JP2020014345A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ステータの冷却効率を向上することが可能な回転電機を提供する。【解決手段】ケース５と、前記ケースに回転自在に支持されたシャフト１及び前記シャフトに取り付けられた円筒状のロータコア４を有するロータ１１と、前記ロータコアの外周に同軸的に配置された円筒状のステータコア８１及び前記ステータコアに巻き回されたコイル８２を有するステータ８と、を有する回転電機本体部２００と、前記シャフトと一体に回転可能なファン１０と、前記回転電機本体部の外側に軸方向に延出し、前記ステータコアとの間に空気の流路３００を有するダクト６２と、を備え、前記ダクトは、前記回転電機本体部と前記流路を介して対向する側壁と、前記側壁に位置する吸気口１６と、前記吸気口の前記ファン側に位置し前記ダクト内の前記流路を仕切る仕切り板１４と、前記ダクトの前記ファン側とは反対側の端部に位置する排気口９と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

回転電機の一例として、機内をフレームで覆い外気が入らない構成を有する全閉外扇型回転電気が知られている。全閉外扇型回転電機は、コイルやステータで発生した熱を通風冷却を用いて外部に放熱する。すなわち、ファンがシャフトに取り付けられ、シャフトと一体に回転することで風を発生させ、回転電機外表面に設けられたダクトに通風させることで放熱する方式が採用されている。ステータにおいて発生した熱は、ステータの外側に位置するダクト内を流れる空気に奪われ外部に放出される。

特開２０００−１１６０５９号公報

ダクト内に流れ込む空気は、ファンなどの熱を奪い温度が上昇しているため、ステータを十分に冷却することが困難な場合がある。
本発明は、これらの問題点に着目してなされたもので、ステータの冷却効率を向上することが可能な回転電機を提供することを目的とする。

一実施形態に係る回転電機は、ケースと、前記ケースに回転自在に支持されたシャフト及び前記シャフトに取り付けられた円筒状のロータコアを有するロータと、前記ロータコアの外周に同軸的に配置された円筒状のステータコア及び前記ステータコアに巻き回されたコイルを有するステータと、を有する回転電機本体部と、前記シャフトに取り付けられ、前記シャフトと一体に回転可能なファンと、前記回転電機本体部の外側に軸方向に延出し、前記ステータコアとの間に空気の流路を有するダクトと、を備え、前記ダクトは、前記回転電機本体部と前記流路を介して対向する側壁と、前記側壁に位置する吸気口と、前記吸気口の前記ファン側に位置し前記ダクト内の前記流路を仕切る仕切り板と、前記ダクトの前記ファン側とは反対側の端部に位置する排気口と、を有し、前記仕切り板は、前記側壁に固定された基端部と前記回転電機本体部と隙間を介して対向する先端部と、を有する。

図１は、モータの縦断面図である。 図２は、図１に示した線Ｉ−Ｉ’の間のダクトの斜視図である。 図３は、第１実施形態の第１変形例を示す断面図である。 図４は、第１実施形態の第２変形例を示す断面図である。 図５は、第２実施形態を示す断面図である。 図６は、第２実施形態の第１変形例を示す断面図である。 図７は、第２実施形態の第２変形例を示す断面図である。 図８は、第２実施形態の第３変形例を示す断面図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、開示はあくまで一例に過ぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更について容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べて、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する詳細な説明を適宜省略することがある。

以下、本実施形態に係る回転電機の構成について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特に限定されないが、鉄道の駆動用に好適な回転電機を示している。

図１は、モータ１００の縦断面図である。図１は、モータ１００のシャフト１より上側の構成を示している。なお、本明細書においては、シャフト１の回転軸ＡＸと平行な方向を軸方向とし、回転軸ＡＸに垂直であり回転軸ＡＸから放射状に広がる方向を径方向とする。

モータ１００は、モータ本体部２００と、モータ本体部２００の外側に配置されたファン１０と、ファン１０を覆うフレーム６と、を備えている。モータ本体部２００は、ケース５と、ロータ１１と、ベアリング２と、ステータ８などを備えている。

ケース５は、図示した例では、第１ブラケット５１及び第２ブラケット５２によって構成されている。第１ブラケット５１及び第２ブラケット５２は、軸方向に対向している。ケース５は、第１ブラケット５１と第２ブラケット５２との間に、ステータコア８１の外周面８３を露出させる開口部ＯＰを有している。開口部ＯＰは、例えば、環状に形成されている。なお、図示した例では、ケース５は、２つの部材から構成されているが、第１ブラケット５１及び第２ブラケット５２は、一体的に構成されていても良い。また、後述するが、第１ブラケット５１は、開口部ＯＰに向かって厚さが小さくなる第１傾斜部５３を有し、第２ブラケット５２は、開口部ＯＰに向かって厚さが小さくなる第２傾斜部５４を有している。

ロータ１１は、シャフト１とロータコア４を備えている。シャフト１は、ベアリング２により、ケース５に対して回転自在に支持されている。シャフト１は、第１ブラケット５１の外側に突出した第１端部Ｅ１と、第２ブラケット５２の外側に突出した第２端部Ｅ２と、を有している。ベアリング２は、第１ブラケット５１とシャフト１との間、及び、第２ブラケット５２とシャフト１との間に位置している。

ロータコア４は、円筒状であり、ケース５内においてシャフト１に同軸的に取り付けられている。ロータコア４は、一対のロータコア押さえ２６により、軸方向の両側面から挟まれて支持されている。ロータコア４およびロータコア押さえ２６には、両者を軸方向に貫通するロータダクト１２が複数個形成されている。

ステータ８は、ケース５内に固定された円筒状のステータコア８１と、ステータコア８１に巻き回されたコイル８２と、を備えている。ステータコア８１は、シャフト１と同軸的に位置し、ロータコア４の外周に同軸的に間隙をおいて対向配置されている。ステータコア８１は、軸方向に積層された多数枚の鋼板によって構成されている。ステータコア８１は、一対のステータコア押さえ３によって軸方向両側面から挟まれて支持されている。ステータコア押さえ３は、第１ブラケット５１及び第２ブラケット５２からそれぞれケース５内側に向かって突出している。ステータコア８１は、ケース５の開口部ＯＰから露出した外周面８３を有し、外周面８３を直接外気に触れさせることで放熱性能を高めている。ステータコア８１の内周部には、それぞれ軸方向に延びた複数のスロットが形成され、これらのスロットにコイル８２が埋め込まれている。コイル８２は、ロータ１１を回転駆動する磁界を発生させる。コイル８２のうちステータコア８１から軸方向の両側に突出している部分がそれぞれコイルエンドを形成している。

ファン１０は、ケース５の外側でシャフト１の第１端部Ｅ１に取り付けられている。ファン１０は、円盤状の第１ベース１０１と、羽根１０２と、円環状の第２ベース１０３と、を有している。第１ベース１０１は、シャフト１に同軸的に固定され、シャフト１と一体に回転可能である。複数の板状の羽根１０２は、第１ベース１０１に設けられ、それぞれシャフト１を中心として半径方向に延びているとともに円周方向に等間隔をおいて位置している。第２ベース１０３は、複数の羽根１０２に連続して接続されている。このファン１０は、一般にラジアルファンと呼ばれ、シャフト１の両回転方向に対応できるように形成されている。なお、ファン１０の形状はこれに限定されない。

フレーム６は、ファン１０を覆うフレーム本体部６１と、フレーム本体部６１からステータコア８１の外周面８３と対向する位置まで延出したダクト６２と、を有している。フレーム本体部６１はケース５よりも大きい外径に形成され、ケース５に対して軸方向に隙間をおいて対向している。フレーム本体部６１は、ファン１０と同軸的に配置され、ファン１０と軸方向に対向している。また、フレーム本体部６１は軸方向に貫通した第１吸気口１３を有している。

ダクト６２は、モータ本体部２００の外側に軸方向に延出し、ステータコア８１との間に空気の流路３００を有している。ダクト６２は、モータ本体部２００と流路３００を介して対向する第１側壁ＳＷ１と、第１側壁ＳＷ１に位置する第２吸気口１６と、第２吸気口１６のファン１０側に位置する仕切り板１４と、ダクト６２のファン１０側とは反対側の端部６３に位置する排気口９と、を有している。

仕切り板１４は、ダクト６２内の流路３００を仕切っている。仕切り板１４は、第１側壁ＳＷ１に固定された基端部１４２と、基端部１４２の反対側に先端部１４１と、を有している。先端部１４１は、モータ本体部２００と隙間ＧＰを介して対向している。図示した例では、仕切り板１４の先端部１４１は、ステータコア８１の径方向に位置している。仕切り板１４の先端部１４１とステータコア８１との間の隙間ＧＰは、例えば、約２ｍｍである。なお、ダクト６２の径方向の高さは、例えば、約２０ｍｍである。仕切り板１４は、ダクト６２と一体で形成されていても良いし、別部材で形成されダクト６２にボルト接続や溶接で固定されていても良い。仕切り板１４は、軸方向において基端部１４２が先端部１４１よりもファン１０側に位置するように傾斜している。換言すると、第１側壁ＳＷ１のうち仕切り板１４よりファン１０側に位置する部分と仕切り板１４とが成す角度θは９０度より大きい。また、第２吸気口１６は、仕切り板１４の傾斜に合わせて傾斜している。

フレーム本体部６１と、ダクト６２とによって、モータ本体部２００の周囲に空気ＡＲの流路が形成されている。シャフト１が回転すると、ファン１０が一体に回転される。空気ＡＲが第１吸気口１３からフレーム本体部６１内に吸い込まれ、ファン１０によって径方向に吹き出される。さらに、空気ＡＲは、ダクト６２内の流路３００を通過し、ダクト６２内でステータコア８１から熱を奪って、排気口９から排出される。

モータ本体部２００内で発生した熱は、モータ本体部２００内の空気を介してケース５に伝わり、フレーム６内に放熱される。そのため、第１吸気口１３からダクト６２に流れ込む空気ＡＲは、ファン１０やケース５などの熱を受け取り、外気よりも温度が上昇している場合がある。これにより、ステータ８の冷却効率が低下する恐れがある。

本実施形態によれば、ダクト６２は、仕切り板１４と、仕切り板１４より風下側に第２吸気口１６と、を有している。そのため、空気ＡＲが、仕切り板１４によって形成されたダクト６２内の隙間ＧＰを通ることにより、空気ＡＲの流速が速まり、仕切り板１４より第２吸気口１６側に負圧を発生させることができる。そして、第２吸気口１６から外気をダクト６２内に取り込むことができる。第２吸気口１６からダクト６２内に外気が取り込まれることによって、ダクト６２を通過する空気ＡＲの温度を下げることができる。また、ダクト６２内の風量を増加させることができる。よって、ステータ８の冷却効率を向上することができる。

また、空気ＡＲがダクト６２内の隙間ＧＰを通ることで、ステータコア８１の外周面８３での空気ＡＲの流速を上げることができる。よって、ステータコア８１の外周面８３での熱伝達率を向上することができる。また、本実施形態においては、仕切り板１４が傾斜しているため、ダクト６２の径方向の高さが隙間ＧＰに向かって徐々に小さくなり、空気ＡＲが仕切り板１４の傾斜に沿って流れる。よって、空気ＡＲが仕切り板１４に当たることによる圧損を減らすことができる。

さらに、本実施形態によれば、ケース５は、ファン１０側から開口部ＯＰに向かって厚さが小さくなる第１傾斜部５３と、開口部ＯＰから排気口９側に向かって厚さが大きくなる第２傾斜部５４と、を有している。第１傾斜部５３及び第２傾斜部５４は、ダクト６２内に位置している。そのため、ダクト６２内の通風路が風上から風下に向かって緩やかに拡大され、緩やかに縮小される。空気ＡＲは、第１傾斜部５３及び第２傾斜部５４に沿って流れるため、通風路の急な高さの変化に伴った空気ＡＲの循環乱れや淀みの発生を抑制することができる。よって、ステータコア８１の外周面８３での空気ＡＲの流速の低下を抑制することができる。なお、第１傾斜部５３及び第２傾斜部５４の傾斜角度は互いに異なっていても良い。

上記より、別動力を要さずに簡易な構造で、ステータ８の冷却効率の向上が可能な回転電機を提供することができる。また、ステータ８の冷却効率が向上されたことにより、ファン１０の外形を小さくすることができ、ファン１０の騒音を低減することができる。

なお、仕切り板１４及び第２吸気口１６は、ステータコア８１の軸方向の真ん中の位置よりもファン１０側に位置することが望ましい。また、後述するが、仕切り板１４及び第２吸気口１６は、ステータコア８１と径方向に対向していなくても良い。

図２は、図１に示した線Ｉ−Ｉ’の間のダクト６２の斜視図である。
ダクト６２は、第１側壁ＳＷ１と、第１側壁ＳＷ１の一端からステータコア８１に延びた第２側壁ＳＷ２と、第１側壁ＳＷ１の他端からステータコア８１に延びた第３側壁ＳＷ３と、を有している。第２側壁ＳＷ２及び第３側壁ＳＷ３は、ステータコア８１に接している。仕切り板１４は、第１側壁ＳＷ１、第２側壁ＳＷ２、第３側壁ＳＷ３と繋がっている。また、仕切り板１４は、ダクト６２の延出方向と交差する方向に幅Ｗ１を有している。ダクト６２は、ダクト６２の延出方向と交差する方向に内腔の幅Ｗ２を有している。幅Ｗ１は、幅Ｗ２と等しい。

第２吸気口１６は、ダクト６２の延出方向と交差する方向に幅Ｗ３を有している。図示した例では、幅Ｗ３は、ダクト６２の幅Ｗ２より小さいが、同等であっても良い。また、第２吸気口１６の形状は、図示したような矩形状であっても良いし、円形であっても良い。

図３は、第１実施形態の第１変形例を示す断面図である。図３に示す構成は、図１に示した構成と比較して、仕切り板１４が傾斜していない点で相違している。
仕切り板１４は、径方向に平行に設けられ、先端部１４１と基端部１４２とが径方向に並んでいる。換言すると、第１側壁ＳＷ１のうち仕切り板１４よりファン１０側に位置する部分と仕切り板１４とが成す角度θは約９０度である。また、このとき、第２吸気口１６の角度も仕切り板１４の角度に平行である。

図４は、第１実施形態の第２変形例を示す断面図である。図４に示す構成は、図１に示した構成と比較して、ステータコア８１の外周面８３がケース５によって覆われている点で相違している。
仕切り板１４の先端部１４１は、ケース５を介してステータコア８１と径方向に対向している。このような例においても、ケース５を介して、ステータコア８１を空冷することができる。また、ケース５が開口部ＯＰを有していないため、通風路の急な高さの変化に伴った空気の循環乱れや淀みの発生を抑制することができる。

図５は、第２実施形態を示す断面図である。図５に示す構成は、図１に示した構成と比較して、仕切り板１４及び第２吸気口１６が軸方向においてステータコア８１よりファン１０側に位置している点で相違している。
仕切り板１４の先端部１４１は、ステータコア８１よりファン１０側で、第１ブラケット５１の径方向に位置している。すなわち、仕切り板１４の先端部１４１及び第２吸気口１６がステータコア８１よりも風上側に位置しているため、第２吸気口１６から取り込まれた外気をステータコア８１の外周面８３により多く当てることができる。よって、ステータコア８１の冷却効率をより向上することができる。なお、図示した例に限らず、仕切り板１４の基端部１４２がステータコア８１より軸方向でファン１０側に位置している場合にも、仕切り板１４の先端部１４１は、ステータコア８１の径方向に位置していても良い。

図６は、第２実施形態の第１変形例を示す断面図である。図６に示す構成は、図５に示した構成と比較して、仕切り板１４が傾斜していない点で相違している。
仕切り板１４は、径方向に対して平行に設けられている。また、このとき、第２吸気口１６の角度も仕切り板１４の角度に平行である。図示した例では、仕切り板１４の先端部１４１は、曲面状に形成されている。そのため、先端部１４１に当たって隙間ＧＰに流入する空気の圧損を減らすことができる。また、第１傾斜部５３及び第２傾斜部５４は、曲面状に形成されている。そのため、空気の流れの分岐を生じにくくすることができ、渦の発生を抑制することができる。なお、第１傾斜部５３及び第２傾斜部５４のどちらか一方が図１に示したような平面状の傾斜部であり、もう一方が曲面状の傾斜部であっても良い。また、モータ１００は、図１及び図６に示した第１傾斜部５３及び第２傾斜部５４の形状のパターンと、図１乃至図８に示す何れのダクト６２のパターンを組み合わせた構成としても良い。

図７は、第２実施形態の第２変形例を示す断面図である。図７に示す構成は、図５に示した構成と比較して主に、ダクト６２内に仕切り板１４を支持する支持部材１７が設けられている点で相違している。
支持部材１７は、仕切り板１４のファン１０側に位置している。支持部材１７は、仕切り板１４及びダクト６２の第１側壁ＳＷ１に接している。支持部材１７は、ファン１０側から仕切り板１４に向かって厚さが大きくなっている。つまり、支持部材１７は、通風路の高さが仕切り板１４に向かって小さくなるような第３傾斜部１７１を有している。これにより、図示したように、仕切り板１４が径方向に平行であっても、空気が仕切り板１４で急激に流れの向きを変えるのを抑制し圧損を低減することができる。また、支持部材１７によって仕切り板１４の強度を補強することができる。なお、支持部材１７は、ダクト６２及び仕切り板１４と一体で形成されていても良い。

図８は、第２実施形態の第３変形例を示す断面図である。図８に示す構成は、図５に示した構成と比較して主に、ダクト６２の第１側壁ＳＷ１の形状が異なっている。
第１側壁ＳＷ１は、開口部ＯＰから露出したステータコア８１側に近接した第１面ＳＦ１と、第１面ＳＦ１よりファン１０側に位置する第２面ＳＦ２と、第１面ＳＦ１より排気口９側に位置する第３面ＳＦ３と、を有している。また、第１側壁ＳＷ１は、第１傾斜部５３と対向する位置で、第１面ＳＦ１から第２面ＳＦ２まで傾斜した第１傾斜面６５と、第２傾斜部５４と対向する位置で第１面ＳＦ１から第３面ＳＦ３まで傾斜した第２傾斜面６６と、を有している。そのため、ステータコア８１と第１面ＳＦ１との間の第１高さＨ１と、第１ブラケット５１と第２面ＳＦ２との間の第２高さＨ２と、第２ブラケット５２と第３面ＳＦ３との間の第３高さＨ３と、は略等しい。ダクト６２内を流れる空気は、仕切り板１４を通過した後、ステータコア８１の外周面８３では高速で流れるが、ダクト６２の第１側壁ＳＷ１側では流速が低くなりやすい。そのため、第１側壁ＳＷ１側においても空気に渦や淀みが発生する可能性がある。図８に示した構成により、通風路を狭めることができ、ダクト６２の第１側壁ＳＷ１側での流速と、ステータコア８１の外周面８３での流速を上げることができる。なお、図示した例では、第１側壁ＳＦ１の外形が開口部ＯＰと対向する位置でステータコア８１に近接しているが、図１に示したダクト６２内にステータコア８１に近接した第１面ＳＦ１を形成するような別部材を添付しても良いし、一体で形成しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、ステータの冷却効率を向上することが可能な回転電機を得ることができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これらの新規な実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１００…モータ、５…ケース、１…シャフト、４…ロータコア、１１…ロータ、
８…ステータ、８１…ステータコア、８２…コイル、２００…モータ本体部、
１０…ファン、６２…ダクト、３００…流路、１３…第１吸気口、
６３…端部、９…排気口、
１６…第２吸気口、１４…仕切り板、１４１…先端部、１４２…基端部、
８３…外周面、ＧＰ…隙間、
ＯＰ…開口部、５３…第１傾斜部、５４…第２傾斜部、
６５…第１傾斜面、６６…第２傾斜面、
１７…支持部材、１７１…第３傾斜部、
ＳＷ１…第１側壁、ＳＷ２…第２側壁、ＳＷ３…第３側壁、
ＳＦ１…第１面、ＳＦ２…第２面、ＳＦ３…第３面
Ｈ１…第１高さ、Ｈ２…第２高さ、Ｈ３…第３高さ。

Claims (6)

1. ケースと、前記ケースに回転自在に支持されたシャフト及び前記シャフトに取り付けられた円筒状のロータコアを有するロータと、前記ロータコアの外周に同軸的に配置された円筒状のステータコア及び前記ステータコアに巻き回されたコイルを有するステータと、を有する回転電機本体部と、
   前記シャフトに取り付けられ、前記シャフトと一体に回転可能なファンと、
   前記回転電機本体部の外側に軸方向に延出し、前記ステータコアとの間に空気の流路を有するダクトと、を備え、
   前記ダクトは、前記回転電機本体部と前記流路を介して対向する側壁と、前記側壁に位置する吸気口と、前記吸気口の前記ファン側に位置し前記ダクト内の前記流路を仕切る仕切り板と、前記ダクトの前記ファン側とは反対側の端部に位置する排気口と、を有し、
   前記仕切り板は、前記側壁に固定された基端部と前記回転電機本体部と隙間を介して対向する先端部と、を有する、回転電機。
2. 前記側壁のうち前記仕切り板より前記ファン側に位置する部分と前記仕切り板とが成す角度は９０°より大きく、
   前記先端部は、前記ステータコアの径方向に位置する、請求項１に記載の回転電機。
3. 前記仕切り板の前記先端部は、前記ステータコアより前記ファン側で、前記ケースの径方向に位置する、請求項１に記載の回転電機。
4. 前記ケースは、前記ステータコアの外周面を露出させる開口部を有し、
   前記ケースは、前記ファン側から前記開口部に向かって厚さが小さくなる第１傾斜部と、前記開口部から前記排気口側に向かって厚さが大きくなる第２傾斜部と、を有する、請求項１乃至３の何れか１項に記載の回転電機。
5. 前記ダクトの前記側壁は、前記開口部から露出した前記ステータコア側に近接した第１面と、前記第１面より前記ファン側に位置する第２面と、前記第１面より前記排気口側に位置する第３面と、前記第１傾斜部と対向する位置で前記第１面から前記第２面まで傾斜した第１傾斜面と、前記第２傾斜部と対向する位置で前記第１面から前記第３面まで傾斜した第２傾斜面と、を有し、
   前記ステータコアと前記第１面との間の第１高さと、前記ケースと前記第２面との間の第２高さと、前記ケースと前記第３面との間の第３高さは略等しい、請求項４に記載の回転電機。
6. 前記仕切り板の前記ファン側に位置し前記仕切り板を支持する支持部材を備え、
   前記支持部材は、前記仕切り板と、前記ダクトの前記側壁に接し、前記ファン側から前記仕切り板に向かって厚さが大きくなる、請求項１乃至５の何れか１項に記載の回転電機。

Images