JP2015198527A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却風の圧力損失を低減し、効率的に固定子及び回転子を冷却できる回転電機を提供する。【解決手段】冷却ファン２は、複数のファンブレード２３がベースプレート２５に取り付けられている面と反対側の面に、シャフト１１と同軸に固定された環状のシュラウド２６を備え、フレーム４は、回転するファンブレード２３が通過する位置の外周側に排気口４２を備えるとともに、冷却ファン２から見て固定子３を挟んだ反対側に吸気口４１を備え、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮは、固定子コイル３３が固定子鉄心３２から軸方向に延出する固定子コイルエンド３３ｂの最内側部３３ｂＩＮより径方向外側に配置さている。【選択図】図１

Description

この発明は、回転電機に関するものであり、特に冷却ファンの形状、および、冷却風路を適正化することにより冷却性能を向上した回転電機に関するものである。

従来、回転電機の一種である回転界磁型発電機の固定子、および、回転子は、鉄心にコイルを巻装して形成されている。このような方式では、電流によるコイルの発熱（銅損）と鉄心自身の発熱（鉄損）を生じるため、回転電機の温度が上昇する。温度が上昇すると、コイル抵抗の上昇による回転電機の機能低下、および、絶縁部材等、各種素材の劣化による品質の低下を生じ、回転電機を使用する製品の機能、品質にも悪影響を及ぼす。

そこで、従来から冷却ファンの形状、および、冷却風路を適正化することにより温度の上昇を抑制する特許文献１に示すような技術が提案されている。特許文献１では、冷却ファンに近接する別部品（本例ではハウジングと端子台）によりシュラウド面を形成し、冷却風の吸入量を増加させている。

また、冷却対象となる整流素子を冷却ファンの羽根の最も内側の端部よりも外側に配置し、冷却風を発熱源に当て易く構成している。また特許文献２の回転電機では、シュラウドを設けた冷却ファンを使用して、固定子、および、回転子を冷却している。

特許第３５１８０１８号公報（５頁、段落００１４、図１） 実開昭５８−０００６６１号公報（２頁、図２〜５）

特許文献１に示すような、ファンの前後に吸気口、排気口がない場合には、ファンに当たった空気の全てが排出されず、空気の一部がファンを備える室内で循環してしまい、ファンの性能を十分に発揮できないという課題があった。

また、特許文献２の構成では、ファンの羽根部分に取り付けたシュラウドの最も内側部分が、電機子コイルエンドの位置よりも回転電機の軸心側にあるため、シュラウド自身が冷却風路を塞いでしまい、冷却効率が悪いという課題があった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、冷却風の圧力損失を低減し、効率的に固定子及び回転子を冷却できる回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、
フレームに回転可能に支持されるシャフトと、
前記シャフトに固定される回転子鉄心と前記回転子鉄心にワイヤを巻装して形成する
複数の回転子コイルと、前記シャフトと同軸に前記シャフトに固定され、周方向に取り付けたファンブレードを有する冷却ファンとを備えた回転子と、
前記回転子の外周側に隙間を介して配置する固定子鉄心と、前記固定子鉄心にワイヤを巻装して形成する複数の固定子コイルとを備えた固定子からなる回転電機において、
前記冷却ファンは、前記シャフトに嵌合するファンボスと、前記ファンボスに前記シャフトの軸方向に垂直に取り付けられた円盤状のベースプレートと、前記ベースプレート上に、前記ベースプレートの周方向に、前記シャフトの軸方向に向かって立設する冷却風排出用の複数のファンブレードと、複数の前記ファンブレードの前記ベースプレートに取り付けられている面と反対側の面に、前記シャフトと同軸に固定された環状のシュラウドを備え、
前記フレームは、回転する前記ファンブレードが通過する位置の外周側に排気口を備えるとともに、前記冷却ファンから見て前記固定子を挟んだ反対側に吸気口を備え、
前記シュラウドの最内側部は、前記固定子コイルが前記固定子鉄心から軸方向に延出する固定子コイルエンドの最内側部より径方向外側に配置されているものである。

この発明によれば、回転子と固定子の間を通過する冷却風をシュラウドで妨げることなく冷却ファンに直接吸気させることができ、固定子、回転子を効率よく冷却する冷却風路を得ることができる。これにより、回転電機の性能と品質を向上できる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の断面模式図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の冷却風Ｗの流れを示す図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の回路図である。 本発明の実施の形態１に係る回転電機の要部断面図である。 本発明の冷却ファンの斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却ファンのファンブレードの形状と比較例のファンブレードの形状とを示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却ファンの他のファンブレードの形状を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却ファンのＰＱ特性を示すグラフである。 本発明の実施の形態１及び実施の形態２に係る回転電機の排気口周辺の要部拡大断面図である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機の断面模式図である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機の断面図である。 本発明の実施の形態２に係る突極型回転子の要部拡大側面図である。 本発明の実施の形態２に係る絶縁物の形状を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る回転電機の回転子コイルの要部断面図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る回転電機を、図を用いて説明する。
図１は、回転電機の１種である回転界磁型発電機１００（以下、発電機１００という）の断面図である。
図２は、図１の発電機１００の冷却風Ｗの流れを示す図である。
図３は、図１の発電機１００の回路図である。
まず、本明細書で、特に断らずに「径方向」、「周方向」というときは、回転子１及び固定子３の径方向、周方向をいう。また、「軸方向」というときは、回転子１のシャフト１１の軸方向をいうものとする。また、「最内側部」とは、シャフト１１の軸心から見て最も内側に存在する部分を指し、「最外側部」とは、シャフト１１の軸心から見て最も外側に存在する部分を指すものとする。

発電機１００は、例えばエンジン等の駆動源により得られる回転エネルギー（機械エネルギー）を電気エネルギーに変換するものであり、界磁電流により励磁され、磁界を発生させる回転子１と、回転子１と相互作用させ、電流を発生させる固定子３と、固定子３を保持するフレーム４と、ベアリング５１ａ、５１ｂを介して回転子１を回転可能に支持するブラケット５ａ、５ｂと、回転子１に界磁電流を供給する励磁器６とを備えている。

回転子１は、シャフト１１と、磁性を有する薄板をシャフト１１の軸方向に複数枚積層して構成され、シャフト１１に固定される界磁鉄心１２（回転子鉄心）と、界磁鉄心１２と略同形状で、界磁鉄心１２の軸方向両端面に配設される短絡板１３と、界磁鉄心１２にワイヤを巻装して形成される界磁コイル１５（回転子コイル）と、界磁鉄心１２と両端の短絡板１３を貫通して設けられ、軸方向両端側からこれらの部品を締結固定するボルト１６と、シャフト１１に固定されシャフト１１と同芯に回転することで冷却風Ｗを発生させる冷却ファン２と、後述する励磁回転子６２で構成される。

図４は、図１に示した発電機１００をＡ−Ａ部にて切断した切断面の要部を示す図である。
図４に示すように界磁鉄心１２の外周部には、周方向に、等間隔に界磁コイル１５のスロット収納部１５ａを挿入するスロット１２Ｓが形成されている。１つの界磁コイル１５は、スロット１２Ｓを複数個飛ばしに、離れた２つのスロット１２Ｓに絶縁紙（図示せず）を介して挿入される。１つの界磁コイル１５のうち、スロット１２Ｓに挿入される部分がスロット収納部１５ａである。また、２つのスロット収納部１５ａの端部同士を連結した状態で、界磁鉄心１２の軸方向両端面から、シャフト１１の軸方向と平行にそれぞれ延出する部分が界磁コイルエンド１５ｂ（回転子コイルエンド）である。従って１つの界磁コイル１５は、２つスロット収納部１５ａと、その端部同士を連結する２つの界磁コイルエンド１５ｂからなる。

界磁コイル１５を構成するワイヤの隙間には、ワニスを含浸させる。これにより界磁コイル１５の絶縁性能を確保しつつ、界磁コイルエンド１５ｂの剛性を向上させている。また、ワイヤ間及びスロット１２Ｓと界磁コイル１５の隙間をワニスで埋めることにより伝熱性能を向上させている。

図１に示すように、固定子３は、薄板がシャフト１１の軸方向に複数枚積層されて構成されている電機子鉄心３２（固定子鉄心）と、電機子鉄心３２にワイヤを巻装して形成される電機子コイル３３（固定子コイル）で構成される。また、図４に示すように、電機子鉄心３２の内周部には、電機子コイル３３のスロット収納部３３ａを挿入するスロット３１Ｓが形成されている。電機子コイル３３は、スロット３１Ｓを複数個飛ばしに、離れた２つのスロット３１Ｓに絶縁紙（図示せず）を介して挿入される。１つの電機子コイル３３のうち、スロット３１Ｓに挿入される部分がスロット収納部３３ａである。また、２つのスロット収納部３３ａの端部同士を連結した状態で、電機子鉄心３２の軸方向両端面から、シャフト１１の軸方向と平行にそれぞれ延出する部分が電機子コイルエンド３３ｂ（固定子コイルエンド）である。このように１つの電機子コイル３３は、２つスロット収納部３３ａと、その端部同士を連結する２つの電機子コイルエンド３３ｂからなる。

電機子コイル３３を構成するワイヤの隙間にもワニスを含浸させる。これにより電機子コイル３３の絶縁性能を確保しつつ、電機子コイルエンド３３ｂの剛性を向上させている。さらに、ワイヤ間及びスロット３１Ｓとワイヤの隙間をワニスで埋めることにより伝熱性能を向上させている。界磁鉄心１２は電機子鉄心３２の内周側に配置される。界磁鉄心１２と電機子鉄心３２との間の隙間が、冷却風Ｗが通過する冷却風路７ｂとなる。

フレーム４は、例えば鋳造等で製造される円筒形状の部品であり、冷却風Ｗを吸気する吸気口４１、冷却風Ｗを排気する排気口４２、フレーム４の内周側から径方向内側に向かって突出し、電機子鉄心３２の側面を保持する凸部４３ａ、４３ｂ、固定子３の軸方向の位置を決めるための位置決め部４４で構成される。固定子３は、周方向に複数設けた凸部４３ａ、４３ｂにてフレーム４内に保持されるため、図１、４に示すように、フレーム４と電機子鉄心３２の外周面の間には、冷却風Ｗが通過する冷却風路７ａが形成される。なお、後述する励磁固定子６１も、固定子３と同様に、複数の凸部４３ｃでフレーム４の内側に保持される。

ブラケット５ａ、５ｂは、例えば鋳造等で製造される部品であり、インロー嵌合等でフレーム４との同軸度を確保しつつ、フレーム４に固定される。ブラケット５ａ、５ｂは、中心にベアリング５１ａ、５１ｂを備えており、シャフト１１を回転可能に支持している。

励磁器６は、電源（図示せず）から供給される交流電流にて励磁され、フレーム４の凸部４３ｃにて保持される励磁固定子６１と、シャフト１１に固定され、励磁固定子６１との相互作用により界磁電流（交流）を発生する励磁回転子６２と、発生した交流電流を直流に変換する整流素子６３と、整流素子６３を保持する保持板６４を備える。界磁電流は、整流素子６３により直流に変換された後、回転子１に供給される。励磁器６は、冷却ファン２に対して、固定子３、および、回転子１を挟んだ軸方向の反対面に設置される。

次に、冷却ファン２の構成を、図を用いて説明する。
図５は、発電機１００の冷却ファン２の斜視図である。
図６（ａ）は、冷却ファン２のファンブレード２３とシュラウド２６の形状を示す図である。
図６（ｂ）は、比較例の冷却ファンのファンブレード２３とシュラウド２６ｘの形状を示す図である。
図７（ａ）、（ｂ）は、冷却ファン２のファンブレードの送風面の他の形状の例を示す図である。
冷却ファン２は、冷却風Ｗを発生させる複数枚のファンブレード２３と、シャフト１１を挿入して固定する貫通孔Ｈ１を中心に有するファンボス２４と、ファンボス２４に固定する円盤状のプレート（中心には貫通孔Ｈ３がある）であって、外周近傍にバランス調整用の重りを取り付ける貫通孔Ｈ２を備え、ファンブレード２３の一方の側面２３ａを固定するベースプレート２５と、内側に大きな円状の開口部２６ａを設けた環状のプレートであって、各ファンブレード２３の他方の側面２３ｂに固定されるシュラウド２６で構成される。各ファンブレード２３は、ベースプレート２５の外周部に、等間隔に、シャフト１１の軸方向に立設され、側面２３ｂの内周側は、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮより内側に露出している。

ファンブレード２３は送風面２３Ｓが四角形状になるように板材から切り出された板金である。また、ファンボス２４、ベースプレート２５、シュラウド２６も同様に、材料を機械加工して生産しており、これら部品を溶接、もしくは、ボルト止め等で接合することで冷却ファン２を形成している。なお、本実施の形態では、ファンブレード２３の送風面を長方形としているが、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、台形のファンブレード２３ｘ、もしくは、平行四辺形のファンブレード２３ｙであってもよい。

ファンブレード２３の形状は、ファンブレード２３を平板から切り出しているため、発電機１００の軸心からみて最も内側となる最内側部２３ＩＮから最も外側となる最外側部２３ＯＵＴまで、平面ブレード形状となる。

冷却ファン２は、シュラウド２６を設置する面側（吸気面側）が、電機子コイルエンド３３ｂおよび、界磁コイルエンド１５ｂの端部と、軸方向に対向するように配置している。冷却ファン２が回転すると、空気に働く遠心力により冷却ファン２内の空気が排気口４２から排出され、冷却ファン２の中心部に負圧が発生する。これにより、外気がフレーム４の吸気口４１から吸入され、冷却風路７ａ、７ｂを通過して、シュラウド２６の開口部２６ａから、冷却ファン２に吸い込まれる。このように、冷却風Ｗは、フレーム４内の冷却風路７ａ、７ｂ、冷却ファン２内を通って排気口４２から排出される。なお、排気口４２は、ファンブレード２３の外周面２３Ｃが通過する位置に設けられている。

ファンブレード２３は、一般的にはその表面積が広いほど大量の冷却風Ｗを吸引、排出することができる。ただし、ファンブレード２３を冷却ファン２の中央部近傍にまで伸ばして配設すると、中心部において隣接するファンブレード２３の間の隙間が小さくなり冷却風Ｗの吸引を妨げる。或いは、排気を妨げて内部に渦を発生させるといった問題が生じ、ファンの性能が低下する。

そこでファンブレード２３の最内側部２３ＩＮが、電機子コイルエンド３３ｂの最外側部３３ｂＯＵＴと、界磁コイルエンド１５ｂの最内側部１５ｂＩＮの間の範囲内に存在するように設定している。これにより、冷却ファン２の性能を確保しつつ、冷却風路７ａ、７ｂに面して回転子１、および、固定子３を配置し、両部品を効率よく冷却できる構成となる。

特に、ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮが、電機子コイルエンド３３ｂの最内側部３３ｂＩＮよりもシャフト１１の軸心側（径方向内側）に存在するように構成すると、ファンブレード２３が、冷却風路７ｂの直下に配置され、冷却風路７ｂを通過する冷却風Ｗの風量が増えるため、回転子１、固定子３を共に効率よく冷却することが可能となる。

次に、シュラウド２６の機能について説明する。まず、第１に、シュラウド２６をファンブレード２３に取り付けることにより、排気をスムーズに排出でき、フレーム４内で空気が渦巻くことを抑制できる。第２に、冷却ファン２の風切り音を抑制できる。第３に、冷却ファン２自体の剛性を上げることができる。このようにファンブレード２３にシュラウド２６を取り付けることにより冷却ファン２の吸排気性能を向上できる。

ただし、シュラウド２６は冷却ファン２の一面を塞ぐ形で取り付けられるため、形状によっては冷却ファン２の吸気効率を妨げ、吸排気性能が低下する。そこで、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮが、ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮおよび、電機子コイルエンド３３ｂの最内側部３３ｂＩＮよりも径方向外側に配置されるように構成し、シュラウド２６で冷却風路７ｂを塞ぐことなく、冷却ファン２の性能を確保できる構成としている。

次に、図６（ａ）、（ｂ）に示す２種類のファン（ファンブレード形状は同一）のファン特性を比較する。図８は、冷却ファンのＰＱ特性曲線図である。
Ｇ１は、図６（ｂ）に示す、
シュラウド２６ｘの内径＜各ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮを結んだ円の内径
の場合のＰＱ特性を示す曲線である。
Ｇ２は、図６（ａ）に示す、
シュラウド２６の内径＞各ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮを結んだ円の内径
の場合のＰＱ特性を示す曲線である。
シュラウド２６の内径を、各ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮを結んだ円の内径より大きくすることで、冷却ファン２の吸気口が拡大し、冷却ファン２の吸排気性能が向上していることが分かる。

また、上述のように、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮが電機子コイルエンド３３ｂの最内側部３３ｂＩＮよりも径方向外側に位置するように構成すると、冷却風路７ｂと冷却ファン２の間に障害物がなくなり、冷却風路７ｂを通過する冷却風量が増えるため、冷却風路７ｂに面する回転子１、固定子３を共に効率よく冷却することが可能となる。

さらに、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮが、電機子コイルエンド３３ｂの最外側部３３ｂＯＵＴよりも内側に位置するように構成すると、冷却風路７ａ側を通過した冷却風Ｗが電機子コイルエンド３３ｂの外周面から先端に沿って流れた後、冷却ファン２に吸入されるため、固定子３を効率よく冷却することが可能となる。

また、固定子３の電機子鉄心３２をフレーム４の凸部４３ａ、４３ｂで保持することで、フレーム４の内周面と電機子鉄心３２の間に冷却風路７ａを設けることができる。これにより固定子３の冷却性能が向上し、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

本実施の形態１の効果について以下にまとめる。
冷却ファン２は、シュラウド２６を設置する面側（吸気面側）が、電機子コイルエンド３３ｂおよび、界磁コイルエンド１５ｂの端部と、軸方向に対向するように配置している。これにより、吸気口４１から流入する冷却風Ｗは、励磁器側の電機子コイルエンド３３ｂと界磁コイルエンド１５ｂを冷却した後、冷却風路７ａ、７ｂを通過することで電機子鉄心３２、界磁鉄心１２を冷却し、さらに、冷却風路７ａ、７ｂから流出後も、冷却ファン２側の電機子コイルエンド３３ｂと界磁コイルエンド１５ｂを冷却することができる。これにより、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮが、電機子コイルエンド３３ｂの最外側部３３ｂＯＵＴと、界磁コイルエンド１５ｂの最内側部１５ｂＩＮの間の範囲内に存在するように設定することで、冷却風Ｗを、電機子コイルエンド３３ｂ、および、界磁コイルエンド１５ｂに沿って流すことができるため、電機子コイルエンド３３ｂ及び界磁コイルエンド１５ｂの冷却性能を向上でき、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

特に、ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮが、電機子コイルエンド３３ｂの最内側部３３ｂＩＮよりもシャフト１１の軸心側に存在するように構成すると、ファンブレード２３が、冷却風路７ｂの直下に配置され、冷却風路７ｂを通過する冷却風Ｗの風量が増えるため、回転子１、固定子３を共に効率よく冷却でき、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

また、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮが、ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮおよび、電機子コイルエンド３３ｂの最内側部３３ｂＩＮよりも径方向外側に配置されるように構成し、シュラウド２６で冷却風路７ｂを塞ぐことなく、冷却風路７ｂを通過する冷却風Ｗの損失を低減でき、固定子、回転子とも冷却性能が向上できる。これにより、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

また、シュラウド２６の内径を、各ファンブレード２３の最内側部２３ＩＮを結んだ円の内径より大きくすることで、冷却ファン２の吸気口が拡大し、冷却ファン２の冷却性能を向上できるので、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

また、シュラウド２６の最内側部２６ＩＮが、電機子コイルエンド３３ｂの最外側部３３ｂＯＵＴよりも内側に位置するように構成すると、冷却風路７ａ側を通過した冷却風Ｗが電機子コイルエンド３３ｂの外周面から先端に沿って流れた後、冷却ファン２に吸入されるため、固定子３を効率よく冷却することが可能となる。これにより、固定子３の冷却性能が向上するため、発電機１００の性能、および品質を向上できる。

また、ファンブレード２３を、ベースプレート２５の内側から、外側に向かって直線状に固定することで、多量の冷却風Ｗを吐き出すことが可能となり、発電機１００の性能、および品質を向上できる。更に、ファンブレード２３を、板材から四角形形状に切り出して形成することにより、製造が容易で、歩留まりの高い冷却ファン２を得ることができ、発電機１００の製造コストを低減できる。

更に、界磁コイル１５、および、電機子コイル３３のワイヤ間にワニスを含浸させることにより、各コイルの絶縁性能を確保しつつ、界磁コイルエンド１５ｂ、電機子コイルエンド３３ｂの剛性を向上させ、さらに、ワイヤ間の隙間及びスロットとコイルの間の隙間をワニスで埋めて伝熱性能を向上させることができる。これにより発電機１００の性能、および品質を向上できる。

なお、本実施の形態１では、ファンブレード２３の枚数を１２枚としたが、枚数はこれに限定されるものではない。また、各ファンブレード２３は、ベースプレート２５の外周部に、等間隔に、シャフト１１の軸方向に立設されているとしたが、等間隔でなく、不等間隔に立設されていてもよい。また、電機子鉄心３２、および界磁鉄心１２のスロット形状、数は本実施の形態に限定されるものではない。また、電機子コイル３３、界磁コイル１５のコイル径、巻数も限定されるものではない。また、本実施の形態では界磁コイル１５への界磁電流の供給を、励磁器６を使用して行っているが、ブラシ（図示せず）により供給してもよい。
更に、本発明の適用は、発電機に限られるものではなく、電動機に適用できることは言うまでもない。

実施の形態２．
以下、本発明の実施の形態２を図を用いて実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図９（ａ）は、実施の形態１の発電機１００の排気口４２周辺の要部拡大図である。
図９（ｂ）は、本実施の形態２の発電機２００の排気口４２周辺の要部拡大図である。

図９（ａ）に示すようにシュラウド２６をファンブレード２３に取り付けても、実施の形態１に係る発電機１００では、排気口４２とシュラウド２６との隙間からの冷却風Ｗの再吸気を完全に抑制することは困難である。そこで本実施の形態では、図９（ｂ）に示すように、フレーム４の内周面に、シュラウド２６に沿ってフランジ状に突出する対向壁４５を設けている。これにより、冷却風Ｗの再吸気を更に抑制することが可能となるため、冷却ファン２の効率を向上し、発電機１００の性能、および、品質を向上することができる。

実施の形態３．
以下、本発明の実施の形態３に係る回転電機を、図を用いて、実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。
図１０は、本発明の実施の形態３に係る回転電機の１種である回転界磁型発電機３００（以下、発電機３００という）の断面模式図である。
図１１は、図１０のＢ−Ｂ部にて切断した断面模式図である。
図１２は、回転子３０１の要部拡大側面図である。回転子３０１のシャフト１１は省略している。
図１３は、絶縁物１９の斜視図である。
図１４は、図１１のＣ−Ｃ部にて切断した要部断面図である。

発電機３００をシャフト１１の中心軸を通る平面で切断した場合、実際には、断面にボルト１６ａとボルト１６ｂが同時に表されることはない。しかし、説明の都合上、図１０の断面模式図では、径方向の位置関係を明確にするため便宜上双方を記載している。また、発電機３００について、実施の形態１と実質的に同じ構成部品に対しては同じ符号を付し、説明を省略する。発電機３００は、突極型の回転子３０１を有する点を除き、実施の形態１の発電機１００と同様である。

回転子３０１の界磁鉄心３１２は、径方向に突出する４個の突極部３１２１を有する。突極部３１２１は、後述する絶縁物１９を介してワイヤを巻装する胴部３１２１ａと、胴部３１２１ａよりも周方向の幅が広く、外周面が電機子鉄心３２の内周面と対向する先端部３１２１ｂで構成されている。

回転子３０１は、界磁鉄心３１２と短絡板１３を貫通してこれらを固定するボルト１６ａ、１６ｂと、ボルト１６ａの軸方向両端部に被せた絶縁管１８と、胴部３１２１ａの軸方向両端部に取り付けられ、界磁コイル３１５と突極部３１２１の間の絶縁を確保する絶縁物１９と、Ｌ字形状の部品であり、隣り合う突極部３１２１の間に形成されるスロット３１２Ｓに収納される界磁コイル３１５のスロット収納部３１５ａをガイドするコイルガイド２０と、先端部３１２１ｂの内側、軸方向両端部、すなわち界磁コイル３１５に対向する面の角部３１２１ｂ１に、界磁コイル３１５を保護するように設置された２枚の絶縁板２１と、絶縁板２１と略同一厚みで、２枚の絶縁板２１の間に設置される非磁性の金属板２２をさらに備えている。

絶縁管１８は、内部に貫通孔を設けた絶縁樹脂等で形成される筒状の部材であり、当該貫通孔をボルト１６の端部に差し込むことでこれに保持される。回転子３０１が回転すると、界磁コイルエンド３１５ｂは、遠心力により径方向外側方向に働く力を受ける。そこで、絶縁管１８を被せたボルト１６ａの端部にて界磁コイルエンド３１５ｂを支えている。

絶縁物１９の構造を、図１３を用いて説明する。絶縁物１９は、短絡板１３と嵌合するための凹部である嵌合部１９ａと、界磁コイル３１５の径方向内側端部と外側端部の位置を矯正するガイド１９ｂと、絶縁物１９上にワイヤを整列して巻装して形成する界磁コイル３１５のピッチ（外径寸法）に合わせた溝１９ｃを備えている。

図１４に示すように、絶縁物１９のワイヤ巻装方向の幅は、胴部３１２１ａの周方向の幅と等しくなっており、絶縁物１９を突極部３１２１の胴部３１２１ａに装着すると、径方向側面の界磁コイル３１５が対向する面同士が、略同一平面状態で連なって構成される。

本構成により、界磁コイル３１５を形成する際、胴部３１２１ａでワイヤを支えることができるため、界磁コイル３１５の形成作業時のワイヤのたわみ、ずれ等のトラブルを抑制することができる。また、界磁コイル３１５と胴部３１２１ａとの間の隙間が小さくなるため、熱抵抗が低減する。なお、図示していないが、胴部３１２１ａの周方向端面には紙、シート、もしくは、フィルム等の薄形絶縁素材が保持されており、これにより界磁コイル３１５と界磁鉄心３１２との絶縁を確保している。

また、絶縁物１９の径方向端面中央部には、溝１９ｃよりも径方向内側に凹ませた凹部１９ｄを備えているため、界磁コイル３１５を形成した際に、界磁コイル３１５と絶縁物１９の間には冷却風Ｗが通過する隙間３１５ｄが形成される。

コイルガイド２０は、Ｌ字形状のプレートであり、界磁鉄心３１２に取り付けられる。界磁コイル３１５の内、界磁鉄心３１２のスロット３１２Ｓに収納される部分であるスロット収納部３１５ａは、胴部３１２１ａと先端部３１２１ｂに２面を囲まれるが、残り２面はこれらを支えるものがない。従って、界磁コイル３１５の形成作業後、界磁コイル３１５が崩れる懸念がある。そこで、コイルガイド２０を取り付けてスロット収納部３１５ａをスロット３１２Ｓの内側から支えることにより、巻き崩れを防止している。

なお、スロット収納部３１５ａの全域にわたりコイルガイド２０を配置すると、界磁コイル３１５の放熱を妨げるため、軸方向に数箇所だけ局所的に配置している。また、図示していないが、界磁コイル３１５とコイルガイド２０の間には、紙、シート、もしくは、フィルム等の薄形絶縁素材が挟持されており、これにより両部材間の絶縁及び、隣り合う界磁コイル３１５同士間の絶縁を確保している。

絶縁板２１は、先端部３１２１ｂの内側、軸方向両端部に設置される。回転子３０１が回転すると、界磁コイルエンド３１５ｂは遠心力を受け、径方向外側方向に働く力を受ける。この際に、先端部３１２１ｂの径方向内側かつ軸方向両端の角部で界磁コイルエンド３１５ｂを傷つける懸念がある。そこで、絶縁板２１を挿入してこれを保護している。

なお、軸方向の全域に絶縁板２１を設けると、界磁コイル３１５と先端部３１２１ｂ間の熱抵抗が悪化する。そこで先端部３１２１ｂの軸方向、両端部のみに絶縁板２１を設置し、その間には、例えばステンレス等、非磁性の金属板２２を設置して熱抵抗を低減している。なお、図示していないが、界磁コイル３１５と金属板２２の間には、紙、シート、もしくは、フィルム等の薄形絶縁素材が挟持されており、これにより絶縁を確保している。

回転子３０１を固定子３の内側に配置すると、両部品の間の隙間は、冷却風Ｗが通過する風路３０７ｂとなる。この際、界磁コイル３１５は、各突極部３１２１間のスロット３１２Ｓ内に形成されるため、風路３０７ｂに対して、界磁コイル３１５が露出した状態となる。これにより、風路３０７ｂを通過する冷却風Ｗが界磁コイル３１５を直接冷却することができる。

また、胴部３１２１ａにワイヤを巻装して形成される界磁コイル３１５の界磁コイルエンド３１５ｂは、３本に分離して、それぞれの間に冷却風路となる隙間３１５ｃを形成している。隙間３１５ｃを設けると、界磁コイルエンド３１５ｂの軸方向の高さが高くなり剛性が落ちる。そこで界磁コイルエンド３１５ｂの形状を維持するため、界磁コイルエンド３１５ｂを固縛し、絶縁管１８を被せたボルト１６ａの端部で外周側から支持し、さらに界磁コイル１５にはワニスを含侵させている。

本実施の形態３の効果について以下にまとめる。
本実施の形態３の構成によれば、界磁鉄心３１２に径方向に突出する４個の突極部３１２１を形成し、界磁コイル３１５を突極部３１２１の胴部３１２１ａに巻装するため、巻装作業時間の短縮ができ、発電機３００の生産性が向上する。また、回転子３０１と固定子３の間に形成される風路３０７ｂに対して、界磁コイル３１５が露出した状態となるため、界磁コイル３１５の冷却性能が向上し、発電機３００の性能、および品質を向上できる。

また、界磁コイルエンド３１５ｂは、３本に分離して冷却風路となる隙間３１５ｃを軸方向に形成しているため、界磁コイルエンド３１５ｂの冷却性能が向上し、発電機３００の性能、および品質を向上できる。また、絶縁物１９と界磁コイルエンド３１５ｂの間には、冷却風Ｗが通過する隙間３１５ｄを軸方向に設けているため、界磁コイルエンド３１５ｂの冷却性能が向上し、発電機３００の性能、および品質を向上できる。

また、胴部３１２１ａの軸方向、両端部に装着される絶縁物１９には、界磁コイル３１５のピッチ（外径寸法）に合わせた溝１９ｃが形成されている。従って、巻装作業時のワイヤの乱れを抑制でき、ワイヤ間の無駄な隙間を減らすことができる。これにより、界磁コイル３１５の熱抵抗を低減でき、発電機３００の性能、および品質を向上できる。

また、界磁コイルエンド３１５ｂは、外周側から絶縁管１８を被せたボルト１６ａの端部により支持されているため、回転子３０１の回転時に受ける遠心力による界磁コイルエンド３１５ｂのたわみを抑制でき、発電機３００の品質を向上できる。

また、絶縁物１９のワイヤ巻装方向の幅は、胴部３１２１ａの周方向幅と等しくなっており、絶縁物１９を突極部の胴部３１２１ａに装着すると、径方向側面の界磁コイル３１５と対向する面同士が、略同一平面状態で連なって構成されるため、界磁コイル３１５の形成作業時の、ワイヤたわみ、ずれ等のトラブルを抑制でき、発電機３００の生産性を向上できる。さらに、界磁コイル３１５と胴部３１２１ａの隙間が小さくなるため、界磁コイル３１５と胴部３１２１ａ間の熱抵抗が低減し、発電機３００の性能、および品質を向上できる。

また、絶縁物１９は、嵌合部１９ａにて短絡板１３に固定され、絶縁物１９の位置ずれが抑制されるので、回転子３０１の巻線作業性が向上し、発電機３００の製造コストを低減できる。また、界磁コイル３１５のスロット収納部３１５ａは、軸方向に複数個配置したコイルガイド２０によってガイドされるので、界磁コイル３１５の巻き崩れを防止でき、発電機３００の品質を向上できる。

また、先端部３１２１ｂの内側と界磁コイル３１５との間には、絶縁板２１、および、金属板２２を併用して配置しているため、遠心力による界磁コイル３１５の絶縁破壊を抑制しつつ、伝熱性能を確保できる。これにより、発電機３００の性能、および品質を向上できる。また、金属板２２は非磁性の材料を使用するため、渦電流の発生が抑制され、発電機３００の性能、および品質を向上できる。

本実施の形態３では、突極部の数を４個としているが、数はこれに限定されるものではない。また、界磁コイルエンド３１５ｂの隙間３１５ｃを２つとしているが、数はこれに限定されるものではない。また、電機子鉄心３２、および界磁鉄心３１２のスロット形状、数はこれに限定されるものではない。また、電機子コイル３３、界磁コイル３１５のコイル径、巻数は限定されるものではない。

尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１００，２００，３００ 回転界磁型発電機（回転電機）、１，３０１ 回転子、
１１ シャフト、１２，３１２ 界磁鉄心（回転子鉄心）、
１２Ｓ，３１２Ｓ スロット、３１２１ 突極部、３１２１ａ 胴部、
３１２１ｂ 先端部、３１２１ｂ１ 角部、１３ 短絡板、
１５，３１５ 界磁コイル（回転子コイル）、１５ａ，３１５ａ スロット収納部、
１５ｂ，３１５ｂ 界磁コイルエンド（回転子コイルエンド）、１５ｂＩＮ 最内側部、２ 冷却ファン、２３ ファンブレード、２３ＩＮ 最内側部、２３ＯＵＴ 最外側部、２３Ｓ 送風面、２３ａ，２３ｂ 側面、２４ ファンボス、２５ ベースプレート、
２６ シュラウド、２６ＩＮ 最内側部、２６ａ 開口部、３ 固定子、４ フレーム、５ａ，５ｂ ブラケット、６ 励磁器、７ａ，７ｂ，３０７ｂ 冷却風路、Ｗ 冷却風、１６，１６ａ，１６ｂ ボルト、１８ 絶縁管、１９ 絶縁物、１９ａ 嵌合部、
１９ｂ ガイド、１９ｃ 溝、１９ｄ 凹部、２０ コイルガイド、２１ 絶縁板、
２２ 金属板、３１Ｓ スロット、３２ 電機子鉄心（固定子鉄心）、
３３ 電機子コイル（固定子コイル）、３３ａ スロット収納部、
３３ｂ 電機子コイルエンド（固定子コイルエンド）、３３ｂＩＮ 最内側部、
３３ｂＯＵＴ 最外側部、４１ 吸気口、４２ 排気口、４３ａ〜４３ｃ 凸部、
４４ 位置決め部、４５ 対向壁、５１ａ，５１ｂ ベアリング、６１ 励磁固定子、
６２ 励磁回転子、６３ 整流素子、６４ 保持板、Ｈ１，Ｈ２ 貫通孔、
３１５ｃ，３１５ｄ 隙間。

Claims (13)

1. フレームに回転可能に支持されるシャフトと、
   前記シャフトに固定される回転子鉄心と前記回転子鉄心にワイヤを巻装して形成する
   複数の回転子コイルと、前記シャフトと同軸に前記シャフトに固定され、周方向に取り付けたファンブレードを有する冷却ファンとを備えた回転子と、
   前記回転子の外周側に隙間を介して配置する固定子鉄心と、前記固定子鉄心にワイヤを巻装して形成する複数の固定子コイルとを備えた固定子からなる回転電機において、
   前記冷却ファンは、前記シャフトに嵌合するファンボスと、前記ファンボスに前記シャフトの軸方向に垂直に取り付けられた円盤状のベースプレートと、前記ベースプレート上に、前記ベースプレートの周方向に、前記シャフトの軸方向に向かって立設する冷却風排出用の複数のファンブレードと、複数の前記ファンブレードの前記ベースプレートに取り付けられている面と反対側の面に、前記シャフトと同軸に固定された環状のシュラウドを備え、
   前記フレームは、回転する前記ファンブレードが通過する位置の外周側に排気口を備えるとともに、前記冷却ファンから見て前記固定子を挟んだ反対側に吸気口を備え、
   前記シュラウドの最内側部は、前記固定子コイルが前記固定子鉄心から軸方向に延出する固定子コイルエンドの最内側部より径方向外側に配置されている回転電機。
2. 前記シュラウドの最内側部は、前記ファンブレードの最内側部よりも径方向外側に配置されている請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ファンブレードの最内側部は、前記固定子コイルエンドの最外側部よりも径方向内側に配置され、
   前記ファンブレードの最内側部は、前記回転子コイルが前記回転子鉄心から軸方向に延出する回転子コイルエンドの最内側部よりも径方向外側に配置さている請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 前記ファンブレードの最内側部は、前記固定子コイルエンドの最内側部よりも径方向内側に存在する請求項３に記載の回転電機。
5. 前記フレームは、前記フレームの内周面と、前記固定子鉄心の外周面との間に冷却風路を形成するように前記固定子鉄心を前記フレーム内に支持する複数の凸部を有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記シュラウドの最内側部は、前記固定子コイルエンドの最外側部よりも径方向内側に存在する請求項５に記載の回転電機。
7. 前記ファンブレードの送風面は、前記ベースプレートの内側から外周側に平面状に伸びている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 前記ファンブレードの送風面は、四角形であることを特徴とする請求項７に記載の回転電機。
9. 前記フレームは、前記シュラウドに沿ってフランジ状に内側に突出する対向壁を備える請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
10. 前記回転子鉄心は、径方向外側に突出する複数個の突極部を備え、
    前記突極部の胴部の、前記シャフトの軸方向両端部にはそれぞれ絶縁物が装着されており、
    前記回転子コイルは、前記絶縁物を介して前記胴部に形成されている請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。
11. 前記絶縁物は、前記回転子コイルとの間に冷却用の隙間を形成する凹部を有する請求項１０に記載の回転電機。
12. 前記回転子鉄心の軸方向両端面から延出して形成される回転子コイルエンドの少なくとも一方には、冷却用の隙間が設けられている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の回転電機。
13. 前記回転子コイル、および、前記固定子コイルのワイヤ間には、ワニスが含侵されている請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の回転電機。

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