JP2013066341A

JP2013066341A - 回転電機

Info

Publication number: JP2013066341A
Application number: JP2011204642A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Fujikawa; 貴陽藤川; Yuichi Tsuboi; 雄一坪井; Hidenobu Tsuchimoto; 英伸槌本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-04-11
Also published as: CN103023162A

Abstract

【課題】回転電機の固定子鉄心等を効率よく冷却する。
【解決手段】回転電機は、回転子２０と、固定子鉄心３０と、固定子鉄心３０を取り囲む固定子枠４０と、を有する。固定用貫通穴３６が軸方向に連通して形成される固定用軸方向貫通穴３９が、複数形成されて、軸方向に貫通するように中空部が形成された中空ボルト７０が、固定用軸方向貫通穴３９を貫通するように配置されて、積層された各鋼板を押さえ込み、中空部に空気が軸方向に流通可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子鉄心を有する回転電機に関する。

多くの回転電機は、回転子と、この回転子を半径方向外側から取り囲む固定子鉄心と、この固定子鉄心を収容する固定子枠と、を有する。

回転子や固定子には、これらを冷却するための通風路が形成されるものがある（例えば特許文献１）。例えば固定子鉄心内に通風路を設けると、その分だけ、固定子鉄心が大型化する。固定子鉄心の鉄心長が長いと、回転子と固定子の間の空隙からの放熱と、鉄心外周面とからの放熱のみでは固定子鉄心を冷却することが困難になることがある。

特開２０１１−１４２７３５号公報

鉄心長が長い固定子鉄心は、軸方向の所定位置に形成された空隙から、ダクト板内の半径方向通風路に冷却に十分な空気量を流すことが困難な場合がある。この場合、固定子鉄心の冷却効果が軸方向位置で異なる。また、当該ダクト板を設けると、鉄心長が長くなり、回転電機の設計上の自由度が低下することもある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、固定子鉄心等を効率よく冷却することである。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機は、所定の軸周りを回転自在な回転子と、それぞれが中心を貫通する中央貫通穴が形成されて且つ半径方向外側寄りに固定用貫通穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成された鋼板が軸方向に積層されて、積層された前記各鋼板それぞれの前記固定用貫通穴が軸方向に連通して複数の固定用軸方向貫通穴を形成し、前記回転子が前記中央貫通穴内を貫通するように配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、を有する回転電機において、軸方向に貫通するように中空部が形成された中空棒材が、少なくとも一つの前記固定用軸方向貫通穴を貫通するように配置されて、軸方向両外側から積層された前記各鋼板を押さえ込むように構成されて、前記中空部内を空気が軸方向に流通可能に構成されていること、を特徴とする。

また、本発明に係る回転電機は、所定の軸周りを回転自在な回転子と、前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子鉄心と、前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、を有する回転電機において、前記固定子鉄心は、それぞれが中心を貫通するように中央貫通穴が形成されて且つ半径方向外側寄りに第１の固定用貫通穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成された鋼板が、軸方向に積層された鋼板群と、中心を貫通するように中央貫通穴が形成されて且つ半径方向外側寄りに第２の固定用貫通穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成されて、軸方向に隣り合う前記鉄板群の間に配置されて、半径方向に空気が流通可能な半径方向通風路が形成されたダクト板と、を有し、前記第１の固定用貫通穴および前記第２の固定用貫通穴が、軸方向に連通するように、前記鋼板群および前記ダクト板が軸方向に配置されて、軸方向に貫通するように中空部が形成された中空棒材が、少なくとも一つの前記軸方向に連通する前記第１の固定用貫通穴および前記第２の固定用貫通穴を貫通するように配置されて、軸方向両外側から前記鋼板群および前記ダクト板を押さえ込むように構成されて、前記中空部内を空気が軸方向に流通可能に構成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、固定子鉄心等を効率よく冷却することが可能になる。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機の概略部分正断面図で、回転中心よりも上側半分を示す。図１の固定子鉄心の部分側面図である。図１の中空ボルトの一部省略の概略正面図である。本発明に係る第２の実施形態の回転電機の固定子鉄心の部分側断面図である。本発明に係る第３の実施形態の回転電機の固定子鉄心の部分側断面図である。本発明に係る第４の実施形態の回転電機の概略部分正断面図で、回転中心よりも上側半分を示す。本発明に係る第５の実施形態の回転電機の概略部分正断面図で、回転中心よりも上側半分を示す。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の回転電機の概略部分正断面図で、回転中心よりも上側半分を示す。図２は、図１の固定子鉄心３０の部分側面図である。なお、図２では、固定子巻線３７の図示は省略し、Ａ部は、固定用貫通穴３６等の説明のため中空ボルト７０がない状態を示している。図３は、図１の中空ボルト７０の一部省略の概略正面図である。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。

回転電機は、回転中心軸１の周りを回転する回転子２０と、この回転子２０が取り付けられた軸部材１０と、固定子鉄心３０と、これらを収容する固定子枠４０と、を有する（図１）。

軸部材１０は、図示しない軸受で回転可能に支持されて、回転中心軸１の周りを同軸で回転する。

回転子２０は、全体で円環状をなし、軸部材１０を取り囲む。固定子鉄心３０は、回転子２０の半径方向外側に所定の半径方向間隔（空隙６３）をあけて半径方向外側から取り囲む円環状である。

回転子２０および固定子鉄心３０それぞれの構成等を以下に説明する。先ず、回転子２０について説明する。

回転子２０は、円環部材２１ａと、複数の支持部材２１ｂと、複数の台座２２と、複数の永久磁石２３と、を有する。

支持部材２１ｂは、軸部材１０の四箇所の軸方向位置それぞれに複数本ずつ固定されて、軸部材１０と共に回転可能である。各軸方向位置に固定される支持部材２１ｂは、それぞれの軸方向位置から放射状に円環部材２１ａの内周面まで延びて、円環部材２１ａを支持する。

円環部材２１ａは、支持部材２１ｂに支持されて回転自在で、軸部材１０を半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。台座２２は、円環部材２１ａの外周面に周方向に複数配列されている。

各台座２２は、軸方向に長い長方形が形成される板状の部材で、半径方向外側に座面が形成されている。永久磁石２３は、各座面に接着等により取り付けられている。

次に、固定子鉄心３０について説明する。

固定子鉄心３０は、上述したように、回転子２０を半径方向外側から取り囲むように構成されて、全体で円環状の部材である。固定子鉄心３０の内周面は、回転子２０の外周面（半径方向外側）と所定の半径方向間隔（空隙６３）をあけるように配置される。この空隙６３は、後述する軸方向通風路６１の一つである。この固定子鉄心３０は、複数の鋼板３３が積層されて、これらの鋼板３３が中空ボルト（中空棒材）７０によって固定されて構成される。

これらの鋼板３３それぞれは、中心を貫通する中央貫通穴３４ａが形成されて、この中央貫通穴３４ａよりも半径方向外側寄りに固定用貫通穴３６が周方向に互いに間隔をあけて複数形成されている。回転子２０はこの穴を貫通するように配置される。各鋼板３３が積層されるとき、複数の固定用貫通穴３６それぞれは、軸方向に連通して、固定用軸方向貫通穴３９を形成する。すなわち、鋼板３３が積層されたときに、固定用軸方向貫通穴３９は、周方向に互いに間隔をあけて複数形成される。

また、各鋼板３３の半径方向内側に内側溝３４が形成される。内側溝３４は、周方向に互いに等間隔に複数形成される。各鋼板３３に形成された内側溝３４は、鋼板３３が積層されるときに、軸方向に連通する。連通した内側溝３４には、固定子巻線３７が巻き回される。

中空ボルト７０は、軸方向に貫通する中空部が形成されている（図３）。この中空部は、後述する軸方向通風路６１を形成する。中空ボルト７０は、全ての固定用軸方向貫通穴３９それぞれを貫通するように配置されて、積層された鋼板３３を軸方向両外側からナット７５と共に軸方向に締め付けて固定する。

この中空ボルト７０内の中空には、空気が流通可能な軸方向通風路６１が形成される。この軸方向通風路６１は、図１における右側から左側に（図１における矢印Ｘ１）向かって空気が流通する。

固定子枠４０は、固定子鉄心３０を半径方向外側から取り囲むように構成される。固定子枠４０の外周面には、軸方向に長いフィン（図示せず）が複数取り付けられている。これらのフィンは、周方向に互いに間隔をあけて取り付けられている。

この固定子枠４０は、詳細な図示は省略しているが、軸部材１０を固定している。また、固定子枠４０は、所定の吸気口（図示せず）から吸気した空気が排気される排気口（図示せず）が形成されている。冷却用の空気の流れは、固定子枠４０内にファン等を設けてもよい。

本実施形態の回転電機は、積層された鋼板３３を固定するときに、中空ボルト７０を用いる。この中空ボルト７０内に軸方向通風路６１が形成されるため、鋼板３３が所定枚数積層されてなる鋼板群の間に間隔板（ダクト板）等を設けることなく、固定子鉄心３０を冷却することが可能になる。また、中空ボルト７０は、同じ質量の中実のボルトよりも剛性が高いため、固定子鉄心３０の剛性も向上する。

以上の説明からわかるように、本実施形態によれば、固定子鉄心３０の運転時の冷却を効率よく行うことができ、且つ固定子鉄心３０の剛性を向上させることができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の回転電機の固定子鉄心３０の部分側断面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の固定子鉄心３０は、中空ボルト７０と、内部が中実な中実棒材、すなわち、中実ボルト７８と、を有する。

この例では、中実ボルト７８および中空ボルト７０が、各固定用軸方向貫通穴３９に、周方向に交互になるように挿入されている。この例は、比較的小型で発熱量の少ない回転電機に適用可能である。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について、図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の回転電機の固定子鉄心３０の部分側断面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の鋼板３３には、複数の外側溝３５が形成されている。これらの外側溝３５は、周方向に互いに等間隔に形成される。各鋼板３３に形成された外側溝３５は、鋼板３３が積層されて固定子鉄心３０を構成するときに、軸方向に連通する。さらに、連通した外側溝３５は、冷却空気の流路（軸方向通風路６１）を形成する。この外側溝３５は、固定子枠４０の内側で半径方向外側の開口が塞がれる。

すなわち、本実施形態の固定子鉄心３０は、第１の実施形態で説明した中空ボルト７０内の軸方向通風路（第１の通風路６１ａ）と、各外側溝３５が連通して構成される軸方向通風路（第２の通風路６１ｂ）が形成される。

以上の説明からわかるように、本実施形態によれば、第１の実施形態よりも通風路の数を増やすことにより、固定子鉄心３０の運転時の冷却を効率よく行うことができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の回転電機の概略部分正断面図で、回転中心よりも上側半分を示す。なお、図６では、吸気ファン装置８３等は、仮想的に二点差線で示している。

本実施形態は、第３実施形態（図５）の変形例であって、第３の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

また、第２の通風路６１ｂの詳細は省略し、第２の通風路６１ｂ内を流れる空気の方向を矢印Ｘ２で示している。

本実施形態の回転電機は、第３の実施形態で説明した中空ボルト７０内の第１の通風路６１ａを含む系統と、外側溝３５により形成される第２の通風路６１ｂを含む系統と、が互いに独立した系統となるように構成される。この回転電機は、第２の実施形態で説明したものの他に、二つの円環状配管８１と、外側配管部８２と、吸気ファン装置８３と、排気用配管８４と、を有する。

各円環状配管８１は、回転中心軸を半径方向外側から取り囲むように配置されて、第１の通風路６１ａに連通する。また、図６の左側の円環状配管８１は、外側配管部８２に連通する。吸気ファン装置８３は、外側配管部８２に取り付けられて、外部から空気を取り込んで、第１の通風路６１ａ内を図中の左側から右側（図６の矢印Ｘ３の方向）に流通させることができる。

第２の通風路６１ｂ内を流れる空気は、図６における右側の排気用配管８４から回転電機の外側に排気される。

第３の実施形態で説明したように第１の通風路６１ａおよび第２の通風路６１ｂそれぞれに、軸方向の一方に空気を流す場合、固定子鉄心３０の軸方向下流側（図６の左側）の冷却効果が低くなる。これは、軸方向上流で熱交換されて、比較的高温になった空気が下流を流れるためである。

これに対して、本実施形態によれば、各通風路それぞれの系統を互いに独立させて、空気の流通方向を互いに軸方向で反対になるように構成される。この構成によれば、第２の通風路６１ｂの下流側（図６の左側）を流れる空気の温度が上流側（図６の右側）に比べて上昇しても、第１の通風路６１ａ内に外気を取り込んだ直後の空気が流れるため、第２の通風路６１ｂの下流側（図６の左側）を効率よく冷却できる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の回転電機の概略部分正断面図で、回転中心よりも上側半分を示す。なお、本実施形態は、第１実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第３の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

本実施形態の固定子鉄心３０は、６個の鋼板群３１と、５個のダクト板３８と、を有する。鋼板群３１は、詳細な図示は省略するが、複数の鋼板３３が軸方向に積層されてなる。

ダクト板３８は、詳細な図示は省略するが、中心を貫通する中央貫通穴が形成されて、この中央貫通穴よりも半径方向外側寄りに固定用貫通穴３６が周方向に互いに間隔をあけて複数形成されている。回転子２０はこの穴を貫通するように配置される。

穴あき円板状のダクト板３８は、少なくとも一方の穴あき円板面に複数の棒材が取り付けられている。これらの棒材は、放射状に取り付けられている。各棒材の間は、冷却空気に流路（半径方向通風路６２）を形成する。詳細な図示は省略するが、当該半径方向通風路６２は、半径方向外側から外側に排気されるように構成される。

ダクト板３８は、軸方向に配列された鋼板群３１の間にそれぞれ配置される。すなわち、鋼板群３１およびダクト板３８が、軸方向に交互に配列されている。

ダクト板３８の各固定用貫通穴は、鋼板３３の各固定用貫通穴の周方向位置が互いに揃うように形成される。周方向位置が同じ固定用貫通穴は、軸方向に貫通する固定用軸方向貫通穴３９を形成する。すなわち、鋼板群３１およびダクト板３８を軸方向に配列したときに、軸方向外側から見たときに、当該固定用軸方向貫通穴３９が、周方向に互いに間隔をあけて複数形成されている。これらの固定用軸方向貫通穴３９それぞれに、中空ボルト７０が挿入される。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、第１の実施形態の固定子鉄心３０に半径方向通風路６２が形成されるため、固定子鉄心３０を冷却するための通風路がより多く形成され、固定子鉄心３０を効率よく冷却できる。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

また、上記実施形態では、軸部材は、軸受に回転可能に支持されているが、これに限らない。例えば、軸部材を固定して、この軸部材に軸受を取り付けて、この軸受の外周に支持部材２１ｂを固定してもよい。この場合、回転中心を通風路として用いることも可能になる。この場合の軸受は、軸部材に接する側が固定されて、半径方向外側（外周面）が回転するように構成されている。

１…回転中心軸
１０…軸部材
２０…回転子
２１ａ…円環部材
２１ｂ…支持部材
２２…台座
２３…永久磁石
３０…固定子鉄心
３１…鋼板群
３３…鋼板
３４…内側溝
３４ａ…中央貫通穴
３５…外側溝
３６…固定用貫通穴
３７…固定子巻線
３８…ダクト板
３９…固定用軸方向貫通穴
４０…固定子枠
６１…軸方向通風路
６１ａ…第１の通風路
６１ｂ…第２の通風路
６２…半径方向通風路
６３…空隙
７０…中空ボルト
７５…ナット
７８…中実ボルト
８１…円環状配管
８２…外側配管部
８３…吸気ファン装置
８４…排気用配管

Claims

所定の軸周りを回転自在な回転子と、
それぞれが中心を貫通する中央貫通穴が形成されて且つこの中央貫通穴よりも半径方向外側寄りに固定用貫通穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成された鋼板が軸方向に積層されて、積層された前記各鋼板それぞれの前記固定用貫通穴が軸方向に連通して複数の固定用軸方向貫通穴を形成し、前記回転子が前記中央貫通穴内を貫通するように配置された固定子鉄心と、
前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、
を有する回転電機において、
軸方向に貫通するように中空部が形成された中空棒材が、少なくとも一つの前記固定用軸方向貫通穴を貫通するように配置されて、軸方向両外側から積層された前記各鋼板を押さえ込むように構成されて、前記中空部内を空気が軸方向に流通可能に構成されていること、を特徴とする回転電機。
前記鋼板は周方向に互いに間隔をあけて複数の外側溝が形成されて、
積層された前記鋼板は、前記各鋼板の前記外側溝が軸方向に連通して通風路を形成するように構成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の回転電機。
複数の前記固定用軸方向貫通穴内に挿入可能な中実棒材を有し、
前記中実棒材によって前記固定子鉄心を軸方向両外側から固定可能で、
前記中実棒材および前記中空棒材が、前記各固定用軸方向貫通穴に、周方向に交互に挿入されていること、
を特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記外側溝が連通してなる前記通風路内の空気は一方の軸方向に流れ、前記中空棒材内の前記中空部内の空気は前記一方の軸方向と逆方向の軸方向に流れるように構成されていること、
を特徴とする請求項２または請求項３に記載の回転電機。
所定の軸周りを回転自在な回転子と、
前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子鉄心と、
前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、
を有する回転電機において、
前記固定子鉄心は、
それぞれが中心を貫通するように中央貫通穴が形成されて且つこの中央貫通穴よりも半径方向外側寄りに第１の固定用貫通穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成された鋼板が、軸方向に積層された鋼板群と、
中心を貫通するように中央貫通穴が形成されて且つこの中央貫通穴よりも半径方向外側寄りに第２の固定用貫通穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成されて、軸方向に隣り合う前記鉄板群の間に配置されて、半径方向に空気が流通可能な半径方向通風路が形成されたダクト板と、
を有し、
前記第１の固定用貫通穴および前記第２の固定用貫通穴が、軸方向に連通するように、前記鋼板群および前記ダクト板が軸方向に配置されて、
軸方向に貫通するように中空部が形成された中空棒材が、少なくとも一つの前記軸方向に連通する前記第１の固定用貫通穴および前記第２の固定用貫通穴を貫通するように配置されて、軸方向両外側から前記鋼板群および前記ダクト板を押さえ込むように構成されて、前記中空部内を空気が軸方向に流通可能に構成されていること、
を特徴とする回転電機。