(57)【要約】【課題】回転電機の始動時間の低減を図る。【解決手段】回転電機は、ロータシャフト１１と回転子鉄心とを有する回転子と、固定子鉄心と固定子巻線とを有する固定子と、回転子鉄心と固定子とを収納するフレームと、ロータシャフト１１を回転可能に軸支する２つの軸受と、回転子鉄心の回転軸の方向の外側部分のロータシャフト１１に取り付けられたファン機構１００を備える。ファン機構１００は、周方向に互いに間隔をあけて配された複数の羽根１０１と、ロータシャフト１１の回転に伴い複数の羽根１０１に作用する遠心力に抗して羽根１０１の径方向位置を回転軸の中心方向に引き戻そうとする復元力を作用させる弾性部材とを有する。【選択図】図２
2017208914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸の方向に延びて回転可能に軸支され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た円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を前記回転軸の方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
前記回転子鉄心と前記固定子とを収納するフレームと、
前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、
前記回転子鉄心の前記回転軸の方向の外側部分の前記ロータシャフトに取り付けられたファン機構と、
を備え、
前記ファン機構は、
周方向に互いに間隔をあけて配された複数の羽根と、
前記ロータシャフトの回転に伴い前記複数の羽根に作用する遠心力に抗して前記羽根の径方向位置を前記回転軸の中心方向に引き戻そうとする復元力を作用させる弾性部材と、
を有することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記ファン機構は、
前記複数の羽根のそれぞれと結合し、前記ロータシャフトの回転数の増大に応じて遠心力により前記複数の羽根のそれぞれが径方向外側に移動するように、前記回転軸の方向との角度を可変に結合された羽根ロッドをさらに備え、
前記角度の増加に従って、前記弾性部材が伸びるように前記弾性部材が結合されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
回転軸の方向に延びて回転可能に軸支されたロータシャフトに取り付けられたファン機構において、
周方向に互いに間隔をあけて配された複数の羽根と、
前記ロータシャフトの回転に伴い前記複数の羽根に作用する遠心力に抗して前記羽根の径方向位置を前記回転軸の中心方向に引き戻そうとする復元力を作用させる弾性部材と、
を有することを特徴とするファン機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回転電機およびファン機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
送風機などの回転機械を起動する場合、たとえば、回転機械に直結した電動機により駆動トルクを印加して、回転数を上昇させる。回転数の上昇速度は、駆動トルクと負荷トルクの差に比例する。すなわち、駆動トルクが大きいほど、回転数の上昇速度が大きくなる。また、回転電機に、回転電機自体を冷却するための外部ファンあるいはファン機構が、回転電機のロータシャフトに取り付けられている場合も、外部ファンあるいはファン機構が実質的に被駆動側となり、同様の関係にある。
【０００３】
回転数の上昇速度は、互いに一体に回転する駆動側である電動機と被駆動部のそれぞれのフライホイール効果ＧＤ２［ｋｇｆ・ｍ２］あるいは慣性モーメントＪ［ｋｇ・ｍ２］の合計値に反比例する。ここで、慣性モーメントＪとフライホイール効果ＧＤ２とは、Ｊ＝１／４＊ＧＤ２の関係にある。以降は、慣性モーメントＪの用語を用いるが、フライホイール効果ＧＤ２を用いても同様の主旨となる。
【０００４】
したがって、慣性モーメントＪの合計値が増えると、回転数の上昇速度は小さくなるので、始動時間、すなわち駆動トルクが印加された時から定格回転数に至るまでの時間が長くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２７４５２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
始動時間が長くなることにより生ずる影響を以下に述べる。
【０００７】
一般に、電動機の始動時の定格回転数に至るまでの間、電動機の電機子には始動電流が流れる。始動電流は、通常、定格電流の数倍たとえば５倍程度となる。たとえば始動電流が定格電流の約５倍の場合、電動機内で発生する銅損はその二乗の約２５倍となり、この発熱量による温度上昇が問題となる。このため、大容量基の場合には、所定の時間内に起動しない場合には、自動的に電動機を停止するなどの対応が必要となってくる。あるいは、起動頻度の制限、起動間隔の制限が必要となる場合がある。
【０００８】
また、特に電動機の容量が大きい場合には、大きな始動電流が流れることにより、その電動機に電力を供給する電源母線の上流の電力ケーブルでの電圧降下も大きくなり、電源母線の電圧が低下する。
【０００９】
また、被駆動部が送風機や排風機などの場合、慣性モーメントＪが大きければ、電動機を停止しても回転が停止するまでに、長時間を要することになる。
【００１０】
このように、始動時間が長くなることにより、種々の影響がある。前述のように、慣性モーメントＪの合計値が増えることは、始動時間を長くするという結果をもたらす。
【００１１】
本発明は上記のような問題を解決するためになされたものであり、回転電機の始動時間の低減を図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、本発明に係る回転電機は、回転軸の方向に延びて回転可能に軸支され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た円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を前記回転軸の方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心と前記固定子とを収納するフレームと、前記ロータシャフトを回転可能に軸支する２つの軸受と、前記回転子鉄心の前記回転軸の方向の外側部分の前記ロータシャフトに取り付けられたファン機構と、を備え、前記ファン機構は、周方向に互いに間隔をあけて配された複数の羽根と、前記ロータシャフトの回転に伴い前記複数の羽根に作用する遠心力に抗して前記羽根の径方向位置を前記回転軸の中心方向に引き戻そうとする復元力を作用させる弾性部材と、を有することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るファン機構は、回転軸の方向に延びて回転可能に軸支されたロータシャフトに取り付けられたファン機構において、周方向に互いに間隔をあけて配された複数の羽根と、前記ロータシャフトの回転に伴い前記複数の羽根に作用する遠心力に抗して前記羽根の径方向位置を前記回転軸の中心方向に引き戻そうとする復元力を作用させる弾性部材と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、回転電機の始動時間の低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。
【図２】第１の実施形態に係るファン機構の構成を示す側面図である。
【図３】第１の実施形態に係るファン機構の構成を示す横断面図である。
【図４】第１の実施形態に係るファン機構の弾性構造体の構成を示す立断面図である。
【図５】第１の実施形態に係るファン機構の弾性構造体の復元時の状態を示す立断面図である。
【図６】第１の実施形態に係るファン機構の羽根が閉じた状態を示す側面図である。
【図７】第２の実施形態に係るファン機構の構成を示す側面図である。
【図８】第２の実施形態に係るファン機構の羽根が停止状態に復帰した状態を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機および非駆動側として内部ファンとしてのファン機構を例にとって説明する。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。
【００１７】
［第１の実施形態］
図１は、実施形態に係る回転電機の構成を示す縦断面図である。回転電機５００は、回転子１０、固定子２０、軸受３０、フレーム４０、ファン機構１００、および冷却器６１を有する。ファン機構１００については、図２以降で説明する。
【００１８】
回転子１０は、両端を軸受３０によってそれぞれ回転可能に軸支され回転軸の方向に水平に延びたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に設けられた円筒状の回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１の、回転子鉄心１２の軸方向外側にはそれぞれ、ファン機構１００が取り付けられている。
【００１９】
固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に回転子鉄心１２に対向するように設けられた円筒状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の径方向内側に円周上に互いに間隔をもって形成され軸方向に延びるスロット（図示せず）に収納されるように配された複数の固定子巻線２２を有する。
【００２０】
フレーム４０は、固定子２０および回転子鉄心１２の径方向外側に、これらを収納するように設けられている。２つの軸受ブラケット４５は、フレーム４０に支持され、それぞれ軸受３０を支持している。
【００２１】
フレーム４０の上方には、冷却器６１が設けられている。冷却器６１は、冷却器カバー６２内に収納されており、フレーム４０の上面と冷却器カバー６２とが、冷却用気体の流路を形成している。
【００２２】
フレーム４０、２つの軸受ブラケット４５、および冷却器カバー６２は、互いに相俟って密閉空間７０を形成している。フレーム４０内の空間と、冷却器カバー６２内の空間は、冷却器出口開口６５および２つの冷却器入口開口６４により連通している。冷却器出口開口６５は、軸方向には、冷却器６１の直下に形成されている。２つの冷却器入口開口６４のそれぞれは、軸方向には、２つのファン機構１００のそれぞれの上方に形成されている。
【００２３】
回転子１０および固定子２０等を冷却する冷却用気体は、２つのファン機構１００に駆動されて、この密閉空間７０内を循環する。冷却器６１は、複数の冷却管（図示せず）を有し、冷却用気体は、冷却管の管外を流れ、冷却気体を冷却する外気あるいは冷却水などの冷却媒体は管内を流れる。
【００２４】
ファン機構１００は遠心ファンである。したがって、冷却用気体は、回転子鉄心１２等から軸方向外側にあるファン機構１００に流入する。冷却用気体は、ファン機構１００から径方向外側に流出し、フレーム４０内から冷却器入口開口６４を経由して冷却器カバー６２内に流入する。
【００２５】
冷却器カバー６２内に流入した冷却用気体は、冷却器６１において外部の冷却媒体により冷却された後に、冷却器出口開口６５を経由して、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、固定子巻線２１から固定子２０および回転子１０に流入し、固定子２０および回転子１０を冷却した後に、ふたたびファン機構１００に流入する。
【００２６】
なお、以上、ファン機構１００が遠心ファンの場合を例にとって説明したが、軸流ファンの場合でもよい。この場合は、冷却用気体は、ファン機構１００から固定子２０および回転子１０に流入して固定子２０および回転子１０を冷却した後に、冷却器６１に流入する。すなわち、ファン機構１００が遠心ファンの場合とは、逆方向に循環する。
【００２７】
図２は、実施形態に係るファン機構の構成を示す側面図である。また、図３は、横断面図である。ファン機構１００は、羽根１０１、羽根ロッド１０２、および弾性構造体１２０を有する。
【００２８】
ロータシャフト１１の径方向外周面には、羽根ロッド取り付けバンド１１１が、ロータシャフト１１の回転軸に垂直な面に沿って、ロータシャフト１１の径方向の外表面を周方向に取り囲むように取り付けられている。
【００２９】
４枚の羽根１０１は、周方向に互いに等間隔に配されている。それぞれの羽根１０１は、棒状に延びた羽根ロッド１０２と剛に結合している。羽根ロッド１０２の羽根１０１との結合部分の反対端は、ロッド回転部１１２において羽根ロッド取り付けバンド１１１と軸方向に回動可能に結合されている。すなわち、羽根ロッド１０２は、ロッド回転部１１２の位置を中心にして、ロータシャフト１１の回転軸を含む平面に沿って回転可能に結合されている。なお、羽根１０１が４枚の場合を示したが、これより少ない場合、あるいは多い場合でもよい。
【００３０】
羽根ロッド取り付けバンド１１１に隣接して、筐体取り付けバンド１２２が、ロータシャフト１１の回転軸に垂直な面に沿って、ロータシャフト１１の径方向の外表面を周方向に取り囲むように取り付けられている。
【００３１】
筐体取り付けバンド１２２には、周方向に互いに間隔をあけて複数の筐体１２１が設けられている。それぞれの筐体１２１は、ロッド回転部１１２のそれぞれと周方向の同じ位置に配されている。
【００３２】
それぞれの筐体１２１内からは、バネロッド１２５が延びている。バネロッド１２５は、羽根ロッド１０２に設けられた羽根ロッド側回転部１２７において、回動可能に羽根ロッド１０２に、その端部が結合している。
【００３３】
図４は、実施形態に係るファン機構の弾性構造体の構成を示す立断面図である。また、図５は、弾性構造体の復元時の状態を示す立断面図である。
【００３４】
筐体１２１は、ロータシャフト１１の回転軸の方向に延びており、筐体取り付けバンド１２２（図２）によりロータシャフト１１の外表面に取り付けられている。筐体１２１内には、バネ１２３および移動体１２４が収納されている。
【００３５】
弾性構造体１２０は、筐体１２１、筐体取り付けバンド１２２、弾性部材としてのバネ１２３、移動体１２４、およびバネロッド１２５を有する。なお、弾性部材としては、バネ１２３に限定されない。たとえば、伸縮性のあるゴムなどの材料を用いてもよい。
【００３６】
バネ１２３は、一端を筐体１２１に支持されている。バネのもう一方の端部は、移動体１２４に結合されている。移動体１２４は、筐体１２１内で、筐体１２１の長手方向に移動可能である。
【００３７】
バネ１２３は、外力のない自由状態では、図５に示すように、長手方向に収縮した状態となっている。したがって、図４に示すように、移動体１２４が、図の左方向に移動することにより伸びた状態となると、移動体１２４に復元力を作用する。
【００３８】
移動体１２４は、移動体側回転部１２６にて、バネロッド１２５と回動可能に結合している。バネロッド１２５は、前述のように、羽根ロッド側回転部１２７にて、羽根ロッド１０２と回動可能に結合している。また、羽根ロッド１０２は、ロッド回転部１１２を中心に旋回可能である。
【００３９】
図４は、羽根ロッド１０２とロータシャフト１１の回転軸の方向とのなす角度がΘ１の場合、具体的には、９０度の場合である。また、図５は、羽根ロッド１０２とロータシャフト１１の回転軸の方向とのなす角度がΘ２の場合である。この状態は、後述するように、羽根１０１が、ロータシャフト１１の外表面に接している状態に対応する。この状態で、バネ１２３の伸びが所定の値となるように調整されている。すなわち、移動体１２４にバネ１２３の復元力が作用し、羽根ロッド１０２とロータシャフト１１の回転軸の方向とのなす角度がΘ２を増加させるのを抑制する所定の力がかかっている。
【００４０】
また、図４で示す状態は、移動体１２４を右に移動するバネ１２３の復元力が作用し、羽根ロッド１０２を倒す力がかかっている。
【００４１】
図６は、実施形態に係るファン機構の羽根が閉じた状態を示す側面図である。この状態は、図５の状態の場合に対応し、羽根１０１は、ロータシャフト１１の外表面に接している。
【００４２】
この図６で示す状態は、ロータシャフト１１の回転に伴い羽根１０１に働く遠心力により、羽根ロッド１０２とロータシャフト１１の回転軸の方向とのなす角度を、Θ２から増加させようとする力が、バネ１２３の復元力に打ち勝つまでの回転数の範囲で生ずる。すなわち、回転電機５００の始動時には、所定の値に設定されたこの状態におけるバネ１２３の伸びの値により決まる所定の回転数までは、図６で示す状態を維持する。
【００４３】
その後、所定の回転数を超えれば、回転数に応じた遠心力に吊り合うように、バネ１２３は延びていく。すなわち、羽根ロッド１０２とロータシャフト１１の回転軸の方向とのなす角度が徐々に増加する。
【００４４】
最終的には、図２で示した羽根ロッド１０２とロータシャフト１１の回転軸の方向とのなす角度がΘ１の状態に移行する。すなわち、ファン機構１００は、冷却ファンとして有する性能を発揮する状態となる。
【００４５】
以上のように、所定の回転数までは、ファン機構１００は、回転軸に沿った方向の状態を維持する。この状態では、ロータシャフト１１の回転軸から羽根１０１までの径方向の距離は小さく、ファン機構の慣性モーメントＪは、径方向に延びた状態に比べて小さい。したがって、所定の回転数までの回転数上昇時間を短縮する効果を生ずる。
【００４６】
以上のように、本実施形態によれば、回転電機の始動時間の低減を図ることができる。
【００４７】
［第２の実施形態］
図７は、第２の実施形態に係るファン機構の構成を示す側面図である。図７は、ロータシャフト１１が定格回転数で回転しているときの状態を示している。
【００４８】
ファン機構２００は、複数の羽根２１０およびそれぞれの羽根２１０を支持する複数の支持バネ２２０を有する。ロータシャフト１１の外表面には、周囲に支持バンド２４０が設けられている。複数の支持バネ２２０は、支持バンド２４０に一端を固定支持されている。また、複数の支持バネ２２０のそれぞれの他端は、それぞれの羽根２１０と剛に結合している。
【００４９】
支持バネ２２０の周囲には、複数のガイドロッド２３０が設けられている。ロータシャフト１１の回転数が増加すると、羽根２１０等に係る遠心力が増加し、遠心力に応じて支持バネ２２０が延びる。この際に、羽根２１０が羽根２１０としての性能を発揮できるように、羽根２１０の向きがずれないように羽根２１０および支持バネ２２０をガイドする。
【００５０】
図８は、第２の実施形態に係るファン機構の羽根が停止状態に復帰した状態を示す側面図である。ロータシャフト１１の回転数が所定の値以下となって、支持バネ２２０の復帰力が遠心力に勝って、支持バネ２２０がゼロの状態に復帰している状態である。この状態は、図７で示す支持バネが延びた状態に比べて、羽根２１０の慣性モーメントＪが小さい。したがって、所定の回転数までの回転数上昇時間を短縮する効果を生ずる。
【００５１】
以上のように、本実施形態によれば、回転電機の始動時間の低減を図ることができる。
【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。
【００５３】
たとえば、実施形態においては、被駆動側の機器として、内部ファンとして用いられるファン機構の場合を例にとって説明したが、これには限定されない。被駆動側の機器としては、たとえば、外部ファン、あるいは、空調設備のファンでもよい。あるいは、同様の機構が利用可能なものであれば、ファン以外の機器であってもよい。
【００５４】
また、実施形態では、便宜上、ロータシャフトが水平の場合を例にとって説明したが、これに限定されない。たとえば、ロータシャフトが鉛直方向に延びる立形の回転電機の場合であってもよい。
【００５５】
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。
【００５６】
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】
【００５７】
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…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、６１…冷却器、６２…冷却器カバー、６４…冷却器入口開口、６５…冷却器出口開口、７０…密閉空間、１００…ファン機構、１０１…羽根、１０２…羽根ロッド、１１１…羽根ロッド取り付けバンド、１１２…ロッド回転部、１２０…弾性構造体、１２１…筐体、１２２…筐体取り付けバンド、１２３…バネ（弾性部材）、１２４…移動体、１２５…バネロッド、１２６…移動体側回転部、１２７…羽根ロッド側回転部、２００…ファン機構、２１０…羽根、２２０…支持バネ、２３０…ガイドロッド、２４０…支持バンド、５００…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】
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【図８】
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