JP6472765B2

JP6472765B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6472765B2
Application number: JP2016042120A
Authority: JP
Inventors: 聡栗田; 雄一坪井; 森　寧; 寧森; 幸司吉瀬
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2019-02-20
Anticipated expiration: 2036-03-04
Also published as: CN107154694A; JP2017158398A; CN107154694B

Description

本発明は、発電機等の回転電機に関する。

一般に、発電機等の回転電機は、ケーシングに収容された固定子と、回転子を有している。このような回転電機では、固定子や回転子を効率よく冷却する必要がある。そのため、ケーシングの内部に設けられた撹拌ファンを用いて冷却する方法、固定子鉄心や回転子鉄心の通風ダクトを流れる空気を用いて冷却する方法などが提案されている。

特開２００９−６５８７号公報

回転電機の性能を向上させるためには、高速回転する回転子を効率的に冷却することが重要な課題である。大形の回転電機においては冷却された空気を冷媒とし、その冷媒は回転電機の片端ないし両端から押し込まれ、固定子と回転子との間のギャップないし積層鉄心に設けられた通風ダクトを通り、機内に設けられた熱交換器へ戻るか外部へと排出されるのが一般的である。しかしながら、回転子の部材コストや強度の問題から回転子にダクトを設けない場合がある。この場合、回転子を冷却する冷媒は回転子表面のみを通過する。特に両側から冷媒を押込む場合、冷媒の温度は回転電機中心部に向かうに従い上昇する懸念がある。

そこで、本発明は、回転子の部材強度を十分に確保しつつ、回転子を効率的に冷却することを解決しようとする課題とする。

本発明の一実施形態に係る回転電機は、密閉構造のケーシングと、ケーシングに軸受を介して回転自在に支持された回転軸と、回転軸の外周面に固定され、回転軸と共に回転する回転子と、回転子と対向して、ケーシングに固定された固定子と、一端に雄ネジ部が形成されたバランスウェイトと、を備え、回転子は、回転軸が挿入される開口が形成された金属板が回転軸の軸方向に積層されることで形成される複数の回転子鉄心と、回転軸に直交する方向に貫通する複数の第１の通風ダクトが設けられ、隣接する２つの回転子鉄心の間に配置された通風ブロックと、を有し、通風ブロックには、通風ブロックを回転軸に直交する方向に貫通する複数の第１の通風ダクトが設けられ、第１の通風ダクトには、通風ブロックの外周側の端部近傍において、雄ネジ部と螺合可能な雌ネジ穴部が形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転子の部材強度を十分に確保しつつ、回転子を効率的に冷却できる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の内部構造を示す断面図。図１に示す通風ブロックの斜視図。図２の破線領域における歯部の正面図。図２の破線領域における歯部の構造を示す透過上面図。本発明の第２の実施形態における通風ブロックの歯部とバランスウェイトとの接続構造を示す透過上面図。本発明の第３の実施形態に係る回転電機の内部構造を示す断面図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転電機１０の内部構造を示す断面図である。図１に示されるように、回転電機１０は、密閉構造のケーシング１１内に回転軸１２が軸受１３を介して回転自在に支持されている。

回転軸１２は、軸外周面に、軸方向において回転子１４の外側から後述する回転子内通風ダクト１４２ａと対向する位置まで延びる通風溝１２１を有している。また、本実施形態において、通風溝１２１は、軸外周面に６０°のピッチ角の間隔で６か所に形成されているものとするが、通風溝１２１の数、間隔、溝の幅は回転軸１２の強度や通風効率を考慮して適宜変更可能である。

回転子１４は、回転軸１２と同心的に、回転軸１２の外周面に固定され、回転軸１２と共に回転する。また、回転子１４は、回転子鉄心１４１、通風ブロック１４２、ロータバー１４３、および短絡環１４４を有している。

回転子鉄心１４１は、回転軸１２が挿入される開口が形成された金属板が回転軸１２の軸方向に積層されることで全体として中空円柱状に形成されている。通風ブロック１４２は、隣接する２つの回転子鉄心１４１の間に挟まれるように配置されたリング状の部材であり、中空部分に回転軸１２が挿通されている。この通風ブロック１４２の内部には、回転軸１２の径方向で回転子１４の内周面側と外周面側とを連通する複数の回転子内通風ダクト１４２ａが設けられている。

図２は、図１に示す通風ブロック１４２の斜視図、図３は、図２の破線領域Ａにおける突出部１４２ｂの正面図、図４は、同領域Ａにおける突出部１４２ｂの内部構造を示す透過上面図である。図２に示されるように、通風ブロック１４２は、所定のピッチ角θで設けられ、回転軸１２に直交する方向（径方向）に突出する複数の突出部１４２ｂを有している。なお、回転子内通風ダクト１４２ａの断面形状は円形に、突出部１４２ｂの断面形状は矩形に限られない。

また、図３および図４に示されるように、複数の回転子内通風ダクト１４２ａが、複数の突出部１４２ｂの端面側（すなわち、通風ブロック１４２の外周面側）と通風ブロック１４２の内周面側とを連通するように形成されている。回転子内通風ダクト１４２ａは、点Ｏを中心としてピッチ角θで設けられ、通風ブロック１４２の内周面から外周面に向けてそれぞれ伸びている。更に、複数の突出部１４２ｂの間には、後述するロータバー１４３をそれぞれ嵌合される複数の凹部１４２ｃが形成されている。

ロータバー１４３は、銅合金等の導電性材料により形成される棒状の部材であり、複数の凹部１４２ｃにそれぞれ嵌合することで固定される。また、各ロータバー１４３の軸方向端部は、回転子鉄心１４１の軸方向端部から軸方向外側に突出している。

短絡環１４４は、導電性材料により形成されるリング状の部材であり、回転子１４の軸方向両側にそれぞれ配置される。短絡環１４４は、回転子鉄心１４１の軸方向端部から突出する各ロータバー１４３を電気的に接続する。

固定子１５は、回転軸１２と同心的に形成されたリング状の固定子鉄心１５１と、この固定子鉄心１５１の周囲に巻き掛けられた固定子巻線１５２とを有しており、内周面側で回転子１４と対向するように、外周面側がケーシング１１の上方および下方の内壁面に固定されている。固定子巻線１５２の端部であるコイルエンド１５３は、固定子鉄心１５１の両端部から軸方向外側に突出している。

更に、固定子１５は、軸方向において回転子内通風ダクト１４２ａ（第１の通風ダクト）と対向する位置に、回転子内通風ダクト１４２ａの幅に対応する幅で径方向に形成され、固定子１５の内周面側と外周面側を連通する固定子内通風ダクト１５４（第２の通風ダクト）を有している。

また、図１に示されるように、ケーシング１１の上部領域Ｚ２および下部領域Ｚ３には、ケーシング１１内で循環する空気を冷却する冷却フィン１７と、ケーシング１１内の空気を撹拌する撹拌ファン１８が設けられている。

以下、上記のように構成された回転電機１０の動作について説明する。

回転電機１０が駆動すると、回転子１４は回転軸１２とともに回転する。このとき、ケーシング１１の上部および下部の領域内に設けられた撹拌ファン１８も回転し、ケーシング１１内の空気を攪拌する。図１において一点鎖線矢印で示されるように、上部領域Ｚ２に配置された撹拌ファン１８により攪拌された空気は、中央領域Ｚ１に流入し、固定子巻線１５２のコイルエンド１５３の周囲を経由することで、固定子１５を冷却しながら下降し、回転軸１２方向に案内される。同様に、下部領域Ｚ３に配置された撹拌ファン１８により攪拌された空気は、中央領域Ｚ１に流入し、コイルエンド１５３の周囲を経由することで、固定子１５を冷却しながら上昇し、回転軸１２方向に案内される。

次に、回転軸１２方向に案内された空気は、回転軸１２の通風溝１２１の中を軸方向に流れ、回転子内通風ダクト１４２ａの入口まで案内される。

次に、回転子内通風ダクト１４２ａの入口まで案内された空気は、回転子内通風ダクト１４２ａの中を通り、通風ブロック１４２を介して回転子鉄心１４１を冷却しながら回転子内通風ダクト１４２ａの出口まで案内される。

次に、回転子内通風ダクト１４２ａの出口まで案内された空気は、回転子１４と固定子１５との間隙方向または回転子内通風ダクト１４２ａに対向配置されている固定子内通風ダクト１５４の入口方向へ案内される。間隙方向に案内された空気は、回転子１４および固定子１５を表面から冷却しながら、回転軸１２の両端方向へ案内され、循環する空気に合流する。他方、固定子内通風ダクト１５４の入口へ案内された空気は、固定子内通風ダクト１５４の中を通り、ダクトの出口から上部領域Ｚ２および下部領域Ｚ３にそれぞれ案内される。

次に、固定子内通風ダクト１５４の出口から上部領域Ｚ２および下部領域Ｚ３にそれぞれ案内された空気は、各領域に配置されている冷却フィン１７によって冷却され、撹拌ファン１８の方向に移動し、再び撹拌される。

このように、本実施形態に係る回転電機１０によれば、以下のような効果を奏する。

（１）回転電機１０が駆動しているとき、ケーシング１１内の空気は、通風ブロック１４２（回転子内通風ダクト１４２ａ）の内部を流れるため、回転子１４を内部から冷却することができる。

（２）通風ブロック１４２は、回転子鉄心１４１とは別の部材であり、回転子鉄心１４１自体はダクトレスな構造であるため、回転子鉄心１４１内にダクトを形成する場合と異なり、回転子１４の強度低下を避けることができる。

（３）回転軸１２の外周面に通風溝１２１を設け、かつ、固定子１５の中央部に回転子内通風ダクト１４２ａと同程度の幅の固定子内通風ダクト１５４を対向配置したことにより、ケーシング１１内で循環流を形成し、回転子１４等の構成部材を効率的に冷却することができる。

（４）回転子鉄心１４１自体に複数のダクトを設ける必要がないため、鉄心長を短縮することができ、製造コストを削減可能である。

（５）２つの回転子鉄心１４１の間に通風ブロック１４２を加えるだけで実装できる構造のため、大幅な設計変更を行うことなく、容易に実装できる。

＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態に係る回転電機１０について説明する。なお、上記第１の実施形態における符号と共通する符号は共通の対象を示すため説明を省略し、第１の実施形態と異なる点について詳細に説明するものとする。

図５は、本発明の第２の実施形態における突出部１４２ｂとバランスウェイト１６との接続構造を示す透過上面図である。同図に示されるように、回転子内通風ダクト１４２ａは、外周方向の端部近傍に、雌ネジ穴部１４２ｄを有している。本実施形態では、雌ネジ穴部１４２ｄは、複数の突出部１４２ｂの全部に形成されているものとするが、一部にのみ形成されていてもよい。

また、本実施形態係る回転電機１０は、一端に雄ネジ部１６１が形成されたバランスウェイト１６を備えている。バランスウェイト１６の雄ネジ部１６１は、回転子内通風ダクト１４２ａの雌ネジ穴部１４２ｄと螺合可能な大きさ・形状で形成されている。バランスウェイト１６の数は、雌ネジ穴部１４２ｄの数以下であればよく、個々の重さを変えてもよい。図５においてバランスウェイト１６は六角部を備えているが、これを備えていなくてもよい。

このように、本実施形態に係る回転電機１０によれば、上記第１の実施形態の効果に加えて、バランスウェイト１６の雄ネジ部１６１を、複数の突出部１４２ｂの雌ネジ穴部１４２ｄのいずれかに螺合することで、回転子１４全体の重心位置を微調整することができるという新たな効果を生じる。

＜第３の実施形態＞
続いて、本発明の第３の実施形態に係る回転電機１０について説明する。なお、上記第１の実施形態における符号と共通する符号は共通の対象を示すため説明を省略し、第１の実施形態と異なる点について詳細に説明するものとする。

図６は、本実施形態に係る回転電機１０の内部構造を示す断面図である。同図に示されるように、本実施形態に係る回転電機１０は、回転軸１２の軸外周面において回転子１４よりも外側に固定され、回転軸１２の回転に伴って回転子１４の中心方向へ送風する撹拌ファン１２２を更に備えている点で第１の実施形態とは相違している。

このように、本実施形態に係る回転電機１０によれば、撹拌ファン１２２がケーシング１１内の空気を回転軸１２の通風溝１２１の中へ案内するため、空気の循環が促進され、回転子１４の冷却効率を更に高めることができる。また、撹拌ファン１２２を設けることで、上部領域Ｚ２および下部領域Ｚ３に撹拌ファン１８を設けなくとも、ケーシング１１内で空気を循環させることができる。

＜変形例＞
上記の各実施形態では、回転子鉄心１４１の個数は２つであり、通風ブロック１４２は２つの回転子鉄心１４１の間に１つだけ配置されていた。しかし、回転子鉄心１４１の個数は必ずしも２つでなくてもよい。通風ブロック１４２の個数も同様である。すなわち、回転子鉄心１４１を３つ以上設け、複数の通風ブロック１４２を互いに離間して異なる鉄心間に配置してもよい。回転子１４の内部に通風ブロック１４２を複数設けることで、冷却効率を更に向上させることができる。

また、上記実施形態の回転電機１０は、永久磁石を持たない方式の電動機であったが、あくまで回転電機の一例として示したものであり、永久磁石を持つ方式の回転電機にも通風ブロック１４２を適用できる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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。

１０…回転電機
１１…ケーシング
１２…回転軸
１２１…通風溝
１２２…撹拌ファン
１３…軸受
１４…回転子
１４１…回転子鉄心
１４２…通風ブロック
１４２ａ…回転子内通風ダクト（第１の通風ダクト）
１４２ｂ…突出部
１４２ｃ…凹部
１４２ｄ…雌ネジ穴部
１４３…ロータバー
１４４…短絡環
１５…固定子
１５１…固定子鉄心
１５２…固定子巻線
１５３…コイルエンド
１５４…固定子内通風ダクト（第２の通風ダクト）
１６…バランスウェイト
１６１…雄ネジ部
１７…冷却フィン
１８…撹拌ファン

Claims

密閉構造のケーシングと、
前記ケーシングに軸受を介して回転自在に支持された回転軸と、
前記回転軸の外周面に固定され、前記回転軸と共に回転する回転子と、
前記回転子と対向して、前記ケーシングに固定された固定子と、
一端に雄ネジ部が形成されたバランスウェイトと、
を備え、
前記回転子は、
前記回転軸が挿入される開口が形成された金属板が前記回転軸の軸方向に積層されることで形成される複数の回転子鉄心と、
隣接する２つの前記回転子鉄心の間に配置された通風ブロックと、
を有し、
前記通風ブロックには、前記通風ブロックを前記回転軸に直交する方向に貫通する複数の第１の通風ダクトが設けられ、
前記第１の通風ダクトには、前記通風ブロックの外周側の端部近傍において、前記雄ネジ部と螺合可能な雌ネジ穴部が形成されている、
ことを特徴とする、
回転電機。
前記回転軸は、軸外周面に、前記回転子の外側から前記第１の通風ダクトと対向する位置まで延びた通風溝を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記通風ブロックは、所定のピッチ角の間隔で設けられ、前記回転軸に直交する方向に突出する複数の突出部を有し、
前記雌ネジ穴部は、前記複数の突出部に形成されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記通風ブロックは、２つ以上設けられ、互いに離間して複数の前記回転子鉄心の間にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項記載の回転電機。
前記固定子は、前記第１の通風ダクトと対向する前記回転軸の軸方向の位置に形成され、前記回転軸に直交する方向に貫通する第２の通風ダクトを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項記載の回転電機。
前記回転軸に設けられる撹拌ファンを更に備えることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項記載の回転電機。