JP6910922B2 - 回転電機の回転子、回転電機及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機の回転子、回転電機及びその運転方法に関する。

例えば水車発電機のような大型の回転電機の回転子は、外径側に磁極を配置し、当該磁極の内径側に、リング状に形成されたリムを配置した構造を採っている。リムは、運転時に磁極及びリムに作用する遠心力を保持するための強度と剛性を有する。リムの内径側にはスポークが配置され、磁極とリムの重量を保持する構成となる。

このような回転電機においては、回転子を遠心ファンとして利用することにより、空気を循環して回転電機を冷却する冷却方式が採用されることが多い。この冷却方式は、回転子の内径側に配置されたスポークに吸気孔を設け、スポーク内の空間と外部とを連通し、さらにリムには半径方向に多数の放射状リムダクトを設け、磁極間の空間とスポーク内空間とを連通する構造とする。そのため、回転子が回転することで生じる遠心ファン効果により、回転電機内の空気を内径側から吸気して外径側に排出することで、回転電機内の空気を循環して回転電機を冷却するものとしている。

特開昭６０−１６７６５１号公報

上述した冷却方式を採用する回転電機において、回転子内での空気は、スポーク吸気孔よりスポーク内に流入した後、スポーク内の空間を経て、スポーク外径側に設けられたリムダクトを通過し、外径側の磁極間に排出される。上記通風経路において、一般的に排出側であるリムダクトの通風面積が小さい反面、吸入側であるスポーク内の空間が広いことから、スポーク内の空間には構造物が設けられていないため、スポーク内の広い空間では、吸入される空気の流れが複数の渦を伴う複雑な流れとなり、通風に伴う動力損失、及び圧力損失が大きくなるという不具合があった。

一方で、スポークは回転子の軸系の構造を担う構造体であることから、高い強度と剛性が要求される。また組立、調整過程においては、作業員がスポーク内の空間に入り、バランスウェイトを取り付ける場合があるなど、作業スペースに関する制約もある。以上のことから、スポークの強度、剛性を維持し、かつ作業スペースを確保した上で、スポーク内の空間における循環空気の流れを整えて、通風に伴う各種損失を低減することが望まれている。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、回転電機において通風に伴う損失を低減することが可能な回転電機の回転子、回転電機及びその運転方法を提供することを目的とする。

実施形態の回転電機の回転子によれば、複数の磁極と、上記複数の磁極を外周面に分散して配設可能に構成され、周方向に隣接する上記磁極の間隙で内周側から外周側に冷却風を通過させるリムダクトを形成したリムと、上記リムの内周側に貫装された略有底筒状のスポークと、を備え、上記スポークの内部に、スポーク底面に形成した開口部と上記スポークの上記リムダクトと接する外周面を連通し、上記開口部から吸入した冷却風を上記リムダクトに導通する、回転軸方向に沿って、断面形状、断面積、周方向位置及び径方向位置の少なくとも１つが変化する吸気ダクトを設ける。

また、実施形態の回転電機の運転方法によれば、複数の磁極と、上記複数の磁極を外周面に分散して配設可能に構成され、周方向に隣接する上記磁極の間隙で内周側から外周側に冷却風を通過させるリムダクトを形成したリムと、上記リムの内周側に貫装された略有底筒状のスポークと、上記スポークの内部に設けられてスポーク底面に形成した開口部と上記スポークの上記リムダクトと接する外周面を連通する、回転軸方向に沿って、断面形状、断面積、周方向位置及び径方向位置の少なくとも１つが変化する吸気ダクトと、を備える回転子を回転させる回転電機の運転方法であって、上記吸気ダクトにより、上記開口部から吸入した冷却風を上記リムダクトに導通させる工程を有する。

本発明の各実施形態によれば、回転電機において通風に伴う損失を低減することが可能となる。

第１の実施形態に係る回転電機の回転子全体の構成を示す斜視図。 同実施形態に係る同回転子の断面構造を示す図。 同実施形態に係る同回転子の平面構造を示す図。 第２の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図。 第３の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図。 第４の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造と吸気ダクト開口部の構成例とを示す図。 第５の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図。 第６の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図。

以下図面を参照して、本実施形態の回転電機について詳細に説明する。
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の、特に回転子全体の構成を示す斜視図である。図２は、同回転子の断面構造を、図３は、同回転子の平面構造をそれぞれ示している。

回転子は、最外径側に周状に分散して配置された複数の磁極１と、これら磁極１の内径側に配置されたリング状の複数のリム２と、これらリム２の内径側に貫装された、略有底円筒状のスポーク３とを有する構成となっている。
リム２はその外周面に複数の磁極１を分散して配設可能な構成を有する。

周方向に隣接する２つの磁極１の間隙において、スポーク３に取付けられたリム２には軸方向に複数の間隙が設けられており、このリム２の内周と外周を連通させる間隙がそのまま冷却風を通過させるリムダクト２ａとして機能するもので、リム２外周側の磁極１間の開口部が冷却風の排出口となる。
リム２は、例えば、回転軸方向に沿って同軸的に配置された平板リング状の複数のリム板をそれぞれ軸方向の間隔を空けて積層して構成される。この場合には、軸方向に隣接する２枚の平板リング状のリム板の間隙を保持するための保持片を磁極１の周方向の端部に配置することで、周方向に隣接する２つの磁極１の間に設けられるリムダクト２ａの径方向に垂直な断面を矩形状とすることができる。
もしくは、リム２は、扇型状の複数の薄板を周方向に一周分配置し、この一周分の薄板を軸方向に積層して構成してもよい。この場合には、軸方向にリムダクト２ａを配設しようとする部分において、周方向に隣接する２つの磁極１の間に相当する部分には薄板を配置しないようにしながら薄板を軸方向に積層していくことにより、同様に周方向に隣接する２つの磁極１の間隙の部分に内周側と外周側を連通させるリムダクト２ａを軸方向に複数配置することができる。
なお、本実施形態においてはリムダクト２ａを軸方向に複数設ける例を示しているが、１つであっても構わない。

加えて、スポーク３の外周側で、上記磁極１間のリムダクト２ａの開口部と相対向する径上の位置に（すなわち、リム２の内周部に隣接するように）、図２に示すように回転子の軸方向と平行となる吸気ダクト４を設けて、スポーク３の上下底面を吸気ダクト開口部４ａとしている。
すなわち、吸気ダクト４はスポーク３の内部に設けられ、スポーク３の軸方向の両端部のスポーク底面に形成した吸気ダクト開口部４ａと、スポーク３のうちリムダクト２ａと接する外周面を連通し、吸気ダクト開口部４ａから吸入した冷却風をリムダクト２ａに導通するように構成される。

上記図１では、磁極１が周状に１２個分散して配設され、それらの間のリムダクト２ａの開口部と相対向する径上の位置に、１２本の吸気ダクト４が形成されたものとして、１２個の吸気ダクト開口部４ａが形成されている状態を示している。

上記図１では、吸気ダクト４が略半円柱状であるものとして、その断面形状と同様に、吸気ダクト開口部４ａも略半円の形状を有するものとして図示した。しかしながら、吸気ダクト４の形状は、略半円柱状に限るものではない。

図３では、吸気ダクト４を、例えばリム２との隣接面のみが円弧に沿った緩やかな曲面となる、略四角柱状となるようにした場合の平面図を例示している。ここでは、吸気ダクト開口部４ａは図示するように、略矩形の形状となる。

上記のような構成にあって、回転電機の運転時に回転子が回転すると、リムダクト２ａにおける空気が遠心作用により磁極１間の開口より排出される。そのために生じる圧力差により、上記スポーク３上下底面からの空気が吸気ダクト開口部４ａを介して吸気ダクト４内に冷却風として吸引され、上記リムダクト２ａを介して磁極１間の開口から排出される、という連続的な空気の流れが形成される。

以上に記述した如く本実施形態によれば、リムダクト２ａを流れる冷却風が、広い空間であるスポーク３内でなく、スポーク３の外周面側に設けた吸気ダクト開口部４ａを介し、吸気ダクト４よりリムダクト２ａに導かれる。そのため、スポーク３の広い空間における渦の発生等の影響を受けず、通風に伴う損失を低減することが可能となる。

また、強度部材としてのスポーク３とリム２共に、吸気ダクト４を構成する以外には、従来の同様の部材と比して大幅な形状の変更等はない。スポーク３に関しては、運転中は閉止しておくことが可能な点検窓を設けることにより、スポーク３内部への作業員等のアクセスも従来通り可能な構成となる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図である。

基本的な構成は、上記図２に示した第１の実施形態の構成に準じるものとし、同一部分には同一符号を付与するものとして、その説明を省略する。

第２の実施形態では、１本の吸気ダクト４に対して、スポーク３の一底面に設ける吸気ダクト開口部４ａを１つのみとしている。

図２では、スポーク３の上底面側から吸入された空気流が、７つのリム２により構成される６層のリムダクト２ａに、回転軸方向に沿って順次流入し、磁極１を配設した外周側の開口より排出されることとなる。

このように１本の吸気ダクト４に対して吸気ダクト開口部４ａを１つのみとして冷却風の流れを１方向に規定することにより、上記図２で示したように１本の吸気ダクト４に対して２つの吸気ダクト開口部４ａがある場合と比較して、冷却風の流れが衝突するような事態を確実に排除し、円滑な冷却風の流れを実現できる。

また、例えば上記図１に示したように円周状に１２本の吸気ダクト４が構成された回転子の構成にあっては、半数の６本の吸気ダクト４の吸気ダクト開口部４ａをスポーク３の上底面側に、残る半数の６本の吸気ダクト４の吸気ダクト開口部４ａをスポーク３の下底面側にそれぞれ形成するものとして、隣り合う吸気ダクト４の吸気ダクト開口部４ａの周方向位置をスポーク３の上底面側と下底面側とで交互に配置するような構成とするものとしても良い。

このような構成とすることにより、吸気ダクト４及び吸気ダクト開口部４ａのスポーク３の各底面における寸法上の制約を受けにくくなるため、開口面積をより大きく設定することが可能となる。

［第３の実施形態］
図５は、第３の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図である。

基本的な構成は、上記図２に示した第１の実施形態の構成に準じるものとし、同一部分には同一符号を付与するものとして、その説明を省略する。

第３の実施形態では、吸気ダクト４内のリムダクト２ａの冷却風の流入口にそれぞれ、案内羽根５を配設している。ここでは、６層のリムダクト２ａに対し、上３層のリムダクト２ａの流入口では、スポーク３の上底面側の吸気ダクト開口部４ａから吸気した冷却風を導くよう、流入口下側の基部より内径側上方に延在した曲面形状のガイド板でなる案内羽根５を配設する。一方で、６層のリムダクト２ａ中の下３層のリムダクト２ａの流入口では、スポーク３の下底面側の吸気ダクト開口部４ａから吸気した冷却風を導くよう、流入口上側の基部より内径側下方に延在した曲面形状のガイド板でなる案内羽根５を配設する。

上記案内羽根５は、回転子の回転に伴う遠心力による変形に抗する程度の剛性を有するものであれば良く、金属製であれば、例えば鋼板、あるいは樹脂製であれば、例えばＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：繊維強化プラスチック）等により構成されるものとする。

このような構成とすることにより、２つの吸気ダクト開口部４ａより吸気ダクト４内に吸入される冷却風を、それぞれ予め設定した層のリムダクト２ａに積極的に導くことができ、リムダクト２ａに対する冷却風の吸入効率を上げることができる。

［第４の実施形態］
図６（Ａ）は、第４の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図である。
基本的な構成は、上記図２に示した第１の実施形態の構成に準じるものとし、同一部分には同一符号を付与するものとして、その説明を省略する。

第４の実施形態では、吸気ダクト４の断面形状が回転子の軸方向に沿って変化するものとしている。具体的には、吸気ダクト４の断面形状は、吸気ダクト開口部４ａに近い部分が最も広く、吸気ダクト開口部４ａから離れるに従って、外周側のリム２寄りに断面積が無段階に縮小するような形状となる構成としている。

このような構成とすることにより、吸気ダクト開口部４ａから吸入された冷却風は、順次リムダクト２ａの流入口を通過する毎に流量を減らしながら、吸気ダクト４内を流れるものとなる。

そのため、各吸気ダクト開口部４ａから吸入された冷却風が各層のリムダクト２ａで順次分岐して流れていく際の吸気ダクト４内での流速を低くすることにより、曲がり損、分岐損の成分をそれぞれ低減して、各層のリムダクト２ａの流入口近傍で流入される量を促進させることができる。

また、本実施形態に係る回転子の回転方向が不可逆ではなく、常に一定方向に回転するものとして運用する場合には、さらに吸気ダクト４の吸気ダクト開口部４ａの形状も併せて工夫するものとしても良い。

図６（Ｂ）は、スポーク３が図中の矢印Ｒ方向のみに回転するものとした場合の吸気ダクト開口部４ａの形状を表面側から見た構成を例示している。同図（Ｂ）に示すように、吸気ダクト４の周方向位置から回転円周に沿って吸気口の上流側に延在するようなテーパ面４ａ１を有する吸気ダクト開口部４ａとする。

この場合、該テーパ面４ａ１は、より上流側ほどスポーク３の底面から見て浅く、下流側の吸気ダクト４に近付くに連れて深くなるような傾斜を有するものとする。

このように、回転子の回転方向が一方向に規定されている場合に限り、吸気ダクト４の吸気ダクト開口部４ａの形状を工夫することにより、吸気ダクト開口部４ａ近傍の吸気ダクト４入口部では、テーパ面４ａ１を設けていない側の側壁に吸気されてきた冷却風が当たって、より効率的に吸気ダクト４内に吸気され、結果として吸気ダクト４及びリムダクト２ａを流れる冷却風の量をより促進させることができる。

［第５の実施形態］
図７は、第５の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図である。
基本的な構成は、上記図６（Ａ）に示した第４の実施形態の構成に準じるものとし、同一部分には同一符号を付与するものとして、その説明を省略する。

第５の実施形態では、吸気ダクト４を上下で２分割し、上側３層分のリムダクト２ａに対する吸気ダクト４と、下側３惣分のリムダクト２ａに対する吸気ダクト４とで、冷却風の流路を２分割するものとしている。

したがって、上記第４の実施形態において説明した如く、各吸気ダクト開口部４ａから吸入された冷却風が各層のリムダクト２ａで順次分岐して流れていく際の吸気ダクト４内での流速を低くすることにより、曲がり損、分岐損の成分をそれぞれ低減して、各層のリムダクト２ａの流入口近傍で流入される量を促進させることができる。

加えて、上記第２の実施形態においても説明した如く、両吸気ダクト４共に、１本当たりの吸気ダクト４に対して吸気ダクト開口部４ａを１つのみとして、冷却風の流れを１方向に規定しているため、上記図６（Ａ）の吸気ダクト４の軸方向の中間位置において、僅かに冷却風の流れが衝突するような部分を完全に排除し、円滑な冷却風の流れを実現できる。

［第６の実施形態］
図８は、第６の実施形態に係る回転電機の回転子の断面構造を示す図である。
基本的な構成は、上記図７に示した第５の実施形態の構成に準じるものとし、同一部分には同一符号を付与するものとして、その説明を省略する。

第６の実施形態では、吸気ダクト４の特にスポーク３の上下底面に近い部分の回転子の径方向に係る寸法を増大するものとして、吸気ダクト開口部４ａをスポーク３の外周部から離し、より内周側（内径側）に移動した径方向位置のスポーク底面に形成するものとしている。

このような構成とすることにより、径方向においてより内周側に位置する吸気ダクト開口部４ａから吸入された冷却風は、回転子の回転による遠心作用も加えて、より外周側に移動しながら順次リムダクト２ａの流入口を通過する毎に流量を減らして、吸気ダクト４内を流れるものとなる。

そのため、上記第５の実施形態で図７を用いて説明した場合に比べて、さらに高い締切圧を確保した状態で、吸気ダクト４及びリムダクト２ａを流入する冷却風の量を増大させることができる。

なお、上記図６乃至図８において、吸気ダクト４の内周側の傾斜を有する壁面部は、いずれも無段階に径方向の位置が変化する曲面により構成するものとして、直線的な屈曲となる段部を意図して形成しないものとした。

これにより、冷却風が当該段部で渦等を発生することなく、円滑に冷却風を流すことができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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…磁極、２…リム、２ａ…リムダクト、３…スポーク、４…吸気ダクト、４ａ…吸気ダクト開口部、４ａ１…テーパ面、５…案内羽根

Claims (7)

1. 複数の磁極と、
   上記複数の磁極を外周面に分散して配設可能に構成され、周方向に隣接する上記磁極の間隙で内周側から外周側に冷却風を通過させるリムダクトを形成したリムと、
   上記リムの内周側に貫装された略有底筒状のスポークと、を備え、
   上記スポークの内部に、スポーク底面に形成した開口部と上記スポークの上記リムダクトと接する外周面を連通し、上記開口部から吸入した冷却風を上記リムダクトに導通する、回転軸方向に沿って、断面形状、断面積、周方向位置及び径方向位置の少なくとも１つが変化する吸気ダクトを設ける、
   回転電機の回転子。
2. 上記吸気ダクトはそれぞれ複数が設けられ、複数の上記吸気ダクトはそれぞれ、上記開口部の１つのみから冷却風を吸入する、請求項１記載の回転電機の回転子。
3. 上記吸気ダクト内に、上記開口部から吸入した冷却風を上記リムダクトに導く案内羽根を形成する、請求項１または２記載の回転電機の回転子。
4. 上記吸気ダクトの開口部は、上記リムの内周部に隣接するように形成される、請求項１乃至３のいずれか記載の回転電機の回転子。
5. 上記吸気ダクトの開口部は、上記スポークの外周部から内径側に離れたスポーク底面に形成される、請求項１乃至３のいずれか記載の回転電機の回転子。
6. 固定子と、請求項１乃至５のいずれか記載の回転子とを備える回転電機。
7. 複数の磁極と、上記複数の磁極を外周面に分散して配設可能に構成され、周方向に隣接する上記磁極の間隙で内周側から外周側に冷却風を通過させるリムダクトを形成したリムと、上記リムの内周側に貫装された略有底筒状のスポークと、上記スポークの内部に設けられてスポーク底面に形成した開口部と上記スポークの上記リムダクトと接する外周面を連通する、回転軸方向に沿って、断面形状、断面積、周方向位置及び径方向位置の少なくとも１つが変化する吸気ダクトと、を備える回転子を回転させる回転電機の運転方法であって、
   上記吸気ダクトにより、上記開口部から吸入した冷却風を上記リムダクトに導通させる工程を有する、
   回転電機の運転方法。

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