WO2017037822A1 - 回転電機 - Google Patents

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gas
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航治 川嶋
二美夫 松本
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三菱電機株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/207—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium with openings in the casing specially adapted for ambient air

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly to a rotating electrical machine having a cooling structure for cooling a stator and a rotor by circulating a cooling gas.
  • a rotating electrical machine having a cooling structure for cooling a stator and a rotor by circulating a cooling gas such as air or hydrogen gas
  • the stator and the rotor are accommodated in a casing and provided at both ends of a rotating shaft.
  • the cooling gas is sent from the cooling gas inlet to the cooling gas flow paths provided in the rotor and the stator, respectively, to cool the rotor and the stator, and then the cooling gas is cooled in the gas cooler and again It is configured to be circulated for cooling the rotor and stator.
  • the rotating electrical machine using this cooling gas is configured so that the cooling gas circulated by the fan can be made to flow evenly so that the cooling performance of the gas cooler can be sufficiently exhibited.
  • Patent Document 1 in order to balance the cooling state by the cooling gas, the gas coolers are distributed on both side surfaces of the both ends of the rotor rotation shaft. It is shown to be placed in place.
  • the stator and the casing for housing the rotor, the cooling gas intake port provided at both ends and communicating with the casing, and the high-temperature cooling through which the high-temperature cooling gas drawn from the intake port flows A gas channel, a ventilation surface where the high-temperature cooling gas exchanges heat and becomes a low temperature, a low-temperature cooling gas channel through which the cooling gas passing through the ventilation surface flows, and a low-temperature cooling gas flow provided at both ends
  • a gas cooler that is arranged in parallel with each other so that the high-temperature cooling gas flow path is outside the casing, and the low-temperature cooling gas flow path is on the casing side, and the gas cooling Provided between the said cold cooling gas flow path and the casing, it is provided with a heat insulating portion that prevents the transfer of heat between said low-temperature gas flow passage casing.
  • the present invention by increasing the cooling efficiency of the gas cooler, the number of gas coolers to be installed can be minimized, a rotating electric machine with a small installation area can be realized, and the degree of freedom of installation can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line AA in FIG. It is a schematic sectional drawing which shows Embodiment 2 of this invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view taken along line BB in FIG. 3. It is a schematic sectional drawing which shows Embodiment 3 of this invention.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 5. It is a schematic sectional drawing which shows an example of Embodiment 4 of this invention.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 7. It is a schematic sectional drawing which shows an example of Embodiment 4 of this invention. It is a schematic sectional drawing which shows an example of Embodiment 4 of this invention.
  • Embodiment 1 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
  • a casing 10 that houses the rotor 1 and the stator 2 and a gas cooler 20 that cools the cooling gas in the casing 10 are configured as an integral structure.
  • the rotor 1 and the stator 2 are cooled by taking the cooling gas cooled by the gas cooler 20 directly into the casing 10. Further, in the casing 10, the cooling gas flow path 3 for circulating the cooling gas is provided in a complicated manner.
  • the cooling gas flow path 3 uses a duct (not shown) between the rotor 1 and the stator 2 and the stator 2 to cool the rotor 1 and the stator 2.
  • the cooling gas is circulated along with the rotation of the fan 4 provided in the rotor 1 and flows through the cooling gas flow path 3 as shown by the arrows in the figure to cool the rotor 1 and the stator 2. It returns to the cooler 20, is cooled again in the gas cooler 20, and is returned to the casing 10.
  • the gas cooler 20 includes a cooling gas inlet 21 communicating with the casing 10 at both ends, and a high-temperature cooling gas passage 22 through which a high-temperature cooling gas sucked from the inlet 21 flows.
  • the high-temperature cooling gas exchanges heat and becomes a low-temperature ventilation surface 23; the low-temperature cooling gas channel 24 through which the cooling gas that has passed through the ventilation surface 23 circulates; And a cooling gas exhaust port 25 for flowing the low-temperature cooling gas through the casing.
  • the gas cooler 20 As a mounting position of the gas cooler 20, it arrange
  • a heat insulating portion 30 is provided between the casing 10 and the gas cooler 20 so as to prevent heat transfer from the casing 10 to the gas cooler 20.
  • the heat insulating portion 30 is a space.
  • the heat insulating portion 30 is configured as a sealed space that does not communicate with other spaces so that heat transfer is prevented by a gas confined in the space. Further, it is more effective if the heat insulating portion 30 is sealed with a liquid such as a heat insulating material or heat insulating oil so as to more actively prevent heat transfer.
  • FIG. 2 schematically shows an AA cross section in FIG.
  • the inlets 21 of the gas cooler 20 and the inlets of the high-temperature cooling gas flow path 22 appear from the fan 4.
  • the gas cooler 20 is provided on the upper side of the casing 10, whereas the main lead 40 is provided on the lower side. That is, the gas cooler 20 is provided at a position in an axially symmetric direction around the rotation axis of the rotor 1 with respect to the main lead 40 that transmits and receives electric power.
  • the gas cooler 20 is provided on the upper side of the casing 10.
  • Embodiment 2 In Embodiment 1, the thing of the structure which pulls out the main lead 40 of the rotary electric machine 100 to the lower part side of the casing 10 was shown.
  • the direction in which the main lead 40 is pulled out is not limited to the direction in which the main lead 40 is pulled out to the lower side of the casing 10.
  • the main lead 40 may be taken out to the upper side of the casing 10.
  • the gas cooler 20 is provided on the lower side of the casing. That is, the gas cooler 20 is provided at a position in an axially symmetric direction around the rotation axis of the rotor 1 with respect to the main lead 40 that transmits and receives electric power.
  • FIG. 4 schematically shows a BB cross section in FIG.
  • the main lead 40 does not appear, but the gas cooler 20 is disposed on the lower side of the casing 10.
  • Embodiment 3 In Embodiment 1 and Embodiment 2, the structure which provided space as the heat insulation part 30, and sealed gas as needed was shown.
  • the third embodiment shows the case where another member is used as the heat insulating portion 30. That is, FIG. 5 and FIG. 6 show a rotating electrical machine 100 configured to be used by filling a space with a heat insulating material as the heat insulating portion 30 for preventing electric heat between the casing 10 and the gas cooler 20. As shown in FIG. 5 and FIG. 6, the heat insulating portion 30 has a merit that maintenance is easy when the space is filled with a heat insulating material.
  • Embodiment 4 In the first to third embodiments, a case where a space is provided as the heat insulating portion 30 and a heat insulating gas or a heat insulating material is sealed in the space is shown.
  • a space is not necessarily provided, an effect can be obtained by providing a heat insulating member on the inner wall surface of the casing 10 or the inner wall surface of the low-temperature cooling gas passage 24 of the gas cooler 20. That is, as shown in FIGS. 7 and 8, the heat insulating portion 30 may be configured to affix a heat insulating member to the wall surface in the casing 10. Or as shown in FIG.
  • FIG. 10 by providing a heat insulating member 30 on both inner wall surfaces of the casing 10 and the gas cooler 20 to form a heat insulating portion 30, the cooling gas flowing in the casing 10 and the gas cooler 20 The transfer of heat with the cooling gas flowing through can be prevented.
  • the ventilation surface of the gas cooler is provided above and below the side surface of the casing. It is not necessary to install the ventilation surface in parallel with the rotation axis of the rotor of the rotating electrical machine at one side of the side surface of the casing. Can be implemented. Within the scope of the present invention, the embodiments can be freely combined, or the embodiments can be appropriately modified or omitted.

Abstract

　冷却ガスを循環させて固定子および回転子を冷却する冷却構造を備えた回転電機において固定子および回転子を収容するケーシングの側面の上下横のいずれか一か所に、ガス冷却器を配置し、ガス冷却器内の低温冷却ガス流路とケーシングとの間に、熱の伝達を妨げる断熱部を設けた。

Description

回転電機
　この発明は、回転電機に関するもので、特に、冷却ガスを循環させて固定子および回転子を冷却する冷却構造を備えた回転電機に関するものである。
　空気あるいは水素ガスなどの冷却ガスを循環させて固定子および回転子を冷却する冷却構造を備えた回転電機では、固定子および回転子をケーシングの内部に収容し、回転軸の両端に設けられた冷却ガス流入口から、回転子および固定子のそれぞれに設けられた冷却ガス流路に冷却ガスを送り、回転子および固定子を冷却し、その後、冷却ガスは、ガス冷却器において冷却され、再び回転子および固定子の冷却のために循環させられるように構成されている。
　この冷却ガスを使用する回転電機においては、ファンによって循環させられる冷却ガスを均等に流して、ガス冷却器の冷却性能を十分に発揮できるように構成されている。（特許文献１）
　特に、特許文献１に示された回転電機においては、冷却ガスによる冷却の状態をバランス良くするために、ガス冷却器を、回転子の回転軸の両端のそれぞれの両側面に分散して４か所に配置することが示されている。
特許第５３８８９６１号公報
　ガス冷却器の冷却性能を十分に発揮できるよう、複数のガス冷却器を分散して配置する場合、ガス冷却器とガスの循環路との接続が複雑になる。また、ガス冷却器の外形の大きさによって、回転電機全体の大きさが大きくなるため、設置の自由度が低くなるという問題がある。特に、ガス冷却器を回転電機の両側面に配置した場合には、回転電機の側面に設けたガス冷却器が突出した構造になるため、広い設置面積が必要になるという問題があった。
　すなわち、接地面積に余裕のある場合には、余力のある大規模なガス冷却器を設けることが考えられるが、この発明は、できるだけ小さな容積内で十分な冷却性能を確保することによって、回転電機の設置の自由度を高めることを目的とするものである。
　この発明の回転電機では、固定子および回転子を収容するケーシング、両端に設けられ前記ケーシングと連通する冷却ガスの吸気口と、前記吸気口から吸入された高温の前記冷却ガスが流通する高温冷却ガス流路と、高温の前記冷却ガスが熱交換を行って低温になる通風面と、前記通風面を通過した前記冷却ガスが流通する低温冷却ガス流路と、両端に設けられ低温冷却ガス流路の低温の前記冷却ガスを前記ケーシングに流す前記冷却ガスの排気口とを有し、前記ケーシングの側面の上下横のいずれか一か所に、前記通風面が前記回転子の回転軸に対して平行に配置され、かつ前記高温冷却ガス流路が前記ケーシングに対して外側とし、前記低温冷却ガス流路が前記ケーシングの側とするように配置されたガス冷却器、および前記ガス冷却器の前記低温冷却ガス流路と前記ケーシングとの間に設けられ、前記低温ガス流路と前記ケーシングとの間の熱の伝達を妨げる断熱部を設けたものである。
　この発明によれば、ガス冷却器の冷却効率が高められることによって、ガス冷却器の設置台数を必要最小限とし、設置面積の小さな回転電機を実現でき、設置の自由度を高めることができる。
この発明の実施の形態1を示す概略的な断面図である。 図１のＡ－Ａによる概略的な断面図である。 この発明の実施の形態２を示す概略的な断面図である。 図３のＢ－Ｂによる概略的な断面図である。 この発明の実施の形態３を示す概略的な断面図である。 図５のＢ－Ｂによる概略的な断面図である。 この発明の実施の形態４の一例を示す概略的な断面図である。 図７のＢ－Ｂから見た概略的な断面図である。 この発明の実施の形態４の一例を示す概略的な断面図である。 この発明の実施の形態４の一例を示す概略的な断面図である。
実施の形態１
　以下、この発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１に示すように、回転電機１００は、回転子１および固定子２を収納するケーシング１０と、ケーシング１０内の冷却ガスを冷却するガス冷却器２０とが一体構造として構成されている。ケーシング１０とガス冷却器２０との間には冷却ガスを流すための配管はなく、ケーシング１０にガス冷却器２０が一体的に取り付けられている。回転子１および固定子２は、ガス冷却器２０によって冷却された冷却ガスを直接ケーシング１０内に取り込むことによって冷却される。また、ケーシング１０内には、冷却ガスが循環するための冷却ガス流路３が複雑に設けられている。冷却ガス流路３は、回転子１および固定子２を冷却するために、回転子１と固定子２との間および固定子２のダクト（図示せず）が使用されている。冷却ガスは、回転子１に設けられたファン４の回転に伴って循環され、図中の矢印で示すように冷却ガス流路３を流れて回転子１および固定子２を冷却した後、ガス冷却器２０に戻り、ガス冷却器２０において再び冷却されて、ケーシング１０に戻される。
　この図１に示すように、ガス冷却器２０は、両端にケーシング１０と連通する冷却ガスの吸気口２１と、この吸気口２１から吸入された高温の冷却ガスが流通する高温冷却ガス流路２２と、高温の冷却ガスが熱交換を行って低温になる通風面２３と、通風面２３を通過した冷却ガスが流通する低温冷却ガス流路２４と、両端に設けられ低温冷却ガス流路２４の低温の前記冷却ガスをケーシングに流す冷却ガスの排気口２５とを備えている。
　この実施の形態１においては、ガス冷却器２０の取り付け位置としては、ケーシング１０の側面のうち、上部に配置するようにしている。特に、ガス冷却器２０の通風面２３が回転子１の回転軸に対して平行に配置され、かつ高温冷却ガス流路２２がケーシング１０に対して外側になるように配置し、低温冷却ガス流路２４がケーシング１０に近い側となるように配置している。このような構成において、ケーシング１０の壁面は固定子２を冷却し終えた冷却ガスによって温度が上昇しているため、ケーシング１０の外壁の熱によってガス冷却器２０の低温冷却ガス流路２４の温度上昇を防ぐ必要がある。そのため、ケーシング１０からガス冷却器２０への熱の伝達を妨げるように、ケーシング１０とガス冷却器２０との間に断熱部３０を設けている。この実施の形態１においては、断熱部３０を空間としている。この断熱部３０としては、他の空間に連通しない密閉された空間として、空間内に閉じ込められたガスによって熱の伝達を妨げるように構成している。また、この断熱部３０に、断熱材あるいは断熱油などの液体を密封してより積極的に熱の伝達を妨げるようにすればより効果的である。
　図２には、図１におけるＡ－Ａ断面を概略的に示している。この断面図では、ファン４によって循環させられる冷却ガスの流路のうち、ファン４からガス冷却器２０の吸気口２１および高温冷却ガス流路２２の入り口が表れている。また、ガス冷却器２０がケーシング１０の上部側に設けられているのに対して、メインリード４０が下部側に設けられていることが表れている。すなわち、電力の送受を行うメインリード４０に対して、ガス冷却器２０を、回転子１の回転軸を中心として軸対称の方向の位置に設けるもので、メインリード４０をケーシング１０の下部側に引き出す場合には、ケーシング１０の上部側にガス冷却器２０を設けるものである。
　このようにケーシング１０に対して上部側にガス冷却器２０を配置し、メインリード４０を下部側に配置することによって、回転電機１００の設置面積を小さく設定することができ、回転電機１００の配置を検討する際の自由度が大きくなる。
実施の形態２
　実施の形態１においては、回転電機１００のメインリード４０をケーシング１０の下部側に引き出す構成のものを示した。しかし、メインリード４０の引き出す方向は、ケーシング１０の下部側に引き出すものに限られたものではなく。回転電機１００の設置によっては、メインリード４０をケーシング１０の上部側に取り出す場合もあり得る。この場合には、図３に示すように、ガス冷却器２０をケーシングの下部側に設ける。すなわち、電力の送受を行うメインリード４０に対して、ガス冷却器２０を、回転子１の回転軸を中心として軸対称の方向の位置に設けるもので、メインリード４０をケーシング１０の上部側に引き出す場合には、ケーシング１０の下部側にガス冷却器２０を設けるものである。
　このようにケーシング１０の下部側にガス冷却器１０を設ける場合には、メインリード４０のメンテナンス作業が行いやすいというメリットがある。また、実施の形態１において説明したと同様に、設置面積を小さく設定することができるという効果を有している。
　なお、図４には、図３におけるＢ－Ｂ断面を概略的に示している。ここでは、メインリード４０が表れないが、ケーシング１０の下部側にガス冷却器２０が配置されていることが表れている。
実施の形態３
　実施の形態１および実施の形態２においては、断熱部３０として、空間を設け、必要に応じてガスを密閉する構成を示した。この断熱部３０として、他の部材を使用する場合を示したのがこの実施の形態３である。すなわち、ケーシング１０とガス冷却器２０との間の電熱を妨げるための断熱部３０として空間内に断熱材を充填して使用する構成の回転電機１００を図５および図６に示している。この図５および図６に示すように、断熱部３０として、空間に断熱材を充填する構成の場合は、メンテナンスが容易であるというメリットがある。
実施の形態４
　実施の形態１から実施の形態３においては、断熱部３０として、空間を設け、その空間の中に、断熱ガスあるいは断熱材を封入する場合を示した。しかし、必ずしも空間を設けなくても、ケーシング１０の内壁面あるいはガス冷却器２０の低温冷却ガス流路２４の内壁面に断熱部材を設けることでも効果を出すことができる。
　すなわち、図７および図８に示すように、断熱部３０として、ケーシング１０内の壁面に断熱部材を貼り付ける構成としてもよい。あるいは、図９に示すように、ガス冷却器２０のケーシング１０側の内部壁面に断熱部材を貼る構成としても良い。さらに、図１０に示すように、ケーシング１０とガス冷却器２０との両方の内壁面に断熱部材を設けて断熱部３０を構成することによって、ケーシング１０内を流れる冷却ガスとガス冷却器２０内を流れる冷却ガスとの熱の伝達を妨げることができる。
　なお、この発明の実施の形態においては、ガス冷却器の通風面を、ケーシングの側面のうち、上に設けた場合と、下に設けた場合を具体的に取り上げて説明したが、ガス冷却器の通風面を、回転電機の回転子の回転軸に対して平行で、ケーシングの側面の横の一か所に設置することも、格別に説明するまでもなく、この発明の異なる実施の形態として実施することができる。この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

Claims (5)

  1. 　固定子および回転子を収容するケーシング、両端に設けられ前記ケーシングと連通する冷却ガスの吸気口と、前記吸気口から吸入された高温の前記冷却ガスが流通する高温冷却ガス流路と、高温の前記冷却ガスが熱交換を行って低温になる通風面と、前記通風面を通過した前記冷却ガスが流通する低温冷却ガス流路と、両端に設けられ低温冷却ガス流路の低温の前記冷却ガスを前記ケーシングに流す前記冷却ガスの排気口とを有し、前記ケーシングの側面の上下横のいずれか一か所に、前記通風面が前記回転子の回転軸に対して平行に配置され、かつ前記高温冷却ガス流路が前記ケーシングに対して外側とし、前記低温冷却ガス流路が前記ケーシングの側とするように配置されたガス冷却器、および前記ガス冷却器の前記低温冷却ガス流路と前記ケーシングとの間に設けられ、前記低温冷却ガス流路と前記ケーシングとの間の熱の伝達を妨げる断熱部を備えたことを特徴とする回転電機。
  2. 　電力の送受を行うメインリードを有し、前記ガス冷却器が、前記回転子の回転軸を中心として前記メインリードに対して軸対称の方向の位置に設けられ、前記メインリードが前記ケーシングの下部側に設けられ、前記ガス冷却器が前記ケーシングの上部側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  3. 　電力の送受を行うメインリードを有し、前記ガス冷却器が、前記回転子の回転軸を中心として前記メインリードに対して軸対称の方向の位置に設けられ、前記メインリードが前記ケーシングの上部側に設けられ、前記ガス冷却器が前記ケーシングの下部側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  4. 　前記断熱部が、前記ケーシングと前記ガス冷却器との間に設けられた空間と、前記空間の内部に充填された断熱材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  5. 　前記断熱部が、前記ケーシングの内壁面に断熱部材を設けること、あるいは前記ガス冷却器の内壁面に断熱部材を設けることの少なくともいずれかによって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
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