(57)【要約】【課題】密閉型回転電機について、複雑な加工を必要とせずに、除熱機能を確保する。【解決手段】密閉型回転電機は、ロータシャフトと回転子鉄心とを有する回転子と、固定子鉄心と固定子コイルとを有する固定子と、フレームと、外部冷却構造体１１０とを有する。外部冷却構造体１１０は、フレームとは間隔をあけて対向するように配されてフレームの筒状部分を覆いフレームとともに密閉空間１１８を形成する冷却部カバーと、冷却部カバー内面とフレームの外面間を接続して密閉空間１１８内を区画して冷却材の流路を形成する仕切り部材１１２とを有する。また、外部からの冷却材の注入部１１５が形成され、流路の出口には外部への冷却材の排出部１１６が形成されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項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設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て鉄心用鋼板が積層された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に形成されたスロット内に布設された固定子コイル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して筒状に延びたフレームと、
前記フレームの径方向外側に設けられて、前記フレームを外部から冷却する外部冷却構造体と、
を備え、
前記外部冷却構造体は、
前記フレームとは間隔をあけて対向するように配されて前記フレームの筒状部分を覆い前記フレームとともに密閉空間を形成する冷却部カバーと、
前記冷却部カバーの内面と前記フレームの外面間を接続して、前記密閉空間内を区画して冷却材の流路を形成する仕切り部材と、
を有し、
外部からの冷却材の注入部が形成され、前記流路の出口には外部への冷却材の排出部が形成されていることを特徴とする密閉型回転電機。
【請求項２】
前記仕切り部材は、軸方向に向けて互いに周方向に間隔をあけて、流れ方向が軸方向であって交互に逆転するように配設されている軸方向仕切り板を有することを特徴とする請求項１に記載の密閉型回転電機。
【請求項３】
前記仕切り部材は、軸方向に向けて互いに周方向に間隔をあけて、流れ方向が軸方向であって交互に逆転するように複数の第１短尺仕切り板が列状にかつ列方向に向けて配設され、前記列方向に対して傾きを有する第２短尺仕切り板を有し、
前記第１短尺仕切り板と前記第２短尺仕切り板は交互に配列されている、
ことを特徴とする請求項１に記載の密閉型回転電機。
【請求項４】
前記仕切り部材は、軸方向にスパイラルに進むように配されているスパイラル仕切り板を有することを特徴とする請求項１に記載の密閉型回転電機。
【請求項５】
前記仕切り部材は、
前記密閉空間を２つの領域に分割する軸方向に配された２つの区画仕切り板と、
前記２つの領域のそれぞれにおいて、軸方向に向けて互いに周方向に間隔をあけて、流れ方向が軸方向であって交互に逆転するように配設された周方向仕切り板と、
を有し、
前記注入部および前記排出部はそれぞれの区画に独立に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の密閉型回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から冷却する密閉型の回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転電機の固定子コイルには、出力に応じた電流が流れる。電流が流れることによりジュール熱による銅損が生ずる。固定子コイルの導体間、あるいは固定子コイルの導体と固定子鉄心や支持部等の構造物間には、短絡を防止するための絶縁物が設けられている。
【０００３】
温度条件に応じた絶縁等級ごとに絶縁物の材料が異なる。絶縁物の絶縁機能を余裕をもって確保するためにも、固定子の冷却が重要である。
【０００４】
密閉型の回転電機の固定子を外部から冷却する技術としては、フレームの板厚内に冷却用の穴を設ける例が知られている（特許文献１）。また、フレームの内面に冷却用媒体が通過する溝を設ける技術が知られている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３６９０９２０号公報
【特許文献２】実用新案登録第２５１３５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フレームに冷却用の穴を設ける技術や、フレームに冷却用媒体が通過する溝を設ける技術は、フレームの加工を行う必要があり、経済性からは好ましくない。また、十分な伝熱面積を確保する観点からも、十分とは言えない。
【０００７】
そこで、本発明は、密閉型回転電機について、複雑な加工を必要とせずに、除熱機能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】
【０００８】
上述の目的を達成するため、本発明に係る密閉型回転電機は、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設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て鉄心用鋼板が積層された固定子鉄心と、前記固定子鉄心に形成されたスロット内に布設された固定子コイル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して筒状に延びたフレームと、前記フレームの径方向外側に設けられて、前記フレームを外部から冷却する外部冷却構造体と、を備え、前記外部冷却構造体は、前記フレームとは間隔をあけて対向するように配されて前記フレームの筒状部分を覆い前記フレームとともに密閉空間を形成する冷却部カバーと、前記冷却部カバーの内面と前記フレームの外面間を接続して、前記密閉空間内を区画して冷却材の流路を形成する仕切り部材と、を有し、外部からの冷却材の注入部が形成され、前記流路の出口には外部への冷却材の排出部が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、密閉型回転電機について、複雑な加工を必要とせずに、除熱機能を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態に係る密閉型回転電機の構成を示す立断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。
【図３】第１の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。
【図４】第２の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。
【図５】第２の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。
【図６】第３の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。
【図７】第３の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。
【図８】第４の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。
【図９】第４の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る密閉型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。
【００１２】
［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る密閉型回転電機の構成を示す立断面図である。密閉型回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、フレーム３１、軸受４０、および外部冷却構造体１１０を有する。
【００１３】
回転子１０は、両端を回転可能に軸支されたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に固定された円筒形上の回転子鉄心１２とを有する。固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側で回転子鉄心１２に対向するように静止固定された円筒状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の内側表面近傍に形成されて互いに平行に周方向に間隔をあけて配列され軸方向に延びた図示しないスロット中に布設された固定子コイル２２とを有する。
【００１４】
フレーム３１は、筒状に軸方向に延びて、固定子２０および回転子鉄心１２を収納するとともに、固定子２０を静止支持する。軸受４０は、フレーム３１に固定支持され、ロータシャフト１１を回転可能に支持する。
【００１５】
フレーム３１の径方向の外側には、外部冷却構造体１１０が設けられている。主に固定子コイル２２で発生するジュール熱は、熱伝導によりフレーム３１に移行する。フレーム内部の熱は、フレーム３１と冷却用気体間の熱伝達により、フレーム３１に移行する。このように、フレーム３１に移行した熱は、フレーム３１に取り付けられた外部冷却構造体１１０により除去される。
【００１６】
図２は、本実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。また、図３は、外部冷却構造体の周方向の展開図である。外部冷却構造体１１０は、冷却部カバー１１１、軸方向仕切り板１１２、注入部１１５および排出部１１６を有する。
【００１７】
冷却部カバー１１１は、フレーム３１の筒状の面の径方向外側に、筒状の面に対向するように間隔を空けて設けられている。冷却部カバー１１１は、軸方向にはほぼフレーム３１の長さ程度であり、周方向には、ほぼ全周にわたり布設される。ただし、端子台１５０がフレーム３１の外表面に取り付けられており、冷却部カバー１１１が布設された範囲から端子台１５０が設けられている部分が除外されている。
【００１８】
冷却部カバー１１１の側面とフレーム３１との間には図示しない側板が設けられている。フレーム３１、冷却部カバー１１１および側板は、密閉空間１１８を形成する。側板はフレーム３１に溶接等で取り付けられている。
【００１９】
注入部１１５および排出部１１６は、冷却部カバー１１１の周方向の一方の端部と、冷却部カバー１１１の周方向の他方の端部との間の位置において、フレーム３１に取り付けられている。なお、図２では、注入部１１５および排出部１１６がフレーム３１の上部に取り付けられている例を示しているが、これには限定されない。周方向のいずれの個所でもよい。
【００２０】
注入部１１５には注入管１１５ｂが接続されている。注入部１１５はボックス形状であり、密閉空間１１８と図示しない連通口で気密に連通している。排出部１１６はボックス形状であり、密閉空間１１８と図示しない連通口で気密に連通している。
【００２１】
このため、注入管１１５ｂから注入された冷却媒体は、注入部１１５を経由して密閉空間１１８に流入する。また、密閉空間１１８から排出部１１６を経由して排出管１１６ｂから排出される。
【００２２】
密閉空間１１８は、ほぼ環状の空間である。ただし、ほぼ全周に近いが、全周にわたっているのではなく、注入部１１５および排出部１１６が設けられている部分の周方向角度領域は含まれず、この部分にそれぞれフレーム３１に垂直な方向に仕切りを有する。密閉空間１１８は、周方向に展開すれば、ほぼ直方体形状である。周方向の端部に注入部１１５との連通口、および排出部１１６との連通口が形成されている。密閉空間１１８内は、冷却材の流路を形成する仕切り部材としての、複数の軸方向仕切り板１１２によって、流路が形成されている。複数の軸方向仕切り板１１２は、軸方向に向けて互いに周方向に間隔をあけて配列されている。互いに隣接する軸方向仕切り板１１２は、流れ方向が軸方向であって交互に逆転するように配設されている。
【００２３】
なお、注入部１１５と排出部１１６の位置が互いに逆で、流れ方向が図３と逆の場合でもよい。
【００２４】
以上のように構成された本実施形態に係る密閉型回転電機２００の作用について説明する。密閉型回転電機２００の運転中に、固定子コイル２２で発生するジュール熱をはじめフレーム３１の内部で発生する熱は、フレーム３１内の支持構造物などを経由した熱伝導により、あるいはフレーム３１内部の熱伝達により、フレーム３１に移行する。
【００２５】
フレーム３１に移行した熱は、フレーム３１と密閉空間１１８内を流れる冷却媒体との熱伝達により冷却媒体に移行する。また、フレーム３１に移行した熱の一部は、フレーム３１に溶接等で固定されているそれぞれの軸方向仕切り板１１２に熱伝導により移行する。軸方向仕切り板１１２に移行した熱は、軸方向仕切り板１１２と密閉空間１１８内を流れの冷却媒体との熱伝達により冷却媒体に移行する。このように、冷却媒体への伝熱面積としては、フレーム３１の表面積のみならず、これとは形態は異なるが軸方向仕切り板１１２の両面の表面積も含まれることになる。すなわち、この分、除熱能力が向上する。
【００２６】
また、密閉空間１１８の内部での冷却媒体の流れ方向が軸方向で、かつ、交互に互いに反対方向に変化するため、被冷却側のフレーム３１内の冷却気体の軸方向の温度分布が生ずるのを抑制することができ、フレーム３１内の温度の均一化を図ることができる。
【００２７】
以上のように、本実施形態によれば、密閉型回転電機２００について、複雑な加工を必要とせずに、除熱機能を確保することができる。
【００２８】
［第２の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、密閉空間１１８の内部の冷却材の流路を形成する仕切り部材が第１の実施形態とは異なる。図４は、第２の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図であるが、図４に示すように、本第２の実施形態の外形は、第１の実施形態と同様である。
【００２９】
図５は、第２の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。外部冷却構造体１２０の流路の構成は第１の実施形態と同様に、流れ方向が軸方向であって交互に逆転するように形成されている。仕切り部材としては、複数の第１短尺仕切り板１２２および複数の第２短尺仕切り板１２３を含む。すなわち、第１の実施形態におけるそれぞれの軸方向仕切り板１１２に代えて、複数の第１短尺仕切り板１２２および複数の第２短尺仕切り板１２３が配列されている。
【００３０】
複数の第１短尺仕切り板１２２は、長手方向を流れ方向に、かつ列方向に向けて配設されている。また、複数の第２短尺仕切り板１２３は、列方向に対して傾きを有するように、第１短尺仕切り板１２２と交互に配列されている。
【００３１】
以上のように構成された本実施形態に係る密閉型回転電機においては、仕切り部材の両面の表面積が、複数の第１短尺仕切り板１２２の両面の表面積と複数の第２短尺仕切り板１２３の両面の表面積のほぼ合計となることから、伝熱面積が増加する。
【００３２】
また、密閉空間１１８内の流れが乱れることから仕切り部材のそれぞれの部分において、冷却媒体の流速が増加し、レイノズル数が増加する。レイノズル数の増加により熱伝達率が増加する。
【００３３】
以上のように、伝熱面積および熱伝達率が増加する結果、冷却能力が増加する。
【００３４】
［第３の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態の変形である。図６は、第３の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。本第３の実施形態においては、冷却器カバー１３１は、注入部１１５および排出部１１６の部分を除いて、全周にわたって設けられている。
【００３５】
図７は、第３の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。本実施形態においては、外部冷却構造体１３０の仕切り部材として、スパイラル仕切り板１３３が設けられている。スパイラル仕切り板１３３は、軸方向に垂直に周方向に沿って、傾きをもって、すなわちスパイラル状に取りつけられている。本実施形態においては、冷却媒体の流路は、１つの方向のみの流路である。すなわち、注入部１１５から密閉空間１１８に流入した冷却媒体は、流れの方向を変えずに、密閉空間１１８内を周方向に進み、排出部１１６から排出される。
【００３６】
以上のように形成された本実施形態においては、密閉空間１１８内の流路に、方向転換、拡大、縮小がないため、圧力損失が低く、冷却媒体の循環システムの動力を低減することができる。
【００３７】
［第４の実施形態］
本実施形態は、第１の実施形態と比べると、流れ方向が、軸方向ではなく、軸に垂直な方向である。また、密閉空間１４９ａおよび密閉空間１４９ｂの２つ密閉空間が形成されている点で異なる。図８は、第４の実施形態に係る密閉型回転電機の側面図である。それぞれボックス形状の注入部１４５と排出部１４６、注入部１４７と排出部１４８の２組が設けられている。また、注入部１４５と排出部１４６、注入部１４７と排出部１４８それぞれに接続される配管も、注入管１４５ｂと排出管１４６ｂ、注入管１４７ｂと排出管１４８ｂが設けられている。
【００３８】
図９は、第４の実施形態の密閉型回転電機の外部冷却構造体の周方向の展開図である。外部冷却構造体１４０は、密閉空間内の仕切り部材として、区画仕切り板１４２と、周方向仕切り板１４３を有する。
【００３９】
区画仕切り板１４２は、軸に垂直方向に設けられて、密閉空間１４９ａおよび密閉空間１４９ｂを画する。密閉空間１４９ａ内および密閉空間１４９ｂ内のそれぞれには、周方向仕切り板１４３により流路が形成されている。流路は、軸に垂直方向であり、互いに隣接する流路は、互いに逆方向の流路である。
【００４０】
以上のように構成されている本実施形態では、流路が、軸に垂直方向で、かつ交互に方向が逆転することにより、周方向の温度分布の均一化を図ることができる。また、軸方向に分割することにより、軸方向の温度分布の均一化を図ることができる。
【００４１】
［その他の実施形態］
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。たとえば、外部冷却機構は、フレームの外表面に接する箇所で溶接等によりフレームに固着されている場合を示したが、これに限定されない。たとえば、外部冷却機構がフレームから取り外し可能に構成されていてもよい。また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。
【００４２】
さらに、これらの実施形態は、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。
【００４３】
これら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】
【００４４】
１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子コイル、３１…フレーム、４０…軸受、１１０…外部冷却構造体、１１１…冷却部カバー、１１２…軸方向仕切り板（仕切り部材）、１１５…注入部、１１５ｂ…注入管、１１６…排出部、１１６ｂ…排出管、１１８…密閉空間、１２０…外部冷却構造体、１２２…第１短尺仕切り板（仕切り部材）、１２３…第２短尺仕切り板（仕切り部材）、１３０…外部冷却構造体、１３１…冷却器カバー、１３３…スパイラル仕切り板（仕切り部材）、１４０…外部冷却構造体、１４２…区画仕切り板（仕切り部材）、１４３…周方向仕切り板（仕切り部材）、１４５…注入部、１４５ｂ…注入管、１４６…排出部、１４６ｂ…排出管、１４７…注入部、１４７ｂ…注入管、１４８…排出部、１４８ｂ…排出管、１４９ａ、１４９ｂ…密閉空間、１５０…端子台、２００…密閉型回転電機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2016135049.tif 000009
【図８】
2016135049.tif 000010
【図９】
2016135049.tif 000011