JP2005057957A - 電動機 - Google Patents

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Abstract

【課題】 定格容量を低下させることなく、コンパクトにすることができる電動機を提供する。
【解決手段】 ケーシング2と、このケーシング2に回転自在に取り付けられた出力軸3と、この出力軸3に対して同軸に設けられた第1回転子8、および、該第1回転子8の外側に配置された第1固定子9を備える主電動機4と、出力軸3の両端のうち少なくとも一端近傍のケーシング部分に取り付けられた第2固定子12、および、該第2固定子12を同心的に取り囲むように配設された第2回転子11を有する副電動機6と、第2回転子11に配設された冷却ファン5とを備えており、冷却ファン5が第1回転子8と第1固定子9との隙間15に流体を流すように形成されており、副電動機6の極数が主電動機4の極数に比べて少なく設定されている。
【選択図】 図1

Description

本発明は、低速大トルクで用いる電動機に関するものである。
一般に、電動機は、回避することのできない銅損、鉄損、機械損などに起因する発熱により温度上昇する。そのため、電動機の内部は冷却されている。
このようなものとして、例えば、回転子と、その外側に配置された固定子とをケーシング内に収容した電動機において、回転軸の回転子を挟む両端部分に2つのファンをそれぞれ取り付けるとともに、回転子に内側空気循環路を設け、ケーシングに外側空気循環路を設けた電動機が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
この電動機では、回転軸が所定の回転速度で回転すると、2つのファンも同じ回転速度で回転する。このとき、一方のファンが電動機の内部の空気を吸い込み昇圧したのち内側空気循環路内に流入させる。この流入した空気は、内側空気循環路内を流れて回転子から吸熱する。この空気は他方のファンに吸い込まれる。そのあと、他方のファンがこの空気を昇圧して排出する。そのあと、この排出された空気は、外側空気循環路内に流入され、ケーシングの外側の空気との間で熱交換されて冷却される。そして、この空気は、一方のファンに再び吸い込まれる。以上のようにして、固定子および回転子の発熱が抑制されている。
しかしながら、低速で回転する電動機の場合、回転軸が低速で回転されるため、上記のように回転軸にファンを取り付けても、ファンが回転子および固定子を効果的に冷却するのに必要な空気を流すことができない。そのため、回転子および固定子の温度が上昇し、絶縁物の温度制限などにより、電動機の定格容量が低下する場合がある。
これに対処するため、電動機と独立して駆動されるファンを設けて電動機内部を冷却する電動機が提案されている(例えば、特許文献2参照。)。
この電動機は、固定子の内側にシャフトを中心として回転自在に取り付けられた主回転子と、この主回転子のシャフトに回転自在に取り付けられた冷却ファン付き副回転子と、各回転子に接触して各回転子の巻線にそれぞれ通電するブラシとを備える。
しかしながら、この電動機では固定子の内側に副回転子が配設されているため、ファンを取り付ける場合、固定子と干渉しないようにファンを回転子の軸方向の端部に取り付ける必要がある。そのため、電動機が回転軸の軸方向に長くなり大型化するという問題がある。また、この電動機では、ブラシを有するので整備性が悪くなり、さらにブラシが接触する整流子を各回転子の軸方向の一端に延設する必要があるので電動機が大型化するという問題もある。
特開平10−285875号公報(第1図) 特開平3−103051号公報(第1図)
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、定格容量を低下させることなく、コンパクトにすることができる電動機を提供することを目的とする。
本発明装置は、ケーシングと、該ケーシングに回転自在にその両端が支持された出力軸と、該出力軸に対して同軸に設けられた第1回転子、および、該第1回転子の外側に配置されてケーシングの内面に固設された第1固定子を備える主電動機と、出力軸の両端のうち少なくとも一端側に設けられ、ケーシングの内面に取り付けられた第2固定子および該第2固定子を同心的に取り囲むように配設された第2回転子を有する副電動機と、第2回転子の外周部に配設された冷却ファンとを備えており、副電動機が出力軸の外周を取り囲むように配置されており、冷却ファンが第1回転子と第1固定子との間に形成される隙間に流体を流すように形成されており、副電動機の極数が主電動機の極数に比べて少なく設定されている。
この構成によれば、出力を得るための主電動機とこの主電動機を冷却するための副電動機とを別体としたので、出力軸の回転速度を低速にしたまま、冷却ファンを取り付けた副電動機の回転速度を高速にすることができる。その結果、冷却ファンは、第1回転子および第1固定子を効果的に冷却するのに必要な空気を排出することができる。これにより、第1回転子および第1固定子の銅損、鉄損などによる温度上昇を抑制することができ、電動機の定格容量の低下を防ぐことができる。
また、第2回転子が第2固定子を取り囲むように配置され第2回転子の外周部に冷却ファンを取り付けるので、従来のように副電動機が軸方向に長くならない。これにより、副電動機をコンパクトにすることができる。
さらに、本発明では、電源の周波数を変えるのではなく、主電動機および副電動機の各極数を変えることにより、副電動機を主電動機より高速回転させるので、インバータ、コンバータなどの特殊な電源が不要となる。その結果、装置全体を簡素化することができ、なおかつコンパクトにすることができる。
上記副電動機が、第1回転子の軸方向の端部とこの端部に対向するケーシングの内面との間に形成される空間に収容されており、第1固定子の内側に位置するように構成されることが望ましい。
低速大トルク電動機の場合、主電動機の第1回転子の直径が大きく、しかもケーシングの両端部にそれぞれ対向する第1固定子のコイルの両端部が、第1回転子の軸方向の両端部から外側にそれぞれ張り出している。その結果、第1固定子の張り出し部分と、第1回転子の軸方向の端面と、これに対向するケーシング内面とに取り囲まれる空間がそれぞれ不可避的に形成される。本発明では、この空間に副電動機を収容したので、装置全体をコンパクトにすることができる。
上記第1回転子の外周部に永久磁石が配設されてもよいし、また、上記第2回転子の内周部に永久磁石が配設されてもよい。
以上のように、永久磁石を用いることにより、電磁石を用いる場合に比べて発熱を低減させることができる。同時に、主電動機または副電動機を小さくすることが可能となる。これにより、装置全体をコンパクトにすることができる。
上記副電動機が上記主電動機と同一の電源に接続されてもよい。これにより、主電動機および副電動機の配線および制御の複雑化を最小限に抑えることが可能となる。その結果、装置全体が簡素化され、かつコンパクトになる。
上記第1固定子の外周部と上記ケーシングの内周部との間に、第1回転子と第1固定子との間に形成される隙間から排出される流体を循環させるための第1冷却通路を備えるように構成されてもよい。
この構成によれば、流体が第1冷却通路内を流れるときに第1回転子および第1固定子から受け取った熱を、ケーシングを介して外部に放熱することができる。すなわち、第1冷却通路は、第1回転子などを冷却した後の流体を冷却するためのものである。これにより、電動機内部の温度を所定の温度に保つことが可能となる。その結果、電動機の温度上昇を防ぐことができる。
上記副電動機が第1回転子の軸方向の両側にそれぞれ配設されており、各第2回転子に冷却ファンがそれぞれ取り付けられており、一側のファンが隙間内に流体を流入させ、他側のファンが隙間内を流れ込んだ流体を吸い込んで第1冷却通路に向けて排出すべく構成されてもよい。
この構成によれば、第1冷却通路において冷却された流体を効率よく隙間内に流すことができるので、第1回転子および第1固定子の冷却効果が向上する。これにより、第1回転子および第1固定子の銅損、鉄損などによる温度上昇を抑制することができ、電動機の定格容量の低下を防ぐことができる。
上記第1固定子の外周部に、第1固定子を冷却するための冷媒を流す第2冷却通路を有する冷却部材をさらに備えるように構成されてもよい。これにより、第1固定子が効率よく冷却される。また、上記のように第1固定子の外側に、第1冷却通路を設ける場合には、第1冷却通路内を流れる流体を、第2冷却通路内を流れる冷媒により冷却することもできる。その結果、電動機内部の温度を所定の温度に保つことができ、電動機の定格容量の低下を防ぐことができる。なお、冷媒としては、水および海水などが使用される。
本発明によれば、電動機の定格容量を低下させることなく、装置全体をコンパクトにすることができる。
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は本発明の一実施形態に係る電動機の縦断面図である。図2(a)は第1冷却ファンの部分斜視図である。図2(b)は、第2冷却ファンの部分斜視図である。
図1に示すように、電動機1は、ケーシング2と、このケーシング2に回転自在に取り付けられた出力軸3と、この出力軸3を駆動させる主電動機4と、この主電動機4を冷却するための冷却ファン5と、この冷却ファン5を駆動させる副電動機6とを備える。
ケーシング2は、略円筒形状に形成されている。ケーシング2の軸方向の両端部の中央部には、軸方向に貫通する孔2aがそれぞれ設けられており、この各孔2aに軸受7a、7bがそれぞれ内嵌されている。この各軸受7a、7bに、出力軸3がそれぞれ内嵌されている。これにより、出力軸3は各軸受7a、7bに回転自在に支持される。
出力軸3の出力端は、ケーシング2の軸方向の一側(図1では左側)の軸受7aを貫通してケーシング2の外側に突出している。この出力軸3の出力端に、舶用などの低速大トルク推進機の被駆動軸(図示せず)が連結されるようになっている。
出力軸3の軸方向の中央部には、出力軸3の軸受7a、7bに内嵌される部分より大きな直径の第1大径部3aが設けられている。この第1大径部3aに、後述の主電動機4の第1回転子8が同軸的に取り付けられる。
第1大径部3aの出力端側と反対側(図1の右側)には、後述の主電動機4の第1回転子8の軸方向の位置決めをするための、第1大径部3aより大きな直径の第2大径部3bが設けられている。
主電動機4は、上記第1大径部3aに対して同軸に取り付けられた第1回転子8、および、第1回転子8の外側に配置された第1固定子9を備える。
第1回転子8は、中央部に第1大径部3aを内挿するための貫通孔を有する複数の円板状のロータディスク8aを備える。第1回転子8は、これらのロータディスク8aを第1大径部3aの軸方向に重ね合わせるように形成されている。これにより、第1回転子8は、全体が円筒状に形成される。
各ロータディスク8aの外周面には、この外周面に沿って湾曲した複数の板状の第1永久磁石8bが取り付けられている。このように永久磁石を用いることにより、電磁石を用いる場合に比べて発熱を低減させることができる。同時に、第1回転子8を小さくすることが可能となる。この第1永久磁石8bは、第1回転子8の周方向に主電動機4の極数に対応した個数配置されている。
第1固定子9は、環状の第1固定子鉄心9aと、この第1固定子鉄心9aのティースに捲回された複数相の第1電機子コイル9bとを備えており、全体がほぼ円筒状に形成されている。この第1固定子9は、ケーシング2の内面に固設されている。
図1に示すように、この第1電機子コイル9bの端部(コイルエンド)は、第1固定子鉄心9aの軸方向の両側からケーシング2の軸方向の両端部に向かって張り出している。この張り出し部分9cは、第1電機子コイル9bの折り返し部分に相当する。その結果、張り出し部分9cの内側には、構造上不可避な空間Sが形成される。この空間Sは、第1回転子8の軸方向の端面、および、この端面に対向するケーシングの内面の間に形成されており、この空間Sに後述の副電動機6が収容されている。これにより、電動機1を出力軸3の軸方向に極端に長くなることを防止することができる。
また、この第1固定子9の外周面には、第1固定子9などを冷却するための円筒状の冷却部材10が第1固定子9を取り囲むように取り付けられている。この冷却部材10の内部には、水または海水などの冷媒を流す断面矩形状の冷媒通路10aが軸方向に複数並設されている。この冷媒通路10aは、冷却部材10の周方向に沿って形成されている。この冷媒通路10aが第2冷却通路を構成する。
なお、冷却部材10および冷媒通路10aの形状、流路数などは、第1固定子9などとの熱交換量に応じて適宜設定される。ここでは、冷媒通路10aが複数の流路からなるが、1つの流路であっても構わない。その場合には、冷媒通路10aは、冷却部材10の内部に軸方向に螺旋状に配設されるのが好ましい。
副電動機6は、第2回転子11とこの第2回転子11に対応する第2固定子12とを備える。この副電動機6は2個配設されており、そのうちの一方は出力軸3の軸受7aと第1大径部3aとの間に配設され、他方は軸受7bと第2大径部3bとの間に配置されている。各副電動機6は、ケーシング2の両端部の内面から出力軸3を同軸的に取り囲むようにそれぞれ突設された円筒状の支持部2bにそれぞれ支持されている。以下、さらに具体的に説明する。
第2回転子11は、外筒部11aと、この外筒11aの内側に同心的に配置された内筒部11bと、外筒部11aおよび内筒部11bの同じ側の周縁間を覆うように形成された底部11cとを備える。すなわち、第2回転子11は、図示の如く、軸線を通る縦断面視でコ字状に形成されている。第2回転子11は、底部11cの外面が第1回転子8の軸方向の端部に向き、開放部(底部11cの反対側)がケーシング2の軸方向の端部の内面に向くように配置されている。
上記内筒部11bの内周面には、第2回転子11を上記支持部2bに回転自在に支持するための軸受14が内嵌されている。この軸受14は、支持部2bの主電動機4側の端面に円筒状に形成された凹部2cの内周部に外嵌されている。これにより、第2回転子11を上記支持部2bに回転自在に支持することが可能となる。
上記外筒部11aの内周面には、この内周面に沿って湾曲する複数の板状の第2永久磁石13が取り付けられている。第2永久磁石13は、第2回転子11の周方向に副電動機6の極数に対応した個数配置されている。これにより、第1回転子8について前述したと同様に、第2回転子11の発熱を低減することができるとともに、第2回転子11を小さくすることができる。
ここで、副電動機6の極数は、主電動機4の極数より少なく設定されている。例えば、主電動機4の極数を48(60Hzにおける回転速度:150rpmに相当する)に設定し、副電動機6の極数を2または4(60Hzにおける回転速度:3600rpmまたは1800rpmに相当する)に設定することができる。これにより、副電動機6を、主電動機4より高速回転させることができる。その結果、後述する冷却ファン5を高速に回転させることができ、主電動機4を十分に冷却することが可能となる。詳細は、後述する。
第2固定子12は、環状の第2固定子鉄心12aと、この第2固定子鉄心12aのティースに捲回された複数相の第2電機子コイル12bとを備えており、全体がほぼ円筒状に形成されている。第2固定子12は上記支持部2bの外周面に固設されている。
上記両第2回転子11のうち出力軸3の出力端側(図1の左側)の第2回転子11の外周部には、ケーシング2内の空気を吸い込んで第1回転子8と第1固定子9との間に形成された隙間15内に流入させるための第1冷却ファン16が取り付けられている。また、出力軸3の出力端側と反対側(図1の右側)の第2回転子11の外周部には、この隙間15内に流れ込んだ空気を吸い込むための第2冷却ファン17が取り付けられている。
なお、ここでは、第1冷却ファン16および第2冷却ファン17を設けているが、上記隙間15内に第1回転子8と第1固定子9とを冷却するのに必要な空気を流すことができれば、いずれか一方を設けるだけでもよい。すなわち、隙間15内に空気を流入させる第1冷却ファン16だけを設けてもよく、隙間15内から空気を吸い込ませる第2冷却ファン17だけを設けても構わない。
第1冷却ファン16は、第1電機子コイル9bの出力端側(図1の左側)の張り出し部9cの内側に位置する。第1冷却ファン16は、第1冷却ファン16から排出される空気が第1回転子8と第1固定子9との隙間15に向かうように構成されている。
具体的には、第1冷却ファン16は、板状の第1羽根18と、この第1羽根18を支持する第1ロータディスク19とを備える。この第1ロータディスク19は、図1および図2(a)に示すように、環状をなしており、その内周部19aが一側に略直角に屈曲しており、また外周部19bも同じ側に径方向外方に傾斜して屈曲している。すなわち、第1支持部材19は、周方向視で断面がコ字状に形成されている。第1ロータディスク19は、外周部19bの端部が上記隙間15に向くように配置されている。第1ロータディスク19の内周部19aが第2回転子11の外周部の外周面に外嵌されている。これにより、第1ロータディスク19が第2回転子11とともに回転する。
また、第1ロータディスク19の外周部19bには、第1羽根18が周方向に等配され、放射状に立設されている。各第1羽根18の径方向外方の端部には、各第1羽根18の間を覆うように環状の第1シュラウド18aが取り付けられている。この第1シュラウド18aが上記外周部19bに略平行に配置されるようになっている。これにより、各第1羽根18間に第1流路16aが形成される。この第1流路16aは上記外周部19bと第1シュラウド18aとに挟まれるように形成されているので、外周部19bおよび第1シュラウド18aと同じ方向(隙間15に向かって径方向外方)に傾斜している。その結果、第1流路16aから排出する空気は、図1および図2(a)の矢符R1で示すように、隙間15に向かって流れる。
第2冷却ファン17は、その外周部が第1電機子コイル9bの出力端側と反対側の張り出し部9cとこれに対向するケーシング2の内面との間まで延びるように形成されている。これにより、第2冷却ファン17が隙間15から吸い込んだ空気を後述の循環通路22へ容易に送給することができる。
第2冷却ファン17は、板状の第2羽根20と、この第2羽根20を支持する第2ロータディスク21とを備える。図1および図2(b)に示すように、第2ロータディスク21は、出力軸3の出力端側と反対側の第2回転子11を同心的に取り囲むように形成される円筒部21aと、この円筒部21aの軸方向中程の外周面に環状に立設された板状体21bとを備える。
この板状体21bの外周部の主電動機4側の面には、第2羽根20が立設され、周方向に放射状に等配されている。各第2羽根20は、空気を吸い込むときの抵抗を減らすために、板状体21bに対して径方向外方に傾斜している。各第2羽根20の主電動機4側の端部には、各第2羽根20間を覆うように環状の第2シュラウド20aが取り付けられている。これにより、各第2羽根20間に第2流路17aが形成される。従って、この第2流路17aは、板状体21bの周方向に放射状に形成されている。その結果、第2冷却ファン17に吸い込まれる空気は、図1および図2(b)の矢符R3で示すように、第2流路17a内を径方向外方に向かって流れる。
また、上述した冷却部材10の外周面とケーシング2の内周面との間には、第2冷却ファン17から排出される空気を第1冷却ファン16側に戻すための循環通路22が形成されている。これにより、循環通路22内を流れる空気は、ケーシング2の外周部および冷却部材10を通じて、ケーシング2の外周部の外側の空気および冷媒通路10a内の冷媒とそれぞれ熱交換して冷却される。なお、この循環通路22が第1冷却通路を構成する。
なお、図示されていないが、上記の熱交換を促進するために、冷却部材10の外周面およびケーシング2の内周面または外周面にフィンなどを突設したり、冷却部材10の外周面に邪魔板などを突設して循環通路22を蛇行させることが望ましい。また、第1回転子8および第1固定子9の発熱量が小さい場合には、上記冷却部材10を設けることなくこの循環通路22のみを設けるだけでも構わない。これにより、装置構造を簡素化することができる。
以上のように構成される電動機1では、まず、第1冷却ファン16が、ケーシング2内の空気を吸い込む(図1の矢符R1参照)。第1冷却ファン16は、この空気を昇圧して第1回転子8と第1固定子9との間に形成される隙間15に流入させる。流入した空気は、隙間15内を第2冷却ファン17側に流れる(図1の矢符R2参照)。このとき、この空気が第1永久磁石8bおよび第1固定子9から吸熱する。そのあと、この空気は第2冷却ファン17に吸い込まれ(図1の矢符R3参照)、第2冷却ファン17がこの空気を昇圧して第2冷却ファン17の吐出側の空間に排出する。そのあと、この空気は、図1の矢符R4で示すように、ケーシング2の内周面に向かって流れ、循環通路22内に流入する。そして、この空気は、循環通路22内を第1冷却ファン16側(図1の矢符R5参照)に向かって流れる。このとき、この空気は、ケーシング2の外側の空気および冷媒通路10a内の冷媒と熱交換して、循環通路22から排出されるときには、ほぼもとの温度まで冷却される。そして、この排出された空気は、図1の矢符R6に示すように、ケーシング2の端部に沿って径方向内方に向かって流れて再び第1冷却ファン16に吸い込まれる。
以上のように、ケーシング2内の空気は循環される。その結果、第1回転子8および第1固定子9は冷却され、銅損、鉄損などによる発熱を直接吸熱することができる。これにより、電動機1の温度制限による容量の低下を防ぐことができる。さらに、ケーシング2内の空気を循環使用することから、ケーシング2の外部から内部に塵埃などが持ち込まれることを防止することが可能となる。これにより、第1永久磁石8bに塵埃などが付着することによる電動機1の性能低下を防止することができる。
また、本実施形態では、上述したように、主電動機4の極数より副電動機6の極数を少なくしているので、電源の周波数を変えることなく副電動機6を主電動機4により高速に回転させることができる。従って、主電動機4および副電動機6の電源を同一にすることができる。これにより、主電動機4および副電動機6の配線および制御の簡素化を図ることができる。もちろん、主電動機4および副電動機6の電源をそれぞれ別電源としても構わない。これにより、副電動機6のみを駆動させることが可能となり、例えば、エレベータのような主電動機4が停止している時に大きな冷却能力を必要とするような用途にも対応することができる。
なお、上述した実施形態は一例であり、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、船舶などの低速大トルク型推進機に適用される。
本発明の一実施形態に係る電動機の縦断面図である。 (a)は第1冷却ファンの部分斜視図であり、(b)は、第2冷却ファンの部分斜視図である。
符号の説明
1…電動機
2…ケーシング
3…出力軸
4…主電動機
5…冷却ファン
6…副電動機
8…第1回転子
8a…ロータディスク
8b…第1永久磁石
9…第1固定子
10a…冷媒通路(第2冷却通路)
11…第2回転子
12…第2固定子
15…隙間
22…循環通路(第1冷却通路)

Claims (8)

  1. ケーシングと、
    該ケーシングに回転自在にその両端が支持された出力軸と、
    該出力軸に対して同軸に設けられた第1回転子、および、該第1回転子の外側に配置されてケーシングの内面に固設された第1固定子を備える主電動機と、
    上記出力軸の両端のうち少なくとも一端側に設けられ、ケーシングの内面に取り付けられた第2固定子および該第2固定子を同心的に取り囲むように配設された第2回転子を有する副電動機と、
    上記第2回転子の外周部に配設された冷却ファンとを備えており、
    上記副電動機が出力軸の外周を取り囲むように配置されており、上記冷却ファンが上記第1回転子と第1固定子との間に形成される隙間に流体を流すように形成されており、
    上記副電動機の極数が主電動機の極数に比べて少なく設定されてなる、電動機。
  2. 上記副電動機が、上記第1回転子の軸方向の端部とこの端部に対向するケーシングの内面との間に形成される空間に収容されており、第1固定子の内側に位置するように構成されてなる、請求項1記載の電動機。
  3. 上記第1回転子の外周部に、永久磁石が配設されてなる、請求項1または2に記載の電動機。
  4. 上記第2回転子の内周部に、永久磁石が配設されてなる、請求項1乃至3の何れかに記載の電動機。
  5. 上記副電動機が上記主電動機と同一の電源に接続されてなる、請求項1乃至4の何れかに記載の電動機。
  6. 上記第1固定子の外周部と上記ケーシングの内周部との間に、上記第1回転子と第1固定子との間に形成される隙間から排出される流体を循環させるための第1冷却通路を備えてなる、請求項1乃至5の何れかに記載の低速電動機。
  7. 上記副電動機が上記第1回転子の軸方向の両側にそれぞれ配設されており、
    各第2回転子に上記冷却ファンがそれぞれ取り付けられており、
    一側のファンが上記隙間内に流体を流入させ、他側のファンが上記隙間内を流れ込んだ流体を吸い込んで上記第1冷却通路に向けて排出すべく構成されてなる、請求項6記載の電動機。
  8. 上記第1固定子の外周部に、第1固定子を冷却するための冷媒を流す第2冷却通路を有する冷却部材をさらに備えてなる、請求項1乃至7の何れかに記載の低速電動機。
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