JP2020058165A - ブラシレス回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラシレス回転電機において、回転整流器について配置スペースの増大等の影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保する。【解決手段】ブラシレス回転電機は、主ロータシャフトと主回転子鉄心とを有する主回転子と、主固定子鉄心と主固定子コイルとを有する主固定子と、励磁装置ロータシャフトと、回転整流器と励磁機回転子と励磁機固定子とを有する励磁機とを具備する励磁装置と、フレームと、冷却器と、冷却器カバーと、励磁装置を内包し冷却器カバーおよびフレームと連通する励磁装置カバーと、内扇とを有する。回転整流器の径方向外表面には、励磁装置カバー内の冷却用気体を撹拌する複数の傾斜部１１８ａが周方向に沿って連続的に形成されている。【選択図】図３

Description

本発明は、回転整流器を有するブラシレス回転電機に関する。

同期回転電機においては、通常、固定子側に電機子巻線を設け回転子側に界磁巻線を設けている。回転子に設けられた界磁巻線への直流電力は、通常、静止側に設けられた整流器からブラシを介して供給される。このブラシはメンテナンスおよび交換が必要であることから、ブラシを不要とするために、回転子とともに回転する回転整流器を設けることによってブラシレス化を図る方式が知られている。

実開昭６３−１５６５５９号公報 実開昭６３−２１４７２号公報

整流器の発熱に対する外部からの冷却効果が大きい場合は、整流器をコンパクト化できることから、たとえば、整流器の近傍にロータシャフトに取り付けた冷却ファンを設ける方法が知られている（特許文献１）。この場合、ロータシャフトの軸方向に冷却ファンを取り付けるスペースが必要となる。

あるいは、整流器の保持リングを軸方向に挟んで、整流器と冷却ファンを相対するように設ける方法が知られている（特許文献２）。この場合、２つの整流器が互いに相対するような構成をとれないため、整流器を必要台数設置使用とする場合に、配置スペースが増大する等の配置上の影響がある。

そこで、本発明は、回転整流器を有するブラシレス回転電機において、回転整流器について配置スペースの増大等の影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るブラシレス回転電機は、回転可能に支持され軸方向に延びた主ロータシャフトと、その主ロータシャフトの径方向外側に固定されて軸方向に延びた主回転子鉄心とを有する主回転子と、前記主回転子鉄心の径方向外側に配されて、軸方向に延びる主固定子鉄心と、その主固定子鉄心に巻回された主固定子コイルとを有する主固定子と、前記主ロータシャフトの軸方向端部に結合され軸方向に延びた励磁装置ロータシャフトと、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する回転整流器と、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する励磁機回転子および前記励磁機回転子に対向するように前記励磁機回転子の径方向外側に配されて固定支持される励磁機固定子を有する励磁機とを具備する励磁装置と、前記主回転子鉄心および前記主固定子を収納するフレームと、前記フレーム内の前記主固定子および前記主回転子鉄心を冷却する冷却用気体を管外被冷却側流体として冷却する冷却器と、前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するための冷却器入口開口と、前記フレーム内に流出するための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記励磁装置を内包し、前記冷却器カバーおよび前記フレームと連通する励磁装置カバーと、前記主ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、を備えるブラシレス回転電機であって、前記回転整流器の径方向外表面には、前記励磁装置カバー内の前記冷却用気体を撹拌する複数の傾斜部が周方向に沿って連続的に形成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転整流器を有するブラシレス回転電機において、回転整流器について配置スペースの増大等の影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することができる。

第１の実施形態に係るブラシレス回転電機の立断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線矢視の４分の１横断面図である。 第１の実施形態に係るブラシレス回転電機における回転整流器の環状部材の斜視図である。 第２の実施形態に係るブラシレス回転電機における回転整流器の環状部材の斜視図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係るブラシレス回転電機の立断面図である。ブラシレス回転電機２００は、主回転子１０、主固定子２０、連結側軸受４１、励磁機側軸受４２、励磁装置１００、および冷却器６１を有する。

主回転子１０は、主ロータシャフト１１と、主ロータシャフト１１の径方向に取り付けられた主回転子鉄心１２を有する。主ロータシャフト１１は、軸方向に水平に延びて、連結側軸受４１および励磁機側軸受４２によって回転可能に支持されている。

主回転子鉄心１２は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造である。主回転子鉄心１２には図示しない界磁コイルが設けられている。主ロータシャフト１１には内扇１５が取り付けられている。

主固定子２０は、主回転子１０の径方向外側に設けられて、軸方向に延びた円筒状である。主固定子２０は、主固定子鉄心２１と主固定子コイル２２を有する。主固定子鉄心２１は、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の鋼板が軸方向に積層された積層構造である。主回転子鉄心１２の径方向外側に対向する主固定子鉄心２１の内側には周方向に互いに間隔をおいて軸方向に延びた図示しないスロットが形成されている。それぞれのスロット内および主固定子鉄心２１の軸方向の両外側には主固定子コイル２２が設けられている。

主回転子鉄心１２および主固定子２０の径方向外側には、フレーム５１が設けられている。フレーム５１の軸方向の両端には、連結側軸受ブラケット５２および励磁機側軸受ブラケット５３が取り付けられている。連結側軸受ブラケット５２は連結側軸受４１を固定支持しており、励磁機側軸受ブラケット５３は励磁機側軸受４２を固定支持している。

フレーム５１の上部には、冷却器カバー６２が設けられている。冷却器カバー６２は、冷却器６１を収納している。冷却器６１は、図示しない冷却管を有し、冷却管内のたとえば冷却水あるいは空気などの冷却媒体により、冷却管の外側を流れる冷却用気体が冷却される。

フレーム５１と冷却器カバー６２とは、冷却器入口開口５１ａおよび冷却器出口開口５１ｂによって連通している。冷却器入口開口５１ａは、内扇１５の上方に形成されている。また、冷却器出口開口５１ｂは、軸方向に主固定子２０を挟んで冷却器入口開口５１ａと反対側に形成されている。

フレーム５１内には円形の開口が形成された仕切り板５１ｃ、５１ｄが設けられている。仕切り板５１ｃは主固定子鉄心２１の連結側軸受４１方向の外側に設けられている。仕切り板５１ｄは主固定子鉄心２１の励磁機側軸受４２方向の外側に設けられている。

主ロータシャフト１１の励磁機側軸受４２によって支持されている部分の延長部分には、励磁装置ロータシャフト１１ａが接続されている。なお、本第１の実施形態では励磁装置ロータシャフト１１ａが主ロータシャフト１１と別の物である場合を示しているが、主ロータシャフト１１と励磁装置ロータシャフト１１ａとが一体で、主ロータシャフト１１の延長部分が励磁装置ロータシャフト１１ａを形成することでもよい。

励磁装置１００は、励磁機１２０および回転整流器１１０を有する。励磁機１２０は、励磁機回転子コイル（図示せず）を有する励磁機回転子１２１、および励磁機固定子１２２を有する。励磁機回転子１２１および回転整流器１１０は、励磁装置ロータシャフト１１ａに取り付けられ、励磁装置ロータシャフト１１ａとともに回転する。

励磁機固定子１２２は、励磁機回転子１２１の半径方向外側に励磁機回転子１２１に対向するように設けられ、環状であり、外部より静止支持されている。励磁機固定子１２２の図示しないコイルには、電源（図示せず）から直流電力が供給される。なお、励磁機固定子１２２は、コイルによる電磁石を用いた場合に限定されない。たとえば、ブラシレス回転電機２００の界磁電流すなわち主回転子１０のコイルに流れる電流の制御が不要な場合は、永久磁石の場合であってもよい。

励磁装置１００は、励磁装置カバー６３に覆われている。励磁装置カバー６３の冷却用気体の入口である励磁装置入口開口６４ａは、励磁装置入口ダクト６４を介して冷却器カバー６２内と連通している。また、励磁装置カバー６３の冷却用気体の出口である励磁装置出口開口６５ａは、励磁装置出口ダクト６５を介してフレーム５１内と連通している。

フレーム５１、連結側軸受ブラケット５２、励磁機側軸受ブラケット５３、冷却器カバー６２および励磁装置カバー６３は、互いに相俟って閉空間７０を形成している。閉空間７０内には、たとえば空気などの冷却用気体が内包されている。

閉空間７０は、フレーム中央部７１、ファン出口部７２、冷却器カバー部７３、フレーム入口部７４、励磁装置カバー部７５を有する。フレーム中央部７１は、仕切り板５１ｃおよび仕切り板５１ｄに挟まれた領域であり、その内部に主回転子鉄心１２および主固定子２０が設けられている。ファン出口部７２は、内扇１５および仕切り板５１ｃと連結側軸受４１の間の部分である。冷却器カバー部７３は、冷却器カバー６２内の部分である。フレーム入口部７４は励磁機側軸受４２と仕切り板５１ｄの間の部分である。励磁装置カバー部７５は、励磁装置カバー６３内の部分である。

図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視の４分の１横断面図である。励磁装置ロータシャフト１１ａには、保持リングともよばれる支持部材１１５が取り付けられている。支持部材１１５は、中央に貫通孔が形成され軸に垂直な方向に広がり円板状である。支持部材１１５には、周方向に互いに間隔をあけて支持部材開口１１５ａが形成されている。

支持部材１１５には、複数の回転整流器１１０が、周方向に互いに間隔をあけて設けられている。それぞれの回転整流器１１０は、整流素子１１１、放熱部１１２、連結部１１３、および締結部１１４を有する。それぞれ、２つの回転整流器１１０が、支持部材１１５を軸方向に挟んで配されている。放熱部１１２は、回転整流器１１０において最も径方向外側に配され、支持部材１１５を軸方向に貫通している。支持部材１１５を挟んで互いに隣接する２つの回転整流器１１０は、同一の放熱部１１２を共有し、整流素子１１１は支持部材１１５の軸方向両側で放熱部１１２に接続されている。

放熱部１１２の径方向内側の支持部材開口１１５ａに対向する位置には整流素子１１１が配されている。整流素子１１１で生じた熱は、放熱部１１２に伝わり放熱部１１２の表面から冷却用気体に伝達され放散される。回転整流器１１０において最も径方向内側に締結部１１４が配され、締結部１１４と整流素子１１１の間を連結部１１３が連結している。

円板上の支持部材１１５の径方向の端部には、支持部材１１５を囲むように、環状に形成された環状部材１１６が取り付けられている。回転整流器１１０の径方向表面、詳細には、環状部材１１６の径方向外側表面には、複数の傾斜部１１８ａ（図３）が連続的に形成されている。

図３は、ブラシレス回転電機における回転整流器の環状部材の斜視図である。環状部材１１６は、環状で、軸方向に拡がっている。環状部材１１６は、軸方向に、中央部１１７と中央部１１７を軸方向に挟む２つの攪拌部１１８の３つの部分を有する。それぞれの攪拌部１１８には、周方向にわたって複数の傾斜部１１８ａが連続して形成されている。周方向に互いに隣接する傾斜部１１８ａどうしは、径方向に段差を有する。回転整流器１１０の回転方向は、図２および図３の矢印Ａに示すように、傾斜部１１８ａにおいて周方向角度の変化に対して径が大きくなる側の周方向である。

以上のように構成された本実施形態においては、ブラシレス回転電機２００が運転中は、主ロータシャフト１１が回転する。この結果、内扇１５が回転し、閉空間７０内の冷却用気体を駆動する。冷却用気体は、閉空間７０内の各部分を循環する。すなわち、フレーム中央部７１から内扇１５に駆動されて、ファン出口部７２に流出し、冷却器入口開口５１ａを経て冷却器カバー部７３に流入する。冷却器カバー部７３内の冷却器６１において冷却された後、冷却器出口開口５１ｂを経由してフレーム入口部７４に流入し、さらにフレーム中央部７１に流入する。

また、冷却器カバー部７３からフレーム入口部７４への流路に並行して、励磁装置カバー部７５を経由する流路が存在する。すなわち、冷却器カバー部７３内の冷却器６１において冷却された後、励磁装置入口ダクト６４を通過して励磁装置カバー部７５に流入し、さらに、励磁装置出口ダクト６５を経由して、フレーム入口部７４に流入する。

励磁装置カバー部７５の冷却用気体は、励磁装置１００を冷却する。励磁装置カバー部７５への励磁装置入口ダクト６４の出口すなわち励磁装置入口開口６４ａが設けられている位置と、励磁装置カバー部７５から励磁装置出口ダクト６５の入口すなわち励磁装置出口開口６５ａが設けられている位置とは、図１では、比較的近接した状態で示されている。しかしながら、励磁装置入口開口６４ａと励磁装置出口開口６５ａとは互いに励磁装置１００を挟んで、たとえば反対側にあることが望ましい。すなわち、励磁装置カバー部７５に流入した冷却用気体は全量が励磁装置１００の冷却に寄与することが望ましい。

しかしながら、配置上の制限等により、励磁装置入口開口６４ａが設けられている位置と励磁装置出口開口６５ａが設けられている位置とが、必ずしも互いに反対側にあるとは限らない。また、反対側にあっても、通常は、必ずしも励磁装置カバー部７５を通過する冷却用気体の全量が、励磁装置カバー部７５内の励磁装置１００の冷却に寄与するわけでもない。

本実施形態においては、回転整流器１１０の環状部材１１６に傾斜部１１８ａが形成されていることから、励磁装置カバー部７５内の冷却用気体は、撹拌される。この結果、励磁装置カバー部７５内の冷却用気体の温度が均一化され、回転整流器１１０など部分的に高温となる部分の温度が低下する。

以上のように、本実施形態においては、回転整流器１１０を有するブラシレス回転電機２００において、回転整流器１１０について配置への影響を抑えながら励磁装置の冷却性能を確保することができる。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係るブラシレス回転電機における回転整流器の環状部材の斜視図である。

本実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、環状部材１１９には、径方向外表面の全体にわたり、複数の傾斜部１１９ａが、周方向に連続して形成されている。

また、それぞれの傾斜部１１９ａは、軸方向に周方向の形状が変化する。すなわち、傾斜部１１９ａの稜線は、軸方向に対して角度を有するように形成されている。

このため、回転整流器１１０の回転に伴い、環状部材の表面において、冷却用気体を軸方向に駆動するファン効果が生ずる。このように、本実施形態においては、攪拌効果による励磁装置カバー部７５内の冷却用気体の温度が均一化の効果に加えて、励磁装置カバー部７５側に流入する冷却用気体を増加させる効果が得られる。

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。

さらに、これらの実施形態は、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。

これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…主回転子、１１…主ロータシャフト、１１ａ…励磁装置ロータシャフト、１２…主回転子鉄心、１５…内扇、２０…主固定子、２１…主固定子鉄心、２２…主固定子コイル、４１…連結側軸受、４２…励磁機側軸受、５１…フレーム、５１ａ…冷却器入口開口、５１ｂ…冷却器出口開口、５１ｃ、５１ｄ…仕切り板、５２…連結側軸受ブラケット、５３…励磁機側軸受ブラケット、６１…冷却器、６２…冷却器カバー、６３…励磁装置カバー、６４…励磁装置入口ダクト、６４ａ…励磁装置入口開口、６５…励磁装置出口ダクト、６５ａ…励磁装置出口開口、７０…閉空間、７１…フレーム中央部、７２…ファン出口部、７３…冷却器カバー部、７４…フレーム入口部、７５…励磁装置カバー部、１００…励磁装置、１１０…回転整流器、１１１…整流素子、１１２…放熱部、１１３…連結部、１１４…締結部、１１５…支持部材、１１５ａ…支持部材開口、１１６…環状部材、１１７…中央部、１１８…攪拌部、１１８ａ…傾斜部、１１９…環状部材、１１９ａ…傾斜部、１２０…励磁機、１２１…励磁機回転子、１２２…励磁機固定子、２００…ブラシレス回転電機

Claims (3)

1. 回転可能に支持され軸方向に延びた主ロータシャフトと、その主ロータシャフトの径方向外側に固定されて軸方向に延びた主回転子鉄心とを有する主回転子と、
   前記主回転子鉄心の径方向外側に配されて、軸方向に延びる主固定子鉄心と、その主固定子鉄心に巻回された主固定子コイルとを有する主固定子と、
   前記主ロータシャフトの軸方向端部に結合され軸方向に延びた励磁装置ロータシャフトと、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する回転整流器と、前記励磁装置ロータシャフトとともに回転する励磁機回転子および前記励磁機回転子に対向するように前記励磁機回転子の径方向外側に配されて固定支持される励磁機固定子を有する励磁機とを具備する励磁装置と、
   前記主回転子鉄心および前記主固定子を収納するフレームと、
   前記フレーム内の前記主固定子および前記主回転子鉄心を冷却する冷却用気体を管外被冷却側流体として冷却する冷却器と、
   前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記フレーム内から流入するための冷却器入口開口と、前記フレーム内に流出するための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、
   前記励磁装置を内包し、前記冷却器カバーおよび前記フレームと連通する励磁装置カバーと、
   前記主ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、
   を備えるブラシレス回転電機であって、
   前記回転整流器の径方向外表面には、前記励磁装置カバー内の前記冷却用気体を撹拌する複数の傾斜部が周方向に沿って連続的に形成されている、
   ことを特徴とするブラシレス回転電機。
2. 前記傾斜部は、軸方向に角度を有するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス回転電機。
3. 前記回転整流器は、
   前記励磁装置ロータシャフトに取り付けられて径方向に広がり、整流素子を支持する円板状の支持部材と、
   前記支持部材の径方向外側に設けられて径方向表面に前記傾斜部が連続的に形成された環状部材と、
   を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のブラシレス回転電機。

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