JP2011223804A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転装置の機械的損失をできるだけ小さくしながらも、外部装置が接続される側に設けられた軸受を十分に冷却すること。
【解決手段】遠心ファン７の小羽根７２が回転することで、ダクト５を介して、第２の軸受６２が配置される側にある、ハウジング１の副吸気口１３ａから冷却用エアがハウジング１内に吸入される。つまり、図１に示すようにハウジング１の第２の端部１ｂ側にエンジン１６０が配置されている場合であっても、ダクト５から供給される冷却用エアにより第２の軸受６２を冷却することができる。また、小羽根７２のサイズを大羽根７１より小さし、小羽根７２による風量を比較的小さくしている。これにより、例えば第２の軸受６２を冷却するために、軸流ファンを設けたり、別途の遠心ファン７を設けたりする場合に比べ、ダイナモ１５０を大型化することを防止でき、また、ダイナモ１５０の機械的損失をできるだけ小さくすることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ダイナモやモータ等の回転装置に関する。

ダイナモやモータを冷却する技術として、例えば特許文献１には、回転子の外周側に配置された固定子鉄心に、冷却気流を流通させる冷却用通気路が設けられた回転電機が開示されている。この回転電機の回転軸の一側には冷却ファンが取り付けられ、回転子の回転により冷却ファンが回転することで、冷却用外気が回転電機のケーシングの一端から取り込まれる。取り込まれた冷却用外気の一部は、上記固定子鉄心の冷却用通気路を通り、ケーシングの他端から排出される。これにより、固定子巻線や固定子鉄心が冷却される（例えば、特許文献１の明細書段落[００１６]参照）。

この回転電機では、回転軸の一側に取り付けられた冷却ファンは遠心ファンであり、回転軸の冷却ファンが取り付けられた側とは反対側からケーシング内に冷却用外気を取り込み、冷却ファンの遠心方向へ冷却用外気をケーシング外へ排出している。

ところで、このような回転装置が実際に使用される場合、回転装置の回転軸には外部装置が接続される。回転装置がダイナモである場合、外部装置が動力源となり、その動力源の動力をダイナモの回転軸に伝達し、ダイナモが発電する。回転装置がモータである場合、外部装置はモータの負荷装置となる。

特開２００４−２２９３９０号公報

特許文献１に記載の回転電機の回転軸の２つの軸受のうち、冷却ファンから遠い位置に配置された軸受（特許文献１の図１中、左側の軸受）は、ケーシング内に取り込まれた冷却用外気により冷却され得る。しかしながら、冷却ファンは遠心ファンであるため、冷却ファンの羽根がある側とは反対側に設けられた、他方の軸受（同図１中、右側の軸受）にまで冷却用外気がほとんど供給されず、上述のように遠心方向に向かう。したがって、冷却ファンに近い側の軸受を十分に放熱できないという問題がある。

ここで、特許文献１の回転電機（回転装置）に上記外部装置が接続される場合、一般には回転装置の回転軸の、冷却ファンが取り付けられる側の端部に接続される。これは、外部装置も熱を発生するので、外部装置が、回転軸の、冷却ファンが取り付けられる側とは反対側の端部に接続されると、冷却ファンとは反対側からケーシング内に取り込まれる冷却用気体にその外部装置の熱が伝達されてしまうためである。したがって、外部装置は、回転軸の、上記の冷却ファンに近い側の端部に接続される。しかし、このような構成の場合、外部装置からの熱によって冷却ファンに近い側の軸受の放熱がさらに困難となる。

冷却ファンに近い側の軸受の放熱を行うために、遠心ファンに代えて軸流ファンを用いたとしても、軸流ファン及び遠心ファンが同程度の大きさである場合、軸流ファンでは遠心ファンに比べ風量が小さいので、実用的ではない。軸流ファンにより遠心ファンと同程度の風量を得るためには、軸流ファンの径や羽根の大きさを大きくする必要があり、回転装置の機械的損失が増大する。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、回転装置の機械的損失をできるだけ小さくしながらも、外部装置が接続される側に設けられた軸受を十分に冷却することが可能な回転装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る回転装置は、ハウジングと、第１の軸受と、第２の軸受と、ロータと、ステータと、遠心ファンと、ダクトとを具備する。
前記ハウジングは、第１の端部と、前記第１の端部の反対側の第２の端部と、前記第１の端部寄りの位置に設けられた第１の吸気口と、前記第２の端部に設けられた第２の吸気口と、前記第２の端部寄りの位置に設けられた排気口とを有する。
前記第１の軸受は、前記ハウジングの前記第１の端部に設けられている。
前記第２の軸受は、前記ハウジングの前記第２の端部に設けられている。
前記ロータは、前記第１の軸受及び前記第２の軸受に支持されるロータ軸を有し、前記ハウジングの前記第２の端部側で前記ハウジング外に配置される外部装置に前記ロータ軸が接続可能である。
前記ステータは、前記ハウジング内に収容され、前記ロータ軸方向における前記第１の吸気口及び前記排気口の間で、前記ロータの周囲に配置されている。
前記遠心ファンは、前記ハウジング外から供給される冷却用気体を、前記ハウジングの前記第１の吸気口を介して前記ハウジング内へ吸入するための第１の羽根と、前記第２の吸気口を介して前記ハウジング内へ前記冷却用気体を吸入するための、前記第１の羽根より小さい第２の羽根とを有する。また、前記遠心ファンは、前記第１及び前記第２の吸気口を介して吸入された前記冷却用気体を、前記排気口を介して前記ハウジング外へ排出する。
前記ダクトは、前記ハウジング外から供給される前記冷却用気体を前記第２の吸気口へ導く。

本発明では、ロータが回転することで遠心ファンの第１の羽根が回転し、これにより、ハウジングの第１の吸気口から吸入された冷却用気体がハウジング内を通り、第１の端部とは反対側の第２の端部に近い排気口から排出される。ハウジング内を通る冷却用気体により、ロータ軸方向における第１の吸気口及び排気口の間に配置されたステータや、そのステータの内側に配置されたロータ（主にロータ軸の一部とロータのコア部）が冷却される。また、第１の吸気口から吸入された冷却用気体により、ハウジングの第１の端部に設けられた第１の軸受が冷却される。

一方、ロータが回転することで遠心ファンの第２の羽根が回転し、これにより、ダクトを介して、ハウジングの第２の端部に設けられた第２の吸気口から冷却用気体がハウジング内に吸入される。つまり、ハウジングの第２の端部側に外部装置が配置されたとしても、ダクトから供給される冷却用気体により、その第２の端部に設けられた第２の軸受を冷却することができる。またこの際、ダクト内を冷却用気体が流れてハウジング内に取り込まれるので、外部装置による冷却用気体への熱の影響を抑えることができる。

さらに、本発明では、第２の羽根の大きさが第１の羽根より小さく形成されている。第１の羽根の回転により流通する冷却用気体の冷却対象は、主にロータ及びステータであり、第２の羽根の回転により流通する冷却用気体の冷却対象は、第２の軸受である。ロータ及びステータの両方と、第２の軸受と比べると、第２の軸受の方が熱容量が小さい。したがって、第２の羽根の大きさを第１の羽根より小さくし、第２の羽根による風量を比較的小さくすることができる。これにより、例えば第２の軸受を冷却するために、軸流ファンを設けたり、別途の遠心ファンを設けたりする場合に比べ、回転装置を大型化することを防止でき、また、回転装置の機械的損失をできるだけ小さくすることができる。

前記ダクトは、前記第１の端部側に向けて開口された、前記冷却用気体の流入口と、前記流入口から流入した前記冷却用気体を、前記第２の吸気口へ導く内部流路とを有してもよい。

外部装置が発する熱を考慮すると、ハウジングの第１の端部側は、第２の端部側に比べ、ハウジング周囲の温度が低くなる。ダクトの流入口がその第１の端部側に向けて開口されているので、ハウジングの第１の端部側の冷却用気体がダクトの内部流路に流入しやすくなる。つまり、回転装置の周囲において、比較的低い温度の冷却用気体をダクトを介してハウジング内へ吸入することができる。

以上、本発明によれば、回転装置の機械的損失をできるだけ小さくしながらも、外部装置が接続される側に設けられた軸受を十分に冷却することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る回転装置としてのダイナモを備えた発電ユニットを示す概略断面図である。 図２は、ダイナモの正面図である。 図３は、ダイナモの側面図である。 図４は、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。 図５は、遠心ファンの一部を示す、Ｘ軸方向で見た拡大図である。 図６は、大羽根が配置される側から見た遠心ファンの図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[発電ユニットの構成]
図１は、本発明の一実施形態に係る回転装置としてのダイナモ１５０を備えた発電ユニット１００を示す概略断面図である。

発電ユニット１００は、例えば外部装置としてのガスタービン等のエンジン１６０と、このエンジン１６０に接続されたダイナモ１５０と、これらを収容する防音ケーシング１０１とを備える。防音ケーシング１０１の、ダイナモ１５０が配置される側には給気口１０１ａが設けられ、その反対側であるエンジン１６０が配置される側には排出口１０１ｂが設けられている。この給気口１０１ａを介して、防音ケーシング１０１外の気体である冷却用エアが防音ケーシング１０１内に取り込まれ、防音ケーシング１０１内の熱を吸収したエアが排出口１０１ｂを介して防音ケーシング１０１外に排出される。なお、給気口１０１ａや排出口１０１ｂには、図示しない給気ダクトや排気ダクトがそれぞれ接続される場合もある。

エンジン１６０の、上記排出口１０１ｂ側にはエンジン１６０を冷却するためのラジエータ１６２及びラジエータファン１６１が配置されている。ラジエータ１６２及びラジエータファン１６１はエンジン１６０と一体型であってもよい。

図２は、ダイナモ１５０を示す正面図であり、ダイナモ１５０のロータ軸方向（Ｙ軸方向）で見た図である。図３は、ダイナモ１５０の側面図であり、図４は、図２におけるＡ−Ａ線断面図である。

ダイナモ１５０は、ハウジング１を備えている。ハウジング１は、円筒状の本体１１と、本体１１の両端部に装着されたカバー１２、１３とを有している。図４に示すように、ハウジング１内には、ロータ軸４１とロータコア４２とを有するロータ４が収容されている。また、ハウジング１内には、このロータ４（のロータコア４２）の周囲に配置された、ステータコア３１とコイル３２とを有するステータ３が収容されている。ステータ３は、ハウジング１の内壁面に固定されるように設けられている。

エンジン１６０は、ダイナモ１５０のハウジング１の、図３及び４中左側端部である第２の端部１ｂ側から延びるロータ軸４１に接続されている。具体的には、エンジン１６０の出力軸１６４が、ダイナモ１５０のロータ軸４１にカップリング１６３を介して連結されている。

図４に示すように、ロータ軸４１は、ハウジング１の第２の端部１ｂとは反対側である第１の端部１ａに配置されたカバー１２に設けられた第１の軸受６１と、第２の端部１ｂに配置されたカバー１３に設けられた第２の軸受６２により回転可能に支持されている。

ハウジング１内には、そのハウジング１の第２の端部１ｂ寄りに配置され、ロータ４のロータ軸４１に取り付けられた遠心ファン７が収容されている。遠心ファン７はロータ軸４１の回転によりロータ軸４１と一体的に回転する。ハウジング１の第１の端部１ａ寄りには、上述のように防音ケーシング１０１の給気口１０１ａから取り込まれた冷却用エアを、遠心ファン７の回転によりハウジング１内へ取り込むための主吸気口１１ａ（第１の吸気口）が設けられている。また、ハウジング１の第２の端部１ｂ寄りであって、遠心ファン７の外周部に対応する位置には、排気口１１ｂが設けられている。遠心ファン７の回転によって主吸気口１１ａから吸入された冷却用エアが、この排気口１１ｂを介してハウジング１外へ排出される。図３に示すように、主吸気口１１ａ及び排気口１１ｂは、ハウジング１の外周側面に沿ってロータ軸４１の周囲方向でそれぞれ複数設けられている。

図２及び図３に示すように、ハウジング１の外周側面の下部には、ハウジング１の長手方向（Ｙ軸方向）に延設された冷却用エアが通る、例えば２つのダクト５が取り付けられている。第１の端部１ａ側の、ダクト５の一端部には、冷却用エアの流入口５１が設けられ、この流入口５１は、第１の端部１ａ側に向けて開口されている。流入口５１が設けられたダクト５の一端部は、ハウジング１の本体１１の一端部とＹ軸方向で一致するように設けられている。しかし、これらの配置は一致しなくてもよい。例えば、ダクト５の一端部は、ハウジング１の本体１１の中央付近、あるいは中央よりカバー１３側に位置していてもよい。

第２の端部１ｂ側の、ダクト５の他端部５３は、その第２の端部１ｂに配置されるカバー１３の表面に沿うように設置されている。そして、このダクト５の他端部５３は、そのダクト５の内部流路５２がカバー１３の下部に設けられた副吸気口１３ａ（第２の吸気口）に連通するように設けられている。例えば、１つのダクト５につき２つの副吸気口１３ａが設けられている。

なお、図３に示すように、主吸気口１１ａ及び排気口１１ｂには、安全のため及びハウジング１内を保護するための金網６３が設置されている。副排気口１１ｂにも金網が設けられていてもよい。

図５は、遠心ファン７の一部を示す、Ｘ軸方向で見た拡大図である。遠心ファン７は、円形のベース板７３と、ロータ軸４１の方向でこのベース板７３の一側に設けられた大羽根７１（第１の羽根）と、ベース板７３の、大羽根７１が設けられる側とは反対側に設けられた小羽根７２（第２の羽根）とを有する。図６は、大羽根７１が配置される側から見た遠心ファン７の図である。小羽根７２のサイズは、大羽根７１のそれより小さく形成されている。ここでいう羽根のサイズとは、ロータ軸４１方向での羽根のサイズ（長さ）、あるいは羽根の表面積であり、サイズの大きい方が風量が多くなる。要するに、羽根のサイズとは、羽根における気流の流入付近と流出付近との気圧差を発生させるための羽根の主面の面積である。

図６に示すように、大羽根７１の放射角度は、例えばラジアル方向に対して３０〜６０°とされているが、この範囲に限られない。図６では、小羽根７２を図示していないが、大羽根７１が配置される側から見て、小羽根７２も大羽根７１と同じ向きの放射角度で設置されている。また、小羽根７２の数やそれらの長手方向の長さ等も大羽根７１と実質的同じである。

図５に示すように、Ｙ軸方向において、大羽根７１の長さａ及び小羽根７２の長さｂの比は、（３〜６）：１である。しかし、この比率に限られない。

なお、羽根の各放射角度は、大羽根７１と小羽根７２とで異なっていてもよいし、それらの長手方向の長さも大羽根７１と小羽根７２とで異なっていてもよい。図６において、ロータ軸方向で見た大羽根７１の形状は、直線状とされているが、これに限られず、曲線状であってもよい。

[発電ユニット１００の動作]
以上のように構成された発電ユニット１００の動作を説明する。

エンジン１６０及びラジエータファン１６１が作動する。エンジン１６０の作動により、その動力が出力軸１６４を介してダイナモ１５０に伝達され、ダイナモ１５０のロータ４及び遠心ファン７が回転する。これにより発電が行われる。

ラジエータファン１６１及び遠心ファン７が回転すると、防音ケーシング１０１の給気口１０１ａを介して冷却用エアが防音ケーシング１０１内に供給される。遠心ファン７の回転により、防音ケーシング１０１内に供給された冷却用エアは、ダイナモ１５０のハウジング１の主吸気口１１ａを介して、かつ、ダクト５及びハウジング１の副吸気口１３ａを介してハウジング１内へ吸入される。そして冷却用エアは、ハウジング１の排気口１１ｂを介してハウジング１外へ排出される。

具体的には、遠心ファン７の大羽根７１の回転により、主吸気口１１ａを介してハウジング１内へ吸入された冷却用エアによって、カバー１２、第１の軸受６１、ロータ軸４１、ロータコア４２、ステータコア３１及びコイル３２等の各部材が冷却される。なお、ロータコア４２やステータコア３１には例えばラジアル方向に延設された図示しない冷却用エアの複数の流路が設けられ、冷却用エアがこの流路を通過することで、ロータコア４２やステータコア３１が冷却される。

また、遠心ファン７の小羽根７２の回転により、ダクト５及び副吸気口１３ａを介してハウジング１内に吸入された冷却用エアによって、第２の軸受６２やカバー１３等の各部材が冷却される。

ダイナモ１５０のハウジング１外へ排出された冷却用エアは、ラジエータファン１６１の回転により、エンジン１６０の周囲を流れることでエンジン１６０を冷却する。そして冷却用エアは、ラジエータ１６２を通過して、防音ケーシング１０１の排出口１０１ｂを介して防音ケーシング１０１外へ排出される。また、防音ケーシング１０１の給気口１０１ａから供給された冷却用エアの一部は、ダイナモ１５０内を通らず、ラジエータファン１６１の回転により直接エンジン１６０の周囲へ向かい、エンジン１６０を冷却する。

以上のように、本実施形態では、遠心ファン７の小羽根７２が回転することで、ダクト５を介して、第２の軸受６２が配置される側にある、ハウジング１の副吸気口１３ａから冷却用エアがハウジング１内に吸入される。つまり、図１に示すようにハウジング１の第２の端部１ｂ側にエンジン１６０が配置されている場合であっても、ダクト５から供給される冷却用エアにより、そのハウジング１の第２の端部１ｂに設けられた第２の軸受６２を冷却することができる。またこの際、ダクト５内を冷却用エアが流れてハウジング１内に取り込まれるので、エンジン１６０による冷却用エアへの熱の影響を抑えることができる。

さらに、本実施形態では、小羽根７２のサイズが大羽根７１のサイズより小さく形成されている。大羽根７１の回転により流通する冷却用エアの冷却対象は、主に、ロータ軸方向において主吸気口１１ａ及び排気口１１ｂの間に配置されたロータ４及びステータ３である。一方、小羽根７２の回転により流通する冷却用エアの冷却対象は、主に第２の軸受６２である。ロータ４及びステータ３の両方と、第２の軸受６２と比べると、第２の軸受６２の方が熱容量が小さい。したがって、小羽根７２のサイズを大羽根７１より小さくし、小羽根７２による風量を比較的小さくすることができる。これにより、例えば第２の軸受６２を冷却するために、軸流ファンを設けたり、別途の遠心ファン７を設けたりする場合に比べ、ダイナモ１５０を大型化することを防止でき、また、ダイナモ１５０の機械的損失をできるだけ小さくすることができる。

以上のように、本実施形態に係るダイナモでは、ダイナモ１５０の機械的損失をできるだけ小さくしながらも、第２の軸受６２を十分に冷却することができる。

また、エンジン１６０が発する熱を考慮すると、ハウジング１の第１の端部１ａ側は、第２の端部１ｂ側に比べ、ハウジング１周囲の温度が低くなる。本実施形態では、ダクト５の一端部である流入口５１がその第１の端部１ａ側に向けて開口されているので、第１の端部１ａ側の冷却用エアがダクト５内に流入しやすくなる。つまり、ダイナモ１５０の周囲において、比較的低い温度の冷却用エアをダクト５を介してハウジング１内へ吸入することができる。

また、本実施形態に係るダクト５は、ダイナモ１５０のハウジング１の下部側に配置されているため、その上部側にダクト５が配置される場合に比べ冷却用エアの温度を低く維持することができる。

本実施形態では、小羽根７２の回転により、遠心ファン７とカバー１３との間に冷却エアがラジアル方向に流れるので、カバー１３も十分に冷却される。これにより、エンジン１６０が発する熱が、カバー１３を介してハウジング１内へ伝達されることを抑制することができる。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が実現される。

ダイナモ１５０の主吸気口１１ａ、副吸気口１３ａ及び排気口１１ｂの形状は、適宜変更可能である。また、ダクト５の副吸気口１３ａの配置や数も適宜変更可能である。上記実施形態では、ダクト５及び副吸気口１３ａは、ハウジング１の下部側に配置されていたが、高さ方向で中央または上部側に配置されていてもよい。副吸気口は例えば図２で示したロータ軸４１を囲うように円周状に複数設けられ、それらの複数の副吸気口を互いに連通させるような環状のダクトがカバー１３に取り付けられていてもよい。

副吸気口１３ａは、必ずしもダイナモ１５０のハウジング１の第１の端部１ａ側に向けて開口されていなくてもよく、上方または下方（あるいは斜め方向も含む）に向けて開口されていてもよい。

上記実施形態に係る遠心ファン７として、１枚のベース板７３に大羽根７１及び小羽根７２が設けられる構成を例に挙げた。しかし、大羽根と小羽根とがそれぞれ別々のベース板に設けられる構成であってもよい。すなわち、大羽根を有する遠心ファンと小羽根を有する遠心ファンとが別体で構成され、それぞれがロータ軸４１に接続されていてもよい。
この場合、大羽根を有する遠心ファンは、例えば図４を参照して、ハウジングの第１の端部１ａ寄りに配置されていてもよい。

上記実施形態では、外部装置としてエンジン１６０を備え、回転装置としてダイナモを備えた発電ユニット１００を例に挙げた。しかし、回転装置がモータ（動力源）として用いられ、そのモータに接続される外部装置がモータの負荷装置となるシステムにも本発明を適用可能である。

冷却用気体として、エア以外にも不活性ガスやその他のガスであってもよい。

１…ハウジング
１ａ…第１の端部
１ｂ…第２の端部
３…ステータ
４…ロータ
５…ダクト
７…遠心ファン
１１ａ…主吸気口（第１の吸気口に相当）
１１ｂ…排気口
１１ｂ…副排気口（第２の吸気口に相当）
４１…ロータ軸
５１…流入口
５２…内部流路
６１…第１の軸受
６２…第２の軸受
７１…大羽根（第１の羽根に相当）
７２…小羽根（第２の羽根に相当）
１５０…ダイナモ
１６０…エンジン（外部装置に相当）

Claims (2)

1. 第１の端部と、前記第１の端部の反対側の第２の端部と、前記第１の端部寄りの位置に設けられた第１の吸気口と、前記第２の端部に設けられた第２の吸気口と、前記第２の端部寄りの位置に設けられた排気口とを有するハウジングと、
   前記ハウジングの前記第１の端部に設けられた第１の軸受と、
   前記ハウジングの前記第２の端部に設けられた第２の軸受と、
   前記第１の軸受及び前記第２の軸受に支持されるロータ軸を有し、前記ハウジングの前記第２の端部側で前記ハウジング外に配置される外部装置に前記ロータ軸が接続可能であるロータと、
   前記ハウジング内に収容され、前記ロータ軸方向における前記第１の吸気口及び前記排気口の間で、前記ロータの周囲に配置されたステータと、
   前記ハウジング外から供給される冷却用気体を、前記ハウジングの前記第１の吸気口を介して前記ハウジング内へ吸入するための第１の羽根と、前記第２の吸気口を介して前記ハウジング内へ前記冷却用気体を吸入するための、前記第１の羽根より小さい第２の羽根とを有し、前記第１及び前記第２の吸気口を介して吸入された前記冷却用気体を、前記排気口を介して前記ハウジング外へ排出する遠心ファンと、
   前記ハウジング外から供給される前記冷却用気体を前記第２の吸気口へ導くダクトと
   を具備する回転装置。
2. 請求項１に記載の回転装置であって、
   前記ダクトは、
   前記第１の端部側に向けて開口された、前記冷却用気体の流入口と、
   前記流入口から流入した前記冷却用気体を、前記第２の吸気口へ導く内部流路と
   を有する回転装置。

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