
前記円筒部は、第１の端部が前記平板部に接続され、第２の端部が前記励磁機側軸受ブラケットに接続されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス回転電機。
前記仕切り構造での圧力損失は、前記エアシール部が機能する前記励磁機側軸受の回転軸方向外側の最低圧力Ｐ_１と、前記回転整流部近傍の圧力Ｐ_Ｌとの差ΔＰ（Ｐ_１−Ｐ_Ｌ）以上の圧力損失である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシレス回転電機。