JP7189835B2 - 同期回転電機および放電抵抗器 - Google Patents

Description

本発明は、同期回転電機およびその放電抵抗器に関する。

同期回転電機は、一般的に自己始動が困難で、同期回転電機が始動するための設備が設けられている場合が多い。

ただし、ブラシレス同期回転電機においては、回転子において界磁巻線が閉回路を形成していることから、誘導機と同様の原理で、原理的に界磁巻線を用いた自己始動を行うことができる。この場合、始動時に誘導電圧の全てが整流回路に印加されるのを緩和するために、一般的に界磁巻線に並列に放電抵抗器が設置される。具体的には、放電抵抗器は、ロータシャフトに取り付けられる。

放電抵抗器には、同期回転電機の始動時にその両端間に誘導電圧の一部が印加されるため、放電抵抗器内および放電抵抗器と外部との絶縁性能を確保する必要がある。また、放電抵抗器は、ロータシャフトとともに回転することから遠心力が作用する。このため、放電抵抗器は樹脂等の絶縁材によりモールドされている場合が多い。

特開昭４９－１０５９０５号公報 実開昭５７－１２２１７１号公報

ブラシレス同期回転電機の自己始動に際しては、放電抵抗器には大きな電流が流れるため、特に全閉形の回転電機においては、放電抵抗器の冷却が重要である。放電抵抗器の冷却を向上させる例としては、たとえば、鋼管被覆の放電抵抗器を、内周面に溝をつけた回転円筒内に組み込む技術が知られている（特許文献１参照）。あるいは、冷却ファンによる冷却用気体の通風路内に放電抵抗器を配置し、軸方向に２つの放電抵抗器に挟まれた通路を形成する技術が知られている（特許文献２参照）。

これらのいずれの例も、構造の複雑化、あるいは加工工程の増加をもたらすことは否めない。

そこで、本発明は、同期回転電機において、簡易な構成により放電抵抗器の冷却機能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、本発明に係る同期回転電機は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻回された回転子巻線とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトとともに回転する回転整流器および少なくとも一つの放電抵抗器を有する励磁装置と、前記回転子鉄心、前記固定子および前記励磁装置を収納するフレームと、前記フレームに取り付けられて、前記フレーム内の前記回転子、前記固定子、および前記励磁装置を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、を備え、前記少なくとも一つの放電抵抗器は、前記ロータシャフトの周囲に巻き付けられた抵抗と、前記抵抗の間に前記軸方向に対して傾斜して配され前記抵抗内に隙間を形成する複数の電気絶縁性のスペーサと、前記ロータシャフトの径方向に延びるとともに前記ロータシャフトの周方向で前記スペーサとずれた位置に設けられ、前記抵抗と前記スペーサとを支持する支持部と、を有することを特徴とする。

また、本発明に係る放電抵抗器は、軸方向に延びたロータシャフトと回転子鉄心と回転子巻線とを有する回転子と、固定子鉄心と固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトとともに回転する回転整流器を有する励磁装置と、前記回転子鉄心、前記固定子および前記励磁装置を収納するフレームと、前記フレームに取り付けられて、前記フレーム内の前記回転子、前記固定子、および前記励磁装置を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器とを備える同期回転電機の前記励磁装置の放電抵抗器であって、前記ロータシャフトの周囲に巻き付けられた抵抗と、前記抵抗の間に前記軸方向に対して傾斜して配され前記抵抗内に隙間を形成する複数の電気絶縁性のスペーサと、前記ロータシャフトの径方向に延びるとともに前記ロータシャフトの周方向で前記スペーサとずれた位置に設けられ、前記抵抗と前記スペーサとを支持する支持部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、同期回転電機において、簡易な構成により放電抵抗器の冷却機能を向上させることができる。

第１の実施形態に係る同期回転電機の立断面図である。 第１の実施形態に係る同期回転電機の励磁装置を示す回路図である。 第１の実施形態に係る同期回転電機の放電抵抗器の構成を示す図４のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視縦断面図である。 第１の実施形態に係る同期回転電機の放電抵抗器の構成を示す図３のＩＶ－ＩＶ線矢視横断面図である。 第１の実施形態に係る放電抵抗器の長手方向の展開図である。 第２の実施形態に係る放電抵抗器の長手方向の展開図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る同期回転電機およびその放電抵抗器について説明する。

［第１の実施形態］
以下、同期回転電機として、全閉形ブラシレス同期回転電機の場合を例にとって説明する。

図１は、第１の実施形態に係る同期回転電機の立断面図である。

同期回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、フレーム３０、軸受３２、冷却器４０、および励磁装置５０を有する。

回転子１０は、軸方向に延びたロータシャフト１１、ロータシャフト１１に取り付けられた回転子鉄心１２、および回転子鉄心１２に巻回された回転子巻線１３を有する。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、軸受３２により回転可能に支持されている。なお、回転子鉄心１２に巻回される回転子巻線１３は、図１に示すように回転子鉄心１２に形成された複数のスロット内（図示せず）に収納される部分を有する円筒型の場合、および、回転子鉄心１２に形成された突極に巻回される突極型の場合のいずれの場合も含む。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向の外側に空隙を介して配された円筒状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１を貫通する固定子巻線２２を有する。

固定子２０を囲むように軸方向に筒状に延びたフレーム３０が配されている。フレーム３０の両側の端部にはそれぞれ軸受ブラケット３４が取り付けられている。それぞれの軸受ブラケット３４は、それぞれの軸受３２を静止支持している。

冷却器４０は、フレーム３０の上部に設けられている。冷却器４０は、外部の冷媒が通過する冷却管４１と、冷却管４１を収納する冷却器カバー４２を有する。

フレーム３０、２つの軸受ブラケット３４、および冷却器カバー４２は、互いに相まって閉空間３０ａを形成する。閉空間３０ａ内には、たとえば空気などの冷却用気体が封入されている。

それぞれの軸受３２と回転子鉄心１２との間で、ロータシャフト１１にはそれぞれ内扇１５が取り付けられている。また、それぞれの内扇１５の径方向外側にはフレーム３０の内面にまで拡がる仕切り板１５ａが設けられている。内扇１５は、軸流ファンであり、冷却用気体を、回転子鉄心１２および固定子２０の方向に移送駆動する。

フレーム３０内の空間と、冷却器カバー４２内の空間とは、冷却器入口開口４３および２つの冷却器出口開口４４を介して連通している。冷却器入口開口４３は固定子２０の上方に形成されている。また、２つの冷却器出口開口４４のそれぞれは、２つの内扇１５のそれぞれの入口側空間３０ｂ、３０ｃの上方に形成されている。

２つの内扇１５の一方の入口側空間３０ｂには、励磁装置５０が設けられている。励磁装置５０は、回転整流器５１、励磁機回転部５２、励磁機固定部５３、第1の放電抵抗器６０および第２の放電抵抗器７０を有する。これらのうち、回転整流器５１、励磁機回転部５２、第1の放電抵抗器６０、第２の放電抵抗器７０は、ロータシャフト１１に取り付けられ、ロータシャフト１１とともに回転する。また、励磁機固定部５３は、電磁石あるいは永久磁石であり、図示しない支持部により静止支持されている。

図２は、同期回転電機の励磁装置を示す回路図である。回転整流器５１は、ダイオード５１ａ、５１ｂを有するブリッジ回路である。励磁機固定部５３による磁場の中を回転する励磁機回転部５２の各相に誘起される交流電圧が、ブリッジ回路である回転整流器５１の各相に入力される。

回転整流器５１により生ずる一極性の電圧が、界磁巻線である回転子巻線１３に印加される。第1の放電抵抗器６０および第２の放電抵抗器７０は、回転整流器５１、および回転子鉄心１２に巻回された回転子巻線１３に並列に配されている。

図３は、放電抵抗器の構成を示す図４のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視縦断面図であり、図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線矢視横断面図である。

第1の放電抵抗器６０および第２の放電抵抗器７０は、軸方向に互いに間隔をあけて隣接してロータシャフト１１に取り付けられている。第1の放電抵抗器６０は、抵抗６１、スペーサ６２、ボス６３および支持部６４を有する。また、第２の放電抵抗器７０は、抵抗７１、スペーサ７２、ボス７３および支持部７４を有する。ここで、スペーサ６２、７２、ボス６３、７３、および支持部６４、７４は、電気絶縁性、すなわちこれらの材質は、電気的な絶縁材である。

ボス６３およびボス７３は、ロータシャフト１１の径方向外側にロータシャフト１１を囲むようにロータシャフト１１に取り付けられている。ボス６３および支持部６４は、抵抗６１とスペーサ６２を支持する。また、ボス７３および支持部７４は、抵抗７１とスペーサ７２を支持する。なお支持部の詳細の図示は省略している。支持部６４および支持部７４は、それぞれ抵抗６１および抵抗７１に印加される遠心力に耐える構造強度を有する。

抵抗６１は、長く延びた板状であり、絶縁材による被覆はなされておらず、直接、冷却用気体に接する。抵抗６１は、長手方向の一端がボス６３に接続されており、渦巻き状に、ロータシャフト１１の周囲に巻きつけられるように形成されている。渦巻き（スパイラル）状に形成されている長手方向の途中の位置には、抵抗６１内の径方向の間隔を確保するためのスペーサ６２が設けられている。

同様に、抵抗７１は、長く延びた板状であり、絶縁材による被覆はなされておらず、直接、冷却用気体に接する。抵抗７１は、長手方向の一端がボス７３に接続されており、渦巻き状に、ロータシャフト１１の周囲に巻きつけられるように形成されている。渦巻き（スパイラル）状に形成されている長手方向の途中の位置には、抵抗７１内の径方向の間隔を確保するためのスペーサ７２が設けられている。

図４に示すように、回転子鉄心１２側から軸方向に第1の放電抵抗器６０を見ると、抵抗６１の巻回方向、すなわち渦巻きの方向は、中心から外に向かって時計回り方向である。

一方、図示しないが、回転子鉄心１２側から軸方向に第２の放電抵抗器７０を見ると、抵抗７１第２の放電抵抗器７０については、中心から外側に向かって反時計回りに巻かれている。

このため、第１の放電抵抗器６０に電流が流れたときに生ずる磁束と、第２の放電抵抗器７０に電流が流れたときに生ずる磁束とは、互いに打ち消し合う。この結果、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０とが設置されている外側には、大きな磁界を形成せず、大きな磁気的影響を生じない。

以上のように形成されていることから、渦巻き状の抵抗６１には、隙間６１ａが形成され、隙間６１ａは、冷却用気体の軸方向の流路となる。渦巻き状の抵抗７１についても、隙間７１ａ（図５）が形成され、隙間７１ａは、冷却用気体の軸方向の流路となる。

図５は、第１の実施形態に係る放電抵抗器の長手方向の展開図である。

第１の放電抵抗器６０のそれぞれのスペーサ６２は、軸方向に対して角度を持った方向に配置されている。ここで、スペーサ６２の方向とは、スペーサ６２の長手方向に沿った方向を言うものとする。このため、第１の放電抵抗器６０の抵抗６１とスペーサ６２とによりファン効果を生ずる。また、第２の放電抵抗器７０のそれぞれのスペーサ７２は、軸方向に対して角度を持って配置されており、第２の放電抵抗器７０の抵抗７１とスペーサ７２とによりファン効果を生ずる。

第１の放電抵抗器６０のそれぞれのスペーサ６２と、第２の放電抵抗器７０のそれぞれのスペーサ７２は、互いに同じ方向に傾いている。なお、第１の放電抵抗器６０のそれぞれのスペーサ６２の軸方向に対する角度と、第２の放電抵抗器７０のそれぞれのスペーサ７２の軸方向に対する角度は、必ずしも同じ角度であることを要しない。また、抵抗７１に沿ったスペーサ７２の位置は、必ずしも、抵抗６１に沿ってスペーサ６２の位置と同じ位置あるいは近傍ではなくともよい。

この結果、第２の放電抵抗器７０は、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０の間の空間の径方向外側から冷却用気体を吸い込むとともに、第１の放電抵抗器６０から流出する冷却用気体を吸い込むことになる。すなわち、冷却用気体は、軸方向の外側から第１の放電抵抗器６０のそれぞれのスペーサ６２の間に流入し、その後、第２の放電抵抗器７０のそれぞれのスペーサ７２の間を流れる。

このように、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０が同じ方向に冷却用気体を駆動することから、両者のファン効果が重畳して、大きな駆動力を生ずる。

さらに、第1の放電抵抗器６０および第２の放電抵抗器７０自体は、表面に絶縁材料のモールドがなされておらず、かつ、それぞれ隙間６１ａおよび隙間７１ａを冷却用気体が通過することから、さらに冷却効果が高まる。

以上のように、本実施形態によれば、同期回転電機において、簡易な構成により放電抵抗器の冷却機能を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図６は、第２の実施形態に係る放電抵抗器の長手方向の展開図である。

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の実施形態においては、第１の放電抵抗器６０のそれぞれのスペーサ６２の方向が、第１の実施形態の場合とは逆方向となっている。この点を除いては、第２の実施形態は、第１の実施形態と同様である。

この結果、第１の放電抵抗器６０を通過する冷却用気体の方向が、第１の実施形態とは逆となる。すなわち、冷却用気体は、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０の間の空間から、第１の放電抵抗器６０の隙間６１ａに吸い込まれて、隙間６１ａを通過して、軸方向に第１の放電抵抗器６０の反対側に放出される。

一方、第２の放電抵抗器７０においては、スペーサ７２は、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０の間の空間に軸方向に垂直な平面を想定した場合に、この平面に対して対称の方向に形成されている。

以上のような第1の放電抵抗器６０および第２の放電抵抗器７０の構成により、冷却用気体は、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０の間の空間から、第２の放電抵抗器７０の隙間７１ａに吸い込まれて、隙間７１ａを通過して、軸方向に第２の放電抵抗器７０の反対側に放出される。

このように、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０のそれぞれが、第1の放電抵抗器６０と第２の放電抵抗器７０の間の空間から冷却用気体を吸い込むことになる。この結果、励磁装置５０の上方に形成されている冷却器出口開口４４から励磁装置５０側への冷却用気体の流入が加速され、励磁装置５０全体の冷却効果が高まる。

以上のように、本実施形態によれば、同期回転電機において、簡易な構成により放電抵抗器の冷却機能を向上させることができる。

［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。

さらに、これらの実施形態は、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、１２…回転子鉄心、１３…回転子巻線、１５…内扇、１５ａ…仕切り板、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…フレーム、３０ａ…閉空間、３０ｂ、３０ｃ…入口側空間、３２…軸受、３４…軸受ブラケット、４０…冷却器、４１…冷却管、４２…冷却器カバー、４３…冷却器入口開口、４４…冷却器出口開口、５０…励磁装置、５１…回転整流器、５１ａ、５１ｂ…ダイオード、５２…励磁機回転部、５３…励磁機固定部、６０…第1の放電抵抗器、６１…抵抗、６１ａ…隙間、６２…スペーサ、６３…ボス、６４…支持部、７０…第２の放電抵抗器、７１…抵抗、７１ａ…隙間、７２…スペーサ、７３…ボス、７４…支持部、１００…同期回転電機

Claims (5)

1. 軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトに取り付けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻回された回転子巻線とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
   前記ロータシャフトとともに回転する回転整流器および少なくとも一つの放電抵抗器を有する励磁装置と、
   前記回転子鉄心、前記固定子および前記励磁装置を収納するフレームと、
   前記フレームに取り付けられて、前記フレーム内の前記回転子、前記固定子、および前記励磁装置を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、
   を備え、
   前記少なくとも一つの放電抵抗器は、
   前記ロータシャフトの周囲に巻き付けられた抵抗と、
   前記抵抗の間に前記軸方向に対して傾斜して配され前記抵抗内に隙間を形成する複数の電気絶縁性のスペーサと、
   前記ロータシャフトの径方向に延びるとともに前記ロータシャフトの周方向で前記スペーサとずれた位置に設けられ、前記抵抗と前記スペーサとを支持する支持部と、
   を有することを特徴とする同期回転電機。
2. 前記少なくとも一つの放電抵抗器は、第１の放電抵抗器および第２の放電抵抗器を有し、
   前記第１の放電抵抗器の抵抗の巻回方向と、前記第２の放電抵抗器の抵抗の巻回方向は互いに逆方向であることを特徴とする請求項１に記載の同期回転電機。
3. 前記第１の放電抵抗器のスペーサの方向と、前記第２の放電抵抗器のスペーサの方向は互いに同一方向であることを特徴とする請求項２に記載の同期回転電機。
4. 前記第１の放電抵抗器のスペーサの方向と、前記第２の放電抵抗器のスペーサの方向は互いに逆方向であることを特徴とする請求項２に記載の同期回転電機。
5. 軸方向に延びたロータシャフトと回転子鉄心と回転子巻線とを有する回転子と、固定子鉄心と固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトとともに回転する回転整流器を有する励磁装置と、前記回転子鉄心、前記固定子および前記励磁装置を収納するフレームと、前記フレームに取り付けられて、前記フレーム内の前記回転子、前記固定子、および前記励磁装置を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器とを備える同期回転電機の前記励磁装置の放電抵抗器であって、
   前記ロータシャフトの周囲に巻き付けられた抵抗と、
   前記抵抗の間に前記軸方向に対して傾斜して配され前記抵抗内に隙間を形成する複数の電気絶縁性のスペーサと、
   前記ロータシャフトの径方向に延びるとともに前記ロータシャフトの周方向で前記スペーサとずれた位置に設けられ、前記抵抗と前記スペーサとを支持する支持部と、
   を有することを特徴とする放電抵抗器。

Images