JP2017085829A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで冷却性能を改善して、回転子の軸方向、周方向に生じる温度差を低減し、回転電機の高信頼性化と長寿命化を図る。【解決手段】本発明に係る回転電機は、固定子10と、前記固定子10の内周面に外周面が対抗するよう配置される回転子7と、前記回転子7を構成するコイル2の極間を支持する複数のコイルサポート4とを備えて成る回転電機であって、前記コイルサポート4は、前記回転子7に対して着脱可能に構成され、前記コイルサポート4の少なくとも１つに、前記コイルサポート4とは別の部材で構成されるフィン5が設けられ、前記フィン5は、前記回転子7の回転に伴って発生する旋回流が通る通風路が、前記コイル2と前記フィン5との間に形成されるよう設けられるものとする。【選択図】 図１Ａ

Description

本発明は、回転電機に関し、特に回転電機の冷却構造に関するものである。

一般に同期電動機、発電機などの回転電機は、回転子側に界磁コイルを、固定子側に電機子コイルを持ち、各コイルに電流が流れることによってジュール損失を発生する。ジュール損失による発熱は、コイル温度を上昇させ、絶縁被覆の劣化を招くとともに、絶縁被覆の焼損による短絡等の事故を発生させる可能性がある。このリスクを避けるために、コイルには温度許容値が設定され、冷却構造を考慮して熱設計される。

このような冷却性能の問題を解決する技術として、特許文献１が知られている。特許文献１は、回転子を構成する積層鋼板に冷却フィンを設け、通風路を構成し、コイルを冷却している。

また同様の技術として、特許文献２が知られている。特許文献２は、ギャップからの通風冷却がサポートに阻害されるのを避け、コイルとシャフトの間に通風路を設けて冷却する構造が記載されている。

また同様の技術として、特許文献３が知られている。特許文献３は、サポートに通風溝を設け、ギャップを流れる軸流の一部を通風溝の引きこみ、サポートに接する部分のコイルの冷却を改善する構造が記載されている。

特開2014-180092号公報 特開2007-189849号公報 特開2007-123328号公報

このような特許文献１、特許文献２及び特許文献３に関わる技術は、基本的に軸流による通風冷却に依存しており、軸流の流速や流量が減速する部位では、冷却効果を得難いという問題がある。また回転方向の前方と後方で発生する温度差を解消する手段としては考慮されていない。従って、軸方向と周方向の両方で、温度分布が発生することになる。この結果、軸流の流速が最も遅く、回転方向の後方になるコイル部位で、コイル温度が最も高くなる。一方、軸流の流速が最も速く、回転方向の前方になるコイル部位で、コイル温度が最も低くなる。このような状況では、温度差が大きくなるという問題が懸念される。コイルに温度差が発生すると、高温側が温度許容値内におさまる設計をしなければならないため、低温側から見ると過剰な冷却性能が必要になるという問題が懸念される。この場合、高コスト化や低効率化を招くことになる。また、コイルに温度差が発生すると、場所ごとに熱伸びや熱伸びによる応力が異なり、回転子のバランスが悪くなって、寿命や信頼性の低下を招くという問題も懸念される。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、軸方向の流速、流量による界磁コイルの温度差を解消するとともに、回転方向の前方と後方で発生する温度差を解消し、界磁コイルの温度分布を均一にする手段を、より効率的かつ低コストで実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る回転電機は、固定子１０と、前記固定子１０の内周面に外周面が対抗するよう配置される回転子７と、前記回転子７を構成するコイル２の極間を支持する複数のコイルサポート４とを備えて成る回転電機であって、前記コイルサポート４は、前記回転子７に対して着脱可能に構成され、前記コイルサポート４の少なくとも１つに、前記コイルサポート４とは別の部材で構成されるフィン５が設けられ、前記フィン５は、前記回転子７の回転に伴って発生する旋回流が通る通風路が、前記コイル２と前記フィン５との間に形成されるよう設けられるものとする。

本発明によれば、軸方向の流速に関わらず、軸方向の温度分布及び周方向の温度分布をより均一化できる手段を高効率かつ低コストで実現し、信頼性の高い回転電機を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転電機の概略構成（径方向断面）を表す図である。 本発明の第１実施形態に係る回転電機の概略構成（軸方向断面）を表す図である。 一般的な従来の回転電機の構造（径方向断面）を表す図である。 一般的な従来の回転電機の構造（軸方向断面）及び通風経路を表す図である。 本発明の第２実施形態に係る回転電機の概略構成を表す図である。 本発明の第３実施形態に係る回転電機の概略構成（軸方向断面）を表す図である。 本発明の第３実施形態に係る回転電機の概略構成（径方向断面）を表す図である。 本発明の第３実施形態に係る回転電機の概略構成（径方向断面）を表す図である。 本発明の第３実施形態に係る回転電機の概略構成（径方向断面）を表す図である。 本発明の第４実施形態に係るフィンの概略構成を表す図である。 本発明の第４実施形態に係るフィンの概略構成を表す図（右側面）である。 本発明の第４実施形態に係るフィンの概略構成を表す図（下面）である。 本発明の第５実施形態に係る回転電機の概略構成を表す図である。 本発明の第６実施形態に係る回転電機の概略構成を表す図である。 本発明の第７実施形態に係るフィンの概略構成を表す図である。 本発明の第７実施形態に係るフィンの概略構成を表す図（右側面）である。 本発明の第７実施形態に係るフィンの概略構成を表す図（下面）である。 本発明の第８実施形態に係るコンプレッサーシステムの概略構成を表す図である。

以下、本発明の実施形態に係る回転電機について、図面を参照して説明する。

回転電機のコイル温度上昇を防止するための冷却構造として、回転子端部に軸方向に冷媒を流すファンを設け、回転子と固定子の間のギャップに、通風冷却することが知られている。

回転子に着目すると、回転子はコイルを巻回した複数の界磁極対を構成しており、界磁コイルを支持するため、極間に複数のコイルサポートを断続的に設けている。このコイルサポートは通風を阻害するため、界磁コイルに冷却されにくい部分が発生する。また、構造的に回転方向の前方と後方で冷却性能に差があり、回転方向の後方に位置する界磁コイル導体には風が当たりにくく、冷却しにくい。

まずは、比較例として、図２Ａと図２Ｂを用いて、上記の回転電機の構造について説明する。図２Ｂには矢印で通風経路を示す。

図２Ｂは軸方向の中央で対称な構造を有する回転子７と固定子１０からなる回転電機の軸方向１／２の断面図である。図２Ａは図２Ｂ中に示す一点破線部分の断面図で、周方向に１／４の図を示す。

図２Ｂの矢印に示すように、回転子端部のファン１２によって発生する軸方向の通風は、回転子７及び固定子１０の表面を冷却するとともに、複数のダクト１３を冷媒が通りぬけることによって電機子コイル８及び固定子鉄心９を冷却する。

この時、軸方向の流速はファン１２から遠ざかるほど遅くなり、流量も低下する。特に、図２Ｂに示すように対称な構造でファン１２が軸の両端にある場合、軸方向の中心では、軸方向の流速がほぼ零になり、冷却性能が低下するため、この部分で温度が上昇し、コイル部位の温度差の発生する要因となる。

また、図２Ａに示すように、界磁極頭部１の回転方向に対し、前方に位置する界磁コイル２ａと、回転方向の後方に位置する界磁コイル２ｂでは、冷媒のあたりにくい回転方向後方の界磁コイル２ｂの方が高温となってコイル部位の温度差の発生する要因となる。軸方向の温度分布に加え、周方向（回転方向）の温度分布が発生することで、界磁コイル２に発生する最高温度と最低温度の温度差は大きくなる。

また界磁コイルは、回転子表面からの通風冷却により除熱される。図２Ａに示すように、コイルサポート４と接する部分のコイル２ａ、２ｂは、軸方向の通風冷却を遮られる構造となっているため、軸方向中心で界磁コイルの温度が高くなりやすい。

このように発生する局所的な高温部では、劣化が加速され、絶縁等の信頼性が失われる可能性がある。また、最高温度の部位を温度許容値以下に冷却する必要があるため、全体の流量や流速を増やす等の対策が必要になり、ファンが大きくなる等、コスト増や効率低下を招く可能性がある。

本発明の実施例１を図１Ａ及び図１Ｂに示す。

図１Ｂは、図２Ｂと同じく、軸方向の中央で対称な構造を有する回転子７と固定子１０からなる回転電機の軸方向１／２の断面図であり、図１Ａは図１Ｂ中に示す一点破線部分の断面図である。

図１Ａには、界磁極頭部１、界磁コイル２、軸３、コイルサポート４、ボルト６からなる回転子７と電機子コイル８、固定子コア９からなる固定子１０及び回転子７と固定子１０の間のエアギャップ１１を示す。

前記温度差の発生は、コイルサポート４にフィン５を配置することによって解決できる。フィン５は、回転方向後方のコイル２ｂとの間に通風路を構成する。回転子７の回転によって生じる旋回流は、フィン５にぶつかり、フィン５とコイル２ｂの構成する通風路に導かれ、回転方向後方のコイル２ｂの冷却性能を向上することができる。ここで、コイルサポート４は、前記回転子に対して着脱可能に構成されても良い。また、フィン５は、コイルサポートとは別の部材で構成される。

この時、フィン５とコイル２ｂの構成する通風路はギャップ１１より狭い幅とすることにより、旋回流の流速を増加させ、冷却性能を更に向上することができる。図１Ｂに示すようにコイルサポート４が軸方向に複数配列される場合、軸流の速度が低下し、温度が高くなると推定される位置にあるコイルサポート、例えば図１Ｂの中央側のコイルサポート４ｂだけにフィン５を配置しても、界磁コイル２に発生する温度差を低減する効果がある。

このようにコイルの部位による温度分布を均一化し、最高温度を低減した結果、コイルの冷却に係るコストを低減し、効率を向上させ、回転電機の寿命や信頼性を向上することができる。

本発明の実施例２について、図３を用いて説明する。図３は、図１Ａと同じく、界磁極頭部１、界磁コイル２、軸３、コイルサポート４、及びコイルサポート締結ボルト６からなる回転子７と、電機子コイル８及び固定子コア９からなる固定子１０、また回転子７と固定子１０の間のエアギャップ１１を示す。

フィン５は、回転方向に対して前方のコイル２ａと通風路を形成するフィン５ａと、回転方向に対して後方のコイル２ｂと通風路を形成するフィン５ｂを設ける。フィン５ａとフィン５ｂの形状、寸法は異なる。フィン５ａの径方向端部は、界磁極頭部１の端部の径１４と一致する位置にあり、回転子７の回転によって生じる旋回流は、界磁極頭部１にぶつかり、フィン５aとコイル２aの構成する通風路に導かれる。

一方、フィン５ｂの径方向端部は、固定子１０の内径と回転子７の外径の中央になる径１５と一致する位置にあり、回転子７の回転によって生じる旋回流は、フィン５ｂにぶつかり、フィン５ｂとコイル２ｂの形成する通風路に導かれる。それぞれの通風路の幅や高さを調整し、流速・流量を揃えることで、回転方向前方と後方の冷却性能を揃え、周方向の温度差を低減する効果がある。

ここで、フィン５の径方向端部が界磁極頭部１の端部の径１４よりも小さいと旋回流をフィン５とコイル２で形成する通風路に導く効果が乏しく、フィンの効果が無くなる。また逆に、フィン５の径方向端部が固定子１０の内径と回転子７の外径の中央になる径１５より大きいと軸の変位により固定子に接触する可能性が高まり、破損等の原因となり得る。

従ってフィン５の径方向端部は、界磁極頭部１の端部の径１４以上であり、固定子１０の内径と回転子７の外径の中央になる径１５以下の範囲で構成することでコイル２とフィン５で構成する通風路に旋回流を効果的に導くことができ、コイルの冷却効果を持つ。

またコイルの温度差を低減した結果、コイルの冷却に係るコストを低減し、効率を向上させ、回転電機の寿命や信頼性を向上することができる。本実施例２におけるフィン５は高磁界の中に設置されるため、ＦＲＰ、ＣＦＲＰ、ベークライトなど、非導電性で構成され、渦電流損失を発生しないものであるとする。

本発明の実施例３について図４Ａを用いて説明する。図４Ａは、回転子７と固定子１０からなる回転電機の軸方向断面図を表す。図１Ｂ及び図２Ｂとは異なり、ファン１２は片側だけに設けている。

回転子端部のファン１２によって、軸方向の通風が発生し、回転子７及び固定子１０の表面を冷却するとともに、複数のダクト１３を冷媒が通りぬけることによって固定子鉄心９を冷却する。

従って、軸方向の流速はファン１２から遠ざかるほど遅くなり、流量も低下する。この時、本発明に係るフィン５は、図４Ａに示すようにファン１２に最も近く、軸流の最も速い位置にあるフィン５ｃから中央のフィン５ｄ、更にファン１２から最も遠く軸流の最も遅い位置にあるフィン５eへと、軸方向の高さが順に高くなるように配置する。すなわち、図中に示すｚ１＜ｚ２＜ｚ３となる。またはフィン５の端部の径が順に大きくなるように配置する。すなわち図中に示すｘ１＜ｘ２＜ｘ３となる。

同時に、図４Ｂ、図４Ｃ及び図４Ｄに示すように、コイル２ｂとフィン５との距離は順に狭くなるように配置される。すなわち、図中に示すｄ１＞ｄ２＞ｄ３である。または図中に示すθ１＞θ２＞θ３である。図４Ａから図４Ｄに示すようなフィンの配置によって、軸方向の位置によって軸流の流速が異なることにより発生する温度分布に対し、フィンとコイルで構成する通風路に導く旋回流の流量及び流速を調整することができ、軸方向また周方向に生じる温度差を低減する効果がある。

またこのようにフィンと対面する部分のコイル冷却性能を向上させることで、コイルサポートによって通風冷却を阻害される部分のコイル温度の上昇を低減させる効果も得られ、更に界磁コイルの温度分布を均一化することができる。

さらに、界磁コイル２、コイルサポート４及びフィン５を密着して熱抵抗を小さくし、フィンに冷却フィンとしての効果が得られ、冷却性能を向上することができる。これらの冷却性能向上によりコイルの温度差を低減した結果、コイルの冷却に係るコストを低減し、効率を向上させ、回転電機の寿命や信頼性を向上することができる。

本実施例３におけるフィン５は、銅やアルミ合金または鉄やＳＵＳなど、導電性材料で構成され、熱抵抗を小さくするとともに、構造的な信頼性を確保するため、溶接でコイルサポート４に配置されたものであるとする。

本発明の実施例４について、図５Ａ、図５Ｂ及び図５Ｃを用いて説明する。図５Ａには図１Ａに示した径方向の断面図から見たコイルサポート４、コイルサポート締結ボルト６及びフィン５を示す。図５Ｂは図５Ａの右側面図、図５Ｃは図５Ａの下面図である。

本発明のフィン５はフィン締結ボルト兼フィン高さ調整ネジ１６とナット１７により、コイルサポート４に設けられる。フィン５の一部はコイルサポート４に設けられた溝１８に埋まる構造となり、フィン締結ボルト兼フィン高さ調整ネジ１６のネジの長さの範囲で、フィン高さを調整することが可能となる。

同時に、コイルサポート４に設けられた溝１８の幅の範囲で、フィンの取りつけ角度を調整することができる。このようなフィンの高さまたは角度を変更可能な構造により、当初想定できなかったような温度分布が界磁コイルに生じた場合も、温度が高い部分に設置されたフィンの調整により、所望の旋回流の流量・流速を得て、温度分布を調整できる。

またその結果、回転電機の寿命や信頼性を向上することができる。

本発明の実施例５について、図６を用いて説明する。図６は図１Ｂと同じく、軸方向の中央で対称な構造を有する回転子７と固定子１０からなる回転電機の軸方向１／２の断面図である。

両端にファン１２があるため、軸流がほぼ零になる軸中心近傍のコイルサポート４ｂにフィン５が設けられる。これらの構造及びその効果は実施例１と同様である。ここでは、実施例１の構造に加え、前記フィン５に相対する位置にあるダクト１３の幅Ｓ２をフィン５に相対しない位置にあるダクト１３の幅Ｓ１よりも広くし、Ｓ１＜Ｓ２となるようにダクトの幅を変えた構成とする。

実施例１および実施例２で述べたように、軸流の流速が小さくなり、流量が減る部分で回転子や界磁コイルの温度が上昇するが、同様の原因による温度上昇は固定子側でも発生する。このため、フィン５及びフィン５を設けるコイルサポート４に相対する位置にある固定子１０のダクト１３の幅を広げる本構造により、ダクトから径方向に抜けて行く冷媒の流量を調整し、高温になる軸方向中心部への流量を確保して、温度勾配を低減することができる。またその結果、回転電機の寿命や信頼性を向上することができる。

またこのように、回転子側のフィンと固定子側のダクトの幅を組み合わせた構成により、冷却性能を向上し、フィン数を最小限にでき、部品点数を増やすことなく実施例１の効果を助長できる。

本発明の実施例６について、図７を用いて説明する。図７は図４Ａと同じく、片側にファン１２を有する回転子７と固定子１０からなる回転電機の断面図である。コイルサポート４ａ、４ｂ及び４ｃにそれぞれ設けられたフィン５ｃ、５ｄ及び５ｅは実施例３で述べたものと同じ特徴と効果を有する。

なおかつここでは、これらのコイルサポート４ａとフィン５ｃに相対する位置にあるダクト１３の幅をＳ１、また４ｂと５ｄに相対するダクトの幅をＳ２、及び４ｃと５ｅと各々相対する位置にあるダクトの幅をＳ３とする時、これらのダクト幅の関係がＳ１＜Ｓ２＜Ｓ３となるよう構成する。Ｓ１、Ｓ２及びＳ３は３箇所のコイルサポート及び各コイルサポートに設けたフィンを代表する寸法であるが、ファンに最も近いダクトから、ファンから最も遠いダクトまで、ダクト幅を漸増させた構造も本実施例に含む。

本構造により、ダクトから径方向に抜けて行く冷媒の流量を調整し、高温になる軸方向中心部への流量を確保して、温度勾配を低減することができる。またその結果、回転電機の寿命や信頼性を向上することができる。またこのように、フィンとダクトの幅を組み合わせた構成により、冷却性能を向上し、フィン数を最小限にでき、部品点数を増やすことなく実施例１の効果を助長できる。

本発明の実施例７について、図８Ａ、図８Ｂ及び図８Ｃを用いて説明する。図８Ａには図１Ａに示した径方向の断面図から見たコイルサポート４、コイルサポート締結ボルト６を示す。本実施例のフィン５は図１Ａ及び図５Ａに示したフィン５とはコイルサポート４への設置方法が異なる。

本実施例のフィン５はゴム形成したことを特徴とし、破損しても他の構造物がダメージを受けにくい。また、ステータ挿入時にフィンが界磁極頭部より突出しているため、コンタクトが容易であり、コンタクトしても傷がつく等の問題がなく、生産性が向上する。ゴム形成になるフィン５は、ボルト６を挿入可能な穴を開けて形成し、図９Ａに示すように、コイルサポート４と当て板（金属板）２０の間に挟むことで固定する。

この場合、フィン５をコイルサポートの溝に挿入することは困難となるので、図８Ａ及び図８Ｂに示すようにコイルサポート４の一部を切り欠いて配置する。

本発明の実施例８について、図９を用いて説明する。図９は、電源２１から本発明に係る構造を有する電動機２３を配線２２で通電し、電動機２３から軸２４を介してコンプレッサー２５を駆動するコンプレッサーシステムを示す。本発明に係る電動機２３を用いたコンプレッサーシステムを構築することにより、システム全体を安定に稼働させ、高信頼化、長寿命化することができる。

１…界磁極頭部（ポールシュー）、２…界磁コイル、２ａ…回転方向に対して前方、２ｂ…回転方向に対して後方、３…軸、４…コイルサポート、４ａ…軸方向端部（上流）側、４ｂ…軸方向中心側、４ｃ…軸方向端部（下流）側、５…フィン、５ａ…回転方向に対して前方、５ｂ…回転方向に対して後方、５ｃ…軸方向端部（上流）側、５ｄ…軸方向中心側、５ｅ…軸方向端部（下流）側、６…コイルサポート締結ボルト、７…回転子、８…電機子コイル、９…固定子鉄心、１０…固定子、１１…ギャップ、１２…ファン、１３…ダクト、１４…界磁極頭部の端部の最小径、１５…固定子内周と回転子外周の中央の径、１６…フィン締結ボルト兼フィン高さ調整ネジ、１７…ナット、１８…コイルサポートの溝、１９…フレーム、２０…当て板、２１…電源、２２…配線、２３…本発明に係る電動機、２４…軸、２５…コンプレッサー

Claims (8)

1. 固定子と、前記固定子の内周面に外周面が対向するよう配置される回転子と、前記回転子を構成するコイルの極間を支持する複数のコイルサポートとを備えて成る回転電機であって、前記コイルサポートの少なくとも１つに、フィンが設けられ、前記フィンは、前記回転子の回転に伴って発生する旋回流が通る通風路が、前記コイルと前記フィンとの間に形成されるように設けられる回転電機。
2. 請求項１において、
   前記フィンの端部の径は、前記回転子の界磁極頭部の端部の径以上であり、かつ前記固定子の内周面の径と前記回転子の外周面の径の中央の径以下となる回転電機。
3. 請求項１において、
   前記フィンと前記コイル間の距離および前記フィンの軸方向長さは、前記コイルサポートの軸方向の位置によって、また通風路を形成する前記コイルの部位が回転方向の前方にある場合と後方にある場合とで異なる回転電機。
4. 請求項１において、
   前記フィンは、幅、高さ、および角度の少なくともいずれか１つが可変となる回転電機。
5. 前記請求項１、２及び４において、前記フィン及び前記フィンを設けたコイルサポートに相対する位置にある前記固定子の軸方向に複数個設けたダクトスペースの幅が、前記フィンに相対しない位置にあるダクトスペースの幅よりも大きくなる回転電機。
6. 前記請求項１、２及び４において、前記フィンの幅または高さが最大である、または前記フィンと前記コイルで形成する通風路の幅の最も狭い、前記フィン及び前記フィンを設けたコイルサポートに相対する位置にある、前記固定子の軸方向に複数個設けたダクトスペースの幅が、最大となる回転電機。
7. 前記請求項１、２、３、４及び５において、前記フィンをゴム形成とする回転電機。
8. 請求項１〜７において、前記電動機をコンプレッサー用駆動機として使用するコンプレッサーシステム。

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