JP2021150983A

JP2021150983A - 回転電機

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Publication number: JP2021150983A
Application number: JP2020045365A
Authority: JP
Inventors: 大祐郡; Daisuke Koori; 愼治杉本; Shinji Sugimoto; 克彦藤井; Katsuhiko Fujii; 摂土谷; Setsu Tsuchiya; 水里里; Misato Sato; 能久千葉; Yoshihisa Chiba
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2020-03-16
Filing date: 2020-03-16
Publication date: 2021-09-27
Anticipated expiration: 2040-03-16
Also published as: WO2021186787A1; JP7341087B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、回転電機における粉塵の除去効率を向上することにある。【解決手段】回転電機１００は、回転子２及び固定子３を内部に収容するフレーム１と、フレーム１に設けられ送風機３０１から送られる冷媒９をフレーム１の内部に取り入れる冷媒取入口８と、を備える。回転子２は、回転軸５に設けられた円形平板６を有する。円形平板６は、フレーム１の内部空間を、円形平板６に対して回転子２の側とは反対側に位置する第１空間７ａと、円形平板６に対して回転子２の側に位置する第２空間７ｂと、に区分すると共に、円形平板６の外周部とフレーム１の内壁面１ａａとの間に空隙７ｃを形成するように設けられる。さらにフレーム１は、回転軸方向における円形平板６と回転子２及び固定子３との間に、第２空間７ｂとフレーム１の外部とを連通する連通部１０を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、回転子と固定子とを備えた回転電機、及びこれを用いたダンプトラックの回転電機システムに関する。

近年、CO₂の排出量を抑えるために、回転電機の高効率化が図られている。また、自動車や鉄道等のビークル系に適用される回転電機に関しては、高効率化の他に小型・軽量化も求められている。回転電機の軽量化を図ることで、車体自体を軽くすることができることから、燃費が向上し、結果的に自動車や鉄道システムとしての効率を向上することに繋がっている。

一般的に、小型・軽量化と回転電機の効率とはトレードオフの関係になるため、小型・軽量化を優先させれば回転電機の効率は低下する。即ち、損失が大きくなることを意味している。つまり、出力密度の増加と同時に発熱密度も増加することになる。このため、小型・軽量化を優先して回転電機として成立させるためには、冷却性能の向上が必須となる。

回転電機の冷却方式には様々な方式があるが、構造が単純で冷却性能が高い冷却方式は軸流開放型である。軸流開放型の冷却方式の構造は、回転電機の内部と外部(外気) とがダイレクトに繋がっている。回転電機を冷却するための冷媒は回転電機内の回転軸に配置される自励ファンや、回転電機とは別に設置される電動送風機により得ることができる。特に、回転電機が停止中でも冷却する必要がある場合等は電動送風機により、強制的に冷媒を回転電機内に流す方法(強制通風方式)が採用される。軸流開放型での強制通風方式では、外部の冷媒を回転電機内に送り込むため、冷媒中に粉塵等のゴミが混入することになる。粉塵の大きさや種類は適用される環境によって変わってくる。

ビークル系に適用される回転電機のうち、特に過酷環境下で使用されるものとして大型のダンプトラックが挙げられる。ダンプトラックに適用される回転電機の冷却方式は上述したように、軸流開放型の強制通風方式である。ダンプトラックは車高が高く、電動送風機が高い位置に配置されるため、宙に舞った微細な粒子からなる土煙等の粉塵を含む冷媒が回転電機内に送風されることになる。このため、回転電機内に微細な粉塵が、回転電機内の通風路に堆積し、固着する。この粉塵を除去するために、過大なメンテンナス時間を要している。

特開２００４−３６４４６６号公報（特許文献１）には、電動機（回転電機）内に堆積する塵埃（粉塵）を効果的に除去するようにした車両用主電動機が記載されている。特許文献1の車両用主電動機は、外気取入口から冷却ファンによって取り入れた冷却風を、固定子と回転子との間の空隙、回転子に設けられた風穴に導入し、電動機内を冷却する。放熱フィン側に送り出された冷却風は放熱フィンに沿って排気口の方向に導かれ、排気口から外部に排出される。固定子及び回転子に対して冷却ファンが設けられた側のブラケットには塵埃排出口とこの塵埃排出口が連通する排出口とが設けられており、塵埃排出口の入り口部分や内部に溜まった塵埃や水分は塵埃排出口を通って排出口から機外に排出される（要約及び図１参照）。特許文献1の車両用主電動機は、冷却ファンが押し込みファンで構成され、外気取入口から取り入れた空気を電動機内部空間に送り込んでいる（段落０００９参照）。

特開２００４−３６４４６６号公報

特許文献１の車両用主電動機は、冷却ファンが押し込みファンで構成され、押し込みファンと塵埃排出口との位置関係、及び押し込みファンによる冷媒（空気）の流れ方から、塵埃を除去する効率の向上に限界がある。

本発明の目的は、回転電機における粉塵の除去効率を向上することにある。

上記目的を達成するために、本発明の回転電機は、
回転軸を有する回転子と、
径方向において前記回転子と対向する固定子と、
前記回転子及び前記固定子を内部に収容するフレームと、
前記フレームに設けられ、当該フレームの外部に設けられた送風機から送られる冷媒を当該フレームの内部に取り入れる冷媒取入口と、
を備え、
前記回転子は、前記回転軸に設けられた円形平板を有し、
前記円形平板は、回転軸方向において、前記フレームの内部空間を、当該円形平板に対して前記回転子及び前記固定子の側とは反対側に位置する第１空間と、当該円形平板に対して前記回転子及び前記固定子の側に位置する第２空間と、に区分すると共に、当該円形平板の外周部と前記フレームとの間に前記第１空間と前記第２空間とを連通する空隙を形成するように設けられ、
前記フレームは、回転軸方向における前記円形平板と前記回転子及び前記固定子との間に、前記第２空間と当該フレームの外部とを連通する連通部を有する。

本発明によれば、軸流開放型冷却構造による強制通風方式を適用した際に、回転電機内に流入する粉塵を低減できる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る回転電機の構成の概略を示す断面図である。本発明の一実施例に係る回転電機内の冷媒の流れの状態を示す概念図である。本発明の一実施例に係る回転電機の回転子及び固定子の、回転軸方向に垂直な断面の一部を示す断面図である。本発明の一実施例に係る回転電機における円形平板の構成の一例を示す図である。本発明の一実施例に係る図であり、貫通孔の周方向の配置を示す図である。本発明の一実施例に係る図であり、貫通孔の形状を示す説明図である。本発明の一実施例に係る回転電機の通風抵抗を電気回路的に図示した概念図である。本発明の一実施例に係る貫通孔の配置を変更した変更例を示す断面図である。図８の変更例について、円筒状のフレームを平面状に展開した状態で、貫通孔の配置を示す図である。図９の貫通孔の配置を更に変更した変更例を示す図である。本発明の一実施例に係る貫通孔の内側に粉塵溜まりを設けた変更例を示す断面図である。本発明の一実施例に係る冷媒取入口の位置を変更した変更例を示す断面図である。本発明の一実施例に係る冷媒取入口の位置を変更した変更例を示す断面図である。本発明の一実施例に係る円形平板の変更例を示す斜視図である。本発明の一実施例に係る円形平板の変更例を示す斜視図である。本発明の一実施例に係るダンプトラックの回転電機システムの概略構成図である。本発明との比較例における回転電機内の冷媒流れを示す概念図である。

以下、本発明の一実施例に係る回転電機及びダンプトラックの回転電機システムについて、図１〜１７を用いて説明する。各図において同一部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の一実施例に係る回転電機の構成の概略を示す断面図である。以下の説明において、回転軸５に沿う方向を回転軸方向、又は単に軸方向と呼んで説明する。この回転軸方向は、図１において一点鎖線５ａに沿う方向であり、この一点鎖線５ａは回転軸５の中心線を表している。
１００は、主にエンジンと接続して使用する回転電機である。出力は数千KVA、回転速度は数千ｒｐｍクラスの回転電機であり、大型ダンプトラックの電源として適用される。図１に示すように、フレーム１内に、回転子２及び固定子３が配置される。フレーム１は円筒状の本体部分１ａと、本体部分の回転軸方向の端部に設けられるブラケット部（回転軸方向の端面部）１ｂとを有する。フレーム１の本体部分１ａとブラケット部１ｂとは一体に形成されてもよいし、別部材として構成されてもよい。フレーム１には、回転軸方向の一方の側に、回転子２が回転するための軸受け４が設けてある。図１において、軸受け４が無い他方は、この回転電機１００に接続される図示しないエンジン側の軸受けで支持される。本実施例の構成に替えて、回転電機１００の回転軸方向の両側に軸受け４を設けてもよい。回転子２は回転軸（シャフト）５に固定されており、更に回転軸５には円形平板６が締結により固定されている。円形平板６とフレーム１、回転子２及び固定子３との間には空間７が設けられる。

空間７は、回転軸方向において、回転子２及び固定子３の両側に形成される空間のうち、円形平板６が設けられる側の空間である。空間７は、円形平板６とブラケット部１ｂとの間に形成される第１空間７ａと、円形平板６と回転子２及び固定子３との間に形成される第２空間７ｂと、円形平板６とフレーム１の本体部分１ａの内周面（内壁面）１ａａとの間に形成される空隙７ｃと、を含んで構成される。空隙７ｃは第１空間７ａと第２空間７ｂとを連通する。

次に、図２を用いて、冷媒の流れについて説明する。図２は、本発明の一実施例に係る回転電機内の冷媒の流れの状態を示す概念図である。

フレーム１には冷媒９である空気が流入する冷媒取入口（流入口）８が配置される。冷媒取入口８は空間７に冷媒を導入するように設けられる。冷媒９は、回転電機１００とは別に設けられる送風機３０１により、冷媒取入口８を介して空間７ａに送り込まれる。なお冷媒取入口８は、送風機３０１に接続されて冷媒９を流す配管を含む構成であってもよい。

送風機３０１により送り込まれる冷媒９は、円形平板６により回転電機１００の内部を遮られた空間７ａに流れる。すなわち空間７は、円形平板６により空間７ａと空間７ｂとに分けられており、冷媒９は送風機３０１により空間７ａの側に導入される。空間７ｂは円形平板６に対して回転子２及び固定子３の側に位置する空間であり、空間７ａは円形平板６に対して空間７ｂの側とは反対側、すなわちブラケット部７ｂの側に位置する空間である。

流入した冷媒９は円形平板６により区切られた回転軸方向に扁平な空間に導入され、円形平板６により回転軸方向への流れが遮られる。このため、図２に示すように、冷媒９はフレーム１内で回転軸５の周りを旋回する旋回流９ａとなる。流出側（図２の左側）は大気に開放されるため、冷媒９は円形平板６とフレーム１との間の空間７ａを旋回した後、空間７ｂを介して流出側へ流れる。空間７ｂを流れる冷媒９ｂも回転軸５の周りを旋回する旋回流となっている。外部から空間７ａに導入される冷媒９は粉塵１１を含んでいる。冷媒９は旋回して旋回流９ａを形成することで、粉塵１１が遠心力により径方向外側に移動し、フレーム１の内周面１ａａ（内壁面）に沿って流れる。

円形平板６と固定子３との間には貫通孔１０が設けられている。貫通孔１０は、第２空間７ｂとフレーム１の外部とを連通する連通部として設けられ、粉塵１１の排出口を構成する。この貫通孔１０の大きさを適切に設定することで、冷媒（旋回流）９ａは貫通孔１０側と回転子２及び固定子３側とに分かれて流れる。貫通孔１０の大きさの設定については、後で詳細に説明する。粉塵１１は旋回流９ａ，９ｂにより空間７ａの外周側（内周面１ａａ側）に振られていることから、貫通孔１０から一部の冷媒９ｃと共に回転電機１００の外へ排出される。このため、粉塵１１は貫通孔１０から効率的に除去される。これにより、空間７ｂを流れる旋回流９ｂからは粉塵１１が除去され、回転子２及び固定子３には粉塵１１が除去された冷媒（クリーン冷媒）１２が供給される。

上述した様に、本実施例の回転電機１００は、回転軸５を有する回転子２と、径方向において回転子２と対向する固定子３と、回転子２及び固定子３を内部に収容するフレーム１と、フレーム１に設けられフレーム１の外部に設けられた送風機３０１から送られる冷媒９をフレーム１の内部に取り入れる冷媒取入口８と、を備える。回転子２は、回転軸５に設けられた円形平板６を有する。円形平板６は、回転軸方向において、フレーム１の内部空間を、円形平板６に対して回転子２及び固定子３の側とは反対側に位置する第１空間７ａと、円形平板６に対して回転子２及び固定子３の側に位置する第２空間７ｂと、に区分すると共に、円形平板６の外周部とフレーム１の内壁面１ａａとの間に第１空間７ａと第２空間７ｂとを連通する空隙７ｃを形成するように設けられる。さらにフレーム１は、回転軸方向における円形平板６と回転子２及び固定子３との間に、第２空間７ｂとフレーム１の外部とを連通する連通部（貫通孔）１０を有する。

この場合、円形平板６、第１空間７ａ及び冷媒取入口１０は、冷媒９に、第１空間７ａに第１空間７ａの内壁面１ａａの周方向に沿って流れる旋回流を生じさせる。

図３は、本発明の一実施例に係る回転電機の回転子及び固定子の、回転軸方向に垂直な断面の一部を示す断面図である。図３の断面図は、回転子２及び固定子３の周方向の１／１０の断面部分を示している。

本実施例の回転電機１００は、極数が１０極、固定子３のスロット数が９０であるが、他の極数、スロット数としても本発明の効果は得られる。また、回転電機１００の種類としては界磁巻線形同期回転電機であるが、誘導回転電機、永久磁石型回転電機等のその他の回転電機に適用しても、本実施例での粉塵除去効果は得られる。

回転子２及び固定子３を構成する主な部品として、回転子鉄心１３、固定子鉄心１４、界磁コイル１５、固定子コイル１６、ダンパーバー１８、回転子楔１９、及び固定子楔２０を含んで構成される。径方向において、回転子２と固定子３との間には、ギャップ１７が構成されている。

回転子鉄心１３の内径側には、回転軸方向にクリーン冷媒１２を流すためのアキシャルダクト２１が設けられている。アキシャルダクト２１は、径方向において、界磁コイル１５と回転軸５との間に設けられている。固定子２とフレーム１との固定部１ｃは周方向に所定の間隔で複数設けられており、複数の固定部１ｃの間には回転軸方向にクリーン冷媒１２を流すための背面ダクト２２が設けられている。よって、クリーン冷媒１２はギャップ１７、背面ダクト２２及びアキシャルダクト２１に分流して流れ、回転子２及び固定子３を冷却しながら大気に放出される。

以上説明したように、粉塵１１を含む冷媒９は粉塵１１とクリーン冷媒１２とに分離される。このように、粉塵１１を効率的に除去できる要因として、冷媒９が旋回流９ａを形成し易くすることが肝要であり、そのための主要な構成部品は円形平板６である。

仮に円形平板６が無い場合の流れを、図１７を用いて説明する。図１７は、本発明との比較例における回転電機内の冷媒流れを示す概念図である。

図１７の比較例では、円形平板６が設けられていない点で、図１に示す本発明に係る実施例と相違する。この比較例では、流入した冷媒９は旋回流を形成することなく、直接、回転子２及び固定子３へ流れる。冷媒取入口８から空間７に流入した冷媒９はその一部９ｃが分流して貫通孔１０から外部へ排出されるが、冷媒９に含まれる粉塵の多くは径方向中央部を流れる冷媒９ｄに乗って回転子２及び固定子３に到る。回転子２及び固定子３にたどり着いた粉塵は、冷媒流路１７，２１，２２に堆積してしまい、結果的に冷媒流量の減少を招くか、冷却効果の低下を招くことで冷媒流量が減ったことと同じ状態となる。

本実施例では、円形平板６はファンとしての機能は無いため、通常のファンを回転軸５６に設けた構成と比べて、損失を低減できる。これが円形平板６を採用している所以である。また、旋回流を発生させやすくするため、フレーム１は円筒形状が好ましい。

図４は、本発明の一実施例に係る回転電機における円形平板の構成の一例を示す図である。円形平板６は回転軸５と一体に形成してもよいし、回転軸５とは別部品として回転軸５に焼き嵌めにより固定してもよいし、または図４に示すようにボルト２３にて回転軸５に設けた鍔部５ａと締結しても良い。円形平板６を回転軸５と一体に形成することにより、部品点数を削減することができる。また円形平板６を回転軸５に焼き嵌めしたり締結したりすることにより、円形平板６を回転軸５に簡単に組み付けることができる。

図５は、本発明の一実施例に係る図であり、貫通孔の周方向の配置を示す図である。本実施例では、貫通孔１０は周方向に一定の間隔をあけて複数設けている。これにより、粉塵１１の除去効率を向上することができる。貫通孔１０は回転電機１００が配置される環境に応じて適宜、配置すれば良い。

図６は、本発明の一実施例に係る図であり、貫通孔の形状を示す説明図である。貫通孔１０は、圧力損失を低減して、なるべく粉塵１１を排出し易くできるように、径を外部に向かって広がるよう形成するとよい（図６（Ａ））。すなわち貫通孔１０は、径方向外側に向かって拡径するように形成されるとよい。更に貫通孔１０は、内壁面１ａａ側の入り口部に曲線部２４を設けて、圧力損失を低減するようにするとよい（図６（Ｂ））。

図７は、本発明の一実施例に係る回転電機の通風抵抗を電気回路的に図示した概念図である。

図１に示すように、回転電機１００は、冷媒９が流れる複数の主要な流路を有しており、空隙７ｃの流路（第１流路）の面積をＳａ、フレーム１の内壁面１ａａと固定子コイルエンド２５との間の流路（第２流路）の面積をＳｂ、界磁コイルエンド２６と固定子コイルエンド２５との間の流路（第３流路）の面積をＳｃ、界磁コイルエンド２６と回転軸５との間の流路（第４流路）の面積をＳｄ、貫通孔１０の流路（第５流路）の面積をＳｅとする。なお上記流路面積Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅは、冷媒の流れ方向に垂直な流路断面積である。また、流路面積Ｓａを構成する第１流路及び流路面積Ｓｃを構成する第３流路は周方向に連続した１つの流路として構成されており、その他の第２流路、第４流路及び第５流路はそれぞれ周方向に複数の流路に分割されている。この場合、第２流路、第４流路及び第５流路の各流路面積Ｓｂ，Ｓｄ，Ｓｅはそれぞれ分割された複数の流路の総断面積である。

なお、フレーム１の内壁面１ａａと固定子コイルエンド２５との間の第２流路は、背面ダクト２２における流路面積が最も狭く、この第２流路の面積Ｓｂは背面ダクト２２の流路面積が代表するものとする。界磁コイルエンド２６と固定子コイルエンド２５との間の第３流路は、ギャップ１７における流路面積が最も狭く、この第３流路の面積Ｓｃはギャップ１７の流路面積が代表するものとする。界磁コイルエンド２６と回転軸５との間の第４流路は、アキシャルダクト２１における流路面積が最も狭く、この第４流路の面積Ｓｄはアキシャルダクト２１の流路面積が代表するものとする。

回転電機１００内に流れ込んだ冷媒９が旋回流を形成して最初に通過する流路部は流路面積Ｓａの第１流路である。つまり、Ｓａの大きさにより、Ｓａより下流側へ流れる流量が決まることになる。よって、Ｓａより下流側に設けられる各流路面積Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅの合成流路面積はＳａより小さいことが好ましい。逆にＳａより下流側の流路面積Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅの合成流路面積の方を大きくしても、Ｓａを通過した流量以上にはなることは無い。従って、回転子２及び固定子３の冷却性能を向上させるには、流路面積Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅの合成流路面積をＳａよりも小さくし、冷媒９の流速を上げて熱伝達率を増加させる方が効果的である。

すなわち本実施例では、回転子２及び固定子３は、それぞれに、回転軸方向に冷媒が流れる流路１７，２１，２２が設けられ、円形平板６の外周部とフレーム１との間に形成される空隙７ｃの面積Ｓａは、回転子２及び固定子３に設けられる流路１７，２１，２２の面積Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｃよりも大きい。

ここで、上記の流路面積と流量、圧力の関係について説明する。流体流れと圧力の関係は次式で表される。

ここで、P:静圧、γ:密度、ζ:損失係数、v:流速、Q:流量、A_area:流路面積、R:流路抵抗である。

（１）式で示すように、静圧Pは流量Qの二乗と流路抵抗との積で表すことができる。一般的に、電圧、電流の関係を流体の流れに置き換えて説明されている文献等がある。このことから、逆に、流体の流れを電気回路として置き換えることもできる。仮に（１）式の密度γ、損失係数ζを同じとした場合、流路抵抗Rは流路面積A_areaで決まることになる。図１で示した、各流路面積を流路抵抗に置き換えて、電気回路的に図示すると図７となる。図１のＳａ部（第１流路）の流路抵抗がR_A、Ｓｂ部（第２流路）の流路抵抗がR_B、Ｓｃ部（第３流路）の流路抵抗がR_C、Ｓｄ部（第４流路）の流路抵抗がR_D、Ｓｅ部（第５流路）の流路抵抗がR_Eとなる。R_Aを基準にすると、その他の流路抵抗R_B，R_C，R_D，R_Eは全て並列抵抗となる。よって、電気回路と同様に流路抵抗R_B，R_C，R_D，R_Eの合成流路抵抗R_Fで表すと次式となる。

R_Aを基準にして、R_Fを電気回路的に図示すると、図７のように、R_AとR_Fとが直列接続された関係となる。上述したように流路面積Ｓａよりも、下流側に設けられる各流路面積Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ，Ｓｅの合成流路面積ＳｆがＳａより小さくなる関係（Ｓａ＞Ｓｆ）において、流路抵抗は流路面積が支配的となることから、流路面積を流路抵抗に置き換えて表すと、合成流路抵抗R_Fは流路抵抗R_Aよりも大きくなる。すなわち、R_A<R_Fの関係となる。

図１のＳａを通過した冷媒９はＳｂ、Ｓｃ、Ｓｄ及びＳｅに分流される。Ｓｅには粉塵１１が流れる。Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄにはクリーン冷媒１２が流れ、回転子２及び固定子３を冷却する。ここで、流路面積Ｓｅが流路面積Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄの合成流路抵抗R_Gよりも極端に大きい場合、Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄへ流れるクリーン冷媒１２の流量が減ることになり、回転子２及び固定子３の冷却性能を低下させることになる。言い換えれば、粉塵１１の除去効率は高くなるが、冷却するための冷媒流量は低下することになる。粉塵１１は完全に除去する必要はなく、回転電機１００に堆積しない程度に除去することが、冷却性能の維持に繋がる。つまり、流路面積ＳｅはＳｂ、Ｓｃ及びＳｄの合成流路抵抗R_Gよりも小さくすることが好ましい。この関係を電気回路的に図示すると、図１に示すように、R_Eに対してその他の流路抵抗R_B，R_C，R_Dは全て並列接続となるため、流路抵抗R_B，R_C，R_Dの合成流路抵抗R_Gで表すと次式となる。

R_Eを基準にして、R_Gを電気回路的に図示すると図７のように、R_EとR_Gとが直列接続された関係となる。流路面積Ｓｅが下流側に設けられる各流路面積Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄの合成流路面積より小さくなる関係を流路抵抗に置き換えて表すとR_E>R_Gの関係となる。流路抵抗は流路面積が支配的となることから、R_Gを構成する各流路面積Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄの合成流路面積Ｓｇと流路面積Ｓｅとの関係に置き換えると、Ｓｅ＜Ｓｇの関係となる。

図１に示すように、Ｓｂを通過するクリーン冷媒１２は背面ダクト２２に流れ、Ｓｃを通過するクリーン冷媒１２はギャップ１７に流れ、Ｓｄを通過するクリーン冷媒１２はアキシャルダクト２１へ流れることとなる。Ｓｂ、Ｓｃ及びＳｄより下流側の流路断面積は異なっても、流れは直列になるため、各流路の流路抵抗は各流路面積を代表するＳｂ、Ｓｃ及びＳｄによって決まる各流路抵抗R_B、R_C、R_Dに置き換えられる。例えば、R_Bを考えると、フレーム１と固定子コイルエンド２５との間の流路抵抗と背面ダクト２２の流路抵抗の和がR_Bとなる。この場合、上述した様に、背面ダクト２２の流路抵抗が支配的になるため、背面ダクト２２の流路抵抗をR_Bとして扱うことができる。

図１に示すように、円形平板６と貫通孔１０との間の回転軸方向長さをＬ１とし、貫通孔１０と固定子コイルエンド２５との間の回転軸方向長さをＬ２とした場合、Ｌ１とＬ２とはＬ１＜Ｌ２の関係を有するようにすることが好ましい。Ｌ１とＬ２とがＬ１＜Ｌ２の関係を有することにより、粉塵１１を効率的に除去することができる。つまり、貫通孔１０を回転軸方向において円形平板６にできる限り近づけて配置することが好ましい。円形平板６（空隙７）を通過した直後の冷媒９（９ｂ）は、より強い旋回力が働いているため、粉塵１１を除去するには効果的である。逆に、円形平板６から下流側の遠い位置に貫通孔１０を設けると、円形平板６の直近に設けた場合と比較して、冷媒９（９ｂ）は旋回力が弱くなり、各流路部１７，２１，２２へ拡散されるように分流されることで、貫通孔１０が設けられたフレーム１の内壁面から離れるため、粉塵１１の除去効率は低下することになる。

すなわち本実施例では、貫通孔（連通部）１０は、回転軸方向において、回転子２及び固定子３よりも円形平板６に近い位置に配置されることが好ましい。

また図１に示すように、貫通孔１０の下流側の直近に内壁面１ａａから径方向内側に突出した凸部２８を設けるとよい。凸部２８を設けることで、粉塵１１は凸部２８の手前で堰き止められる形になり、粉塵１１を効果的に貫通孔１０から排出することが可能となる。

すなわち本実施例では、フレーム１は、貫通孔（連通部）１０の下流側に、フレーム１の内壁面１ａａから径方向内側に向かって突出する凸部２８を有することが好ましい。この場合、凸部２８は内壁面１ａａにおける貫通孔１０の開口部から径方向内側に向かって突出するように形成されることが好ましい。

この凸部２８の回転軸方向における位置も、図示してあるように、貫通孔１０の下流側直近に設けることが好ましく、貫通孔１０から離れると凸部２８の効果は小さくなっていく。この凸部２８は、別部品としてフレーム１に取り付けても良く、フレーム１と一体に形成されたものであっても良い。いずれの場合も、凸部２８はフレーム１の内壁面（内径）１ａａの全周に設けることが好ましい。

［変更例１］
図８は、本発明の一実施例に係る貫通孔の配置を変更した変更例を示す断面図である。図９は、図８の変更例について、円筒状のフレームを平面状に展開した状態で、貫通孔の配置を示す図である。図１０は、図９の貫通孔の配置を更に変更した変更例を示す図である。

貫通孔１０は、軸方向に２列又はそれ以上に配置することができる。貫通孔１０を複数列に配置することで、粉塵１１の除去効率が向上する可能性がある。この場合、列数は除去したい粉塵１１の量や回転電機１００の回転軸方向の長さを考慮して適宜、決定すれば良い。図９では、貫通孔１０を２列或いはそれ以上に配置する場合に、各列の貫通孔１０が回転軸方向に一直線上に並ぶように配置した例を示している。また図１０では、貫通孔１０を２列或いはそれ以上に配置する場合に、各列の貫通孔１０が周方向又は回転軸方向に千鳥配置となるように配置した例を示している。

貫通孔１０を設ける、回転軸方向の長さが短い状態で回転軸方向に複数列の貫通孔１０を配置する場合、千鳥配置は有効となる。

本変更例のように、貫通孔１０を回転軸方向に複数列設けた場合、図８に示すように、下流側に配置した貫通孔１０を基準にしてＬ１とＬ２とを設定し、Ｌ１＜Ｌ２の関係を有するように複数列の貫通孔１０を配置することが好ましい。すなわち、円形平板６と最下流側の貫通孔１０との間の回転軸方向長さをＬ１とし、最下流側の貫通孔１０と固定子コイルエンド２５との間の回転軸方向長さをＬ２として、Ｌ１＜Ｌ２の関係を有するように複数列の貫通孔１０を配置する。

［変更例２］
図１１は、本発明の一実施例に係る貫通孔の内側に粉塵溜まりを設けた変更例を示す断面図である。

フレーム１の貫通孔１０を配置する部位に粉塵溜め２７を設けている。粉塵溜め２７はフレーム１のその他の部位よりも径方向外側に突出するように設けられ、径方向内側に内壁面１ａａよりも径方向外側に窪んだ空間を形成する。すなわち本変更例では、フレーム１の内壁面１ａａにおける、貫通孔（連通部）１０が開口する部位に、径方向外側に向かって窪む凹部２７が形成されている。

貫通孔１０へ流入する手前に粉塵溜め２７を設けることで、旋回流９ｂにより外周側に振られた粉塵１１が、粉塵溜め２７に溜まり、粉塵１１を外へ放出し易くなる。この粉塵溜め２７は、貫通孔１０の数に合わせて配置しても良く、貫通孔１０の配置位置に合わせて、フレーム１の内壁面（内径）１ａａに全周溝として設けても良い。

［変更例３］
図１２は、本発明の一実施例に係る冷媒取入口の位置を変更した変更例を示す断面図である。

図１の実施例では、冷媒取入口８は回転軸５に対して直角となる位置に配置され、冷媒９を径方向に強制的に流入させている。これに対して本変更例では、図１２に示すように、回転軸５と平行な方向に冷媒取入口８を設けている。この場合も、本実施例の旋回流９ａ，９ｂを作ることは可能である。しかし、冷媒取入口８は、冷媒取入口８と円形平板６とを回転軸方向に垂直な仮想平面上に投影した場合に、冷媒取入口８と円形平板６とがこの仮想平面上で重なるように配置されることが重要である。すなわち冷媒取入口８は、円形平板６と回転軸方向において対向するように配置される。言い換えれば、冷媒取入口８を回転軸方向に投影した場合に、冷媒取入口８は円形平板６の板面上に投影されるように構成される。この理由は、空隙７ｃに対向する位置に配置した場合、動圧の影響により円形平板６に遮蔽され難くなり、直線的に流出側に冷媒９が流れてしまうためである。

［変更例４］
図１３は、本発明の一実施例に係る冷媒取入口の位置を変更した変更例を示す断面図である。

本変更例では、冷媒取入口８は、冷媒取入口８から流入する冷媒９の流入方向（流線）が回転軸５の中心（軸心）５ａ、すなわち空間７ａの径方向中心に対して偏心するように、設けられている。粉塵１１を効果的に除去するには、旋回流９ａ，９ｂを発生し易くすることが肝要であるため、冷媒取入口８を、冷媒取入口８から流入する冷媒９の流入方向（流線）が回転電機１００の中心５ａから径方向外側の位置を指向するように、配置する。

すなわち本変更例では、冷媒取入口８は、冷媒取入口８から第１空間７ａに流入する冷媒の流入方向が回転軸５の軸心に対して径方向外側の位置を指向するように配置される。

これにより、冷媒9はフレーム１の内壁面１ａａを周方向に沿って流れ易くなるため、旋回流が発生しやすくなる。尚、本実施例は発電機のように、回転電機の回転方向が一方向の場合、より有効である。例えば、冷媒９の流れ方向と円形平板６の回転方向(図１３では左回り)が同じになるように構成することが好ましい。円形平板６の回転方向が図１３で右回りの場合、冷媒取入口８は線分ＬＡに対して線対称となる左側に配置することが好ましい。

［変更例５］
図１４は、本発明の一実施例に係る円形平板の変更例を示す斜視図である。図１４では、円形平板６の外観図を示している。

本変更例では、円形平板６の回転軸方向に垂直な面６ａに凸部２９を複数設けている。すなわち本変更例では、円形平板６は、回転軸方向の端面に、回転軸方向に突出する凸部２９を有する。

凸部２９を設けることで、冷媒取入口８から流入した冷媒９は、凸部２９により旋回流を発生し易くなる。図１４では円形状の凸部２９としているが、その他の形状としても同様の効果が得られる。

［変更例６］
図１５は、本発明の一実施例に係る円形平板の変更例を示す斜視図である。図１５では、円形平板６の外観図を示している。

本変更例では、円形平板６の外周面６ｂに凹部３０を複数設けている。すなわち本変更例では、円形平板６は、外周面６ｂに径方向内側に窪んだ凹部３０を有する。

上述した実施例では、回転軸方向における冷媒９の流れを遮蔽する部材６を円形平板としている所以は、損失をなるべく抑えたいためである。円形平板６はファンの機能を備えていないが、回転することによる流体摩擦損失が発生することは避けられない。流体摩擦損失は流体（冷媒９）と回転体である円形平板６との接触面により発生する。本変更例のように、円形平板６の外周面６ｂに凹部３０を設けることで、流体との接触面積が減るため流体摩擦損失を低減することが可能となる。図１５では円形状の凹部３０としているが、その他の形状としても同様の効果が得られる。

［ダンプトラック用の回転電機システムの実施例］
図１６は、本発明の一実施例に係るダンプトラックの回転電機システムの概略構成図である。図１６では、上述した回転電機１００をダンプトラック用の回転電機システムに適用した例を示す。

回転電機１００はカップリング３１を介してエンジン２００に直結される。エンジン２００が駆動することで、回転電機（発電用回転電機）１００から、電力変換機２０１ａ，２０１ｂへ電力が供給される。電力変換機２０１ａは、ダンプトラックの駆動用回転電機３００に電力を供給する。一方、電力変換機２０１ｂは、回転電機１００を冷却するための冷媒９を流す送風機３０１等の補機に電力を供給する。

すなわち本実施例のダンプトラック用の回転電機システムでは、発電用回転電機、駆動用回転電機３００、エンジン２００、電力変換器２０１ａ、及び発電用回転電機を冷却するための送風機３０１を備え、エンジン２００が駆動することで発電用回転電機が発電し、発電用回転電機１００が発電した電力を、電力変換器２０１ａを介して駆動用回転電機３００に供給する。そして、発電用回転電機は、上述した本発明に係る発電用回転電機１００で構成される。

以下、本発明に係る実施例（変更例を含む）に共通する特徴について説明する。
本実施例では、電動機を冷却する冷媒は自励ファンではなく、送風機３０１である。そのため、電動機が停止状態の場合でも冷却機能を停止することなく、作動させることができる。よって、発熱密度が極端に高い電動機の場合でも、電動機を停止した際に、熱時定数に応じて一定時間、電動機の温度が上昇し続ける現象に対して、冷却機能を使用することができる。また、高効率化の観点においても、自励ファンを使用しないため、自励ファンによる損失が発生せず、電動機の効率の低下を抑制することができる。また、塵埃除去に関しても、本実施例では、押し込みファンを使用する構成に対して、塵埃（粉塵）を排出口に効率よく導くことができるため、塵埃の除去効果が向上する。

本実施例は、効率の低下を抑えつつ、冷媒の流れを変化させるための適切な部品の配置を行うことで、効率的に粉塵を除去できる回転電機及び回転電機システムを提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例及びその変更例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例及びその変更例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施例及びその変更例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、各変更例の構成は他の変更例と組み合わせて実施例に適用することができる。

１…フレーム、１ａａ…フレーム１の内壁面、２…回転子、３…固定子、５…回転軸、６…円形平板、７ａ…第１空間、７ｂ…第２空間、７ｃ…円形平板６の外周部とフレーム１の内壁面１ａａとの間に形成される空隙、８…冷媒取入口、９…冷媒、１０…連通部（貫通孔）、１７，２１，２２…回転子２及び固定子３における冷媒９の流路、２７…凹部（粉塵溜め）、２８…凸部、２９…円形平板６の端面に形成される回転軸方向の凸部、３０…円形平板６の外周面６ｂに形成される凹部、１００…回転電機、２００…エンジン、２０１ａ…電力変換器、３００…駆動用回転電機、３０１…送風機、Ｓｂ，Ｓｃ，Ｓｄ…流路２２，１７，２１の面積。

Claims

回転軸を有する回転子と、
径方向において前記回転子と対向する固定子と、
前記回転子及び前記固定子を内部に収容するフレームと、
前記フレームに設けられ、当該フレームの外部に設けられた送風機から送られる冷媒を当該フレームの内部に取り入れる冷媒取入口と、
を備え、
前記回転子は、前記回転軸に設けられた円形平板を有し、
前記円形平板は、回転軸方向において、前記フレームの内部空間を、当該円形平板に対して前記回転子及び前記固定子の側とは反対側に位置する第１空間と、当該円形平板に対して前記回転子及び前記固定子の側に位置する第２空間と、に区分すると共に、当該円形平板の外周部と前記フレームとの間に前記第１空間と前記第２空間とを連通する空隙を形成するように設けられ、
前記フレームは、回転軸方向における前記円形平板と前記回転子及び前記固定子との間に、前記第２空間と当該フレームの外部とを連通する連通部を有する回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記円形平板、前記第１空間及び前記冷媒取入口は、前記冷媒に、前記第１空間に当該第１空間の内壁面の周方向に沿って流れる旋回流を生じさせる回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記回転子及び前記固定子は、それぞれに、回転軸方向に冷媒が流れる流路が設けられ、
前記円形平板の外周部と前記フレームとの間に形成される前記空隙の面積は、前記回転子及び前記固定子に設けられる前記流路の面積よりも大きい回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記連通部は、回転軸方向において、前記回転子及び前記固定子よりも前記円形平板に近い位置に配置されることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記連通部の、前記フレームの内壁面における、前記連通部が開口する部位に、径方向外側に向かって窪む凹部が形成されている回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記冷媒取入口は、当該冷媒取入口から前記第１空間に流入する冷媒の流入方向が前記回転軸の軸心に対して径方向外側の位置を指向するように配置される回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記フレームは、前記連通部の下流側に、当該フレームの内壁面から径方向内側に向かって突出する凸部を有する回転電機。
請求項1に記載の回転電機において、
前記円形平板は、回転軸方向の端面に、回転軸方向に突出する凸部を有する回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記円形平板は、外周面に径方向内側に窪んだ凹部を有する回転電機。
発電用回転電機、駆動用回転電機、エンジン、電力変換器、及び前記発電用回転電機を冷却するための送風機を備え、前記エンジンが駆動することで前記発電用回転電機が発電し、前記発電用回転電機が発電した電力を、前記電力変換器を介して前記駆動用回転電機に供給するダンプトラック用の回転電機システムにおいて、
前記発電用回転電機を、請求項１に記載の回転電機で構成したダンプトラック用の回転電機システム。