JP2021197826A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転子の冷却性能を向上し、回転電機の効率を向上する。【解決手段】回転電機１は、フレーム４に固定した固定子２と、固定子２の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子３とを有する。回転子３は、回転子鉄心３０と、回転子３と一体となって回転し回転電機機内の空気を循環するための内扇ファン５１を備え、回転子鉄心３０には回転軸方向に貫通した風穴３５を有し、風穴３５は、突起３５１などの乱流促進機構を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は回転電機に係り、特に、空気を用いて冷却する回転電機に関する。

回転電機は、電動機として電気的な入力を機械的な出力に変換する際に、あるいは発電機として機械的な入力を電気的な出力に変換する際に、渦電流損失やジュール損失に起因して発熱する。
回転電機を構成する材料には、それぞれ上限温度が規定されており、電動機あるいは発電機として動作する際に、各部の温度がそれぞれの上限温度を超えないように冷却する必要がある。
回転電機の冷却方式として広く用いられているものに空冷方式がある。
空冷方式は、空気を回転電機の発熱部に直接的あるいは間接的にあてることにより熱を取り除き冷却する冷却方式である。
さらに空冷方式は、ファンなどの装置を用いて冷却のための空気を強制的に流す強制空冷方式と、ファンなどの装置を用いずに自然対流により放熱する自然空冷方式とに分類できる。
強制空冷方式を用いた回転電機は、特許文献１などに開示されている。
特許文献１では、回転子鉄心に、機外の空気を通風するための外気通風用の孔と、機内の空気を通風するための内気通風用の孔を備え、回転子に、機内通風用の内扇ファンと機外通風用の外扇ファンを備え、前記内扇ファンにより内気通風用の孔に冷却風を導き、外扇ファンにより外気通風用の孔に冷却風を導くようにしている。

特開２０１３−１２６３０９号公報

特許文献１に開示されているように、回転子の一端に内扇ファンを設け、機内の空気を循環させる場合、回転子の鉄心部分には、回転軸方向に貫通した内気通風用の孔を設け、機内空気の通風路とすることにより回転子を冷却する構造が一般的である。
回転子に設けられた内気通風用の孔は、製作性や通風時の圧力損失を低減するために、回転軸方向に一様な断面形状とすることが多い。

冷却性能を向上させるためにファンの動力を増大することが考えられる。しかしながら、本発明者らの検討によれば、内気通風用の孔（風穴）内の冷却空気の乱れを促進することが有効である。

本発明の目的は、回転子の冷却性能を向上し、回転電機の効率を向上することにある。

上記課題を達成するために、本発明の回転電機は、特許請求の範囲に記載のように構成したものである。
本発明の一例としての回転電機は、フレームに固定した固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とを有し、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子と一体となって回転し回転電機機内の空気を循環するための内扇ファンを備え、前記回転子鉄心には回転軸方向に貫通した風穴を有し、前記風穴は、突起などの乱流促進機構を有する。

本発明によれば、突起により風穴内の冷却空気の乱れが促進され、回転子の冷却性能が向上し、回転電機の効率を向上させることができる。
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。

本発明の実施例１による回転電機の断面図である。 本発明の実施例１による回転電機を構成するための回転子鉄心の正面図である。 本発明の実施例１による回転電機を構成するための回転子鉄心の正面図である。 本発明の実施例１の効果の試算結果を示す図である。 本発明の実施例２による回転電機を構成するための回転子鉄心の正面図である。 図５における回転子鉄心の風穴内の突起の位置の詳細を示す図である。 本発明の実施例３ 本発明の実施例４による回転電機を構成するための回転子鉄心の正面図である。 本発明の実施例５による回転電機の断面図である。

以下、図面に基づいて本発明の回転電機の実施例を説明する。

図１から図４を用いて本発明の実施例１を説明する。
図１に本発明を誘導電動機に適用した実施例１の断面図を示す。なお、これ以降の実施例の説明では、本発明を適用する回転電機を誘導電動機として説明するが、特にこれに限定するものではなく、回転子鉄心に回転軸方向に貫通する風穴を有する空冷式であれば永久磁石型同期電動機に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。
回転電機１は、主に固定子２と、回転子３と、固定子を保持するためのフレーム４から構成されている。フレーム４はエンドブラケット４１と共に回転電機の筐体を構成する。
固定子２は固定子鉄心２０と、固定子鉄心２０の内径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって形成され、回転軸方向に延伸する複数の固定子スロット（図示省略）に巻回された固定子コイル（図示省略）から構成されている。
また、回転子３は、固定子鉄心２０と径方向に所定の空隙をもって対向して配置された回転子鉄心３０と、回転子鉄心３０の外径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって形成され、回転軸方向に延伸する複数の回転子スロット３１に挿入された界磁部材である複数の回転子バー３２と、各回転子バーを両軸端で短絡するための導体であるエンドリング３３と、各回転子バー３２とエンドリング３３とを保持するためのリテイニングリング３４と、回転子鉄心３０が嵌合されているシャフト３６から構成されている。シャフト３６は軸受３７に回転可能に保持されている。軸受３７はエンドブラケット４１により支持されている。

また、回転子３の一端には、機内空気６１を循環するための内扇ファン５１が取り付けられており、他端には、機外空気６２を取り込むための補助ファン５２が取り付けられており、いずれのファンも回転子３と一体となって回転することでファンとして機能する。内扇ファン５１には補助ファン５３が一体となって形成されており、補助ファン５２と同様に機外空気を取り込む。補助ファン５２，５３により取り込んだ回転電機機外の空気により軸受３７を冷却する構造となっている。

回転子鉄心３０には、機内空気６１の流路となる風穴３５が回転軸方向に貫通するように形成されており、風穴３５には、所定の間隔で風穴３５内の流れを乱すための突起（乱流促進機構）３５１が形成されている。

内扇ファン５１により機内空気６１はコイルエンド２３が位置する空間、フレーム４と固定子２の間に形成された機内空気通風路６３、回転子鉄心３０に形成された風穴３５を流れて循環し、機内空気６１は回転子鉄心３０、コイルエンド２３などを冷却する。機内空気通風路６３は所定の幅を有し周方向に所定間隔をおいて形成されている。

図２および図３は、本発明の実施例１による回転電機の回転子鉄心３０を形成するための回転子鉄心形状を示したものである。
固定子鉄心２０や回転子鉄心３０は、一般に電磁鋼板と呼ばれる厚さ数ｍｍの鋼板を所定の厚さ積層することで形成される。
本実施例では、異なる風穴形状を有する複数種類の電磁鋼板を所定の枚数ごとに交互に積層することにより回転軸方向に断続的に突起が形成されるようにしている。図２は、風穴３５の内周面に突起が無い形状の回転子鉄心（回転子鉄心鋼板）３０１である。一方、図３は、風穴３５の内周面に突起３５２がある形状の回転子鉄心（回転子鉄心鋼板）３０２である。本実施例では突起３５２が周方向に複数（図３では４個）形成されている。図２に示す、風穴３５に突起がない回転子鉄心３０１と、図３に示す、風穴３５に突起３５２がある回転子鉄心３０２を、所定の枚数（厚さ）ごとに、交互に積層することにより、図１に示すように、風穴３５内に回転軸方向に断続的な突起３５１を形成している。これにより、風穴３５内を流れる冷却空気の乱れが促進され、冷却性能を向上できる。なお、回転子鉄心３０１及び３０２にはそれぞれ回転子鉄心キー溝３９が形成されており、回転子スロット３１及び風穴３５の位置合わせが可能になっている。また、複数種類の断面形状の回転子鉄心を交互に積層することは、工数増加による製造コストの増大の要因となりうるが、近年、普及が進んでいるロボットによる自動積層を導入することで、製造コストへの影響を最小限とすることができる。

図４は、風穴内の突起の有無が冷却性能に及ぼす影響を数値計算により計算した結果の一例である。図４に示す例は、風穴の直径28mm、突起の幅2mm、突起の高さ2mm、空気の平均流速10m/sの条件で解析を行ったものである。
風穴内に突起を設けることにより、風穴内を流れる空気の乱れが促進され熱伝達係数が向上する効果に加え、突起の分、風穴内の放熱面積が増加するため、それらの合算により、図４に示すように、４０％程度冷却性能を向上できる見込みである。

本実施例によれば、風穴内に突起などの乱流促進機構を設け、風穴内の冷却空気の乱れを促進させているので、ファンの動力を大幅に増大することなく、回転子の放熱性能を向上させることができ、回転電機の効率が向上する。また、本実施例は回転子鉄心鋼板の打ち抜き型の変更のみで、かつ、追加部品なしで、これらの効果を実現できる。

なお、本実施例で、回転軸方向に断続的な突起が形成され、かつ、風穴３５の内周面の周方向においても突起が形成されている。これら回転軸方向及び周方向の双方の突起により効果的に空気の乱れが促進されるが、必ずしもこれに限定されない。すなわち、突起は風穴内を流れる空気の乱れを促進させるものであるので、突起については様々な形態が想定される。
例えば、突起は回転軸方向及び周方向の双方に設けるのが望ましいが、回転軸方向のみとしても良い。すなわち、交互に積層する回転子鉄心のうち、図３に示す回転子鉄心に代えて、図２に示す風穴３５の内周面に突起が無い形状の回転子鉄心であって風穴３５の内径が図２に示す回転子鉄心３０１の風穴３５の内径と異なる回転子鉄心を用いても良い。これによっても回転軸方向に断続的な突起が形成される。
また、風穴の周方向に設ける突起は複数設けるのが望ましいが一つでも良い。
また、風穴の周方向に設ける突起は鋸歯状に形成しても良い。
また、突起は風穴の回転軸方向（空気の流れ方向）の一部にのみ、例えば、風穴の上流側（入口側前半）にのみ設けるようにしても良い。一部に設ける場合、乱流効果を効果的に得るために上流側にのみ設けるのが望ましい。
また、本実施例では、風穴３５に突起がない回転子鉄心３０１と、風穴３５に突起３５２がある回転子鉄心３０２を、所定の枚数（厚さ）ごとに、交互に積層するようにしているが、所定の枚数（厚さ）は同じであっても異なるようにしても良い。

図５および図６を用いて本発明の実施例２を説明する。
本実施例では、異なる風穴形状を有する複数種類の電磁鋼板はそれぞれ風穴の内周面に突起を有し、一種類の電磁鋼板の風穴の内周面に設けた突起の周方向位置が他の一種類の電磁鋼板の風穴の内周面に設けた突起の周方向位置と異なる。

すなわち、実施例１で用いた回転子鉄心３０２（図３）と、風穴内の突起の周方向位置をずらした回転子鉄心３０３（図５）を積層して回転子鉄心３０を構成している。
図６に、回転子鉄心３０２及び回転子鉄心３０３の風穴内の突起の位置の詳細を示す。回転子鉄心３０２においては、回転子鉄心３０２の中心から半径方向と、それに直交する方向に突起３５２を設けている。一方、回転子鉄心３０３においては、回転子鉄心３０２の突起３５２に対して４５度ずらした位置に突起３５３を設けている。

このように互いに異なる周方向位置に突起を設けた回転子鉄心３０２および３０３を、所定の厚さ（枚数）ごとに交互に積層することで、回転子の風穴内の回転軸方向に、突起が千鳥配列状に設けられることになる。実施例１においては、風穴内に突起のない回転子鉄心３０１を積層した断面においては、風穴内に突起が無い領域となるが、本実施例においては、回転子鉄心３０２、および回転子鉄心３０３のいずれの風穴にも突起があるために、回転軸方向にわたって、いずれかの位置に突起が存在することになり、実施例よりも高い冷却性能を得ることができる。
なお、実施例１で述べた突起の形態の変形例などについては実施例２においても多くは適用できる。

図７を用いて本発明の実施例３を説明する。
実施例１および実施例２ともに、異なる断面形状の複数の回転子鉄心を積層することで風穴内に回転軸方向に不連続な突起を形成している。しかしながら、回転子鉄心の断面形状が異なるものを複数種類用意することは製造コストの増加を招く。本実施例では、１種類の回転子鉄心を用いて同様の効果を得られるようにしている。

本実施例では、電磁鋼板に形成された複数の風穴は少なくとも二つの異なる風穴形状となるように形成され、少なくとも二つの異なる風穴形状を有する電磁鋼板を所定の枚数ごとに周方向の角度を変えて積層したものである。
図７に示した回転子鉄心３０４では、突起３５４を有する風穴と、突起の無い風穴を周方向に２つずつ交互に配置している。また、回転子鉄心キー溝３９を１８０度間隔で２箇所設けている。この回転子鉄心３０４を、所定の厚さ（枚数）ごとに積層位置を１８０度回転させて積層することで、それぞれの風穴に対しては突起のある領域と、突起のない領域が回転軸方向に交互に形成されることになり、結果として実施例１と同一の形状（断続的な突起）を、１種類の回転子鉄心の形状で実現することができる。

なお、本実施例では、回転子スロットの数が４６個、風穴の数が１２個で、両者の公約数が２であるため、回転子スロット３１と風穴３５の位置を一致させるために回転子鉄心を１８０度回転させて積層することとしている。しかしながら、例えば回転子スロットの数が４２、風穴の数が６の場合には、公約数が２、３、６となるので、１８０度以外にも１２０度、６０度で回転子スロットと風穴の位置を一致させることができるため、積層する際に回転子鉄心をずらす角度を変えればよい。ただしその際には、それに応じて回転子鉄心キー溝３９の位置、員数も変更する必要がある。
なお、実施例１で述べた突起の形態の変形例などについては実施例３においても多くは適用できる。

図８を用いて本発明の実施例４を説明する。
本実施例は実施例２と実施例３を組み合わせたものである。すなわち、実施例２で示した回転子鉄心３０２および３０３のそれぞれの突起の位置を、実施例３と同様に、１種類の回転子鉄心で実現したものである。言い換えれば、本実施例は、電磁鋼板に形成された複数の風穴の一つの風穴形状は風穴の内周面に設けた突起の周方向位置が他の風穴形状の風穴の内周面に設けた突起の周方向位置と異なるように形成されている。

図８に示すように、回転子鉄心の中心から半径方向とそれに直交する方向に突起３５５を設けている風穴３５ａと、その風穴３５ａの突起３５５に対して４５度ずらした位置に突起３５５を設けている風穴３５ｂを有する回転子鉄心３０５を用いる。所定の厚さ（枚数）ごとに回転子鉄心３０５を１８０度回転させて積層することで、風穴内の突起が回転軸方向に千鳥配列に形成されることになる。これにより、実施例２と実施例３のそれぞれの効果、すなわち、１種類の回転子鉄心の形状で高い冷却性能を得ることができる。
なお、実施例１で述べた突起の形態の変形例などについては実施例４においても多くは適用できる。

また、風穴内の突起が回転軸方向に千鳥配列に形成される点について、実施例２においても同様である。風穴内の突起が回転軸方向に千鳥配列に形成されることにより冷却性能を向上させることができるが、両実施例の特徴を纏めると、風穴内の突起は、回転軸方向に断続的に形成され、かつ、突起が形成されている回転軸方向位置において風穴の周方向に突起が複数形成され、回転軸方向に突起が千鳥配列状に設けられるように回転軸方向の所定の距離ごとに突起の周方向位置が異なるようにしたものと言える。

図９を用いて本発明の実施例５を説明する。
実施例１から４までは、回転子鉄心の風穴部に突起を設けることで風穴内の流れの乱れを促進している。これに対して、本実施例では、回転子鉄心クランプ３８の風穴部に突起を設けることで同等の効果を狙ったものである。
回転子鉄心クランプ３８は回転子鉄心を軸方向両端から保持するためのものであり、風穴３５は回転子鉄心クランプ３８を回転軸方向に貫通するように設けられている。本実施例では、風穴内の突起は、少なくとも風穴３５への空気入口側（図面左側）に位置する回転子鉄心クランプ３８の風穴に設けられている。

機内空気６１の入口側の回転子鉄心クランプ３８の風穴部に突起を設けるだけで良いので、従来構造から大幅な変更なく、高い冷却性能を得ることができる。
なお、実施例１で述べた突起の形態の変形例などについて、実施例５においても突起の数や形状などについては適用できる。また、本実施例と他の実施例１〜４の何れかと組み合わせても良い。

なお、本発明は上記した実施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、必ずしも説明した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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施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、特許請求の範囲の引用形式の請求項における他の請求項の引用は、引用形式の請求項の記載を分かり易くするために単項引用としているが、本発明は、引用形式の請求項において、複数の請求項を引用する形態（多項引用項）、及び、複数の多項引用項を引用する形態を含む。

１：回転電機、２：固定子、３：回転子、４：フレーム、５：ファン、６：冷却空気、２０：固定子鉄心、２１：固定子スロット、２２：固定子コイル、２３：固定子コイルエンド、３０：回転子鉄心、３１：回転子スロット、３２：回転子バー、３３：エンドリング、３４：リテイニングリング、３５：回転子風穴、３６：シャフト、３７：軸受、３８：回転子鉄心クランプ、３９：回転子鉄心キー溝、４１：エンドブラケット、５１：内扇ファン、５２，５３：補助ファン、６１：機内循環空気、６２：機外取り込み空気、６３：機内空気通風路、３０１：風穴に突起のない回転子鉄心、３０２：風穴に突起のある回転子鉄心、３０３：風穴に突起のある回転子鉄心、３０４：風穴に突起のある回転子鉄心、３５２：風穴内の突起、３５３：風穴内の突起、３５４：風穴内の突起、３５５：風穴内の突起。

Claims (11)

1. 固定子と回転子を有し、
   前記回転子は、回転軸方向に貫通した風穴が形成された回転子鉄心を備え、
   前記風穴内に突起を有する回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記突起は回転軸方向に断続的に形成されている回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記回転子鉄心は、電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心であり、
   前記回転軸方向に断続的に形成されている突起は、異なる風穴形状を有する複数種類の電磁鋼板を所定の枚数ごとに交互に積層することにより構成される回転電機。
4. 請求項３に記載の回転電機において、
   前記異なる風穴形状を有する複数種類の電磁鋼板のうち一種類の電磁鋼板は風穴の内周面に突起を有する回転電機。
5. 請求項４に記載の回転電機において、
   前記突起は前記風穴の周方向に複数形成されている回転電機。
6. 請求項５に記載の回転電機において、
   前記異なる風穴形状を有する複数種類の電磁鋼板はそれぞれ風穴の内周面に突起を有し、
   一種類の電磁鋼板の風穴の内周面に設けた突起の周方向位置が他の一種類の電磁鋼板の風穴の内周面に設けた突起の周方向位置と異なる回転電機。
7. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記回転軸方向に貫通した風穴は回転子鉄心の周方向に複数形成されており、
   前記回転子鉄心は、電磁鋼板を積層して形成された回転子鉄心であり、
   複数の前記回転軸方向に貫通した風穴は複数の風穴が形成された前記電磁鋼板を積層することにより形成され、
   前記風穴内の突起は、前記電磁鋼板の風穴の内周面に設けた突起により構成され、
   前記電磁鋼板に形成された複数の風穴は少なくとも二つの異なる風穴形状となるように形成され、
   前記少なくとも二つの異なる風穴形状を有する電磁鋼板を所定の枚数ごとに周方向の角度を変えて積層した回転電機。
8. 請求項７に記載の回転電機において、
   前記電磁鋼板に形成された複数の風穴の一つの風穴形状は風穴の内周面に設けた突起の周方向位置が他の風穴形状の風穴の内周面に設けた突起の周方向位置と異なるように形成されている回転電機。
9. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記風穴内の突起は、回転軸方向に断続的に形成され、かつ、前記突起が形成されている回転軸方向位置において前記風穴の周方向に突起が複数形成され、前記回転軸方向に突起が千鳥配列状に設けられるように前記回転軸方向の所定の距離ごとに前記突起の周方向位置が異なる回転電機。
10. 請求項１に記載の回転電機において、
    前記回転子鉄心は該回転子鉄心を軸方向両端から保持するためのクランプを備え、
    前記風穴は前記クランプを回転軸方向に貫通し、
    前記風穴内の突起は、少なくとも風穴への空気入口側に位置する前記クランプの風穴に設けられている回転電機。
11. 回転電機の筐体を構成するフレーム、前記フレームに固定した固定子と、前記固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子と、前記回転子と一体となって回転し回転電機機内の空気を循環させる内扇ファンを備え、
    前記回転子は、回転軸方向に貫通した風穴が形成された回転子鉄心を有し、
    前記風穴内に乱流促進機構が設けられている回転電機。

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