JP6531069B2

JP6531069B2 - 全閉形回転電機および冷却器

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Publication number: JP6531069B2
Application number: JP2016107605A
Authority: JP
Inventors: 絢子小池; 優小槻
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-05-30
Filing date: 2016-05-30
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2036-05-30
Also published as: JP2017216774A

Description

本発明は、全閉形回転電機および冷却器に関する。

全閉形回転電機においては、回転電機内の回転子鉄心、あるいは固定子巻線や固定子鉄心等は、内扇により循環駆動される空気などの冷却用気体により冷却される。

また、冷却用気体が除去した熱は、冷却器によって冷却される。冷却器は、複数本の冷却管を有する。それぞれの冷却管内を冷却媒体である外気が流れ、外気は、外扇により送られる。内部を循環する冷却用気体は、冷却管の外側を流れ、冷却管内の外気により除熱される。

それぞれの冷却管は、通常、直管であり、両端を管板により固定され、管板を貫通して両端で開放している（特許文献１参照）。

特開２０１６−０５２１６９号公報

管板では複数の冷却管が貫通するため、管板には、複数の貫通孔が形成されている。貫通孔の配置は、たとえば、縦方向、横方向に整列した正方配置、あるいは、三角配列（千鳥配置）などがある。

管板の貫通孔の形成には、通常、孔抜き加工機としては、タレットパンチプレスが用いられる。タレットパンチプレスでは、孔開け箇所をプレス部に設定することにより所定の位置に貫通孔を形成していくことが可能であり、効率的に貫通孔を形成することができる。

冷却器の停止時と運転時の温度差の増加、冷却管の口径の増加、本数の増加、ピッチの減少などの条件の変化により、管板の板厚を増加させる必要が生ずる場合がある。

一方、タレットパンチプレスは、厚板の穴あけ加工には不向きであり、管板の板厚が、タレットパンチプレスの能力の限界の板厚を超えた場合には、タレットパンチプレスによる加工に比べて加工工程が増加し、加工時間も増加する。

具体的には、まず、レーザによる孔開けを行う。この際、最終的な貫通孔よりも径の小さな貫通孔を形成する。次に、ドリルにより、最終の貫通孔よりわずかに径の小さな貫通孔を形成する。最後に、管板の孔開け専用のＮＣ機での最終加工を行う。このように、順次、加工を行うため、タレットパンチプレスによる加工に比べて、大幅に時間を要する。

そこで、本発明は、全閉形回転電機の冷却器の管板について、タレットパンチプレスの能力の限界の板厚を超えた場合でも、効率的に孔開け加工を行う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、本発明に係る全閉形回転電機は、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、前記回転子鉄心の径方向外側に設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を前記回転軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心と前記固定子とを収納するフレームと、前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、前記軸受をそれぞれ固定支持し前記フレームに接続する軸受ブラケットと、前記回転子および前記固定子を冷却する冷却用気体を冷却する複数の冷却管と、前記冷却管の両端を支持する２つの管板構造と、前記冷却管を収納し、前記フレーム、前記軸受ブラケットおよび前記管板構造と相まって閉空間を形成する冷却器カバーと、を有する冷却器と、を備え、前記２つの管板構造のそれぞれは、広がり方向に同一形状、同一寸法の複数の板要素を有し、前記複数の板要素のそれぞれは、互いに同一個所に複数の貫通孔が形成され、互いにすべての貫通孔が一致するように重ね合わされて、互いに密着して対向する面同士が重なるように複数個所で接合され、前記貫通孔の少なくとも一方の隣接する貫通孔に対向する側の端部には開口部に向かって広がったテーパ部が形成され、互いに対向する前記貫通孔の前記テーパ部を除く部分の径は互いに同一であり、前記冷却管は、前記回転軸方向に前記テーパ部が設けられた位置で径が広がっている、ことを特徴とする。

また、本発明に係る冷却器は、全閉形回転電機の回転子および固定子を冷却する冷却用気体を冷却する複数の冷却管と、前記冷却管の両端を支持する２つの管板構造と、前記冷却管を収納し、フレーム、軸受ブラケットおよび前記管板構造と相まって閉空間を形成する冷却器カバーと、を備える冷却器であって、前記２つの管板構造のそれぞれは、広がり方向に同一形状、同一寸法の複数の板要素を有し、前記複数の板要素のそれぞれは、互いに同一個所に複数の貫通孔が形成され、互いにすべての貫通孔が一致するように重ね合わされて、互いに密着して対向する面同士が重なるように複数個所で接合され、前記貫通孔の少なくとも一方の隣接する貫通孔に対向する側の端部には開口部に向かって広がったテーパ部が形成され、互いに対向する前記貫通孔の前記テーパ部を除く部分の径は互いに同一であり、前記冷却管は、回転軸方向に前記テーパ部が設けられた位置で径が広がっている、ことを特徴とする。

本発明によれば、全閉形回転電機の冷却器の管板について、孔抜き加工機の能力の限界の板厚を超えた場合でも、効率的に孔開け加工を行うことが可能となる。

実施形態に係る全閉形回転電機の構成を示す立断面図である。実施形態に係る管板構造の構成を示す斜視図である。実施形態に係る管板構造の内側板要素と外側板要素との接合を示す正面図である。実施形態に係る管板構造における冷却管の拡管前の状態を示す縦断面図である。実施形態に係る管板構造における冷却管の拡管後の状態を示す縦断面図である。実施形態に係る管板構造の製造方法の手順を示すフロー図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る全閉形回転電機および冷却器について説明する。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、実施形態に係る全閉形回転電機の構成を示す立断面図である。

全閉形回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、２つの軸受３０、フレーム４０、および冷却器１００を有する。

回転子１０は、ロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、両側を回転可能に軸支され、軸方向に水平に延びている。回転子鉄心１２は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された構造である。ロータシャフト１１には回転子鉄心１２を挟んだ軸方向の両側にそれぞれ内扇５１が取り付けられている。

固定子２０は、回転子１０の径方向外側に設けられて、軸方向に延びた円筒状である。固定子２０は、固定子鉄心２１と固定子巻線２２を有する。固定子鉄心２１は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造である。積層構造中には、軸方向に１か所あるいは複数個所に固定子ダクト（図示せず）が設けられている。固定子ダクトは、図示しないスペーサによって軸方向に間隙が形成された部分であって、固定子２０の内側から全周にわたって径方向に冷却用気体が流出する流路となる。

回転子鉄心１２の径方向外側に対向する固定子鉄心２１の内側面には周方向に互いに間隔をおいて軸方向に延びた図示しないスロットが形成されている。それぞれのスロット内および固定子鉄心２１の軸方向の両外側には固定子巻線２２が設けられている。

２つの軸受３０は、回転子鉄心１２をはさんでロータシャフト１１の軸方向の両側を回転可能に支持している。それぞれの軸受３０は、たとえば、転がり軸受あるいはすべり軸受である。軸受３０は、それぞれ軸受ブラケット４５に固定支持されている。

回転子鉄心１２および固定子２０は、フレーム４０および両側の軸受ブラケット４５により形成された空間内に収納されている。また、フレーム４０の上部には、冷却器１００が設けられている。

冷却器１００は、複数の冷却管１３０、２つの管板構造１２０、および冷却器カバー１１０を有する。

冷却器カバー１１０は、冷却管１３０を収納している。フレーム４０と冷却器カバー１１０とは、１つの冷却器入口側開口１０１、２つの冷却器出口側開口１０２によって連通している。冷却器入口側開口１０１は、軸方向には固定子鉄心２１の上方に形成されている。また、２つの冷却器出口側開口１０２は、冷却器入口側開口１０１を挟んで、軸方向の両側に形成されている。

フレーム４０内には仕切り板４２が設けられている。仕切り板４２は、円形の開口が形成された板状であり、固定子鉄心２１の軸方向両側の端部に取り付けられている。固定子鉄心２１の径方向外側の雰囲気と、軸方向外側の雰囲気は、仕切り板４２により隔離されている。

複数の冷却管１３０は、軸方向に延び、互いに平行に配列されている。冷却管１３０は、両端を管板構造１２０により支持されている。冷却管１３０の両端のそれぞれは管板構造１２０を貫通し、冷却管１３０の内部は外部に開放されている。

フレーム４０、２つの軸受ブラケット４５、冷却器カバー１１０、２つの管板構造１２０、および複数の冷却管１３０は、互いに相俟って閉空間４０ａを形成している。

ロータシャフト１１の、カップリング部１１ａと反対側（反カップリング側）の端部の近傍には、外扇１４０が設けられている。外扇１４０は、外扇カバー１４５内に収納されている。外扇カバー１４５は、外扇１４０を収納するとともに、反カップリング側の軸受ブラケット４５および管板構造１２０を覆っている。外扇カバー１４５には、外気取り入れ孔１４５ａが形成されている。

外扇１４０が回転すると、外気取り入れ孔１４５ａから外扇カバー１４５に流入した外気は、外扇１４０を通過し、管板構造１２０を貫通して開口となっている各冷却管１３０の管内を通過して、反対側の管板構造１２０を貫通する端部のそれぞれの開口から外側に流出する。

閉空間４０ａ内のたとえば空気などの冷却用気体は、２台の内扇５１により駆動され、閉空間内４０ａを循環する。すなわち、２つの冷却器出口側開口１０２からフレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇５１を通過し、回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。回転子鉄心１２および固定子２０を冷却しながら、冷却用気体は、固定子鉄心２１に形成された固定子ダクトを径方向外側に流れ、冷却器入口側開口１０１から冷却器１００に流入する。冷却管１３０の外側を通過しながら冷却された冷却用気体は、冷却器出口側開口１０２から再びフレーム４０内に流入する。

図２は、実施形態に係る管板構造の構成を示す斜視図である。また、図３は、実施形態に係る管板構造の内側板要素と外側板要素との接合を示す正面図である。

管板構造１２０は、平板であって広がり方向に同じ形状、寸法の複数の板要素を有する。今、板要素が２枚の場合とすると内側板要素１２１と外側板要素１２２を有する。内側板要素１２１には、正方格子状に配列された複数の貫通孔１２１ａが形成されている。同様に、図２では表示されていないが、外側板要素１２２にも、同様に正方格子状に配列され、複数のそれぞれが内側板要素１２１に形成された貫通孔と同一径の貫通孔１２２ａ（図４）が形成されている。正方格子の広がり方向について、複数の貫通孔１２２ａのそれぞれの中心位置は、複数の貫通孔１２１ａのそれぞれの中心位置に対応して同一箇所に形成されている。

なお、貫通孔１２１ａ、１２２ｂの配置は、正方格子状には限定されない。たとえば、三角配列、あるいは、熱交換器としての性能上必要なその他の配列でもよい。

内側板要素１２１の板厚と外側板要素１２２の板厚との合計値は、タレットパンチプレスの孔開け能力を超えているが、内側板要素１２１、外側板要素１２２それぞれの板厚は、タレットパンチプレスなどの孔抜き加工機により孔開け可能な板厚であり、タレットパンチプレスなどの孔抜き加工機により孔開けされたものである。なお、内側板要素１２１、外側板要素１２２それぞれの板厚は異なっていてもよい。

内側板要素１２１と外側板要素１２２は、広い面同士が重ねあわされている。内側板要素１２１と外側板要素１２２は、広がり方向についての４隅を、ノックピン１２０ａで相互に固定されている。また、正方格子状に並んだ箇所で、内側板要素１２１と外側板要素１２２とはスポット溶接され、それぞれのスポット溶接点１２０ｂのスポット溶接部１２３（図４）で互いに接合している。スポット溶接点１２０ｂの位置は、貫通孔１２１ａの縦方向および横方向の各ピッチの中央である。

なお、内側板要素１２１と外側板要素１２２は、スポット溶接による接合には限定されない。たとえば、全面的あるいは部分的に接着剤により接合されていてもよい。あるいは、ずれが生じなければ、ボルトとナットによる結合により内側板要素１２１と外側板要素１２２を接合してもよい。この場合は、接合部がずれないように、リーマボルトを用いてもよい。

板の面外方向の力に対する曲げ剛性Ｄは、Ｄ＝Ｅｔ^３／［１２（１−ν^２）］で与えられる。ここで、Ｅはヤング率、νはポアソン比、ｔは板厚である。すなわち、板厚の３乗に比例する。今、板厚ｔ_０の板２枚の剛性を、板厚２ｔ_０の板の剛性を比較すれば、その比は、次のように、４分の１に低下する。
（２枚の場合／板厚２倍の場合）＝２（ｔ_０）^３／（２ｔ_０）^３＝１／４

これは、２枚の板が相互に拘束することなく互いに自由に摺動する場合である。２枚の板の間が、たとえば接着剤などで完全に接着している場合には、ほとんど１枚の板の挙動に近くなる。したがって、正方格子状にスポット溶接部１２３で互いに接合し、４隅をノックピン１２０ａで互いに固定されている本実施形態の場合は、内側板要素１２１と外側板要素１２２の挙動が互いに完全に自由という状態から、互いにある程度拘束された状態へと変化していることが期待される。すなわち、内側板要素１２１と外側板要素１２２の全体の剛性は、一体の場合の１／４までは低下せずに、これよりは１に近づく方向に改善されていると考えられる。

したがって、内側板要素１２１と外側板要素１２２の全体の剛性の、内側板要素１２１と外側板要素１２２の板厚の合計値の板厚を有する１枚の板の剛性に対する比の値をＫ（＜１）とすれば、たとえば、必要板厚が剛性確保から決定されるような場合には、計算上必要な板厚ｔｎに対して、複数の管板の合計の板厚ｔｓを、ｔｓ＝ｔｎ／Ｋ以上とすることにより、必要な強度を確保することができる。

図４は、冷却管の拡管前の状態を示す縦断面図である。内側板要素１２１の貫通孔１２１ａの少なくとも１方の面の側にはテーパ部１２１ｂが形成されている。また、外側板要素１２２の貫通孔１２２ａの少なくとも内側板要素１２１側にはテーパ部１２２ｂが形成されている。それぞれのテーパ部は、開口部に向かって広がっている。すなわち、表面に近くなるほど径が大きくなるように形成されている。図４では、内側板要素１２１の両面側に、テーパ部１２１ｂが形成されている場合を示している。

このように、冷却管１３０が貫通する内側板要素１２１および外側板要素１２２には、冷却管１３０の径方向外側に広がっている部分が形成される。この広がっている部分は、内側板要素１２１の外面と外側板要素１２２の内面の境界付近（図４のＡ部）と、内側板要素１２１の内面側（図のＢ部）である。

図５は、冷却管の拡管後の状態を示す縦断面図である。図４のＡ部での冷却管１３０の拡管により拡管部１３０ａが形成される。また、図４のＢ部での冷却管１３０の拡管により拡管部１３０ｂが形成される。

特に、拡管部１３０ａは、この一か所で、冷却管１３０の軸方向外側への移動（図５の右側方向）と、軸方向内側への移動（図５の左側方向）の両方を拘束している。

また、拡管部１３０ｂは、拡管部１３０ａと隣接することによって、内側板要素１２１が、相対的に冷却管１３０側、すなわち径方向内側に突出した状態となっており、同様に、冷却管１３０の軸方向外側への移動と軸方向内側への移動の両方を拘束している。

この結果、冷却管１３０が内側板要素１２１および外側板要素１２２としっかり接合される。したがって、たとえば、回転電機あるいは冷却用気体の流れによる振動源がある場合であっても、振動を助長したり、騒音を発生したりすることがない。

なお、拡管部１３０ａのみでも十分に拘束機能が確保されていれば、拡管部１３０ｂを形成せずに、拡管部１３０ａのみの形成であってもよい。あるいは、両側の管板構造１２０にそれぞれ設けられていれば、拡管部１３０ｂのみの形成であってもよい。

図６は、実施形態に係る管板構造の製造方法の手順を示すフロー図である。

まず、各板要素のそれぞれに、孔抜き加工機で必要な数の孔の孔開け加工を行う（ステップＳ０１）。すなわち板要素が２枚の場合は、内側板要素１２１に必要な数の貫通孔１２１ａを形成し、外側板要素１２２に必要な数の貫通孔１２２ａを形成する。次に、各板要素に形成した貫通孔のそれぞれにテーパ部を形成する（ステップＳ０２）。

次に内側板要素１２１と外側板要素１２２とを重ねて、４隅にノックピン用の孔を形成し、それぞれにノックピン１２０ａを挿入する（ステップＳ０３）。さらに、各板要素１２１、１２２同士を複数個所で互いに接合させる（ステップＳ０４）。接合は、たとえばスポット溶接あるいはリーマボルト等による。この段階で、それぞれの管板構造１２０が形成される。

次に、冷却器１００の組立て段階で、各冷却管１３０の拡管を行う（ステップＳ０５）。すなわち、２つの管板構造１２０を対向させ、冷却器カバー１１０と結合する。この後、各冷却管１３０を管板構造１２０の貫通孔１２１ａ、１２２ａに挿入し、軸方向の位置決めを行う。次に、それぞれの冷却管１３０の拡管を行い、拡管部１３０ａ、１３０ｂを形成する。

以上のように、全閉形回転電機の冷却器の管板についてタレットパンチプレスなどの孔抜き加工機の能力の限界の板厚を超えた場合でも、効率的に孔開け加工を行い、かつ必要な板厚の管板を得ることが可能となる。

［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、実施形態においては、管板構造が２枚の管板を有する場合を示したが、これに限定されない。必要に応じて、さらに３枚以上の場合であってもよい。また、実施形態では、横置き型の場合を例にとって示したが、縦置き型の場合であってもよい。

さらに、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、１１ａ…カップリング部、１２…回転子鉄心、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４０ａ…閉空間、４２…仕切り板、４５…軸受ブラケット、５１…内扇、１００…冷却器、１０１…冷却器入口側開口、１０２…冷却器出口側開口、１１０…冷却器カバー、１２０…管板構造、１２０ａ…ノックピン、１２０ｂ…スポット溶接点、１２１…内側板要素（板要素）、１２１ａ…貫通孔、１２１ｂ…テーパ部、１２２…外側板要素（板要素）、１２２ａ…貫通孔、１２２ｂ…テーパ部、１２３…スポット溶接部、１３０…冷却管、１３０ａ、１３０ｂ…拡管部、１４０…外扇、１４５…外扇カバー、１４５ａ…外気取り入れ孔、２００…全閉形回転電機

Claims

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、
前記回転子鉄心の径方向外側に設けられた円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を前記回転軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記回転子鉄心と前記固定子とを収納するフレームと、
前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、
前記軸受をそれぞれ固定支持し前記フレームに接続する軸受ブラケットと、
前記回転子および前記固定子を冷却する冷却用気体を冷却する複数の冷却管と、前記冷却管の両端を支持する２つの管板構造と、前記冷却管を収納し、前記フレーム、前記軸受ブラケットおよび前記管板構造と相まって閉空間を形成する冷却器カバーと、を有する冷却器と、
を備え、
前記２つの管板構造のそれぞれは、広がり方向に同一形状、同一寸法の複数の板要素を有し、
前記複数の板要素のそれぞれは、互いに同一個所に複数の貫通孔が形成され、互いにすべての貫通孔が一致するように重ね合わされて、互いに密着して対向する面同士が重なるように複数個所で接合され、
前記貫通孔の少なくとも一方の隣接する貫通孔に対向する側の端部には開口部に向かって広がったテーパ部が形成され、
互いに対向する前記貫通孔の前記テーパ部を除く部分の径は互いに同一であり、
前記冷却管は、前記回転軸方向に前記テーパ部が設けられた位置で径が広がっている、
ことを特徴とする全閉形回転電機。
前記接合は、スポット溶接により行われたものであることを特徴とする請求項１に記載の全閉形回転電機。
前記接合は、接着剤により前記２つの管板構造が互いに対向する面の全面にわたって行われたものであることを特徴とする請求項１に記載の全閉形回転電機。
全閉形回転電機の回転子および固定子を冷却する冷却用気体を冷却する複数の冷却管と、
前記冷却管の両端を支持する２つの管板構造と、
前記冷却管を収納し、フレーム、軸受ブラケットおよび前記管板構造と相まって閉空間を形成する冷却器カバーと、
を備える冷却器であって、
前記２つの管板構造のそれぞれは、広がり方向に同一形状、同一寸法の複数の板要素を有し、
前記複数の板要素のそれぞれは、互いに同一個所に複数の貫通孔が形成され、互いにすべての貫通孔が一致するように重ね合わされて、互いに密着して対向する面同士が重なるように複数個所で接合され、
前記貫通孔の少なくとも一方の隣接する貫通孔に対向する側の端部には開口部に向かって広がったテーパ部が形成され、
互いに対向する前記貫通孔の前記テーパ部を除く部分の径は互いに同一であり、
前記冷却管は、回転軸方向に前記テーパ部が設けられた位置で径が広がっている、
ことを特徴とする冷却器。