JP6956046B2

JP6956046B2 - フレーム構造の設計方法

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Publication number: JP6956046B2
Application number: JP2018109414A
Authority: JP
Inventors: 大石　浩司; 浩司大石; 卓小串
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2021-10-27
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Description

本発明は、フレーム構造の設計方法に関する。

回転電機は、通常、ロータシャフトおよび回転子鉄心を有する回転子と、回転子の外側に配された固定子鉄心とそれを貫通する固定子巻線とを有する固定子を備えている。

全閉形回転電機においては、回転子鉄心および固定子は、フレーム等が形成する閉空間内に収納されている。固定子および回転子鉄心で発生する熱を除去するための冷却は、通常、閉空間内の空気等の冷却用気体の循環と、機内の冷却用気体から外気等の冷却媒体への熱移動により行っている。

特開平９−７４７０８号公報特開２００７−２４４１７７号公報特許第６２５５３７７号公報

全閉形回転電機において、冷却管を有する冷却器が備えられている場合は、閉空間内の冷却用気体から冷却管内の外気あるいは冷却水などの冷却媒体への熱移動は、冷却管の外面から内面への熱移動、すなわち冷却管を通じた伝熱により行われる。

一方、冷却管を有さない場合には、外気による熱除去のため、フレームの頂部や側部の外側表面に複数のフィンを設けたフィンフレーム方式が多く採用されている（特許文献１参照）。

また、冷却媒体として外気を用いた冷却器を有する場合あるいはフィンフレーム方式の場合には、外気を強制的に流すために、通常、ロータシャフトに取り付けられた外扇が閉空間の外側に設けられている。

閉空間内については、冷却用気体の循環のために、通常、ロータシャフトに取り付けられた内扇が設けられている。また、冷却用気体の循環のために、さらに、フレームに、軸方向に延びる冷却用気体の通路が形成されている場合がある（特許文献２参照）。この通路は、通常、周方向に互いに間隔をあけて配されており、フレームに通路が形成されていない領域のフレームの外表面にフィンが設けられている（特許文献３参照）。

図７は、従来の全閉形回転電機の構成例を示す横断面図である。フレーム構造４０は、脚４３により下方から支持されている。フレーム構造４０の周方向には、通風孔が、周方向に互いに間隔をおいて配されている。すなわち、上方の両側に２つの上方通風路４２ａが、また、両側の脚４３および脚リブ４３ａが設けられている部分にそれぞれ下方通風路４２ｂが形成されている。

フレーム構造４０の外部フィンは、フレーム構造４０の外表面のそれぞれの領域に設けられている。すなわち、フレーム構造４０に上方通風路４２ａが形成されている２つの部分に挟まれたフレーム構造４０外表面の頂部の領域に複数のフィンが設けられている。また、上方通風路４２ａが形成されている部分と下方通風路４２ｂが形成されている部分に挟まれた両側のフレーム構造４０外表面の側部の領域に複数のフィンが設けられている。さらに、下方通風路４２ｂが形成されている２つの部分に挟まれたフレーム構造４０外表面の底部の領域に、複数のフィンが設けられている。

一般的な全閉形回転電機の多くにおいては、固定子鉄心２１の径方向の外表面は、運転状態においては、フレーム構造４０の内表面に密着している。このため、固定子鉄心２１および固定子巻線で発生する熱は、固定子鉄心２１からフレーム構造４０に伝達し、フレーム構造４０の外表面から外気に放散される。

一方、回転子鉄心１２で発生した熱については、固定子鉄心２１への熱伝導による移動経路が存在しないため、冷却用気体により除去する必要がある。このために、閉空間内の循環を確保するために通風路が必要である。しかしながら、通風路の存在は、固定子鉄心２１で発生した熱の外気への放熱に重要なフィンの設置を妨げることになる。

そこで、本発明は、簡素化された構成により全閉形回転電機の冷却能力を確保することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、ロータシャフトおよび回転子鉄心を有する回転子と、固定子鉄心および固定子巻線を有する固定子と、結合側軸受および反結合側軸受と、結合側軸受ブラケットおよび反結合側軸受ブラケットと、内扇と、を備える全閉形回転電機の前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、前記結合側軸受ブラケットおよび反結合側軸受ブラケットととともに閉空間を形成するフレーム構造の設計方法であって、前記全閉形回転電機の基本仕様を設定する基本仕様設定ステップと、前記基本仕様設定ステップで設定された前記基本仕様に基づいて、発熱部の発熱量および前記閉空間内の冷却用気体の流れにより生ずる発熱部圧力損失を算出するとともに、通風路圧力損失について許容圧力損失範囲を設定する許容範囲設定ステップと、前記通風路圧力損失を前記許容圧力損失範囲内の値として前記発熱部を許容温度範囲内とする冷却能力確保ステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、簡素化された構成により全閉形回転電機の冷却能力を確保することができる。

第１の実施形態に係る全閉形回転電機の構成を示す図２のＩ−Ｉ線矢視立断面図である。第１の実施形態に係る全閉形回転電機の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。全閉形回転電機の回転子導体および固定子巻線の温度上昇値の非通風路領域面積に対する依存性の解析例を示すグラフである。回転子導体および固定子巻線の温度上昇値の冷却用気体循環流量への依存性の解析例を示すグラフである。第１の実施形態に係るフレーム構造の設計方法の手順を示すフロー図である。第２の実施形態に係るフレーム構造の設計方法の手順を示すフロー図である。従来の全閉形回転電機の構成例を示す横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る全閉形回転電機およびそのフレーム構造について説明する。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。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る全閉形回転電機の構成を示す図２のＩ−Ｉ線矢視立断面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。なお、図１においては、後述するフレーム外側フィン４５の図示を省略している。

全閉形回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、結合側軸受３０ａ、反結合側軸受３０ｂ、結合側軸受ブラケット３５ａ、反結合側軸受ブラケット３５ｂ、フレーム構造４０、および外扇５０を有する。以下、全閉形回転電機１００が、かご型誘導電動機である場合を例にとって説明する。

回転子１０は、軸方向に延びるロータシャフト１１、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２、および複数の回転子導体１３を有する。ロータシャフト１１は、軸方向の一方の端部に結合部１１ａを有する。

結合部１１ａは、被駆動対象との結合部である。ロータシャフト１１の回転軸の方向（軸方向）が結合部１１ａの方向に向かう方向を結合側と呼び、これと反対方向を反結合側と呼ぶものとする。

ロータシャフト１１は、回転子鉄心１２を挟んだ軸方向の両側で、結合側は結合側軸受３０ａ、反結合側は反結合側軸受３０ｂによりそれぞれ回転可能に支持されている。回転子鉄心１２と反結合側軸受３０ｂとの間の軸方向位置において、内扇１５がロータシャフト１１に設けられている。図１では内扇１５が軸流ファンである場合を示している。

なお、内扇１５の設置位置は、回転子鉄心１２と反結合側軸受３０ｂとの間の軸方向位置には限定されない。たとえば、回転子鉄心１２と結合側軸受３０ａとの間の軸方向位置に設けられていてもよい。あるいは、回転子鉄心１２の軸方向の両側に設けられていてもよい。さらに、軸流ファンではなく、遠心ファンであってもよい。なお、遠心ファンの場合には、循環の流れの方向が軸流ファンの場合とは逆になる。

回転子導体１３は、回転子鉄心１２の径方向外側近くに互いに並列に周方向に配され回転子鉄心１２を軸方向に貫通する複数の回転子導体バー（図示せず）と、回転子鉄心１２の軸方向の両外側で、複数の回転子導体を短絡させる環状の短絡環（図示せず）を有する。

固定子２０は、固定子鉄心２１と複数の固定子巻線２２とを有する。固定子鉄心２１は円筒状であり、回転子鉄心１２の径方向外側に空隙１８を介して回転子鉄心１２を囲むように設けられている。固定子巻線２２は、固定子鉄心２１の径方向の内側部分を軸方向に貫通する。詳細には、固定子鉄心２１の周方向内側には、周方向に互いに間隔をあけて配され軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）が形成されており、固定子巻線２２は、これら複数のスロット内を貫通する。

フレーム構造４０は、固定子鉄心２１の径方向外側に配され、回転子鉄心１２および固定子２０を収納する。フレーム構造４０は、円筒状の円筒部４０ｈと円筒部４０ｈの外表面に設けられた複数のフレーム外側フィン４５を有する。フレーム構造４０の円筒部４０ｈの内側表面と固定子鉄心２１の径方向外側表面とは互いに接触している。あるいは、円筒部４０ｈの内側表面と固定子鉄心２１の径方向外側表面との間は、低温時にはクリアランスを有するが、全閉形回転電機１００の運転時には、固定子鉄心２１の温度が上昇することにより、円筒部４０ｈの内側表面と固定子鉄心２１の径方向外側表面が接触する。

フレーム構造４０の軸方向の両側の端部には、結合側軸受ブラケット３５ａおよび反結合側軸受ブラケット３５ｂが取り付けられ、それぞれ結合側軸受３０ａおよび反結合側軸受３０ｂを静止支持している。

フレーム構造４０、結合側軸受ブラケット３５ａおよび反結合側軸受ブラケット３５ｂは、互いに相俟って冷却用気体を封入する閉空間４０ａを形成している。閉空間４０ａは、軸方向に回転子鉄心１２と結合側軸受３０ａとに挟まれた結合側空間４０ｂと、軸方向に回転子鉄心１２と反結合側軸受３０ｂとに挟まれた反結合側空間４０ｃを有する。

フレーム構造４０には、その下端部を周方向に挟んで、２つの通風路４１が形成されている。それぞれの通風路４１が形成する通風路内空間４１ｃは、通風路入口開口４１ａで結合側空間４０ｂと連通し、通風路出口開口４１ｂで、内扇１５が設けられている反結合側空間４０ｃと連通している。

フレーム構造４０を支持するために４つの脚４３が設けられている。すなわち、フレーム構造４０の下端部を周方向に挟むように配された２つの脚４３が、軸方向に互いに間隔をあけて２か所に取り付けられている。それぞれの脚４３は水平方向および軸方向に広がる矩形形状である。それぞれの脚４３には、平板状に軸に垂直な方向に広がる脚リブ４３ａが取り付けられており、軸に垂直な方向の荷重に対する支持機能に必要な剛性確保に寄与している。

外扇５０は、ロータシャフト１１の端部に取り付けられている。外扇５１を、外扇カバー５１が覆っている。外扇カバー５１は、筒状部分と、その一方の端部に取り付けられ吸い込み口が形成された板とを有する。筒状部分の、板が取り付けられた端部と反対側に部分は、フレーム４０の端部の径方向外側を、ギャップをあけて覆っている。

フレーム構造４０の複数のフレーム外側フィン４５は、円筒部４０ｈの外表面のうち通風路４１が形成されていない周方向の領域に設けられている。複数のフレーム外側フィン４５は、互いに並列に配され、それぞれ、径方向に広がり軸方向に延びた板状である。

なお、フレーム外側フィン４５の延びる方向は、軸方向に限定されない。たとえば、周方向あるいは、軸方向に対し傾きを有する方向であってもよい。さらに、フレーム外側フィン４５は、複数の方向のそれぞれに向いたものを有してもよい。

フレーム外側フィン４５は、フレーム構造４０の円筒部４０ｈの表面に、長く延びた板状の部材を溶接あるいはロー付け等により取り付けてもよい。あるいは、鋳造等により、フレーム構造４０の円筒部４０ｈと一体で形成してもよい。

フレーム外側フィン４５は、フレーム構造４０の円筒部４０ｈの頂部から周方向に底部に向かって順次配された、フレーム外側頂部フィン４５a、フレーム外側側部フィン４５ｂ、および、フレーム外側底部フィン４５ｃを有する。

フレーム外側頂部フィン４５aは、円筒部４０ｈの頂部を中心に周方向の両側に広がって配されている。フレーム外側側部フィン４５ｂは、フレーム外側頂部フィン４５aの周方向の両側に隣接し、脚４３が設けられている周方向位置の手前まで、それぞれ広がっている。フレーム外側底部フィン４５ｃは、２つの脚４３に挟まれた周方向領域に配されている。

以上のように、本第１の実施形態においては、図７に示す従来の構成に比べて、円筒部４０ｈの外表面にフィンの形成されている領域の割合が大きくなっている。

なお、結合側軸受ブラケット３５ａおよび反結合側軸受ブラケット３５ｂの外表面にもそれぞれ複数のフィン（図示せず）が設けられている。

以上のように構成された本第１の実施形態による全閉形回転電機１００における、回転子鉄心１２、回転子導体１３、および固定子２０（以下、「発熱部７０」と総称）で発生した熱の移動、すなわち、これらの要素の冷却について、以下に説明する。

内扇１５は、反結合側空間４０ｃ内の冷却用気体を、軸方向に発熱部７０側に向けて駆動する。内扇１５により駆動された冷却用気体は、発熱部７０、すなわち回転子鉄心１２、回転子導体１３、および固定子２０等を冷却しながら通過した後に、結合側空間４０ｂに流入する。結合側空間４０ｂに流入した冷却用気体は、通風路入口開口４１ａから通風路内空間４１ｃに流入し、通風路内空間４１ｃを通過した後に、通風路出口開口４１ｂから反結合側空間４０ｃに流入する。反結合側空間４０ｃに流入した冷却用気体は、再び内扇１５により駆動される。

このように、冷却用気体は、回転子鉄心１２、回転子導体１３、および固定子２０で生じた熱を受け取りながら循環している。冷却用気体の循環流路において、外気との熱交換が可能な部分は、主に、フレーム構造４０における通風路４１の外側の壁、結合側空間４０ｂに面するフレーム構造４０の円筒部４０ｈおよび結合側軸受ブラケット３５ａ、および反結合側空間４０ｃに面するフレーム構造４０の円筒部４０ｈおよび反結合側軸受ブラケット３５ｂの３つの部分である。このうち、通風路４１の外側の壁には、外側にフィンが設けられておらず、除熱効果は小さいと考えられる。したがって、冷却用気体からの熱除去は、主に、残りの２つの部分において行われると考えられる。

一方、少なくとも全閉形回転電機１００の運転中は、固定子鉄心２１の径方向外側表面はフレーム構造４０の円筒部４０ｈの内面に接触している。したがって、固定子鉄心２１および固定子巻線２２で発生した熱は、一部は冷却用気体側に移動するものの、大部分は、熱伝導により円筒部４０ｈに移動し、円筒部４０ｈの表面に設けられたフレーム外側フィン４５等から外気に放出される。なお、この際も、フレーム外側フィン４５は、通風路４１が形成されていない領域に設けられていることから、熱の放出は、通風路４１が形成されていない領域で主になされると考えられる。

図３は、全閉形回転電機の回転子導体および固定子巻線の温度上昇値の非通風路領域面積に対する依存性の解析例を示すグラフである。横軸は、フレーム構造４０の外表面において通風路４１が形成されていない領域の面積すなわち非通風路領域面積であり、基準としたケースの非通風路領域面積に対する比（ＰＵ）で示している。縦軸は、温度上昇値（Ｋ）である。実線で示す曲線Ｒは、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒについての温度上昇値、破線で示す曲線Ｓは、固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値をそれぞれ示している。

非通風路領域は、フレーム外側フィン４５が設けられている領域でもある。図３に示すように、非通風路領域面積が増大すると、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓについてのいずれの上昇値も減少している。このように、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓのいずれについても、非通風路領域面積の増大の効果が顕著であることが示されている。

図４は、回転子導体および固定子巻線の温度上昇値の冷却用気体循環流量への依存性の解析例を示すグラフである。横軸は、冷却用気体の循環流量（％）であり、基準としたケースの冷却用気体の循環流量に対する比である。縦軸は、温度上昇値（ＰＵ）であり、基準としたケースの温度上昇値に対する割合で示している。実線で示す曲線Ｒは、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒについての温度上昇値、破線で示す曲線Ｓは、固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値をそれぞれ示している。

図４に示すように、冷却用気体循環流量が増大すると、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒの温度上昇値も減少する。ただし、導体バー温度Ｔｒの温度上昇値の減少傾向は、冷却用気体循環流量の増大に従って緩やかになる。逆に言えば、冷却用気体循環流量の流量が小さい領域で、特に効果が大きい。

一方、冷却用気体循環流量の増大に対する固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値の減少程度は、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒについての温度上昇値の減少程度に比べて小さい。すなわち、冷却用気体循環流量の増大の効果は、主として回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒについての温度上昇値に生じる。

以上の図３および図４に示された解析例で得られた結果をまとめると次の２点となる。

第１に、非通風路領域面積の増大は、回転子導体１３の導体バー温度Ｔrおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓのいずれについての温度上昇値も減少させる効果が顕著である。

第２に、冷却用気体循環流量の増大は、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒについての温度上昇値の減少の効果があるが、固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値については効果が小さい。

この結果からも、固定子２０については、熱伝導によりフレーム構造４０の円筒部４０ｈおよびフレーム外側フィン４５を経由しての除熱が主たる除熱経路であることが示されている。また、回転子鉄心１２および回転子導体１３は、熱伝導による除熱経路がほとんどないため、冷却用気体による除熱が必要であるが、その熱を受けた冷却用気体からの熱の放出については、フレーム構造４０の円筒部４０ｈおよびフレーム外側フィン４５へ伝熱によるものが主たる経路であることが示されている。

一方、冷却用気体の循環流路を一巡する場合の圧力損失、すなわち一巡圧力損失ΔＰｔを考えると、一巡圧力損失ΔＰｔは、以下のように表される。
ΔＰｔ＝ΔＰｈ＋ΔＰｂ＋ΔＰｆ＋ΔＰｃ …（１）

ここで、ΔＰｈは、冷却対象である回転子鉄心１２、回転子導体１３、固定子２０等の発熱部７０を通過する際の圧力損失（以下、「発熱部圧力損失」）、ΔＰｂは、結合側空間４０ｂを通過する際の圧力損失（以下、「結合側圧力損失」）、ΔＰｆは、通風路４１を通過する際の圧力損失で通風路入口開口４１ａおよび通風路出口開口４１ｂでの圧力損失を含む値（以下、「通風路圧力損失」）、ΔＰｃは、反結合側空間４０ｃを通過する際の圧力損失（以下、「反結合側圧力損失」）を示す。

発熱部圧力損失ΔＰｈは、一巡圧力損失ΔＰｔのうちの大きな割合を占め、多くの場合、少なくとも一巡圧力損失ΔＰｔの５０％程度以上を占めている。発熱部圧力損失ΔＰｈの割合が大きい場合、発熱部圧力損失ΔＰｈに対する結合側圧力損失ΔＰｂおよび反結合側圧力損失ΔＰｃの割合は小さい。この結果、反結合側空間４０ｃおよび結合側空間４０ｂにおいては、相対的に流れが遅くなり偏流が減少する方向となる。このため、いわゆるポンプ等における圧力室のような性質を有することから、通風路４１の周方向位置の影響が小さくなる。すなわち、通風路４１を、周方向に均等に配する必要性がなくなってくる。

本第１の実施形態におけるフレーム構造４０においては、通風路を、従来は周方向に互いに間隔をあけて４箇所に設けていたものを、下方に２箇所とし、従来よりも大きな非通風路領域面積を確保している。この結果、図７に示す従来例に比べて、非通風路領域面積は、約３０％増加し、固定子巻線２２の温度Ｔｓの温度上昇値は約１０％減少するという効果が得られている。

このように、通風路４１の大きさは、必要以上に大きくないことが好ましく、通風路４１の大きさには上限を設ける必要がある。逆に言えば、通風路圧力損失ΔＰｆの大きさに下限を設ける必要がある。

一方、回転子鉄心１２および回転子導体１３の冷却のためには、通風路４１を確保する必要がある。また、非通風路領域面積を大きく確保することが効果的であるが、そのために、通風路４１を極端に小さくすると、通風路圧力損失ΔＰｆの増加が一巡圧力損失ΔＰｔの値を大きく増加させることになる。この結果、冷却用気体の流量が有意に低下することになる。したがって、通風路４１はある大きさ以上にする、すなわち通風路４１の大きさには下限を設ける必要がある。逆に言えば、通風路圧力損失ΔＰｆの大きさには上限を設ける必要がある。

以上のように、通風路圧力損失ΔＰｆについて所定の下限値および上限値を設け、下限値以上かつ上限値以下の許容圧力損失範囲の中で通風路圧力損失ΔＰｆを選定する。この所定の下限値および上限値については、例えば、一巡圧力損失ΔＰにおける発熱部圧力損失ΔＰｈと通風路圧力損失ΔＰｆの占める割合の観点から設定することができる。

許容圧力損失範囲の設定を、発熱部圧力損失ΔＰｈとの関係で設定してもよい。たとえば、通風路圧力損失ΔＰｆの上限値を、発熱部圧力損失ΔＰｈの値に１以下の所定の上限係数Ｇ_Ｕを乗じた値とし、下限値を、発熱部圧力損失ΔＰｈの値に１以下の所定の下限係数Ｇ_Ｌを乗じた値とする。

たとえば、通風路４１をできる限り小さくして、非通風路領域を確保するが、通風路圧力損失ΔＰｆが発熱部圧力損失ΔＰｈを超えないという制限を設ける場合には、下限係数Ｇ_Ｌをたとえば０．１として、上限係数Ｇ_Ｕは１．０とする。あるいは、さらに許容圧力損失範囲を限定して、下限係数Ｇ_Ｌを０．３、上限係数Ｇ_Ｕを０．８とするなどである。

図５は、第１の実施形態に係るフレーム構造の設計方法の手順を示すフロー図である。

まず、全閉形回転電機１００の基本仕様を設定する（ステップＳ０１）。基本仕様は、フレーム構造４０の円筒部４０ｈの外径寸法、肉厚、材質、固定子鉄心２１との接触面積、フレーム外側フィン４５に関する仕様等のフレーム構造４０に関する仕様を含む。

次に、回転子１０の回転子鉄心１２、回転子導体１３、固定子鉄心２１、および固定子巻線２２等の発熱部７０における発熱量、および冷却用気体の想定流量に対する各部の圧力損失（発熱部圧力損失ΔＰｈ）を算出する（ステップＳ０２）。この際、通風路４１については、たとえば、２つと仮定する。後に通風路の数が変わった場合には、冷却用気体の通風路４１の１つあたりの流量に基づいて換算することができる。

次に、許容圧力損失範囲を設定する（ステップＳ０３）。たとえば、通風路圧力損失ΔＰｆの上限値を設定するために発熱部圧力損失ΔＰｈの値に乗ずる上限係数Ｇ_Ｕと、通風路圧力損失ΔＰｆの下限値を設定するために発熱部圧力損失ΔＰｈの値に乗ずる下限係数Ｇ_Ｌとを設定する。なお、通風路圧力損失ΔＰｆについて所定の下限値および上限値を設けることができれば、他の方法を用いてもよい。

次に、ステップＳ０３で設定された通風路圧力損失ΔＰｆの下限値（Ｇ_Ｌ・ΔＰｈ）と上限値（Ｇ_Ｕ・ΔＰｈ）との間で、通風路圧力損失ΔＰｆを選択する（ステップＳ０４）。

ステップ０４で選択されたた通風路圧力損失ΔＰｆに基づいて、通風路４１の周方向の設置数、形状、寸法、位置を設定する（ステップＳ０５）。設置数が最初の設定と異なる場合には、新たな設置数に基づいて通風路圧力損失ΔＰｆを算出する。また、これに伴い、通風路４１の形状、寸法等に変更があれば、その点を考慮して通風路圧力損失ΔＰｆを修正する。なお、ステップＳ０５は、ステップＳ０４と並行して、あるいは、ステップＳ０４とステップＳ０５を同時に実施することでもよい。

ステップＳ０５の結果に基づいて、非通風路領域面積を算出する（ステップＳ０６）。この際、フレーム構造４０の円筒部４０ｈにおける非通風路領域に設けるフレーム外側フィン４５の配置、形状、寸法等の放熱機能に関する条件を設定する。

次に、全閉形回転電機１００の冷却能力の評価を行う（ステップＳ０７）。この評価において、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値も併せて算出される。

次に、ステップＳ０３で設定された許容圧力損失範囲内で設定された条件に基づいて得られた結果が成立しているか否かを判定する（ステップＳ０８）。すなわち、ステップＳ０７で算出された回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値は、適正な範囲にあるか否か、すなわち全閉形回転電機１００における冷却が成立しているか否かを判定する。ここで、適正な範囲であるか否かは、たとえば、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓそれぞれについての温度上昇値に関して、周囲の絶縁物の絶縁機能上の許容値に対する余裕が確保されているか、内扇１５を含めた全閉形回転電機１００の基本仕様への大きな影響はないか等を判定条件として判定される。

得られた結果が成立していると判定されなかった場合（ステップＳ０８ＮＯ）には、ステップＳ０３ないしステップＳ０８を繰り返す。

なお、詳細には、許容圧力損失範囲内で選択した通風路圧力損失ΔＰｆで満足できない場合に、許容圧力損失範囲内で、通風路圧力損失ΔＰｆの値を変更するための繰り返しのステップが存在するが、図５では、この判定と繰り返しのステップの図示を省略している。

得られた結果が成立していると判定された場合（ステップＳ０８ＹＥＳ）には、フレーム構造の設計方法の手順を終了する。

以上のように、本第１の実施形態によれば、簡素化された構成により全閉形回転電機の冷却効率を確保することができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係るフレーム構造の設計方法の手順を示すフロー図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態に係るフレーム構造の設計方法は、第１の実施形態に係るレーム構造の設計方法と、ステップＳ０１からステップＳ０３までは共通している。また、その後は、通風路圧力損失ΔＰｆを許容圧力損失範囲内の値として発熱部７０冷却能力を確保する点では共通するが、以下に示すように、その手順が異なっている。

ステップＳ０３の後に、まず、非通風路領域の面積を設定する（ステップＳ１１）。次に、通風路４１の数、形状、寸法、位置などの通風路４１についての条件を設定する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１１およびステップＳ１２の後に、冷却能力の評価を行う（ステップＳ０７）。次に、ステップＳ０７で得られた回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓについての温度上昇値が、冷却基準内であるかを判定する（ステップＳ１３）。すなわち、たとえば、回転子導体１３の導体バー温度Ｔｒおよび固定子巻線２２の温度Ｔｓそれぞれについての温度上昇値に関して、周囲の絶縁物の絶縁機能上の許容値に対する余裕が確保されているかを判定条件として判定される。

冷却基準内になっていないと判定された場合（ステップＳ１３ＮＯ）には、ステップＳ１１からステップＳ１３までを繰り返す。

冷却基準内であると判定された場合（ステップＳ１３ＹＥＳ）には、通風路圧力損失ΔＰｆが、許容圧力損失範囲内にあるか否かを判定する（ステップＳ１４）。

通風路圧力損失ΔＰｆが、許容圧力損失範囲内にはないと判定された場合（ステップ１４ＮＯ）には、ステップＳ０３からステップＳ１４までを繰り返す。

通風路圧力損失ΔＰｆが、許容圧力損失範囲内にあると判定された場合（ステップ１４ＹＥＳ）には、フレーム構造の設計方法の手順を終了する。

以上のように、本第２の実施形態によれば、フレーム構造の設計方法について、第１の実施形態とは異なる手順を提供することができ、フレーム構造の設計方法について多様性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。たとえば、実施形態においては、全閉形回転電機がかご型誘導電動機である場合を例にとって説明したが、これに限定されない。たとえば、巻線型の回転電機でもよい。あるいは、回転子が回転子導体や回転子巻線を有さない全閉形回転電機であってもよい。また、実施形態では、横置型の回転電機の場合を例にとって示したが、立置型の場合であってもよい。

また、実施形態では、フレーム構造４０が、円筒部４０ｈを有し、固定子鉄心２１の外周と接している場合を例にとって示したが、これに限定されない。すなわち、固定子２０で発生した熱が、固定子鉄心２１の径方向外側からフレーム構造４０に熱伝導により移動可能であればよい。たとえば、固定子鉄心２１とフレーム構造４０との間に、熱伝導を可能とする支持部あるいは熱移動用の構造物が設けられている横な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…結合部、１２…回転子鉄心、１３…回転子導体、１５…内扇、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０ａ…結合側軸受、３０ｂ…反結合側軸受、３５ａ…結合側軸受ブラケット、３５ｂ…反結合側軸受ブラケット、４０…フレーム構造、４０ａ…閉空間、４０ｂ…結合側空間、４０ｃ…反結合側空間、４０ｈ…円筒部、４１…通風路、４１ａ…通風路入口開口、４１ｂ…通風路出口開口、４１ｃ…通風路内空間、４２ａ…上方通風路、４２ｂ…下方通風路、４３…脚、４３ａ…脚リブ、４５…フレーム外側フィン、４５ａ…フレーム外側頂部フィン、４５ｂ…フレーム外側側部フィン、４５ｃ…フレーム外側底部フィン、５０…外扇、５１…外扇カバー、７０…発熱部、１００…全閉形回転電機

Claims

ロータシャフトおよび回転子鉄心を有する回転子と、固定子鉄心および固定子巻線を有する固定子と、結合側軸受および反結合側軸受と、結合側軸受ブラケットおよび反結合側軸受ブラケットと、内扇と、を備える全閉形回転電機の前記回転子鉄心および前記固定子を収納し、前記結合側軸受ブラケットおよび反結合側軸受ブラケットととともに閉空間を形成するフレーム構造の設計方法であって、
前記全閉形回転電機の基本仕様を設定する基本仕様設定ステップと、
前記基本仕様設定ステップで設定された前記基本仕様に基づいて、発熱部の発熱量および前記閉空間内の冷却用気体の流れにより生ずる発熱部圧力損失を算出するとともに、通風路圧力損失について許容圧力損失範囲を設定する許容範囲設定ステップと、
前記通風路圧力損失を前記許容圧力損失範囲内の値として前記発熱部を許容温度範囲内とする冷却能力確保ステップと、
を有することを特徴とするフレーム構造の設計方法。
前記許容圧力損失範囲は、前記発熱部の圧力損失に上限係数を乗じた値以下であり、前記発熱部の圧力損失に下限係数を乗じた値以上であることを特徴とする請求項１に記載のフレーム構造の設計方法。
前記冷却能力確保ステップは、
前記許容圧力損失範囲内で、前記通風路圧力損失を選択する通風路圧力損失選択ステップと、
前記通風路圧力損失に基づいて通風路の条件および非通風路領域面積を算出する面積等算出ステップと、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフレーム構造の設計方法。
前記冷却能力確保ステップは、
非通風路領域面積を選択する面積選択ステップと、
前記面積選択ステップで選択した前記非通風路領域面積に基づいて、通風路の条件を設定する通風路条件設定ステップと、
を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のフレーム構造の設計方法。