JP7065796B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機は、固定子、回転子、固定子を保持するフレーム、及び回転子の回転軸を支持する軸受を備える。回転電機では、運転時に、発生した磁気吸引力によって固定子が変形し、これによって固定子が電磁振動を起こす。電磁振動は、電源周波数の２倍の周波数で振動することが知られており、固定子からフレームや軸受に伝搬する。また、回転子の有する構造上のアンバランスにより回転子が回転軸に対して振動することで、フレームや軸受が加振される。これにより、フレームや軸受に回転周波数成分の振動が現われる。

このため、従来の回転電機では、フレームや軸受に電磁振動や回転周波数成分の振動が発生することが問題となっている。

特許文献１には、従来の回転電機の一例が記載されている。特許文献１に記載の回転電機は、固定子支持部材の両側に切欠きを備え、この切欠きにより固定子支持部材の剛性を低下させて可撓性を増加させ、電磁振動を低下させる。

特開２０１６－０９３０１２号公報

特許文献１に記載の回転電機では、固定子は、切欠きを備えた固定子支持部材により弾性支持されている。このため、特許文献１に記載の回転電機は、回転子と固定子の間のギャップの寸法の調整と、固定子支持部材の剛性の調整が困難であるため、回転電機の製作性に課題がある。また、特許文献１に記載の回転電機は、固定子自身の振動抑制が困難であり、固定子の振動がフレームや軸受に伝搬するという課題も有する。

本発明は、フレームと軸受の振動を抑制することができ、製作性のよい回転電機を提供することを目的とする。

本発明による回転電機は、固定子と、前記固定子の径方向内側に配置され、回転軸を備える回転子と、前記回転軸を支持する軸受と、前記固定子を支持する中間フレームと、前記軸受と前記中間フレームを支持する固定子フレームとを備える。前記固定子フレームは、底部の幅方向の両端部に台座を備える。前記台座は、前記固定子フレームの底面より上方に位置する上面を備える。前記中間フレームは、前記台座の前記上面に固定される。

本発明によると、フレームと軸受の振動を抑制することができ、製作性のよい回転電機を提供することができる。

本発明の実施例１による回転電機の構成を示す模式図である。 中間フレームの構成の一例を示す図である。 固定子フレームの構成の一例と、固定子フレームに固定される中間フレームを示す図である。 固定子フレームと、固定子フレームに固定された中間フレームを示す図である。 固定子フレームが台座を備えない構成の回転電機において、固定子フレームと、固定子フレームに固定された中間フレームを示す図である 固定子に向かって開口する切欠きを開口部として備える中間フレームの構成を示す図である。 本発明の実施例２による回転電機において、固定子フレームと、固定子フレームに固定された中間フレームを示す図である。

本発明による回転電機は、固定子の振動に起因するフレームと軸受の振動を抑制することができ、低振動であるとともに製作性がよい（製造しやすい）という特徴を備える。軸受が振動する要因の１つは、フレームの振動が軸受に伝搬することである。

以下、本発明の実施例による回転電機を、図面を参照して説明する。以下では、回転子の回転軸に平行な方向を「軸方向」と呼び、軸方向と回転電機の高さ方向とに垂直な方向を「幅方向」と呼ぶ。また、回転軸の周りの方向を「周方向」と呼び、回転軸の径の方向を「径方向」と呼ぶ。

図１は、本発明の実施例１による回転電機の構成を示す模式図であり、回転軸を通る断面を示している。

回転電機１００は、回転電機本体１０１と、回転電機本体１０１の内部に流通する内気４を冷却する熱交換器１０２と、熱交換器１０２に外気１４を導入するための外扇ダクト１０３を備える。

回転電機本体１０１は、円筒形の固定子２と、回転子１と、中間フレーム１５と、固定子フレーム８と、軸流ファン７と、軸受１６を備える。回転子１は、固定子２の径方向内側にエアギャップ３を介して配置されており、回転軸１０を備える。回転軸１０は、一端部（図１の右側）がカップリング（図示せず）に接続されている。中間フレーム１５は、固定子２を支持する。固定子フレーム８は、中間フレーム１５を支持し、軸方向の両端部にブラケット１７を備える。軸流ファン７は、回転軸１０の両端部に設置され、熱交換器１０２で除熱された内気４を回転電機本体１０１の内部に還流する。軸受１６は、ブラケット１７に支持されており、回転子１を回転軸１０で支持する。回転軸１０の両端部は、軸受１６に支持される。

熱交換器１０２は、外気１４が内部を流通する管群１２を備え、固定子２と回転子１を冷却した内気４を除熱する。熱交換器１０２は、内気４の流れを制御する仕切り板１８を軸方向の両端部に備える。

外扇ダクト１０３は、外扇１３を格納する。外扇１３は、送風機であり、回転軸１０の他端部に接続され、熱交換器１０２に外気１４を送り込む。

固定子２は、固定子鉄心６と、ガイド板５と、固定子鉄心６の内径側に形成された複数のスロット（図示せず）内に収納された固定子コイル（図示せず）を備える。固定子コイルは、固定子鉄心６の端部から軸方向外側に突出した固定子コイルエンド部９を備える。ガイド板５は、固定子コイルエンド部９を覆うように、中間フレーム１５の軸方向両端部にボルトで取り付けられている。

以下に、回転電機１００の通風による冷却の構成を示す。

軸流ファン７で昇圧された内気４は、回転子１の内部に向かう内気４ａ、エアギャップ３に向かう内気４ｂ、及び固定子コイルエンド部９に向かう内気４ｃに分流する。回転子１の内部に向かう内気４ａは、回転子１を冷却した後、エアギャップ３に流れる。エアギャップ３に向かう内気４ｂは、エアギャップ３に流れてきた内気４ａと合流して固定子２を冷却し、固定子フレーム８内に流入する。固定子コイルエンド部９に向かう内気４ｃは、固定子コイルエンド部９を冷却した後、中間フレーム１５を構成する主板の開口部１５９を通って固定子フレーム８内に流入して、内気４ａ、４ｂと合流する。

内気４ａ、４ｂ、４ｃが合流した内気４は、固定子フレーム８の外周から流出して熱交換器１０２に流入し、２つの仕切り板１８の間の領域で除熱されて冷却され、軸流ファン７に戻る。

熱交換器１０２は、複数の管で構成された管群１２を内部に備え、内気４を冷却する。管群１２の内部には、外扇１３により二次冷媒である外気１４が流される。内気４は、熱交換器１０２の内部で管群１２の管の間を通過する際に、管内の外気１４と管壁を介して熱交換し、冷却される。

図２は、中間フレーム１５の構成の一例を示す図である。

中間フレーム１５は、軸方向の両端部に主板１５１と主板１５４を備え、軸方向に沿って主板１５１と主板１５４の間に中間板１５２と中間板１５３を備える。主板１５１、１５４と中間板１５２、１５３は、固定子２を支持するための円形の開口部２００を中央部に備える面である。主板１５１、１５４は、図１にも示したように、固定子コイルエンド部９を冷却した内気４ｃを通すための開口部１５９を複数備える。開口部１５９は、固定子２を支持するための開口部２００の周りに設けられる。

開口部１５９は、図１を用いて説明したように、熱交換器１０２の２つの仕切り板１８の間の領域で内気４を冷却するために設けられる。開口部１５９は、周方向に等間隔で並ぶように主板１５１、１５４に設けられるのが好ましい。

また、中間フレーム１５は、幅方向の両端部に側板１５５と側板１５６を備える。側板１５５と側板１５６は、主板１５１、中間板１５２、中間板１５３、及び主板１５４を互いに接続する。側板１５５、１５６の下部には、開口部１５５１が設けられている。

さらに、中間フレーム１５は、下に突形状の底部を備える。中間フレーム１５の底部は、幅方向の中央部に位置する面である底板１５８と、幅方向の両端部に位置する２つの面である脚板１５７と、底板１５８と脚板１５７とを接続する２つの面である側板１６０とを備える。脚板１５７は、底板１５８よりも上方に位置し、固定子フレーム８に固定される。脚板１５７は、複数の貫通穴１５５２を備え、貫通穴１５５２を貫通したボルトで固定子フレーム８に固定される。

開口部１５５１は、中間フレーム１５の脚板１５７を固定子フレーム８にボルトで固定する作業を行うために設けられる。

図３は、固定子フレーム８の構成の一例と、固定子フレーム８に固定される中間フレーム１５を示す図であり、固定子フレーム８と中間フレーム１５の、軸方向に垂直な断面図である。

固定子フレーム８は、軸方向の両端部に主板（図示せず）を備え、幅方向の両端部に側板８１を備える。

また、固定子フレーム８は、底板８２、脚板８４、及び台座８３を底部に備える。底板８２は、固定子フレーム８の底面であり、回転電機１００の基礎に載置される。脚板８４は、底板８２の幅方向の両端部に設けられ、複数の貫通穴（図示せず）を備える。この貫通穴には、固定子フレーム８を回転電機１００の基礎に固定するボルトが貫通する。回転電機１００は、脚板８４を貫通するボルトによって基礎に固定される。台座８３は、固定子フレーム８の幅方向の両端部に設けられ、脚板８４に設置される。

台座８３は、鋼板で構成され、底板８２に平行な上面８３ａと、底板８２に垂直な側面８３ｂとを備え、軸方向に延伸する。上面８３ａは、固定子フレーム８の底面（底板８２）より上方に位置する平面部であり、側板８１と側面８３ｂに接続する。側面８３ｂは、脚板８４と上面８３ａに接続する。台座８３は、溶接で側板８１と脚板８４に固定される。上面８３ａは、１つまたは複数のボルト穴８５を備える。

固定子フレーム８は、幅方向の両端部のそれぞれに、１つの台座８３を備えてもよく、軸方向に並んだ複数の台座８３を備えてもよい。固定子フレーム８が幅方向の両端部のそれぞれに１つの台座８３を備える構成では、台座８３は、固定子フレーム８の軸方向のほぼ全長にわたって延在することもできる。

中間フレーム１５は、固定子フレーム８に固定される。中間フレーム１５は、主板１５１、中間板１５２、中間板１５３、及び主板１５４（図２を参照）が備える円形の開口部２００で、固定子２を支持する。中間フレーム１５は、固定子フレーム８に固定されるときは、例えば焼き嵌め等で固定子２と結合して一体化している。

中間フレーム１５は、図３の矢印で示すように、固定子フレーム８の上部から固定子フレーム８の内部に挿入され、固定子フレーム８に収容されて固定される。中間フレーム１５の脚板１５７は、台座８３の上面８３ａに設置される。中間フレーム１５と固定子フレーム８とは、脚板１５７の貫通穴１５５２（図２を参照）と上面８３ａのボルト穴８５とを貫通したボルトで、互いに固定される。中間フレーム１５は、このようにして、固定子フレーム８に容易に取り付け可能である。

なお、中間フレーム１５の底板１５８は、固定子フレーム８の底面である底板８２に接触しない。

固定子フレーム８の側板８１は、中間フレーム１５を固定子フレーム８にボルトで固定する作業を行うための開口部（図示せず）を備える。この開口部は、中間フレーム１５を固定子フレーム８にボルトで固定した後、カバーで覆われて塞がれる。

図４は、固定子フレーム８と、固定子フレーム８に固定された中間フレーム１５を示す図であり、固定子フレーム８と中間フレーム１５の、軸方向に垂直な断面図である。中間フレーム１５は、固定子２を支持している。

上述したように、中間フレーム１５の脚板１５７は、固定子フレーム８の台座８３の上面８３ａに設置されており、中間フレーム１５の底板１５８は、固定子フレーム８の底板８２に接触していない。台座８３の上面８３ａは、固定子フレーム８の底面（底板８２）より上方に位置する。

固定子２を支持している中間フレーム１５が台座８３に設置されているので、中間フレーム１５は、高さ方向の位置が固定子２の重心Ｇの位置に近い位置で、固定子フレーム８に支持されている。固定子２の重心Ｇの高さ方向の位置は、回転軸１０の中心の高さ方向の位置と概ね等しい。中間フレーム１５が固定子２の重心Ｇに近い高さ位置で固定子フレーム８（台座８３の上面８３ａ）に支持されているという本実施例の構成により、固定子２の振動（特に、幅方向の振動）に対し、中間フレーム１５の変位が小さくなり、中間フレーム１５の振動を抑制できる。

ここで、固定子フレーム８が台座８３を備えない構成の回転電機を説明する。

図５は、固定子フレーム８が台座８３を備えない構成の回転電機において、図４と同様に、固定子フレーム８と、固定子フレーム８に固定された中間フレーム１５を示す図である。中間フレーム１５は、脚板１５７が固定子フレーム８の脚板８４にボルトまたは溶接で固定されることで、固定子フレーム８に固定される。図５に示す構成では、中間フレーム１５は、高さ方向の位置が固定子２の重心Ｇの位置から遠い位置で、固定子フレーム８に支持されている。

図４に示すように、本実施例による回転電機１００では、中間フレーム１５は、高さ方向の位置が固定子２の重心Ｇの位置に近い位置で、固定子フレーム８に支持されている。このため、本実施例による回転電機１００は、図５に示す構成を備える回転電機と比較して、固定子２が振動しても中間フレーム１５の変位が小さくなり、中間フレーム１５の振動を抑制できる。

回転電機１００が運転時に発生する電磁力は、固定子２を径方向に加振し、これにより中間フレーム１５を径方向に加振する。本実施例による回転電機１００では、上述したように、中間フレーム１５の電磁振動（特に幅方向の電磁振動）を抑制できる。

さらに、中間フレーム１５の底板１５８は、固定子フレーム８に接触しておらず、中間フレーム１５と固定子フレーム８とは、脚板１５７と台座８３のみで互いに接している。中間フレーム１５と固定子フレーム８との間には、脚板１５７と台座８３で接する部分以外には隙間がある。すなわち、中間フレーム１５は、固定子フレーム８の底板８２に接触しておらず、台座８３のみで固定子フレーム８に接している。このような構成により、中間フレーム１５から固定子フレーム８に直接的に伝搬する振動は小さい。

本実施例による回転電機１００は、中間フレーム１５の振動を抑制でき、中間フレーム１５から固定子フレーム８に伝搬する振動も抑制できる。このため、本実施例による回転電機１００は、中間フレーム１５と固定子フレーム８の振動を抑制でき、固定子フレーム８から伝搬する軸受１６の振動も抑制することができる。

図２に示すように、中間フレーム１５の主板１５１、１５４が備える開口部１５９は、主板１５１、１５４に設けられた穴で構成されている。開口部１５９は、固定子２を支持するための開口部２００に向かって開口する切欠きで構成することもできる。すなわち、開口部１５９は、固定子２に向かって開口する切欠きで構成することもできる。

図６は、固定子２に向かって開口する切欠きを開口部１５９として備える中間フレーム１５の構成を示す図である。中間フレーム１５の主板１５１、１５４が備える開口部１５９は、主板１５１、１５４に設けられた切欠きで構成されており、この切欠きは、固定子２（固定子２を支持するための開口部２００）に向かって開口する。

本実施例による回転電機１００は、上述したように、中間フレーム１５と固定子フレーム８と軸受１６の振動を抑制することができる。

さらに、本実施例による回転電機１００は、中間フレーム１５の底板１５８が固定子フレーム８に接触しておらず、固定子フレーム８が台座８３のみで中間フレーム１５を固定するので、中間フレーム１５の底板１５８を固定子フレーム８に固定する必要がなく、製作性がよいという利点がある。また、本実施例による回転電機１００は、中間フレーム１５が固定子フレーム８の台座８３のみで支持されるので、固定子２の高さ方向の位置を定めやすいという利点もある。固定子２の高さ方向の位置は、台座８３に中間フレーム１５を固定するときに調整可能である。このため、本実施例による回転電機１００では、回転子１と固定子２の間のギャップの寸法の調整が容易である。また、本実施例による回転電機１００は、固定子フレーム８の底面が下に突形状でないので、回転電機１００の基礎を下に突形状にする必要がなく、基礎工事が容易で基礎に据え付けやすい。本実施例による回転電機１００は、このように、製作性がよいという利点を持つ。

本発明の実施例２による回転電機１００を説明する。

図７は、固定子フレーム８と、固定子フレーム８に固定された中間フレーム１５を示す図であり、固定子フレーム８と中間フレーム１５の、軸方向に垂直な断面図である。中間フレーム１５は、固定子２を支持している。

本実施例による回転電機１００では、実施例１による回転電機１００と比べて、台座８３の上面８３ａが高い位置に存在する。上面８３ａの高さ方向の位置は、固定子２の重心Ｇの高さ方向の位置（すなわち、回転軸１０の中心の高さ方向の位置）とほぼ同じである。本実施例による回転電機１００は、このような構成により、実施例１による回転電機１００と比較して、固定子２の振動（特に、幅方向の振動）に対し、中間フレーム１５の変位がより小さくなり、中間フレーム１５の振動をさらに抑制でき、固定子フレーム８と軸受１６の振動もさらに抑制することができる。

但し、以下の点に留意する必要がある。本実施例による回転電機１００は、実施例１による回転電機１００と比較して、台座８３の上面８３ａが高い位置に存在するため、固定子フレーム８の幅方向の長さが長くなり、固定子フレーム８の質量が増加する。また、台座８３の上面８３ａが高い位置に存在するため、台座８３をより強固にしなくてはならず、台座８３の質量が増加する。このため、本実施例による回転電機１００は、実施例１による回転電機１００と比較して、質量が増加し、製造コストが増える可能性がある。

上述したように、台座８３は、固定子２の重心Ｇに近い位置（高さ方向で近い位置）で中間フレーム１５を固定すると、振動を効果的に抑制することができる。そこで、振動を効果的に抑制し、かつ固定子フレーム８の質量が過度に増加するのを防ぐには、台座８３の上面８３ａは、高さ方向の位置が、固定子２の重心Ｇの高さ方向の位置と等しいか、この位置より下方に存在するのが好ましい。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

１…回転子、２…固定子、３…エアギャップ、４、４ａ、４ｂ、４ｃ…内気、５…ガイド板、６…固定子鉄心、７…軸流ファン、８…固定子フレーム、９…固定子コイルエンド部、１０…回転軸、１２…管群、１３…外扇、１４…外気、１５…中間フレーム、１６…軸受、１７…ブラケット、１８…仕切り板、８１…側板、８２…底板、８３…台座、８３ａ…上面、８３ｂ…側面、８４…脚板、８５…ボルト穴、１００…回転電機、１０１…回転電機本体、１０２…熱交換器、１０３…外扇ダクト、１５１…主板、１５２…中間板、１５３…中間板、１５４…主板、１５５…側板、１５６…側板、１５７…脚板、１５８…底板、１５９…開口部、１６０…側板、２００…開口部、１５５１…開口部、１５５２…貫通穴。

Claims (5)

1. 固定子と、
   前記固定子の径方向内側に配置され、回転軸を備える回転子と、
   前記回転軸を支持する軸受と、
   前記固定子を支持する中間フレームと、
   前記軸受と前記中間フレームを支持する固定子フレームと、
   を備え、
   前記中間フレームは、軸方向の両端部に主板を備えるとともに、幅方向の両端部に側板を備え、前記主板と前記側板とが互いに接続しており、
   前記固定子フレームは、前記軸方向の両端部に主板を備えるとともに、前記幅方向の両端部に側板を備え、前記側板で前記中間フレームを囲って前記固定子フレームの内部に前記中間フレームを収容し、
   前記固定子フレームは、底部の前記幅方向の両端部に台座を備え、
   前記台座は、前記固定子フレームの底面より上方に位置する上面を備え、
   前記中間フレームは、前記台座の前記上面に固定される、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記中間フレームは、底部に、前記幅方向の中央部に位置する面である底板と、前記幅方向の両端部に位置し前記底板よりも上方に位置する面である脚板とを備え、
   前記中間フレームの前記脚板は、前記台座の前記上面に固定される、
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記中間フレームは、前記底板が、前記固定子フレームの前記底面に接触しない、
   請求項２に記載の回転電機。
4. 前記固定子フレームの前記台座の前記上面は、高さ方向の位置が、前記回転軸の中心の高さ方向の位置と等しい、またはこの位置より下方である、
   請求項１に記載の回転電機。
5. 前記中間フレームの前記主板は、前記固定子を支持するための第１の開口部を備えるとともに、前記第１の開口部の周りに第２の開口部を備える、
   請求項１に記載の回転電機。

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