JP2016052221A

JP2016052221A - ブラシレス回転電機

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Publication number: JP2016052221A
Application number: JP2014177528A
Authority: JP
Inventors: 直輝岡島; Naoki Okajima
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2016-04-11
Anticipated expiration: 2034-09-01
Also published as: CN105391262A; JP6054348B2; CN105391262B

Abstract

【課題】ブラシレス回転電機において、回転整流器の冷却性能を確保する。【解決手段】ブラシレス回転電機は、回転電機の主ロータシャフトと主回転子鉄心とを有する主回転子と、主固定子鉄心と主固定子コイルとを有する主固定子と、励磁装置ロータシャフト１１ａと、回転整流器１１０と励磁機回転子と励磁機固定子とを有する励磁機とを具備する励磁装置と、フレームと、冷却器と、冷却器カバーと、励磁装置カバーと、内扇ファンとを有する。回転整流器１１０には、励磁装置カバー内の循環気体を撹拌する撹拌翼１１８が設けられている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転整流器を有するブラシレス回転電機に関する。

同期回転電機においては、通常、固定子側に電機子巻線を設け回転子側に界磁巻線を設けている。回転子に設けられた界磁巻線への直流電力は、通常、静止側に設けられた整流器からブラシを介して供給される。このブラシはメンテナンスおよび交換が必要であることから、ブラシを不要とするために、回転子とともに回転する回転整流器を設けることによってブラシレス化を図る方式が知られている。

実開昭６３−１５６５５９号公報実開昭６３−２１４７２号公報

整流器の発熱に対する外部からの冷却効果が大きい場合は、整流器をコンパクト化できることから、たとえば、整流器の近傍にロータシャフトに取り付けた冷却ファンを設ける方法が知られている（特許文献１）。この場合、ロータシャフトの軸方向に冷却ファンを取り付けるスペースが必要となる。

あるいは、整流器の保持リングを軸方向に挟んで、整流器と冷却ファンを相対するように設ける方法が知られている（特許文献２）。この場合、２つの整流器が互いに相対するような構成をとれないため、整流器の設置台数への影響がある。

そこで、本発明は、回転整流器を有するブラシレス回転電機において、回転整流器について配置への影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るブラシレス回転電機は、主軸のまわりに回転可能に軸支され主軸方向に延びた主ロータシャフトと、その主ロータシャフトの径方向外側に固定されて主軸方向に延びた主回転子鉄心とを有する主回転子と、前記主回転子鉄心の径方向外側に配されて、主軸方向に延びる主固定子鉄心と、その主固定子鉄心に巻回された主固定子コイルとを有する主固定子と、前記主ロータシャフトの主軸方向端部に結合され主軸方向に延びた励磁装置ロータシャフトと、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する回転整流器と、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する励磁機回転子および前記励磁機回転子に対向するように前記励磁機回転子の径方向外側に配されて固定支持される励磁機固定子を有する励磁機とを具備する励磁装置と、前記主回転子鉄心および前記主固定子を収納するフレームと、前記フレーム内の前記主固定子および前記主回転子鉄心を冷却する循環気体を管外被冷却側流体とし外部からの外部空気を管内冷却側流体として熱交換する冷却管を有する冷却器と、前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに密閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するための冷却器入口開口と、前記フレーム内に流出するための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記励磁装置を内包し、前記冷却器カバーおよび前記フレームと連通する励磁装置カバーと、前記主ロータシャフトに取り付けられて前記循環流体を前記密閉空間内で循環させる内扇ファンと、を備え、前記回転整流器には、前記励磁装置カバー内の前記循環気体を撹拌する撹拌翼が設けられている、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転整流器を有するブラシレス回転電機において、回転整流器について配置への影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することができる。

本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の横断面図である。本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の励磁装置の回路図である。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視の左半部の縦断面図である。図３のＩＶ−ＩＶ線矢視縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

図１は、本実施形態に係る回転電機の横断面図である。ブラシレス回転電機２００は、主回転子１０、主固定子２０、連結側軸受４１、励磁機側軸受４２、冷却器６１を有する。主回転子１０は、主ロータシャフト１１と、主ロータシャフト１１の径方向に設けられた主回転子鉄心１２を有する。主ロータシャフト１１は、軸方向に水平に延びて、連結側軸受４１および励磁機側軸受４２によってそれぞれ回転可能に軸支されている。

主回転子鉄心１２は、強磁性体製で中央に開口を有する円筒状の一体構造である。なお、円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造であってもよい。主回転子鉄心１２には図示しない界磁コイルが設けられている。主ロータシャフト１１には内扇ファン１５ａ、１５ｂが取り付けられている。

主固定子２０は、主回転子１０の径方向外側に設けられて、軸方向に延びた円筒状である。主固定子２０は、主固定子鉄心２１と主固定子コイル２２を有する。主固定子鉄心２１は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造である。主回転子鉄心１２の径方向外側に対向する主固定子鉄心２１の内側には周方向に互いに間隔をおいて軸方向に延びた図示しないスロットが形成されている。それぞれのスロット内および主固定子鉄心２１の軸方向の両外側には主固定子コイル２２が設けられている。

連結側軸受４１は連結側軸受ブラケット５２に固定支持されており、励磁機側軸受４２は励磁機側軸受ブラケット５３に固定支持されている。

主回転子鉄心１２および主固定子２０は、フレーム５１、連結側軸受ブラケット５２および励磁機側軸受ブラケット５３により形成された空間内に収納されている。また、フレーム５１の上部には、冷却器カバー６２が設けられている。冷却器カバー６２は、冷却器６１を収納している。

フレーム５１と冷却器カバー６２とは、冷却器入口開口５１ａ、冷却器出口開口５１ｂ、５１ｃによって連通している。フレーム５１内には円形の開口が形成された仕切り板５１ｄ、５１ｆが設けられている。仕切り板５１ｄは主固定子鉄心２１の連結側軸受４１方向の外側に設けられている。仕切り板５１ｆは主固定子鉄心２１の励磁機側軸受４２方向の外側に設けられている。

主ロータシャフト１１の励磁機側軸受４２によって支持されている部分の延長部分には、励磁装置ロータシャフト１１ａが接続されている。なお、本実施形態では励磁装置ロータシャフト１１ａが主ロータシャフト１１と別の物である場合を示しているが、主ロータシャフト１１と励磁装置ロータシャフト１１ａとが一体で、主ロータシャフト１１の延長部分が励磁装置ロータシャフト１１ａを形成することでもよい。

励磁装置１００は、励磁機１２０および回転整流器１１０を有する。励磁機１２０は、励磁機回転子コイル１２１ａ（図２）を有する励磁機回転子１２１、および励磁機固定子１２２を有する。回転整流器１１０は、励磁装置ロータシャフト１１ａに取り付けられ、励磁装置ロータシャフト１１ａとともに主軸周りに回転する。

励磁機固定子１２２は、励磁機回転子１２１の半径方向外側に励磁機回転子１２１に対向するように設けられ、環状であり、外部より静止固定支持されている。励磁機固定子１２２には図示しない電源から直流電力が供給される。なお、励磁機固定子１２２は、コイルによる電磁石には限定されない。たとえば、ブラシレス回転電機２００の界磁電流すなわち主回転子１０のコイルに流れる電流の制御が不要な場合は、永久磁石の場合であってもよい。

図２は、励磁装置１００の回路図である。励磁機固定子１２２による直流の界磁の内側で、励磁機回転子１２１が主軸周りに回転すると、励磁機回転子１２１の励磁機回転子コイル１２１ａに交流の誘導起電力が発生する。励磁機回転子コイル１２１ａに発生する交流電力は、回転整流器１１０によって直流電力に変換され、同じく主回転軸周りを回転する主回転子鉄心１２に設けられた界磁コイル（図示せず）に供給される。この界磁によって、主固定子コイル２２すなわち電機子巻線に誘導起電力が発生する。

図１に示すように、励磁機１２０は、励磁装置カバー６３内に収納されている。励磁装置カバー６３と冷却器カバー６２間には、励磁装置カバー６３と冷却器カバー６２を連通する励磁装置入口ダクト６４が設けられている。また、励磁装置カバー６３と励磁機側軸受ブラケット５３間には、励磁装置カバー６３と励磁機側軸受ブラケット５３を連通する励磁装置出口ダクト６５が設けられている。

フレーム５１、冷却器カバー６２、および励磁装置カバー６３は、密閉空間７０を形成する。密閉空間７０は、フレーム中央部７１、冷却器カバー部７２、ファン入口部７３、７４、励磁装置カバー部７５を有する。フレーム中央部７１は、仕切り板５１ｄおよび仕切り板５１ｆに挟まれた主回転子鉄心１２および主固定子２０が設けられている領域である。ファン入口部７３は、内扇ファン１５ａおよび仕切り板５１ｄと連結側軸受４１間の部分である。フレーム入口部７４は、励磁機側軸受４２と内扇ファン１５ｂおよび仕切り板５１ｆ間の部分である。

図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視の左半部の縦断面図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線矢視縦断面図である。励磁装置ロータシャフト１１ａには、保持リングともよばれる支持部材１１５が取り付けられている。支持部材１１５は、中央に貫通孔が形成され主軸に垂直な方向に広がり円板状である。支持部材１１５には、周方向に互いに間隔をあけて支持部材開口１１５ａが形成されている。

支持部材１１５には、複数の回転整流器１１０が、周方向に互いに間隔をあけて、設けられている。それぞれの回転整流器１１０は、整流素子部１１１、放熱部１１２、連結部１１３、および締結部１１４を有する。それぞれ、２つの回転整流器１１０が、支持部材１１５を挟んで主軸方向に配されている。放熱部１１２は、回転整流器１１０において最も径方向外側に配され、支持部材１１５を主軸方向に貫通している。それぞれ２つの回転整流器１１０は、同一の放熱部１１２を共有し、整流素子部１１１は支持部材１１５のそれぞれの側で放熱部１１２に接続されている。

放熱部１１２の径方向内側の支持部材開口１１５ａに対向する位置には整流素子部１１１が配されている。整流素子部１１１で生じた熱は、放熱部１１２に伝わり放熱部１１２の表面から冷却用気体に伝達され放散される。回転整流器１１０において最も径方向内側に締結部１１４が配され、締結部１１４と整流素子部１１１間を連結部１１３が連結している。

放熱部１１２は、平面部分を有する。それぞれの放熱部１１２の平面部分には、撹拌翼１１８が取り付けられている。撹拌翼１１８は、径方向に対して傾きを以て取り付けられている。傾きの方向は、支持部材１１５の回転方向に対して、先端に行くほど位相が遅れるような関係である。

以上のように構成された本実施形態においては、ブラシレス回転電機２００が運転中は、主ロータシャフト１１が回転する。この結果、内扇ファン１５ａ、１５ｂが回転し、密閉空間７０内の冷却用気体を駆動する。冷却用気体は、密閉空間７０内の各部分を循環する。すなわち、フレーム中央部７１から冷却器入口開口５１ａを経て冷却器カバー部７２に流入する。冷却器カバー部７２内の冷却器６１において冷却された後、一部は、冷却器出口開口５１ｂを経由してファン入口部７３に流入し、さらにフレーム中央部７１に流入する。また残りは、冷却器出口開口５１ｃを経由してファン入口部７４に流入し、さらにフレーム中央部７１に流入する。

また、冷却器カバー部７２からファン入口部７４への流路に並行して、励磁装置カバー部７５を経由する流路が存在する。すなわち、冷却器カバー部７２内の冷却器６１において冷却された後、励磁装置入口ダクト６４を通過して励磁装置カバー部７５に流入し、さらに、励磁装置出口ダクト６５を経由して、ファン入口部７４に流入する。

励磁装置カバー部７５の冷却用気体は、励磁装置１００を冷却する。励磁装置カバー部７５への励磁装置入口ダクト６４の出口すなわち励磁装置入口開口６４ａが設けられている位置と、励磁装置カバー部７５から励磁装置出口ダクト６５の入口すなわち励磁装置出口開口６５ａが設けられている位置とは、図１では、比較的近接した状態で示されている。できれば、励磁装置入口開口６４ａと励磁装置出口開口６５ａとは互いに励磁装置１００を挟んで、たとえば反対側にあることが望ましい。すなわち、励磁装置カバー部７５に流入した冷却用気体は全量が励磁装置１００の冷却に寄与することが望ましい。

しかしながら、配置上の制限等により、励磁装置入口開口６４ａが設けられている位置と励磁装置出口開口６５ａが設けられている位置とが、必ずしも互いに反対側にあるとは限らない。また、反対側にあっても、通常は、必ずしも励磁器カバー部７５を通過する冷却用気体の全量が、励磁装置カバー部７５内の励磁装置１００の冷却に寄与するわけでもない。

一方、本実施形態においては、回転整流器１１０の放熱部１１２に撹拌翼１１８が設けられていることから、励磁装置カバー部７５内の冷却用気体は、撹拌される。この結果、励磁装置カバー部７５内の冷却用気体の温度が均一化され、回転整流器１１０など部分的に高温となる部分の温度が低下する。

また、撹拌翼１１８の取り付け角度と回転方向との関係から、冷却用気体は、励磁装置ロータシャフト１１ａからみて径方向外側に駆動されるため、回転整流器１１０まわりでは径方向の流れが生ずる。すなわち、励磁装置１００の周囲の冷却用気体の流速が大きくなり、励磁装置１００における放熱部１１２その他の外表面での熱伝達率が上昇する。この結果、励磁装置１００の冷却効果が促進される。

以上のように、本実施形態においては、回転整流器１１０を有するブラシレス回転電機２００において、回転整流器１１０について配置への影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。たとえば、実施形態では、撹拌翼１１８は、回転方向との関係から、冷却用気体が径方向外側に駆動されるような取り付け角度とする場合を示したが、これに限定されない。逆に径方向内側でもよい。あるいは、駆動方向に主軸方向の成分があるような撹拌翼１１８でも、励磁装置カバー部７５内撹拌効果が得られる。

さらには、励磁装置カバー部７５内の冷却用気体の通過をさらに駆動するように撹拌翼１１８の方向と形状を決めてもよい。すなわち、図１において回転整流器１１０が径方向に冷却用気体を駆動することにより、冷却用気体を励磁装置出口開口６５ａに押し込むことによって、励磁装置出口開口６５ａからの冷却用気体の流出を加速する効果がある。この効果を最大限高めるように撹拌翼１１８の方向と形状を決めることが望ましい。

さらに、これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…主回転子、１１…主ロータシャフト、１１ａ…励磁装置ロータシャフト、１２…主回転子鉄心、１５ａ、１５ｂ…内扇ファン、２０…主固定子、２１…主固定子鉄心、２２…主固定子コイル、４１…連結側軸受、４２…励磁機側軸受、５１…フレーム、５１ａ…冷却器入口開口、５１ｂ、５１ｃ…冷却器出口開口、５１ｄ、５１ｆ…仕切り板、５２…連結側軸受ブラケット、５３…励磁機側軸受ブラケット、６１…冷却器、６２…冷却器カバー、６３…励磁装置カバー、６４…励磁装置入口ダクト、６４ａ…励磁装置入口開口、６５…励磁装置出口ダクト、６５ａ…励磁装置出口開口、７０…密閉空間、７１…フレーム中央部、７２…冷却器カバー部、７３、７４…ファン入口部、７５…励磁装置カバー部、１００…励磁装置、１１０…回転整流器、１１１…整流素子部、１１２…放熱部、１１３…連結部、１１４…締結部、１１５…支持部材、１１５ａ…支持部材開口、１１８…撹拌翼、１２０…励磁機、１２１…励磁機回転子、１２１ａ…励磁機回転子コイル、１２２…励磁機固定子、２００…ブラシレス回転電機

Claims

主軸のまわりに回転可能に軸支され主軸方向に延びた主ロータシャフトと、その主ロータシャフトの径方向外側に固定されて主軸方向に延びた主回転子鉄心とを有する主回転子と、
前記主回転子鉄心の径方向外側に配されて、主軸方向に延びる主固定子鉄心と、その主固定子鉄心に巻回された主固定子コイルとを有する主固定子と、
前記主ロータシャフトの主軸方向端部に結合され主軸方向に延びた励磁装置ロータシャフトと、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する回転整流器と、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する励磁機回転子および前記励磁機回転子に対向するように前記励磁機回転子の径方向外側に配されて固定支持される励磁機固定子を有する励磁機とを具備する励磁装置と、
前記主回転子鉄心および前記主固定子を収納するフレームと、
前記フレーム内の前記主固定子および前記主回転子鉄心を冷却する循環気体を管外被冷却側流体とし外部からの外部空気を管内冷却側流体として熱交換する冷却管を有する冷却器と、
前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに密閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するための冷却器入口開口と、前記フレーム内に流出するための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、
前記励磁装置を内包し、前記冷却器カバーおよび前記フレームと連通する励磁装置カバーと、
前記主ロータシャフトに取り付けられて前記循環流体を前記密閉空間内で循環させる内扇ファンと、
を備え、
前記回転整流器には、前記励磁装置カバー内の前記循環気体を撹拌する撹拌翼が設けられている、
ことを特徴とするブラシレス回転電機。
前記励磁装置ロータシャフトに取り付けられて径方向に広がる円板状の支持部材をさらに有し、
前記回転整流器は複数であり、前記支持部材に取り付けられて、互いに周方向に間隔をもって配されており、それぞれの前記回転整流器は、整流素子部と、ほぼ直方体形状であって前記主軸に垂直な方向に放熱面が形成された放熱部とを有し、
前記撹拌翼は前記放熱面に取り付けられている、
ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス回転電機。