JP7453827B2

JP7453827B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP7453827B2
Application number: JP2020055565A
Authority: JP
Inventors: 靖早坂; 栄一郎時崎
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2020-03-26
Filing date: 2020-03-26
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2040-03-26
Also published as: JP2024023546A; WO2021192392A1; US20230022399A1; JP2021158750A

Description

本発明は回転電機に係り、特に、回転子のシャフトを支持する軸受部の冷却構造を改良した回転電機に関する。

一般に、固定子と回転子及び回転子のシャフトを支持する軸受部等から概略構成される回転電機は、その高出力密度の増加に伴い、コイル温度の上昇と回転電機内の冷却空気温度の上昇、そして、軸受部の温度上昇が発生する。

転がり軸受等の軸受部は、グリースや油により潤滑されるが、軸受部の温度上昇を低減することが、グリースや油の劣化を低減し軸受の潤滑寿命の延長につながる。

上記した軸受部の温度上昇を低減するために、回転電機には各種の冷却方式が設けられている。回転電機の冷却方式として、冷却風を外部から取り入れて回転電機内の各部を冷却する開放形と、回転電機内に冷却風を導入しない全閉形がある。全閉形は、一般的に、開放形に比べ冷却能力は劣るので、特に、軸受部の冷却性能の向上が要求される。

回転電機における軸受部の冷却性能を向上させる先行技術文献としては、特許文献１及び２を挙げることができる。

この特許文献１には、排気側の軸受を冷却するファンと通風路を設ける回転電機が開示され、一方、特許文献２には、冷却器のファンからの吐出空気により、すべり軸受の油槽とブラケットを冷却する回転電機が開示されている。

特許第５１４３０９４号公報特開昭６３－１０７４３９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構造では、軸受冷却のファンと通風路の形成など構造が複雑となる欠点があり、一方、特許文献２に開示された構造では、ブラケットに断熱層が無いので、固定子コアからの熱伝導による軸受の昇温を低減することができないという課題がある。

本発明上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、内気による軸受への熱伝達と回転子コアからの熱伝導を低減して軸受の昇温を抑え、軸受の潤滑寿命を向上させることができる回転電機を提供することにある。

本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、シャフトを有する回転子と、該回転子と所定の間隙（エアギャップ）をもって対向配置され、ステータフレームに支持された固定子と、前記シャフトを回転支持する軸受と、該軸受を保持するエンドブラケットと、を備えた回転電機であって、
前記エンドブラケットの機内又は機外側に、前記軸受への熱の流入を防ぐ断熱層を設け、
前記軸受は、前記固定子と前記回転子を挟んで軸方向の２箇所で前記シャフトを回転支持しており、
しかも、前記ステータフレームの上部に設けられた空気冷却器と、前記軸受の一方側に配置され、前記シャフトに取り付けられて前記空気冷却器に冷却空気を導入する外扇と、前記軸受の他方側に配置され、前記シャフトに取り付けられて機内の空気を循環させる内扇と、を備え、
前記断熱層は、前記内扇が配置されている側の前記エンドブラケットに配置され、
更に、前記断熱層と外気を連通する外気連通配管及び／又は弁を設け、前記外気連通配管及び／又は弁を介して前記断熱層に外気を導入することで前記軸受の昇温を抑えると共に、
前記外扇の外扇ダクトより導入された冷却空気を前記外気連通配管とは別に構成された配管にて入気し、前記配管を介して入気された前記冷却空気を、前記断熱層と外気を連結する前記外気連通配管に流通させて前記エンドブラケットを冷却することで前記軸受の昇温を抑えることを特徴とする。

本発明によれば、内気による軸受への熱伝達と回転子コアからの熱伝導を低減して軸受の昇温を抑え、軸受の潤滑寿命を向上させることができる。

本発明の回転電機の実施例１を示す縦断面図である。本発明の回転電機の実施例１における軸受の近傍を拡大して示す部分断面図である。本発明の回転電機の実施例２を示す縦断面図である。本発明の回転電機の実施例３を示す縦断面図である。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

図１及び図２に、本発明の回転電機の実施例１を示す。

図１に示すように、本実施例の回転電機１は、固定子２と、この固定子２を支えるステータフレーム３と、ステータフレーム３に固定され、固定子２及び後述する回転子６を挟んで軸方向の２箇所に配置された軸受４ａ、４ｂを保持するエンドブラケット５ａ、５ｂと、軸受４ａ、４ｂに回転保持され、固定子２と所定の間隙（エアギャップ２８）をもって対向配置されると共に、シャフト８を有する回転する回転子６と、回転子６を構成する回転子コア７と、シャフト８に取り付けられると共に、一方の軸受４ａ側に配置され、回転電機１内の空気を循環させる内扇９と、ステータフレーム３の上部に設けられた空気冷却器１１と、シャフト８に取り付けられると共に、他方の軸受４ｂ側に配置され、空気冷却器１１に冷却空気を導入する外扇１２とから概略構成されている。

空気冷却器１１は、外気１３が内部を流通する管群１４を備え、固定子２と回転子６を冷却した内気１５を除熱するものである。外扇１２は送風機であり、シャフト８の他端部（内扇９が配置されている側とは反対側）に接続され、外扇ダクト１６の入気口から第１の外気１３ａを空気冷却器１１に送り込むものである。

次に、本実施例における回転電機１の通風による冷却の構成を説明する。

図１に示すように、内扇９は、空気冷却器１１で冷却された内気１５を、回転電機１内に導入し、回転子６の内部に向かう第１の内気１５ａと、エアギャップ２８に向かう第２の内気１５ｂと、固定子コイルエンド部２９に流れる第３の内気１５ｃとに分流して流し、これらの内気１５で固定子２と回転子６を冷却する。

また、回転子６の内部に向かう第１の内気１５ａは、回転子６を冷却した後、エアギャップ２８に流れ、一方、エアギャップ２８に向かう第２の内気１５ｂは、エアギャップ２８に流れてきた第１の内気１５ａと合流して固定子２を冷却し、固定子フレーム１７内に流入する。

また、固定子コイルエンド部２９に流れる第３の内気１５ｃは、固定子コイルエンド部２９を冷却した後、固定子フレーム１７内に流入して、第１の内気１５ａ及び第２の内気１５ｂと合流し、最後に、内扇９が設置されている側で、冷却空気１３ｂの下流側の固定子コイルエンド部２９を冷却し、昇温した後、内扇９により空気冷却器１１へ矢印１８で示すように内気が導出される。

また、空気冷却器１１は、複数の管で構成された管群１４を内部に備え、固定子２と回転子６を冷却した内気１５を除熱するものであることは上述したが、管群１４の内部には、外扇１２により導かれた二次冷媒である第１の外気１３ａが流され、内気１５が、空気冷却器１１の内部で管群１４の管の間を通過する際に、管内の第１の外気１３ａと管壁を介して熱交換し冷却される。

以上が、一般的な回転電機１、特に、内気１５を回転子６のシャフト８と平行に一方向に流して、回転子６と固定子２を冷却する回転電機１の冷却システムの構成である。

この回転電機１の冷却システムでは、回転子６と固定子２を冷却した後の昇温した矢印１８で示す内気が、軸受４ａの温度を上昇させることがある。

このため、本実施例では、軸受４ａの温度上昇に伴う過熱を防止するように、内扇９が設置されている側で、かつ、冷却空気の下流側の軸受４ａを取り付けているエンドブラケット５ａに、軸受４ａへの熱の流入を防ぐ断熱層１９を設けている。

図２に、本実施例の回転電機１における断熱層１９を設けた軸受４ａの近傍を拡大して示す。

図２に示すように、軸受４ａへの熱の流入は、順に、矢印１８で示す内気からエンドブラケット５ａへの熱伝達、及びエンドブラケット５ａから軸受４ａへの熱伝導である。

具体的には、エンドブラケット５ａから外輪４ｃ、グリース４ｇ、ボール４ｄに熱が伝わり、また、固定子２からステータフレーム３を熱伝導し、エンドブラケット５ａに伝わる熱もあり、シャフト８から内輪４ｆ、ボール４ｄ、グリース４ｇへ伝わる熱もある。更に、ボール４ｄと内輪４ｆ、外輪４ｃとの摩擦熱やボール４ｄがグリース４ｇを攪拌することによって発生する熱もある。

軸受４ａの冷却は、軸受４ａの潤滑材を冷却する装置を有しない場合は、外気に晒されるベアリングボックス２０から外気への熱伝達が主である。特に、グリース潤滑の転がり軸受では、基本的に、その他の冷却要素はない。

このため、本実施例では、軸受４ａの温度を低減してグリース４ｇの劣化を抑え、軸受４ａの潤滑寿命を延ばすために、軸受４ａへの入熱を減らし、冷却を向上させる簡便な構造を実現している。即ち、矢印１８で示した内気から分流した分流内気１８ａからエンドブラケット５ａへの入熱を、エンドブラケット５ａの内気側で、かつ、内扇９の分流内気１８ａに晒される部位に断熱層１９を設けている。

具体的には、エンドブラケット５ａの内気側にくぼみ２１を設け、このくぼみ２１に断熱材２４を配置し、断熱材２４をエンドブラケット５ａにボルト固定されるカバー２２で封入している。

なお、断熱材２４は、一般的なグラスウール、ロックウール、真空断熱材のようなものでもよいが、空気層としても構わない。

断熱材１４を空気層とする場合には、くぼみ２１にある空気層を覆うカバー２２は、カバー２２の内外周にボルト２３を適切に設置して、断熱層１９と分流内気１８ａの往来を防止することが重要である。この時、断熱層１９と外気を連通する外気連通配管２５や弁を設けて、断熱層１９に低温の外気を導いてもよい。

上記したエンドブラケット５ａに設けたくぼみ２１と断熱層１９及び断熱材２４は、固定子２からステータフレーム３を熱伝導してくる熱に対しても熱抵抗となり、軸受４ａへの入熱を抑え、軸受４ａの昇温を低減することができる。

また、エンドブラケット５ａの外表面にフィン（図示せず）を設けて、エンドブラケット５ａの外表面の外気による熱伝達特性を向上させることにより、軸受４ａの温度を更に低減することができる。

また、本実施例では、冷却に回転子６と直結した空気冷却器１１の入気ファンである外扇１２の入気を、冷却空気１３ｂとして用いて冷却している（図１参照）。即ち、外扇ダクト１６より、外扇１２の冷却空気１３ｂを配管２６にて入気し、その冷却空気１３ｂを軸受４ａ、ベアリングボックス２０やエンドブラケット５ａ、冷却フィン等に吐出することにより、軸受４ａから熱を奪い、軸受４ａの温度を低減することができる。

更に、図示しないが、上記した各構成を工夫したり、組み合わせたりすることにより、軸受４ａの温度を低減することができる。例えば、断熱層１９を設けるエンドブラケット５ａのくぼみ２１を外気側に設け、このくぼみ２１に断熱材２４を設けて断熱層１９としてもよい。これは、断熱層１９をエンドブラケット５ａの機外側に設けることでもある。

これにより、断熱層１９への内気の流入、流出によるエンドブラケット５ａの熱伝達による昇温が防止され、軸受４ａの昇温を抑え、軸受４ａの潤滑寿命を向上させることが可能となる。

また、断熱層１９と外気を連結する外気連通配管２５や弁を設け、ここに、外部の冷媒、空気冷却器１１の冷媒、例えば、空気や水を流通させて冷却しても、軸受４ａの昇温を抑え、軸受４ａの潤滑寿命を向上させることができる効果が得られる。

もっとも簡便には、外扇ダクト１６より、外扇１２の冷却空気１３ｂを配管２６にて入気し、配管２６を入気してきた冷却空気２７を断熱層１９と外気を連結する外気連通配管２５に流通させてエンドブラケット５ａを冷却すれば、より効果的に軸受４ａの昇温を抑え、軸受４ａの潤滑寿命をより効果的に向上させることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、内気による軸受４ａへの熱伝達と回転子コア７からの熱伝導を低減して軸受４ａの昇温を抑え、軸受４ａの潤滑寿命を向上させることができる。

図３に、本発明の回転電機１の実施例２を示す。

図３に示す実施例２の回転電機１は、図１に示す実施例１の回転電機１とほぼ同様であるが、内扇９が外扇１２側に設けられている点が異なる。即ち、内扇９は、外扇１２側に設置されており、しかも、断熱層１９は、内扇９が設置されている側のエンドブラケット５ｂに配置されているものである。

本実施例の回転電機１では、内扇９の排気側となる軸受４ｂは、回転子６と固定子２を冷却して昇温した分流内気１８ａにより、過熱されて温度上昇することがある。

このため、実施例２の回転電機１では、内扇９の排気側となる軸受４ｂの過熱を防止するように、内扇９がある側で、冷却空気の下流側の軸受４ｂを取り付けているエンドブラケット５ｂに断熱層１９を設けている。他の構成は、実施例１の回転電機１と同様である。

また、実施例１と同様に、断熱層１９と外気を連結する外気連通配管２５や弁を設け、ここに、外部の冷媒、空気冷却器１１の冷媒、例えば、空気や水を流通させて冷却しても軸受４ｂの昇温を低減することができる。

もっとも簡便には、冷却ダクト１６より、外扇１２の冷却空気１３ｂを配管２６にて入気し、この冷却空気２７を断熱層１９と外気を連結する外気連通配管２５に流通させてエンドブラケット５ｂを冷却すれば、より効果的に軸受４ｂの昇温を低減することができる。

このような本実施例であっても実施例１と同様な効果が得られることは勿論、内気の排気側の軸受４ｂが、外扇ダクト１６に近接しているので、外扇１２の冷却空気１３ｂを冷却に使う際に、配管２６を短くすることができる効果もある。

図４に、本発明の回転電機１の実施例３を示す。

図４に示す実施例３の回転電機１は、図３に示す実施例２の回転電機１とほぼ同様であるが、回転子６と直結した冷却器の入気ファンである外扇１２からの外気１３の入気を、軸受４ｂ、ベアリングボックス２０やエンドブラケット５ｂ、冷却フィン３０の周りに導いて軸受４ｂから熱を奪い、軸受４ｂの温度を低減するものである。他の構成は、実施例２の回転電機１と同様である。

このような本実施例であっても実施例２と同様な効果が得られることは勿論、更に、軸受４ｂの冷却を強化することができる。

なお、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるもの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り、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、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…回転電機、２…固定子、３…ステータフレーム、４ａ、４ｂ…軸受、４ｃ…外輪、４ｄ…ボール、４ｇ…グリース、４ｆ…内輪、５ａ、５ｂ…エンドブラケット、６…回転子、７…回転子コア、８…シャフト、９…内扇、１１…空気冷却器、１２…外扇、１３…外気、１３ａ…第１の外気、１３ｂ…冷却空気、１４…管群、１５…内気、１５ａ…第１の内気、１５ｂ…第２の内気、１５ｃ…第３の内気、１６…外扇ダクト、１７…固定子フレーム、１８…内気の流れを示す矢印、１８ａ…分流内気、１９…断熱層、２０…ベアリングボックス、２１…くぼみ、２２…カバー、２３…ボルト、２４…断熱材、２５…外気連通配管、２６…配管、２７…冷却空気、２８…エアギャップ、２９…固定子コイルエンド部、３０…冷却フィン。

Claims

シャフトを有する回転子と、該回転子と所定の間隙（エアギャップ）をもって対向配置され、ステータフレームに支持された固定子と、前記シャフトを回転支持する軸受と、該軸受を保持するエンドブラケットと、を備えた回転電機であって、
前記エンドブラケットの機内又は機外側に、前記軸受への熱の流入を防ぐ断熱層を設け、
前記軸受は、前記固定子と前記回転子を挟んで軸方向の２箇所で前記シャフトを回転支持しており、
しかも、前記ステータフレームの上部に設けられた空気冷却器と、前記軸受の一方側に配置され、前記シャフトに取り付けられて前記空気冷却器に冷却空気を導入する外扇と、前記軸受の他方側に配置され、前記シャフトに取り付けられて機内の空気を循環させる内扇と、を備え、
前記断熱層は、前記内扇が配置されている側の前記エンドブラケットに配置され、
更に、前記断熱層と外気を連通する外気連通配管及び／又は弁を設け、前記外気連通配管及び／又は弁を介して前記断熱層に外気を導入することで前記軸受の昇温を抑えると共に、
前記外扇の外扇ダクトより導入された冷却空気を前記外気連通配管とは別に構成された配管にて入気し、前記配管を介して入気された前記冷却空気を、前記断熱層と外気を連結する前記外気連通配管に流通させて前記エンドブラケットを冷却することで前記軸受の昇温を抑えることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記断熱層は、内気の排気側の前記エンドブラケットに設置されていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記断熱層は、内気から分流した分流内気から前記エンドブラケットへの入熱を、前記エンドブラケットの内気側で、かつ、前記内扇の分流した前記分流内気に晒される部位に設置されていることを特徴とする回転電機。
請求項３に記載の回転電機であって、
前記エンドブラケットの外表面にフィンが設置されていることを特徴とする回転電機。
シャフトを有する回転子と、該回転子と所定の間隙（エアギャップ）をもって対向配置され、ステータフレームに支持された固定子と、前記シャフトを回転支持する軸受と、該軸受を保持するエンドブラケットと、を備えた回転電機であって、
前記エンドブラケットの機内又は機外側に、前記軸受への熱の流入を防ぐ断熱層を設け、
前記軸受は、前記固定子と前記回転子を挟んで軸方向の２箇所で前記シャフトを回転支持しており、
しかも、前記ステータフレームの上部に設けられた空気冷却器と、前記軸受の一方側に配置され、前記シャフトに取り付けられて前記空気冷却器に冷却空気を導入する外扇と、前記シャフトに取り付けられて機内の空気を循環させる内扇と、を備え、
前記内扇は、前記外扇側に設置されていると共に、前記断熱層は、前記内扇が設置されている側の前記エンドブラケットに配置され、
更に、前記断熱層と外気を連通する外気連通配管及び／又は弁を設け、前記外気連通配管及び／又は弁を介して前記断熱層に外気を導入することで前記軸受の昇温を抑えると共に、
前記外扇の外扇ダクトより導入された冷却空気を前記外気連通配管とは別に構成された配管にて入気し、前記配管を介して入気された前記冷却空気を、前記断熱層と外気を連結する前記外気連通配管に流通させて前記エンドブラケットを冷却することで前記軸受の昇温を抑えることを特徴とする回転電機。
請求項５に記載の回転電機であって、
前記外扇からの入気を、少なくとも前記外扇側の前記軸受及び前記エンドブラケットの周囲に導くことを特徴とする回転電機。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機であって、
前記断熱層は、前記エンドブラケットの内気側又は外気側にくぼみを設け、このくぼみに断熱材を配置し、前記断熱材を前記エンドブラケットにボルト固定されるカバーで封入していることを特徴とする回転電機。
請求項７に記載の回転電機であって、
前記断熱材は、空気層、グラスウール、ロックウール、真空断熱材のいずれかであることを特徴とする回転電機。