JP2017085765A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 作業性を悪化させることなく、固定子鉄心を十分に冷却することを可能とする技術を提供する。【解決手段】 回転電機１の固定子鉄心１１の外周面には、複数の中空固定材１２が固定される。中空固定材１２は、固定子鉄心１１の軸方向に延在する棒状の部材であり、積層された複数の鋼板を固定する固定材として機能する。中空固定材１２には、固定子鉄心１１の軸方向に貫通孔１２１が設けられており、貫通孔１２１は冷却媒体が流れる冷却路として機能する。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機や発電機等の回転電機に関する。

回転電機は、回転子の回転中に固定子や回転子が発熱するため、その冷却を行うことが必要である。回転子の外周部に配列された永久磁石や回転電機内の空気が高温状態となり、永久磁石の不可逆減磁や固定子コイルの焼損が発生する虞があるからである。

そこで、従来技術では、次のようにして回転電機の固定子や回転子の冷却を行っていた。図７は、従来の回転電機２の概略的な構成を示す断面図である。図７に示すように、フレーム３０に設けられた空冷手段（図示略）から送風された冷却風Ｗ１およびＷ２は、支持部材２２に設けられた通風孔（図示略）を軸方向中心部に向かって流れる。そして、冷却風Ｗ１およびＷ２は、ダクト２１１を回転子鉄心２１Ｘの半径方向外側に向かって流れ、回転子２０Ｘを冷却する。その後、冷却風Ｗ１およびＷ２は、ダクト１１１を固定子鉄心１１Ｘの半径方向外側に向かって流れ、固定子鉄心１１Ｘを冷却する。冷却風Ｗ１およびＷ２の一部は、固定子鉄心１１Ｘと回転子鉄心２１Ｘの間に形成された空隙８０を固定子鉄心１１Ｘの軸方向中心部に向かって流れ、固定子鉄心１１Ｘや回転子２０Ｘを冷却する。

しかし、従来技術では、ダクト１１１に回転子２０Ｘから熱を奪った後の暖められた冷却風Ｗ１およびＷ２が流れるため、固定子鉄心１１Ｘを十分に冷却することはできない。また、空隙８０を流れる冷却風Ｗ１およびＷ２の風量は軸方向中心部に行くほど少なくなる。これは、空隙８０の軸方向中心部に行くほど通風抵抗が大きくなり、冷却風Ｗ１およびＷ２が軸方向両端部に近いダクト１１１から抜けやすくなるためである。このため、固定子鉄心１１Ｘを十分に冷却することは困難である。

特開２０１３−６６３４１号公報

上記従来技術の問題点に鑑み、特許文献１は、次のような技術を提案している。特許文献１に記載の固定子鉄心は、複数の円環状の鋼板を軸方向に積層して構成される。各鋼板には軸方向に貫通する貫通孔が設けられ、この貫通孔にはボルトが挿通されている。そして、このボルトの両端にナットが締め付けられ、このボルト両端のナットが各鋼板を押さえ込んで固定している。そして、このボルトには軸方向に貫通孔（中空部）が設けられており、通風路として利用されている。特許文献１に開示の技術では、上述した空隙に加えて、この中空部も通風路として利用する。

この特許文献１に開示の技術により、固定子鉄心を十分に冷却するには、ボルトの本数を増やし、通風路の数を増やす必要がある。しかし、この場合、鋼板に貫通孔を設ける作業や、貫通孔にボルトを挿通させる作業が追加で発生する。これらの作業は、貫通孔の数が多くなる程、高い加工精度が要求されるため、作業工数が増える。このため、作業性の悪化が問題となる。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、固定子鉄心製造の作業性を悪化させることなく、固定子鉄心を十分に冷却することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、固定子鉄心の軸方向に延在し、前記軸方向に貫通孔が設けられた中空固定材が前記固定子鉄心の外周面に固定されていることを特徴とする回転電機を提供する。

本発明によれば、固定子鉄心に固定された複数の中空固定材の貫通孔に冷却媒体を流すことにより、固定子鉄心を冷却することができる。また、各中空固定材を固定子鉄心の外周面に固定するに当たり、ボルトを挿通するための貫通孔を鋼板に空ける作業等、高い精度が要求される作業を行う必要がない。したがって、作業性を悪化させることなく、冷却に十分な本数の中空固定材を固定子鉄心の外周部に固定することが可能であり、固定子鉄心を十分に冷却することができる。

本発明の第１実施形態である回転電機１の概略的な構成を示す断面図である。 同実施形態における固定子１０の軸方向に垂直な面による部分断面図である。 本発明の第２実施形態である回転電機１Ａにおける中空固定材１２Ａの軸方向に平行な面による部分断面図である。 本発明の第３実施形態である回転電機１Ｂが有する固定子１０Ｂの軸方向に垂直な面による部分断面図である。 本発明の第５実施形態である回転電機１Ｄの概略的な構成を示す断面図である。 本発明の第６実施形態である回転電機１Ｅが有する固定子１０Ｅの軸方向に垂直な面による部分断面図である。 従来の回転電機２の概略的な構成を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である回転電機１の概略的な構成を示す断面図である。図１において、図７に示した従来の回転電機２と同一の構成要素には同一の符号が付されている。

図１に示すように、回転電機１は、固定子１０と、回転子２０と、フレーム３０と、シャフト４０と、プレスリング５０＿１および５０＿２と、冷却手段６０＿１および６０＿２とを有する。

シャフト４０は、軸受（図示略）により回転可能に支持されている。シャフト４０の中心軸は、図中に示す回転子２０の回転中心軸ａとなっている。

回転子２０において、支持部材２２は、回転子鉄心２１をシャフト４０に支持する。この支持部材２２は、シャフト４０の軸方向に貫通する通風孔（図示略）を有する。回転子鉄心２１は、円環状の部材で構成され、その外周面と固定子鉄心１１の内周面との間に所定の間隔の空隙８０を挟んだ状態で、固定子鉄心１１に対向して配置される。

図２は固定子１０の軸方向に垂直な面による部分断面図である。固定子１０において、固定子鉄心１１は、複数の分割形状（扇形）の鋼板（以下、「分割片」と呼ぶ）１１ａを積層し、当該積層された分割片を円環状に結合することにより構成される。各分割片１１ａは、分割部１５を繋ぎ目として各々結合される。スロット１３は、固定子鉄心１１の内周面に沿って軸方向に打ち抜かれた溝である。各スロット１３の内部には、固定子コイル１４（図１参照）が収納される。

固定子鉄心１１の外周面には、複数の中空固定材１２が溶接等により周方向に等間隔に固定されている。図中に示す例では、１個の分割片１１ａにつき、２個の中空固定材１２が固定されている。中空固定材１２は、固定子鉄心１１の軸方向に延在する棒状の部材であり、積層された複数の鋼板（分割片）を固定する固定材として機能する。中空固定材１２は、銅等の熱伝導率の高い金属で構成される。本実施形態では、この中空固定材１２を固定子鉄心１１の外周面に固定することにより、積層された複数の鋼板を固定する。図中に示す例では、中空固定材１２の軸方向に垂直な面による断面形状は正方形となっている。

本実施形態における中空固定材１２には、固定子鉄心１１の軸方向に貫通孔１２１が設けられている。図中に示す例では、貫通孔１２１の軸方向に垂直な面による断面形状は正方形となっている。貫通孔１２１は、冷却媒体を流す冷却路として機能する。貫通孔１２１の軸方向両端には、冷却手段６０＿１および６０＿２が接続されている（図１参照）。図１に示す例では、冷却手段６０＿１は貫通孔１２１に冷却媒体（本実施形態では、水）を矢印Ａ方向（空隙８０を流れる冷却風の方向とは逆方向）に供給し、冷却手段６０＿２は貫通孔１２１から流れてきた冷却媒体を排水する。このようにして、冷却手段６０＿１および６０＿２は、冷却水を回転電機１内で循環させる。

フレーム３０は、固定子鉄心１１等を径方向外側から包囲する。フレーム３０の軸方向左端部には、回転電機１内に冷却風を送風する空冷手段（図示略）が設けられており、軸方向右端へ向けて冷却風を送風する。この冷却風は、固定子鉄心１１と回転子鉄心２１の間に形成された空隙８０を矢印Ｂ方向に、支持部材２２が有する通風孔（図示略）を矢印Ｃ方向に流れる。プレスリング５０＿１は、固定子鉄心１１の軸方向両端に配設され、固定子鉄心１１をフレーム３０に固定する。プレスリング５０＿２は、回転子鉄心２１の軸方向両端に配設され、回転子鉄心２１を支持部材２２に固定する。
以上が、回転電機１の構成である。

以上の構成により、冷却風が矢印ＢおよびＣ方向に流れるため、従来の回転電機２と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態では、固定子鉄心１１に固定された複数の中空固定材１２の貫通孔１２１に冷却水が流れるため、固定子鉄心１１を十分に冷却することができる。また、貫通孔１２１を流れる冷却水の方向（矢印Ａ方向）と、空隙８０を流れる冷却風の方向（矢印Ｂ方向）が逆方向となっているため、冷えた冷却媒体が固定子鉄心１１の軸方向両端部に供給されることになる。このため、固定子鉄心１１の軸方向両端部の温度差が緩和される。

また、本実施形態では、冷却媒体として空気よりも比熱が大きな水を使用するため、軸方向各部において、より大きな熱量が固定子鉄心１１から冷却水へ伝達される。したがって、固定子鉄心１１をより一層冷却することができる。

また、本実施形態において各中空固定材１２は溶接等により固定子鉄心１１の外周面に固定される。この作業は、鋼板にボルトを挿通させるための貫通孔を設ける作業等に比べて高い加工精度が要求されず、固定子鉄心の製造の作業性を悪化させない。従って、本実施形態によれば、固定子鉄心の製造の作業性を悪化させることなく、冷却に必要な本数の中空固定材１２を固定子鉄心１１の外周面に固定することが可能である。

以上より、本実施形態によれば、固定子鉄心製造の作業性を悪化させることなく、固定子鉄心１１を十分に冷却することができる。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態である回転電機１Ａにおける中空固定材１２Ａの軸方向に平行な面による部分断面図である。図３に示すように、中空固定材１２Ａにおいて、最も発熱量が大きい部位である固定子鉄心１１の軸方向中心部における側面には開口部１２２が設けられている。この開口部１２２には、冷却水を貫通孔１２１Ａに供給する冷却手段（図示略）が接続される。回転電機１Ａの他の構成は、図１で示した回転電機１と同様である。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態によれば、冷却手段（図示略）からの冷却水は、開口部１２２から貫通孔１２１Ａの軸方向中心部に流れ込んだ後、矢印ＤおよびＥ方向に分岐して軸方向両端部へと流れる。このように、冷却手段から供給された直後の冷えた冷却水が、最も発熱量が大きい固定子鉄心１１の軸方向中心部を最初に流れるため、当該部位を集中的に冷却することが可能となる。したがって、固定子鉄心１１を軸方向各部において均一に冷却することができる。

＜第３実施形態＞
図４は、本発明の第３実施形態である回転電機１Ｂが有する固定子１０Ｂの軸方向に垂直な面による部分断面図である。図４に示すように、固定子鉄心１１の外周面には、複数の中空固定材１２に加えて、複数の中実固定材１６が固定されている。より詳細には、中実固定材１６と中空固定材１２の各々は、周方向に交互に配置されている。中実固定材１６は、内部が中実である中実構造を有するという点においてのみ、中空固定材１２と異なる。中実固定材１６は、冷却路として機能することはないものの、中実構造を有するため中空固定材１２に比べて高い強度を有する。図中に示す例では、中空固定材１２および中実固定材１６が、１個の分割片１１ａにつきそれぞれ１個ずつ固定されている。回転電機１Ｂの他の構成は、図１で示した回転電機１と同様である。

本実施形態によれば、固定子鉄心１１に対する冷却効果および固定子鉄心１１の軽量化に関しては第１実施形態よりも劣るものの、固定子鉄心１１の強度を保持する点に関しては第１実施形態よりも優れた効果が得られる。

＜第４実施形態＞
本発明の第４実施形態である回転電機（図示略）では、冷却手段６０＿１は、隣り合う中空固定材１２の貫通孔１２１（図２参照）を流れる冷却水の向きが逆向きとなるように、各中空固定材１２の貫通孔１２１に冷却水を供給する。以上の構成により、第１実施形態と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態によれば、冷えた冷却水が固定子鉄心１１の軸方向両端部に供給されるため、固定子鉄心１１の軸方向両端部の温度差を緩和することができる。

＜第５実施形態＞
図５は、本発明の第５実施形態である回転電機１Ｄの概略的な構成を示す断面図である。図５に示すように、固定子鉄心１１Ｄには半径方向に貫通するダクト１１１が放射状に設けられている。回転子鉄心２１Ｘには、半径方向に貫通するダクト２１１が放射状に設けられている。回転電機１Ｄの他の構成は、図１で示した回転電機１と同様である。以上の構成により、第１実施形態と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態によれば、ダクト１１１および２１１を冷却風が流れるため、固定子鉄心１１Ｄ等をより一層冷却することができる。

＜第６実施形態＞
図６は、本発明の第６実施形態である回転電機１Ｅが有する固定子１０Ｅの軸方向に垂直な面による部分断面図である。図６に示すように、中空固定材１２の固定子鉄心１１に対向する面と固定子鉄心１１の外周面の間には絶縁材７０が設けられている。絶縁材７０は、軸方向に延在する扁平形状を有する薄い絶縁材（例えば、エポキシ等の熱硬化性樹脂）で構成される。回転電機１Ｅの他の構成は、図１で示した回転電機１と同様である。

本実施形態によれば、次のような効果が得られる。一般に、固定子鉄心には軸方向に流れる循環電流の発生を抑制するために、表面に絶縁処理が施されている。しかし、中空固定材１２を固定子鉄心１１の外周面に固定する際に、固定子鉄心表面の絶縁膜が剥がれる虞がある。この場合、中空固定材１２を介して積層鋼板間が導通し、循環電流が流れる。循環電流が流れると、固定子鉄心の異常発熱を招くことになる。本実施形態では、絶縁材７０により積層鋼板間が電気的に絶縁されるため、導通が発生することはない。したがって、固定子鉄心１１の異常発熱を回避することができる。また、絶縁材７０は薄いため、貫通孔１２１を流れる冷却水と固定子鉄心１１との熱交換が妨げられることはない。したがって、第１実施形態と同様の効果を得つつ、固定子鉄心１１の異常発熱を防止することができる。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の各実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば、以下の通りである。

（１）上記各実施形態では、積層された複数の鋼板（分割片）の外周面に中空固定材１２や中実固定材１６を固定した。しかし、上記各鋼板の固定態様はこれに限定されるものではなく、特許文献１に記載のボルトを使用する固定態様を併せて適用してもよい。

（２）上記各実施形態では、複数の分割片を積層して構成される固定子鉄心を有する回転電機に本願発明を適用したが、複数の円環状の鋼板を積層して構成される固定子鉄心を有する回転電機に本願発明を適用してもよい。この態様においても、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

（３）上記各実施形態では、貫通孔１２１に冷却水を流したが、他の冷却媒体（例えば、空気または水以外の冷却液）を流してもよい。

（４）上記各実施形態において、冷却手段６０＿１および６０＿２を回転電機１（フレーム３０）の外部に設けてもよい。例えば、上記変形例（３）において、冷却媒体を空気とした場合、ポンプ等で回転電機１外部の空気を取り込んで回転電機１内に供給し、回転電機１内で取り込んだ空気を回転電機１外部に排気する、といった処理を冷却手段６０＿１および６０＿２に実行させればよい。

（５）上記各実施形態において、中空固定材１２の形状を適宜変更してもよい。例えば、中空固定材１２の軸方向に垂直な面による断面形状を三角形や長方形等にしてもよい。

（６）上記各実施形態において、分割部１５を跨ぐように、中空固定材１２または中実固定材１６を固定子鉄心１１の外周面に固定してもよい。

（７）上記各実施形態において、固定子鉄心１１に固定する中空固定材１２または中実固定材１６の本数を適宜増減し、固定子鉄心１１に対する冷却効率または固定子鉄心１１の強度や重量を適宜調整してもよい。

（８）上記第４実施形態において、例えば、冷却手段６０＿１は、隣り合う分割片１１ａごとに、中空固定材１２の貫通孔１２１を流れる冷却水の向きが逆向きとなるように、各貫通孔１２１に冷却水を供給してもよい。要は、冷却手段６０＿１は、複数の中空固定材１２の貫通孔１２１に、その複数の貫通孔１２１のうちの少なくとも１つ以上の貫通孔１２１と残りの貫通孔１２１との間で互いに流れの向きが逆方向となる冷却水を供給すればよい。

（９）上記第６実施形態において、絶縁材７０の形状を適宜変更してもよい。例えば、絶縁材７０の小片を中空固定材１２の固定子鉄心１１に対向する面と固定子鉄心１１の外周面の間に局所的に複数設けてもよい。また、絶縁材７０を中実固定材１６の固定子鉄心１１に対向する面と固定子鉄心１１の外周面の間に設けてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｄ，１Ｅ，２…回転電機、１０，１０Ｂ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｘ…固定子、１１，１１Ｄ，１１Ｘ…固定子鉄心、１１ａ…分割片、１１１，２１１…ダクト、１２，１２Ａ…中空固定材、１２１，１２１Ａ…貫通孔、１２２…開口部、１３…スロット、１４…固定子コイル、１５…分割部、１６…中実固定材、２０，２０Ｘ…回転子、２１，２１Ｘ…回転子鉄心、２２…支持部材、３０…フレーム、４０…シャフト、５０＿１，５０＿２…プレスリング、６０＿１，６０＿２…冷却手段、７０…絶縁材、８０…空隙。

Claims (9)

1. 固定子鉄心の軸方向に延在し、前記軸方向に貫通孔が設けられた中空固定材が前記固定子鉄心の外周面に固定されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記貫通孔に冷却媒体を供給する冷却手段を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却媒体は、水であることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記中空固定材の軸方向中心部における側面に前記冷却媒体が供給される開口部が設けられていることを特徴とする請求項２または３に記載の回転電機。
5. 前記冷却手段は、複数の前記中空固定材の貫通孔に、その複数の貫通孔のうちの少なくとも１つ以上の貫通孔と残りの貫通孔との間で互いに流れの向きが逆方向となる冷却媒体を供給することを特徴とする請求項２〜４のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
6. 前記固定子鉄心の外周面に中実固定材がさらに固定され、
   複数の前記中実固定材と複数の前記中空固定材の各々が、周方向に交互に配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
7. 前記固定子鉄心は、積層された複数の鋼板からなり、
   前記複数の鋼板の少なくとも１つに、径方向に放射状に形成されたダクトが設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
8. 前記中空固定材と前記固定子鉄心の間に絶縁材が設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
9. 前記固定子鉄心は、積層された分割片を円環状に結合して構成されることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１の請求項に記載の回転電機。

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