JP2020162212A

JP2020162212A - 巻線界磁型同期機の冷却構造

Info

Publication number: JP2020162212A
Application number: JP2019056483A
Authority: JP
Inventors: 茂夫桜井; Shigeo Sakurai
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】界磁巻線から冷却液への伝熱効率を向上させることができる巻線界磁型同期機の冷却構造を提供する。【解決手段】ステータコア１１１にコイル１１２を装着された筒状をなすステータ１１０と、ステータ１１０の内部に同軸をなして回転可能に配設されてロータコア１２１の軸方向両端側に対をなして取り付けられた絶縁性を有する巻枠１３０を介してロータコア１２１に界磁巻線１２２を装着されたロータ１２０とを備えた同期機１００のロータ１２０の界磁巻線１２２へ冷却液１をかける巻線界磁型同期機の冷却構造であって、巻枠１３０が、ロータコア１２１の軸方向の端面を覆う軸端面部１３１，１３３と、軸端面部１３１，１３３にロータコア１２１の径方向へ沿って形成された第一のスリット１３９Ａとを有し、ロータ１２０のロータコア１２１の軸方向両端側へ上方から冷却液１を送給する送給管１４１を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、同期機のロータの界磁巻線へ冷却液をかける巻線界磁型同期機の冷却構造に関する。

ロータに設けられた界磁巻線に電気を流すことにより励磁させる同期機（ＷＦＳＭ）は、動作領域に対応して界磁電流を調整できることから、ロータに永久磁石を設けた同期機（ＰＭＳＭ）よりも、低トルク域での効率向上や、高速域での出力や効率の向上を図ることができる。

このような巻線界磁型同期機では、運転に伴って、界磁巻線が発熱するため、界磁巻線へ冷却液をかけることにより、界磁巻線を冷却しながら運転するようにしている。

国際公開第２０１６／０６７３５２号特開２０１０−２１３３９１号公報

前述したような従来の巻線界磁型同期機においては、界磁巻線が回転しているため、界磁巻線へ冷却液をかけると、界磁巻線の表面に付着した冷却液が遠心力によってすぐに離脱してしまい、界磁巻線から冷却液への伝熱効率が十分ではなかった。

このようなことから、本発明は、界磁巻線から冷却液への伝熱効率を向上させることができる巻線界磁型同期機の冷却構造を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造は、ステータコアにコイルを装着された筒状をなすステータと、前記ステータの内部に同軸をなして回転可能に配設されてロータコアの軸方向両端側に対をなして取り付けられた絶縁性を有する巻枠を介して当該ロータコアに界磁巻線を装着されたロータとを備えた同期機の前記ロータの前記界磁巻線へ冷却液をかける巻線界磁型同期機の冷却構造であって、前記巻枠が、前記ロータコアの軸方向の端面を覆う軸端面部と、前記軸端面部に前記ロータコアの径方向へ沿って形成された第一のスリットとを有し、前記ロータの前記ロータコアの軸方向両端側へ上方から冷却液を送給する冷却液送給手段を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造は、上述した巻線界磁型同期機の冷却構造であって、前記巻枠が、前記ロータコアの軸方向外側へ向かって突出するように前記軸端面部に設けられて前記界磁巻線を覆うカバーフランジと、前記カバーフランジに前記ロータコアの径方向へ貫通するように形成された第二のスリットとをさらに有していることを特徴とする。

また、本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造は、上述した巻線界磁型同期機の冷却構造であって、前記冷却液送給手段が、前記ステータの前記ステータコアの上方に位置するコイルエンドの間隙を貫通するように当該ステータコアの軸方向両端側にそれぞれ配設されて上端から下端へ向けて冷却液を流通させる送給管を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造は、上述した巻線界磁型同期機の冷却構造であって、前記巻枠よりも高い熱伝導率を有する絶縁材料からなる伝熱部材が当該巻枠の少なくとも前記第一のスリット内に取り付けられていることを特徴とする。

本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造によれば、冷却液送給手段がロータのロータコアの軸方向両端側に上方から冷却液を送給すると、冷却液が、ロータコアの上方に位置する巻枠の前記スリット内に入り込んで、界磁巻線のコイルエンドの内側に供給され、当該コイルエンドの内側の間隙に一旦入り込んだ後、ロータの回転に伴う遠心力及び重力により、当該コイルエンドが下方に位置して巻枠の当該スリットから外部へすべて排出されるまで当該コイルエンドの内側の間隙に滞留していることから、冷却液とロータのコイルエンドとの接触時間を長くすることができ、冷却液とコイルエンドとの間での伝熱効率を高くすることができるので、ロータの界磁巻線から冷却液への伝熱効率を向上させることができる。

本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造の主な実施形態の要部の構成図である。図１のII−II線断面矢線視図である。図１，２の巻枠の正面側の斜視図である。図１，２の巻枠の背面側の斜視図である。本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造の他の実施形態の巻枠の正面側の斜視図である。図５の巻枠の背面側の斜視図である。本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造のさらに他の実施形態の巻枠の正面側の斜視図である。図７の巻枠の背面側の斜視図である。

本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

〈主な実施形態〉
本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造の主な実施形態を図１〜４に基づいて説明する。

図１，２に示すように、ハウジング（図示省略）に固定支持された筒状をなすステータ１１０の内部には、突極型のロータ１２０が同軸をなして配設されている。前記ロータ１２０は、前記ハウジングに回転可能に支持された回転軸１０１に同軸をなして取り付けられている。

前記ステータ１１０のステータコア１１１の内周に複数形成されたスロット１１１ａには、コイル１１２が装着されている。前記ロータ１２０のロータコア１２１の軸方向両端側には、ヨーク部１２１ａ及び突極部１２１ｂ並びに頭部１２１ｃを覆う対をなす巻枠１３０がそれぞれ取り付けられており、当該巻枠１３０は、ポリサルフォン（ＰＳＦ）やポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の絶縁性材料からなり、以下のような構造となっている。

図３，４に示すように、前記巻枠１３０は、前記ヨーク部１２１ａの、軸方向の端面を覆うヨーク軸端面部１３１と、当該ヨーク部１２１ａの、径方向外側の周面を覆うヨーク外周面部１３２と、前記突極部１２１ｂの、軸方向の端面を覆う突極軸端面部１３３と、前記突極部１２１ｂの、周方向外側の端面を覆う突極周端面部１３４と、前記頭部１２１ｃの、軸方向の端面を覆う頭軸端面部１３５と、前記頭部１２１ｃの、径方向内側の端面を覆う頭内端面部１３６とを有している。

また、前記巻枠１３０は、前記突極軸端面部１３３と前記突極周端面部１３４との間に設けられたガイド溝１３７と、前記ロータコア１２１の軸方向外側へ向かって突出するように前記突極軸端面部１３３と前記頭軸端面部１３５との間に設けられたカバーフランジ１３８とを有している。

さらに、前記巻枠１３０は、前記突極軸端面部１３３及び前記頭軸端面部１３５の幅方向（図３，４中、左右方向）中程に前記ロータコア１２１の径方向（図３，４中、上下方向）へ沿って形成されて当該ロータコア１２１の軸方向（図１中、紙面垂直方向、図２中、左右方向）へ貫通するように切り欠かれた第一のスリット１３９Ａと、前記カバーフランジ１３８の幅方向（図３中、左右方向）中程に前記ロータコア１２１の軸方向（図１中、紙面垂直方向、図２中、左右方向）へ沿って形成されて当該ロータコア１２１の径方向（図２，３中、上下方向）へ貫通するように切り欠かれた第二のスリット１３９Ｂとを有している。

そして、対をなす前記巻枠１３０には、界磁巻線であるコイル１２２が前記ロータコア１２１の前記突極部１２１ｂに装着されるように前記突極軸端面部１３３及び前記突極周端面部１３４並びに前記ガイド溝１３７に巻回されている（図１，２参照）。

また、図１，２に示すように、前記ステータ１１０の前記ステータコア１１１の軸方向両端面の上方には、当該ステータコア１１１の径方向に沿って軸方向を向けた送給管１４１がコイルエンド１１２ａの間隙を貫通するようにして当該ステータコア１１１の周方向に沿って複数（本実施形態では３本）配設されており、当該送給管１４１は、上端から下端へ向けて冷却液１を流通させることができるようになっている。

なお、本実施形態においては、前記巻枠１３０の前記ヨーク軸端面部１３１、前記突極軸端面部１３３、前記頭軸端面部１３５により、巻枠の軸端面部を構成し、前記送給管１４１等により冷却液送給手段を構成している。

このような本実施形態に係る巻線界磁型同期機１００においては、前記送給管１４１の上端に冷却液１を供給すると、当該冷却液１が、当該送給管１４１の内部を流通して、当該送給管１４１の下端から送出され、前記ロータコア１２１の上方に位置する前記頭部１２１ｃへかけられると共に、前記巻枠１３０の前記第一のスリット１３９Ａ内及び前記第二のスリット１３９Ｂ内に入り込んで、前記コイルエンド１２２ａの内側に供給される。

そして、前記ロータ１２０の回転に伴って、前記ロータコア１２１の前記頭部１２１ｃにかけられた冷却液１は、遠心力によってすぐに離脱してしまうものの、前記巻枠１３０の前記第一，二のスリット１３９Ａ，１３９Ｂから前記コイルエンド１２２ａの内側に供給された冷却液１は、当該コイルエンド１２２ａの内側の間隙に一旦入り込んだ後、上記遠心力及び重力によって、当該コイルエンド１２２ａが下方に位置して上記巻枠１３０の上記第一，二のスリット１３９Ａ，１３９Ｂから外部へすべて排出されるまで当該コイルエンド１２２ａの内側の間隙に滞留する。以下、上記ロータ１２０の上記コイルエンド１２２ａは、回転に伴って、上述した上記冷却液１の供給と排出とが繰り返される。

これにより、前記冷却液１は、前記ロータ１２０の前記コイルエンド１２２ａとの接触時間が長くなり、当該コイルエンド１２２ａとの間での伝熱効率が高くなる。

したがって、本実施形態によれば、前記ロータ１２０の前記コイル１２２から前記冷却液１への伝熱効率を向上させることができる。

また、前記コイルエンド１２２ａの熱の籠り易い内側に冷却液１を確実に供給することができるので、冷却効率を大きく向上させることができる。

〈他の実施形態〉
なお、前述した実施形態においては、前記ステータ１１０の前記ステータコア１１１の径方向に沿って軸方向を向けた送給管１４１を当該ステータコア１１１の軸方向両端面の上方に前記コイルエンド１１２ａの間隙を貫通させるように配設することにより、前記ロータ１２０の前記ロータコア１２１の軸方向両端側に上方から冷却液１を送給できるようにして、前記巻枠１３０の前記第一のスリット１３９Ａ内及び前記第二のスリット１３９Ｂ内に供給して前記コイルエンド１２２ａの内側に入れ込むようにしたが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、前記ステータ１１０の前記ステータコア１１１の軸方向両端面の上方の前記コイルエンド１１２ａの上方から冷却液１を送給できるように送給管を当該コイルエンド１１２ａよりも上方に配設し、前記ステータ１１０の巻枠（ボビン）に対しても前記ロータ１２０の前記巻枠１３０の前記スリット１３９Ａ，１３９Ｂと同様なスリットを形成すると、当該ステータ１１０の当該コイルエンド１１２ａに冷却液１をかけながら当該ロータ１２０の当該ロータコア１２１の軸方向両端側に上方から冷却液１を送給できるので、当該ステータ１１０の当該コイルエンド１１２ａを冷却しつつ前記巻枠１３０の前記第一のスリット１３９Ａ内及び前記第二のスリット１３９Ｂ内に冷却液１を供給して前記コイルエンド１２２ａの内側の間隙に入れ込むことができ、前述した実施形態と同じ部品点数で前記ステータ１１０の前記コイルエンド１１２ａの冷却も実施できる。

また、前述した実施形態においては、前記ロータ１２０の突極型の前記ロータコア１２１の前記コイルエンド１２２ａに冷却液１をかける場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の実施形態として、例えば、ロータの円筒型のロータコアのコイルエンドに冷却液をかける場合であっても、前述した実施形態の場合と同様に、巻枠（ボビン）の軸端面部にロータコアの径方向へ沿って第一のスリットを形成し、巻枠（ボビン）のカバーフランジにロータコアの径方向へ貫通する第二のスリットを形成し、ロータのロータコアの軸方向両端側へ上方から冷却液を送給するようにすれば、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。

また、他の実施形態として、例えば、図５，６に示すようにＰＳＦやＰＰＳ等の絶縁性材料からなる前記巻枠１３０の熱伝導率（０．２〜０．３Ｗ／ｍ・Ｋ）よりも高い熱伝導率を有するアルミナ（８〜３２Ｗ／ｍ・Ｋ）やエポキシ系モールド材（１〜４Ｗ／ｍ・Ｋ）等の絶縁性材料からなる伝熱部材２５１を前記巻枠１３０の前記第一のスリット１３９Ａ内に取り付けると、当該伝熱部材２５１に冷却液１がかかることによっても、前記ロータ１２０の前記コイルエンド１２２ａの内側を冷却することができ、冷却効率をさらに高めることができる。

さらに、例えば、前記巻枠１３０の前記頭軸端面部１３５及び前記カバーフランジ１３８に代えて、図７，８に示すように、アルミナ（８〜３２Ｗ／ｍ・Ｋ）やエポキシ系モールド材（１〜４Ｗ／ｍ・Ｋ）等の絶縁性材料からなる伝熱部材２５２を設けるようにした巻枠２３０であれば、前記ロータ１２０の前記コイルエンド１２２ａの内側をより冷却することができ、冷却効率をより高めることができる。

本発明に係る巻線界磁型同期機の冷却構造は、ロータの界磁巻線から冷却液への伝熱効率を向上させることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

１冷却液
１００巻線界磁型同期機
１０１回転軸
１１０ステータ
１１１ステータコア
１１１ａスロット
１１２コイル
１１２ａコイルエンド
１２０ロータ
１２１ロータコア
１２１ａヨーク部
１２１ｂ突極部
１２１ｃ頭部
１２２コイル（界磁巻線）
１２２ａコイルエンド
１３０，２３０巻枠
１３１ヨーク軸端面部
１３２ヨーク外周面部
１３３突極軸端面部
１３４突極周端面部
１３５頭軸端面部
１３６頭内端面部
１３７ガイド溝
１３８カバーフランジ
１３９Ａ第一のスリット
１３９Ｂ第二のスリット
１４１送給管
２５１，２５２伝熱部材

Claims

ステータコアにコイルを装着された筒状をなすステータと、
前記ステータの内部に同軸をなして回転可能に配設されてロータコアの軸方向両端側に対をなして取り付けられた絶縁性を有する巻枠を介して当該ロータコアに界磁巻線を装着されたロータと
を備えた同期機の前記ロータの前記界磁巻線へ冷却液をかける巻線界磁型同期機の冷却構造であって、
前記巻枠が、
前記ロータコアの軸方向の端面を覆う軸端面部と、
前記軸端面部に前記ロータコアの径方向へ沿って形成された第一のスリットと
を有し、
前記ロータの前記ロータコアの軸方向両端側へ上方から冷却液を送給する冷却液送給手段を備えている
ことを特徴とする巻線界磁型同期機の冷却構造。
請求項１に記載の巻線界磁型同期機の冷却構造であって、
前記巻枠が、
前記ロータコアの軸方向外側へ向かって突出するように前記軸端面部に設けられて前記界磁巻線を覆うカバーフランジと、
前記カバーフランジに前記ロータコアの径方向へ貫通するように形成された第二のスリットと
をさらに有している
ことを特徴とする巻線界磁型同期機の冷却構造。
請求項１又は請求項２に記載の巻線界磁型同期機の冷却構造であって、
前記冷却液送給手段が、
前記ステータの前記ステータコアの上方に位置するコイルエンドの間隙を貫通するように当該ステータコアの軸方向両端側にそれぞれ配設されて上端から下端へ向けて冷却液を流通させる送給管を備えている
ことを特徴とする巻線界磁型同期機の冷却構造。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の巻線界磁型同期機の冷却構造であって、
前記巻枠よりも高い熱伝導率を有する絶縁材料からなる伝熱部材が当該巻枠の少なくとも前記第一のスリット内に取り付けられている
ことを特徴とする巻線界磁型同期機の冷却構造。