JP2011223817A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でありながらもファンによる冷却性能を向上させるとともに、高効率な回転電機を提供する。
【解決手段】ハウジング１とエンドブラケット２とで覆われる全閉型の回転電機において、回転軸６のエンドブラケット２を挿通した端部に設けられる外扇ファン８と、外扇ファン８を覆い外扇ファン８に対向する位置に開口部９ａを有するファンカバー９と、開口部９ａよりも外周側に位置しエンドブラケット２とファンカバー９とで囲まれる空間１１からハウジング１の外周部に空気を吐出する吐出し口９ｂとを備えるとともに、冷却性能を高めるために外扇ファン８の羽根部材の断面を凸形状とした。
【選択図】図３

Description

本発明は回転電機を提供する技術に関する。

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。特許文献１には半密閉型の回転電機が開示されており、ハウジング内に設けられた冷却扇によってハウジング外から外気を取り込んで冷却している。また、特許文献２には、全閉型の回転電機が開示され、回転電気のエンドブラケット側の回転軸に冷却ファンを備え、この冷却ファンによってハウジングの外周部分に風を送って冷却を行っている。

特開平４−２０７９３５号公報 特開平１１−２８９７１６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。

液滴等からハウジング内部を保護する構造を有する、いわゆる防滴保護型の回転電機は、発熱体がハウジングで囲まれるため、放熱を如何にして行うかが問題となる。しかし、防滴保護型の回転電機は、固定子や回転子のような発熱体が配置される空間が外気と連通していることが一般的であるため、発熱体の近傍に外気を取り込んで直接的に放熱、冷却することが可能である。いわば半密閉型の回転電機であり、例えば特許文献１では、風孔を介してハウジング内への外気の取込み及び排出を行うことによって冷却している。

しかし、ほぼ密閉されたハウジング内に回転子、固定子のような発熱体が配置される、いわゆる全閉型の回転電機では、半密閉型の回転電機のように外気を直接的に取り込んで換気を行うことができない。そこで、従来の回転電機では、ハウジング外へ突出した回転軸に冷却ファン（外扇ファン）が取り付けられ、このファンによってハウジングの放熱板となるフィンに風を流すことで冷却を行っていた。このような回転電機は外被冷却型とも称され、内外気の積極的な連通を行わない全閉型の回転電機において用いられる冷却方式である。
ところで、汎用の回転電機の場合、回転電機の軸の回転方向は時計回り、反時計回りのどちらの方向も選択の対象であり、回転電機は両方向回転において同じ性能を発揮することが必要とされる。従って、ファンは両方向回転で同じ性能であることが必須となる。そのため、外扇ファンの羽根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ことが多い（特許文献２参照）。
通常の使用時において回転電機が両方向回転される事例としては、搬送機器駆動や昇降機駆動、加工機の軸駆動などがあげられる。また、通常は一方向回転として用いられる送風機やポンプといった用途であっても、送風機やポンプの製品シリーズとして両方向回転に適用出来るようにしていることが多い。従って、これらの動力源となる回転電機としては、両方向の回転に対応できるものを用意せざるを得ず、電源の接続や設置方向の変更を行うことで対応している。
ラジアルファンを用いてハウジング外周部分へ空気を流す構成において、外周部分への送風性能の向上を図ったものとして、特許文献２に記載の例がある。この特許文献２では、外扇ファンとして、ハウジングの外周よりも大きな外径を有する羽根を有するラジアルファンを用い、ハウジング外周部分への導風促進を図っているが、ファン大径化に伴い風の抵抗による損失(以下単純に風損とする)が増加するため、回転電機全体としての効率向上を図ることが困難である。すなわち、従来の回転電機で多く用いられるラジアルファン形状では、回転電機の効率向上を図ることは難しい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、従来に比べてファンによる冷却性能の向上及び、効率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、回転子及び固定子を覆うハウジングと、前記回転子に固定された回転軸を支持する軸受が取り付けられるエンドブラケットと、回転中心から放射状に延伸する複数の羽根部材を有し前記回転軸の前記エンドブラケットを挿通した端部に設けられる外扇ファンと、前記外扇ファンを覆い前記外扇ファンに対向する位置に開口部を有するファンカバーと、前記開口部よりも外周側に位置し前記エンドブラケットと前記ファンカバーとで囲まれる空間から前記ハウジングの外周部に空気を吐出する吐出し口とを備え、前記羽根部材の断面を図１のような凸形状としたことを特徴としている。

また、本発明の他の態様は、回転子及び固定子を覆うハウジングと、前記回転子に固定された回転軸を支持する軸受が取り付けられるエンドブラケットとを備え、内部を密閉空間とした全閉型の回転電機において、回転中心から放射状に延伸し断面が凸形状の複数の羽根部材を有し、前記回転軸の前記エンドブラケットを挿通した端部に設けられる外扇ファンと、前記外扇ファンを覆い前記外扇ファンに対向する位置に開口部を有するファンカバーと、前記開口部よりも外周側に位置し前記エンドブラケットと前記ファンカバーとで囲まれる空間から前記ハウジングの外周部に空気を吐出する吐出し口とを備えたことを特徴としている。

本発明によれば、従来に比べてファンによる冷却性能を向上させながらも、高効率、低騒音な回転電機を提供することができる。

本実施例の羽根部材の断面図。 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。 比較例となる外扇ファンの形状を示す図。 図４の外扇ファンによって発生する風の流れ図。 比較例となる外扇ファンの形状を示す図。 図６の外扇ファンによって発生する風の流れ図。 本実施例の外扇ファンの形状を示す図。 本実施例の外扇ファンによって発生する風の流れ図。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。本発明を実施するためのより好ましい具体的形態を下記（１）〜（４）を中心に説明する。
（１）羽根部材の断面は、放射状の中心線に対して線対称であり、図１のような凸形状であること。
（２）羽根の翼面積はファン外周部に近づくほど増やしても良い。
（３）エンドブラケットの形状は半球状の曲面で構成されていること。
（４）外扇ファンは、ハウジングの外径よりも小さい外径の羽根部材を有すること。

なお、羽根部材は、凸形状の断面を形成する両側面を繋ぐ中央部に、中心部あるいは空隙部を有するものも好適である。また、上記の（４）の態様においては、ハウジングは吐出し口から吐出される空気の経路に位置する放熱フィンを備え、ファンカバーの外周部を放熱フィンの外端に合わせることがより好ましい。さらには、ファンカバーは、ファンの外周部からハウジングの外周側に向かって外径が大きくなる傾斜面を有することが好ましい。

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２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２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、左右両回りに回転可能に保持されている。

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（外部冷却扇）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は密閉空間外に取り付けられるため、エンドカバー９によって覆われている。このエンドカバー９は外扇ファンを覆うファンカバーであり、外扇ファン８が取り付けられるエンドカバー９とエンドブラケット２Ｂから構成される空間（第２の空間１１）は、外気と連通しており、外扇ファン８が回転することによって風がハウジング１の外周へと送られることになる。

すなわち、第２の空間１１は外気を取り込む連通部と外気を送り出す連通部とが設けられている。具体的には、エンドカバー９の一側面には外気を取り込む開口部９ａが形成され、エンドカバー９の外周部はエンドブラケット２Ｂ及びハウジング１の外周部との間に径方向の隙間９ｂを形成するようにエンドブラケット２Ｂに取り付けられる。この隙間９ｂが外扇ファン８によって送られる風の吐出し口９ｂとなる。

なお、エンドカバー９の外周部の位置は放熱フィン１ａの外端にほぼ合わせておくことで回転電機の小型化と冷却性能との両立が図れる。回転電機の冷却に関する空間としては、主に第１の空間１０ａ、１０ｂと第２の空間１１に分けられる。第１の空間１０ａ、１０ｂは、前述のようにハウジング１とエンドブラケット２Ａ、２Ｂで覆われた密閉空間になっている。その空間内には固定子３、回転子５、回転軸６がおかれている。

そして、内扇ファン７ａが回転することにより、第１の空間１０ａ、１０ｂ内の空気循環あるいは攪拌が行われ、回転電機は冷却される。第２の空間１１はエンドカバー９で覆われ、外扇ファン８が第１の空間１０ａ、１０ｂとは別におかれている。外扇ファン８が回転することにより、エンドカバーの吸い込み口９ａから外気を取り込み、吐出し口９ｂから取り込んだ空気をハウジング１の外周部に向けて流すことで回転電機は冷却される。

なお、固定子３は、回転電機の構成部材として最も発熱の大きなものであり、固定子コイル３ｂの一次銅損は、全体の７０％を占める場合もある。本実施例では、固定子３をハウジング１に固定し、このハウジング１から外部に放熱させることが、回転電機の冷却に大きな影響を与える。

次に、図３を用いて外扇ファン８による冷却構造について説明する。図３は、本実施例の回転電機の要部拡大図である。エンドカバー９は前述のようにハウジング１に取り付けられているが、円周方向に数箇所設けられた取付け部（図２参照）を除いては、図３に示すようにハウジング１の外周部と連通する空気の吐出し口９ｂが形成されている。

エンドカバー９には、エンドブラケット２Ｂと対向する側面に開口部９ａが設けられているため、外扇ファン８が回転することによって、この開口部９ａを介して第２の空間１１に外気が取り込まれる。そして、図中に矢印で示したように、回転軸方向に流れる空気を外周方向へと導き、吐出し口９ｂからハウジング１の外周部へと吐出される。

図３に示すように、本実施例の外扇ファン８は、後述するように効率よく風を外周方向へ導く形状となっており、ハウジング１の外周径よりも小さな径の羽根部材（以下、単に羽根と称する。）を備えている。

したがって、エンドカバー９自体も大型化することなく、放熱フィン１ａの外端内に収めることが可能となる。

次に、本実施例の外扇ファン８の形状に関し、比較例や参考例を示しながら説明する。

図４は比較例となる外扇ファンの形状を示す図である。すなわち、従来の回転電機に多く用いられる外扇ファン８であり、この羽根８ａ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。結果、回転電機が時計回り、反時計回りのどちらの回転方向でも同じ外扇ファン性能を発揮出来るようになっている。

しかしながら、ラジアルファンは、風を遠心力によりラジアル方向に送り、ファンカバーにぶつける事によりアキシャル方向へ流れの向きを変えているため静圧や風量の損失が大きいことが分かっている(文献２参照)。図５にラジアルファンによって発生する風の流れの概略を示す。

また、ハウジング外径よりも大きく、斜め外周方向へ風を送れるファン（所謂斜流ファン）を用いることで、冷却効率の向上が図れることが分かっている（文献２参照）。しかしながら、ファンの外径を大きくすることにより軸動力(風損)が増大することも分かっており、回転電気の効率を重視した設計を目標とした場合、この手法の採用は適切ではない。

また、大風量の風をアキシャル方向に送れ、冷却性能の高い軸流ファン（図６）も存在するが、逆回転をさせた場合、冷却性能の低下を招くため、回転方向を限定できない汎用の回転電気において、採用することは難しい。さらには、軸流ファンによって発生した風がエンドブラケットに垂直にぶつかるため圧力や風量の低下を招く恐れがある（図７）。

図８は、本発明の実施例による外扇ファン８の形状を示す図である。外扇ファン８の羽根８ａの厚さを、不等とした構成としている。具体的には、羽根８ａの吸い込み側の厚さのみを厚く、外周部に近づくほど厚くしたものであり、厚さの変化量は連続的であり、曲面をとして形成される。

これにより、ラジアル方向の風だけでなく、軸流ファンと同様のアキシャル方向の風を発生させることができる。この結果、斜め外周方向へ風を送れ、ファンカバー及びエンドブラケットに風が垂直にぶつかることが無くなり、ファン効率が上がる（図９）。図８の例では、羽根中心で線対称になるように左右均等に羽根の厚さを厚くした形状とする。

すなわち、回転軸の中心から放射状に伸びる羽根８ａの中心線に対して、羽根８ａの両側面が線対称となるような凸形状としている。この結果、回転電機が時計回り、反時計回りのどちらの回転方向でも同じ外扇ファン性能を発揮出来るようになる。外扇ファン８は鋳鉄、アルミ合金などの金属に加え、樹脂の射出成形などの材料により型を用いて製造されるため羽根８ａの形状は容易に構成することが可能である。
また、ハウジング1の外周面と外扇ファン８の中心軸とを連絡する斜面形状部(傾斜面)をエンドブラケット２Ｂに設けるとよい。例えば、図９に示すように、略半球状の曲面で構成されたエンドブラケット２Ｂと組み合わせることで、斜め外周方向に送られた風がエンドブラケット２Ｂに沿うように流れ、風量及び風圧を落とすことなくハウジング１の外周まで風を導くことができる。

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、１０ａ・１０ｂ…第１の空間、１１…第２の空間。

Claims (7)

1. 回転子及び固定子を覆うハウジングと、前記回転子に固定された回転軸を支持する軸受が取り付けられるエンドブラケットと、回転中心から放射状に延伸する複数の羽根部材を有し前記回転軸の前記エンドブラケットを挿通した端部に設けられる外扇ファンと、前記外扇ファンを覆い前記外扇ファンに対向する位置に開口部を有するファンカバーと、前記開口部よりも外周側に位置し前記エンドブラケットと前記ファンカバーとで囲まれる空間から前記ハウジングの外周部に空気を吐出する吐出し口とを備え、前記羽根部材の断面を２つの曲線で構成される凸形状とした回転電機。
2. 回転子及び固定子を覆うハウジングと、前記回転子に固定された回転軸を支持する軸受が取り付けられるエンドブラケットとを備え、内部を密閉空間とした全閉型の回転電機において、回転中心から放射状に延伸し断面が凸形状の複数の羽根部材を有し、前記回転軸の前記エンドブラケットを挿通した端部に設けられる外扇ファンと、前記外扇ファンを覆い前記外扇ファンに対向する位置に開口部を有するファンカバーと、前記開口部よりも外周側に位置し前記エンドブラケットと前記ファンカバーとで囲まれる空間から前記ハウジングの外周部に空気を吐出する吐出し口とを備えた回転電機。
3. 前記羽根部材の断面は、放射状の中心線に対して線対称の形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記羽根部材は前記凸形状の断面を形成する両側面を繋ぐ中央部に、中空部あるいは空隙部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
5. 前記外扇ファンは、前記ハウジングの外径よりも小さい外径の羽根部材を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
6. 前記ハウジングは前記吐出し口から吐出される空気の経路に位置する放熱フィンを備え、前記ファンカバーの外周部を前記放熱フィンの外端に合わせたことを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
7. 前記ファンカバーは、前記ファンの外周部から前記ハウジングの外周側に向かって外径が大きくなる傾斜面を有することを特徴とする請求項６記載の回転電機。

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