JP2015019549A - 冷却流路を有する回転子及びそれを有する電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却作用をより一層向上させた回転子を提供する。【解決手段】本発明に係る電動機の回転子は、回転軸線に対して傾斜して延在していて両端において回転子の外部空間に開口する複数の流路が回転軸線周りに所定間隔に形成されており、複数の流路は、隣接する流路どうしが交互に逆方向に傾斜するように形成されていて回転子を冷却する流体が複数の流路を循環するようになっている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転子及び回転子を有する電動機に関する。

電動機の回転子において、複数の貫通孔が軸線方向に沿って回転子を貫通するように形成されており、回転子の周囲の空気をそれら貫通孔に通して回転子を冷却する冷却構造が公知である。

例えば特許文献１には、回転子を軸線方向に貫通する軸線方向孔と、軸線方向孔及び回転子の外周面の間において半径方向に延在する半径方向孔と、を形成することによって、回転子及び固定子を冷却することが開示されている。また、特許文献２には、回転子軸線に対して傾斜して延在する貫通孔を回転子に形成することによって、回転子を冷却することが開示されている。

特開２００４−３１２８９８号公報 実開平６−４８３５５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される冷却構造では、回転子の回転速度が増大するのに従って、軸方向孔を通る空気の流れに対する抵抗が増大し、結果的に回転子内部の流路を通る空気の量が減少する。したがって、発熱量が増大する高速運転時に十分な冷却作用が得られなくなる問題がある。特許文献２に開示される冷却構造では、遠心力を利用して傾斜する貫通孔を通る気流が発生するようになっているが、空気の流出口と流入口とが回転子の反対側の端部にそれぞれ位置しているので、流入口付近が減圧されるのを防ぐ目的でファンなどの循環手段を使用して空気を強制的に循環させる必要があり、構成の複雑化及びコスト増大を招く。

したがって、冷却作用をより一層向上させた回転子が望まれている。

本願の１番目の態様によれば、回転軸線回りに回転する電動機の回転子であって、前記回転軸線に対して傾斜して延在していて両端において回転子の外部空間に開口する複数の流路が前記回転軸線周りに所定間隔を空けて形成されており、前記複数の流路は、隣接する流路どうしが交互に逆方向に傾斜するように形成されていて前記回転子を冷却する流体が前記複数の流路を循環するようになっている、回転子が提供される。
本願の２番目の態様によれば、１番目の態様における回転子において、前記複数の流路が前記回転軸線周りに等間隔に形成される。
本願の３番目の態様によれば、１番目又は２番目の態様における回転子を備えた電動機が提供される。
本願の４番目の態様によれば、３番目の態様における電動機において、前記回転子の少なくとも一方の端部の近傍に冷却部材を備える。

上記構成を備えた回転子によれば、回転軸線に対して互いに逆方向に傾斜する複数の流路が形成される。したがって、流入口近傍における比較的低温の冷却流体と、流出口近傍における比較的高温の冷却流体とが互いに近接して存在するようになり、回転子内部の温度勾配が相殺され、全体が均一に冷却される。また、回転子のいずれの端面も減圧されなくなり、冷却流体の循環が促進される。これらにより、回転子全体として冷却効率を向上させられる。
また、上記構成を備えた電動機によれば、前述した回転子の利点を同様に享受できる。
さらに、冷却部材を回転子の少なくとも一方の端部の近傍に設けることによって、流路から流出する比較的高温の流体を冷却できるので、冷却作用をさらに向上させられる。

本発明の一実施形態に係る電動機の構成を示す半断面図である。 本発明の一実施形態に係る回転子を示す端面図である。 図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見た断面図である。 図２の線ＩＶ−ＩＶに沿って見た断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図示される実施形態の構成要素は、本発明の理解を助けるために縮尺が適宜変更されている。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動機１０の構成を示す半断面図である。電動機１０は、回転軸線Ｏ回りに回転可能な回転軸１４と、回転軸１４の外周面に嵌合されていて回転軸１４に回転動力を付与する回転子１２と、回転子１２から半径方向外側に離間していて回転子１２を包囲するように設けられる固定子１６と、を備えている。図１は、電動機１０の上半分を縦断面図、下半分を側面図で示している。電動機１０は、図示された特定の形態に限定されず、任意の公知の形態を有しうる。また、電動機１０は、同期電動機であってもよいし、誘導電動機であってもよい。

回転子１２は、例えば電磁鋼板を積層することによって形成されていて中央部に軸穴１２ａが形成された概ね円筒状の部材である。回転子１２は、回転子１２の軸穴１２ａに回転軸１４が締り嵌めによって嵌合されることによって、電動機１０の動作時に回転軸１４と一体的に回転するように形成されている。

固定子１６は、磁性材料から形成される円筒状の部材である。固定子１６は、回転子１２と協働して回転子１２及び回転軸１４を回転させる駆動力を発生するように形成される。電動機１０において回転動力を発生させるための構成及びメカニズムは周知であるので、本明細書では詳細な説明を省略する。

回転軸１４は概ね円柱状の金属製の部材である。回転軸１４は、環状のフランジ部材２０の内周面に取付けられる軸受１８によって、回転軸線Ｏ回りに回転可能に支持されている。フランジ部材２０及び軸受１８は、回転軸１４の両端にそれぞれ設けられている。フランジ部材２０は断面Ｌ字状の部材であり、回転軸１４の外周において半径方向外側に向かって延在する第１の部分２０ａと、第１の部分２０ａの一端から軸線方向に延在する第２の部分２０ｂと、を有している。

フランジ部材２０の第１の部分２０ａは、電動機１０のハウジング２２に取付けられている。フランジ部材２０には、第２の部分２０ｂの内部を通って延在する少なくとも１つの冷却パイプ２４が取付けられている。冷却パイプ２４には、冷媒、例えば冷却油が供給され、それにより、冷媒がフランジ部材２０の内部を循環するようになっている。

軸受１８は、軸受１８を収容する軸受ハウジングを有している。軸受ハウジングは、フランジ部材２０、電動機１０のハウジング２２とともに、固定子１６及び回転子１２が収容される内部空間２６を画定している。したがって、冷却パイプ２４を通る冷媒によって冷却されたフランジ部材２０は、電動機１０の内部空間２６を冷却する冷却部材として作用する。

本実施形態において、回転子１２には、回転子１２の第１の端部１２ｂ及び第２の端部１２ｃの間を貫通する冷却流路３０が形成されている。したがって、冷却流路３０は、回転子１２の第１の端部１２ｂ及び第２の端部１２ｃのそれぞれにおいて内部空間２６に対して開口している。冷却流路３０は、回転軸線Ｏに対して傾斜するように形成されており、回転子１２が回転する際に発生する遠心力の作用によって、空気が流入口３２から流出口３４まで冷却流路３０内を通過するように形成されている。また、冷却流路３０は、より詳細に後述するように、隣接する冷却流路３０どうしが交互に逆方向に傾斜するように形成される。

冷却流路３０は、回転子１２を回転軸線Ｏに沿って貫通するように、例えばドリルによって穿孔される。回転子１２が鋼板を積層して形成される積層構造を有する場合は、プレス機を用いた打ち抜き加工によって各鋼板に穴を形成するとともに、それら穴を組み合わせて冷却流路３０が形成されるようにしてもよい。

図２〜図４を参照して、本実施形態に係る冷却流路３０の構造及びそれによる冷却作用についてより詳細に説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る回転子１２を示す端面図である。図３は、図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿って見た断面図である。図４は、図２の線ＩＶ−ＩＶに沿って見た断面図である。

本実施形態において、冷却流路３０は、回転子１２の第１の端部１２ｂ側に流入口３２ａが設けられる第１の冷却流路３０ａと、回転子１２の第２の端部１２ｃ側に流入口３２ｂが設けられる第２の冷却流路３０ｂと、から形成される。そして、第１の冷却流路３０ａは、回転子１２の第２の端部１２ｃ側に流出口３４ａを有する。他方、第２の冷却流路３０ｂは、回転子１２の第１の端部１２ｂ側に流出口３４ｂを有する。また、図２に示されるように、第１の冷却流路３０ａ及び第２の冷却流路３０ｂは、回転軸線Ｏ周りに交互に形成される。なお、図２は、回転子１２を第１の端部１２ｂ側から見た端面図であり、第２の端部１２ｃに形成されていて本来は視認されない第１の冷却流路３０ａの流出口３４ａ及び第２の冷却流路３０ｂの流入口３２ｂが、それぞれ破線で示されている。

必須ではないものの、第１の冷却流路３０ａ及び第２の冷却流路３０ｂは、互いに同一の数だけ、回転軸線Ｏの周りに等間隔に形成されるのが好ましい。それにより、回転子１２における構造上のバランスを維持できるようになる。

図３に示されるように、回転子１２が回転する際に発生する遠心力Ｆｃは、第１の冷却流路３０ａに平行な方向に作用する流路方向成分Ｆｐ（＝Ｆｃ・ｓｉｎθ（ここで、θは、第１の冷却流路３０ａと回転軸線Ｏとの間に形成される角度である））を有する。この流路方向成分Ｆｐの作用によって、回転子１２の周囲に存在する空気が図３に示される矢印の向きに、すなわち第１の端部１２ｂ側の流入口３２ａから第２の端部１２ｃ側の流出口３４ａまで流れるようになる。ここでは第１の冷却流路３０ａを例にして説明したが、第２の冷却流路３０ｂにおいても同様に、半径方向内側に位置する回転子１２の第２の端部１２ｃ側の流入口３２ｂから反対側の第１の端部１２ｂ側の流出口３４ｂに向かって気流が遠心力Ｆｃの作用によって発生するようになる。

本実施形態においては、第１の冷却流路３０ａ及び第２の冷却流路３０ｂが回転子１２の周方向において交互に形成されている。換言すると、第１の冷却流路３０ａの流出口３４ａと、第２の冷却流路３０ｂの流入口３２ｂとは、互いに周方向において隣接している。同様に、第２の冷却流路３０ｂの流出口３４ｂと、第１の冷却流路３０ａの流入口３２ａとは、互いに周方向において隣接している（図２参照）。したがって、第１の冷却流路３０ａ又は第２の冷却流路３０ｂを通る際に回転子１２と熱交換した結果として暖められた比較的高温の空気と、第１の冷却流路３０ａ又は第２の冷却流路３０ｂに流入しようとする比較的低温の空気とが、回転子１２の第１の端部１２ｂ及び第２の端部１２ｃの両方に存在するので、第１の端部１２ｂ、第２の端部１２ｃ及び回転子１２内部において顕著な温度差が生じず、回転子１２は全体として均一に冷却される。また、第１の冷却流路３０ａ及び第２の冷却流路３０ｂの一方から流出する空気により、他方の冷却流路の流入口付近が減圧されなくなるので、気流が円滑に循環できるようになる。すなわち、本実施形態によれば、強制的な循環作用をもたらすファンなどの追加の構成要素を使用することなく、第１の冷却流路３０ａ及び第２の冷却流路３０ｂを通る気流の循環作用を向上させられる。そして、その結果、回転子１２を効率的に冷却できるようになる。

さらに、図１を参照して説明したフランジ部材２０のように強制的に周囲の温度を低下させる冷却部材を回転子１２の第１の端部１２ｂ及び第２の端部１２ｃに設けることによって、第１の冷却流路３０ａ及び第２の冷却流路３０ｂを通って循環する気流を冷却できるので、回転子１２の冷却作用をより一層向上させられる。なお、冷却部材は、回転子１２の第１の端部１２ｂ及び第２の端部１２ｃのうちのいずれか一方のみに設けられてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、他の実施形態及び変形例によっても本発明の意図される作用効果を奏することができることは当業者に自明である。特に、本発明の範囲を逸脱することなく前述した実施形態及び変形例の構成要素を削除ないし置換することが可能であるし、公知の手段をさらに付加することが可能である。また、本明細書において明示的又は暗示的に開示される複数の実施形態の特徴を任意に組合せることによっても本発明を実施できることは当業者に自明である。

１０ 電動機
１２ 回転子
１２ａ 軸穴
１２ｂ 回転子の第１の端部
１２ｃ 回転子の第２の端部
１４ 回転軸
１６ 固定子
１８ 軸受
２０ フランジ部材（冷却部材）
２２ ハウジング
２４ 冷却パイプ
２６ 内部空間
３０ 冷却流路（流路）
３０ａ 第１の冷却流路（流路）
３０ｂ 第２の冷却流路（流路）
３２ａ 第１の冷却流路の流入口
３２ｂ 第２の冷却流路の流入口
３４ａ 第１の冷却流路の流出口
３４ｂ 第２の冷却流路の流出口
Ｆｃ 遠心力
Ｆｐ 遠心力の流路方向成分
Ｏ 回転軸線
θ 冷却流路の傾斜角

Claims (4)

1. 回転軸線回りに回転する電動機の回転子であって、
   前記回転軸線に対して傾斜して延在していて両端において回転子の外部空間に開口する複数の流路が前記回転軸線周りに所定間隔を空けて形成されており、
   前記複数の流路は、隣接する流路どうしが交互に逆方向に傾斜するように形成されていて前記回転子を冷却する流体が前記複数の流路を循環するようになっている、回転子。
2. 前記複数の流路が前記回転軸線周りに等間隔に形成される、請求項１に記載の回転子。
3. 請求項１又は２に記載の回転子を備えた電動機。
4. 前記回転子の少なくとも一方の端部の近傍に冷却部材を備える、請求項３に記載の電動機。

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