(57)【要約】【課題】より簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保する。【解決手段】全閉外扇形回転電機１００は、ロータシャフト１１と回転子鉄心１２を有する回転子１０、固定子鉄心２１と固定子巻線２２を有する固定子２０、フレーム４０、反結合側軸受３０ａおよび結合側軸受３０ｂ、反結合側軸受ブラケット４５ａおよび結合側軸受ブラケット４５ｂ、２つの内扇５１ａ、５１ｂ、外扇５５、および冷却器６０を備える。冷却器６０は、通常冷却管６１ａと、これに少なくとも隣接する領域に配される短尺冷却管６１ｂと、通常冷却管６１ａの外気入口側の端部を支持する第１の端板６２ａと、通常冷却管６１ａおよび短尺冷却管６１ｂの外気出口側の端部を支持する第３の端板６２ｃと、短尺冷却管６１ｂの外気入口側の端部を支持し軸方向に第１の端板６２ａと第３の端板６２ｃの中間に配される第２の端板６２ｂとを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の周りを回転可能に支持され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配さ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配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の径方向内側部分を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記固定子および前記回転子鉄心を収納するフレームと、
前記ロータシャフトの両端を回転可能に支持する反結合側軸受および結合側軸受と、
前記反結合側軸受および前記結合側軸受のそれぞれを固定支持する反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットと、
前記ロータシャフトの前記回転子鉄心を挟んで軸方向で、前記反結合側軸受と前記結合側軸受とに挟まれた位置にそれぞれ取り付けられた２つの内扇と、
前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側に取り付けられた外扇と、
前記フレームの冷却器接続面の外側に配された冷却器と、
を備えた全閉外扇形回転電機であって、
前記冷却器は、
互いに並列に配され、軸方向に延びて両端が開放され前記外扇からの外気の流路となる複数の通常冷却管と、
前記冷却器接続面に平行な方向および冷却器接続面に垂直な方向で前記通常冷却管の配される領域に少なくとも隣接する領域に配され、軸方向に延びて両端が開放され前記複数の通常冷却管より短く前記外扇からの外気の流路となる複数の短尺冷却管と、
前記通常冷却管の外気入口側の端部を支持する第１の端板と、
前記通常冷却管の外気出口側の端部および前記短尺冷却管の外気出口側の端部を支持する第３の端板と、
前記短尺冷却管の外気入口側の端部を支持し、軸方向に前記第１の端板と前記第３の端板の間の位置に配される第２の端板と、
前記フレーム、前記反結合側軸受ブラケット、前記結合側軸受ブラケットおよび前記第１の端板、第２の端板および第３の端板とともに一つの閉空間を形成し、前記複数の通常冷却管および前記複数の短尺冷却管を収納する冷却器カバーと、
前記冷却器カバー内の上部を除く空間を軸方向に３つの領域に分割する２枚のガイド板と、
を備えることを特徴とする全閉外扇形回転電機。
【請求項２】
前記短尺冷却管の配される領域は、前記通常冷却管の配される領域に囲まれていることを特徴とする請求項１に記載の全閉外扇形回転電機。
【請求項３】
前記短尺冷却管の配される領域は、前記通常冷却管の配される領域に隣接しており、かつ囲まれた領域ではないことを特徴とする請求項１に記載の全閉外扇形回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全閉外扇形回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
全閉外扇形回転電機は、回転子、固定子を備えており、さらに、典型的には冷却器も備えている。回転子のロータシャフトの一端（反結合側）には、通常、外扇が設けられている。外扇により駆動された外気は、冷却器の軸方向に延びた複数の冷却管のそれぞれの一方の開口から冷却管内に流入し、他方の開口から外部に流出する。
【０００３】
全閉外扇形回転電機においては、フレームと冷却器カバーとで一つの閉空間を形成している。冷却管はこの閉空間内を貫通しており、冷却管の外側は、閉空間の雰囲気である。通常は、空気などの冷却用気体がこの閉空間内を循環する。
【０００４】
冷却管内を通過する外気は、冷却管の外側の冷却用気体を冷却する。冷却用気体は、回転子鉄心、固定子鉄心および固定子巻線等を冷却する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】実開昭６３−１０９５６０号公報
【特許文献２】特開２００８−１７２９６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
冷却管内を流れる外気は、冷却管外の冷却用気体と熱交換し、冷却用気体を冷却する結果、流れるに従って、冷却用気体から交換熱を受け取り温度が上昇する。この結果、上流側すなわち外扇が取り付けられた反結合側領域に比べて、下流側すなわち結合側領域の方が、冷却管内の外気の温度が高い状態となる。
【０００７】
一方、冷却管の外側の閉空間内の冷却用気体の冷却器内の流れは、通常、ガイド板等によりガイドされ、回転軸方向について、結合側の領域と反結合側の領域とにほぼ均等に流れる。
【０００８】
この結果、伝熱面積当たりの交換熱量が、反結合側領域に比べて、結合側領域で低くなり、冷却器全体としての冷却効率が低下することとなる。
【０００９】
固定子の軸方向温度分布の均一化を図る方法としては、回転軸方向に沿ってフレームに複数の排気孔を設けて、それぞれの開口面積を調節可能にする技術が知られている（特許文献１参照）。また、固定子の径方向外側に軸方向に沿って分割された流路を形成して、各流路の風量の調節を行う方法が知られている（特許文献２参照）。
【００１０】
しかしながら、これらの技術では、それぞれの風量を調節する必要があり、前記のような冷却器の構成に適用すると、複雑化するという問題があり、より簡素化された構成が望まれていた。
【００１１】
そこで、本発明は、より簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明は、回転軸の周りを回転可能に支持され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配さ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配された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の径方向内側部分を貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記固定子および前記回転子鉄心を収納するフレームと、前記ロータシャフトの両端を回転可能に支持する反結合側軸受および結合側軸受と、前記反結合側軸受および前記結合側軸受のそれぞれを固定支持する反結合側軸受ブラケットおよび結合側軸受ブラケットと、前記ロータシャフトの前記回転子鉄心を挟んで軸方向で、前記反結合側軸受と前記結合側軸受とに挟まれた位置にそれぞれ取り付けられた２つの内扇と、前記ロータシャフトの前記反結合側軸受の軸方向の外側に取り付けられた外扇と、前記フレームの冷却器接続面の外側に配された冷却器と、を備えた全閉外扇形回転電機であって、前記冷却器は、互いに並列に配され、軸方向に延びて両端が開放され前記外扇からの外気の流路となる複数の通常冷却管と、前記冷却器接続面に平行な方向および冷却器接続面に垂直な方向で前記通常冷却管の配される領域に少なくとも隣接する領域に配され、軸方向に延びて両端が開放され前記複数の通常冷却管より短く前記外扇からの外気の流路となる複数の短尺冷却管と、前記通常冷却管の外気入口側の端部を支持する第１の端板と、前記通常冷却管の外気出口側の端部および前記短尺冷却管の外気出口側の端部を支持する第３の端板と、前記短尺冷却管の外気入口側の端部を支持し、軸方向に前記第１の端板と前記第３の端板の間の位置に配される第２の端板と、前記フレーム、前記反結合側軸受ブラケット、前記結合側軸受ブラケットおよび前記第１の端板、第２の端板および第３の端板とともに一つの閉空間を形成し、前記複数の通常冷却管および前記複数の短尺冷却管を収納する冷却器カバーと、前記冷却器カバー内の上部を除く空間を軸方向に３つの領域に分割する２枚のガイド板と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、より簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す軸方向に沿った断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の冷却器の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視正面図である。
【図３】第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の冷却器内の構成を示す図４のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視正面図である。
【図４】第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の冷却器内の構成を示す図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る全閉外扇形回転電機について説明する。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。
【００１６】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の構成を示す軸方向に沿った断面図である。また、図２は、冷却器の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ矢視正面図である。全閉外扇形回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、フレーム４０、反結合側軸受３０ａ、結合側軸受３０ｂ、および冷却器６０を有する。
【００１７】
回転子１０は、回転軸方向（以下、軸方向という。）に水平に延びたロータシャフト１１、およびロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２を有する。
【００１８】
ロータシャフト１１の軸方向の一方の端部は、結合対象、すなわち、当該全閉外扇形回転電機１００が電動機ならば駆動対象負荷、当該全閉外扇形回転電機１００が発電機ならば原動機と結合する結合部１１ａが形成されている。以下、軸方向に、結合部１１ａの方向を結合側、これと反対の方向を反結合側と言うこととする。
【００１９】
ロータシャフト１１は、反結合側軸受３０ａおよび結合側軸受３０ｂにより回転可能に支持されている。ロータシャフト１１には、軸方向に回転子鉄心１２を挟んで、反結合側の反結合側軸受３０ａの内側に内扇５１ａが、結合側の結合側軸受３０ｂの内側に内扇５１ｂが、それぞれ取り付けられている。また、ロータシャフト１１の反結合側軸受３０ａの軸方向の外側には、当該全閉外扇形回転電機１００を自ら冷却するために、外扇５５が設けられている。また、外扇５５を覆うように外扇カバー５６が取り付けられている。外扇カバー５６には、外気の取入のための外気流入孔５６aが形成されている。
【００２０】
固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側にギャップ１８を介して設けられた円筒状の固定子鉄心２１、および固定子鉄心２１の径方向内側表面近傍を回転軸方向に貫通する固定子巻線２２を有する。
【００２１】
フレーム４０は、固定子２０および回転子鉄心１２を収納するように、これらの径方向を囲んでいる。フレーム４０の回転軸方向の両側には、反結合側軸受ブラケット４５ａおよび結合側軸受ブラケット４５ｂが設けられている。反結合側軸受ブラケット４５ａおよび結合側軸受ブラケット４５ｂは、それぞれ反結合側軸受３０ａおよび結合側軸受３０ｂを静止支持している。
【００２２】
フレーム４０の上方には、冷却器６０が設けられており、フレーム４０の上面である冷却器接続面４７で、フレーム４０と接続している。冷却器６０は、複数の通常冷却管６１ａおよび複数の短尺冷却管６１ｂ、冷却器カバー６３、第１の端板６２ａ、第２の端板６２ｂ、第３の端板６２ｃ、およびガイド板６６ａ、６６ｂを有する。
【００２３】
第１の端板６２ａは、反結合側に、また、第３の端板６２ｃは、結合側に設けられている。第１の端板６２ａの一部は開口となっており、開口に相当する部分が第２の端板６２ｂとして、第１の端板６２ａおよび第３の端板６２ｃの軸方向に中間の位置に設けられている。
【００２４】
図２に示すように、第２の端板６２ｂは、冷却器６０の正面から見て水平方向および鉛直方向に第１の端板６２ａのほぼ中央に位置している。第１の端板６２ａの開口の４つの辺と、第２の端板６２ｂの４つの縁部は、それぞれ接続板６７で接続されている。
【００２５】
複数の通常冷却管６１ａおよび複数の短尺冷却管６１ｂは、互いに並列に配され軸方向に延びており、冷却器カバー６３に収納されている。
【００２６】
複数の通常冷却管６１ａのそれぞれは、両端が第１の端板６２ａおよび第３の端板６２ｃを貫通し、第１の端板６２ａおよび第３の端板６２ｃにより固定支持されている。それぞれの通常冷却管６１ａの両端は第１の端板６２ａおよび第３の端板６２ｃの外側において開口している。
【００２７】
複数の短尺冷却管６１ｂのそれぞれは、両端が第２の端板６２ｂおよび第３の端板６２ｃを貫通し、第２の端板６２ｂおよび第３の端板６２ｃにより固定支持されている。それぞれの短尺冷却管６１ｂの両端は第２の端板６２ｂおよび第３の端板６２ｃの外側において開口している。
【００２８】
フレーム４０、反結合側軸受ブラケット４５ａ、結合側軸受ブラケット４５ｂ、冷却器カバー６３、第１の端板６２ａ、第２の端板６２ｂ、第３の端板６２ｃ、および接続板６７は、互いに相俟って閉空間４０ａを形成している。また、冷却器６０においては、通常冷却管６１ａおよび短尺冷却管６１ｂも閉空間４０ａを形成する要素であり、通常冷却管６１ａおよび短尺冷却管６１ｂの外側が閉空間４０ａとなっている。
【００２９】
フレーム４０内の空間と、冷却器カバー６３内の空間は、冷却器接続面４７に形成された冷却器入口開口６４および冷却器出口開口６５ａ、６５ｂで互いに連通している。冷却器入口開口６４は軸方向の中央に、また、冷却器出口開口６５ａ、６５ｂはこれを挟んで軸方向の両側であって、それぞれが、内扇５１ａ、５１ｂの上方に設けられている。
【００３０】
閉空間４０ａ内は、たとえば空気などの冷却用気体が満たされている。冷却用気体は、内扇５１ａおよび内扇５１ｂに駆動されて、閉空間４０ａ内を循環する。具体的には、内扇５１ａは、反結合側軸受３０ａ側から回転子１０側に冷却用気体を圧送する。また、内扇５１ｂは、結合側軸受３０ｂ側から回転子１０側に冷却用気体を圧送する。
【００３１】
反結合側および結合側からそれぞれ内扇５１ａ、５１ｂにより回転子１０側に圧送された冷却用気体は、回転子１０およびギャップ１８に流入し、回転子鉄心１２および固定子２０を冷却しながら通過した後に、冷却器入口開口６４を経由して、冷却器６０に流入する。
【００３２】
冷却器入口開口６４を経由して冷却器６０に流入した冷却用気体は、ガイド板６６ａとガイド板６６ｂの間で冷却器カバー６３に囲まれた空間（上昇流路）を、通常冷却管６１ａ、短尺冷却管６１ｂおよび接続板６７に囲まれた外気通路６７ａそれぞれの内部の外気に冷却されながら、これらの外側を上昇した後、上部連通空間６３ａ内に流入する。上部連通空間６３ａに流入した冷却用気体は、軸方向の両側、すなわち反結合側および結合側にそれぞれ分流する。
【００３３】
上部連通空間６３ａから反結合側に分流した冷却用気体は、下方に方向転換した後に、反結合側下降流路を、通常冷却管６１ａおよび接続板６７の内部の外気により冷却されながら下降する。ここで、反結合側下降流路とは、第１の端板６２ａとガイド板６６ａの間であって、かつ接続板６７で構成された外気通路６７ａの外側で冷却器カバー６３に囲まれた空間である。下降した冷却用気体は、冷却器出口開口６５ａを介して、フレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇５１ａに流入し、内扇５１ａによって回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。このように、冷却用気体は、反結合側の循環流路を循環する。
【００３４】
なお、接続板６７は、第１の端板６２ａと第２の端板６２ｂとを接続する強度メンバーの構造体であり、伝熱を目的としたものではないので、通常、伝熱効果は、通常冷却管６１ａや短尺冷却管６１ｂに比べてはるかに小さい。
【００３５】
また、上部連通空間６３ａから結合側に分流した冷却用気体は、下方に方向転換した後に、ガイド板６６ｂと第３の端板６２ｃに挟まれ冷却器カバー６３に囲まれた空間（結合側下降流路）を、通常冷却管６１ａおよび短尺冷却管６１ｂの内部を流れる外気により冷却されながら下降する。下降した冷却用気体は、冷却器出口開口６５ｂを介して、フレーム４０内に流入する。フレーム４０内に流入した冷却用気体は、内扇５１ｂに流入し、内扇５１ｂによって回転子鉄心１２および固定子２０側に圧送される。このように、冷却用気体は、結合側の循環流路を循環する。
【００３６】
以上のように、冷却用気体は、閉空間４０ａ内で、結合側の循環流路すなわち上昇流路と反結合側下降流路と、反結合側の循環流路すなわち上昇流路と結合側下降流路の２つの流路に分かれて循環する。
【００３７】
一方、外気は、外扇５５により、外扇カバー５６に形成されている外気流入口５６ａから外扇カバー５６内に吸い込まれ、第１の端板６２ａ側から複数の通常冷却管６１ａのそれぞれの内部に圧送されるとともに、外気の一部は、接続板６７に囲まれた外気通路６７ａを通過して第２の端板６２ｂ側から複数の短尺冷却管６１ｂのそれぞれの内部に圧送される。
【００３８】
第１の端板６２ａにおいて複数の通常冷却管６１ａのそれぞれに流入しその内部を通過する外気は、まず、反結合側下降流路を下降する冷却用気体を冷却しながら温度上昇し、次に、上昇流路を上昇する冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、結合側下降流路を下降する冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、第３の端板６２ｃ側で冷却管６０から流出する。
【００３９】
一方、第２の端板６２ｂにおいて複数の短尺冷却管６１のそれぞれに流入しその内部を通過する外気は、まず、上昇流路を上昇する冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、結合側下降流路を下降する冷却用気体を冷却しながら温度上昇した後、第３の端板６２ｃ側で冷却管６０から流出する。
【００４０】
以上のような本実施形態に係る全閉外扇形回転電機の冷却器６０の構成は、次のような作用をもたらす。
【００４１】
第１には、結合側下降流路を下降する冷却用気体は、実質的には、通常冷却管６１ａを通過する外気により冷却される。これに対して、結合側下降流路を下降する冷却用気体は、通常冷却管６１ａを通過する外気と短尺冷却管６１ｂを通過する外気の両方により冷却される。
【００４２】
第２には、短尺冷却管６１ｂ内の外気は、上昇通路の途中から冷却用気体を冷却するため、結合側下降流路の領域においても、入口からの温度上昇幅は、通常冷却管６１ａ内を通過する外気の温度の上昇幅に比べて小さい。
【００４３】
これらの２つの効果により、外気が冷却管内を通過して温度上昇することによる、閉空間４０ａ内の反結合側循環流路を流れる冷却用気体に対する冷却効果と結合側循環流路を流れる冷却用気体に対する冷却効果のアンバランスの問題を、解消することができる。
【００４４】
冷却器６０から戻って、内扇５１ａから回転子１０側に圧送される冷却用気体の温度と、内扇５１ｂから回転子１０側に圧送される冷却用気体の温度とを等しくするには、第２の端板６２ｂの軸方向の位置を調整する方法、通常冷却管６１ａの本数と短尺冷却管６１ｂの本数の互いの割合を調整する方法、あるいは両者を合わせて行う方法を採ることができる。
【００４５】
冷却器６０から戻って、内扇５１ａから回転子１０側に圧送される冷却用気体の温度と、内扇５１ｂから回転子１０側に圧送される冷却用気体の温度とを等しくすることによって、冷却効率を向上することができる。
【００４６】
以上のように、本実施形態に係る全閉形回転電機においては、より簡素化された構成により全閉外扇形回転電機の冷却効率を確保することができる。
【００４７】
［第２の実施形態］
図３は、第２の実施形態に係る全閉外扇形回転電機の冷却器の構成を示す図４のＩＩＩ−ＩＩＩ矢視正面図である。また、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ矢視断面図である。
【００４８】
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態は、次の点で第１の実施形態と異なっており、その他の点においては、本第２の実施形態は、第１の実施形態と同様である。
【００４９】
すなわち、第１の実施形態における短尺冷却管６１ｂは、通常冷却管６１ａの配列に囲まれた位置にあり、短尺冷却管６１ｂを支持する入口側の第２の端板６２ｂは、外気の流れの入口側から見て、第１の端板６２ａのほぼ中央に位置している。一方、本第２の実施形態においては、短尺冷却管６１ｂは、通常冷却管６１ａの配列に隣接はしているが通常冷却管６１ａの配列に囲まれてはいない。したがって、短尺冷却管６１ｂを支持する入口側の第２の端板６２ｂは、外気の流れの入口側から見て、水平方向および鉛直方向に端部に配されている。したがって、冷却器カバー６３は、第１の端板６２ａの入口側の角が、軸方向の途中まで切り欠かれたような形状となっている。
【００５０】
このような本実施形態の特徴により、冷却器カバー６３の外形は、切り欠かれた分、小さくなるため、特に狭い場所に全閉外扇形回転電機を設置する場合のように周囲と配置状の干渉を生じる場合に、対応の柔軟性を確保することができる。
【００５１】
また、第２の端板６２ｂの入口側が外気通路のような形態ではなく、開放されていることから、その分、圧力損失が低減される、あるいは外気の温度上昇が減少する。
【００５２】
［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、実施形態においては、横置型の回転電機の場合を例にとって示したが、立置型の場合であってもよい。
【００５３】
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。
【符号の説明】
【００５４】
１０…回転子、１１…ロータシャフト、１１ａ…結合部、１２…回転子鉄心、１８…ギャップ、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０ａ…反結合側軸受、３０ｂ…結合側軸受、４０…フレーム、４０ａ…閉空間、４５ａ…反結合側軸受ブラケット、４５ｂ…結合側軸受ブラケット、４７…冷却器接続面、５１ａ、５１ｂ…内扇、５５…外扇、５６…外扇カバー、５６ａ…外気流入孔、６０…冷却器、６１ａ…通常冷却管、６１ｂ…短尺冷却管、６２ａ…第１の端板、６２ｂ…第２の端板、６２ｃ…第３の端板、６３…冷却器カバー、６３ａ…上部連通空間、６４…冷却器入口開口、６５ａ、６５ｂ…冷却器出口開口、６６ａ、６６ｂ…ガイド板、６７…接続板、６７ａ…外気通路、１００…全閉外扇形回転電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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