JP2000116061A

JP2000116061A - 回転電機の冷却構造

Info

Publication number: JP2000116061A
Application number: JP10285255A
Authority: JP
Inventors: Koji Ogita; 浩司荻田; Masayuki Takahashi; 政行高橋
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 1998-10-07
Filing date: 1998-10-07
Publication date: 2000-04-21
Anticipated expiration: 2018-10-07
Also published as: JP3506020B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、回転電機の冷却構造に関し、回転
電機の効率の向上を図るようにする。【解決手段】ロータ２と、ロータ２の外周部に同軸上
に配設されたステータ３と、ロータ２及びステータ３を
収納するケーシング４とをそなえ、ケーシング４内に冷
媒通路８を形成するとともに、ロータ２の軸方向端部近
傍に排出口をそなえ、上記冷媒通路８を介してケーシン
グ４の外部からステータ３内部やロータ２とステータ３
との隙間１１に冷媒を供給するとともに、排出口からロ
ータ２の軸方向に沿って冷媒を排出するように構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機や発電機等
の回転電機に用いて好適の、回転電機の冷却構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えばガスタービンエンジン
に回転子（ロータ）として永久磁石を接続し、この永久
磁石を高速回転させて発電を行なうようにした永久磁石
界磁型発電機が知られている。上述のような永久磁石の
うち、ネオジウム（Ｎｄ）やサマリウム（Ｓｍ）等の希
土類金属製永久磁石は、小型で磁束密度が高いため、減
速機を用いずにガスタービンエンジンに直結させて高速
で駆動することができ、一般的な巻線界磁型発電機より
も小型で高効率の発電機を提供することができる。

【０００３】ところで、一般にコイルに電流が流れる
と、コイル内での鉄損や銅損等の熱損失によりステータ
やロータを含め内部温度が上昇する。特に、上述のよう
な永久磁石界磁型発電機は、巻線界磁型発電機よりも小
型となるため単位体積当たりの発熱量も大きくなる。そ
して、このような熱損失が生じると内部温度の上昇にと
もない導線の電気抵抗が増加して、発電機の効率が低下
してしまうのである。

【０００４】これに対して、特開平７−２９８５２４号
公報には、モータや発電機等の回転電機の冷却構造に関
する技術が開示されている。そして、この公報には、ス
テータの外周部から冷媒を供給して、ステータを冷却す
るようにした技術が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の技術では、冷媒はステータ内を通って排出さ
れるため、ロータに対しては十分な冷却を行なうことが
できないという課題があった。ところで、回転子（永久
磁石）は高速で回転駆動されるため、回転子の軸受け部
には十分な量の潤滑油を供給する必要があるが、回転軸
の軸受け部以外の部位に潤滑油が付着したり回転軸の周
囲に潤滑油が存在すると、撹拌損失が生じてこの分だけ
効率が低下してしまうという課題もある。

【０００６】本発明は、このような課題に鑑み創案され
たもので、モータや発電機等の回転電機を十分に冷却で
きるようにするとともに回転軸の撹拌損失を極力抑制し
て、回転電機の効率の向上を図るようにした、回転電機
の冷却構造を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明の
回転電機の冷却構造では、ケーシング内に配設された冷
媒通路を介してケーシングの外部からケーシング内に冷
媒が供給される。この冷媒は、ケーシング内に収納され
たステータの内部を通って、ロータとステータとの隙間
に供給されるとともに、ロータの軸方向端部近傍に設け
られた排出口から、ロータの軸方向に沿って排出され
る。これにより、ロータとステータとの間が冷却され、
回転電機を内部から略均一に冷却することができる。

【０００８】また、請求項２記載の本発明の回転電機の
冷却構造では、上記請求項１に加えて、ロータの軸方向
端部に配設された軸受け部によりロータの回転が支持さ
れる。また、この軸受け部には、潤滑油供給通路を介し
てケーシングの外部より潤滑油が供給される。そして、
上記冷媒の圧力を潤滑油圧力よりも高圧に設定すること
により、潤滑油が上記排出口内からケーシング内に流入
するのを防止でき、回転軸の撹拌損失を低減することが
できる。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面により、本発明の一実
施形態としての回転電機の冷却構造について説明する
と、図１はその全体構成を示す模式的な縦断面図、図２
はその要部の構成を示す模式的な横断面図であって、図
１におけるＡ−Ａ断面図、図３はその要部の構成を示す
模式的な縦断面図であって、図１におけるＢ部拡大図で
ある。

【００１０】図１において、１は回転電機としての発電
機、２はロータ（回転子）、３はステータ（固定子）、
４はケーシング（筐体）であり、ロータ２及びステータ
３は、いずれもケーシング４内に収納されている。ロー
タ２の一端（図中左端）は、図示しないガスタービンエ
ンジンの出力軸に減速機等を介さず直結されており、こ
のガスタービンエンジンの駆動力によりロータ２が高速
で回転駆動されるようになっている。

【００１１】また、ステータ３は、ロータ２の外周側に
ロータ２と同軸上に配設されている。ここで、ステータ
３は、複数の珪素鋼板３ａを重合させ、これに導線を巻
回して形成されたものであり、コイルとして機能するも
のである。また、図２に示すように、この珪素鋼板３ａ
の中央部には、ロータ２が挿通する穴部３ｂが形成され
ている。さらに、詳細は図示はしないが、この穴部３ｂ
の周囲にも、導線が挿通する穴部が複数形成されてい
る。

【００１２】ところで、ロータ２は、円筒状のスリーブ
２ａ及び永久磁石２ｂにより構成されており、スリーブ
２ａ内に永久磁石２ｂが固定されている。また、ロータ
２の両端部には、ロータ２を回動自在に支持する軸受け
部（ベアリング）５が設けられており、これらのベアリ
ング５，５よりも内側には、それぞれフローティングシ
ール９，９が設けられている。

【００１３】また、図１，図２に示すように、ケーシン
グ４は、ケーシング本体４ａと、このケーシング本体４
ａを収納する外筒４ｂとをそなえており、このケーシン
グ本体４ａと外筒４ｂとの間には、複数の冷却水通路
（ウォータジャケット）６が形成されている。ウォータ
ジャケット６には、図１に示すように、冷却水給排通路
７が接続されており、この冷却水給排通路７を介して供
給，排出される冷却水により、ケーシング４の冷却が行
なわれるようになっている。

【００１４】また、このケーシング４内には、上記のウ
ォータジャケット６以外にも、ケーシング本体４ａの内
部を冷却するための冷媒通路８が形成されている。この
冷媒通路８は、ケーシング本体４ａに穿設された第１の
冷媒供給通路８ａと、ステータ３に形成された第２の冷
媒供給通路８ｂとをそなえ、第１の冷媒供給通路８ａの
一端には、冷媒供給源（図示省略）とケーシング４とを
接続する管路８ｃが接続されている。また、この第１の
冷媒供給通路８ａと第２の冷媒供給通路８ｂとは、ケー
シング４の長さ方向の略中央部で接続されている。

【００１５】一方、図２に示すように、ステータ３を形
成する珪素鋼板のうち中央部分の１枚（又は数枚）の珪
素鋼板３ａは、径方向に沿って２分割されており、これ
らの２分割された珪素鋼板３ａ₁，３ａ₂の間に形成さ
れた溝が、第２の冷媒供給通路８ｂとして機能するよう
になっている。ここで、上述の溝（第２の冷媒供給通路
８ｂ）の幅としては、例えば珪素鋼板３ａの１枚の板厚
と同程度に設定されている。

【００１６】なお、図１では、ロータ２の回転軸の上方
と下方とでケーシング４の断面形状が異なっているが、
これは、ウォータジャケット６の形状を示すためであ
り、図２に示すように、本実施形態では実際にはケーシ
ング４は上下で略対称の断面形状となっており、第１，
第２の冷媒供給通路８ａ，８ｂは、ロータ２の回転軸に
対して１８０°位相のずれた位置にそれぞれ設けられて
いる。

【００１７】また、高速回転するロータ２と、ケーシン
グ４に固定されたステータ３との間には、両部材が接触
しないように、僅かながら隙間１１が形成されている。
したがって、図示しない冷媒供給源から供給される冷媒
（例えば、加圧空気）は、管路８ｃから第１及び第２の
冷媒供給通路８ａ，８ｂを介して、ケーシング４内のロ
ータ２とステータ３との間の隙間１１からケーシング本
体４ａ内に供給されて、発電機１を内部から冷却するよ
うになっているのである。

【００１８】また、図１に示すように、この発電機１に
は、ケーシング本体４ａ内の圧力を調整するための調圧
弁８ｄも設けられている。この調圧弁８ｄは、例えば冷
媒の供給によりケーシング本体４ａ内が所定の圧力に達
すると開弁するようなリリーフ弁として構成されてお
り、これにより、常時ケーシング本体４ａ内が略一定圧
に保持されるようになっている。

【００１９】ところで、ロータ２は、ベアリング５によ
り回動自在に支持されているが、このベアリング５に
は、高速回転時の焼きつきを防止すべく、潤滑油が供給
されるようになっている。すなわち、図１に示すよう
に、ケーシング４にはベアリング５に通じる潤滑油供給
通路５ａが形成されており、この潤滑油供給通路５ａを
介して発電機１の外部から潤滑油が供給されるようにな
っている。

【００２０】また、上述したように、ロータ２の両端の
ベアリング５よりも内側には、フローティングシール９
が設けられている。このフローティングシール９は、図
３に示すように、スナップリング１０によりケーシング
４側に取り付けられており、ロータ２の高速回転時にロ
ータ２と摺接しながら、ケーシング４内の気密性（又は
液密性）を保持すべく設けられたものである。そして、
このようなフローティングシール９により、ケーシング
４の内部が、冷媒の供給される部分と潤滑油の供給され
る部分とに仕切られている。なお、このフローティング
シール９は、耐久性や耐熱性を考慮して、例えばカーボ
ンにより形成されている。

【００２１】ここで、フローティングシール９は、主
に、ベアリング５に供給される潤滑油がロータ２とステ
ータ３との隙間１１に侵入するのを阻止する目的で設け
られている。つまり、潤滑油がケーシング４の中央部に
侵入して、ロータ２とステータ３との隙間１１にまで侵
入すると、これがロータ２の回転抵抗（撹拌損失）とな
って発電機１の効率が低下してしまう。そこで、このよ
うな事態を回避すべく、上述のようなフローティングシ
ール９により、ケーシング４の内部を仕切って潤滑油の
流入を防止するようにしているのである。

【００２２】しかし、このように気密性（液密性）を保
持すべく設けられたフローティングシール９であって
も、ロータ２との間にわずかに隙間が生じてしまうた
め、完全に気密性を保持することはできない。そこで、
本発明では、冷媒通路８からケーシング４内に供給され
る冷媒の圧力を潤滑油の圧力よりも高く設定して、この
冷媒の一部をロータ２とフローティングシール９との間
の隙間１２から排出することにより、潤滑油の侵入を防
止するようになっているのである。つまり、フローティ
ングシール９により仕切られた２つの部屋のうち、一方
の部屋を低圧室（ベアリング５側であって、図３中では
フローティングシール９よりも右側）、他方の部屋を高
圧室（ロータ２の中央側であって、図３中ではフローテ
ィングシール９よりも左側）として、２つの部屋の圧力
差を利用することにより、低圧である潤滑油の侵入を防
止するようにしているのである。また、上述したフロー
ティングシール９とロータ２との隙間１２を冷媒の排出
口として機能させ、冷媒をロータ２の軸方向に沿って排
出することによりロータ２とフローティングシール９と
の摺接部分の冷却をも行なうようにしているのである。

【００２３】そして、このように構成することにより、
発電機１内を十分に冷却することができようになるとと
もに、潤滑油の侵入も確実に防止できるようになり、発
電機１の発電効率が向上することができるのである。本
発明の一実施形態としての回転電機の冷却構造は、上述
のように構成されているので、所定圧力に加圧された冷
媒は、ケーシング４に形成された第１の冷媒供給通路８
ａからステータ３の珪素鋼板３ａに形成された第２の冷
媒通路８ｂに流入する。このとき、第２の冷媒通路８ｂ
を冷媒が流れることによりステータ３の内部が冷却され
る。

【００２４】そして、冷媒はステータ３の内部を冷却し
ながらステータ３とロータ２との間に形成された隙間１
１に達して、これによりロータ２の外表面が冷却され
る。さらに、この冷媒は、図１中左右方向に分離して、
軸方向に沿って流れる。ここで、第２の冷媒通路８ｂが
ケーシング４の長さ方向の略中央に設けられているた
め、ロータ２に達した冷媒は左右均等に分離し、これに
よりロータ２の外表面は略均一に冷却されるのである。
さらに、ケーシング４内に満たされた冷媒の一部は、図
３に示すように、フローティングシール９とロータ２と
の間の隙間（排出口）１２を通って、ベアリング５側に
排出される。

【００２５】また、このケーシング４内の圧力が所定圧
よりも高くなると、調圧弁８ｄが開いて、ケーシング４
内が略一定の圧力に保持される。なお、冷媒として空気
を用いた場合には、余剰圧を調圧弁８ｄから大気開放す
ればよい。一方、ベアリング５には、潤滑油供給通路５
ａを介して、上記冷媒よりも低圧に設定された潤滑油が
供給される。この潤滑油の一部は、ベアリング５に達し
た後、フロティングシール９に向かって流れるが、冷媒
の圧力の方が潤滑油の圧力よりも高いため、フローティ
ングシール９とロータ２との間の隙間１２から潤滑油が
侵入することもない。また、ケーシング４自体は、冷却
水給排通路７を介して供給される冷却水によっても冷却
される。

【００２６】したがって、ロータ２が高速回転して発電
を行なう場合に、発電機１の温度上昇を極力抑制するこ
とができ、発電効率を向上させることができる。また、
高速回転する回転軸（ロータ）２を支持する軸受け部
（ベアリング）５に対しては、潤滑油供給通路５ａを介
して潤滑油が供給されるので、このベアリング５の焼き
つきを防止することができる。また、このとき、ベアリ
ング５に供給される潤滑油がフローティングシール９の
隙間１２から侵入して、ロータ２とステータ３との間の
隙間１１に侵入するようなこともないので、ロータ２の
撹拌損失を抑制することができ、このような観点からも
やはり発電機１の発電効率の向上を図ることができるの
である。

【００２７】なお、本発明の回転電機の冷却構造は、上
述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨
を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、
上述の実施形態では、回転電機として発電機１を用いた
場合を説明したが、回転電機としてモータ（電動機）を
適用してもよい。また、このような回転電機は、必ずし
も上述のガスタービンエンジンに接続されるものではな
い。また、冷媒通路８の位置や数についても任意に変更
可能である。

【００２８】また、永久磁石としては、ネオジウム（Ｎ
ｄ）やサマリウム（Ｓｍ）の希土類金属を用いるのが好
ましいが、永久磁石はこのような金属に限定されるもの
ではなくこれら以外の金属を用いてもよい。また、冷媒
として、空気以外の気体や液体を用いてもよい。また、
上述した実施形態において、調圧弁８ｄを、ＥＣＵ等の
コントローラからの制御信号に基づいて開閉可能な制御
弁として構成してもよい。この場合には、ケーシング本
体４ａ内の圧力を検出する圧力センサを設けて、この圧
力センサで検出された圧力に応じて調圧弁８ｄの開閉状
態を制御するようにしてもよいし、また、これ以外に
も、ケーシング本体４ａ内の温度を検出する温度センサ
を設けて、この温度センサで検出された温度に応じて開
閉状態を制御するようにしてもよい。また、このような
場合には、圧力や温度以外にも種々のパラメータをコン
トローラに取り込んで、調圧弁８ｄの開閉状態を制御す
るようにしてもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、請求項１記載の本
発明の回転電機の冷却構造によれば、ロータとステータ
との間の隙間に冷媒を供給することができ、これにより
回転電機を内部から冷却して、回転電機の作動時の温度
上昇を極力抑制することができる。また、回転電機の温
度上昇を抑制することにより、回転電機の効率を向上さ
せることができるという利点がある。

【００３０】また、請求項２記載の本発明の回転電機の
冷却構造によれば、上記請求項１に加えて、軸受け部に
十分な量の潤滑油を供給することができ、軸受け部の焼
きつきを防止することができる利点があるほか、ロータ
とステータとの隙間に潤滑油が侵入するのを防止するこ
とができ、回転軸における撹拌損失を低減することがで
きるという利点がある。また、このような撹拌損失を低
減することにより、やはり、回転電機の効率を向上させ
ることができるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態としての回転電機の冷却構
造における全体構成を示す模式的な縦断面図である。

【図２】本発明の一実施形態としての回転電機の冷却構
造における要部の構成を示す模式的な横断面図であっ
て、図１におけるＡ−Ａ断面図である。

【図３】本発明の一実施形態としての回転電機の冷却構
造における要部の構成を示す模式的な縦断面図であっ
て、図１におけるＢ部拡大図である。

【符号の説明】

１回転電機としての発電機２ロータ３ステータ４ケーシング５ベアリング（軸受け部）５ａ潤滑油供給通路８冷媒通路１１隙間１２排出口（隙間）

フロントページの続きＦターム(参考） 5H609 BB12 BB19 PP02 PP05 PP06 PP07 PP08 PP09 PP11 QQ02 QQ04 QQ05 QQ07 QQ12 QQ13 QQ14 QQ18 RR27 RR36 RR37 RR42 RR43 RR46 RR69 RR70 RR73 SS08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロータと、該ロータの外周部に同軸上に配設されたステータと、該ロータと該ステータとを収納するケーシングと、該ケーシング内に形成され該ケーシングの外部から該ス
テータ内部に冷媒を供給するとともに該ロータと該ステ
ータとの隙間に冷媒を供給する冷媒通路と、該ロータの軸方向端部近傍に設けられ該ロータの軸方向
に沿って該冷媒を排出する排出口とを有することを特徴
とする、回転電機の冷却構造。
【請求項２】該ロータの軸方向端部に該ロータの回転
を支持すべく配設された軸受け部と、該軸受け部に該ケーシングの外部より潤滑油を供給する
潤滑油供給通路とをさらにそなえ、該ロータと該ステータとの隙間に供給される冷媒圧力
が、該潤滑油供給通路を介して供給される潤滑油圧力よ
りも高圧に設定されていることを特徴とする、請求項１
記載の回転電機の冷却構造。