JP2017085830A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
回転電機において、外設する装置を不要とし、かつ、コイルエンドの冷却性能の向上する。
【解決手段】
回転電機に、固定子巻線を有する固定子と、前記固定子と間隔を設けて配置される回転子と、前記回転子に接続される回転軸と、前記固定子及び前記回転子を収容し、内部に液体を充填するフレームと、前記フレーム内部の液体を前記フレーム内の上方へ移動させる輸送機構と、前記固定子巻線の径方向外周と対抗する位置に設けた前記フレーム内周面から突出した突出構造と、を有するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は回転電機に関する

回転電機では、省メンテナンス性及び粉塵等の機内進入を防止するため、回転電機の全閉化が要求される。さらに、鉄道、自動車等の回転電機は燃費向上のため小型化、軽量化が要求される。そのため、放熱性能が低く、回転電機を冷却する必要がある。

回転電機を冷却する技術として、特許文献１には、回転電機本体を収納したフレーム内に液体冷媒を入れ、回転子と一体となって回転する複数のフィンを用いて液体冷媒を跳ね上げ、液体冷媒をコイルエンド内周側から接触させて、回転電機のコイルエンドを冷却することが記載されている。また、特許文献２には、回転電機の外部に冷却装置を設けて、液体冷媒をコイルエンドの外周面から接触させて、回転電機のコイルエンドを冷却することが記載されている。

特開２０１２−１９１７１８号広報 特開２０１４−２３０４０１号広報

回転電機の小型化が求められる場合に、コイルエンドのサイズ縮小や巻線の占積率を向上させると、コイルエンドの巻線間に隙間がないことが考えられる。

特許文献１では、コイルエンドの巻線間に隙間がない場合、跳ね上げられた液体冷媒はコイルエンドを通過することができず、コイルエンドの内周面にのみ接触する。この場合、コイルエンドの外周面は十分な冷却効果を得ることができない。

特許文献２には、ハウジング外に設置された冷却装置を用いて、液体冷媒によりコイルエンドの外周面を冷却する構造が記載されている。回転電機本体を収納したハウジング内に液体冷媒を入れ、モータのハウジング外に設置された冷却装置で汲み上げた液体冷媒を、ノズルを介してコイルエンド外周面に供給する。しかし、液体冷媒を循環させるためのポンプや、液体冷媒を冷却するための冷却器が回転電機とは別に必要であり、部品点数が増加するために回転電機を含むシステム全体の体格が増加するという問題がある。

本発明の目的は、上記事情に鑑みてなされたものであり、回転電機において、外設する装置を不要とし、コイルエンドの冷却性能の向上を図ることである。

本発明の一例によれば、回転電機は、固定子巻線を有する固定子と、前記固定子と間隔を設けて配置される回転子と、前記回転子に接続される回転軸と、前記固定子及び前記回転子を収容し、内部に液体を充填するフレームと、前記フレーム内部の液体を前記フレーム内の上方へ移動させる輸送機構と、前記固定子巻線の径方向外周と対抗する位置に設けた前記フレーム内周面から突出した突出構造と、を有するよう構成する。

本発明によれば、液体冷媒をフレーム内に収納した回転電機において、外設する装置を不要とし、コイルエンドの冷却性能を向上した回転電機を提供することができる。

本発明の回転電機の第１の実施の形態を示す側断面図 本発明の回転電機の第２の実施の形態を示す断面図及び側断面図 本発明の回転電機の第３の実施の形態を示す断面図 本発明の回転電機の第４の実施の形態を示す断面図 本発明の回転電機の第５の実施の形態を示す側断面図 本発明の回転電機の第６の実施の形態を示す側断面図 本発明の回転電機の第７の実施の形態を示す側断面図 本発明の回転電機の第８の実施の形態を示す図 本発明の回転電機の第９の実施の形態を示す断面図 本発明の回転電機の第１１の実施の形態を示す側断面図 本発明の回転電機の第１２の実施の形態を示す鳥瞰図

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図１は本発明の回転電機の第１の実施の形態を示す側断面図である。回転電機１にはフレーム５１が設けられており、フレーム５１は円筒部材５２と、円筒部材５２の両端部に接続されたブラケット５３ａと５３ｂから構成されている。フレーム５１の内部には回転子３１と固定子１１と共に液体７１が収納されている。

回転子３１は固定子１１の内周側に固定子１１に囲繞されるように配置されていて、回転軸３２に固定されている。回転軸３２は軸受５４を介してフレーム５１と接続されていて、回転軸３２の周方向の回転の自由度をもっている。軸受５４としては、例えば転がり軸受、すべり軸受、磁気軸受、流体軸受などが望ましいが、回転機構を有していればこの限りではない。

固定子１１は回転軸３２の軸長方向に突出したコイルエンド１２を有し、フレーム５１の内周面に少なくともその一部を接するように、例えばフレーム５１の焼き嵌め等により固定されている。なお固定子１１とフレーム５１の固定方法は焼き嵌めに限らず、ボルトや接着剤等により固定しても差し支えない。

回転電機１はフレーム５１内に液体７１を有している。液体７１としては、発火点、引火点および沸点が高く、かつ粘性が低く、加水分解しにくい液体が望ましい。また、液体冷媒７１は、回転子３１と固定子１１の少なくとも一部を浸漬させるようにフレーム５１内に溜められていることが望ましい。フレーム５１は、液体７１が漏れ出さないように、フレーム５１の内外を連通させるための部分を有しない、いわゆる全閉構造にする。

回転電機１はフレーム５１内に液体７１を下方から上方へと移動させる輸送機構８１、例えば、回転子３１の一部を突出させた掻揚げ部材３３を有している。特に、回転電機１が誘導電動機であれば回転子のバーのエンド部やエンドリングを掻揚げ部材３３として使用することができる。ただし、輸送機構８１は回転子３１の一部である必要はなく、例えば、回転軸３２に接続された別部材でもよいし、フレーム５１内部で独立に駆動するポンプでもよい。

さらに、フレーム５１には図１の上内側には、円筒部材５２と一体に形成された突出構造１０１が少なくとも１つ以上設けられおり、突出構造１０１の先端がコイルエンド１２に面するように配置されている。具体的には、突出構造１０１は、突出構造１０１の内周側から対面するコイルエンド１２までの径方向の距離が、軸長方向を固定子１１に向かう向きに小さくなるような傾斜を有し、この傾斜の先端とブラケット５３（突出構造１０１が図１の左側であればブラケット５３ａ、突出構造１０１が図１の右側であればブラケット５３ｂ）の内壁と軸長方向の距離が、コイルエンド１２の軸長方向の先端からブラケット５３（コイルエンド１２が図１の左側であればブラケット５３ａ、コイルエンド１２が図１の右側であればブラケット５３ｂ）の内壁との距離よりも長い構造を有している。突出構造１０１の部材としては撥水性を示さず、熱伝導率の高い部材を使用することで高い冷却性能が得られるが、その限りではない。また、突出構造１０１は図１の左側と右側の両方に設置されていることが望ましいが、どちらか一方にしかない場合でも本発明の効果は得られる。

なお、水平面（図示せず）に対して回転電機１は横置きにすることが望ましいが、少なくとも一部の突出構造１０１の先端の鉛直下側にコイルエンド１２の少なくとも一部が位置していれば本発明の効果は得られるため、必ずしも回転電機１は横置きでなくてもよい。

次に本実施の形態の作用について説明する。

図１において、例えば回転電機１が運転稼動している状態では、コイルエンド１２において外部電源から供給される電流が流れる部分にジュール熱が発生し、これによりコイルエンド１２の温度が上昇する。

これと同時に、回転子３１が回転している場合は、輸送機構８１が回転電機１機内下方に溜まった液体７１を上方へと輸送する。上方へと輸送された液体７１の一部はコイルエンド１２の内周面へ、一部はブラケット５３の内壁へ、残りの一部は円筒部材５２の内壁へと供給される。

コイルエンド１２の内周面へ供給された液体７１は、コイルエンドから熱を吸収した後、自然落下して回転電機１機内下方へ再び貯留される。その際、液体７１は吸熱した分だけ温度上昇をしているが、吸収した熱は周囲の液体７１およびフレーム５１を経由して回転電機１の外部に放出され、その結果、液体７１によりコイルエンドを冷却することができる。

ブラケット５３の内壁へ供給された液体７１は、ブラケット５３へ熱を放出しながら、自然落下して回転電機１機内下方へ再び貯留される。ブラケット５３の内壁へ供給された液体７１は、回転電機１機内下方で貯留されている液体７１よりも低温になっているため、回転電機１機内下方で貯留されている液体７１を冷却する。

円筒部材５２の内壁へと供給された液体７１のうち、一部は円筒部材５２の内壁面を伝わって自然落下し、一部はブラケット５３の内壁面を伝わって自然落下し、残りの一部は突出構造１０１へと供給される。円筒部材５２の内壁面を伝わって落下する液体７１は、前述のブラケット５３の内壁面を伝わって落下する液体７１と同様にして、円筒部材５２に放熱しながら自然落下するため、回転電気１機内下方で貯留されている液体７１を冷却する。

突出構造１０１へ供給された液体７１は、突出構造１０１と円筒部材５２を介して熱を回転電機１外部へと放出し冷却される。突出構造１０１へ供給された液体７１は、突出構造１０１と液体７１と回転電機１機内の気体（図示せず）との界面に働く表面張力と鉛直下方に働く重力とを受けていて、突出構造１０１を伝わりながら落下する。突出構造１０１は前記の通り、その先端に向かう傾斜を有しており、突出構造１０１へ供給された液体７１は突出構造１０１の先端へと集められる。

突出構造１０１へと集められた液体７１は互いに凝集し、その重力が鉛直上向きの表面張力を上回った時点で突出構造１０１を離れて自然落下する。前述の通り、突出構造１０１の先端はコイルエンド１２上に位置しているため、自然落下した液体７１はコイルエンド１２の外周面へと供給される。したがって、コイルエンド１２の外周面における放熱は、周囲の空間へと放熱するだけでなく、供給された液体７１へと放熱をする。供給された液体７１は、重力を受けてコイルエンド１２の外周面で強制対流を形成している。一般に液体の強制対流による熱伝達率は、気体の自然対流と比較して高いため、液体７１が供給されることで周囲の空間へと放熱するよりも高い放熱効果を得ることができる。さらに前述したように、コイルエンド１２の外周面に供給される液体７１は突出構造１０１との熱交換により低温となっている。伝熱工学が示すように、温度差が大きいほうが物体間の熱の移動量は大きい。そのため、コイルエンド１２の外周面は、液体７１の強制対流のみならず、両者間の温度差の効果として、効率良く放熱される。

以上のように、本発明を用いることでコイルエンド１２の冷却性能の向上を図ることができる。

図２は本発明の回転電機の第２の実施の形態を示す断面図及び側断面図である。発明の効果として実施例１と重複する事項については省略する。

実施例２によれば、突出構造１０１が複数個（１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、…）あることで、前述の円筒部材５２の内壁面を伝って自然落下する液体７１の量が減り、その分突出構造１０１からコイルエンド１２に供給される液体７１の量が増加し、コイルエンド１２の冷却効果を向上できる。さらに各突出構造１０１から液体７１が滴下される位置は異なるため、コイルエンド１２の広い範囲を冷却することが可能となり冷却効果を向上できる。

図３は本発明の回転電機の第３の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜２と重複する事項については省略する。

実施例３によれば、突出構造１０１が鉛直下向きに配置されるため、円筒部材５２の周方向に並べる突出構造１０１の個数を最大限増やすことができる。突出構造１０１個数が増えることでコイルエンド１２の広い範囲を冷却することが可能となり冷却効果を向上できる。

図４は本発明の回転電機の第４の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜２と重複する事項については省略する。

実施例４によれば、突出構造１０１が回転軸に向かって配置されているため、特に、円筒部材５２の全周方向に等間隔に突出構造１０１が配置された場合、突出構造１０１成形時の円周方向の位置ずれ、若しくは回転電機１の使用環境の変化による回転電機１の円周方向の回転があっても、突出構造１０１の回転対称性により、コイルエンド１２への液体７１の供給量の変化を最小にでき、コイルエンドの安定した冷却ができる。

突出構造１０１が円筒部材５２の全周方向にない場合でも、突出構造１０１の先端の鉛直下向きに位置するコイルエンド１２の範囲で、本形態の効果は得られる。

図５は本発明の回転電機の第５の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜４と重複する事項については省略する。

実施例５によれば、突出構造１０１が略錐形状をしているため、輸送機構８１により突出構造１０１の付根部分１０２に供給された液体７１が突出構造１０１の先端の一点に集約される。このため、コイルエンド１２の軸長方向の先端部等の特に高温になりやすい部分に局所的に液体７１を供給でき、冷却効率を向上できる。ここで、略錐形状とは、突出構造１０１において、その根元から先端に向かって先細りした形状を指す。

図６は本発明の回転電機の第６の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜４と重複する事項については省略する。

図５と図６との差異は、突出構造１０１が略三角形状の平板になった点である。ここで略三角形状の平板とは、突出構造１０１において、その根元から先端に向かって先細りした形状の平板を指す。

これにより、円筒部材５２の周方向により多くの突出構造１０１を並べることが可能となる。この効果として、コイルエンド１２の広い範囲を冷却することが可能となり冷却効果を向上できる。

さらに、突出構造１０１を板状にすることで突出構造１０１表面積を広げることが可能となる。これにより回転電機1機内の気体や液体７１から熱を奪い、フレーム５１を介して回転電機１の外部に放熱するフィンの役割を兼ねることができ、冷却効果を向上できる。

図７は本発明の回転電機の第７の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜４と重複する事項については省略する。

図５と図７との差異は、突出構造１０１の先端に液体７１を貯蔵するための液溜部１１１、及び液体７１をコイルエンド１２に供給するための供給孔１１２を少なくとも１つ有する点である。

供給孔１１２の径を細くすることで、液体７１が突出構造１０１と接触する時間を長くすることができ、これにより液体７１から突出構造１０１が奪う熱量を増やし液体７１を低温にすることができ、冷却効果が向上する。

さらに、1つの液溜部１１１に複数個の供給孔１１２が設けてある場合、１つの突出構造１０１からコイルエンドの広い範囲を冷却することができる。これにより、複数の突出構造１０１を並べるのと同等の効果が簡易な構造で得られるため、製作性が向上する。

図８は本発明の回転電機の第８の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜７と重複する事項については省略する。

実施例８によれば、少なくとも１つの突出構造１０１の表面に少なくとも１つの溝１１６を設けることで、突出構造１０１の表面積を広げることが可能となる。これにより回転電機1機内の気体や液体７１から熱を奪い、フレーム５１を介して回転電機１の外部に放熱するフィンとしての効果を得ることができ、冷却効果を向上できる。

図９は本発明の回転電機の第９の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜８と重複する事項については省略する。

実施例９では、突出構造１０１を円筒部材５２とは別部材で設ける。具体的な構造としては図９で示すように、例えば突出構造１０１を接続したアーチ状部材１２１をフレーム５１内部に挿入した構造となる。これに限らず、例えば円筒部材５２に溝を掘り、この溝に別部材で形成した突出構造１０１を挿入した構造や、円筒部材５２に別成形した突出構造１０１を接合した構造でも同様の効果が得られる。なお、この構造は左右両側の突出構造１０１に適用する必要はなく、どちらか一方でも本発明の効果は得られる。

この構造により、円筒部材５２の材料に関係なく、必要な生産性や冷却効果に応じて突出構造１０１の材料を選択できるようになる。

さらに、突出構造１０１を接続したアーチ部材１２１を使用する場合は、回転電機１の製作工程においてフレーム５１と固定子１１との固定、及び回転子３１の挿入が完了してからアーチ部材１２１を挿入できる。

突出構造１０１が円筒部材５２と一体成形されている場合は、円筒部材５２に固定子１１を挿入しようとすると突出構造１０１が干渉して挿入できないため、円筒部材５２と固定子１１との接続の際には、円筒部材５２を分割する必要がある。これに対して本発明は、円筒部材５２に固定子１１を挿入した後で突出構造１０１を円筒部材５２に取り付けることができるため、製作性を向上させることができる。

加えて、例えば突出構造１０１の内周側からコイルエンド１２までの径方向の距離Lが負になるような場合でも製作が可能となる。これにより、突出構造１０１の体積及び表面積を増やすことができるため、回転電機1機内の気体や液体７１から熱を奪い、フレーム５１を介して回転電機１の外部に放熱するフィンとしての効果により冷却効果を向上できる。

発明の効果として実施例９と重複する事項については省略する。

実施例１０によれば、突出構造１０１が高熱伝導率材料であるため、突出構造１０１が液体７１から吸熱する熱量が向上し、コイルエンド１２に滴下する液体７１の温度を低下できる。これにより冷却効果を向上できる。

高熱伝導率材料としては例えば鉄などが適しているが、鉄に限らず熱伝導率が高い材料であれば、本発明の効果は得られる。

また、例えば、突出構造１０１として、さらに電気伝導率の低い材料を使用することで、コイルエンド１２周りの磁場変化による突出構造１０１内での渦電流の発生と、これに伴う発熱を低減でき、コイルエンド１２に滴下する液体７１の温度を低下できる。これにより冷却効果を向上できる。

図１０は本発明の回転電機の第１１の実施の形態を示す断面図である。発明の効果として実施例１〜８と重複する事項については省略する。

実施例１１によれば、突出構造１０１がブラケット５３と一体成形されているため、実施例９と同様に円筒部材５２に固定子１１を挿入した後で突出構造１０１を設置することができるため、製作性を向上させることができる。また実施例９とは異なり、フレーム５１と別部材で突出構造１０１を成形する必要がないため、部品点数の削減による製作性の向上が可能である。

図１１は本発明の回転電機の第１２の実施の形態を示す鳥瞰図である。

実施例１２では実施例１〜１１に示す回転電機を鉄道車両に適用している。回転電機１は鉄道車両の台車２０１に収納されているため、回転電機１は鉄道車両（図示せず）と共に移動する。回転電機１が鉄道車両とともに移動する際、回転電機１のフレーム５１の外周側表面は空気の強制対流を受ける。一般に気体の強制対流に晒される場合、気体の自然対流に晒される場合に比べて熱伝達率は大きくなるため、回転電機１が回転電機１外部に放出する熱量は増加し、回転電機の冷却効果が向上する。コイルエンド１２の冷却効果に関しても、フレーム５１が冷却されることで液体７１が冷やされるため、低温の液体７１がコイルエンド１２に供給されることで、コイルエンド１２の冷却効果が向上する。

１ 回転電機、１１ 固定子、１２ コイルエンド、３１ 回転子、３２ 回転軸、３３ 掻揚げ部材（８１ 輸送機構）、５１ フレーム、５２ 円筒部材、５３ａ、５３ｂ ブラケット、５４ 軸受、７１ 液体、１０１ 突出構造

Claims (12)

1. 固定子巻線を有する固定子と、
   前記固定子と間隔を設けて配置される回転子と、
   前記回転子に接続される回転軸と、
   前記固定子及び前記回転子を収容し、内部に液体を充填するフレームと、
   前記フレーム内部の液体を前記フレーム内の上方へ移動させる輸送機構と、
   前記固定子巻線の径方向外周と対抗する位置に設けた前記フレーム内周面から突出した突出構造と、
   を有する回転電機。
2. 請求項１において、
   前記フレームは前記固定子と前記回転子を収容する円筒部材とブラケットから構成され、
   前記突出構造は、前記突出構造の内周側から前記固定子巻線までの径方向の距離をLと定義すると、軸長方向において前記固定子に向かう向きにLが小さくなるような傾斜をもち、
   前記傾斜の先端と前記ブラケット内壁との軸長方向の距離をXと定義すると、Xが前記固定子巻線の軸長方向の先端から前記ブラケットの内壁との距離よりも長くなる回転電機。
3. 請求項２において、
   前記突出構造の先端から鉛直方向に、前記固定子巻線の一部が位置するように、前記円筒部材の円周方向及び軸方向に前記突出構造を複数有する回転電機。
4. 請求項１において、前記突出構造が鉛直下向きを向いている回転電機。
5. 請求項１において、前記突出構造が前記回転軸に向いている回転電機。
6. 請求項１において、前記突出構造の形状が略錐形状である回転電機。
7. 請求項１において、前記突出構造の形状が略三角形板状である回転電機。
8. 請求項１において、
   前記突出構造の先端に前記液体を溜める液溜部と、前記液溜部から前記液体を下方へ流出させる少なくとも1つの供給孔を有する回転電機。
9. 請求項１において、前記突出構造の表面に、少なくとも１つ以上の溝を有する回転電機。
10. 請求項１において、前記突出構造が前記フレームとは個別の部品となっている回転電機。
11. 請求項１において、前記突出構造が高熱伝導率材料である回転電機。
12. 請求項１において、前記突出構造が前記フレームと一体に形成されている回転電機。

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