JP2012039702A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】電力ロスの一層の低減を図ることができる同期電動機を提供することを課題とする。
【解決手段】 出力軸１１に、永久磁石１２を備える回転子１３を設け、この回転子１３を固定子１６で囲い、この固定子１６に巻いた固定子巻線１５に通電することで回転子１３を回転させる同期電動機１０であって、固定子１６をインナーケース１８で囲い、このインナーケース１８をモータケース２１で囲い、このモータケース２１とインナーケース１８との間の第１空間部３１に冷媒を流すようにした。更に、固定子ケース１７とインナーケース１８との間の第２空間部３６に冷却油を流し、冷却効果を一層高めることもできる。
【効果】固定子巻線を効率的に冷却することで、同期電動機の省エネルギー化を実現できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、同期電動機に関し、特に冷却効果を高めた同期電動機に関する。

電動機として、誘導電動機が広く使用されているが、回転速度の精度が求められる場合には、例えば同期電動機が採用される（例えば、特許文献１（図１）参照。）。

特許文献１を次図に基づいて説明する。
図８は従来の同期電動機の基本構成を説明する図であり、同期電動機１００では、出力軸１０１に、永久磁石１０２を備える回転子１０３を設け、この回転子１０３を固定子１０４で囲う。固定子１０４は、円筒フレーム１０５の内面に設けられ、円筒フレーム１０５の外面には複数の冷却用のフィン１０６が形成されている。

固定子１０４に巻いた固定子巻線１０７に通電することにより、回転子１０３を回転させる。固定子巻線１０７は通電により発熱する。この熱は、円筒フレーム１０５の外周面から大気へ放出される。フィン１０６を設けることで、大気への放熱を促すことができる。

フィン１０６による放熱には限界があるため、固定子巻線１０７の温度は必然的に上昇する。固定子巻線１０７は銅線であり、銅は高温になると電気抵抗が増加する。すなわち、固定子巻線１０７が高温になると、電力ロスが増加する。

同期電動機の高出力化、省エネルギー化が求められる中、電力ロスの低減が望まれる。

特開２０１０−４５８７３公報

本発明は、電力ロスの一層の低減を図ることができる同期電動機を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで前記回転子を回転させる同期電動機において、
前記固定子をインナーケースで囲い、このインナーケースをモータケースで囲い、このモータケースと前記インナーケースとの間に、冷媒を流すようにしたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで前記回転子を回転させる同期電動機において、
前記固定子を支える固定子ケースと、この固定子ケースを囲う前記インナーケースとの間に、冷却油を流すようにしたことを特徴とする。

請求項３に係る発明は、インナーケースからモータケースに向かって冷却フィンを延ばしたことを特徴とする。

請求項４に係る発明では、冷却フィンは鋳造品であり、冷却フィンで冷却管を鋳ぐるみ、この冷却管に冷媒を流すようにしたことを特徴とする。

請求項５に係る発明では、固定子は、リング部と、このリング部から出力軸に向かって延び固定子巻線が巻かれるティース部と、このティース部に巻かれる固定子巻線と、からなり、リング部の径方向幅は、ティース部の突出長さを下回らない幅に設定されていることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、固定子をインナーケースで囲い、このインナーケースをモータケースで囲い、このモータケースとインナーケースとの間に、冷媒を流すようにした。
固定子を囲うインナーケースの外側を冷媒が流れるため、この冷媒によって、発熱する固定子巻線を含むインナーケースの内部全体を冷却することができる。冷媒による冷却であるため、空冷に比べて格段に冷却効率を上げることができる。
固定子巻線が効率的に冷却されるため、固定子巻線の電気抵抗を低減することができる。結果、電力ロスを低減することができる。

したがって、本発明によれば、固定子巻線を効率的に冷却することで電力ロスを低減でき、更なる省エネルギー化を実現できる同期電動機が提供される。

請求項２に係る発明では、固定子を支える固定子ケースと、この固定子ケースを囲うインナーケースとの間に、冷却油を流すようにした。
固定子を支える固定子ケースの外側を冷却油が流れるため、この冷却油によって、発熱する固定子巻線を含む固定ケースの内部全体を冷却することができる。冷却油による冷却であるため、空冷に比べて格段に冷却効率を上げることができる。
固定子巻線が効率的に冷却されるため、固定子巻線の電気抵抗を低減することができる。結果、電力ロスを低減することができる。

したがって、本発明によれば、固定子巻線を効率的に冷却することで電力ロスを低減でき、更なる省エネルギー化を実現できる同期電動機が提供される。

請求項３に係る発明では、インナーケースからモータケースに向かって冷却フィンを延ばした。
冷媒の通る空間（インナーケースとモータケースとの間）に冷却フィンが存在するので、表面積の大きな冷却フィンと、冷媒との間で、良好に熱交換を行うことができる。したがって、固定子巻線に対する冷却性能を更に高めることができる。

請求項４に係る発明では、冷却フィンは鋳造品であり、冷却フィンで冷却管を鋳ぐるみ、この冷却管に冷媒を流すようにした。
モータケースとインナーケースとの間を流れる冷媒の冷却作用に加え、冷却管を流れる冷媒の冷却作用によっても、固定子巻線が冷却される。結果、固定子巻線に対する冷却効果を一層高めることができる。

請求項５に係る発明では、固定子のリング部の径方向幅を、ティース部の突出長さを下回らない幅に設定した。

一般に、同期電動機では、電動機の小型化を図るため、リング部の径方向幅をティース部の突出長さと同等又は突出長さより小さくし、固定子の外径寸法を小さくすることが行われる。
しかし、固定子の外径寸法を小さくすると、固定子中の磁束密度が上がるため、いわゆる鉄損が大きくなる。

この点、本発明では、固定子の外径寸法を大きく確保したので、鉄損を低減することができる。結果、電動機の効率が上がるため、電動機の更なる省エネルギー化を実現することができる。

本発明に係る実施例１の同期電動機の分解図である。 同期電動機の断面図である。 図２の３−３線断面図である。 図２の４部拡大図である。 図３の５−５線断面図である。 同期電動機の好適な使用例を説明する図である。 実施例２の同期電動機の断面図である。 従来の同期電動機の基本構成を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

先ず、本発明の実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、同期電動機１０は、出力軸１１に設けられ永久磁石１２を備える回転子１３と、固定子巻線１５が巻かれ回転子１３を囲う固定子１６と、この固定子１６を囲うように支える固定子ケース１７と、この固定子ケース１７を囲うインナーケース１８と、このインナーケース１８を囲うモータケース２１とからなる。

永久磁石１２は、平板状を呈しており、回転子１３の内部に複数（この例では６個）埋め込まれる。複数の永久磁石１２は、回転子１３の円周方向に等間隔に並ぶように配置されている。

固定子１６は、固定子ケース１７に嵌るリング部２２と、このリング部２２から固定子１６の中心に向けて延びる多数のティース部２３と、このティース部２３に巻かれる固定子巻線１５とからなる。多数のティース部２３は、リング部２２の円周方向に所定のピッチで等間隔に並ぶように配置されている。

インナーケース１８は、例えばダイカストで製造される鋳造品である。インナーケース１８の外面に、放射状に延びる多数の冷却フィン２５が設けられている。なお、インナーケース１８の材質は、熱伝導性の高いアルミニウム合金が望ましい。

冷却フィン２５は、表面積が大きく確保されるように、基部が太く、先端に行くに従って先細る形状に成形される。多数の冷却フィン２５、２５の基部に、出力軸１１の軸方向と平行に延びる冷却管２６、２７が設けられている。冷却管２６、２７は、例えばステンレス管であり、インナーケース１８を鋳造する際に、冷却フィン２５、２５の基部に鋳ぐるまれる。
鋳ぐるむと、冷却管２６、２７と冷却フィン２５とが密着するため、伝熱性能を高めることができる。

図２に示すように、インナーケース１８とモータケース２１との間に、第１空間部３１が形成される。この第１空間部３１は、インナーケース１８の外表面全体を囲う。そして、第１空間部３１には冷媒が流される。なお、冷媒には、水や二酸化炭素など、任意の熱媒体が使用可能である。

同期電動機１０の長手方向の構成を図３に基づいて説明する。
図３に示すように、出力軸１１は、固定子ケース１７に軸受３２、３２を介して回転自在に支持されている。回転子１３は、円板状のけい素鋼板からなる回転子プレート３３を出力軸１１の軸方向に積層してなる。永久磁石１２は、積層された多数の回転子プレート３３を出力軸１１の軸方向に貫通するように延びる。

固定子１６は、円環状のけい素鋼板からなる固定子プレート３５を出力軸１１の軸方向に積層してなる。多数の固定子プレート３５の外周縁は、固定子ケース１７の内面に取付けられている。

固定子ケース１７とインナーケース１８との間に、所定の隙間で絶縁性向上のために第２空間部３６が形成される。第２空間部３６の軸方向の両端は、スペーサリング３７、３７で密閉されている。スペーサリング３７、３７は、固定子ケース１７とインナーケース１８との間に複数のボルト３８で締結される。

モータケース２１は、複数のボルト３８でインナーケース１８に締結される。モータケース２１の下部に、第１空間部３１へ冷媒を導入する導入管４１が設けられている。モータケース２１の上部に、第１空間部３１から冷媒を外部へ導出する導出管４２が設けられている。モータケース２１はモータベース２８で支えられる。なお、モータケース２１の材質は、丈夫な鋳鉄が望ましい。

次に、固定子１６のリング部及びティース部の寸法について説明する。
図４に示すように、固定子１６のリング部２２の径方向幅Ｗは、ティース部２３の突出長さＬを下回らない幅に設定されている。リング部２２の径方向幅Ｗを大きくすることで、リング部２２における磁束密度を低く抑える。

続いて、冷却管の配管例を説明する。
図５に示すように、例えば、隣合う冷却管２６、２７を、出力軸（図３、符号１１）の出力側にて管継手４３で接続する。冷却管２６、２７のうちの一方の冷却管２６を導入用とし、他方の冷却管２７を導出用とする。多数の管継手４３を用いることで多数の冷却管２６、２７を全体として蛇管のように構成することができる。この場合、最も導入側の冷却管２６の端部から冷媒を導入し、最も導出側の冷却管２７の端部から冷媒を排出すれば、冷媒の経路を簡素化することができる。

電動機外部から冷却管２６へ冷媒を導入し（矢印（１））、冷却フィン２５を冷却する。そして、管継手４３にて冷却管２６から冷却管２７へ冷媒を流入させる（矢印（２））。そして、冷却管２７に冷媒を流すことで、隣接する冷却フィン２５を冷却し、外部に導出する（矢印（３））。

以上に述べた同期電動機１０の作用を次に述べる。
図３に示すように、冷媒を導入管４１から第１空間部３１へ導入し、インナーケース１８に収納された固定子巻線１５をインナーケース１８の外側から冷媒で冷却する。そして、冷媒を導出管４２から外部へ導出する。冷媒による冷却であるため、空冷に比べて格段に冷却効率を上げることができる。

したがって、固定子巻線１５を効率的に冷却することができ、電力ロスを低減できる。結果、同期電動機１０の更なる省エネルギー化を実現することができる。

また、第１空間部３１に冷却フィン２５が存在するので、表面積の大きな冷却フィン２５と、冷媒との間で、良好に熱交換を行うことができる。したがって、固定子巻線１５に対する冷却性能を更に高めることができる。

また、インナーケース１８をアルミニウム合金などの熱伝導性の高い材質で構成することにより、冷媒と冷却フィン２５との熱交換をより良好に行うことができる。

さらに、冷却管２６、２７に冷媒を流すことで、第１空間部３１を流れる冷媒の冷却作用に加え、冷却管２６、２７を流れる冷媒の冷却作用によっても、固定子巻線１５が冷却される。結果、固定子巻線１５に対する冷却効果を一層高めることができる。

加えて、リング部の径方向幅（図４、符号Ｗ）を、ティース部の突出長さ（図４、符号Ｌ）を下回らない幅に設定したので、固定子１６の外径寸法を大きく確保することができる。

一般に、同期電動機では、電動機の小型化を図るため、リング部の径方向幅をティース部の突出長さと同等又は突出長さより小さくし、固定子の外径寸法を小さくすることが行われる。
しかし、固定子の外径寸法を小さくすると、固定子中の磁束密度が上がるため、いわゆる鉄損が大きくなる。

この点、本実施例では、固定子１６の外径寸法を大きく確保したので、鉄損を低減することができる。結果、同期電動機１０の効率が上がるため、同期電動機１０の更なる省エネルギー化を実現することができる。

続いて、本発明の同期電動機の好適な使用例について説明する。
図６に示すように、同期電動機１０を冷凍機５１の駆動源（例えば、冷凍圧縮機（コンプレッサ）の駆動源）として使用した。

冷却設備５０は、冷凍機５１と、この冷凍機５１の駆動源である同期電動機１０と、冷凍機５１で冷却した低温冷媒を加圧して熱負荷５２へ送り、熱負荷５２で暖められた高温冷媒を冷凍機５１へ戻す冷媒ポンプ５３とからなる。なお、冷媒には、水や二酸化炭素など、任意の熱媒体が使用可能である。

このような冷却設備５０は、製氷工場や大型の建物に付属する大規模空調設備に好適である。また、冷凍コンテナや冷凍コンテナ車、冷凍コンテナ船にも適用可能であり、用途は任意である。

冷凍機５１と冷媒ポンプ５３とは、冷媒導出管５５で接続される。冷媒ポンプ５３と熱負荷５２とは、冷媒供給管５６で接続される。熱負荷５２と冷凍機５１とは、冷媒導入管５７で接続される。

冷媒供給管５６に、第１流入管５８及び第２流入管６１が接続される。第１流入管５８は、同期電動機１０の導入管（図３、符号４１）に接続されており、第１空間部（図３、符号３１）と連通している。一方、第２流入管６１は、同期電動機１０の冷却管（図５、符号２６）に接続される。

同期電動機１０の導出管（図３、符号４２）と冷媒導入管５７とは、第１流出管６２で接続される。同期電動機１０の冷却管（図５、符号２７）と第１流出管６２の中間部とは、第２流出管６３で接続される。

以上に述べた冷却設備５０の作用について説明する。
冷凍機５１で冷却した低温冷媒を、冷媒ポンプ５３により冷媒導出管５５及び冷媒供給管５６を介して熱負荷５２に送る（矢印（４））。このとき、冷媒供給管５６に流入した低温冷媒の一部を、第１流入管５８及び第２流入管６１のそれぞれに分流させる（矢印（５）、（６））。

第１流入管５８に分流した低温冷媒を同期電動機１０の第１空間部（図３、符号３１）に流入させ、この低温冷媒で、冷却フィン（図３、符号２５）及びインナーケース（図３、符号１８）の内部全体を冷却する。一方、第２流入管６１に分流した低温冷媒を同期電動機１０の冷却管（図３、符号２６）に流入させ、この低温冷媒で冷却フィン（図３、符号２５）の内部を冷却する。

そして、第１空間部（図３、符号３１）で熱を吸収した高温冷媒を、第１流出管６２を介して冷媒導入管５７へ送る（矢印（７））。また、冷却管（図３、符号２７）で熱を吸収した高温冷媒を、第２流出管６３から第１流出管６２へ合流させ（矢印（８））、冷媒導入管５７へ送る。すると、熱負荷５２を冷却した高温冷媒と同期電動機１０を冷却した高温冷媒とが合流する。合流した高温冷媒を冷凍機５１に戻し（矢印（９））、同期電動機１０の動力によって再度冷却する。

この例によれば、低温の冷媒で同期電動機１０を冷却させることができるので、固定子巻線（図３、符号１５）をより効果的に冷却することができる。結果、電力ロスを一層低減でき、省エネルギー効果の高い冷却設備５０が提供される。

また、同期電動機１０は、冷凍機の５１の動力源であると共に、この動力で冷却した冷媒によって電動機内部を冷やす自己冷却機能を備える。よって、同期電動機１０を冷却するために冷却手段を別途必要としない。したがって、同期電動機１０とは別に冷却手段を設けた設備に比べ、一層の省エネルギー化を図ることができる。

次に、本発明の実施例２を図面に基づいて説明する。
図７に示すように、同期電動機１０Ｂは、同期電動機（図３、符号１０）の構成において、固定子ケース１７とインナーケース１８との間に形成される第２空間部３６に、絶縁性を有する冷却油を流すようにした。なお、図３と同一の構成については、同一の符号を流用して詳細な説明は省略する。

第２空間部３６の下部に、油導入管６５が設けられ、第２空間部３６の上部に、油導出管６６が設けられる。油導入管６５は、油流入管６７を介してオイルクーラ６８に接続される。油導出管６６は、油流出管７１を介してオイルクーラ６８に接続される。油流出管７１にオイルポンプ７２が設置される。オイルクーラ６８は、給水管７３を介して供給配管７５に接続されると共に、排水管７６を介して排出配管７７に接続される。

オイルクーラ６８では、供給配管７５から供給された低温の冷却水で、冷却油を常時冷やす。そして、オイルクーラ６８で熱を吸収した高温の冷却水を、排水管７６を介して排出配管７７へ排出する。

以上に述べた同期電動機１０Ｂの作用を次に述べる。
オイルクーラ６８で冷却された冷却油は、油流入管６７から第２空間部３６へ送られ、固定子ケース１７を囲うように第２空間部３６を流れる。固定子ケース１７の外側を冷却油が流れるため、この冷却油によって、発熱する固定子巻線１５を含む固定子ケース１７の内部全体を冷却することができる。

オイルクーラ６８には、第２空間部３６から油流出管７１を介して高温の冷却油が送られる。オイルクーラ６８にて高温の冷却油を冷却した後、この冷却した冷却油を第２空間部３６へ油流入管６７を介して再度送る。そして、冷却油で固定子ケース１７の内部全体を冷却する。

以上のように、第２空間部３６を流れる冷却油の作用によって、固定子巻線１５を効率的に冷却することができ、電力ロスを低減できる。結果、同期電動機１０の更なる省エネルギー化を実現することができる。
なお、第２空間部３６に冷却油を流すと共に第１空間部３１に冷媒を流し、冷却効果を高めることもできる。

尚、本発明の同期電動機は、実施の形態では冷凍機に適用したが、送液ポンプや送風機などにも適用可能である。

本発明の同期電動機は、省エネルギー化が望まれる産業用設備や産業用装置に好適である。

１０…同期電動機、１０Ｂ…同期電動機、１１…出力軸、１２…永久磁石、１３…回転子、１５…固定子巻線、１６…固定子、１７…固定子ケース、１８…インナーケース、２１…モータケース、２２…リング部、２３…ティース部、２５…冷却フィン、２６…冷却管、２７…冷却管、３１…第１空間部（モータケースとインナーケースとの間）、３６…第２空間部（固定子ケースとインナーケースとの間）、Ｗ…リング部の径方向幅、Ｌ…ティース部の突出長さ。

Claims (5)

1. 出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで前記回転子を回転させる同期電動機において、
   前記固定子をインナーケースで囲い、このインナーケースをモータケースで囲い、このモータケースと前記インナーケースとの間に、冷媒を流すようにしたことを特徴とする同期電動機。
2. 出力軸に、永久磁石を備える回転子を設け、この回転子を固定子で囲い、この固定子に巻いた固定子巻線に通電することで前記回転子を回転させる同期電動機において、
   前記固定子を支える固定子ケースと、この固定子ケースを囲う前記インナーケースとの間に、冷却油を流すようにしたことを特徴とする同期電動機。
3. 前記インナーケースから前記モータケースに向かって冷却フィンを延ばしたことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
4. 前記冷却フィンは鋳造品であり、前記冷却フィンで冷却管を鋳ぐるみ、この冷却管に冷媒を流すようにしたことを特徴とする請求項３記載の同期電動機。
5. 前記固定子は、リング部と、このリング部から前記出力軸に向かって延び前記固定子巻線が巻かれるティース部と、このティース部に巻かれる前記固定子巻線と、からなり、
   前記リング部の径方向幅は、前記ティース部の突出長さを下回らない幅に設定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の同期電動機。

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