JP5070019B2

JP5070019B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5070019B2
Application number: JP2007312178A
Authority: JP
Inventors: 清訓古賀; 健志長井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2007-12-03
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2027-12-03
Also published as: JP2009141985A

Description

この発明は固定子を包囲するケーシング内部にガス冷却器を備えた回転電機に関する。

回転電機、特にタービン発電機等の大型の回転電機は、電気的損失、機械的損失により固定子巻線、固定子鉄心等の温度が上昇する。このような回転電機においては温度上昇部を冷却するため回転子に取り付けたファンにより回転電機機内の冷却ガスを循環させ、ガス冷却器により冷却している。例えばケーシング内のファンとガス冷却器との間に設けられファンから送られた冷却ガスをガス冷却器に導く第１の通風路形成手段と、ガス冷却器を出た冷却ガスを固定子鉄心の半径方向冷却通路に導く第２の通風路形成手段と、同冷却ガスを固定子鉄心端部に導く第３の通風路形成手段と、固定子鉄心を冷却した冷却ガスをファンに導く第４の通風路形成手段とを設けたものがある（例えば特許文献１参照。）。また、固定子巻線端部を覆う固定子枠及び軸受ブラケットの一つが磁性金属からなる回転電機において、該磁性金属からなる部分を良導電性の金属板からなるシールド板にて内側から覆い、そのシールド板の内部に冷却媒体を通す冷媒通路を設け、この冷媒通路に冷却媒体を給排する配管を設け、ブラケットなどの過熱を防止したものがある（例えば特許文献２参照。）。

特開平６−２６１５００号公報（第１頁、図１）特開昭５９−３７８６４号公報（第１頁、第１図）

近年の回転電機の小型化に伴う高密度化、構造簡素化による製造コスト削減、高効率化のための発生ロス削減のためには、簡便な構造で軸受温度を冷却することが求められる。このためには、軸受を保持しているブラケットの機内表面が高温ガスによって過熱されるのを防止することが必要となる。上記特許文献１のような従来技術では高温になった冷却ガスがブラケットの機内側表面に流れるため、ブラケットや軸受が過熱されるという問題があった。また、上記特許文献２のような従来技術ではシールド板や冷媒通路が構造的に複雑であるという問題があった。

この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、構造が簡単でブラケット及び軸受の冷却を効率的に行なうことができる回転電機を提供することを目的としている。

この発明に係る回転電機は、固定子の周りを包囲するケーシングと、このケーシングの端部に設けられた回転子軸を支承する軸受のまわりを包囲するブラケットと、上記回転子軸に設けられ上記ケーシング内の冷却ガスを循環させるファンと、このファンによって付勢された冷却ガスを冷却するガス冷却器を備えた回転電機において、上記ブラケットの機内側に設けられ該ブラケットの機内側表面に沿う冷却ガスの風路を形成する風路形成部材と、上記ガス冷却器によって冷却された冷却ガスの一部を上記風路に導く導風部材とを備え、上記風路形成部材は、上記ブラケットの機内側表面に間隔をあけて設けられた風導板からなるものであって、上記風導板は周方向に複数に分割され、上記導風部材はその分割された風導板毎に設けてなるものである。
また、この発明に係る回転電機は、固定子の周りを包囲するケーシングと、このケーシングの端部に設けられた回転子軸を支承する軸受のまわりを包囲するブラケットと、上記回転子軸に設けられた上記ケーシング内の冷却ガスを循環させるファンと、このファンによって付勢された冷却ガスを冷却するガス冷却器を備えた回転電機において、上記ブラケットの機内側に設けられ該ブラケットの機内側表面に沿う冷却ガスの風路を形成する風路形成部材と、上記ガス冷却器によって冷却された冷却ガスの一部を上記風路に導く導風部材とを備え、上記風路形成部材は、上記ブラケットの機内側表面に蛇行する如く固着された通風管からなるものである。

この発明においては、ブラケットの機内側表面に沿って風路形成部材により形成された風路が風路形成部材を構成する風導板で分割され、この分割された風路のそれぞれに、ガス冷却器によって冷却された冷却ガスを風路毎に設けられた導風部材によって導くようにし、あるいは、蛇行する如く固着された通風管からなる風路形成部材によって形成されたブラケットの機内側表面に沿う風路に、ガス冷却器によって冷却された冷却ガスを導風部材によって導くようにしたので、構造が簡単であり、効率的にブラケットを冷却することが可能となる。

実施の形態１．
図１及び図２は本発明の実施の形態１に係る回転電機の要部を説明する図であり、図１は回転電機の軸方向一端部（左側端部）を模式的に示す要部縦断面図、図２は図１の矢印Ａ方向、すなわち回転電機の機内側から見たブラケットの上半部を模式的に示す正面図である。なお、各図を通じて同一符号は同一または相当部分を示している。図において、回転電機１は、回転子軸２の所定部に固着された磁界若しくは渦電流を発生する円柱状の回転子鉄心（図示省略）と、その回転子鉄心の周りを包囲するように配設された固定子鉄心と巻線からなる円筒状の固定子（図示省略）を備える。ケーシング（フレーム）３は、図示省略している固定子の周りを包囲するように設けられ、該ケーシング３の軸方向両端部には、回転子軸２を支承する軸受４を支持するブラケット５がそれぞれ設けられ、ケーシング３とブラケット５により上記固定子及び回転子鉄心を包囲するハウジング６が形成され、該ハウジング６によって機内Ｂと機外Ｃが分離されている。

また、軸受４の軸方向両側部には、ブラケット５の半径方向内周部側に固定された油止め輪１０ａ、１０ｂが、回転子軸２の外周面に対して小間隙を介してそれぞれ包囲するように設けられており、軸受４の潤滑油の飛散を防いでいる。そして、回転子軸２の所定部には機内Ｂの巻線や鉄心などの発熱部材を冷却し回転子および固定子を許容温度以内に保ち、機器の信頼性を高めるための冷却ガスを循環するファン（図示省略）と、高温になった冷却ガスを冷却するためのガス冷却器（図示省略）などからなる冷却機構が設けられている。上記冷却ガスとしては、例えば冷却性能に優れた水素ガスあるいは空気などが用いられ、機内Ｂに密封収容されているが、ガスの種類は特に限定されるものではない。また、冷却ガスの通風路は、固定子鉄心の内部に半径方向に設け、さらに固定子鉄心のスロットに装着される固定子コイルに沿って軸方向に設けるなど、例えば公知の各種冷却方式は何れも特別な制限なく好ましく用いることができるものであるので、ファン、ガス冷却器等と共に図示省略している。

そして、ブラケット５の機内Ｂ側には、該ブラケット５の機内側表面５ａに沿う冷却ガスの風路７を形成するドーナツ板状の風導板からなる風路形成部材８と、図示省略しているガス冷却器によって冷却された冷却ガスをバイパスして上記風路７に導くパイプからなる少なくとも１つの導風部材９が設けられている。上記風路形成部材８はブラケット５の機内側表面５ａから数ｍｍから数十ｍｍの間隔を有するように外周端部がブラケット５の機内側表面５ａに固定され、該間隔部分が風路７を形成し、内周側の端部に風路７の機内Ｂに対する出口部７ａが形成されている。導風部材９は風路形成部材８の外周部側で風路７に連通するように接続されている。上記導風部材９はブラケット５や冷却ガスの温度、通風量、圧力損失等に応じて、その太さ、形状、本数等を適宜変更することができる。

また、風路形成部材８及び導風部材９には一般的な構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）やステンレス鋼等を用いることもできるが、例えばエポキシ樹脂等の断熱性の高い材料を用いることはより好ましく、銅やアルミニウム等の断熱性の低い材料の使用は避けるべきである。断熱性の高い材料により構成されたものにおいては、ブラケット５に対する機内Ｂ側の高温ガスからの熱を遮蔽し、ブラケット５の冷却性能の向上が期待できるが、断熱性の低い材料では、ガス冷却器によって冷却された冷却ガスがブラケット５の風路７に達するまでの経路で、例えば摂氏１００度程度の高温雰囲気によって熱せられて温度が上昇してしまうので、冷却効率の低下を招くことになり好ましくない。

次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。回転電機１が運転されると、回転子軸２の回転に伴って図示省略しているファンが回転して機内に封入された空気や水素等の冷却ガスが付勢され、ガス冷却器により冷却された冷却ガスの大部分は発熱源である固定子および回転子より熱を奪って、固定子および回転子を冷却する。高温になった冷却ガスは、循環路に介装された図示省略しているガス冷却器に戻って熱交換して、機内Ｂの熱を機外Ｃへ放出する。熱を放出した冷却ガスは低温となり、再び機内Ｂを所定の順路で循環する。ガス冷却器により冷却された冷却ガスの一部は、バイパス流路である導風部材９を介して、風路形成部材８によって形成された風路７内に送給され、ブラケット５を機内Ｂ側より冷却する。なお、風路形成部材８はケーシング３内の高温ガスがブラケット５の機内側表面５ａに接触しないように断熱する役目も果たしている。

このとき、ブラケット５の機内Ｂ側の高温雰囲気中の圧力をα、導風部材９内の圧力をβとすると、α＜βとなるように構成されている。機内Ｂ側におけるブラケット５近傍はガス冷却器で熱交換する直前の摂氏１００度程度の高温になった冷却ガスが流れるが、上記のように風路７内に送給された冷却ガスがブラケット５の機内側表面５ａを冷却することでブラケット５の温度も所定温度以下に保持され、軸受４の過熱を防ぐと共に、ブラケット５の半径方向内周部側に固定された油止め輪１０ａ、１０ｂが、回転子軸２の外周面に接触して破損することも防止する。

上記のように、この実施の形態１によれば、風路形成部材８によってブラケット５の機内側表面５ａに沿う風路７を形成し、この風路７にガス冷却器によって冷却された冷却ガスの一部を導風部材９によってバイパスして導くようにしたので、ブラケット５を効率的に冷却することができる。従って、軸受４の過熱を防ぎ、油止め輪１０ａ、１０ｂが、回転子軸２に接触して破損する恐れもなくなる。また、ブラケット５の機内側表面５ａに風路形成部材８を近接して設け、パイプ状の導風部材９を接続するだけで構成できるので、構造が簡単で嵩張ることもなく既存の回転電機に装置することも容易であり、装置が大型化する恐れもない。さらに、機外Ｃ側にファンやフィン等を設置する必要がなく大型化せずに、軸受温度の上昇を防止し、軸受の信頼性確保と寿命延長を図ることができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による回転電機の要部であるブラケット部を機内側から見たときの上半部を示す正面図である。図において、風路形成部材８は周方向に分割された複数（この例では１０枚）の風導板８１からなり、各風導板８１に対応して複数の導風部材９が冷却機からの冷却風を各風路７にそれぞれ送給されるように設けられている。周方向に隣接する風導板８１相互の間には間隙Ｄが形成されている。なお、ブラケット５の機内側表面５ａ（図示省略）と風導板８１との間隔、導風部材９の構成等、その他の構成は上記実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態２においては、風路形成部材８が周方向に複数に分割され、分割された風導板８１の内側の風路７毎に導風部材９から冷却風が送給されるので、ブラケット５の機内側表面５ａ全体に均一に冷却風が流れ、実施の形態１に比べてブラケット５が一層均一に冷却され、また、冷却効果を高めることも可能となる。
なお、上記隣接する風導板８１の間隙Ｄは塞いでも良い。また、風路形成部材８を周方向に複数に分割したが、実施の形態１のような１枚の風導板からなる風路形成部材８の機内側表面５ａとの対向面に放射方向の仕切り板を設け、風路を周方向に複数に分割するようにしても良く、その場合でも同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による回転電機の要部であるブラケット部を機内側から見たときの上半部を示す正面図である。図において、風路形成部材８は、ブラケット５の機内側表面５ａに蛇行して固着された複数の通風管８２からなり、通風管８２の内部空間が風路７を形成している。そして、複数の通風管８２はブラケット５の機内側表面５ａに周方向に並設されており、各通風管８２の半径方向外周側の一端部にはパイプ状の導風部材９がそれぞれ接続され、通風管８２の半径方向内周側の他端部８２ａは何れも機内側に開口されている。その他の構成は風導板の代わりに通風管を使用する点を除き、実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

上記のように構成された実施の形態３においては、冷却ガスを通流させる通風管８２が蛇行されてブラケット５の機内側表面５ａに固着されているので、導風部材９から送給された冷却ガスがブラケット５に接触する時間を長くすることができ、ブラケット５からより多くの熱を奪い取ることができる。なお、この場合の通風管８２の材料としては、風導板の場合と異なり、例えば銅、アルミニウム、等の熱伝導率の高い材料を用いることが好ましい。なお、通風管８２を機内側表面５ａ上に半径方向に蛇行させたものを周方向に複数設けた場合について説明したが、必ずしもそれに限定されるものではなく、例えば通風管８２を１本にすることもできるし、蛇行以外の形状で風路７の長さを伸張させても良い。例えば、機内側表面５ａに渦巻状に固着し、あるいは周方向に向けて蛇行させるようにしても良い。さらに、通風管８２は一般的な管径が一様な平滑管の他、例えば扁平管、蛇腹状管、その他凹凸を有する管などを用いても差し支えない。また変形例として、機内側表面５ａに例えば蛇行する溝を設けて板材で蓋をし、該板材における上記溝の一端部に対応する位置に冷却風の入口となる穴を設け、他端部に対応する位置に冷却風の出口となる穴を設けることでも同様の効果が期待できる。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４による回転電機の軸方向一端部（左側端部）を模式的に示す要部縦断面図である。図において、ブラケット５の機内側表面には、溝状の凹凸５ｂが設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
上記のように構成された実施の形態４においては、ブラケット５の機内側表面が凹凸５ｂによって形成されているので、簡易な構造で表面積が増加され、導風部材９から送給された冷却ガスが風路７を通流するときに冷却ガスとの接触面積が増え、放熱効果を一層向上させることができる。従って、大量の熱をブラケット５より奪うことができ、上記実施の形態３よりも構造が簡単であるので、製造も容易である。なお、上記凹凸５ｂは必ずしも溝状のものに限定されるものではなく、表面積を増加させるものであれば他の形状としても勿論差し支えない。
なお、上記実施の形態１〜４に記載された発明を適宜組み合わせる等の変形や変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の軸方向一端部（左側端部）を模式的に示す要部縦断面図。図１の矢印Ａ方向から見たブラケットの上半部を模式的に示す正面図。本発明の実施の形態２による回転電機の要部であるブラケット部を機内側から見たときの上半部を示す正面図。本発明の実施の形態３による回転電機の要部であるブラケット部を機内側から見たときの上半部を示す正面図。本発明の実施の形態４による回転電機の軸方向一端部（左側端部）を模式的に示す要部縦断面図。

符号の説明

１回転電機、２回転子軸、３ケーシング（フレーム）、４軸受、５ブラケット、５ａ機内側表面、５ｂ凹凸、６ハウジング、７風路、７ａ出口部、８風路形成部材、８１風導板、８２通風管、９導風部材、１０ａ、１０ｂ油止め輪、Ｂ機内、Ｃ機外、Ｄ間隙。

Claims

固定子の周りを包囲するケーシングと、このケーシングの端部に設けられた回転子軸を支承する軸受のまわりを包囲するブラケットと、上記回転子軸に設けられた上記ケーシング内の冷却ガスを循環させるファンと、このファンによって付勢された冷却ガスを冷却するガス冷却器を備えた回転電機において、上記ブラケットの機内側に設けられ該ブラケットの機内側表面に沿う冷却ガスの風路を形成する風路形成部材と、上記ガス冷却器によって冷却された冷却ガスの一部を上記風路に導く導風部材とを備え、上記風路形成部材は、上記ブラケットの機内側表面に間隔をあけて設けられた風導板からなるものであって、上記風導板は周方向に複数に分割され、上記導風部材はその分割された風導板毎に設けてなることを特徴とする回転電機。
上記ブラケットの機内側表面に凹凸が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。
固定子の周りを包囲するケーシングと、このケーシングの端部に設けられた回転子軸を支承する軸受のまわりを包囲するブラケットと、上記回転子軸に設けられた上記ケーシング内の冷却ガスを循環させるファンと、このファンによって付勢された冷却ガスを冷却するガス冷却器を備えた回転電機において、上記ブラケットの機内側に設けられ該ブラケットの機内側表面に沿う冷却ガスの風路を形成する風路形成部材と、上記ガス冷却器によって冷却された冷却ガスの一部を上記風路に導く導風部材とを備え、上記風路形成部材は、上記ブラケットの機内側表面に蛇行する如く固着された通風管からなることを特徴とする回転電機。
上記導風部材はパイプからなることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の回転電機。