JP7660545B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機の冷却構造に関する。

電動機（モータ）や発電機などの回転電機は、大出力化や大トルク化を実現しようとする場合、その体格は一般的に大型化する傾向にある。回転電機の大型化に伴い、回転電機の組み込まれる機械側装置においても大型化が必要になるため、装置の設置スペースの制約や高コスト化などの課題が生じる。

回転電機においては、駆動状態で負荷印加により発生する銅損や鉄損などの損失を起因として、回転電機内部で熱が発生し、更にその熱が熱伝導により、ハウジング表面に放熱される。回転電機内部より発生する熱を抑制することにより、同一出力での小型化が可能となり、低コスト化が図れる。また、同一体格とした場合は、高出力化や大トルク化が可能となる。永久磁石型回転電機においては、永久磁石の温度上昇が抑制され、永久磁石の永久減磁に対する耐量が拡大するため、永久磁石の薄型化が可能となり、更なる低コスト化が図れる。

回転電機内部の温度上昇抑制のために、冷却ファンがしばしば採用される。冷却ファンを用いた冷却構造の一例として、特許文献1がある。特許文献１には、反負荷側エンドブラケットの中央下位置に冷却ファンを設けることで、回転電機内部に冷却風を通風させ、温度上昇を抑制させる構造が開示されている。

特開２００８－１８７７９２号公報

特許文献１では、冷却ファンからの冷却風を回転電機内部に通風し、回転電機の熱を抑制する技術が開示されている。冷却ファンは、エンドブラケット内部の傾斜部に配置されている。しかし、回転電機内部で発生した熱は熱伝導により、ハウジング表面から放熱されるが、冷却ファンからの冷却風を回転電機内部にしか通風しないため、効率良くモータ本体を冷却することができなかった。

本発明は、より効率良く回転電機の冷却を行うことを目的とする。

上記目的を解決するための、代表的な本発明の「回転電機」を挙げるならば、
固定子と、回転軸に接続された回転子と、前記固定子および前記回転子を囲むハウジングと、前記ハウジングと接続する反負荷側エンドブラケットと、反負荷側エンドブラケット側から冷却風を送風するファンと、前記ファンからハウジングの反負荷側の端部までを覆うファンカバーと、を備え、
前記反負荷側エンドブラケットは、冷却風を前記ハウジングの内部に通過させる第１貫通孔と、前記第１貫通孔と前記反負荷側エンドブラケットの外周との間に頂点を有し、前記頂点から前記第１貫通孔にかけて負荷方向に傾斜する第１テーパ部と、前記頂点から前記反負荷側エンドブラケットの外周にかけて負荷方向に傾斜する第２テーパ部と、前記回転軸と前記第１貫通孔との間に位置し、前記回転軸から前記第１貫通孔にかけて負荷方向に傾斜する第３テーパ部と、を有するものである。

本発明によれば、効率よく回転電機の冷却を行うことができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１のモータの全体構成を示す斜視図である。 図１のＡ―Ａ‘におけるモータの断面図である。 反負荷側エンドブラケットの表面図である。 図３のＢ―Ｂ‘における反負荷側エンドブラケットの断面図である。 図３の反負荷側エンドブラケットの冷却風の流れを示す図である。 図２のモータの冷却風の流れを示す図である。 自励式ファンを用いたモータの構成を示す断面図である。 図３の反負荷側エンドブラケットの中央部にフィンを追加した実施例２を示す図である。

以下、図面を用いて、本回転電機の実施例を説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし主旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。
なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素にはなるべく同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

本発明を適用した実施例１の回転電機を、図１及び図２に示す。図１は本実施例に係るモータの全体構成を示す斜視図、図２は図１のＡ―Ａ‘におけるモータの断面図である。

本実施形態における回転電機は、ステータ（固定子）６とロータ（回転子）５と回転軸（シャフト）１０と、を備え、これらがハウジング７とエンドブラケット３，８とによって形成される空間内に収納されており、その外側にファンカバー２とファン１が取り付けられている。ここでステータ６はハウジング７に焼嵌めされており、圧入であってもよい。これ以降、回転軸をシャフト１０と呼称する。

ロータ５とシャフト１０はステータ６の内側に配置される。シャフト１０とロータ５は焼嵌めにより連結しており、さらに軸の両端付近には、軸受４，９が焼嵌めされていても良い。また、ハウジングの負荷側、反負荷側にはエンドブラケット３，８が配置される。エンドブラケット３，８は軸受けホルダーの役目を果たす。反負荷側エンドブラケット３からハウジング７の端付近まで被さるようにファンカバー２があり、その外側に他励ファン１があり、軸上に配置されている。

ロータ５はシャフト１０に固定され、磁性材が積層された円筒形状のロータ鉄心、ロータ鉄心の軸方向端部に配置された当て板、ロータ鉄心の内部に埋め込まれた永久磁石を主構成部として備えている。ロータ鉄心に焼嵌めされたシャフト１０は、軸受４，９を介してエンドブラケット３，８に保持され、ステータ６内において、ロータ５が回転自在に支持されている。

永久磁石はロータコア内部に円周方向上に磁極が交互になるように並んでおり、本実施例では８極対を構成する。永久磁石の材料は、フェライト系、ネオジム系、サマリウムコバルト系などのいずれでもよい。永久磁石は径方向や周方向に複数に分割されてもよい。

図３は、反負荷側から見た、反負荷側エンドブラケット３の表面図を示す。また、図４は、図３のＢ－Ｂ‘断面における反負荷側エンドブラケット３の断面図を示す。ハウジング７の反負荷側には、反負荷側エンドブラケット３が取り付けられており、反負荷側エンドブラケット３の外表面には、ファン１側が頂点となるように、傾斜面を形成するテーパが２段階に設けられる。即ち、エンドブラケット３の外表面はカルデラ構造（断面、「く」の字状）を有する。これ以降、反負荷側エンドブラケット３の第１テーパ部をテーパ３Ａ、第１テーパ部の外側の第２テーパ部をテーパ３Ｂ、第１テーパ部の内側の第３テーパ部をテーパ３Ｃと呼称する。また、第１テーパ部のフィンをフィン３a、第２テーパ部のフィンをフィン３ｂと呼称する。

シャフト１の軸心とエンドブラケット３のテーパ３Ａとの間には、シャフト１の軸心を中心に周方向に連続な貫通孔１００が設けられている。貫通孔１００はテーパがかかっていても良い。例えば、反負荷側から、負荷側に向けて、孔径が小さくなるようにテーパをかけることで、反負荷側エンドブラケットのベアリング設置位置の厚みを残し、強度を持たせることができる。また、軸方向に同一の貫通径にすることにより、冷却風が入る吸入口を大きくとれる。これにより、通風抵抗を低減させることができ、冷却風をより効率的に内部に送風することができる。貫通孔１００の形状は、より孔の表面積を大きくするほど、冷却効率が良くなるため、角孔であってもよく、長孔に限定されるものではなく、また、テーパをかけなくてもよい。ファン１からの冷却風はエンドブラケット３の外表面にぶつかり、２分割される。一方は、内側のテーパ３Ａを伝い、貫通孔１００に流れこみ、ハウジング７内部に流れやすくなる。もう一方は、外側のテーパ３Ｂを伝い、ハウジング７外周に流れやすくなっている。また、本実施例はエンドブラケット３にアルミ材を採用しているが、鉄やステンレス材でもよい。

反負荷側エンドブラケットの形状をまとめると、反負荷側エンドブラケット３は、回転軸（シャフト）１とエンドブラケットの外周との間に、冷却風をハウジングの内部に通過させる貫通孔１００を有し、貫通孔１００と反負荷側エンドブラケットの外周との間に頂点を有し、頂点から貫通孔１００にかけて負荷方向に傾斜する第１テーパ部と、頂点から反負荷側エンドブラケットの外周にかけて負荷方向に傾斜する第２テーパ部と、回転軸１と貫通孔１００との間に位置し、回転軸から貫通孔１００にかけて負荷方向に傾斜する第３テーパ部と、を有している。

反負荷側エンドブラケット３の外表面には、エンドブラケットのテーパ３Ａおよびテーパ３Ｂに沿って、それぞれにフィン３ａおよびフィン３ｂが配置されている。フィン３ａ，３ｂを配置することにより、ファン１からの冷却風がぶつかる表面積が大きくなるため、冷却効果が大きくなる。なお、フィンは軸心を中心として、周方向に均一に配置されている。エンドブラケット３のテーパ３Ａおよびテーパ３Ｂのそれぞれにフィン３ａ，３ｂを配置することにより、ファン１からの冷却風をハウジング内部とハウジング外周に送風されやすい流路が形成されるようになっている。

次に、冷却風２０の流れを図５および図６より説明する。図５および図６は、図３および図２に冷却風２０の流れを追記した図である。ファン１から吐出された冷却風２０は反負荷側エンドブラケット３の表面にぶつかり、２分割される。一方はそのまま外側のテーパ３Ｂに沿ってハウジング上部に流れ、フィン３ｂに案内されるように外部へと吐き出される。もう一方で、内側のテーパ３Ａにぶつかった冷却風は、フィン３ａに案内されるように、また、テーパ３Ｃにぶつかった冷却風は、そのままテーパ３Ｃを伝い、貫通孔１００へと流入する。その後、ハウジング７の内部へと流入し、一部はステータ部６を、もう一部は、ロータ部５を軸方向に冷却風が通る。その後、それぞれの冷却風は、負荷側エンドブラケット８に設けられた貫通孔１０１を通って外部へと吐き出される。

反負荷側エンドブラケット３に送風される冷却風２０は旋回風である。反負荷側エンドブラケット３のテーパ３Ａとテーパ３Ｂの頂点およびフィン３ａとフィン３ｂの頂点は、シャフト１０から見たとき、ファン１より外側にあった方が良い。旋回風は、内周側より外周側の方が、風速は速くなり、風速が早いほど、冷却効果は大きくなる。そのため、冷却風２０の風速が速いまま、ハウジング７上部やモータ内部に送風することができ、冷却効果を高めることができる。

また、フィン３ａとフィン３ｂは連続しており、両者が同幅であれば、なお望ましい。また、フィン３ａとフィン３ｂとの分岐点においても同様である。ハウジング内部およびハウジング外周への冷却風の抵抗となる要素（段差や壁）を無くすためである。フィン３ａ，３ｂの高さはファン１に近くなるほど、冷却流路が制限されるため、冷却風同士の干渉等による冷却風の減衰を抑制することができ、より効率的に冷却することができる。

フィン３aのシャフト側とエンドブラケット表面の貫通孔１００は接しており、間隔が狭いほど良く、段差や隙間がないほうが良い。周方向に連続的な貫通孔１００同士の間隔が、狭くなるほど、貫通孔の表面積は大きく確保できるため、冷却効果は高くなるが、その分、エンドブラケット３の軸方向の厚さが薄くなるため、強度が低下する。

強度を確保しつつ、冷却効果を高めるため、そして、反負荷側エンドブラケット３表面の貫通孔１００に冷却風を送風するため、フィン３aは、フィン３ｂとの分岐点を境に一部を２方向に分岐し、かつ周方向に角度を設けている。こうすることで、ファン１からの冷却風を貫通孔１００まで誘導するようにフィン３ａを配置することができ、かつフィン３aの周方向間隔を一定に保てるため、多方面からの冷却を可能にし、冷却効果を高めることができる。あるいはフィン３aを分岐せず、フィン３ａの厚さを太くし、貫通孔１００同士の間隔幅まで広げる方法でも良い。

反負荷側エンドブラケット３の中央部のテーパ３Ｃは円錐台を採用しているが、多角錐台、半球形、漏斗形状であってもよく、円錐台に限定されるものではない。ここで、ファン１に対して平行の面は、表面積が小さいほど、面からの冷却風の跳ね返りによる冷却風の相殺を軽減できるため、より高い冷却効果が得られやすい。なお、円錐台と貫通孔１００は段差や隙間等がないほうが良い。

負荷側エンドブラケット８に設けられている貫通孔１０１は、シャフト１０に対して、径方向に孔が設けられている。孔の場所は特に問わないが、回転機の上部に孔を設けることで、モータ内部で暖められた空気は、上に行くため、内部の熱を逃がしやすくなる効果がある。回転機の上部とは、冷却風が上昇する方向と言い換えることができる。また。孔はモータ内部から外部にかけて、狭くなるようにテーパ孔を設けてもよい。その場合、内部の孔の表面積が大きくなり、その分通風抵抗が外側の径より小さくなるため、内部の空気はより外部へと逃げやすくなり、一方で、外部から内部へは外気が入りづらくなるため、ごみなどの異物がモータ内部に入るリスクを軽減できる。もしくは、フィルター等があってもよい。

負荷側エンドブラケット８に設ける貫通孔１０１の他の例として、反負荷側エンドブラケット３に設ける貫通孔１００と同様に、シャフト１０方向に複数の孔を設けてもよい。
また、貫通孔１０１は、負荷側エンドブラケット８に設けるに代えて、ハウジング７の負荷側の端部に設けてもよい。

シャフト１０の反負荷側延長方向には、冷却風を生成する他励ファン１がファンカバー２に支持されて配置される。他励ファンとは、回転電機とは別のモータ等により駆動されるファンである。また、ゴミなどの異物吸入を防ぐため、例えば、ファン１とファンカバー２の間に、負荷側軸方向にフィルター等があってもよい。

なお、本発明は他励ファンに限定されるものではなく、自励ファンであってもよい。図７に、自励ファンを用いたモータの実施例を示す。シャフト（回転軸）１０の反負荷側にファン１が接続されており、シャフト１０と共回りすることで冷却風を生成する。ファンの位置は負荷側、反負荷側のどちらに設置してもよい。反負荷側の場合、取付け構造は容易にでき、また部品工数の削減にもつながる。

ファンカバー２は、図６に示されるように、ファン１からハウジング７の反負荷側の端部までを覆うように、そして、ファンカバー２から噴き出す空気がハウジング７に沿って流れるように配置するのが好ましい。

なお、本実施例では、反負荷側エンドブラケット３の軸中心付近を概略錐台形状とし、冷却風の流通効率を向上させているが、例えば、回転電機がサーボモータである場合には、反出力軸側のエンドブラケット３側に回転数等を計測するエンコーダ等が内蔵される場合がある。錐台形状のエンドブラケット３内部を、エンコーダ内蔵空間とする構成も可能である。特に、エンコーダを必要とする構成では、反出力軸側に自励ファンを設置することができず、他励ファンによる冷却構造を取ることもある。本実施例の構成をサーボモータに適用することは、エンコーダの設置構成や空間を維持しつつ冷却効率を向上させることができ、特に好適な適用例の1つであると言える。

図８に、実施例２の反負荷側エンドブラケット３を示す。シャフト１０側、すなわち中央部のテーパ３Ｃに、軸心から貫通孔１００へ向かう複数のフィン３ｃを設けている。図８のように、反負荷側エンドブラケット３の第３テーパ部のテーパ３Ｃにフィン３cを円周上に設けることで、冷却風の流路が形成されるため、冷却風同士の干渉を軽減させ、なるべく多くの冷却風を貫通孔１００に送風することができる。また、内側も同様に分岐させることで、貫通孔同士の間隔を無駄にすることなく、冷却風を貫通孔１００に送風することができる。

１ ファン
２ ファンカバー
３ 反負荷側エンドブラケット
３Ａ 第１テーパ部
３ａ 第１テーパ部のフィン
３Ｂ 第２テーパ部
３ｂ 第２テーパ部のフィン
３Ｃ 第３テーパ部
３ｃ 第３テーパ部のフィン
４，９ 軸受
５ ロータ（回転子）
６ ステータ（固定子）
７ ハウジング
８ 負荷側エンドブラケット
１０ シャフト（回転軸）
２０ 冷却風
１００ 反負荷側エンドブラケットの貫通孔
１０１ 負荷側エンドブラケットの貫通孔

Claims (13)

1. 固定子と、回転軸に接続された回転子と、前記固定子および前記回転子を囲むハウジングと、前記ハウジングと接続する反負荷側エンドブラケットと、反負荷側エンドブラケット側から冷却風を送風するファンと、前記ファンからハウジングの反負荷側の端部までを覆うファンカバーと、を備え、
   前記反負荷側エンドブラケットは、冷却風を前記ハウジングの内部に通過させる第１貫通孔と、前記第１貫通孔と前記反負荷側エンドブラケットの外周との間に頂点を有し、前記頂点から前記第１貫通孔にかけて負荷方向に傾斜する第１テーパ部と、前記頂点から前記反負荷側エンドブラケットの外周にかけて負荷方向に傾斜する第２テーパ部と、前記回転軸と前記第１貫通孔との間に位置し、前記回転軸から前記第１貫通孔にかけて負荷方向に傾斜する第３テーパ部と、を有する、回転電機。
2. 前記第１テーパ部には、前記第１テーパ部への冷却風を前記第１貫通孔へ導く複数のフィンを有する、請求項１記載の回転電機。
3. 前記第２テーパ部には、前記反負荷側エンドブラケットの外周に冷却風を導く複数のフィンを有する、請求項２記載の回転電機。
4. 前記第１テーパ部のフィンと前記第２テーパ部のフィンとは、前記回転軸から前記反負荷側エンドブラケットの外周方向に接続している、請求項３記載の回転電機。
5. 前記反負荷側エンドブラケットは前記第１貫通孔を複数有し、
   複数の前記第１貫通孔は、回転軸方向に見た平面視で、前記回転軸を中心に円周上に配置されており、
   隣り合う前記第１テーパ部のフィンは、前記頂点から隣り合う前記第１貫通孔のそれぞれの端部にかけて伸びている、請求項２記載の回転電機。
6. 前記第３テーパ部には、前記第３テーパ部への前記冷却風を前記第１貫通孔へ導く複数のフィンを有する、請求項１記載の回転電機。
7. 前記ハウジングと接続する負荷側エンドブラケットを備え、
   前記負荷側エンドブラケットは、前記第１貫通孔を通じてハウジング内に送風された冷却風を放出する第２貫通孔を有する、請求項１記載の回転電機。
8. 前記第２貫通孔は、冷却風が上昇する方向に設けられている、請求項７記載の回転電機。
9. 前記第２貫通孔は、回転軸方向に設けられている、請求項７記載の回転電機。
10. 前記ファンは、回転軸方向に沿った断面視で、前記回転軸から前記反負荷側エンドブラケットの外周に向かう方向において前記頂点の内側に位置している、請求項１記載の回転電機。
11. 前記ファンは、他励ファンである、請求項１記載の回転電機。
12. 前記ファンは、前記回転軸と接続された自励ファンである、請求項１記載の回転電機。
13. 回転電機は、サーボモータであり、
    前記反負荷側エンドブラケットの内部にエンコーダを内蔵する、請求項１記載の回転電機。

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