JP2010093987A

JP2010093987A - 回転電機

Info

Publication number: JP2010093987A
Application number: JP2008263389A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Saito; 憲一齋藤; Keiichiro Kaihatsu; 慶一郎開發; Eiichiro Sugawa; 英一郎須川; Tadahiro Shimozono; 忠弘下薗; Takahiro Mihashi; 隆洋三橋
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2008-10-10
Filing date: 2008-10-10
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2028-10-10
Also published as: JP5508704B2

Abstract

【課題】
回転電機庫内の空気循環を促進して、従来に比べて冷却性能の向上を図った回転電機を提供する。
【解決手段】
ハウジング１と、このハウジング１に取り付けられる固定子３と、この固定子３によって生ずる回転磁界で回転する回転子５と、この回転子５の回転に伴って回転し一端がハウジング１から突出して出力軸となる回転軸６と、ハウジング１に設けられ回転軸６を支持する軸受４と、ハウジング１の内部であって回転軸６に取り付けられ軸受４の方向に送風する軸流ファン１２とを備え、軸流ファン１２が軸受４に向けて送風することで、空間内の空気循環を促進可能な構成とした。
【選択図】図２

Description

本発明は電動機等の回転電機に関する。

回転電機は、回転子や固定子の損失による発熱があるため、冷却を必要とする。その冷却手段は、回転軸と共に固定された外扇ファンと回転子と共に形成された内扇ファンであり、それらのどちらかまたは両方によって冷却される。

これらの外扇ファン、内扇ファンが用いられる従来技術として特許文献１に開示のものがある。この例では、外扇ファンによって固定子枠に設けられたフィンに送風するとともに、内部の補助ファンによって内気循環を行っている。また、特許文献２にもフレーム内部に風を発生させるファンを設けた例が開示されている。

特開２０００−３０８３０９号公報（図１１）特開平１１−３２７５５７号公報

回転電機は固定子や回転子が発熱体となるため、これらを放熱、冷却することが求められ、特に、発熱体がハウジング等によって覆われる構造の回転電機で顕著である。

全閉型の回転電機においては、その冷却手段は、回転軸と共に回転する外扇ファン及び回転子と共に形成された内扇ファンである。外扇ファンは、回転することによりエンドカバーの開口部から外気を取り込み、吐出し口から取り込んだ空気をハウジングの外周部に向けて流すことで冷却の主要な役割を果たしている。一方、内扇ファンは、回転することにより密閉空間となる回転電機庫内の空気循環あるいは攪拌が行われ、固定子及び回転子で発生した熱の冷却を行っている。しかしながら、外扇ファンから離れた出力軸側の軸受の冷却においては、外扇ファン及び内扇ファンのいずれでも十分な効果が得られないことがある。

上記の特許文献に開示の従来技術は、ハウジングの内部に設けられたファンによって密閉空間の空気循環を図っているものの、固定子の一側と他側の連通路を前提としていた。固定子コアに連通路を形成することは回転電機の特性上も好ましくないため、連通路を構成するためには、ハウジングの内部形状や周辺構造が複雑化するという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、回転電機庫内の空気循環を促進して、従来に比べて冷却性能の向上を図った回転電機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の回転電機の一態様は、ハウジングとハウジングに取り付けられる固定子と固定子によって生ずる回転磁界で回転する回転子と、回転子の回転に伴って回転し、一端が前記ハウジングから突出して出力軸となる回転軸と、前記ハウジングに設けられ前記回転軸を支持する軸受と、前記ハウジングの内部であって、前記回転軸に取り付けられ前記軸受の方向に送風する軸流ファンとを備えたことである。

上記の本発明の回転電機において、より好ましい具体的態様は下記の通りである。
（１）ハウジングの外部に外扇ファンを備え、軸流ファンは外扇ファンと反対側の軸受の近傍に設けられること。
（２）回転子に設けられる内扇ファンを有し、軸流ファンは内扇ファンと軸受の間に位置すること。

また、上記目的を達成するための本発明の回転電機の第二の態様は、ハウジングと、このハウジングに取り付けられる固定子と、この固定子によって生ずる回転磁界で回転する回転子と、この回転子の回転に伴って回転し、一端が前記ハウジングから突出して出力軸となる回転軸と、前記ハウジングに設けられ前記回転軸を支持する軸受と、前記ハウジングの外部であって前記出力軸とは前記固定子を挟んで反対側の前記回転軸に設けられる外扇ファンと、前記回転軸に取り付けられ前記軸受に向かって送風することで前記ハウジングの内部における前記固定子の出力軸側の空間の空気を循環する軸流ファンとを備えたことである。

上記の本発明の回転電機において、より好ましい具体的態様は下記の通りである。
（１）ハウジングの外部に外扇ファンを備え、軸流ファンは前記外扇ファンと反対側の軸受の近傍に設けられること。
（２）回転子に設けられる内扇ファンを有し、軸流ファンは内扇ファンとは別の空気循環を生じさせること。

本発明によれば、回転電機庫内の空気循環が促進され、従来に比べて冷却性能の向上を図った回転電機を提供することができる。

以下では、図面を用いて、本発明の実施例をより具体的に説明する。まず、図１を用い、本発明の実施例による回転電機の全体構成について説明する。図１は本実施例の回転電機の構造図である。

ハウジング１は鋳鉄、アルミ、薄鋼板などによりほぼ筒状に形成されており回転電機の外被を構成している。冷却性能の向上の目的からハウジング１の外周には放熱フィン１ａがしばしば設けられる。エンドブラケット２Ａ、２Ｂはハウジング１の両側の開口部にそれぞれインロー嵌合などを用いて取り付けられている。このように、本実施例の回転電機は、ハウジング１及びエンドブラケット２Ａ、２Ｂによって内部がほぼ密閉空間となり、内外気の積極的な連通がない全閉型、外被冷却型の回転電機である。

密閉空間内には、発熱体となる固定子３と回転子５が配置されている。固定子３は固定子鉄心３ａと固定子コイル３ｂとから構成されている。固定子３はハウジング１の内周部に固定されている。固定子鉄心３ａは珪素鋼板などの薄板を複数枚積層して形成されている。固定子コイル３ｂは固定子鉄心３ａに複数形成されたスロット部に巻回されている。

回転子５は積層鉄心５ａと導体バーとともに一体成形されたエンドリング７ｂ，７ｃとによって構成されている。またエンドリング７ｂ、７ｃの端面にはしばしば一体成形された内扇ファン７ａが設けられる。この内扇ファン７ａは、密閉空間となる回転電機庫内の空気循環あるいは攪拌を行って回転電機の冷却に寄与している。回転軸６はこの回転子５に固定され、回転子５とともに回転する。

回転子５は、回転軸６の外周部において固定子３と対向位置に取り付けられ、固定子３の作る回転磁界によって回転する。回転軸６の両端はエンドブラケット２Ａ、２Ｂに対してそれぞれ軸受４Ａ、４Ｂを介して、回転自在に保持されている。また、回転軸６の一端部はエンドブラケット２Ａを挿通して外部に突き出て出力軸となっている。回転軸６の他端はエンドブラケット２Ｂを挿通して外扇ファン８が装着される。

外扇ファン８は回転軸６に固定されているため、回転軸６の回転と同調して回転する。外扇ファン８は通常、鋳鉄、アルミ合金などの金属に加え、樹脂の射出成形などによって製造される。この外扇ファン８はハウジング１とエンドブラケット２Ａ、２Ｂによって形成される密閉空間の外に取り付けられ、エンドカバー９によって覆われている。

本実施例の回転電機においては、密閉空間外領域１０と密閉空間内領域１１ａ、１１ｂに分けられた各々の空間において冷却が行われている。以下、各空間における冷却構成、作用を説明する。

密閉空間外領域１０は、ハウジング１とエンドブラケット２Ａ、２Ｂで覆われた空間外部であって、その空間には出力軸とは反対側のエンドブラケット２Ｂを挿通した回転軸６の端に固定された外扇ファン８がおかれている。その外扇ファン８を覆うようにエンドカバー９が設けられ、エンドカバーの開口部９ａ（例えば、スリットによる開口）とエンドカバーの吐出し口９ｂを介して外気と連通した空間となっている。

密閉空間外領域１０においては、回転軸６に固定された外扇ファン８が回転することで、エンドカバーの開口部９ａから外気が取り込まれる。取り込まれた外気はエンドカバーの吐出し口９ｂからハウジング１の外周部及びその先にある出力軸側に向けて送風され、回転電機内部で発生した熱の冷却が行われる。このとき、ハウジング１に放熱フィン１ａが設けられることで放熱の促進が図られる。

密閉空間内領域１１ａ、１１ｂは、ハウジング１とエンドブラケット２Ａ、２Ｂで覆われた空間内部であって、外気とは連通がないほぼ密閉された内部空間となっている。その密閉空間内部には、発熱体となる固定子３、回転子５が配置される。また、軸受４、回転軸６も密閉空間内領域１１ａ、１１ｂにおかれている。

ハウジング１とエンドブラケット２Ａ、２Ｂで覆われた空間内部は、固定子３及び回転子５が配設される関係上、これらによって空間が分割される。すなわち、密閉空間内領域１１ａ、１１ｂは、固定子３、回転子５を挟んで、一部連通路は形成している箇所はあるものの、ほぼ２つに分けられた空間となっている。

また、これら２つの空間は、回転軸６の一端部がエンドブラケット２Ａを挿通して外部に突出した出力軸と同じ側におかれている密閉空間内領域１１ａとその出力軸とは反対側におかれている密閉空間内領域１１ｂに分けられている。密閉空間内領域１１ａ、１１ｂにおいては、回転子５と共に内扇ファン７ａが回転することで、内部の空気循環あるいは攪拌が行われ、回転電機の冷却に一定の寄与を果たしている。

次に、冷却における放熱経路について説明する。固定子３、固定子コイル３ｂで発生した熱は、密閉空間内領域１１ａ、１１ｂに放熱されると共に、ハウジング１などの熱伝達部材を介して外部へと放熱される。また、回転子５で発生した熱は、密閉空間内領域１０ａ、１０ｂに放熱されると共に、回転子５から回転軸６、軸受４、エンドブラケット２などの熱伝達部材を介して外部へと放熱される。

本実施例において、出力軸とは反対側におかれている密閉空間内領域１１ｂは、出力軸とは反対側におかれている密閉空間外領域１０と同じ側にあるため、内扇ファン７ａの他にも外扇ファン８による冷却が寄与し、軸受４Ｂにおいては温度上昇の問題は発生しにくい。

一方、出力軸と同じ側におかれている密閉空間外領域１１aは、出力軸とは反対側におかれている密閉空間外領域１０とは離れているため、外扇ファン８による冷却が寄与しにくく、十分な効果が得られないことがある。その結果、当該空間側の冷却の問題、とりわけ、軸受４Ａにおいて温度上昇の問題が発生することがある。

そこで、この課題を解決するため、密閉空間内領域１１ａにおいて、軸受部近傍に軸流ファン１２を配置し、軸受４Ａに向けて送風することで冷却効果の向上を図ったものである。

次に、図２を用いて回転電機庫内に設けた軸流ファン１２による冷却構造について説明する。図２は、本実施例の回転電機の要部拡大図であり、図１の構成と同一符号を付して示したものは同一構成を表している。密閉空間内領域１１ａにおいて、内扇ファン７ａが回転することにより、回転電機庫内で空気の攪拌が行われる。

従来の回転電機に多く用いられる内扇ファン７ａの形状は、羽根が放射状に配置されたラジアルファン形状であるため、図中の破線矢印で示すような流れが生じる。その結果、空間内部で空気の循環が行われて密閉空間内での温度ムラを抑制し、効果的な放熱を図っている。

しかしながら、内扇ファン７ａによる空気循環では、十分な効果が得られない領域が存在し得る。例えば、内扇ファン７ａよりもラジアル方向で内側においてエンドブラケット２Ａに設けられる軸受４である。そこで、本実施例では、軸受部近傍に軸流ファン１２を配置する。

軸流ファン１２は、内扇ファン７ａと軸受４Ａの間に位置し、回転軸６に固定される。軸流ファン１２が回転することにより、内扇ファン７ａによって生じる破線矢印で示すような流れとは別に、図中の実線矢印で示すような軸受に向かって送風する流れが生じる。これにより、密閉空間内領域１１ａ内でより効果的な空気循環が行われ、冷却性能の向上を図ったものである。

次に、本実施例の軸流ファン１２の形状に関して説明する。図３は、本発明の実施例による軸流ファン１２の形状を示す図である。軸流ファンの羽根部１２ａは、回転方向に対して軸方向に送風できる様、一方向にひねりを加えた形状をしている。

この軸流ファン１２は内扇ファン７ａと軸受４Ａの間に位置する様、回転電機庫内の回転軸６に装着される。回転軸６はしばしば鉄材などの金属で出来ており、熱伝導性のよい材料が用いられることで回転子５の放熱にも寄与している。回転軸６を介して回転子５の放熱が行われるため、軸流ファン１２においても、熱伝導性のよい材料を用いることで、それ自体でも放熱体となり、送風しながら効果的な放熱が行われ、冷却性能の向上が可能となる。

本発明の実施例による軸流ファン１２に関し、実機に適用した結果を比較例とともに図４に示す。実機仕様としては、出力１．５（ｋＷ）で、同期回転速度が３０００（ｍｉｎ^-1）である。この仕様のもとで、軸流ファン装着の有無による実機試験を行った。

図４の温度上昇試験結果において、軸流ファンを装着しない比較例の場合、軸受４Ａの温度上昇は４８（Ｋ）となった。これに対し、本実施例（図３）では軸受４Ａの温度上昇は４３（Ｋ）となり、軸流ファンによる効果を確認できた。また、固定子コイル３ｂの温度上昇についても測定を行ったところ、軸流ファンを装着しない比較例の場合、１００（Ｋ）となった。これに対し、本実施例（図３）では固定子コイル３ｂの温度上昇は９２．５（Ｋ）であった。

このように、軸流ファンを装着した結果、回転電機庫内の空気の攪拌能力が増し、固定子コイル温度上昇に対しても冷却効果を確認できた。すなわち、図３に示す軸流ファンを用いた本実施例は、軸流ファンを装着しない場合より高い冷却効果を示した。

また、同条件で騒音試験を実施したところ、試験結果において、軸流ファンを装着しない場合で５４．５ｄＢ（Ａ）であったのに対し、本実施例では５４．５ｄＢ（Ａ）となり、同じ結果が得られた。

以上より、図３に示す軸流ファンを取り付けることによる騒音増加などの弊害がなく、結果、冷却性能が向上し、回転電機の小型化が可能となる。

本実施例の回転電機の構造図。本実施例の回転電機の要部拡大図。本実施例の軸流ファンの形状を示す図。本実施例の温度上昇試験結果。

符号の説明

１…ハウジング、１ａ…放熱フィン、２（２Ａ、２Ｂ）…エンドブラケット、３…固定子、３ａ…固定子鉄心、３ｂ…固定子コイル、４（４Ａ、４Ｂ）…軸受、５…回転子、５ａ…回転子鉄心、６…回転軸、７ａ…内扇ファン、７ｂ・７ｃ…エンドリング、８…外扇ファン、８ａ…外扇ファンの羽根部、９…エンドカバー、９ａ…エンドカバーの開口部、９ｂ…エンドカバーの吐出し口、１０…密閉空間外領域、１１ａ・１１ｂ…密閉空間内領域、１２…軸流ファン、１２ａ…軸流ファンの羽根部。

Claims

ハウジングと、このハウジングに取り付けられる固定子と、この固定子によって生ずる回転磁界で回転する回転子と、この回転子の回転に伴って回転し一端が前記ハウジングから突出して出力軸となる回転軸と、前記ハウジングに設けられ前記回転軸を支持する軸受と、前記ハウジングの内部であって前記回転軸に取り付けられ前記軸受の方向に送風する軸流ファンとを備えた回転電機。
請求項１において、前記ハウジングの外部に外扇ファンを備え、前記軸流ファンは前記外扇ファンと反対側の軸受の近傍に設けられる回転電機。
請求項１又は２において、前記回転子に設けられる内扇ファンを有し、前記軸流ファンは前記内扇ファンと前記軸受の間に位置する回転電機。
ハウジングと、このハウジングに取り付けられる固定子と、この固定子によって生ずる回転磁界で回転する回転子と、この回転子の回転に伴って回転し、一端が前記ハウジングから突出して出力軸となる回転軸と、前記ハウジングに設けられ前記回転軸を支持する軸受と、前記ハウジングの外部であって前記出力軸とは前記固定子を挟んで反対側の前記回転軸に設けられる外扇ファンと、前記回転軸に取り付けられ前記軸受に向かって送風することで前記ハウジングの内部における前記固定子の出力軸側の空間の空気を循環する軸流ファンとを備えた回転電機。
請求項４において、前記ハウジングの外部に外扇ファンを備え、前記軸流ファンは前記外扇ファンと反対側の軸受の近傍に設けられる回転電機。
請求項４又は５において、前記回転子に設けられる内扇ファンを有し、前記軸流ファンは前記内扇ファンとは別の空気循環を生じさせることを特徴とする回転電機。