JP5647961B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、通風路が形成された固定子鉄心を有する回転電機に関する。

回転電機は、回転子と、この回転子を半径方向外側から取り囲む固定子鉄心と、この固定子鉄心を収容する固定子枠と、を有する。

回転子は、所定の軸（回転中心軸）の周りを回転する。回転子には、例えば永久磁石が取り付けられたものがある。このような回転子は、円環状の部材の外周に台座が固定されて、この台座に永久磁石が固定されるものがある。回転子や固定子には、これらを冷却するための通風路が形成されるものがある（例えば特許文献１）。

固定子は、固定子鉄心および固定子巻線等を有する。固定子鉄心には、固定子鉄心を冷却するための通風路が形成されるものがある。この通風路に冷却用の空気が流れることによって、固定子鉄心が冷却される。この通風路には、回転中心軸が延びる方向の一方向に空気が流れる。

特開２０１１−１４２７３５号公報

通風路には、軸方向に流れる軸方向流路と半径方向に流れる半径方向流路がある。軸方向流路は、固定子鉄心に形成されるものの他に、回転子と固定子鉄心との間に形成される空隙も含まれる。

この空隙を流れる空気は、軸方向に流れるものと、半径方向に流れるものとがある。空隙の流路断面積に比べて、半径方向流路の流路断面積が大きいため、上流側では、半径方向流路に流れる空気が多くなる。

このため、軸方向流路の軸方向位置ごとに空気流量が異なってしまうことがある。流路分布が異なると、有効に冷却が行われる部位と、非効率な部位とに分かれてしまう。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固定子鉄心等を効率よく冷却することである。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機は、回転軸を半径方向外側から取り囲む円環状で、外周を取り囲むように少なくとも二つの軸受が互いに軸方向間隔をあけて固定されて、前記軸受の間の外周面には少なくとも一つの貫通穴が形成された軸部材と、前記軸部材を半径方向外側から取り囲む円環状で、軸方向外側に貫通穴が形成されて、外周面に台座が形成されてこの台座の半径方向外側に磁性部材が取り付けられて、軸受に支持されて前記回転軸の周りを回転自在な回転子と、前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子鉄心と、前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、を有する回転電機において、前記固定子鉄心は、それぞれが、中心を貫通する穴あき円板状の鋼板が積層されてなり軸方向に空気が流通可能な軸方向通風路が形成されて、軸方向に互いに軸方向間隔をあけて配置された複数の鋼板群と、軸方向に隣り合う前記鋼板群の間に配置されて、半径方向に空気が流通可能な半径方向通風路が形成されたダクト板と、を有し、前記軸方向通風路内に互いに軸方向間隔をあけて複数配置されて、それぞれが軸方向通風路の軸方向断面積を調整可能で、軸方向通風路の流路断面積が軸方向の上流側に向かうに従って除々に小さくなるように形成された複数の流動抵抗体が配置されていること、を特徴とする。

本発明によれば、固定子鉄心等を効率よく冷却することが可能になる。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機の概略部分正面図で、回転中心よりも上側半分を示す。 図１のII−II矢視側面図である。 図１のIII−III矢視側面図である。 本発明に係る第２の実施形態の回転電機の固定子鉄心の側面図である。 図４の固定子鉄心に流動抵抗体を配置した例を示す側面図である。 本発明に係る第３の実施形態の回転電機の概略部分正面図で、回転中心よりも上側半分を示す。 図６のVII−VII矢視側面図である。 図６のVIII−VIII矢視側面図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の回転電機の概略部分正面図で、回転中心よりも上側半分を示す。図２は、図１のII−II矢視側面図である。図３は、図１のIII−III矢視側面図である。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。

回転電機は、回転中心軸１の周りを回転する回転子２０と、この回転子２０が取り付けられた軸部材１０と、固定子鉄心３０と、これらを収容する固定子枠４０と、二つの軸受１１と、流動抵抗体７０と、を有する。

軸部材１０は、回転中心軸１を半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。この軸部材１０には、軸方向に互いに間隔をあけて軸受１１が取り付けられている。これらの軸受１１は、軸部材１０の外周を取り囲むように、軸部材１０に取り付けられている。

二つの軸受１１の間の軸部材１０の外周面には、通風用長穴１２が形成される。この通風用長穴１２は、回転中心から半径方向外側への空気の流路になる。

また、軸部材１０の端部は開口されて、この開口が吸気口（図示せず）となる。すなわち、軸部材１０の端部から取り込んだ空気は、通風用長穴１２を通り抜けて回転電機の内部に入り込む。

これらの軸受１１は、軸部材１０に接する側が固定されて、半径方向外側（外周面）が回転するように構成されている。

回転子２０は、円環部材２１ａと、支持部材２１ｂと、複数の台座２２と、複数の永久磁石２３と、を有する。

支持部材２１ｂは、軸受１１に固定されて、軸受１１の外周面と共に回転可能である。支持部材２１ｂは、軸受１１から放射状に円環部材２１ａの内周面まで延びて、円環部材２１ａを支持する。

円環部材２１ａは、支持部材２１ｂに支持されて回転自在で、軸部材１０を半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。

台座２２は、円環部材２１ａの外周面に周方向に互いに間隔をあけて複数取り付けられている。各台座２２は、軸方向に長い長方形が形成される板状の部材である。永久磁石２３は、各台座２２の半径方向外側に接着により取り付けられている。

固定子鉄心３０は、回転子２０を半径方向外側から取り囲むように構成されて、全体で円環状の部材である。固定子鉄心３０の内周面は、回転子２０の外周面（半径方向外側）と所定の半径方向間隔（空隙６１ａ）をあけるように配置される。この空隙６１ａは、後述する軸方向通風路６１の一つである。この固定子鉄心３０は、６個の鋼板群３１と、５個のダクト板３８と、を有する。

鋼板群３１は、詳細な図示は省略するが、複数の鋼板３３が軸方向に積層されてなる。鋼板３３は中央に穴が形成された円板状である。回転子２０はこの穴を貫通するように配置される。また、各鋼板３３の半径方向内側に内側溝３４が形成され、外側には外側溝３５が形成されている（図２）。

内側溝３４は、周方向に互いに等間隔に複数形成される。各鋼板３３に形成された内側溝３４は、鋼板３３が積層されて鋼板群３１を構成するときに、軸方向に連通する。さらに、各鋼板群３１が軸方向に配列されたときに、各内周溝は軸方向に連通する。連通した内側溝３４には、固定子巻線３７が巻き回される。

外側溝３５は、周方向に互いに等間隔に複数形成される。各鋼板３３に形成された外側溝３５は、鋼板３３が積層されて鋼板群３１を構成するときに、軸方向に連通する。さらに、各鋼板群３１が軸方向に配列されたときに、各外周溝は軸方向に連通する。連通した外側溝３５は、冷却空気の流路（軸方向通風路６１）を形成する。

この外側溝３５は、固定子枠４０の内側で半径方向外側の開口が塞がれる。固定子枠４０の構成は後で説明する。

ダクト板３８は、軸方向に配列された鋼板群３１の間にそれぞれ配置される。すなわち、鋼板群３１およびダクト板３８が、軸方向に交互に配列されている。これらダクト板３８は、詳細な図示は省略するが、それぞれ中央に穴があいた円板状の板で、少なくとも一方の穴あき円板面に複数の棒材が取り付けられている。これらの棒材は、放射状に取り付けられている。各棒材の間は、冷却空気に流路（半径方向通風路６２）を形成する。

固定子枠４０は、固定子鉄心３０を半径方向外側から取り囲むように構成される。固定子枠４０の内周は、固定子鉄心３０の外周に接している。固定子枠４０の内面により、上述の軸方向通風路６１の半径方向外側の開口が塞がれる。

固定子枠４０の外周面には、軸方向に長いフィン４１が複数取り付けられている。これらのフィン４１は、周方向に互いに間隔をあけて取り付けられている。

この固定子枠４０は、軸部材１０を固定している。また、固定子枠４０内に取り込まれて循環した空気が排気される排気口４２が形成されている。

流動抵抗体７０は、固定子鉄心３０内の軸方向通風路６１に、互いに軸方向間隔をあけて複数配置される。この流動抵抗体７０が配置されることによって、当該軸方向通風路６１の流路面積が小さくなる。これにより、冷却用の空気の流動抵抗が大きくなる。

流動抵抗体７０は、軸方向通風路６１の周方向幅に嵌合する（図３）。

それぞれの流動抵抗体７０は、複数の平板７１からなり、これらの平板７１が積層されて構成される。各板材が、軸方向通風路６１の周方向幅に嵌合する。積層される平板７１の枚数を調整することで、軸方向通風路６１の軸方向断面積を調整することができる。

流動抵抗体７０は、上流側から下流側に向かうに従って、平板７１の積層枚数を少なくする。すなわち、上流側の軸方向通風路６１の流路断面積は、下流側の流路断面積に比べて小さい。

続いて、本実施形態の作用について、流動抵抗体７０がある場合とない場合を比較して説明する。先ず、流動抵抗体７０がない場合について説明する。

吸気口から吸気された空気は、固定子鉄心３０に形成された軸方向通風路６１および空隙６１ａに流れ込む。

この後に、空隙６１ａに流れ込んだ空気の一部は、軸方向に流れ、一部はダクト板３８の半径方向通風路６２に流れる。

半径方向通風路６２を流れ出た空気は、固定子鉄心３０の軸方向通風路６１に流れ込み、軸方向に流れる。このとき、軸方向通風路６１を流れる空気の熱の一部は、固定子枠４０の外面を介して固定子枠４０の外側のフィン４１等から放熱される。

固定子鉄心３０の下流側端部まで流れた空気は、固定子枠４０の排気口４２から固定子枠４０の外部に排出される。

半径方向通風路６２は一つのダクト板３８に放射状に複数形成される。空隙６１ａの流路を一つの円環状の流路と捉えると、通常、ダクト板３８がある軸方向位置では、半径方向通風路６２の流路面積は、空隙６１ａの流路面積よりも大きい。

半径方向通風路６２が複数形成されるため、空隙６１ａ内を流れる空気は、軸方向の通風量が減り、下流ではほとんど流れなくなる。すなわち、空隙６１ａの下流側に流れる空気が少なくなってしまう。このため、空隙６１ａの下流側付近では、固定子鉄心３０の内周側等の冷却効果が、上流側に比べて低くなる。

次に、流動抵抗体７０を取り付けた場合について説明する。

固定子枠４０の吸気口から吸気された空気は、固定子鉄心３０に形成された軸方向通風路６１および空隙６１ａに流れ込む。この後に、空隙６１ａに流れ込んだ空気の一部は、軸方向に流れ、一部はダクト板３８の半径方向通風路６２に流れる。ここまでの冷却用の空気の流れは、流動抵抗体７０がない場合とほぼ同じである。

上述のように、半径方向通風路６２が複数形成されているため、軸方向の上流側では、半径方向通風路６２に流れ込もうとする。半径方向通風路６２を流れ出た空気は、軸方向流通路に配置された流動抵抗体７０により、軸方向通風路６１を流れにくくなる。このため、半径方向通風路６２に入り込める空気の量がある程度抑制されることになる。

半径方向流路に流れ込めない空気が、空隙６１ａを流通する。これにより、空隙６１ａの下流側にも、空気が流れ込むことになる。その結果、軸方向通風路６１や空隙６１ａを流れる空気量が軸方向の位置によってばらつくことを抑制することができる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、固定子鉄心３０等を効率よく冷却することが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の回転電機の固定子鉄心３０の側面図である。図５は、図４の固定子鉄心３０に流動抵抗体７０を配置した例を示す側面図である。

なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の固定子鉄心３０の鋼板群３１を構成する鋼板３３には、複数の通風路用貫通穴５０が周方向に互いに間隔をあけて形成されている。

通風路用貫通穴５０は、周方向に互いに等間隔に複数形成される。各鋼板３３に形成された外側溝３５は、鋼板３３が積層されて鋼板群３１を構成するときに、軸方向に連通する。さらに、各鋼板群３１が軸方向に配列されたときに、各外周溝は軸方向に連通する。連通した外側溝３５は、冷却空気の流路（軸方向通風路６１）を形成する。

流動抵抗体７０は、第１の実施形態と同様に、板材を半径方向に積層させて構成される。

これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることが可能になる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について図６〜図８を用いて説明する。図６は、本実施形態の回転電機の概略部分正面図で、回転中心よりも上側半分を示す。図７は、図６のVII−VII矢視側面図である。図８は、図６のVIII−VIII矢視側面図である。

本実施形態の固定子鉄心３０は、６種類の鋼板３３を有する。同じ種類の鋼板３３が、一つの鋼板群３１を構成する。これらの鋼板３３は、第１の実施形態で説明した外側溝３５（図２、図３）の半径方向深さが異なる。

図６の最も右側に配置される鋼板群３１を構成する鋼板３３（図７）の外側溝３５の半径方向深さＤは、図６の最も左側に配置される鋼板群３１を構成する鋼板３３（図８）の外側溝３５の半径方向深さＤよりも小さい。

この例では、図６の右側から左側に向かって配列される鋼板群３１を構成する鋼板３３の外側溝３５の半径方向深さが、右側から左側に向かって除々に大きくなるように構成されている。最も左側にある鋼板群３１の鋼板３３は、第１の実施形態で説明した図２に示す鋼板と同じ形状にするとよい。

これにより、軸方向通風路６１の流路断面積が、冷却用の空気の流れ方向の上流から下流に向かうに従って、除々に大きくなる。すなわち、本実施形態の流動抵抗体７０は、鋼板３３に一体に形成される。

これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、流動抵抗体７０が鋼板３３の一部となっているため、回転電機の運転時に流動抵抗体７０単独で発生する振動等を抑制できる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

例えば、第２の実施形態の特徴と第３の実施形態の特徴を組み合わせてもよい。この場合、第２の実施形態の通風路用貫通穴５０の穴直径を、鋼板群３１ごとに異なるように構成してもよい。

また、上記実施形態の流動抵抗体７０は、半径方向に平板７１を積層させているが、これに限らない。例えば、ダクト板３８の軸方向に面する平面部に鋼板３３に平行に接するように板材を取り付けて、軸方向通風路６１の流路面の一部を塞ぐように構成してもよい。この場合、板材は、溶接等によりダクト板３８に取り付けるとよい。

１…回転中心軸
１０…軸部材
１１…軸受
１２…通風用長穴
２０…回転子
２１ａ…円環部材
２１ｂ…支持部材
２２…台座
２３…永久磁石
３０…固定子鉄心
３１…鋼板群
３３…鋼板
３４…内側溝
３５…外側溝
３７…固定子巻線
３８…ダクト板
４０…固定子枠
４１…フィン
４２…排気口
５０…通風路用貫通穴
６１…軸方向通風路
６１ａ…空隙
６２…半径方向通風路
７０…流動抵抗体
７１…平板

Claims (4)

1. 回転軸を半径方向外側から取り囲む円環状で、外周を取り囲むように少なくとも二つの軸受が互いに軸方向間隔をあけて固定されて、前記軸受の間の外周面には少なくとも一つの貫通穴が形成された軸部材と、
   前記軸部材を半径方向外側から取り囲む円環状で、軸方向外側に貫通穴が形成されて、外周面に台座が形成されてこの台座の半径方向外側に磁性部材が取り付けられて、軸受に支持されて前記回転軸の周りを回転自在な回転子と、
   前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、
   を有する回転電機において、
   前記固定子鉄心は、
   それぞれが、中心を貫通する穴あき円板状の鋼板が積層されてなり軸方向に空気が流通可能な軸方向通風路が形成されて、軸方向に互いに軸方向間隔をあけて配置された複数の鋼板群と、
   軸方向に隣り合う前記鋼板群の間に配置されて、半径方向に空気が流通可能な半径方向通風路が形成されたダクト板と、
   を有し、
   前記軸方向通風路内に互いに軸方向間隔をあけて複数配置されて、それぞれが軸方向通風路の軸方向断面積を調整可能で、軸方向通風路の流路断面積が軸方向の上流側に向かうに従って除々に小さくなるように形成された複数の流動抵抗体が配置されていること、
   を特徴とする回転電機。
2. 前記流動抵抗体は、金属製の板材を半径方向に積層することで、通風路の流路面積を調整するように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記軸方向通風路は、前記各穴あき円板の半径方向外側に形成された溝が形成されて、前記穴あき円板が軸方向に積層されたときに前記各溝が軸方向に連通して形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記軸方向通風路は、前記穴あき円板それぞれの面内に貫通穴が形成されて、この貫通穴が軸方向に連通するように構成されていること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。

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