JP2011223805A - 回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転装置の高速化及び大容量化に伴って増える、回転装置が発生する熱を適切に外部に逃がすことができる回転装置を提供すること。
【解決手段】カップリング５は、ダイナモのシャフト４１の一端部に接続され、また、エンジンの出力シャフト１０１の一端部に接続される。カップリング５内には、シャフト４１に設けられた貫通穴４１ａと連通する流路５１５が放射状に形成されている。シャフト４１の回転により、カップリング５の流路５１５内のエアに遠心力が発生してエアが外部に流出することで、その流路５１５内で負圧が発生する。この負圧の発生により、シャフト４１の他端部からそのシャフト４１の貫通穴４１ａ内にエアが流入し、貫通穴４１ａを介してカップリング５の凹部５１１内及び流路５１５内へエアが流れる。これによって、特にロータコア、シャフト４１及び軸受を効果的に冷却することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、モータやダイナモ等の回転装置に関する。

特許文献１では、電動機の回転軸を中空とし、その回転軸内に冷却風を取り入れて、軸受を冷却する装置が提案されている。この電動機では、回転軸である中空軸に、可撓継手腕が設けられ、この可撓継手腕に可撓継手たわみ板が設けられている。また、中空軸内における軸受付近には冷却フィンが配置されている。

このような構造を有する電動機では、中空軸が回転して可撓継手たわみ板が回転することによって、可撓継手たわみ板付近の空気圧が負圧になる。これにより、空気は、可撓継手たわみ板が設けられる位置とは軸方向で反対側の位置から、可撓継手たわみ板が設けられる位置へ向けて、空気が中空軸内を流れる。そして、その中空内の冷却フィンにより熱交換が行われることにより、軸受が冷却される（例えば、特許文献１の明細書段落[０００５]、[０００６]参照）。

実開平５−６２１７６号公報

しかしながら、近年では、モータやダイナモとしての回転装置の回転数が非常に高くなり、またダイナモの出力も高くなってきている。このような回転装置の高速化及び大容量化に伴い、ロータ、ステータ及び軸受等の発熱量も多くなっている。特に、回転装置の高速化によって、シャフトと軸受との摩擦による発熱が多くなる。特許文献１に記載の装置は、可撓継手たわみ板により負圧を発生させているが、このようなたわみ板では大きな負圧を発生させることができず、回転装置の高速化及び大容量化に伴う発熱量に対応することができない。

また、回転装置の外部に設けられたブロワを用いて、回転装置内に強制的に冷却風を送る場合にも、回転装置の高速化及び大容量化に伴う発熱量の増加の問題に対する対策が必要となっている。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、回転装置の高速化及び大容量化に伴って増える、回転装置が発生する熱を適切に外部に逃がすことができる回転装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る回転装置は、ステータと、ロータと、軸受と、カップリングとを具備する。
前記ロータは、回転の軸方向に貫通する貫通孔を有するシャフトを有し、前記ステータの内側に配置される。
前記軸受は、前記シャフトを回転可能に支持する。
前記カップリングは、外周面と、前記回転の中心側から前記外周面へ延びるように設けられた気体の流路とを有する。また、前記カップリングは、前記シャフトの端部に接続可能に設けられ、前記シャフトの端部に接続された状態で、前記流路が前記シャフトの前記貫通孔に連通するように形成されている。

本発明では、ステータの内側に配置されたロータのシャフトに貫通孔が設けられており、その貫通孔を介して気体が流通可能となる。カップリングがシャフトの端部に接続されることにより、カップリングの回転の中心側から外周面へ延びるように設けられた流路がその貫通孔に連通する。したがって、ロータが回転してシャフトが回転することにより、カップリングの流路内の気体に遠心力が発生し、その流路内で負圧を発生させることができる。したがって、貫通孔内及び流路内に気流が発生し、カップリングの外周面から気体を流出させることができる。これにより、ロータ（シャフト及びロータコアなどを含む）や軸受を効果的に冷却することができる。

ロータが高速で回転するほど、流路内での気体の遠心力は大きくなるので負圧も大きくなり、気体の流量を増やすことができる。したがって、回転装置が高速化及び大容量化しても、回転装置が発生する熱を適切に外部に逃がすことができる。

本発明の別の形態に係る回転装置は、ステータと、ロータと、軸受と、フランジ部とを具備する。
前記ロータは、回転の軸方向に貫通する貫通孔を有するシャフトを有し、前記ステータの内側に配置される。
前記軸受は、前記シャフトを回転可能に支持する。
前記フランジ部は、外周面と、前記回転の中心側から前記外周面へ延びるように設けられた気体の流路とを有し、前記シャフトの端部に設けられ、前記流路が前記シャフトの前記貫通孔に連通するように形成されている。

本発明では、ステータの内側に配置されたロータのシャフトに貫通孔が設けられており、その貫通孔を介して気体が流通可能となる。フランジ部がシャフトの端部に設けられていることにより、フランジ部の回転の中心側から外周面へ延びるように設けられた流路がその貫通孔に連通する。したがって、ロータが回転してシャフトが回転することにより、フランジ部の流路内の気体に遠心力が発生し、その流路内で負圧を発生させることができる。したがって、貫通孔内及び流路内に気流が発生し、フランジ部の外周面から気体を流出させることができる。これにより、ロータ（シャフト及びロータコアなどを含む）や軸受を効果的に冷却することができる。

ロータが高速で回転するほど、流路内での気体の遠心力は大きくなるので負圧も大きくなり、気体の流量を増やすことができる。したがって、回転装置が高速化及び大容量化しても、回転装置が発生する熱を適切に外部に逃がすことができる。

以上、本発明によれば、回転装置の高速化及び大容量化に伴って増える、回転装置が発生する熱を適切に外部に逃がすことができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転装置としてのダイナモを示す断面図である。 図２は、カップリングを示す断面図である。 図３は、カップリングの一部（半分側）を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るカップリングの一部（半分側）を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[第１の実施形態]
図１は、本発明の第１の実施形態に係る回転装置としてのダイナモ５０を示す断面図である。

ダイナモ５０はハウジング１を備えている。ハウジング１内には、ステータコア３１及びコイル３２を有するステータ３が配置され、そのステータ３の内側にロータ４が配置されている。ロータ４は、シャフト４１及びそのシャフト４１の外周面に固定されたロータコア４２を有しており、そのロータコア４２がステータコア３１の内側に位置するように配置される。シャフト４１は、ハウジング１の、回転の軸方向における両端部１３及び１４にそれぞれ設けられた軸受２１及び２２によって回転可能に支持されている。

ダイナモ５０には、外部装置として、動力を発生するエンジン１００が接続されている。具体的には、ダイナモ５０のシャフト４１の一端部には、カップリング５を介して、エンジン１００の動力が出力される出力シャフト１０１が接続されている。ダイナモ５０は発電装置として用いられるだけでなく、エンジン１００を供試体（被試験装置）とする試験装置、すなわちここではダイナモメータとして用いられる場合もある。ダイナモ５０が例えば車両用のエンジンやタイヤを模擬する装置として用いられる場合、供試体がトランスミッションである場合もある。

ロータ４のシャフト４１には、その回転の軸方向に貫通する貫通孔４１ａが形成されている。すなわち、このシャフト４１は中空構造となっている。

ハウジング１の側面には、図示しないブロワにより圧送される冷却用のエアを、ハウジング１内に供給するための供給口１１が設けられている。また、ハウジング１の側面には、ハウジング１内で熱交換が行われたそのエアをハウジング１外へ排出する排気口１２が設けられている。供給口１１及び排気口１２はそれぞれ複数設けられているが、それぞれ１つずつ設けられていてもよい。

図２は、カップリング５を示す断面図である。

カップリング５は、ダイナモ５０のシャフト４１の一端部に接続される第１の部材５１と、エンジン１００の出力シャフト１０１の一端部に接続される第２の部材５２とを有する。第１の部材５１と第２の部材５２は実質的に同様の構成を有している。なお、第１の部材５１及び第２の部材５２のそれぞれの外周側に近い部分には、周知のように図示しない複数のボルト穴が円周状に配置され、図示しないボルトにより第１の部材５１及び第２の部材５２が接続固定される。

図３は、第１の部材５１（または第２の部材５２）の、第２の部材５２（または第１の部材５１）に対面する面側から見た図である。以下、図３に示す部材を第１の部材５１として説明する。第１の部材５１の、第２の部材５２に対向する対向面５１３には、その対向面５１３の中心部に設けられた凹部５１１と、その凹部５１１からラジアル方向に外周面５１７まで延びるように設けられた溝部５１２とを有する。複数の溝部５１２は、すなわち放射状に設けられている。凹部５１１内には、ダイナモ５０のシャフト４１を挿通させる挿通穴５１４が設けられている。

図２に示すように、それら凹部５１１及び５２１同士が対面するように、また、各溝部５１２及び５２２同士がそれぞれ対面するように、第１の部材５１及び第２の部材５２が接続され固定される。これにより、対面する溝部５１２及び５２２によってエアの複数の流路５１５が放射状にカップリング５内に形成される。すなわち、カップリング５のフランジ部に放射状にエアの流路５１５が形成される。また、このようにダイナモ５０のシャフト４１とカップリング５が接続された状態で、シャフト４１の貫通孔４１ａと流路５１５とが、凹部５１１を介して連通する。

なお、シャフト４１の外径は例えば５０〜１００ｍｍとされる。シャフト４１の貫通孔４１ａの内径は例えば１０〜３０ｍｍとされる。カップリング５の外径は例えば１００〜２００ｍｍとされる。しかしながら、これら各サイズはこれらの範囲に限られない。

以上のように構成されたダイナモ５０の動作を説明する。

エンジン１００が作動し、出力シャフト１０１が回転すると、その出力シャフト１０１の回転トルクがカップリング５を介してダイナモ５０のシャフト４１に伝達され、ロータ４が回転する。これにより、ステータ３のコイル３２に起電力が発生する。本実施形態では、ロータ４の回転数は、例えば１万〜１０万ｒｐｍとされるが、この範囲に限られない。

また、上記ブロワにより、供給口１１を介してハウジング１内へ供給されたエアによりハウジング１内の各部材、ステータ３、ロータ４及び軸受２１及び２２などが冷却される。熱交換が行われた後のエアは排気口１２を介してハウジング１外へ流出する。

一方、ロータ４及びシャフト４１の回転により、カップリング５の流路５１５内のエアに遠心力が発生してエアが外部に流出する。すなわち流路５１５内に気流が発生し、その流路５１５内で負圧が発生する。この負圧の発生により、シャフト４１の他端部（カップリング５が接続される一端部とは反対側の端部）からそのシャフト４１の貫通孔４１ａ内にエアが流入し、貫通孔４１ａを介してカップリング５の凹部５１１内及び流路５１５内へエアが流れる。このように、シャフト４１の貫通孔４１ａ内及びカップリング５内に気流が発生することにより、特にロータコア４２、シャフト４１、軸受２１及び２２を効果的に冷却することができる。

ロータ４が高速で回転するほど、カップリング５の流路５１５内でのエアの遠心力は大きくなるので負圧も大きくなり、エアの流量を増やすことができる。したがって、ダイナモ５０が高速化及び大容量化しても、ダイナモ５０が発生する熱を適切に外部に逃がすことができる。

また、一般にロータ４の回転が高速になるほど、ロータ４の回転周波数がロータ４の持つ共振周波数（固有周波数）に近づく。しかし、本実施形態では、シャフト４１に貫通孔４１ａが設けられ、またカップリング５に流路５１５が設けられることにより、それらが軽量化され、それらの共振周波数を回転周波数から遠ざけることができる。

[第２の実施形態]
図４は、本発明の第２の実施形態に係るカップリングの一部を示す図である。これ以降の説明では、図３に示した実施形態に係るカップリング５が含む要素について同様のものは説明を簡略化または省略し、異なる点を中心に説明する。

本実施形態に係るカップリングの半分側を構成する第１の部材７１の外周面７１７には、溝７１２を延長するための突出部７１８が設けられている。溝７１２は、上記第１の実施形態と同様に、対向面（図示しない第２の部材に対向する面）７１３に凹部７１１から延びるように形成されている。突出部７１８はラジアル方向で延びるように設けられ、その突出部７１８の内部にも流路が形成される。

このように突出部７１８が設けられることにより、流路の長さが長くなる。したがって、突出部７１８側における流路内でのエアの遠心力が大きくな、エアの流速が高まる。これにより、例えば図３に示したカップリング５に比べ、負圧を大きくすることができ、シャフト４１の貫通孔４１ａ及びカップリングの内部を流通するエアの流量を増やすことができるので、冷却効率を向上させることができる。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が実現される。

上記実施形態では、カップリング５内の流路の形状はラジアル方向に直線状であったが、曲線状であってもよい。あるいは、流路が直線状の場合、ラジアル方向からずれた角度、つまり、カップリング５の外周面に対して９０°でない角度で複数の流路が設けられていてもよい。要するに、流路は、中心側から外周面へ延びるように設けられていればよく、すなわち、ロータ４の回転時に、その流路内の気体に遠心力が発生するような形態であればよい。

上記実施形態では、カップリング５内の中央部に、流路を形成する溝の深さより深い凹部５１１が設けられる構造について説明した。しかし、凹部５１１は必須ではなく、シャフト４１が挿通される挿通穴５１４から直接延びる溝がカップリング（の第１の部材及び第２の部材）に形成されていてもよい。その場合、例えば、シャフトの貫通孔とそのカップリングの流路とを連通させるための切り欠きが、そのシャフトの端部に形成されていればよい。

上記実施形態では、シャフト４１の軸中心を中心として貫通孔が設けられていたが、シャフト４１の軸中心からずれた位置、つまり偏心した位置に貫通孔が設けられていてもよい。この場合、貫通孔は１つでもよいし複数あってもよい。貫通孔が複数設けられる場合、ロータの回転バランス性を考慮して、軸方向の断面で見て、それら複数の貫通孔は軸中心を中心点とした点対称位置または回転対称位置に配置されていてもよい。

上記実施形態では、カップリング５内にラジアル方向のエアの流路５１５が形成されていた。しかしこのような、遠心力で外周側へ熱気を放出するためのラジアル方向のエアの流路は、カップリング５に設けられる場合に限られず、例えばシャフトの端部に形成されたフランジ部に形成されていてもよい。すなわち、第１の外径を有するシャフトにおいて、当該第１の外径より大きい第２の外径を有する部位であるフランジ部がシャフトの端部に設けられ、そのフランジ部にラジアル方向の流路が形成されていてもよい。
この場合、フランジ部は、シャフトの一部としてシャフトと一体的に形成された部分であってもよいし、シャフトに別体としてシャフトに接続された部材であってもよい。

上記実施形態では、外部装置としてのエンジン１００と接続されるダイナモ５０を例に挙げた。しかし、回転装置がモータ（動力源）として用いられ、そのモータに接続される外部装置がモータの負荷装置となるシステムにも本発明を適用可能である。

冷却用気体として、エア以外にも不活性ガスやその他のガスであってもよい。

１…ハウジング
３…ステータ
４…ロータ
５…カップリング
２１、２２…軸受
４１…シャフト
４１ａ…貫通孔
５０…ダイナモ
５１５…流路
５１７、７１７…外周面

Claims (2)

1. ステータと、
   回転の軸方向に貫通する貫通孔を有するシャフトを有し、前記ステータの内側に配置されたロータと、
   前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、
   外周面と、前記回転の中心側から前記外周面へ延びるように設けられた気体の流路とを有し、前記シャフトの端部に接続可能に設けられ、前記シャフトの端部に接続された状態で、前記流路が前記シャフトの前記貫通孔に連通するように形成されたカップリングと
   を具備する回転装置。
2. ステータと、
   回転の軸方向に貫通する貫通孔を有するシャフトを有し、前記ステータの内側に配置されたロータと、
   前記シャフトを回転可能に支持する軸受と、
   外周面と、前記回転の中心側から前記外周面へ延びるように設けられた気体の流路とを有し、前記シャフトの端部に設けられ、前記流路が前記シャフトの前記貫通孔に連通するように形成されたフランジ部と
   を具備する回転装置。

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