JP2013165549A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子，回転子を取り囲むフレーム内部の空間を、簡易な構造，手段により減圧して風損の低減化を図った回転電機を提供する。
【解決手段】固定子１と、該固定子を取り囲む全閉型のフレーム４と、固定子１
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の内側に空隙を隔てて直接対向する回転子２と、軸受５を介してフレーム４に軸支した回転子の回転軸３とを備えた回転電機において、前記フレーム４には、外部の真空ポンプ６（空気吸出し装置）に接続する空気吸出し口４ａ、および軸受５の回転軸貫通部を封止してフレーム内への外気侵入を防止するシール７を設け、さらに前記空気吸出し口４ａには着脱可能な封栓８を備える。そして、回転電機の高速運転時には前記真空ポンプ６を始動してフレーム７の内部から空気を吸出し、その内部空間を減圧して風損を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石型モータ，レラクタンスモータ，スイッチトレラクタンスモータなどを対象とする高速回転の用途に好適な回転電機に関する。

周知のように、頭記の回転電機には運転に伴って銅損，鉄損，機械損が発生する。このうち機械損は、主に固定子とこれに対向する回転子との間の空隙における空気の摩擦によって発生する風損と軸受部に発生する軸受損とに分けられ、このうち風損は回転数の３乗に比例して増加することが知られている。図２は風損と回転電機の回転速度との関係を表す図である。

ここで、永久磁石形モータを例に、低速運転と高速運転時に発生する全損失（銅損，鉄損，機械損の合計）のうち風損の占める割合を検証したところ、低速運転では風損の割合は僅か３％程度であるのに対して、高速運転では風損の割合が３０％にも達し、このことが回転電機の効率を低下させる大きな要因となっている。なお、レラクタンスモータ，スイッチトレラクタンスモータに発生する風損も永久磁石形モータと同様な傾向を示す。

また、この風損は回転子，および回転子を収容したケース（回転電機のフレーム）の物理的寸法のほか、回転子の周囲の空気密度にも依存することから、前記フレームの内方空間を何らかの手段で減圧することにより回転電機の風損低減が可能である。

一方、固定子に液体ヘリウムなどで冷却される超電導コイルを巻装した超電導モータを対象に、固定子に空隙を隔てて対向する回転子の発生熱が前記空隙を経て固定子に伝熱するのを抑制するために、固定子と回転子との間を仕切隔壁により隔離した上で、回転軸上に空気放出部を形成し、回転電機の運転時に回転子を収容した空間の空気をケース外方に放出して前記間隙を含む空間を減圧するようにした構成の回転電機が知られている(例えば、特許文献１参照)。

特開２０１１−１７２３１６号公報

先記の特許文献１に開示されている回転電機は、回転子に発生した熱が超電導コイルを巻装した固定子に伝熱するのを抑制することを目的としたもので、固定子の内周側には遮熱用の仕切隔壁を設けて回転子との間を隔離するようにしている。このためにケース内部の構造が複雑になるほか、前記仕切隔壁の介在により固定子と回転子との間の磁気的なギャップが必要以上に大きくなる（回転電機の磁気特性を高めるには、固定子／回転子間のギャップが狭いほど良い）。

一方、頭記した永久磁石形モータなどのように、固定子には超電導コイルを採用しない通常の回転電機では、回転子／固定子間の伝熱を厳しく抑制することもない。したがって、回転電機の風損低減化を目的に、特許文献１の開示構造をそのまま採用してケース内の回転子側空間を減圧することはモータの磁気特性，およびコスト的にも得策ではない。

そこで、本発明は頭記した永久磁石型モータ，レラクタンスモータ，スイッチトレラクタンスモータなどを対象に、その目的を風損の低減に特化して、ケース内の空間を簡易な構造，手段で減圧きるようにした回転電機を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、固定子と、該固定子を取り囲む全閉型のフレームと、前記固定子
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の内側に空隙を隔てて直接対向する回転子と、軸受を介して前記フレームに軸支した回転子の回転軸とを備えた回転電機において、
（１）前記フレームには、外部の空気吸出し装置に接続する空気吸出し口、および前記軸受の回転軸貫通部を封止してフレーム内への外気侵入を防止するシールを設ける（請求項１）。
（２）前項（１）において、空気吸出し口に着脱可能な封栓を設ける（請求項２）。
（３）前項（１）において、当該回転電機が永久磁石型モータ，レラクタンスモータ，スイッチトレラクタンスモータのいずれかである（請求項３）。

上記構成により、回転電機の高速運転時にフレームの空気吸出し口に接続した真空ポンプなどの外部空気吸出し装置を始動することで、フレーム内部の空間全域を減圧して回転電機の風損を低減することができる。しかも、フレーム内部には特許文献１に開示されているような固定子／回転子間の仕切隔壁を設けずに、固定子の内周側に空隙を隔てて回転子を直接対向させているので、固定子／回転子間の間隙を最小に設定して高い磁気特性を確保できる。

また、回転軸の軸受貫通部にはシールを設けているので、減圧したフレームの内部空間に機外周囲から空気（大気圧）が侵入することがなく、さらに減圧後は空気吸出し口を封栓することで外部の真空ポンプを停止したままフレーム内部の空間を減圧状態に保持して低風損の運転を継続することもできる。

本発明の実施例による回転電機の構成断面図である。 回転電機の回転数と風損との関係を表す特性図である。

以下、本発明の実施の形態を図１に示す実施例に基づいて説明する。
図１において、１は固定子、２は固定子１の内周側に間隙ｇを隔てて対向する回転子、３は回転軸、４は固定子１，回転子２を取り囲む全閉型のフレーム（外囲ケース）、５は回転軸３の両端をフレーム４に軸支する軸受である。なお、図示してないが、フレーム４の外周面に放熱フィンを設けた上で、回転軸３に設けたアウターファンにより前記放熱フィンに冷却空気を送風するか、あるいはフレーム４の外周に布設した冷却管に冷却水を流して回転電機を冷却するようにしている。

上記構成の回転電機に対して、本発明では前記フレーム４に外部の真空ポンプ６（空気吸出し装置）を接続する空気吸出し口４ａを穿設するとともに、前記軸受５には回転軸３の軸受貫通部を封止するシール７を設けている。なお、このシール７は、例えばその内周縁の先端を回転軸３の周面に当接してフレーム４に固定したリング状の樹脂シートである。さらに、図示実施例では前記空気吸出し口４ａを必要に応じて塞ぐ封栓８が付属品として用意されている。

上記の構成で、回転電機の高速運転時にはフレーム４の空気吸出し口４ａに接続した真空ポンプ６を始動してフレーム４の内部から空気を吸い出す。これにより、固定子１，回転子２を取り囲むフレーム４の内部空間の全域が大気圧以下に減圧されて風損を効果的に低減することができる。この場合に、回転軸３の軸受貫通部はシール７により封止されているので、周囲の空気（大気圧）がフレーム４の内部空間に侵入することはない。

また、前記真空ポンプ６の運転によりフレーム４の内部空間が所定圧まで減圧されたところでフレーム４の空気吸出し口４ａに封栓８を装填して封止することにより、その後は真空ポンプ６を使わずに減圧状態を保持して低風損の運転を継続することが可能である。

１ 固定子
２ 回転子
３ 回転軸
４ フレーム
４ａ 空気吸出し口
５ 軸受
６ 真空ポンプ（空気吸出し装置）
７ シール
８ 封栓

Claims (3)

1. 固定子と、該固定子を取り囲む全閉型のフレームと、前記固定子
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   の内側に空隙を隔てて直接対向する回転子と、軸受を介して前記フレームに軸支した回転子の回転軸とを備えた回転電機において、
   前記フレームには、外部の空気吸出し装置に接続する空気吸出し口、および前記軸受の回転軸貫通部を封止してフレーム内への外気侵入を防止するシールを設けたことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、空気吸出し口に着脱可能な封栓を設けたことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１に記載の回転電機において、当該回転電機が永久磁石型モータ，レラクタンスモータ，スイッチトレラクタンスモータのいずれかであることを特徴とする回転電機。