JP2022091390A - ステータコア及び回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却効率を向上することが可能なステータコア及び回転電機を提供する。【解決手段】環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周からそれぞれ延出する複数のティースと、前記ヨーク部の外周から径方向に突出したダクト部と、前記ダクト部を軸方向に貫通し、前記ヨーク部の外接円よりも外側に位置する複数の通風孔と、を備える、ステータコア。【選択図】 図２

Description

本発明の実施形態は、ステータコア及び回転電機に関する。

鉄道用回転電機の小型軽量化・高出力化に伴い、回転電機各部での発熱密度が上昇し、冷却性能の向上が課題となっている。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る。

例えば、シャフトの回転により生じた気流によって、外気をフレーム外から取り込みステータコアの外周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、ステータコアの外周面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。
また、近年では、機密なフレーム内において、ステータコアの外周面に設けられたダクト、ロータダクト、各部材の隙間を内気循環させる方式も採用されている。
外気もしくは内気をステータコアの外周面に通風させる方法においては、ダクトは、ステータコアの外周面に溶接によって固定されている。

特開２０１０－９８７９１号公報 特開２０１２－５０１７２号公報 特開２００９－８１９９４号公報

しかしながら、ステータコアの外周面にダクトを溶接する構成では、ステータコア９とダクトとの接地面で熱が伝わり難い場合がある。
本発明は、この問題点に着目してなされたもので、冷却効率を向上することが可能なステータコア及び回転電機を提供することを目的とする。

本実施形態によれば、環状のヨーク部と、前記ヨーク部の内周からそれぞれ延出する複数のティースと、前記ヨーク部の外周から径方向に突出したダクト部と、前記ダクト部を軸方向に貫通し、前記ヨーク部の外接円よりも外側に位置する複数の通風孔と、を備える、ステータコアが提供される。

図１は、第１実施形態に係る回転電機の縦断面図である。 図２は、図１の線Ａ－Ａ’に沿ったステータコアの断面図である。 図３は、第１実施形態に係る回転電機の第１変形例を示す縦断面図である。 図４は、第１実施形態に係る回転電機の第２変形例を示す断面図である。 図５は、第２実施形態に係るステータコアの断面図である。 図６は、図５の線Ｂ－Ｂ’に沿った回転電機の縦断面図である。 図７は、図５の線Ｃ－Ｃ’に沿った回転電機の縦断面図である。 図８は、第２実施形態に係る回転電機の変形例を示す断面図である。 図９は、第３実施形態に係るステータコアの断面図である。 図１０は、図９の線Ｄ－Ｄ’に沿った回転電機の縦断面図である。

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。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る回転電機１００の縦断面図である。図１は、回転電機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し、回転軸ＡＸを中心とした円に沿った方向を周方向とする。

回転電機１００は、フレーム１５、ロータ４０、ステータ５０、第１ファン４Ａ、第２ファン４Ｂ、ベアリング３などを備えている。

フレーム１５は、第１フレーム１５Ａ、第２フレーム１５Ｂ、及び、第３フレーム１５Ｃによって構成されている。第１フレーム１５Ａ及び第２フレーム１５Ｂは、軸方向に対向している。なお、図示した例では、第１フレーム１５Ａ及び第２フレーム１５Ｂは、別々の部材であるが、一体的に構成されていても良い。また、第２フレーム１５Ｂは、軸方向に貫通した第１吸気口１９ａ及び第１排気口２０ａを有している。第３フレーム１５Ｃは、第１フレーム１５Ａを覆っている。第３フレーム１５Ｃは、第１フレーム１５Ａよりも大きい外径に形成され、第１フレーム１５Ａに対して軸方向に隙間をおいて対向している。また、第３フレーム１５Ｃは、軸方向に貫通した第２吸気口１９ｂを有している。

ロータ４０は、シャフト１及びロータコア２を備えている。シャフト１は、ベアリング３により、第２フレーム１５Ｂ及び第３フレーム１５Ｃに対して回転自在に支持されている。シャフト１は、第３フレーム１５Ｃの外側に突出した第１端部Ｅ１と、第２フレーム１５Ｂ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３は、第２フレーム１５Ｂとシャフト１との間、及び、第３フレーム１５Ｃとシャフト１との間に位置している。

ロータコア２は、円筒状であり、フレーム１５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２は、一対のロータコア押さえ１４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２およびロータコア押さえ１４には、両者を軸方向に貫通する複数のロータダクト１０が形成されている。

ステータ５０は、フレーム１５に支持された円筒状のステータコア９と、ステータコア９に巻き回されたコイル７と、を備えている。ステータコア９は、シャフト１と同軸的に位置し、ロータコア２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９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９は、一対のステータコア押さえ１６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１６は、フレーム１５に固定されている。ステータコア９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７が埋め込まれている。コイル７は、ロータ４０を回転駆動する磁界を発生させる。コイル７のうちステータコア９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。

ステータコア９は、外周側に位置するダクト部８と、ダクト部８に形成された複数の通風孔６０と、を有している。通風孔６０は、ダクト部８を軸方向に貫通した第１孔６１及び第２孔６２を含んでいる。第１孔６１は、第２孔６２より外周側に位置している。ダクト部８は、第２フレーム１５Ｂと第３フレーム１５Ｃとの間で外方に露出している。

第１ファン４Ａは、ロータコア２よりも第１端部Ｅ１側でシャフト１に取り付けられている。第１ファン４Ａは、第１ベース１０１と、第１外扇６Ａと、内扇５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。複数の板状の第１外扇６Ａは、第１ベース１０１の外面に設けられ、それぞれシャフト１を中心として径方向に延びているとともに周方向に等間隔をおいて位置している。また、複数の板状の内扇５は、第１ベース１０１の内面に設けられ、それぞれシャフト１を中心として径方向に延びているとともに周方向に等間隔をおいて位置している。

第２ファン４Ｂは、ロータコア２よりも第２端部Ｅ２側でシャフト１に取り付けられている。第２ファン４Ｂは、第２ベース１０２と、第２外扇６Ｂと、を有している。第２ベース１０２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。複数の板状の第２外扇６Ｂは、第２ベース１０２の外面に設けられ、それぞれシャフト１を中心として径方向に延びているとともに周方向に等間隔をおいて位置している。
なお、第１フレーム１５Ａ及び第２フレーム１５Ｂの内側では、空気ＡＲを一方向に循環させるため、内扇５は、第１ファン４Ａのみに設けられ、第２ファン４Ｂには設けられない。

次に、第１フレーム１５Ａ及び第２フレーム１５Ｂの内側での空気ＡＲの循環について説明する。
第１フレーム１５Ａの内側の空間、及び、第２フレーム１５Ｂの内側の空間は、通風路となり、ロータダクト１０及びダクト部８の第２孔６２に連通している。第１フレーム１５Ａの内側の空間、第２フレーム１５Ｂの内側の空間、ロータダクト１０、及び、第２孔６２によって、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、第１ファン４Ａが一体に回転される。つまり、内扇５が回転することで第１フレーム１５Ａ内に気流が発生する。空気ＡＲは、第１フレーム１５Ａ内から第２孔６２を通過し、第２孔６２内でステータコア９から熱を奪って、第２フレーム１５Ｂ内に吹き出される。そして、空気ＡＲは、第２フレーム１５Ｂ内からロータダクト１０を通過し、ロータダクト１０内でロータコア２から熱を奪って、第１フレーム１５Ａ内に吹き出される。

次に、第１フレーム１５Ａ及び第２フレーム１５Ｂの外側での空気ＡＲの流路について説明する。
第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間の空間は、通風路となり、ダクト部８の第１孔６１に連通している。第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間の空間、及び、第１孔６１によって、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、第１ファン４Ａが一体に回転される。つまり、第１外扇６Ａが回転することで第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間に気流が発生し、空気ＡＲが第２吸気口１９ｂから第３フレーム１５Ｃ内に吸い込まれる。空気ＡＲは、第３フレーム１５Ｃ内から第１孔６１を通過し、第１孔６１内でステータコア９から熱を奪って、回転電機１００の外へ吹き出される。

上記したように、通風孔６０のうち、外側の第１孔６１には第２吸気口１９ｂから吸い込まれる外気が通過し、内側の第２孔６２にはフレーム１５内で循環する内気が通過する。

次に、第２ファン４Ｂと第２フレーム１５Ｂとの間での空気ＡＲの流路について説明する。
第２ファン４Ｂと第２フレーム１５Ｂとの間の空間は、通風路となっている。シャフト１が回転すると、第２ファン４Ｂが一体に回転される。つまり、第２外扇６Ｂが回転することで第２ファン４Ｂと第２フレーム１５Ｂとの間に気流が発生し、空気ＡＲが第１吸気口１９ａから第２フレーム１５Ｂ内に吸い込まれる。空気ＡＲは、シャフト１から熱を奪って、第１排気口２０ａから回転電機１００の外へ吹き出される。

図２は、図１の線Ａ－Ａ’に沿ったステータコア９の断面図である。
ステータコア９は、環状のヨーク部９１と、ヨーク部９１の内周からそれぞれ延出する複数のティース９２と、ヨーク部９１の外周から径方向に突出したダクト部８と、を備えている。環状のヨーク部９１の外形を外接円９１Ａで定義する。磁束の通りをヨーク部９１の全体で統一するため、第１孔６１及び第２孔６２は、ヨーク部９１の外接円９１Ａよりも外側に位置している。第１孔６１及び第２孔６２は、径方向に並んでいる。第２孔６２は、第１孔６１とヨーク部９１との間に位置している。

本実施形態によれば、ステータコア９と一体的にダクト部８が形成されている。ダクト部８には、通風孔６０が形成されている。例えば、ステータコア９の外周面に別途ダクトを備える構成の場合には、ステータコア９とダクトとの間は溶接によって固定されるため、ステータコア９からダクトへ熱が伝わり難い場合があった。これに対し本実施形態の構成では、ステータコア９とダクト部８が一体であるので、ダクト部８への熱伝導率を向上することができる。そのため、第１孔６１及び第２孔６２の内面の全体から熱を奪うことができる。また、ステータコア９が冷却風に触れる面積を増大することができ、冷却効率を向上することができる。
また、ステータコア９の外側に別途ダクトを形成する構成と比較して、ステータコア９の打ち抜きの際に同時にダクト部８を形成することができるため、溶接するために生じていた工程や製造コストを削減することができる。

なお、ダクト部８に形成される通風孔６０は、３つ以上であってもよい。また、図２においては、１つのダクト部８を図示しているが、回転電機１００は図示しない複数のダクト部８を備えている。

図３は、第１実施形態に係る回転電機１００の第１変形例を示す縦断面図である。図３に示す構成は、図１に示した構成と比較して、第２孔６２を外気が通過し、第１孔６１を内気が通過する点で相違している。また、第２フレーム１５Ｂは、軸方向に貫通した第２排気口２０ｂを有している。フレーム１５は、第１孔６１に繋がる第１フレームダクト１５１と、第２孔６２から第２排気口２０ｂに繋がる第２フレームダクト１５２と、を備えている。

まず、第１フレーム１５Ａ及び第２フレーム１５Ｂの内側での空気ＡＲの循環について説明する。
第１フレーム１５Ａの内側の空間、及び、第２フレーム１５Ｂの内側の空間は、通風路となり、ロータダクト１０及びダクト部８の第１孔６１に連通している。第１フレーム１５Ａの内側の空間、第２フレーム１５Ｂの内側の空間、ロータダクト１０、及び、第１孔６１によって、空気ＡＲの流路が形成されている。内扇５が回転することで第１フレーム１５Ａ内に気流が発生する。空気ＡＲは、第１フレーム１５Ａ内から第１フレームダクト１５１を通って第１孔６１に流入する。空気ＡＲは、第１孔６１を通過し、第１孔６１内でステータコア９から熱を奪って、第２フレーム１５Ｂ内に吹き出される。そして、空気ＡＲは、第２フレーム１５Ｂ内からロータダクト１０を通過し、ロータダクト１０内でロータコア２から熱を奪って、第１フレーム１５Ａ内に吹き出される。

次に、外気の流路について説明する。
第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間の空間は、通風路となり、ダクト部８の第２孔６２に連通している。第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間の空間、第２孔６２、及び、第２フレームダクト１５２によって、空気ＡＲの流路が形成されている。第１外扇６Ａが回転することで第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間に気流が発生し、空気ＡＲが第２吸気口１９ｂから第３フレーム１５Ｃ内に吸い込まれる。空気ＡＲは、第３フレーム１５Ｃ内から第２孔６２を通過し、第２孔６２内でステータコア９から熱を奪って、第２フレームダクト１５２を通過し、第２排気口２０ｂから回転電機１００の外へ吹き出される。

上記したように、通風孔６０のうち、内側の第２孔６２には第２吸気口１９ｂから吸い込まれる外気が通過し、外側の第１孔６１にはフレーム１５内で循環する内気が通過する。内気を外側の第１孔６１に通風させることにより、内気はダクト部８の外周面で外気と熱交換をすることができる。よって、内気の冷却効率を向上することができる。

図４は、第１実施形態に係る回転電機１００の第２変形例を示す断面図である。図４に示す構成は、図２に示した構成と比較して、第１孔６１及び第２孔６２の構成が相違している。
通風孔６０は、周方向に並んだ複数の第１孔６１と、第１孔６１とヨーク部９１との間に位置し周方向に並んだ複数の第２孔６２と、を含んでいる。換言すると、図４に示す構成は、図２に示した第１孔６１及び第２孔６２を仕切り部１８によって、それぞれ４つの孔に仕切った構成に相当する。このような第２変形例によれば、通風孔６０内面の表面積を増大することができる。よって、通風孔６０の熱交換可能な面積を増大させることができる。また、空気の流路を分割することで、通風孔６０内の気流の淀みを低減することができる。
図４に示す構成は、図１に示したような第１孔６１に外気を通過させ第２孔６２に内気を通過させる構成に適用されてもよいし、図３に示したような第１孔６１に内気を通過させ、第２孔６２に外気を通過させる構成に適用されてもよい。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態に係るステータコア９の断面図である。図５に示す構成は、図２に示した構成と比較して、通風孔６０の構成が相違している。
通風孔６０は、第３孔６３と、第３孔６３の周方向に並んだ第４孔６４と、を含んでいる。図示した例では、２つの第３孔６３と２つの第４孔６４とが周方向に交互に並んでいる。磁束の通りをヨーク部９１の全体で統一するため、第３孔６３及び第４孔６４は、ヨーク部９１の外接円９１Ａよりも外側に位置している。第３孔６３には、例えば内気が通過し、第４孔６４には、例えば外気が通過する。なお、第３孔６３と第４孔６４の数や並び方は、図示した例に限定されない。

図６は、図５の線Ｂ－Ｂ’に沿った回転電機１００の縦断面図である。図６は、第３孔６３に沿った断面を示している。
第３孔６３は、ダクト部８を軸方向に貫通している。第１フレーム１５Ａの内側の空間、及び、第２フレーム１５Ｂの内側の空間は、通風路となり、ロータダクト１０及びダクト部８の第３孔６３に連通している。第１フレーム１５Ａの内側の空間、第２フレーム１５Ｂの内側の空間、ロータダクト１０、及び、第３孔６３によって、空気ＡＲの流路が形成されている。内扇５が回転することで第１フレーム１５Ａ内に気流が発生する。空気ＡＲは、第１フレーム１５Ａ内から第３孔６３を通過し、第３孔６３内でステータコア９から熱を奪って、第２フレーム１５Ｂ内に吹き出される。そして、空気ＡＲは、第２フレーム１５Ｂ内からロータダクト１０を通過し、ロータダクト１０内でロータコア２から熱を奪って、第１フレーム１５Ａ内に吹き出される。

図７は、図５の線Ｃ－Ｃ’に沿った回転電機１００の縦断面図である。
第４孔６４は、ダクト部８を軸方向に貫通している。第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間の空間は、通風路となり、ダクト部８の第４孔６４に連通している。第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間の空間、及び、第４孔６４によって、空気ＡＲの流路が形成されている。外扇６Ａが回転することで第１フレーム１５Ａと第３フレーム１５Ｃとの間に気流が発生し、空気ＡＲが第２吸気口１９ｂから第３フレーム１５Ｃ内に吸い込まれる。空気ＡＲは、第３フレーム１５Ｃ内から第４孔６４を通過し、第４孔６４内でステータコア９から熱を奪って回転電機１００の外へ吹き出される。

上記したように第２実施形態では、通風孔６０のうち、第３孔６３にはフレーム１５内で循環する内気が通過し、第４孔６４には第２吸気口１９ｂから吸い込まれる外気が通過する。第３孔６３及び第４孔６４の両方をダクト部８の外周面付近に位置させることにより、第３孔６３を通る内気及び第４孔６４を通る外気の両方がダクト部８の外周面で外気と熱交換をすることができる。よって、内気及び外気の冷却効率を向上することができる。

図８は、第２実施形態に係る回転電機１００の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、第３孔６３及び第４孔６４の構成が相違している。
通風孔６０は、複数の第３孔６３によって形成された第１孔群ＧＲ１と、第１孔群ＧＲ１の周方向に並び複数の第４孔６４によって形成された第２孔群ＧＲ２と、を含んでいる。換言すると、図８に示す構成は、図５に示した第３孔６３及び第４孔６４が、さらに、それぞれ複数の孔に分割された構成に相当する。第１孔群ＧＲ１には、図５に示した第３孔６３と同様に内気が通過し、第２孔群ＧＲ２には、図５に示した第４孔６４と同様に外気が通過する。２つの第１孔群ＧＲ１と２つの第２孔群ＧＲ２は、周方向に交互に並んでいる。このような変形例によれば、通風孔６０内面の表面積を増大することができる。よって、通風孔６０の熱交換可能な面積を増大させることができる。また、空気の流路を分割することで、通風孔６０内の気流の淀みを低減することができる。なお、図示した例では、第３孔６３及び第４孔６４は、丸形状に形成されているが、この例に限らない。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態に係るステータコア９の断面図である。図９に示す構成は、図２に示した構成と比較して、ステータコア９がダクト部８の外面に複数のフィン７０を備えている点で相違している。
フィン７０は、ダクト部８の外面から突出している。フィン７０は、ステータコア９の打ち抜きの際に同時に形成される。図示した例では、複数のフィン７０のうち、一部は径方向に突出し、一部は周方向に突出している。フィン７０を設けることによって、ダクト部８の外面の表面積が増大し、ダクト部８から外気への放熱性を向上することができる。

図１０は、図９の線Ｄ－Ｄ’に沿った回転電機１００の縦断面図である。
フィン７０は、ステータコア９の端部から端部まで軸方向に延出している。すなわち
フィン７０は、一方のステータコア押さえ１６から他方のステータコア押さえ１６まで軸方向に延出している。

第３実施形態の構成は、第１実施形態及び第２実施形態の構成と組み合わせることができる。図９及び図１０においては、第３実施形態に第１実施形態を組み合わせた構成を示している。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却効率を向上することが可能なステータコア及び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…回転電機、１…シャフト、２…ロータコア、
４Ａ…第１ファン、４Ｂ…第２ファン、
７…コイル、８…ダクト部、９…ステータコア、１５…フレーム、
４０…ロータ、５０…ステータ、
６０…通風孔、６１…第１孔、６２…第２孔、６３…第３孔、６４…第４孔、
７０…フィン、９１…ヨーク部、９２…ティース、９１Ａ…外接円、
ＧＲ１…第１孔群、ＧＲ２…第２孔群。

Claims (6)

1. 環状のヨーク部と、
   前記ヨーク部の内周からそれぞれ延出する複数のティースと、
   前記ヨーク部の外周から径方向に突出したダクト部と、
   前記ダクト部を軸方向に貫通し、前記ヨーク部の外接円よりも外側に位置する複数の通風孔と、を備える、ステータコア。
2. 前記通風孔は、第１孔と、前記第１孔と前記ヨーク部との間に位置する第２孔と、を含んでいる、請求項１に記載のステータコア。
3. 前記通風孔は、周方向に並んだ複数の第１孔と、前記第１孔と前記ヨーク部との間に位置し前記周方向に並んだ複数の第２孔と、を含んでいる、請求項１に記載のステータコア。
4. 前記通風孔は、第３孔と、前記第３孔の周方向に並んだ第４孔と、を含んでいる、請求項１に記載のステータコア。
5. 前記通風孔は、複数の第３孔によって形成された第１孔群と、前記第１孔群の周方向に並び複数の第４孔によって形成された第２孔群と、を含んでいる、請求項１に記載のステータコア。
6. 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請求項１に記載のステータコア、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、
   前記ステータコア及び前記シャフトを支持するフレームであって、前記ステータコアの前記通風孔に連通した通風路を有するフレームと、
   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、を備える、回転電機。

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