JP7273552B2

JP7273552B2 - 軸受装置用潤滑流体槽および軸受装置

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Publication number: JP7273552B2
Application number: JP2019047358A
Authority: JP
Inventors: 麻美金崎; 信行安; 元康石井
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2023-05-15
Anticipated expiration: 2039-03-14
Also published as: JP2020148285A

Description

本発明の実施の形態は、軸受装置用潤滑流体槽および軸受装置に関する。

立軸水車発電機等の回転電機の回転子は、流体潤滑式の軸受装置によって支持される場合がある。このような軸受装置は、例えば、潤滑油を貯留する油槽と、油槽の内部の潤滑油に少なくとも一部が浸漬されるように配置される軸受とを備え、回転子の回転時に軸受と回転子との間に油膜を形成する。軸受は、この油膜を介して回転子からの荷重を受けることで、回転子を非接触の状態で支持することができる。

軸受装置が回転子を支持した際には、軸受と回転子との間における軸受と油膜との摩擦および回転子と油膜との摩擦等によって生じる損失が熱となり、潤滑油の温度が上昇し得る。潤滑油の温度上昇は、例えば潤滑油の粘度を低下させて、油膜の厚みを減少させ得たり、回転子の支持剛性を低下させ得るため、軸受と回転子との間の接触リスクを増加させる。そのため、このタイプの軸受装置では、通常、潤滑油を冷却するための手段が設けられている。

潤滑油の冷却のための手段としては、例えば、油槽に冷却フィンを設けたり、油槽の周囲に、回転電機の回転によって生じる空気流（以下、冷却空気）を供給したりすることが挙げられる。以下においては、上記のような冷却構造を備える軸受装置のことを、空冷式の軸受装置と呼ぶ。

空冷式の軸受装置には、冷却フィンを熱伝導率の高い材料で形成し、油槽に冷却フィンを貫通させた状態で設けるものもある。この構成では、冷却フィンの熱伝導率が高いことで、冷却フィン自体の熱伝達率が向上する。しかし、油槽の内部に突出した冷却フィンによって油槽内部の潤滑油の対流が阻害され得るため、潤滑油の熱が効果的に放熱されない虞がある。

また、油槽の周囲にエアガイドを取りつけ、エアガイドによって冷却空気を冷却フィンに沿うようにガイドする構造も知られている。この構造では、エアガイド内を通る冷却空気の流速が上がるため、冷却フィンの熱伝達率が向上する。しかし、エアガイドにより通風経路が制限されるため、回転電機の風損を増加させる虞がある。

以上のような空冷式の軸受装置は、小型の回転電機において適用されることが多い。また、空冷式の軸受装置を用いる場合には、一般に、回転電機の回転によって冷却空気を発生させる。この場合の冷却空気の通風路の代表的な形式としては、出口管通風管型や、開放型が挙げられる。

また、流体潤滑式の軸受装置には、潤滑流体として、水やその他流体を用いるものも存在する。

特開２０１５－１８３７７１号公報特開２０００－９２７８８号公報

上述のような冷却フィンによる冷却効果を高めるためには、冷却フィンの熱伝達率を上げることが重要であり、これを実現するための手段として、冷却フィンの冷却面積を拡大することや、冷却空気の風量を増やすこと、風速を上げること等が挙げられる。

冷却面積を拡大する手段としては、例えば油槽や冷却フィンを大きくすることや、冷却フィンの枚数を増やすことが考えられる。しかしながら、空冷式の軸受装置を採用する一般に小型となる回転電機を設置する場合には、軸受装置の設置スペースが比較的狭い範囲に制限されていたり、また保守点検用スペースの確保が必要であったりするため、油槽や冷却フィンのサイズは無制限に大型化できない。また、油槽と冷却フィンは通常、溶接により接合され、溶接作業を適正に且つ効率的に実施するために、冷却フィンは一定以上の間隔を空けて順次溶接される。そのため、取り付けできる冷却フィンの枚数にも製造上の制限がある。

また、冷却空気は、通常、回転電機の回転数や構造により決定される自己通風によるものであるため、冷却空気の風量を増やしたり、風速を上げたりすることは、回転電機全体の構造変更を伴い、容易に実施できない。また、冷却フィン周囲をカバーなどで閉塞し局所的に冷却空気の風速を上げる手法では、前述した通り、回転電機の風損増加につながる。

本発明は上記実情を考慮してなされたものであり、空冷式の軸受装置全体の大型化及び構造の複雑化を抑制しつつ、潤滑流体に対する冷却効果を向上できる軸受装置用潤滑流体槽および軸受装置を提供することを目的とする。

実施の形態にかかる軸受装置用潤滑流体槽は、回転電機の回転子の軸部分の周囲に配置され、潤滑流体を貯留するとともに、前記回転子の荷重を受ける軸受の少なくとも一部を収容する槽本体と、前記槽本体の底面及び／又は側面に周方向に間隔を空けて設けられる複数の放熱部材と、を備える。当該軸受装置用潤滑流体槽は、前記槽本体及び前記放熱部材の表面積を増加させるための前記放熱部材の所定配列、前記放熱部材の所定形状、及び前記槽本体の所定形状のうちの少なくともいずれかを有している。そして、当該軸受装置用潤滑流体槽は、前記軸部分の軸方向及び径方向の両方を含む面上で板状をなし且つ表面が平坦な冷却フィンが前記所定形状のない前記槽本体に周方向に間隔を空けて配列されるのみの構成よりも、前記槽本体及び前記放熱部材の合計の表面積を増加させる。

実施の形態にかかる軸受装置は、前記軸受装置用潤滑流体槽と、回転電機の回転子の荷重を受ける軸受と、を備える。そして、前記軸受の少なくとも一部が、前記軸受装置用潤滑流体槽の前記槽本体の内部に収容されている。

本発明によれば、空冷式の軸受装置全体の大型化及び構造の複雑化を抑制しつつ、潤滑流体に対する冷却効果を向上できる。

第１の実施の形態にかかる回転電機の軸受装置の一部の子午断面図である。第２の実施の形態にかかる回転電機の軸受装置の一部の子午断面図である。（Ａ）は、図２に示す軸受装置が備える潤滑流体槽の側面図であり、（Ｂ）は、底面図である。第３の実施の形態にかかる回転電機の軸受装置の一部の子午断面図である。（Ａ）は、図４のＶ－Ｖ線に沿う断面図であり、（Ｂ）～（Ｄ）は、第３の実施の形態の変形例を示す図である。第４の実施の形態にかかる回転電機の軸受装置が備える潤滑流体槽の側面図である。

以下に、添付の図面を参照して各実施の形態を詳細に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態にかかる回転電機の軸受装置１の一部の子午断面図を示している。本実施の形態にかかる軸受装置１は、立軸水車発電機を構成する回転電機１００の回転子１０１を回転自在に支持するように構成されている。

図１に示すように、回転子１０１は、軸部分１０２と、軸部分１０２の外周に設けられる回転子リム１１２と、磁極１１３とを有し、回転子１０１は、固定子１０３内、詳しくは円筒状をなす固定子鉄心内に配置される。軸部分１０２は、水車のランナ２００に水車主軸２０１を介して接続されており、これにより、回転子１０１は、ランナ２００の回転に伴い、その回転軸線Ａを中心に回転するようになっている。

実施の形態の説明では、単に軸方向と言う場合、その方向は、回転子１０１の回転軸線Ａ上の方向又は回転軸線Ａに平行な方向のことを意味する。また、単に径方向と言う場合、その方向は、回転軸線Ａに対して直交する方向を意味する。また、単に周方向と言う場合、その方向は、回転軸線Ａを中心とする回転方向に沿う方向を意味する。

軸受装置１は、潤滑流体槽２と、軸受３とを備えており、潤滑流体槽２は、回転子１０１の軸部分１０２の周囲に配置されて例えば潤滑油や水等の潤滑流体を貯留する槽本体４と、槽本体４に設けられた複数の冷却フィン５と、を有している。

槽本体４は、軸受用ブラケット８により支持されることで、所定位置に位置決めされている。槽本体４は、中空円板状の底面４Ａと、底面４Ａの径方向外側端部から軸方向で上方に立ち上がる側面４Ｂと、を有し、冷却フィン５は、槽本体４の底面４Ａ及び側面４Ｂに跨がる状態で周方向に間隔を空けて複数設けられている。

冷却フィン５は、槽本体４に例えば溶接により接合され、槽本体４内の潤滑流体の熱を槽本体４を介して伝達されて、外部に放熱する放熱部材として機能する。本実施の形態における冷却フィン５は、槽本体４の底面４Ａ及び側面４Ｂに跨がる状態で設けられるが、冷却フィン５は、底面４Ａ上の部分と、側面４Ｂ上の部分とに分断されてもよい。また、冷却フィン５は、底面４Ａ及び側面４Ｂのいずれかのみに設けられてもよい。

軸受３は、本実施の形態において、案内軸受（ガイド軸受）として構成されており、回転子１０１のラジアル方向荷重を受けることで、回転子１０１を支持するようになっている。図示しないが、軸受３は、周方向に間隔を空けて複数設けられる。なお、軸受３は、スラスト軸受として構成されてもよく、回転子１０１のスラスト方向荷重を受けるようになっていてもよい。また、槽本体４内に案内軸受とスラスト軸受の両方が設けられてもよい。

槽本体４の径方向外側には基礎６が位置し、基礎６から径方向内側に延びる軸受用ブラケット８の先端に軸受３が固定されている。軸受用ブラケット８は、槽本体４の上部に接している。軸受３は、軸方向で見た場合に、円弧状となる荷重支持面３Ｓを有する。本実施の形態においては、荷重支持面３Ｓが、回転子１０１の軸部分１０２の外周面から垂下するスカート部１０２Ｓに径方向で対向している。

軸受３は、その少なくとも一部が槽本体４の内部に収容されるように配置されており、回転子１０１が回転した際に、槽本体４内の潤滑流体をスカート部１０２Ｓとの間の隙間に引き込む。軸受３とスカート部１０２Ｓとの間に引き込こまれた潤滑流体は、軸部分１０２と軸受３との間に流体膜を形成し、軸受３は、この流体膜を介して回転子１０１からの荷重を支持することで、回転子１０１を非接触の状態で支持するようになっている。

回転子１０１が回転した際、軸受３とスカート部１０２Ｓとの間における軸受３と油膜との摩擦およびスカート部１０２Ｓと油膜との摩擦等による損失によって、槽本体４内の潤滑流体の温度が上昇する。ここで、冷却フィン５が、槽本体４内の潤滑流体の熱を槽本体４を介して伝達されて、外部に放熱することで、潤滑流体が冷却される。本実施の形態においては、回転子１０１の回転によって生じる空気流（以下、冷却空気）が、矢印αに示すように槽本体４及び冷却フィン５に向けて流れることで、冷却効果の向上が図られている。

そして、本実施の形態においては、表面積を増加させて潤滑流体に対する冷却効果をさらに向上させるべく、槽本体４が所定形状を有しており、具体的には、槽本体４に、底面４Ａから側面４Ｂへ貫通する通風路７が設けられている。

通風路７は、槽本体４の底面４Ａにおける隣り合う冷却フィン５の間の部分で一端を開放するとともに、槽本体４の側面４Ｂにおける隣り合う冷却フィン５の間の部分で他端を開放する。本実施の形態における通風路７は真っ直ぐに延在する管体であり、子午断面において、軸方向に対して傾斜する。ただし、通風路７の形状は特に限られるものではなく、湾曲形状でもよいし、Ｌ字型のような折れ曲がり形状であってもよい。また、通風路７は、軸方向で見た場合に、径方向に対して傾斜していてもよい。また、通風路７の数は特に限られるものではない。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

本実施の形態では、通風路７が設けられることで、槽本体４において外気と接触可能な部分の表面積が増加する。そして、通風路７に冷却空気を通すことが可能なため、槽本体４内の潤滑流体を効果的に冷却することができる。これにより、槽本体４及び冷却フィン５を含む軸受装置１のサイズを通風路７のない構成に対して大型化することなく、また、構造を過剰に複雑化することなく、潤滑流体に対する冷却効果を向上できる。

具体的には、一般的な空冷式の軸受装置においては、通常、軸方向及び径方向の両方を含む面上で板状をなし且つ表面が平坦な冷却フィンが、通風路７のない槽本体４に周方向に間隔を空けて配列されるのみの構成が採用される。この構成に対して、本実施の形態では、通風路７が設けられることで、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積が増加する。すなわち、一般的な空冷式の軸受装置の構成に対して、槽本体４の大型化や冷却フィン５の数の増加を行うことなく、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積を増加させることが可能となる。

また、本実施の形態では、通風路７と、槽本体４の側面４Ｂ側の壁面との間に空間が形成されるため、槽本体４の内部での潤滑流体の対流が過剰に阻害されないため、対流の阻害による放熱の阻害が抑制される。

よって、本実施の形態によれば、軸受装置全体の大型化及び構造の複雑化を抑制しつつ、回転子１０１の支持のために貯留する潤滑流体に対する冷却効果を向上できる。なお、本実施の形態は、回転子１０１が発生させる冷却空気の流れを阻害せずに、冷却効果を向上できる点で有用であるが、本実施の形態の構成は、エアガイドのような構造物と組み合わされてもよい。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態について図２及び図３を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明を省略する場合がある。

図２に示すように、本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した通風路７は設けられないが、冷却フィン５が所定配列を有することで、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積の増加が図られている。

具体的には、冷却フィン５が、図３（Ａ）に示すように槽本体４の側面４Ｂにおいて軸方向に対して傾斜するように配列されるとともに、図３（Ｂ）に示すように槽本体４の底面４Ａにおいて径方向に対して傾斜するように配列されている。複数の冷却フィン５は、それぞれ同じ角度条件及び形状で、軸方向又は径方向に対して傾斜している。ここで、冷却フィン５が、槽本体４の底面４Ａにおいて径方向に対して傾斜する状態とは、槽本体４の底面４Ａに位置する冷却フィン５又は冷却フィン５の一部が、回転軸線Ａから冷却フィン５又は冷却フィン５の一部の径方向内側端部を通って径方向に延びる直線に対して、傾斜している状態を意味する。

なお、本実施の形態では、冷却フィン５が、槽本体４の底面４Ａ及び側面４Ｂに跨がる状態で設けられるが、冷却フィン５は、底面４Ａ上の部分と、側面４Ｂ上の部分とに分断されてもよい。また、冷却フィン５は、底面４Ａ及び側面４Ｂのいずれかのみに設けられてもよい。

第２の実施の形態においては、槽本体４の底面４Ａに設けられる冷却フィン５（その一部）が径方向に対して傾斜するように配列されるとともに、槽本体４の側面４Ｂに設けられる冷却フィン５が軸方向に対して傾斜するように配列される。これにより、一般的な空冷式の軸受装置の構成に対して、槽本体４の大型化や冷却フィン５の数の増加を行うことなく、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積を増加させることが可能となる。

よって、軸受装置全体の大型化及び構造の複雑化を抑制しつつ、回転子１０１の支持のために貯留する潤滑流体に対する冷却効果を向上できる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態について図４及び図５を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１及び第２の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明を省略する場合がある。

図４及び図５（Ａ）に示すように、本実施の形態では、冷却フィン５が所定形状を有することで、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積の増加が図られている。

具体的には、冷却フィン５の表面に複数の凹部５Ａが設けられている。図示の凹部５Ａは、冷却フィン５の一部をプレスすることにより凹ませることで形成され、冷却フィン５の互いに対向する一対の面の一方側から他方側に凹んでいる。ただし、凹部５Ａの形成方法は特に限られるものではない。

第３の実施の形態においては、冷却フィン５の表面に設けられた凹部５Ａにより、一般的な空冷式の軸受装置の構成に対して、槽本体４の大型化や冷却フィン５の数の増加を行うことなく、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積を増加させることが可能となる。

なお、表面積を増加させるべく冷却フィン５の表面に形成される形状は特に限られるものではない。図５（Ｂ）～（Ｄ）は、第３の実施の形態の変形例を示す。図５（Ｂ）に示すように、冷却フィン５の互いに対向する一対の面のそれぞれに凹部５Ａが設けられてもよい。また、図５（Ｃ）に示すように、冷却フィン５の互いに対向する一対の面のうちの一方に複数の凸部５Ｂが設けられてもよい。また、図５（Ｄ）に示すように、冷却フィン５が波状に形成され、凹部５Ａと凸部５Ｂが交互に配列されるようになっていてもよい。

また、本実施の形態では、冷却フィン５に凹部５Ａが設けられるが、槽本体４に凹部５Ａ及び／又は凸部５Ｂが設けられてもよい。また、冷却フィン５に複数の貫通孔が設けられてもよい。この際、貫通孔が円形である場合には、貫通孔の半径＜冷却フィン５の厚みの関係とすることで、表面積を増加させることができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態について図６を参照して説明する。本実施の形態における構成部分のうちの第１乃至第３の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明を省略する場合がある。

本実施の形態では、冷却フィン５が所定配列を有することで、槽本体４及び冷却フィン５の合計の表面積の増加が図られている。具体的には、図６に示すように、冷却フィン５が千鳥格子状に配列されている。

一般的な空冷式の軸受装置においては、軸方向及び径方向の両方を含む面上で板状をなし且つ表面が平坦な冷却フィンが、槽本体に周方向に間隔を空けて配列される。ここで、隣り合う冷却フィンの間には、冷却フィンの溶接等による取り付けの際の作業スペース又はメンテナンス時の作業スペースを確保するために、ある程度の大きさの隙間が設けられる。

これに対し、本実施の形態のように、冷却フィン５が千鳥格子状に配列される場合には、一般的な空冷式の軸受装置において設けることが必要的な隙間よりも小さい隙間で冷却フィン５を配列したとしても、冷却フィン５の取り付けの際の作業スペース等が確保され得る。これにより、一般的な空冷式の軸受装置の場合に対して、槽本体４の大型化を行うことなく、また、構造を過剰に複雑にすることなく、冷却フィン５を密集させることで冷却フィン５全体の表面積を増加させることができる。また、冷却フィン５の取り付けやメンテナンスの作業性が損なわれることも抑制できる。

以上の実施の形態によっても、軸受装置全体の大型化及び構造の複雑化を抑制しつつ、回転子１０１の支持のために貯留する潤滑流体に対する冷却効果を向上できる。なお、本実施の形態では、板状の冷却フィン５が千鳥格子状に配列されるが、円柱状や角柱状等の放熱部材が千鳥格子状に配列されてもよい。

以上、各実施の形態を説明したが、上記の各実施の形態は、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。この新規な実施の形態は、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。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

例えば、第１乃至第４の実施の形態における各構成の複数組み合わせを有する軸受装置が構成されてもよい。

１…軸受装置、２…潤滑流体槽、３…軸受３…槽本体、３Ｓ…荷重支持面、４Ａ…底面、４Ｂ…側面、５…冷却フィン、５Ａ…凹部、５Ｂ…凸部、６…基礎、７…通風路、８…軸受用ブラケット、１００…回転電機、１０１…回転子、１０２…軸部分、１０２Ｓ…スカート部、１０３…固定子、１１２…回転子リム、１１３…磁極、Ａ…回転軸線

Claims

回転電機の回転子の軸部分の周囲に配置され、潤滑流体を貯留するとともに、前記回転子の荷重を受ける軸受の少なくとも一部を収容する槽本体と、前記槽本体の底面及び側面に周方向に間隔を空けて設けられる複数の板状の冷却フィンと、を備える軸受装置用潤滑流体槽であって、
前記槽本体に、前記底面から前記側面へ貫通する通風路が設けられるとともに、前記冷却フィンの表面に凹部及び／又は凸部が設けられる形状を有するか、又は前記冷却フィンに貫通孔が設けられる形状を有するか、又は前記冷却フィンが千鳥格子状に配列される配列を有しており、
前記通風路は、前記底面における隣り合う前記冷却フィンの間の部分で一端を開放するとともに、前記側面における隣り合う前記冷却フィンの間の部分で他端を開放する、軸受装置用潤滑流体槽。
請求項１に記載の軸受装置用潤滑流体槽と、
回転電機の回転子の荷重を受ける軸受と、を備え、
前記軸受の少なくとも一部が、前記軸受装置用潤滑流体槽の前記槽本体の内部に収容されている、軸受装置。