JPH1155899A

JPH1155899A - 超高速回転電機

Info

Publication number: JPH1155899A
Application number: JP21804297A
Authority: JP
Inventors: Nobusane Oonari; 延実大成; Minoru Tada; 稔多田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1997-07-29
Filing date: 1997-07-29
Publication date: 1999-02-26

Abstract

(57)【要約】【課題】回転子に作用する遠心力を軽減することによ
って回転速度の向上を可能とすると共に温度上昇を抑制
することのできる超高速回転電機を提供する。【解決手段】発電機２０は、回転子２２の外周と固定
子２３の内周との間の間隙空間３１とその前後の前後空
間３２，３３とが一体の加圧空間３０を形成しており、
この加圧空間３０にケーシング２１に形成された供給穴
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃから水素ガスが供給されるよう
に構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回転子の周囲に固
定子が配設されて成る電動機や発電機等の回転電機に関
し、特に回転子が超高速で回転する超高速回転電機に関
する。

【０００２】

【従来の技術】電動機や発電機等の回転電機は、回転子
の周囲に固定子が配設されて構成される。

【０００３】このような回転電機では、その出力は回転
子の回転速度，回転子の外径の二乗及び回転子の長さに
比例するが、近時、生産性の向上，装置の小型軽量化，
据付面積の縮小等の要求により、回転子の高速回転化が
望まれるようになってきている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、回転子を高
速回転すると、回転子に大きな遠心力が作用すると共
に、電気的及び機械的な損失が熱となって温度上昇を招
来する。

【０００５】高速回転に対応する回転子では、図３にそ
の概念断面図示すように回転軸１Ａの周囲に配置した永
久磁石１Ｂをその外側に焼嵌めによって外挿した保持リ
ング１Ｃによって保持する構成が採用されるが、この構
成では保持リング１Ｃは非磁性体でなければならないた
めに材質が限られ、また、永久磁石１Ｂの熱による減磁
を避けるために温度上昇を抑制する必要がある。

【０００６】このため、より高速回転を可能とするに
は、回転子を大きな遠心力に耐え得るように構成すると
共に温度上昇を抑制することが必要となる。回転子の遠
心力に対しては保持リングの材質や構造の改善によって
対応しているが、回転速度の高速化は限界に達して飛躍
的な向上は望めないものであった。

【０００７】本発明は、上記解決課題に鑑みてなされた
ものであって、回転子に作用する遠心力を軽減すること
によって回転速度の向上を可能とすると共に温度上昇を
抑制することのできる超高速回転電機を提供することを
目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明に係る超高速回転電機は、回転子の周囲に固定子が配
設されて成る回転電機において、前記回転子の外周と前
記固定子の内周との間の間隙空間に、所定圧力の加圧気
体が供給されるように構成されていることを特徴とす
る。

【０００９】また、上記間隙空間の軸方向前後端部は、
シール部材によってシールされていることを特徴とす
る。

【００１０】また、上記間隙空間の前後には軸受が収容
された軸受空間が位置しており、前記間隙空間に供給さ
れた上記加圧気体は前記間隙空間から前記軸受空間を介
して排出されるように構成されていることを特徴とす
る。

【００１１】また、上記回転電機は発電機であり、上記
加圧気体によって作動するタービンと同軸に構成され、
前記タービンによって回転駆動されるように構成されて
いることを特徴とする。

【００１２】また、加圧気体は、水素ガスであることを
特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下添付図面を参照して本発明の
実施の形態について説明する。図１は本発明に係る超高
速回転電機の一構成例を適用したガス圧発電装置の概略
断面図であり、図２はその要部拡大図である。尚、中心
線（Ｃ．Ｌ）を挟む下側は省略してある。

【００１４】図示ガス圧発電装置１０は、本発明に係る
超高速回転電機の一構成例である発電機２０と、化学プ
ラント等から得られる加圧気体としての水素ガスによっ
て駆動されるタービン４０とが回転軸１１に沿って直列
に配設されて一体に構成されており、化学プラント等か
ら得られる水素ガスの圧力エネルギーをタービン４０に
よって回転力に変換し、その回転力によって発電機２０
を駆動して発電するようになっているものである。

【００１５】回転軸１１は、その両軸端で発電機２０の
ケーシング２１に軸受５１，５２，５３，５４，５５を
介して回転自在に支持されている。尚、５１，５２，５
３は磁気軸受であって高速回転時に機能し、５４，５５
はボールベアリングであって停止時及び低速回転時に機
能するものである。

【００１６】発電機２０は、回転軸１１の軸方向略中央
に回転子２２が設けられると共に、この回転子２２と対
応するケーシング２１の内面部位に固定子２３が配設さ
れて構成されている。

【００１７】回転子２２は、詳細は図示しないが磁性体
によって形成された回転軸１１の周囲に複数の永久磁石
が配設されると共に、その外側に外挿された非磁性材に
よる保持リングによって固定されて構成されている。

【００１８】固定子２３は、巻線によって円筒状に形成
され、回転子２２と対応するケーシング２１の内面部位
に配設されて、その内部に回転子２２を収容している。
また、その内部には外周側と内周側とを連通し内周側で
は軸方向に所定間隔で開口する内部通路２３Ａが設けら
れている。

【００１９】固定子２３の内周面と回転子２２の外周面
との間は、所定間隔に設定されてこの間隔部位が間隙空
間３１となっている。

【００２０】タービン４０は、二段の動翼４２を有する
軸流形タービンであってその動翼４２は回転軸１１の軸
端に固定されており、発電機２０のケーシング２１に結
合されたタービンケーシング４１のチャンバー４３を介
して供給される水素ガスによって回転軸１１を回転駆動
するようになっている。

【００２１】ここで、回転子２２の軸方向前後両側に
は、円環状の隔壁リング２４，２５がケーシング２１に
固定されて設けられると共に、それぞれの内周部位に円
環状のブラケットリング２４Ａ，２５Ａが固定されてい
る。このブラケットリング２４Ａ，２５Ａは回転子２２
の端部外周部と対応しており、その内周面と回転子２２
の外周面との間にラビリンスシール２６，２７が設けら
れている。これにより、回転子２２の外周面と固定子２
３の内周面の間の間隙空間３１と、固定子２３の前後両
側面と各隔壁リング２５，２６との間の空間（前後空間
３２，３３）とが連通して一体の加圧空間３０を形成し
ており、この加圧空間３０はラビリンスシール２６，２
７によってその軸方向前後とはシールされている。

【００２２】また、ケーシング２１には、ガス供給穴２
１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃと排出穴２１Ｄ，２１Ｅが開口形
成されている。

【００２３】ガス供給穴２１Ａ，２１Ｂは固定子２３の
前後両側の前後空間３２，３３と対応する位置に設けら
れ、ガス供給穴２１Ｃは固定子２３と対応する位置に設
けられており、これら供給穴２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃに
はタービン４０へ水素ガスを供給する水素ガス供給路６
１から分岐した加圧ガス供給路６２が接続されている。

【００２４】排出穴２１Ｄ，２１Ｅは、隔壁リング２４
の前方側に位置する軸受５１，５２，５４を収容する軸
受空間３４及び隔壁リング２５の後方側に位置する軸受
５３，５５を収容する軸受空間３５と連通して設けられ
ており、これら排出穴２１Ｄ，２１Ｅは排出路６３を介
してタービン４０から排出される水素ガスの経路に接続
されている。尚、詳細は図示していないが、軸受空間３
４，３５の内部には、加圧空間３０からラビリンスシー
ル２６，２７を介して流入する水素ガスが排出穴２１
Ｄ，２１Ｅに円滑に流れるように通路が形成してある。

【００２５】而して、上記のごとく構成されたガス圧発
電装置１０では、前述のごとく水素ガスの圧力エネルギ
ーをタービン４０が回転力に変換し、その回転力によっ
て発電機２０が発電する。この時、タービン４０に供給
される水素ガスの一部が加圧ガス供給路６２を介して供
給穴２１Ｃから固定子２３の内部通路２３Ａを通って間
隙空間３１に、また、供給穴２１Ａ，２１Ｂ，から前後
空間３２，３３にそれぞれ供給され、加圧空間３０の内
部は所定圧力の水素ガスによって充たされる。この加圧
空間３０の内部の水素ガスの圧力は、回転子２２の外周
面に、高速回転に起因して発生する遠心力に対向するよ
うに作用することとなり、これによって回転子２２はそ
の構造から規定される回転速度に対して水素ガスの圧力
によって遠心力が軽減された分、回転速度を上げること
ができる。即ち、回転子２２の構造は同一であってもよ
り一層の高速回転が可能となるものである。

【００２６】加圧空間３０に供給された水素ガスは、間
隙空間３１の前後両端部に形成されているラビリンスシ
ール２６，２７を介して軸受空間３４，３５に漏洩する
が、この軸受空間３４，３５に漏洩した水素ガスはそれ
ぞれ排出穴２１Ｄ，２１Ｅを介して排出され、排出路６
３を介してタービン４０から排出された水素ガスと合流
して燃焼器等の次工程装置に供給される。このように、
水素ガスが加圧空間３０から軸受空間３４，３５を通っ
て外部に流れることで、この流れる水素ガスが固定子２
３，回転子２４及び軸受５１，５２，５３，５４，５５
を冷却し、過熱を防ぐように作用する。

【００２７】即ち、水素ガスはその圧力によって回転子
２２に作用する遠心力を抑制するばかりでなく、軸受空
間３４，３５を流れることによって冷媒としても機能す
るものである。

【００２８】尚、上記構成例は加圧気体として水素ガス
を用いたものであるが、加圧気体はこれに限定されるも
のではなく、他の気体であっても良いものである。ま
た、回転電機として発電機の例を示したが、電動機にも
適用可能であることは言うまでもない。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る超高速
回転電機によれば、回転子の外周と固定子の内周との間
の間隙空間に、所定圧力の加圧気体が供給されることに
より、加圧気体の圧力が回転子の外周面に作用してその
回転に起因する遠心力を相殺することとなり、回転子の
構造によって規定される回転数に対してより一層の高速
回転が可能となるものである。

【００３０】また、上記間隙空間の軸方向前後端部は、
シール部材によってシールされていることにより、供給
された加圧気体の圧力を効率良く回転子に作用させるこ
とができる。

【００３１】また、間隙空間に供給された加圧気体がそ
の前後に位置する軸受空間を介して排出されるように構
成されていることにより、間隙空間から軸受空間を介し
て流れる加圧気体が固定子，回転子及び軸受を冷却す
る。つまり、加圧流体が冷媒として機能して回転電機の
過熱を防ぐように機能し、効率向上に寄与するものであ
る。

【００３２】また、回転電機は発電機であり、加圧気体
によって作動するタービンと同軸に構成され、タービン
によって回転駆動されるように構成されていることによ
り、プラント等から副次的に生成される加圧気体を利用
して、効率良く発電を行うことができるものである。

【００３３】また、加圧気体が水素ガスであることによ
り、高速回転で効率が良く、冷却効果も高いものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超高速回転電機の一構成例を適用
したガス圧発電装置の概略断面図である。

【図２】その発電機部位の拡大断面図である。

【図３】従来例としての回転子の概念断面図である。

【符号の説明】

２０発電機（回転電機）２２回転子２３固定子２６，２７ラビリンスシール（シール部材）３０加圧空間３１間隙空間３４，３５軸受空間４０タービン５１，５２，５３，５４，５５軸受

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】回転子の周囲に固定子が配設されて成る
回転電機において、前記回転子の外周と前記固定子の内周との間の間隙空間
に、所定圧力の加圧気体が供給されるように構成されて
いることを特徴とする超高速回転電機。
【請求項２】上記間隙空間の軸方向前後端部は、シー
ル部材によってシールされていることを特徴とする請求
項１に記載の超高速回転電機。
【請求項３】上記間隙空間の前後には軸受が収容され
た軸受空間が位置しており、前記間隙空間に供給された
上記加圧気体は前記間隙空間から前記軸受空間を介して
排出されるように構成されていることを特徴とする請求
項１又は２に記載の超高速回転電機。
【請求項４】上記回転電機は発電機であることを特徴
とする請求項１，２又は３に記載の超高速回転電機。
【請求項５】上記発電機は、上記加圧気体によって作
動するタービンと同軸に構成され、前記タービンによっ
て回転駆動されるように構成されていることを特徴とす
る請求項４に記載の回転電機。
【請求項６】上記加圧気体は、水素ガスであることを
特徴とする請求項５に記載の超高速回転電機。