CN111725928B - 旋转电机及转子轴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及旋转电机及转子轴。有效地进行旋转电机的定子绕组的冷却。旋转电机(201)具备：转子(10)，具有转子轴(11)和转子铁心(12)；定子(20)，具有定子铁心(21)和定子绕组(22)；两个轴承(35)；框架(110)；第一轴承托架(115)；以及第二轴承托架(116)。在转子轴(11)形成有旁通流路，该旁通流路连结冷却用气体的流路的转子铁心(12)及定子铁心(21)的上游侧空间(113b)、以及夹着转子铁心(12)及定子铁心(21)而与上游侧空间(113b)相反侧的下游侧空间(113d)。

Description

旋转电机及转子轴

技术领域

本发明涉及旋转电机及其转子轴。

背景技术

旋转电机通常具备转子和定子。转子通常具有围绕旋转轴旋转的转子轴、以及安装在该转子轴的径向外侧的转子铁心。此外，定子具有圆筒形状的定子铁心、以及贯通该定子铁心的定子线圈。在负载运转时，由定子线圈产生的铜损及由定子铁心产生的铁损成为主要热源的情况较多。

专利文献1：日本特开平11-4554号公报

定子线圈与较多的部件机械式地接触或者结合，但需要维持电绝缘。因此，定子线圈及其周边的部件使用较多的绝缘材料。绝缘材料根据各自的材质等而使用温度存在耐热性能上的限制。另一方面，随着近年的旋转电机的单机容量的增大化，定子线圈的电流密度处于上升的倾向。因此，以定子线圈为代表，定子的各部的冷却较重要。

在转子铁心及定子收纳于框架内的旋转电机中，以往，例如，已知有如下方式：在转子铁心的轴向的两侧设置内扇，从轴向的两侧向转子铁心及定子侧供给冷却用气体。在该情况下，由于需要设置2台内扇，因此存在轴向的长度变长、以及制造成本增加这样的问题。

此外，已知有如下的技术：在将内扇仅设置在轴向的一方的一方通风的情况下，通过在定子铁心的外周部形成冷却翅片(褶皱)来增大散热面积，通过在框架与定子铁心之间的空间中沿着轴向流动的冷却风等来进行冷却(专利文献1)。

在该一方通风的构成中，即使在转子铁心及定子铁心被冷却的情况下，冷却用气体在转子铁心及定子铁心各自的出口也成为高温，在较多的情况下，出口侧的线圈端部、即定子绕组的定子铁心轴向外侧的部分的冷却成为课题。因此，需要增大内扇的压力及容量，存在旋转电机的机械损失增大这样的问题。

发明内容

因此，本发明的目的在于有效地进行旋转电机的定子绕组的冷却。

为了实现上述目的，本发明所涉及的旋转电机具备：转子，具有沿着轴向延伸的转子轴、以及安装于上述转子轴的转子铁心；定子，具有隔着间隙配置于上述转子铁心的径向外侧的定子铁心、以及贯通于上述定子铁心内的定子绕组；两个轴承，在上述转子轴的分别位于上述转子铁心的轴向两侧的部分，将上述转子轴支撑为能够旋转；框架，收纳上述转子铁心及上述定子，并构成冷却用气体的流路；第一及第二轴承托架，安装于上述框架的轴向两端，分别静止地支承上述轴承；以及风扇，对上述冷却用气体进行驱动而使其流过上述转子铁心及上述定子铁心，其特征在于，在上述转子轴形成有旁通流路，该旁通流路连结上述冷却用气体的流路的上述转子铁心及上述定子铁心的上游侧空间、以及夹着上述转子铁心及上述定子铁心而与上述上游侧空间相反侧的下游侧空间。

此外，本发明所涉及的转子轴是旋转电机的转子的转子轴，该旋转电机具备上述转子、具有定子铁心和定子绕组的定子、两个轴承、第一及第二轴承托架、以及对冷却用气体进行驱动而使其流过转子铁心及上述定子铁心的风扇，其特征在于，在该转子轴形成有旁通流路，该旁通流路连结上述冷却用气体的流路的上述转子铁心及上述定子铁心的上游侧空间、以及夹着上述转子铁心及上述定子铁心而与上述上游侧空间相反侧的下游侧空间。

发明效果

根据本发明，能够有效地进行旋转电机的定子绕组的冷却。

附图说明

图1是第一实施方式所涉及的旋转电机的纵截面图。

图2是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流入部的部分的图1的II-II线向视局部截面图。

图3是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流入部的第一变形例的局部截面图。

图4是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流入部的第二变形例的局部截面图。

图5是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流入部的第二变形例的引导件的图4的V-V向视局部主视图。

图6是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流入部的第二变形例的引导件的图5的VI-VI向视局部截面图。

图7是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流出部的图1的VII-VII线向视局部截面图。

图8是表示第一实施方式所涉及的旋转电机的转子轴的流出部的图7的VIII-VIII线向视局部截面图。

图9是第二实施方式所涉及的旋转电机的纵截面图。

图10是第三实施方式所涉及的旋转电机的纵截面图。

符号的说明

10…转子，11…转子轴，11a…轴向流路，11b…流入部，11c…流出部，11d…流入部，11g…引导件，11m…流入孔，11n…流出孔，11p…旁通流路，11z…耦合部，12…转子铁心，18…空隙，20…定子，21…定子铁心，22…定子绕组，22a…线圈端部，35…轴承，110…框架，111…分隔板，111a…通风孔，113…空间，113a…风扇入口空间，113b…上游侧空间，113c…铁心入口空间，113d…下游侧空间，114a、114b…内侧空间，115…结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)，115a…吸气口，116…结合侧轴承托架(第二轴承托架)，116a…排气口，118…风扇，120…框架，121…结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)，121a…入口通风孔，122…结合侧轴承托架(第二轴承托架)，122a…出口通风孔，125…入口端板，125a…吸气口，126…出口端板，126a…排气口，130…框架，130a…翅片，131…框架内流路，131a…流路入口，131b…流路出口，135…结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)，136…结合侧轴承托架(第二轴承托架)，201、202、203…旋转电机，301…冷却器，302…风扇，303…外部配管

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式所涉及的旋转电机及冷却构造进行说明。

[第一实施方式]

图1是第一实施方式所涉及的旋转电机的纵截面图。旋转电机201具有转子10、定子20、两个轴承35、框架110及两个轴承托架115、116。

转子10具有沿着旋转轴方向延伸的转子轴11、以及安装于转子轴11的径向外侧的转子铁心12。转子轴11在夹着转子铁心12的轴向的两侧、由轴承35支承为能够旋转。

在转子轴11的一个端部，设置有用于与结合对象结合的耦合部11z。以下，在旋转电机201中，将耦合部11z的方向称为结合侧，将其相反方向称为结合相反侧。在转子铁心12与结合相反侧的轴承35之间，风扇118安装于转子轴11。

定子20具有定子铁心21及定子绕组22。定子铁心21为圆筒状，隔开空隙18以包围转子铁心12的方式配置于转子铁心12的径向外侧。定子绕组22贯通多个插口(未图示)，该多个插口在定子铁心21的径向内侧在周向上相互隔开间隔地沿着轴向形成。将定子绕组22的定子铁心21外侧的部分称为线圈端部22a。

框架110以包围转子铁心12、定子20及风扇118的方式，配置在这些部件的径向外侧。

两个轴承托架包括：结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)115，安装于框架110的结合相反侧的端部；以及结合侧轴承托架(第二轴承托架)116，安装于框架110的结合侧的端部。框架110、结合相反侧轴承托架115及结合侧轴承托架116相互协作而形成空间113。

但是，空间113与外部连通。即，在结合相反侧轴承托架115，形成有与外部连通的吸气口115a。此外，在结合侧轴承托架116，形成有与外部连通的排气口116a。此外，在吸气口115a，也可以设置有用于保护风扇118的筛网等异物混入防止部。

在空间113内，在轴向的风扇118与转子铁心12之间设置有分隔板111。分隔板111的周缘安装于框架110的内表面。分隔板111在中央形成有供转子轴11贯通的开口，在其与转子轴11之间具有间隙。并且，在其径向的外侧形成有多个通风孔111a。多个通风孔111a在周向上相互隔开间隔地配置。通风孔111a的形状例如可以为圆形或者多边形等。此外，多个通风孔111a也可以在径向上也分布地形成。

空间113当将转子铁心12及定子铁心21内的空间除外时，在轴向上从结合相反侧被分割为：风扇入口空间113a；风扇118的出口与分隔板111之间的空间即上游侧空间113b；分隔板111与转子铁心12及定子铁心21之间的空间即铁心入口空间113c；以及夹着转子铁心12而在轴向上处于相反侧的下游侧空间113d。

在转子轴11的内部形成有冷却用气体的旁通流路11p(图2)。在此，冷却用气体是从旋转电机201外部取入的外部空气。具体地说，形成有沿着转子轴11的轴中心的轴向流路11a、将轴向流路11a与上游侧空间113b连通的流入部11b、以及将轴向流路11a与下游侧空间113d连通的流出部11c，这些成为旁通流路11p的构成要素。

轴向流路11a从形成有流入部11b的轴向位置延伸到形成有流出部11c的轴向位置。

此外，在上述构成中，只要由风扇118驱动的冷却用气体(外部空气)，被向转子铁心12及定子20侧、以及形成于转子轴11的流路侧，特别是不向一方偏斜地向双方适当地输送，则也可以不必设置分隔板111。

图2是表示转子轴的流入部的部分的图1的II-II线向视局部截面图。沿着转子轴11的轴心形成有旁通流路11p中的轴向流路11a。在轴向流路11a形成有旁通流路11p中的流入部11b。流入部11b具有呈放射状形成的多个流入孔11m。各个流入孔11m从转子轴11的径向外侧朝向轴向流路11a直线地形成。

此外，轴向流路11a不限定于沿着轴心为一个的情况。例如，根据与向转子轴11安装的安装物之间的关系，在为了确保整体的平衡而需要使其偏心的情况下，也可以使其偏心。或者，也可以在周向上相互隔开间隔地形成有多条。

图3是表示转子轴的流入部的第一变形例的局部截面图。在本第一变形例中，流入部11b的各个流入孔11m，不是在从转子轴11的旋转轴朝向径向外侧的方向上呈放射状地形成，而是分别以沿着轴向流路11a的截面的切线方向延伸到转子轴11的表面的方式在周向上相互隔开间隔地形成。

流入孔11m的从上游侧空间113b流入的流入方向是从转子轴11的轴心方向倾斜的方向。即，当将从朝向轴心的方向向旋转方向的倾斜设为正的角度时，从朝向轴心的方向即径向的倾斜角度Θ成为正的角度。此外，形成为从径向外侧朝向轴向流路11a的中心轴在周向上向旋转方向侧弯曲。

通过这样形成流入孔11m，容易从上游侧空间113b接受冷却用气体。

图4是表示转子轴的流入部的第二变形例的局部截面图。本第二变形例是第一变形例的变形。在本第二变形例中，旁通流路11p具有安装于各个流入孔11m的入口的引导件11g。引导件11g捕获上游侧空间113b内的冷却用气体而引导到流入孔11m内。

图5是表示引导件的图4的V-V向视局部主视图，图6是图5的VI-VI向视局部截面图。

引导件11g不是单纯的平板，为了容易捕获冷却用气体，作为整体形成为在宽度方向上中央部凹陷的曲面状。如此，更容易从上游侧空间113b接受冷却用气体。

图7是表示转子轴的流出部的部分的图1的VII-VII线向视局部截面图，图8是图7的VIII-VIII线向视局部截面图。如上所述，沿着转子轴11的中心轴形成有轴向流路11a。旁通流路11p中的流出部11c具有多个流出孔11n，该多个流出孔11n为，在沿着轴向透视的情况下，以沿着轴向流路11a的切线方向延伸到转子轴11的径向外侧表面的方式在周向上相互隔开间隔地形成。

各个流出孔11n在轴向上如图8所示那样沿着相对于与旋转轴垂直的面S倾斜的方向形成。在图8中，各个流出孔11n在轴向上向朝向上游侧那样的方向倾斜，但如果能够进一步确保线圈端部22a(图1)的冷却效果，则也可以朝向下游侧倾斜。此外，在径向上，流出孔11n以起到离心风扇那样的作用的方式形成。

即，当将从朝向轴心的方向向旋转方向的相反方向的倾斜设为正的角度时，从轴心方向的倾斜角度Φ成为正的角度。此外，形成为从轴向流路11a的中心轴朝向径向外侧在周向上向旋转方向的相反方向侧弯曲。

接着，对本实施方式所涉及的旋转电机的作用进行说明。

在旋转电机201的运转中，转子10进行旋转。即，转子轴11进行旋转，其上所安装的风扇118也进行旋转。通过风扇118的旋转动作，外部空气从形成于结合相反侧轴承托架115的吸气口115a向风扇入口空间113a流入，被风扇118吸入之后向风扇118出口侧的上游侧空间113b流入。

向上游侧空间113b流入的外部空气、即冷却用气体的大部分，流过形成于分隔板111的通风孔111a，向铁心入口空间113c流入。向铁心入口空间113c流入的冷却用气体，一边流过转子铁心12及定子20一边对它们进行冷却。对转子铁心12及定子20进行冷却而温度上升后的冷却用气体，向下游侧空间113d流出，进而从形成于结合侧轴承托架116的排气口116a向外部流出。

这样的冷却用气体的流动的结果，与流过形成于分隔板111的通风孔111a、转子铁心12及定子20等而导致的压力损失相应地，成为下游侧空间113d内的压力比上游侧空间113b内的压力低的状态。

与以上那样的冷却用气体的流路并列地具有形成于转子轴11的流路，其出口侧所处的下游侧空间113d内的压力，比入口侧所处的上游侧空间113b的压力低。由此，产生从上游侧空间113b流过转子轴11内的流路而到达下游侧空间113d的冷却用气体的流动。即，向上游侧空间113b流入的冷却用气体的一部分，向形成于转子轴11的流入部11b流入，在流过轴向流路11a之后，从流出部11c向径向外侧，朝向线圈端部22a、即定子绕组22的下游侧空间113d内的部分喷出。

从流出部11c向下游侧空间113d内喷出的冷却用气体，仅是被从上游侧空间113b吸入并流过转子轴11的内部，因此与外部空气的温度几乎相同程度，与上述的对转子铁心12及定子20进行冷却而温度上升后的冷却用气体相比，为足够低的温度。其结果，对于下游侧的线圈端部22a，也能够确保足够的冷却效果。

如以上那样，在本实施方式所涉及的旋转电机201中，包括下游侧的线圈端部22a在内，能够有效地进行定子绕组22的冷却。

[第二实施方式]

图9是第二实施方式所涉及的旋转电机的纵截面图。本第二实施方式是第一实施方式的变形。本第二实施方式所涉及的旋转电机202不具有第一实施方式所涉及的旋转电机201中的风扇118。在本第二实施方式所涉及的旋转电机202中，两个轴承35配置在框架120内。因此，结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)121及结合侧轴承托架(第二轴承托架)122，以在轴向上将框架120内分隔的方式夹着定子20而安装于框架120。在结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)121形成有入口通风孔121a。此外，在结合侧轴承托架(第二轴承托架)122形成有出口通风孔122a。

在框架120的端部，安装有入口端板125及出口端板126。在入口端板125形成有吸气口125a。此外，在出口端板126形成有排气口126a。

转子轴11的轴向流路11a的流入部11d，向入口端板125与结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)121之间的空间开口。

在本第二实施方式中，冷却用气体在闭循环内进行循环。在其他方面与第一实施方式相同。

在旋转电机202的外部设置有冷却器301及风扇302。旋转电机202、冷却器301及风扇302通过外部配管303连接。

在由旋转电机202、冷却器301及风扇302构成的系统的运转状态下，冷却用气体由风扇302驱动，在冷却器301中被冷却之后，从与外部配管303连接的入口端板125的吸气口125a向旋转电机202流入。冷却用气体在旋转电机202内的流动与第一实施方式相同。冷却用气体在旋转电机202内流过之后，从出口端板126的排气口126a流出，经过外部配管303而进行了一个循环之后再次向风扇302流入。

此外，在图9中将风扇302与旋转电机202相独立地配置的情况作为例子示出，但不限定于此。例如，也可以是将冷却器301配置在风扇302的上游侧、并且将风扇302安装于旋转电机202的外部空气风扇类型的旋转电机。

如上所述，根据本实施方式，即便在不是内扇方式的情况下，也能够确保与第一实施方式同样的冷却效果。

[第三实施方式]

图10是第三实施方式所涉及的旋转电机的纵截面图。本第三实施方式是第一实施方式的变形。在本第三实施方式所涉及的旋转电机203中，在框架130中形成有至少一个框架内流路131。框架内流路131在框架130的内表面和外表面所夹着的区域内具有截面，且沿着轴向延伸。框架内流路131的结合侧轴承托架(第二轴承托架)136侧的端部、与框架130的内侧空间114a，经由流路入口131a连通。此外，框架内流路131的结合相反侧轴承托架(第一轴承托架)135侧的端部、与框架130的内侧空间114b，经由流路入口131b连通。

在结合相反侧轴承托架135及结合侧轴承托架136，未形成与外部连通的开口。

在框架130的外表面设置有多个翅片130a。此外，在图10中示出在框架内流路131的外侧也设置有翅片130a的情况，但也可以是如较多例子那样在框架内流路131的外侧不设置翅片130a的情况。

其他方面与第一实施方式同样。此外，在图10中，在风扇118与铁心之间未示出图1所示的分隔板111，但也可以设置。

如本实施方式那样，即使在旋转电机203内冷却用气体进行循环那样的形式的情况下，也能够实现对下游侧的线圈端部22a进行冷却的构成。

[其他实施方式]

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式是作为例子来提示的，并不意图限定发明的范围。例如，也可以是代替第三实施方式中在框架130的内部形成框架内流路131的方法，而在框架上安装冷却器，将框架内及冷却器内作为循环流路的方式。

并且，这些实施方式能够以其他各种方式来实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方及其变形包含于发明的范围、主旨，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。

Claims (8)

1.一种旋转电机，具备：

转子，具有沿着轴向延伸的转子轴、以及安装于上述转子轴的转子铁心；

定子，具有隔着间隙配置于上述转子铁心的径向外侧的定子铁心、以及贯通于上述定子铁心内的定子绕组；

两个轴承，在上述转子轴的分别位于上述转子铁心的轴向两侧的部分，将上述转子轴支撑为能够旋转；

框架，收纳上述转子铁心及上述定子，并构成冷却用气体的流路；

第一及第二轴承托架，安装于上述框架的轴向两端，分别静止地支承上述轴承；以及

一个风扇，对上述冷却用气体进行驱动而使其流过上述转子铁心及上述定子铁心，

其特征在于，

在上述转子轴形成有旁通流路，该旁通流路连结上述冷却用气体的流路的上述转子铁心及上述定子铁心的上游侧空间、以及夹着上述转子铁心及上述定子铁心而与上述上游侧空间相反侧的下游侧空间，

上述定子绕组具有一对线圈端部，该一对线圈端部是该定子绕组中的上述定子铁心的外侧的部分，位于上述上游侧空间内及上述下游侧空间内，

上述旁通流路具有：

至少一个轴向流路，在上述转子轴内沿着轴向形成；

流入部，将上述轴向流路与上述上游侧空间连通，从上述上游侧空间流入上述冷却用气体并向上述轴向流路流出上述冷却用气体；以及

流出部，将上述轴向流路与上述下游侧空间连通，从上述轴向流路流入上述冷却用气体并向上述下游侧空间流出上述冷却用气体，

上述流出部具有流出孔，该流出孔从上述轴向流路延伸到径向的外侧表面，且以越靠上述下游侧空间侧则越朝向上述线圈端部的方式相对于与上述轴向正交的面倾斜，将上述轴向流路与上述下游侧空间连通。

2.如权利要求1所述的旋转电机，其特征在于，

上述流入部具有多个流入孔，该多个流入孔在周向上彼此隔开间隔地形成，并从径向外侧表面向径向内侧延伸而使上述上游侧空间与上述轴向流路连通。

3.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

上述风扇安装于上述流入部的上游侧的部分，

在上述第一轴承托架或者上述框架形成有从该旋转电机的外部向上述风扇取入上述冷却用气体的吸气口，

在上述第二轴承托架形成有将上述冷却用气体排出的排气口。

4.如权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，

上述风扇在上述框架的内部安装于上述转子轴。

5.如权利要求3所述的旋转电机，其特征在于，

上述风扇设置于上述框架的外侧，并通过外部的动力而被驱动。

6.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

上述风扇设置于上述框架的外部，

上述旋转电机还具备：

冷却器，设置于上述框架的外部，对上述冷却用气体进行冷却；以及

外部配管，引导上述冷却用气体以使其流过上述框架内、上述风扇及上述冷却器，

在上述第一轴承托架形成有与上述外部配管连接的吸气口，

在上述第二轴承托架形成有与上述外部配管连接的排气口。

7.如权利要求1或2所述的旋转电机，其特征在于，

上述风扇安装于上述转子轴的位于上述框架内的上述流入部的上游侧的部分，

在上述框架形成有将上述上游侧空间与上述下游侧空间连通的框架内流路，

上述框架内流路在流路入口与上述下游侧空间连通，并且在流路出口与上述上游侧空间连通。

8.一种转子轴，是旋转电机的转子的转子轴，该旋转电机具备上述转子、具有定子铁心和定子绕组的定子、两个轴承、第一及第二轴承托架、以及对冷却用气体进行驱动而使其流过转子铁心及上述定子铁心的一个风扇，其特征在于，

在该转子轴形成有旁通流路，该旁通流路连结上述冷却用气体的流路的上述转子铁心及上述定子铁心的上游侧空间、以及夹着上述转子铁心及上述定子铁心而与上述上游侧空间相反侧的下游侧空间，

上述定子绕组具有一对线圈端部，该一对线圈端部是该定子绕组中的上述定子铁心的外侧的部分，位于上述上游侧空间内及上述下游侧空间内，

上述旁通流路具有：

至少一个轴向流路，在上述转子轴内沿着轴向形成；

流入部，将上述轴向流路与上述上游侧空间连通，从上述上游侧空间流入上述冷却用气体并向上述轴向流路流出上述冷却用气体；以及

流出部，将上述轴向流路与上述下游侧空间连通，从上述轴向流路流入上述冷却用气体并向上述下游侧空间流出上述冷却用气体，

上述流出部具有流出孔，该流出孔从上述轴向流路延伸到径向的外侧表面，且以越靠上述下游侧空间侧则越朝向上述线圈端部的方式相对于与上述轴向正交的面倾斜，将上述轴向流路与上述下游侧空间连通。

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