JP2019213282A - 回転電機および固定子冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の冷却能力の向上を図る。【解決手段】回転電機は、ロータシャフトと回転子鉄心とを有する回転子と、固定子２０と、２つの軸受と、フレームと、２つの軸受ブラケットと、内扇とを備える。固定子２０は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造２３と、固定子巻線と、電磁鋼板と固定子巻線を冷却するための固定子冷却構造１００とを有する。固定子冷却構造１００は、軸方向に積層構造２３の少なくとも一部を貫通し軸方向の間隙に連通する冷却管開口１１２が形成された複数の冷却管１１０と、積層構造同士の軸方向の間隙を形成し固定子ダクトを形成する複数の間隙保持構造１２０とを具備する。【選択図】図３

Description

本発明は、回転電機およびその固定子冷却構造に関する。

回転電機の回転子鉄心および固定子鉄心においては、運転中に生ずる渦電流等による鉄損が発熱の一因となり、効率の低下の要因となる。したがって、回転子鉄心および固定子鉄心それぞれの内部における渦電流の流れを低減することが、回転電機の効率確保の上で有効である。

このため、回転電機における回転子鉄心および固定子鉄心には、それぞれ、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の電磁鋼板を軸方向に積層した積層構造を用いることが一般に行われている。電磁鋼板には、たとえば、透磁率が比較的高く低価格であるケイ素鋼板などが用いられている。

固定子鉄心は、空隙を介して、回転子鉄心の径方向の外側に回転子鉄心を囲むように配され、通常、全体として円筒状に形成されている。また、固定子鉄心の径方向の内側表面には、周方向に互いに間隔をおいて配され軸方向に延びた複数のスロットが形成されている。それぞれのスロットを、固定子巻線が軸方向に貫通している。

通常、回転子鉄心および固定子はフレーム内に収納されている。フレーム内では冷却用気体が循環し、回転子鉄心、固定子鉄心および固定子巻線等を冷却する。また、回転電機の多くには、通常、冷却器が設けられており、冷却用気体は冷却器において冷却され、冷却された冷却用気体が、回転子鉄心および固定子を冷却する。

特に固定子の内部では、固定子巻線からは、銅損すなわちジュール熱による発熱、積層構造の内部では鉄損すなわち渦電流損あるいは磁気的なヒステリシス損による発熱がある。通常、固定子鉄心の軸方向に互いに間隔をあけて径方向外側への流路である複数のダクトを設け、ダクトにおいて冷却用気体を径方向外側に流すことにより冷却効率を上げている（特許文献１参照）。

特開２０００−１１６０６０号公報

固定子鉄心においては、軸方向に積層された積層構造の間に隙間を設けてダクトが形成されている。ダクトは、軸方向に互いに間隔をあけた位置に形成され、固定子鉄心の径方向内側から径方向外側への流路が確保されている。冷却効率の上では、ダクトを多く設けることにより放熱のための表面積を増やすのが好ましいことになる。

一方、ダクトが形成されることにより強磁性体である電磁鋼板が存在しなくなる空間においては、磁気抵抗が大きくなる。このため、トルクの確保などの電磁気的性能上は、固定子鉄心においてダクトの占める割合が小さいことが好ましい。

したがって、制限されたダクトの設置数の中で、冷却効率をできる限り向上させることが望まれている。

そこで、本発明は、回転電機の冷却能力の向上を図ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、軸方向に延びたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取り付けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に設けられ、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造と、固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線と、前記複数の電磁鋼板と前記固定子巻線を冷却するための固定子冷却構造と、を有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納する筒状のフレームと、前記フレームの両側の端部に取り付けられ、前記フレームとともに閉空間を形成するとともに、前記２つの軸受のそれぞれを静止支持する２つの軸受ブラケットと、前記閉空間内に冷却用気体を循環させる内扇と、を備える回転電機であって、前記固定子冷却構造は、前記積層構造を軸方向に少なくとも部分的に貫通し、前記軸方向の間隙に連通する冷却管開口が形成された複数の冷却管と、互いに隣接する前記積層構造に部分的に挟まれて、これらの積層構造間の軸方向の間隙を形成し径方向外側への流路である固定子ダクトを形成する複数の間隙保持構造と、を具備することを特徴とする。

また、本発明は、ロータシャフトと回転子鉄心とを有する回転子と、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造と固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納する筒状のフレームと、前記フレームの両側の端部に取り付けられ、前記フレームとともに閉空間を形成するとともに、前記２つの軸受のそれぞれを静止支持する２つの軸受ブラケットと、前記閉空間内に冷却用気体を循環させる内扇と、を備える回転電機において前記複数の電磁鋼板と前記固定子巻線を冷却するための固定子冷却構造であって、前記積層構造を軸方向に少なくとも部分的に貫通し、前記軸方向の間隙に連通する冷却管開口が形成された複数の冷却管と、互いに隣接する前記積層構造に部分的に挟まれて、これらの積層構造間の軸方向の間隙を形成し径方向外側への流路である固定子ダクトを形成する複数の間隙保持構造と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の冷却能力の向上を図ることができる。

第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す立断面図である。 第１の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す軸方向外側からの固定子の外観図である。 第１の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す固定子ダクトにおける部分正面図である。 第１の実施形態に係る固定子冷却構造の締め付け用冷却管を示す斜視図である。 第２の実施形態に係る回転電機の構成を示す立断面図である。 第２の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す軸方向外側からの固定子の外観図である。 第２の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す固定子の部分縦断面図である。 第２の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視部分断面図である。 第２の実施形態に係る固定子冷却構造の冷却管を示す斜視図である。 第３の実施形態に係る固定子冷却構造の冷却管を示す平面図である。 第３の実施形態に係る固定子冷却構造の冷却管を示す正面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回転電機および固定子冷却構造について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す立断面図である。回転電機２００は、回転子１０、２つの内扇１５、固定子２０、２つの軸受４０、フレーム４２、２つの軸受４０を静止支持する２つの軸受ブラケット４５、および冷却器６０を有する。

回転子１０は、軸方向に延びて２つの軸受４０によって回転可能に支持されたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２とを有する。内扇１５は、軸方向に回転子鉄心１２を挟んだ両側でロータシャフト１１に取り付けられ、冷却用気体を循環させる。２つの内扇１５は、軸流ファンである。

固定子２０は、円筒状の固定子鉄心２１と、固定子巻線２８と、固定子２０を冷却する固定子冷却構造１００を有する。固定子鉄心２１は、空隙１８を介して回転子鉄心１２の径方向外側に設けられており、複数の積層構造２３を有する。積層構造２３の径方向内側表面には、軸方向に延びて周方向に互いに間隔をあけて配された複数の溝状の固定子スロット２３ｂ（図２）が形成されている。固定子巻線２８は、これらの固定子スロット２３ｂ内を貫通し軸方向の両側に延びて、固定子鉄心２１の軸方向外側で、互いに接続され、あるいは外部配線と接続される。

積層構造２３のそれぞれは、軸方向に積層されている複数の電磁鋼板２２を有し、同軸に軸方向に配列されている。互いに軸方向に隣接する２つの積層構造２３の間には、径方向内側から外側に向かう流路である固定子ダクト１０１が形成されている。複数の積層構造２３は、その軸方向の両外側にそれぞれ配された２つの内側クランパ３１によって挟まれている。２つの内側クランパ３１のそれぞれは、その軸方向外側にそれぞれ配された２つの外側クランパ３２によって挟まれている。

固定子冷却構造１００は、周方向に互いに間隔をおいて固定子鉄心２１の径方向の外縁の一部を軸方向に貫通する複数の締め付け用冷却管１１０、固定子ダクト１０１を形成する間隙保持構造１２０、および冷却管入口ガイド１３０を有する。

冷却器６０は、冷却水管６１および冷却水管６１を収納する冷却器カバー６２を有する。フレーム４２、２つの軸受ブラケット４５、および冷却器カバー６２は、互いにあいまって閉空間４２ａを形成する。閉空間４２ａにおいて、冷却器カバー６２内の空間とフレーム内の空間とは、冷却器入口開口６３および２つの冷却器出口開口６４により連通している。

図２は、第１の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す軸方向外側からの固定子の外観図である。

内側クランパ３１は、中央に開口を有するほぼ円板状であって、その外径は積層構造２３の外径とほぼ等しい。また、内側クランパ３１には、積層構造２３において固定子スロット２３ｂにより周方向に互いに間隔をおいて形成された固定子ティース２３ａに対応する位置にそれぞれ、固定子ティース２３ａと同様の形状の歯部押さえ３１ａが形成されている。

外側クランパ３２は、内側クランパ３１より径方向の外側に拡がっている。すなわち、外側クランパ３２の外径は、内側クランパ３１の外径より大きい。また、外側クランパ３２には開口３２ａが形成されており、開口３２ａの径は、内側クランパ３１の外径より小さい。

内側クランパ３１の外縁を切り欠くように、周方向に沿って、複数の冷却管用切り欠き３１ｂが形成されている。外側クランパ３２においても、冷却管用切り欠き３１ｂに対応する位置に、それぞれ円形の冷却管貫通孔３２ｂが形成されている。冷却管貫通孔３２ｂが内側クランパ３１の冷却管用切り欠き３１ｂに対応する部分は、冷却管用切り欠き３１ｂと同一形状となっている。なお、締め付け用冷却管１１０は、断面が円形であるが、円形に限らず、楕円形あるいは多角形等でもよい。

複数の締め付け用冷却管１１０は、外側クランパ３２の冷却管貫通孔３２ｂを貫通し、外側クランパ３２の両外側で固定される。この結果、２枚の外側クランパ３２に挟まれた２枚の内側クランパ３１、ならびに複数の積層構造２３が、軸方向に締め付けられる。

締め付け用冷却管１１０の固定は、外側クランパ３２のそれぞれの外側に突出した範囲におねじが形成された長尺の管と両側のナットの組合せ、あるいは、一端にはボルトの頭を有し、反対側にはおねじが形成されているボルトとナットの組合せを用いてよい。あるいは、溶接部あるいはロー付け部によってもよい。

フレーム４２は、固定子２０の径方向外側に配されて、回転子鉄心１２および固定子２０を収納する。固定子２０は、フレーム４２に固定されている。２つの軸受ブラケット４５のそれぞれは、フレーム４２の軸方向の両端に取り付けられている。２つの軸受ブラケット４５のそれぞれは、２つの軸受４０のそれぞれを固定支持している。

複数の締め付け用冷却管１１０は、周方向に互いに間隔をおいて配された各積層構造２３の外縁の切欠き部である複数の冷却管用溝２３ｅ、２枚の内側クランパ３１の複数の冷却管用切り欠き３１ｂ、および２枚の外側クランパ３２の複数の冷却管貫通孔３２ｂを貫通する。それぞれの締め付け用冷却管１１０の両端は開放されており、締め付け用冷却管１１０への冷却用気体の流入口となる。

冷却管入口ガイド１３０は、内扇１５の出口側から締め付け用冷却管１１０の両端の流入口に冷却用気体をガイドするように、内扇１５の径方向外側から径方向外側に外側クランパ３２の径方向外側まで拡がっている。

図３は、固定子冷却構造の構成を示す固定子ダクトにおける部分正面図である。間隙保持構造１２０は、複数の保持部材１２１を有する。それぞれ、積層構造２３に形成された固定子ティース２３ａの周方向内側に配されて、径方向外側に延びている。

図４は、第１の実施形態に係る固定子冷却構造の締め付け用冷却管を示す斜視図である。締め付け用冷却管１１０の管本体１１１は、断面が円形の管である。管本体１１１には、長手方向に間隔をおいて複数の冷却管開口１１２が形成されている。それぞれの冷却管開口１１２は、径方向外側に向かって形成されている。

冷却管開口１１２は、管本体１１１の長手方向に垂直な平面に沿って形成されている。冷却管開口１１２は、締め付け用冷却管１１０の端部からの距離が長いほど、面積が順次増大する。具体的には、それぞれの冷却管開口１１２の軸方向の幅は固定子ダクト１０１の幅と同じであり、周方向の長さが締め付け用冷却管１１０の端部からの距離が長いほど長くなっている。なお、締め付け用冷却管１１０に形成される冷却管開口１１２の形状は、矩形に限定されない。すなわち、円形、楕円形、あるいは他の多角形であってもよい。

次に、以上のように構成された本実施形態に係る固定子冷却構造１００の作用を説明する。

回転子１０が回転することにより、ロータシャフト１１に取り付けられた２つの内扇１５が回転する。冷却用気体は、それぞれの内扇１５によって、回転子鉄心１２および固定子２０側に駆動される。内扇１５に駆動された冷却用気体は、互いに並列な流れとなる。

一方は、軸方向の両外側から、空隙１８に流入し、軸方向の中央に向かう流れである。この流れは、間隙保持構造１２０によって形成されている固定子ダクト１０１の軸方向位置において、順次、固定子ダクト１０１に流入し、径方向外側に向かって流れる。

他方は、それぞれの冷却管入口ガイド１３０に沿って流れ、固定子鉄心２１の径方向外側に接する複数の締め付け用冷却管１１０に、その両端から流入する。締め付け用冷却管１１０に軸方向両側から流入した冷却用気体は、管本体１１１に形成された冷却管開口１１２から、径方向外側に向かって流出する。

冷却管開口１１２の面積は、締め付け用冷却管１１０の両端の入り口から長手方向の中央に向かうにしたがって、順次増大するため、軸方向に配されたそれぞれの冷却管開口１１２からの流出量は、互いに同程度の流量となる。

固定子２０において発生する熱は、電磁鋼板２２を経由して、締め付け用冷却管１１０に伝達される。締め付け用冷却管１１０に伝達された熱は、締め付け用冷却管１１０に形成された冷却管開口１１２から流出する冷却用気体によって除去される。また、締め付け用冷却管１１０が軸方向に固定子ダクト１０１を横切る部分では、固定子ダクト１０１から流出する冷却用気体によっても、締め付け用冷却管１１０が冷却される。

固定子ダクト１０１および締め付け用冷却管１１０から流出した冷却用気体は、冷却器入口開口６３から冷却器６０内に流入する。冷却器６０内に流入した冷却用気体は、冷却水管６１の外側を通りながら、冷却水管６１内を流れる冷却水により冷却される。冷却器６０内で冷却された冷却用気体は、冷却器カバー６２内で軸方向に分かれ、それぞれ、２つの冷却器出口開口６４の一方から流出し、フレーム４２内に流入する。フレーム４２内に流入した冷却用気体は、再び、内扇１５に流入し、駆動される。

このように、締め付け用冷却管１１０による冷却作用が加わることにより、冷却性能が向上する。

内扇１５から見た流路は、従来の空隙１８から固定子ダクト１０１に流入する経路に加えて、締め付け用冷却管１１０に流入する経路が並列に加わったことにより、一巡の圧力損失が減少する。この結果、運転状態での流量の増大とヘッドの減少となる。内扇１５の動力は、流量とヘッドの積に比例するが、流量は増加する一方、ヘッドは減少することから、仮に内扇１５の動力が増大する場合でも、その程度は小さい。

さらに、固定子２０の冷却性能を向上することで、固定子鉄心２１に形成される固定子ダクト１０１の幅を減少させることができ、その分、電磁鋼板２２を多く積層できるため回転電機２００の出力を増加させることができる。

このように、本実施形態に係る固定子冷却構造１００によって、回転電機の効率を下げることなく、あるいは効率を向上させながら、冷却能力を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図５は、第２の実施形態に係る回転電機の構成を示す立断面図である。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の実施形態に係る回転電機２００においては、第１の実施形態における締め付け用冷却管１１０に代えて、固定子２０は、締め付けロッド３３（図８）を有し、固定子２０の固定子冷却構造１００は、複数の冷却管１１０ａを有する。さらに、固定子冷却構造１００の間隙保持構造１２０ａおよび冷却管入口ガイド１３０ａが第１の実施形態とは異なっている。その他の点においては、第１の実施形態と同様である。

図６は、第２の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す軸方向外側からの固定子の外観図である。

内側クランパ３１の外縁を切り欠くように、周方向に沿って、複数のロッド用切り欠き３１ｃが形成されている。また、複数のロッド用切り欠き３１ｃに対応するように、積層構造２３の外縁を切り欠くように、周方向に沿って、複数のロッド用溝２３ｃが形成されている。

外側クランパ３２においても、ロッド用切り欠き３１ｃに対応する位置に、それぞれ円形のロッド貫通孔３２ｃが形成されている。ロッド貫通孔３２ｃが内側クランパ３１のロッド用切り欠き３１ｃに対応する部分は、ロッド用切り欠き３１ｃと同一形状となっている。なお、締め付けロッド３３は、断面が円形であるが、円形に限らず、楕円形あるいは多角形等でもよい。

複数の締め付けロッド３３は、外側クランパ３２のロッド貫通孔３２ｃを貫通し、外側クランパ３２の両外側で固定される。この結果、２枚の外側クランパ３２に挟まれた２枚の内側クランパ３１、ならびに複数の積層構造２３が、軸方向に締め付けられる。締め付けロッド３３の固定については、第１の実施形態における締め付け用冷却管１１０の固定と同様である。

固定子冷却構造１００は、固定子ダクト１０１を形成する間隙保持構造１２０ａ、周方向に互いに間隔をおいて固定子鉄心２１内を軸方向に貫通する複数の冷却管１１０ａ、および冷却管入口ガイド１３０ａを有する。

各積層構造２３および２枚のクランパ３１のそれぞれには、外側クランパ３２の開口３２ａより径方向内側の範囲に、周方向に互いに間隔をあけて、複数の冷却管用貫通孔２３ｄおよび複数の冷却管用貫通孔３１ｄがそれぞれ形成されている。

複数の冷却管１１０ａは、各積層構造２３に形成された冷却管用貫通孔２３ｄ、２枚の内側クランパ３１に形成された冷却管用貫通孔３１ｄ、および２枚の外側クランパ３２の開口３２ａを貫通する。それぞれの冷却管１１０ａの両端は開放されており、冷却管１１０ａへの冷却用気体の流入口となる。

冷却管入口ガイド１３０ａは、内扇１５の出口側から冷却管１１０ａの両端の流入口に冷却用気体をガイドするように、内扇１５の径方向外側から径方向外側に外側クランパ３２の軸方向外側の側面まで拡がっている。

図７は、第２の実施形態に係る固定子冷却構造の構成を示す固定子の部分縦断面図である。また、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線矢視部分断面図である。なお、図７においては、締め付けロッド３３の図示を省略している。

間隙保持構造１２０ａは、第１保持部材１２２および第２保持部材１２３を有する。第１保持部材１２２および第２保持部材１２３は、それぞれ、積層構造２３に形成された固定子ティース２３ａの周方向内側に配されて、径方向外側に延びている。第１保持部材１２２に比べて、第２保持部材１２３の方が、径方向外側に長く延びている。

固定子ティース２３ａが形成されている角度位置に対応して、第１保持部材１２２、第２保持部材１２３のいずれかが設けられるか、あるいは冷却管１１０ａが貫通している。周方向の配列は、冷却管１１０ａが貫通する角度位置の周方向の両外側に第１保持部材１２２、さらにその周方向の両外側に第２保持部材１２３が配されている。このような構成単位が、周方向に互いに隣り合って配されている。

図９は、第２の実施形態に係る固定子冷却構造の冷却管を示す斜視図である。冷却管１１０ａの管本体１１１ａは、断面が円形の管である。管本体１１１ａには、長手方向に間隔をおいて複数の冷却管開口１１２ａが形成されている。冷却管開口１１２ａは、管本体１１１ａの長手方向に垂直な平面に沿って形成されている。冷却管開口１１２ａは、冷却管１１０ａの端部からの距離が長いほど、面積が順次増大する。具体的には、それぞれの冷却管開口１１２ａの軸方向の幅は固定子ダクト１０１の幅と同じであり、周方向の長さが冷却管１１０ａの端部からの距離が長いほど長くなっている。

複数の冷却管開口１１２ａのそれぞれの長手方向の位置は、固定子鉄心２１に形成された固定子ダクト１０１の軸方向位置に一致している。また、それぞれの冷却管開口１１２ａは、径方向外側に向かって形成されている。

次に、以上のように構成された本実施形態に係る固定子冷却構造１００の作用を説明する。

回転子１０が回転することにより、ロータシャフト１１に取り付けられた２つの内扇１５が回転する。冷却用気体は、それぞれの内扇１５によって、回転子鉄心１２および固定子２０側に駆動される。内扇１５に駆動された冷却用気体は、互いに並列な流れとなる。

一方は、軸方向の両外側から、空隙１８に流入し、軸方向の中央に向かう流れである。この流れは、間隙保持構造１２０ａによって形成されている固定子ダクト１０１の軸方向位置において、順次、固定子ダクト１０１に流入し、径方向外側に向かって流れる。

他方は、それぞれの冷却管入口ガイド１３０ａに沿って流れ、固定子鉄心２１を貫通する複数の冷却管１１０ａに、その両端から流入する。冷却管１１０ａに軸方向両側から流入した冷却用気体は、間隙保持構造１２０ａによって形成されている固定子ダクト１０１の軸方向位置において順次、管本体１１１ａに形成された冷却管開口１１２ａから、径方向外側に向かって流出する。

固定子２０で発生した熱は、それぞれの積層構造２３において、熱の放出箇所である積層構造２３の径方向外側表面に向かって流れる。この熱の流れの途中に、冷却管１１０ａが設けられているため、冷却管１１０ａの管壁を経由して冷却管１１０ａ内の冷却用気体に熱が伝搬し、冷却用気体が熱を除去する効果が生ずる。

冷却管開口１１２ａの面積は、冷却管１１０ａの両端の入り口から長手方向の中央に向かうにしたがって、順次増大するため、軸方向に配されたそれぞれの冷却管開口１１２ａからの流出量は、互いに同程度の流量となる。

固定子ダクト１０１において、冷却管１１０ａから径方向外側に向かって流出した冷却用気体は、図８の矢印で示すように、隣接する第１保持部材１２２およびその周方向の外側に隣接する第２保持部材１２３に沿って扇状に広がる。このため、２つの第２保持部材１２３に挟まれた領域においては、空隙１８から固定子ダクト１０１に流入する冷却用気体に加えて、冷却管１１０ａの冷却管開口１１２ａから噴き出す冷却用気体の流れが生ずる。

冷却管１１０ａの冷却管開口１１２ａから固定子ダクト１０１内に流出した冷却用気体は、空隙１８から流入して固定子ダクト１０１内を流れる冷却用気体の流れを加速させながら、互いに混合し、固定子ダクト１０１を流れ、さらに固定子ダクト１０１の径方向外側に流出する。

固定子ダクト１０１から流出した冷却用気体は、冷却器入口開口６３から冷却器６０内に流入する。冷却器６０内に流入した冷却用気体は、冷却水管６１の外側を通りながら、冷却水管６１内を流れる冷却水により冷却される。冷却器６０内で冷却された冷却用気体は、冷却器カバー６２内で軸方向に分かれ、それぞれ、２つの冷却器出口開口６４の一方から流出し、フレーム４２内に流入する。フレーム４２内に流入した冷却用気体は、再び、内扇１５に流入し、駆動される。

このように、固定子ダクト１０１内に冷却管１１０ａから冷却用気体が流出することにより、固定子ダクト１０１内を流れる冷却用気体の流量が増加する。また、積層構造２３から冷却管１１０ａに移動した熱が冷却用気体によって除去される。この結果、冷却用気体による序熱量が増加し、冷却能力が増大する。

内扇１５から見た流路は、従来の空隙１８から固定子ダクト１０１に流入する経路に加えて、冷却管１１０ａから固定子ダクト１０１に流入する経路が並列に加わったことにより、一巡の圧力損失が減少する。この結果、運転状態での流量の増大とヘッドの減少となる。内扇１５の動力は、流量とヘッドの積に比例するが、流量は増加する一方、ヘッドは減少することから、仮に内扇１５の動力が増大する場合でも、その程度は小さい。

このように、本実施形態に係る固定子冷却構造１００によって、回転電機の効率を下げずに冷却能力を向上することができる。

［第３の実施形態］
図１０は、第３の実施形態に係る固定子冷却構造の冷却管を示す平面図である。また、図１１は、第３の実施形態に係る固定子冷却構造の冷却管を示す正面図である。なお、説明の都合上、積層構造２３の部分的な縦断面を２点鎖線で表示している。

本第３の実施形態は、第２の実施形態の変形である。本実施形態における固定子冷却構造１００の冷却管１１０ｂは、管本体１１１ａに形成された冷却管開口１１２ｂが、第２の実施形態における管本体１１１ａに形成された冷却管開口１１２ａと異なる。これ以外については、第２の実施形態と同様である。

本実施形態においては、管本体１１１ａに形成された冷却管開口１１２ｂが、長手方向に連続して延びている。冷却管１１０ｂの両端の開口に近い側から、軸方向の中央に行くにつれて、開口の幅が大きくなるように形成されている。

このように形成された本実施形態においては、冷却管１１０ｂの開口の径方向の外側に積層構造２３が存在している軸方向領域では、積層構造２３に形成されている冷却管用貫通孔２３ｄが軸方向への流路となる。このため、冷却用気体は、間隙保持構造１２０ａによって積層構造２３間に固定子ダクト１０１が形成されている軸方向領域でのみ径方向外側に流出する。

このように、本実施形態における冷却管１１０ｂでは、固定子ダクト１０１の軸方向位置に合わせて開口を形成する必要はない。また、多数箇所に開口を形成する必要がない。このため、開口の形成にあたっての確認、調整、および加工における負荷が軽減される。

［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。たとえば、実施形態では、ロータシャフト１１が水平方向に延びた横型の回転電機の場合を例にとって示しているが、これに限定されない。ロータシャフトが鉛直方向に延びた立形の回転電機であってもよい。また、実施形態では、内扇１５が、回転子鉄心１２を挟んで軸方向の両側にそれぞれ取り付けられている場合を例にとって示したが、一方のみに設けられている場合でもよい。

また、実施形態では、内扇１５が軸流ファンである場合を例にとって示したが、例えば、遠心ファンであってもよい。この場合は、冷却用気体の流れが実施形態とは逆方向となるが、冷却管を経由する流路と空隙を経由する流路とが並列に存在することにより、同様の効果が得られる。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。たとえば、第１の実施形態における締め付け用冷却管１１０と、第２の実施形態あるいは第３の実施形態における固定子冷却構造とを組み合わせてもよい。

さらに、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。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、１５…内扇、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…電磁鋼板、２３…積層構造、２３ａ…固定子ティース、２３ｂ…固定子スロット、２３ｃ…ロッド用溝、２３ｄ…冷却管用貫通孔、２３ｅ…冷却管用溝、２８…固定子巻線、３１…内側クランパ、３１ａ…歯部押さえ、３１ｂ…冷却管用切り欠き、３１ｃ…ロッド用切り欠き、３１ｄ…冷却管用貫通孔、３２…外側クランパ、３２ａ…開口、３２ｂ…冷却管貫通孔、３２ｃ…ロッド貫通孔、３３…締め付けロッド、４０…軸受、４２…フレーム、４２ａ…閉空間、４５…軸受ブラケット、６０…冷却器、６１…冷却水管、６２…冷却器カバー、６３…冷却器入口開口、６４…冷却器出口開口、１００…固定子冷却構造、１０１…固定子ダクト、１１０…締め付け用冷却管、１１０ａ、１１０ｂ…冷却管、１１１、１１１ａ…管本体、１１２、１１２ａ、１１２ｂ…冷却管開口、１２０、１２０ａ…間隙保持構造、１２１…保持部材、１２２…第１保持部材、１２３…第２保持部材、１３０、１３０ａ…冷却管入口ガイド、２００…回転電機

Claims (9)

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の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に設けられ、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造と、固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線と、前記複数の電磁鋼板と前記固定子巻線を冷却するための固定子冷却構造と、を有する固定子と、
   前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、
   前記回転子鉄心および前記固定子を収納する筒状のフレームと、
   前記フレームの両側の端部に取り付けられ、前記フレームとともに閉空間を形成するとともに、前記２つの軸受のそれぞれを静止支持する２つの軸受ブラケットと、
   前記閉空間内に冷却用気体を循環させる内扇と、
   を備える回転電機であって、
   前記固定子冷却構造は、
   前記複数の積層構造を軸方向に少なくとも部分的に貫通し、前記軸方向の間隙に連通する冷却管開口が形成された複数の冷却管と、
   互いに隣接する前記積層構造に部分的に挟まれて、これらの積層構造間の軸方向の間隙を形成し径方向外側への流路である固定子ダクトを形成する複数の間隙保持構造と、
   を具備することを特徴とする回転電機。
2. 前記冷却管開口は、径方向の外側を向いていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の積層構造には、周方向に互いに間隔をあけて軸方向に貫通する複数の貫通孔が形成され、
   前記冷却管は、前記複数の貫通孔を貫通することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記間隙保持構造は、
   径方向に延びた第１保持部材と、
   径方向に延びて前記第１保持部材より長さの長い第２保持部材と、
   を具備し、
   周方向には、前記冷却管の両側に前記第１保持部材がそれぞれ配され、
   前記第１保持部材を挟んで周方向の両側に前記第２保持部材が配されている、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。
5. 前記冷却管開口は、前記軸方向の間隙が形成された軸方向位置ごとに形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
6. 前記冷却管開口は、前記軸方向に連続して形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
7. 前記複数の積層構造の外周面に周方向に互いに間隔をあけて軸方向に延びた複数の冷却管用溝が形成され、
   前記冷却管は、前記複数の冷却管用溝に沿って配され、前記複数の積層構造を軸方向に締め付けることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
8. 前記軸方向の間隙に連通する前記冷却管開口の面積は、前記冷却管内の前記冷却用気体の流れ方向に沿って順次増大することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の回転電機。
9. ロータシャフトと回転子鉄心とを有する回転子と、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造と固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納する筒状のフレームと、前記フレームの両側の端部に取り付けられ、前記フレームとともに閉空間を形成するとともに、前記２つの軸受のそれぞれを静止支持する２つの軸受ブラケットと、前記閉空間内に冷却用気体を循環させる内扇と、を備える回転電機において前記複数の電磁鋼板と前記固定子巻線を冷却するための固定子冷却構造であって、
   前記積層構造を軸方向に少なくとも部分的に貫通し、前記軸方向の間隙に連通する冷却管開口が形成された複数の冷却管と、
   互いに隣接する前記積層構造に部分的に挟まれて、これらの積層構造間の軸方向の間隙を形成し径方向外側への流路である固定子ダクトを形成する複数の間隙保持構造と、
   を具備することを特徴とする固定子冷却構造。

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