JP2017093116A - 回転電機およびそれを用いた送風機 - Google Patents

Abstract

【課題】巻線の温度上昇を低減できる回転電機を提供する。【解決手段】固定子と回転子を備えた回転電機であって、前記固定子は、６極であり、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースとを有する固定子鉄心と、隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線とを備え、前記コアバックの径方向の高さをＷ、前記固定子鉄心の内径をＤｉとするとき、０．０４５＜Ｗ／Ｄｉ＜０．０８３の関係を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、かご形誘導電動機などの回転電機およびそれを用いた送風機に関する。

従来、ファンと回転電機を組み合わせた背景技術として、図１０に示すシステムがある。このシステムとしては、例えばジェットファン等の送風機が挙げられる。図１０では、固定子１と回転子２からなる回転電機１００の負荷がファン１４であり、ファン１４による空気等の流体１６で固定子１が冷却されるシステムである。

また、回転電機において、固定子鉄心の円環部分の径方向の高さＷと、固定子鉄心の内径Ｄｉの比率に関する背景技術として、特許文献１が知られている。特許文献１では、特に、鉄損と銅損とをバランス良く低減して、さらなる高効率化を図ることができる永久磁石式回転機を提供するため、磁極数を６極とし、固定子鉄心の円環部分の径方向の高さＷと、極ピッチτとの比Ｗ／τが０．３〜０．５の関係を満たし、固定子鉄心の内径Ｄｉと固定子鉄心の外径Ｄａとの比Ｄｉ／Ｄａが０．５５〜０．６５の関係を満たすようにするものである（要約参照）。

特開２０１０−４５８７２号公報

特許文献１の発明は、鉄損と銅損とをバランス良く低減するＷやＤｉの比率を設定するものである。しかしながら、鉄損と銅損によって発生する熱の逃げやすさについては、十分な検討が行われていない。すなわち、巻線の温度上昇を小さくする構造については配慮されていない。

本発明は、巻線の温度上昇を低減できる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための、本発明の回転電機の一例を挙げるならば、固定子と回転子を備えた回転電機であって、前記固定子は、６極であり、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースとを有する固定子鉄心と、隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線とを備え、前記コアバックの径方向の高さをＷ、前記固定子鉄心の内径をＤｉとするとき、０．０４５＜Ｗ／Ｄｉ＜０．０８３の関係を有するものである。

本発明によれば、回転電機において、巻線の温度上昇を低減できる。

本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の部分断面図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の熱回路図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、コアバックの径方向の高さと熱抵抗及び電気抵抗並びに温度上昇の関係を示す図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと冷却風の速度の関係を示す図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと固定子スロット数の関係を示す図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さとティースの周方向の幅の関係を示す図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さとティースの寸法比の関係を示す図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと冷却風の速度の関係を示す図である。 本発明の回転電機の一実施例である誘導電動機の、温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと冷却風の速度の関係を示す図である。 本発明の送風機の一実施例である、ファンと回転電機を組み合わせた送風機を示す図である。

以下、図面に基づいて、本発明の回転電機の実施形態を、各実施例として詳細に説明する。なお、実施例を説明するための各図において、同一の構成要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

図１は、本発明の回転電機の一実施例である実施例１の誘導電動機の部分断面図である。
本実施例は、固定子１と回転子２を備えたかご形誘導電動機であって、固定子１は、６極であり、円環状のコアバック３と、コアバック３から径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティース４とを有する固定子鉄心５と、隣接するティースの間に形成される固定子スロット６に巻装された固定子巻線７とを備える。また、回転子２は、周方向に複数の回転子バー８を備える。そして、コアバック３の径方向の高さをＷ、固定子鉄心５の内径をＤｉとするとき、０．０４５＜Ｗ／Ｄｉ＜０．０８３の関係を有している。

図２は、本発明の回転電機の一実施例である実施例１の誘導電動機の熱回路図である。
熱抵抗は、回転電機の損失によって発生する熱の逃げにくさであり、熱の通り道の距離に比例し、熱伝導率と断面積に反比例する。熱伝導率は、熱の伝わりやすさを表す物理定数であり、一般的な回転電機では、固定子鉄心５は、熱伝導率λｃが２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋのものが多く使われており、４０Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものも使われることがある。固定子巻線７の周りには、絶縁物９が巻かれてあり、一般的な回転電機では、絶縁物９は、熱伝導率λｚが０．２Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものが多く使われており、０．１Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものや、０．５Ｗ／ｍ・Ｋ程度のものも使われることがある。

図２では、コアバック３の熱抵抗をＲｃ、ティース４の熱抵抗をＲｔ、固定子巻線７とコアバック３の隙間に配置された絶縁物９の熱抵抗をＲｚｃ、固定子巻線７とティース４の隙間に配置された絶縁物９の熱抵抗をＲｚｔとしている。固定子１の熱抵抗Ｒｓは、次式で表される。
（式１）Ｒｓ＝Ｒｃ＋１／（１／（Ｒｔ＋Ｒｚｔ）＋１／Ｒｚｃ）

固定子１の表面の熱抵抗Ｒｏは、固定子１の表面を通る冷却風の速度ｖが高いと小さくなり、逆に速度が低いと大きくなる。冷却風の速度ｖは、回転電機の使われ方で変化する場合があり、本実施例の回転電機は、回転電機の負荷がファンであり、ファンによる流体で固定子１が冷却されるシステムに使われる。本実施例の回転電機が使われるシステムでは、冷却風の速度ｖは、一般的な回転電機が回転電機単体で運転されているときの冷却風の速度の４〜８倍になると予想している。そのため、支配的な温度差は巻線−鉄心外周面であり、固定子の熱抵抗Ｒｓが支配的となる。

図３は、コアバックの径方向の高さと熱抵抗及び電気抵抗並びに温度上昇の関係を示す図である。熱抵抗Ｒｏ＋Ｒｓは、固定子１の表面の熱抵抗Ｒｏと、固定子１の熱抵抗Ｒｓの和を示しており、コアバックの径方向の高さＷの増加とともに大きくなる。電気抵抗Ｒ１は、固定子巻線７の断面積に反比例させている。コアバックの径方向の高さＷの変化につれて電気抵抗Ｒ１が変わるのは、Ｗに応じて、設計上最適なスロットの幅や高さが変化し、スロットの断面積が変化するためである。電気抵抗Ｒ１と熱抵抗Ｒｏ＋Ｒｓの積Ｒ１（Ｒｏ＋Ｒｓ）は、固定子巻線の温度上昇にほぼ比例する。図３の範囲内で、これらの最小値が１となるように無次元化している。図３では、冷却風の速度や、固定子鉄心５の熱伝導率λｃを、上述した範囲の中間値としている。

本実施例では、Ｗ／Ｄｉを０．０６２とした場合に、温度上昇が最小となる。そして、電気抵抗Ｒ１と熱抵抗Ｒｏ＋Ｒｓの積Ｒ１（Ｒｏ＋Ｒｓ）が小さくなるＷ／Ｄｉの数値範囲を選択する。熱抵抗Ｒｏ＋Ｒｓは、Ｗ／Ｄｉを小さくすることで低減されており、電気抵抗Ｒ１が最小となるＷ／Ｄｉの０．０８４よりも、本実施例のようにＷ／Ｄｉを小さくすることで、温度上昇が低減される。

図４は、実施例１の構成における温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと冷却風の速度の関係を示す図である。冷却風の速度ｖは、一般的な回転電機が回転電機単体で運転されているときの冷却風の速度を１として無次元化している。固定子鉄心５の熱伝導率λｃは、上述した範囲２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋで与えている。ティース４の周方向の幅をＷｔ、ティース４の径方向の高さをＨｔ、固定子スロット６の個数をＮ１、絶縁物９の厚みをδとしたとき、それらの数値は、一般的な回転電機の数値の範囲で与えている。

図４に示すように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉには範囲があり、本実施例の回転電機が使われるシステムの冷却風の速度ｖの４〜８では、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、０．０４５〜０．０８３の範囲となる。

コアバックの径方向の高さＷと固定子鉄心の内径Ｄｉの比率に関する背景技術として知られている特許文献１では、極ピッチをτとしたときＷ／τが０．３〜０．５の関係を満たすことで、鉄損と銅損とをバランス良く低減してさらなる高効率化を図ることができるとされている。ここで、Ｗ／τが０．３〜０．５とすると、６極機の場合にτはπＤｉ／６であるため、Ｗ／Ｄｉは０．１５７〜０．２６２になる。

このように、本実施例の回転電機が使われるシステムでのように、一般的な回転電機が回転電機単体で運転されているときよりも、冷却風の速度が大きいときは、背景技術として知られているＷ／Ｄｉが０．１５７〜０．２６２よりも、Ｗ／Ｄｉを小さくすることで、温度上昇が低減される。すなわち、Ｗ／Ｄｉを０．０４５〜０．０８３の範囲とすることにより、温度上昇を低減することができる。

図４に示すように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、冷却風の速度ｖが大きいほど小さくなる。温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉを、冷却風の速度ｖの関数で表すと次式の範囲となる。
（式２）−０．０００７４ｖ＋０．０５１＜Ｗ／Ｄｉ＜−０．００１３７ｖ＋０．０８８
このように、冷却風の速度ｖが大きくなるに連れて、Ｗ／Ｄｉを（式２）に従って小さくすることで、温度上昇をさらに低減することができる。

図５は、実施例１の構成における温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと固定子スロット数の関係を示す図である。

図５に示すように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、固定子スロット数Ｎ１が大きいほど小さくなる。温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉを、固定子スロット数Ｎ１の関数で表すと次式となる。
（式３）−０．０００１０２Ｎ１＋０．０５５＜Ｗ／Ｄｉ＜−０．０００１３０Ｎ１＋０．０８７
このように、固定子スロット数Ｎ１が大きくなるに連れて、Ｗ／Ｄｉを（式３）に従って小さくすることで、温度上昇をさらに低減することができる。

図６は、実施例１の構成における温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さとティースの周方向の幅の関係を示す図である。

図６の横軸の分母のＷｔ×Ｎ１は、ティース４の磁束の通りやすさに相当し、図６の横軸の分子のＷは、コアバック３の磁束の通りやすさに相当する。すなわち、図６の横軸は、ティース４に対するコアバック３の磁束の通りやすさを意味する。

図６に示すように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、コアバック３の磁束が通りやすくなるほど（図６の横軸が大きくなるほど）大きくなる。温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉを表すと次式となる。
（式４）０．０７ｘ＋０．０４３＜Ｗ／Ｄｉ＜０．２ｘ＋０．０６１
（式５）ｘ＝Ｗ／（Ｗｔ×Ｎ１）
このように、図６の横軸が大きくなるに連れて、Ｗ／Ｄｉを（式４）と（式５）に従って大きくすることで、温度上昇を低減しつつ、コアバック３の磁束が通りやすくなる。

図７は、実施例１の構成における温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さとティースの寸法比の関係を示す図である。

図７の横軸Ｗｔ／Ｈｔが大きくなると、ティース４の径方向の高さＨｔに対して、ティース４の付け根の幅が大きくなり、ティース４の付け根の強度が増す。

図７に示すように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、Ｗｔ／Ｈｔの増加に伴い大きくなる。温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉを表すと次式となる。
（式６）０．０４０ｘ＋０．０４２＜Ｗ／Ｄｉ＜０．０５４ｘ＋０．０７０
（式７）ｘ＝Ｗｔ／Ｈｔ
このように、Ｗｔ／Ｈｔが大きくなるに連れて、Ｗ／Ｄｉを（式６）と（式７）に従って大きくすることで、温度上昇を低減しつつ、ティース４の付け根の強度を増すことができる。

図８は、本発明の実施例２の構成における温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと冷却風の速度の関係を示す図である。

本実施例では、実施例１と異なる部分として、固定子鉄心５の熱伝導率λｃが２０〜４０Ｗ／ｍ・Ｋ、絶縁物９の熱伝導率λｚが０．１〜０．５Ｗ／ｍ・Ｋのとき、０．０３５＜Ｗ／Ｄｉ＜０．１０４の関係を有している。

実施例１では、固定子鉄心５の熱伝導率λｃと、絶縁物９の熱伝導率λｚは、一般的な回転電機で多く使われている値で、Ｗ／Ｄｉの範囲を定めたが、本実施例では、一般的な回転電機で使われることもある範囲に拡大し、Ｗ／Ｄｉの範囲を定めている。

固定子鉄心５の熱伝導率λｃは、固定子鉄心５に含まれる炭素量が少なくなると鉄損が増加するものの、高くなる。すなわち、本実施例は、鉄心材が低グレードな場合においても、固定子巻線７の温度上昇を低減できることになる。

絶縁物９の熱伝導率λｚは、絶縁物９に、ポリエチレンなどの熱伝導率の高い材料を使うことや、マイカなどの熱伝導率の高い材料を多く含有させることなどで、高くなる。逆に、絶縁物９に、ポリスチレンなどの熱伝導率の低い材料を使うことなどで、低くなる。すなわち、本実施例は、幅広い絶縁部の構成において、固定子巻線７の温度上昇を低減できることになる。

図８のように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、冷却風の速度ｖが大きいほど小さくなる。温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉを、冷却風の速度ｖの関数で表すと次式となる。
（式８）−０．０００７０ｖ＋０．０４１＜Ｗ／Ｄｉ＜−０．０００９５ｖ＋０．１０７
このように、冷却風の速度が大きくなるに連れて、Ｗ／Ｄｉを小さくすることで、温度上昇が低減される。

図９は、本発明の実施例３の構成における温度上昇が最小となるコアバックの径方向の高さと冷却風の速度の関係を示す図である。

本実施例は、実施例２と異なる部分として、極数が４となり、０．０５２＜Ｗ／Ｄｉ＜０．１４９の関係を有している。

Ｗ／Ｄｉを本実施例の範囲とすることで、極数が４のとき、固定子巻線７の温度上昇を低減できる。

図９のように、温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉは、冷却風の速度ｖが大きいほど小さくなる。温度上昇が最小となるＷ／Ｄｉを、冷却風の速度ｖの関数で表すと次式となる。
（式９）−０．００１２１ｖ＋０．０６１＜Ｗ／Ｄｉ＜−０．００１９５ｖ＋０．１５７
このように、冷却風の速度が大きくなるに連れて、Ｗ／Ｄｉを小さくすることで、温度上昇が低減される。

本発明の実施例４は、本発明の回転電機をジェットファン等の送風機に用いたものである。

図１０に、本実施例の送風機を示す。送風機は、回転電機１００と、回転電機のシャフト１３の両側に取り付けられたファン１４とから構成されている。回転電機１００は、固定子鉄心５と固定子巻線７から構成される固定子１と、回転子鉄心１０と回転子短絡環１１から構成される回転子２を備えている。回転電機１００は、実施例１〜３の何れかの回転電機である。なお、図において、符号１２はベアリング、１５はフレームである。

回転電機１００でファン１４を駆動し、ファン１４で空気等の流体１６の流れを起こすことにより、送風機として動作する。また、流体１６が回転電機１００に当たることにより、固定子１を冷却することができる。

１…固定子
２…回転子
３…コアバック
４…ティース
５…固定子鉄心
６…固定子スロット
７…固定子巻線
８…回転子バー
９…絶縁物
１０…回転子鉄心
１１…回転子短絡環
１２…ベアリング
１３…シャフト
１４…ファン
１５…フレーム
１６…流体
１００…回転電機

Claims (11)

1. 固定子と回転子を備えた回転電機であって、
   前記固定子は、６極であり、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースとを有する固定子鉄心と、隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線とを備え、
   前記コアバックの径方向の高さをＷ、前記固定子鉄心の内径をＤｉとするとき、次式の関係を有する回転電機。
   ０．０４５＜Ｗ／Ｄｉ＜０．０８３
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   回転電機の負荷がファンであり、ファンによる流体で前記固定子が冷却される回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記固定子スロットの個数をＮ１とするとき、次式の関係を有する回転電機。
   −０．０００１０２Ｎ１＋０．０５５＜Ｗ／Ｄｉ＜−０．０００１３０Ｎ１＋０．０８７
4. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記ティースの周方向の幅をＷｔ、前記固定子スロットの個数をＮ１とするとき、次式の関係を有する回転電機。
   ０．０７ｘ＋０．０４３＜Ｗ／Ｄｉ＜０．２ｘ＋０．０６１
   ここで、ｘ＝Ｗ／（Ｗｔ×Ｎ１）
5. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記ティースの周方向の幅をＷｔ、前記ティースの径方向の高さをＨｔとするとき、次式の関係を有する回転電機。
   ０．０４０ｘ＋０．０４２＜Ｗ／Ｄｉ＜０．０５４ｘ＋０．０７０
   ここで、ｘ＝Ｗｔ／Ｈｔ
6. 固定子と回転子を備えた回転電機であって、
   前記固定子は、６極であり、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースとを有する固定子鉄心と、隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線とを備え、
   前記固定子巻線と前記固定子鉄心との隙間には絶縁物が備えられ、
   前記コアバックの径方向の高さをＷ、前記固定子鉄心の内径をＤｉ、前記固定子鉄心の熱伝導率をλｃ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、前記絶縁物の熱伝導率をλｚ（Ｗ／ｍ・Ｋ）とするとき、次式の関係を有する回転電機。
   ０．０３５＜Ｗ／Ｄｉ＜０．１０４
   ２０＜λｃ＜４０
   ０．１＜λｚ＜０．５
7. 請求項６に記載の回転電機において、
   回転電機の負荷がファンであり、ファンによる流体で前記固定子が冷却される回転電機。
8. 固定子と回転子を備えた回転電機であって、
   前記固定子は、４極であり、円環状のコアバックと、前記コアバックから径方向に突き出すようにして周方向に複数設けられたティースとを有する固定子鉄心と、隣接するティースの間に形成される固定子スロットに巻装された固定子巻線とを備え、
   前記固定子巻線と前記固定子鉄心との隙間には絶縁物が備えられ、
   前記コアバックの径方向の高さをＷ、前記固定子鉄心の内径をＤｉ、前記固定子鉄心の熱伝導率をλｃ（Ｗ／ｍ・Ｋ）、前記絶縁物の熱伝導率をλｚ（Ｗ／ｍ・Ｋ）とするとき、次式の関係を有する回転電機。
   ０．０５２＜Ｗ／Ｄｉ＜０．１４９
   ２０＜λｃ＜４０
   ０．１＜λｚ＜０．５
9. 請求項８に記載の回転電機において、
   回転電機の負荷がファンであり、ファンによる流体で前記固定子が冷却される回転電機。
10. 請求項１〜９の何れか1項に記載の回転電機と、前記回転電機により駆動されるファンとを備え、
    前記ファンによる流体で回転電機の固定子が冷却されるものである送風機。
11. 請求項１０に記載の送風機がジェットファンである送風機。

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