JP6983136B2

JP6983136B2 - 全閉外扇形回転電機および外気ファンセット

Info

Publication number: JP6983136B2
Application number: JP2018194202A
Authority: JP
Inventors: 大貴古賀
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2018-10-15
Publication date: 2021-12-17
Anticipated expiration: 2038-10-15
Also published as: CN111049319A; JP2020065317A; CN111049319B

Description

本発明は、全閉外扇形回転電機およびその外気ファンセットに関する。

回転電機において、回転子鉄心および固定子鉄心では運転中に生ずる渦電流等による鉄損が、また、固定子巻線等ではジュール熱による銅損が、発生する。

渦電流を低減させるために、多くの回転子鉄心および固定子鉄心には、それぞれ強磁性体製で中央に開口を有する円板状の電磁鋼板を軸方向に積層した積層構造を用いている。また、全閉形回転電機にあっては、閉空間内に冷却用気体を内包し、冷却用気体を循環させて熱を除去する。

さらに、全閉形回転電機の多くには、冷却器が設けられている。冷却器において、冷却管の外側を流れる冷却用気体は、冷却管内を流れる冷却媒体により冷却される。冷却媒体としては、通常、冷却水あるいは外気が用いられる。

特許第５９９３８８３号公報

冷却媒体として外気を用いる場合、多くは、ロータシャフトの軸受ブラケットの軸方向外側部分に外気ファンを設け、外気ファンにより外気を冷却管の内部に送る構成となっている（特許文献１参照）。

図１０は、従来の全閉外扇形回転電機における外気ファンの下流側の外気ファンまわりの外気の流れの例を概念的に示す軸方向外側から見た説明図であり、図１１は、外気ファンまわりの外気の流れの例を概念的に示す側面側から見た説明図である。実線矢印は、外気ファンから流出し、外扇出口空間６６および冷却器入口空間６７を流れる外気の流れの方向を、また、破線矢印は、外気ファンへ流入する外扇入口空間６５ａ内の外気の流れの方向を示す。破線矢印および実線矢印の数が多い領域は、風量が多いことを示し、破線矢印および実線矢印の数が少ないあるいは表示の無い領域は、風量が少ないことを示す。

図に示すように、外扇から流出し、外扇出口空間６６から冷却器入口空間６７に流れる流路は、冷却器入口空間６７の第１領域に至る流路が主であり、片側に偏っている。また、全ての冷却用気体が、冷却管に流入するわけではなく、第２領域の流れのように、一部は冷却器入口空間６７から外扇出口空間６６に戻る循環する流れが存在する。このような状況では、冷却用気体は、各冷却管に均一には流れないことになり、この結果、冷却性能が低下する。このように、流れの分布は、外気ファンの回転方向に大きく依存している。

このような条件で、冷却性能を確保するためには、外気ファンの容量を大きくする、あるいは性能の向上を図る必要がある。一方、外気ファンの動力は、回転電機の回転エネルギの一部を用いていることから、外気ファンの容量の増大等は、回転電機の性能の低下を招くことになる。

そこで、本発明は、全閉外扇形回転電機の冷却器の冷却能力を向上させることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係る全閉外扇形回転電機は、軸方向に延び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取り付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、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記結合側軸受および前記反結合側軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの軸方向のそれぞれの端部に取り付けられた２つの軸受ブラケットと、前記ロータシャフトの軸方向に前記回転子鉄心と前記反結合側軸受との間、および前記回転子鉄心と前記結合側軸受との間に、それぞれ取り付けられて冷却用気体を駆動する内扇と、複数の冷却管と、前記複数の冷却管の両端を支持する入口端板および出口端板と、前記フレーム、前記２つの軸受ブラケットおよび前記複数の冷却管とともに閉空間を形成する冷却器カバーとを有する冷却器と、前記複数の冷却管の内部に外気を供給する外気ファンセットと、前記外気ファンセットの出口から前記入口端板に至る流路を形成する外扇カバーと、を備え、前記外気ファンセットは、前記ロータシャフトと同方向に第１回転中心軸まわりに回転する第１ファンと、前記ロータシャフトと反対方向に、前記第１回転中心軸から当該第１回転中心軸と直交する方向に離間した第２回転中心軸まわりに回転する第２ファンと、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る外気ファンセットは、軸方向に延び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取り付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、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、前記結合側軸受および前記反結合側軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの軸方向のそれぞれの端部に取り付けられた２つの軸受ブラケットと、前記ロータシャフトの軸方向に前記回転子鉄心と前記反結合側軸受との間、および前記回転子鉄心と前記結合側軸受との間に、それぞれ取り付けられて冷却用気体を駆動する内扇と、複数の冷却管と、前記複数の冷却管の両端を支持する入口端板および出口端板と、前記フレーム、前記２つの軸受ブラケットおよび前記複数の冷却管とともに閉空間を形成する冷却器カバーとを有する冷却器と、を備える全閉外扇形回転電機の前記冷却器の前記複数の冷却管の内部に外気を供給し、前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側部分に取り付けられた外気ファンセットであって、前記ロータシャフトと同方向に第１回転中心軸まわりに回転する第１ファンと、前記ロータシャフトと反対方向に、前記第１回転中心軸から当該第１回転中心軸と直交する方向に離間した第２回転中心軸まわりに回転し、前記第１ファンとほぼ同じ特性を有する第２ファンと、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、全閉外扇形回転電機の冷却器の冷却能力を向上させることができる。

第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す立断面図である。第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視平面図である。第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。第１の実施形態に係る外気ファンセットのうちの第１ファンの構成を示す図３のＩＶ−ＩＶ線矢視横断面図である。第１の実施形態に係る外気ファンセットのうちの第２ファンの構成を示す図３のＶ−Ｖ線矢視横断面図である。第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの特性の例を説明するグラフである。第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す立断面図である。第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視正面図である。第３の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す正面図である。従来の全閉外扇形回転電機における外気ファンの下流側の外気ファンまわりの外気の流れの例を概念的に示す軸方向外側から見た説明図である。従来の全閉外扇形回転電機における外気ファンまわりの外気の流れの例を概念的に示す側面側から見た説明図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る全閉外扇形回転電機およびその外気ファンセットについて説明する。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、第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す立断面図である。全閉外扇形回転電機５００は、回転子１０、固定子２０、反結合側軸受３１、結合側軸受３２、フレーム４０、軸受ブラケット４５、冷却器５０、および外気ファンセット１００を有する。

回転子１０は、回転軸方向（以下、軸方向という。）に水平に延びたロータシャフト１１、およびロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２を有する。

ロータシャフト１１の軸方向の一方の端部は、結合対象、すなわち、当該全閉外扇形回転電機５００が電動機ならば駆動対象負荷、当該全閉外扇形回転電機５００が発電機ならば原動機と結合する連結部１１ａが形成されている。以下、軸方向に、連結部１１ａの方向を結合側、これと反対の方向を反結合側と呼ぶこととする。

ロータシャフト１１は、反結合側軸受３１および結合側軸受３２により回転可能に支持されている。ロータシャフト１１には、軸方向に回転子鉄心１２を挟んで、反結合側軸受３１の内側および結合側軸受３２の内側に内扇１５ａ、１５ｂが、それぞれ取り付けられている。また、ロータシャフト１１の反結合側軸受３１の軸方向の外側部分には、当該全閉外扇形回転電機５００を自ら冷却するために、外気を供給する外気ファンセット１００が設けられている。また、外気ファンセット１００を覆うように外扇カバー６２が取り付けられている。外扇カバー６２には、外気の取入れのための外気流入口６３が形成されている。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に空隙１８を介して設けられた円筒状の固定子鉄心２１、および固定子鉄心２１の径方向内側表面近傍を周方向に互いに間隔をもって配され軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）の中を貫通する固定子巻線２２を有する。

フレーム４０は、固定子２０および回転子鉄心１２を収納するように、これらの径方向外側を囲んでいる。フレーム４０の軸方向の両側には、軸受ブラケット４５がそれぞれ取り付けられている。２つの軸受ブラケット４５は、それぞれ反結合側軸受３１および結合側軸受３２を静止支持している。

フレーム４０の上には、冷却器５０が設けられている。冷却器５０は、複数の冷却管５１、冷却器カバー５４、入口端板５２、出口端板５３、および区画板５５ａ、５５ｂを有する。

複数の冷却管５１は、互いに並列に配され軸方向に延びており、冷却器カバー５４に収納されている。それぞれの冷却管５１は、両端が入口端板５２および出口端板５３を貫通し、入口端板５２および出口端板５３により支持されている。入口端板５２および出口端板５３におけるそれぞれの冷却管５１の固定部は、空気の漏えいがないように気密にシールされている。それぞれの冷却管５１の両端は開口している。

区画板５５ａおよび区画板５５ｂは、入口端板５２と出口端板５３とに挟まれて、入口端板５２および出口端板５３と平行に互いに間隔をあけて配されている。区画板５５ａおよび区画板５５ｂの上端の高さ位置は、入口端板５２および出口端板５３の高さ位置より低く、かつそれぞれの下端が入口端板５２および出口端板５３の下端と同じ高さ位置にある。冷却器カバー５４内の空間の最上部の上部連通空間５４ａは区画板５５ａおよび区画板５５ｂが存在しない領域である。

冷却器カバー５４内の空間の上部連通空間５４ａを除く部分は、区画板５５ａ、５５ｂにより軸方向に３つの区画に分割される。軸方向の中央部分、すなわち、区画板５５ａと区画板５５ｂとに挟まれた部分の空間は、冷却器入口開口５６に連通している。また、入口端板５２と区画板５５ａとに挟まれた部分および出口端板５３と区画板５５ｂとに挟まれた部分はそれぞれ、フレーム４０の上部に形成された冷却器出口開口５７ａおよび冷却器出口開口５７ｂに連通している。

フレーム４０、２つの軸受ブラケット４５、冷却器カバー５４、入口端板５２および出口端板５３は、互いに相俟って閉空間４０ａを形成している。また、冷却器５０においては、冷却管５１も閉空間４０ａを形成する要素であり、冷却管５１の外側が閉空間４０ａとなっている。

フレーム４０内の空間と、冷却器カバー５４内の空間とは、フレーム４０に形成された冷却器入口開口５６および２つの冷却器出口開口５７ａ、５７ｂを介して連通している。冷却器入口開口５６は軸方向の中央に設けられ、また、２つの冷却器出口開口５７ａ、５７ｂはこれを挟んで軸方向の両側であって、それぞれ内扇１５ａ、１５ｂの吸込み側のほぼ上方に設けられている。

閉空間４０ａ内には、たとえば空気などの冷却用気体が満たされている。冷却用気体は、内扇１５ａ、１５ｂに駆動されて、閉空間４０ａ内を循環する。具体的には、内扇１５ａは、反結合側軸受３１側から回転子鉄心１２および固定子２０の方向に冷却用気体を圧送する。また、内扇１５ｂは、結合側軸受３２側から回転子鉄心１２および固定子２０の方向に冷却用気体を圧送する。

反結合側および結合側からそれぞれ内扇１５ａ、１５ｂにより回転子鉄心１２および固定子２０の方向に圧送された冷却用気体は、回転子鉄心１２あるいは空隙１８に流入し、回転子鉄心１２および固定子鉄心２１、固定子巻線２２等を冷却しながら通過した後に、冷却器入口開口５６を経由して、冷却器５０の冷却管５１の外側の空間に流入する。

冷却器入口開口５６を経由して冷却器５０に流入した冷却用気体は、区画板５５ａと区画板５５ｂの間を、冷却管５１の内部を流れる外気に冷却されながら、冷却管５１の外側を上昇した後、上部連通空間５４ａ内に流入する。上部連通空間５４ａに流入した冷却用気体は、軸方向の両側、すなわち反結合側および結合側にそれぞれ分流する。

上部連通空間５４ａから反結合側に分流した冷却用気体は、下方に方向転換した後に、冷却管５１により冷却されながら冷却管５１の外側を下降し、冷却器出口開口５７ａを介して、フレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇１５ａに流入し、内扇１５ａによって回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。このように、冷却用気体は、反結合側の循環流路を循環する。

また、上部連通空間５４ａから結合側に分流した冷却用気体は、下方に方向転換した後に、冷却管５１により冷却されながら冷却管５１の外側を下降し、冷却器出口開口５７ｂを介して、フレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇１５ｂに流入し、内扇１５ｂによって回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。このように、冷却用気体は、結合側の循環流路を循環する。

以上のように、冷却用気体は、閉空間４０ａ内で、結合側の循環流路、反結合側の循環流路の２つの流路に分かれて循環する。

一方、外気は、吸い込まれる。外気ファンセット１００に吸い込まれた後に、外気ファンセット１００の径方向外側の外扇出口空間６６に流出し、冷却器入口空間６７内に流入する。さらに、冷却用気体は、入口端板５２から複数の冷却管５１のそれぞれの内部に圧送される。

複数の冷却管５１のそれぞれの内部を通過する外気は、冷却管５１の外側を流れる冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、出口端板５３側で、冷却管５１から冷却器出口ガイド６８内に流出し、さらに冷却器出口ガイド６８の下方から外部に放出される。

ここで、外気ファンセット１００は、第１ファン１１０および第２ファン１２０を有する。第１ファン１１０には、外扇カバー６２に形成されている外気流入口６３から外扇カバー６２内の外扇入口空間６５ａに流入し、区画板６４および第１ファン入口ガイド６５に沿って流れて、第１ファンに吸い込まれる。第２ファン１２０には、第２ファン入口ガイド６９に沿って流入する。第２ファン入口ガイド６９の上流は、外扇入口空間６５ａから分岐していてもよいし、外扇カバー６２の別の入口からの流路であってもよい。

なお、第２ファン１２０の後述する回転伝達部１２６（図３）の歯車軸１２６ｂ（図３）を支持する歯車支持部４５ａが軸受ブラケット４５に取り付けられている。なお、歯車支持部４５ａは、歯車軸１２６ｂを支持するに必要な剛性が確保されていれば、外扇カバー６２に取り付けられてもよい。

図２は、第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視平面図である。

図２に示すように、外気ファンセット１００を構成する第１ファン１１０および第２ファン１２０は、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた内側円筒部材１０２の径方向外側に、互いに軸方向に並んで取り付けられている。破線白抜きの矢印は、外気の流れを概念的に示す。第１ファン１１０には、軸方向に第２ファン１２０とは反対側から外気が流入し、径方向外側に流出する。また、第２ファン１２０には、軸方向に第１ファン１１０とは反対側から外気が流入し、径方向外側に流出する。なお、後述するように、第１ファン１１０はロータシャフト１１と同方向にロータシャフト１１と同じ回転数で回転し、また、第２ファン１２０は、ロータシャフト１１と逆方向に回転し、また、ロータシャフト１１の回転数より低い回転数で回転する。

図３は、第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。また、図４は、外気ファンセットのうちの第１ファンの構成を示す図３のＩＶ−ＩＶ線矢視横断面図である。図３および図４を引用しながら、第１ファン１１０の構造を説明する。

第１ファン１１０は、複数の第１羽根１１１、内側円筒部材１０２に取り付けられて径方向に拡がる支持円板１１２、環状ガイド板１１３、入口ガイド１１４、ガイド円筒部材１１５、および複数の支持板１１６を有する。

複数の第１羽根１１１は、周方向に互いに間隔をおいて配され、支持円板１１２に取り付けられ、支持円板１１２により支持されている。

複数の第１羽根１１１の軸方向に支持円板１１２と反対側には、穴あき円板状の環状ガイド板１１３が取り付けられており、複数の第１羽根１１１により支持されている。また、環状ガイド板１１３の径方向内側から吸込み側、すなわち軸方向に支持円板１１２とは反対方向に、入口ガイド１１４が延びている。入口ガイド１１４は、軸方向の先端に行くに従って径が縮小している。

入口ガイド１１４の径方向内側には、支持円板１１２に取り付けられたガイド円筒部材１１５が設けられている。ガイド円筒部材１１５は、軸方向に入口ガイド１１４の先端の軸方向位置まで延びている。

ガイド円筒部材１１５、支持円板１１２、入口ガイド１１４および環状ガイド板１１３は、外気の流路を形成している。流路の流れ方向に、軸方向から径方向に方向が転換する。この流路の途中に複数の第１羽根１１１が配されている。

ガイド円筒部材１１５は、支持円板１１２に固定されているとともに、内側円筒部材１０２との間に周方向に互いに間隔をおいて設けられた複数の支持板１１６により支持されている。

以上の構成により、第１ファン１１０は、一体で、ロータシャフト１１と直接に結合し、ロータシャフト１１とともに回転する。したがって、第１ファン１１０は、ロータシャフト１１と同方向に回転する。

図５は、外気ファンセットのうちの第２ファンの構成を示す図３のＶ−Ｖ線矢視横断面図である。図３および図５を引用しながら、第２ファン１２０の構造について説明する。

第２ファン１２０は、複数の第２羽根１２１、ガイド円板１２２、環状ガイド板１２３、入口ガイド１２４、ガイド円筒部材１２５、複数の回転伝達部１２６を有する。回転伝達部１２６は、軸方向に延びており、軸が歯車支持部４５ａに支持されている。回転伝達部１２６は、軸回りを回転する。以下に述べるように、回転伝達部１２６を有する構成により、第２ファン１２０は、ロータシャフト１１の回転方向とは逆方向に回転し、かつ、ロータシャフト１１の回転数より低い回転数で回転する。

複数の第２羽根１２１は、中央に開口が形成されて、第１ファン１１０の支持円板１１２と軸方向に隣接して配されたガイド円板１２２に取り付けられている。第２羽根１２１は、第１羽根１１１に比べて径方向および周方向に拡がっており、第１羽根１１１より長さが長いように形成されている。これは、第１ファン１１０のＱＨ特性すなわち風量に対するヘッドの特性と、第２ファン１２０のＱＨ特性とを、極力、同じ特性にするためである。極力同じ特性とするのは、冷却器入口空間６７から各冷却管５１への流入の均一化を図るためである。ロータシャフト１１と逆方向に回転し、また、ロータシャフト１１の回転数より低い回転数で回転する。

図４および図５では、第１ファン１１０と第２ファン１２０の羽根の数が同じ場合を示しているが、第１ファン１１０と第２ファン１２０のＱＨ特性を極力近づけるように、羽根の形状、寸法のみでなく、羽根の数も含めて調整してもよい。すなわち、第１ファン１１０の第１羽根１１１の数を、第２ファン１２０の第２羽根１２１の数より減らしてもよい。

また、図４では、第１羽根１１１が、第１ファン１１０の外周まで拡がっている場合を示したが、第１羽根１１１の拡がりを、外気ファンセット１１０外周より径方向内側までに後退させるなど、第２羽根１２１の径方向外側への拡がり位置よりも後退させてもよい。

複数の第２羽根１２１の軸方向にガイド円板１２２とは反対側には、穴あき円板状の環状ガイド板１２３が取り付けられている。また、環状ガイド板１２３の径方向内側から吸込み側、すなわち軸方向にガイド円板１２２とは反対方向に、入口ガイド１２４が延びている。入口ガイド１２４は、軸方向の先端に行くに従って径が縮小している。

入口ガイド１２４の径方向内側には、ガイド円板１２２に取り付けられたガイド円筒部材１２５が設けられている。ガイド円筒部材１２５は、軸方向に入口ガイド１２４の先端の軸方向位置まで延びている。ガイド円筒部材１２５、ガイド円板１２２、入口ガイド１２４および環状ガイド板１２３は、一体となって回転し外気の流路となる第２羽根ユニット１２０ａを形成する（図３）。流路の流れ方向に、軸方向から径方向に方向が転換する。この径方向の流路に、同様に第２羽根ユニット１２０ａを構成する複数の第２羽根１２１が配されている。

ガイド円筒部材１２５の径方向の内面には、周方向に互いに間隔をあけて軸方向に延びた複数の大径側歯１２５ａが形成されている。大径側歯１２５ａは、回転伝達部１２６に形成された伝達歯１２６ａとスムーズに螺合する形状、寸法、ピッチに形成されている。

ガイド円筒部材１２５のガイド円板１２２との接合端との反対側の端部には、径方向内側に拡がった円環状のストッパ１２５ｂが取り付けられており、ガイド円板１２２とともに回転伝達部１２６が軸方向に突出することを防止している。

内側円筒部材１０２の表面には、大径側歯１２５ａに対向するように、小径側歯１０２ａが形成されている。小径側歯１０２ａは、回転伝達部１２６に形成された伝達歯１２６ａとスムーズに螺合する形状、寸法、ピッチに形成されている。

回転伝達部１２６は、ガイド円筒部材１２５の径方向内側でかつ内側円筒部材１０２の径方向外側の環状空間内に３つ、互いに周方向に間隔をおいて配されている。それぞれの回転伝達部１２６は、径方向表面に形成された伝達歯１２６ａによって、内側円筒部材１０２およびガイド円筒部材１２５と螺合している。なお、回転伝達部１２６の数は、３つには限定されない。回転伝達部１２６が螺合した状態で、第２羽根ユニット１２０ａをロータシャフト１１と同軸に支持し、かつ、ロータシャフト１１の回転を伝達できれば、４つ、あるいはそれ以外の数であってもよい。

回転伝達部１２６の歯車軸１２６ｂ（図３）は、前述のように、軸受ブラケット４５に取り付けられた歯車支持部４５ａにより支持されている。

以上の構成により、第２ファン１２０の第２羽根ユニット１２０ａは、ロータシャフト１１と反対方向。したがって、第１ファン１１０とも反対方向に回転する。

図６は、第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの特性の例を説明するグラフである。横軸は、外気の相対流量（％）である。縦軸は、相対圧力（％）であり、ファンの場合はヘッド、抵抗の場合は圧力損失を示す。

実線で示す特性曲線Ａは、本実施形態による外気ファンセット１００のＱＨ特性曲線である。すなわち、第１ファン１１０と第２ファン１２０が並列運転をしている状態での外気の流量に対するその流量の時のヘッドを示す。なお、ここでは、第１ファン１１０と第２ファン１２０は、互いに同じＱＨ特性を有するものとしている。

二点鎖線で示す特性曲線Ｂは、第２ファン１２０単独運転の場合のＱＨ特性を示す。破線で示す特性曲線Ｃは、第２ファン１２０が仮にロータシャフト１１と同じ回転数で回転した場合のＱＨ特性を示す。

第２ファン１２０の回転数は、小径側歯１０２ａの数の大径側歯１２５ａの数に対する比を、ロータシャフト１１の回転数に乗じることにより得られる。図５に示す第２ファン１２０の場合は、小径側歯１０２ａの数は４０で、大径側歯１２５ａの数は５２である。この場合、第２ファン１２０の第２羽根１２１の回転数は、第２羽根ユニット１２０ａの回転数であるから、ロータシャフト１１の回転数の４０／５２すなわち０．７７倍である。この歯数の比は、内側円筒部材１０２の外径とガイド円筒部材１２５の内径を調整することにより可変である。

図６の特性曲線Ｂは、この比を０．８と設定し、流量に一乗則、ヘッドに二乗則を用いて、特性曲線Ｃから近似的に求めたものである。特性曲線Ａは、前記のように特性曲線Ｂのファンが２台並列に運転されているものとして求めたものである。

なお、第１ファン１１０の第１羽根１１１は、ロータシャフト１１と同一の回転数で回転する。したがって、前述のように、第１ファン１１０の特性を第２ファン１２０の特性に合わせるべく、第１ファン１１０の第１羽根１１１の形状、寸法、数、あるいは取り付け位置等により調整されている。

実線で示す抵抗曲線Ｄは、外気ファンセット１００を流れる外気が外気流入口６３に流入してから冷却器出口ガイド６８より流出するまでの流路における、風量に対する圧力損失の関係を示す。

従来例の単一の外気ファンの場合は、特性曲線Ｃと抵抗曲線Ｄとの交点である運転点ＯＰ２での運転状態となる。一方、本実施形態の場合は、特性曲線Ａと抵抗曲線Ｄとの交点である運転点ＯＰ１での運転状態となる。

このように、本実施形態において、従来の運転点ＯＰ２とほぼ同様の運転点ＯＰ１での運転が実現可能である。なお、更に望ましい運転点があれば、その運転点への変更は、第１ファン１１０および第２ファン１２０の要素の寸法、第２羽根１２１の形状、寸法等を調整することにより可能である。

なお、第１ファン１１０と第２ファン１２０の性能、たとえばＱＨ特性は、互いに近いことが好ましいが、必ずしも、完全に一致していなくとも、冷却器入口の流れの均一化の効果は発揮できる。

図１０に示すように、従来の単一の外気ファン運転の場合における外気の流れは、第１領域における外扇出口空間６６から冷却器入口空間６７に流入する上方への流れと、第２領域における循環し一部が冷却器入口空間６７から外扇出口空間６６に戻る流れとが存在した。

本実施形態においては、外気ファンセット１００は、第１ファン１１０と第２ファン１２０を有する。第１ファン１１０と第２ファン１２０とが、それぞれ単独ならば、互いに逆向きに、図１０と同様の流れを生ずることになる。しかしながら、本実施形態においては、第１ファン１１０と第２ファン１２０は、同時に運転することになる。

今、第１ファン１１０が、従来例と同じ方向に回転し、第２ファン１２０がその逆方向に回転する場合を考える。この場合、第１ファン１１０の運転により、図１０の第１領域におけると同様の流れが生ずる。また、第２ファン１２０の運転により、図１０の第２領域において、これと回転軸を含む鉛直平面に関して対称な流れが、第２領域において生ずる。この結果、第１ファン１１０からは、第１領域に向かう流れが、また、第２ファン１２０からは、第２量領域に向かう流れが生ずる。

また、第１ファン１１０の単独の運転なら生じる図１０の第２領域における流れと、第２ファン１２０の単独の運転なら生じるこれと鉛直平面に関して対称に図１０の第１領域における流れとは、互いに打ち消し合い、再循環は減少して、その結果、冷却器５０側に流れる量が増大することになる。

このように、本実施形態によれば、冷却器５０に流入する外気の風量分布の均一化が図られるとともに、再循環する流量が減少することにより、冷却器５０に流入する外気の風量が増大することになり、冷却能力が増大する。

［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す立断面図である。また、図８は、外気ファンセットの構成を示す図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視正面図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本実施形態における外気ファンセット２００は、第１ファン２１０および第２ファン２２０を有する。

第１ファン２１０は、ロータシャフト１１に直結しており、第１の実施形態における第１ファン１１０とほぼ同様の構造を有する。ただし、第１の実施形態のように第１ファン１１０の性能を第２ファン１２０の性能に合わせて低下させることはせず、単独でほぼ当該全閉外扇形回転電機５００の冷却器５０に必要な冷却風量を供給可能な容量とする。

第２ファン２２０の容量は、第１ファン２１０に比べて小さいものでよい。第２ファン２２０は、ロータシャフト１１とは異なる静止固定された軸の周りを回転する。あるいは、軸が回転可能に静止固定されていることでもよい。第２ファン２２０は、回転伝達部２０１によりロータシャフト１１の回転が伝達されて回転する。回転伝達部２０１は、例えばファンベルトであり、第２ファン２２０がロータシャフト１１とは反対方向に回転するように、ロータシャフト１１側と第２ファン２２０側とを結んでいる。なお、回転伝達部２０１は、歯車での伝達でもよい。

以上のように構成された本実施形態における外気ファンセット２００によれば、第２ファン２２０による流れが逆方向から冷却器入口空間６７に流入することによって、第１ファン２１０の回転により生じた冷却管５１への流れの中で生じる冷却器入口空間６７における旋回流を減じることができる。この結果、冷却管５１への流入量を増加させ、また、各冷却管５１への流れの分布をより均一にすることができる。

［第３の実施形態］
図９は、第３の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の外気ファンセットの構成を示す正面図である。本第３の実施形態における外気ファンセット３００は、第１ファン３１０および第２ファン３２０を有する。

第１ファン３１０および第２ファン３２０は、互いに同一で、かつ、それぞれ冷却器５０に必要な冷却風量の半分程度を供給可能な容量とする。

第１ファン３１０および第２ファン３２０は、それぞれ静止固定された軸の周りを回転可能に形成されている。あるいは、軸が回転可能に静止固定されていることでもよい。

第１ファン３１０は、回転伝達部３０１によりロータシャフト１１の回転が伝達されて回転する。回転伝達部３０１は、第１ファン３１０がロータシャフト１１とは同一方向に回転するように、ロータシャフト１１側と第１ファン３１０側とを結んでいる。

第２ファン３２０は、回転伝達部３０２によりロータシャフト１１の回転が伝達されて回転する。回転伝達部３０２は、第２ファン３２０がロータシャフト１１とは反対方向に回転するように、ロータシャフト１１側と第２ファン３２０側とを結んでいる。

なお、回転伝達部３０１および回転伝達部３０２は、図９に示すようなファンベルトでもよいが、ロータシャフト１１側、第１ファン３１０側、および第２ファン３２０側のそれぞれに歯車を設けて、歯車によりロータシャフト１１の回転を伝達することでもよい。

以上のように構成された本実施形態においては、同一のファンを軸方向に垂直な平面に沿って配することにより、軸方向の長さの増加をもたらさない。また、第１ファン３１０と第２ファン３２０が軸方向およびそれに垂直な平面内で、互いに対称であることから、冷却器入口空間６７内の流れもロータシャフト１１の回転中心軸を含む鉛直平面について対象な流れを得ることができ、流れの偏心を抑制することができる。

［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、実施形態では、ロータシャフト１１が水平方向に延びた横型の回転電機の場合を例にとって示しているが、これに限定されない。ロータシャフトが鉛直方向に延びた立形の回転電機であってもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。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…連結部、１２…回転子鉄心、１５ａ、１５ｂ…内扇、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２……固定子巻線、３１…反結合側軸受、３２…結合側軸受、４０…フレーム、４０ａ…閉空間、４０ｂ…歯車支持部、４５…軸受ブラケット、４５ａ…歯車支持部、５０…冷却器、５１…冷却管、５２…入口端板、５３…出口端板、５４…冷却器カバー、５４ａ…上部連通空間、５５ａ、５５ｂ…区画板、５６…冷却器入口開口、５７ａ、５７ｂ…冷却器出口開口、６２…外扇カバー、６３…外気流入口、６４…区画板、６５…第１ファン入口ガイド、６５ａ…外扇入口空間、６６…外扇出口空間、６７…冷却器入口空間、６８…冷却器出口ガイド、６９…第２ファン入口ガイド、１００…外気ファンセット、１０２…内側円筒部材、１０２ａ…小径側歯、１１０…第１ファン、１１１…第１羽根、１１２…支持円板、１１３…環状ガイド板、１１４…入口ガイド、１１５…ガイド円筒部材、１１６…支持板、１２０…第２ファン、１２０ａ…第２羽根ユニット、１２１…第２羽根、１２２…ガイド円板、１２３…環状ガイド板、１２４…入口ガイド、１２５…ガイド円筒部材、１２５ａ…大径側歯、１２５ｂ…ストッパ、１２６…回転伝達部、１２６ａ…伝達歯、１２６ｂ…歯車軸、２００…外気ファンセット、２０１…回転伝達部、２１０…第１ファン、２２０…第２ファン、３００…外気ファンセット、３０１、３０２…回転伝達部、３１０…第１ファン、３２０…第２ファン、５００…全閉外扇形回転電機

Claims

軸方向に延び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取り付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、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、
前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
前記結合側軸受および前記反結合側軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの軸方向のそれぞれの端部に取り付けられた２つの軸受ブラケットと、
前記ロータシャフトの軸方向に前記回転子鉄心と前記反結合側軸受との間、および前記回転子鉄心と前記結合側軸受との間に、それぞれ取り付けられて冷却用気体を駆動する内扇と、
複数の冷却管と、前記複数の冷却管の両端を支持する入口端板および出口端板と、前記フレーム、前記２つの軸受ブラケットおよび前記複数の冷却管とともに閉空間を形成する冷却器カバーとを有する冷却器と、
前記複数の冷却管の内部に外気を供給する外気ファンセットと、
前記外気ファンセットの出口から前記入口端板に至る流路を形成する外扇カバーと、
を備え、
前記外気ファンセットは、
前記ロータシャフトと同方向に第１回転中心軸まわりに回転する第１ファンと、
前記ロータシャフトと反対方向に、前記第１回転中心軸から当該第１回転中心軸と直交する方向に離間した第２回転中心軸まわりに回転する第２ファンと、
を有することを特徴とする全閉外扇形回転電機。
前記第１ファンは、前記ロータシャフトに取り付けられ、
前記第２ファンは、回転可能に支持された軸を有し、または、静止支持された軸まわりに回転可能に形成され、
前記ロータシャフトの回転を逆方向に前記第２ファンに伝達する回転伝達部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の全閉外扇形回転電機。
前記第１ファンおよび前記第２ファンは、回転可能に支持された軸をそれぞれ有し、または、静止支持された軸まわりに回転可能にそれぞれ形成され、
前記ロータシャフトの回転を同一方向に前記第１ファンに伝達する第１の回転伝達部と、
前記ロータシャフトの回転を逆方向に前記第２ファンに伝達する第２の回転伝達部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の全閉外扇形回転電機。
前記第１ファンと前記第２ファンとは、ほぼ同一の性能であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の全閉外扇形回転電機。
軸方向に延び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取り付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、前記固定子鉄心を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記固定子の径方向の外側に配されて前記回転子鉄心と前記固定子を収納するフレームと、
前記回転子鉄心を挟んで軸方向の前記ロータシャフトの両側のそれぞれで前記ロータシャフトを支持する結合側軸受および反結合側軸受と、
前記結合側軸受および前記反結合側軸受をそれぞれ静止支持し前記フレームの軸方向のそれぞれの端部に取り付けられた２つの軸受ブラケットと、
前記ロータシャフトの軸方向に前記回転子鉄心と前記反結合側軸受との間、および前記回転子鉄心と前記結合側軸受との間に、それぞれ取り付けられて冷却用気体を駆動する内扇と、
複数の冷却管と、前記複数の冷却管の両端を支持する入口端板および出口端板と、前記フレーム、前記２つの軸受ブラケットおよび前記複数の冷却管とともに閉空間を形成する冷却器カバーとを有する冷却器と、
を備える全閉外扇形回転電機の前記冷却器の前記複数の冷却管の内部に外気を供給し、
前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側部分に取り付けられた外気ファンセットであって、
前記ロータシャフトと同方向に第１回転中心軸まわりに回転する第１ファンと、
前記ロータシャフトと反対方向に、前記第１回転中心軸から当該第１回転中心軸と直交する方向に離間した第２回転中心軸まわりに回転し、前記第１ファンとほぼ同じ特性を有する第２ファンと、
を具備することを特徴とする外気ファンセット。