JP5404525B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、例えば車両用交流発電機や車両用交流電動機などの回転電機に関し、特に界磁コイルを有する回転電機の冷却構造に関するものである。

例えば、バスやトラックなどの大型自動車の発電機には、数十年間、大型のランデル型回転子を用いる車両用交流発電機が使用されてきた。このようなランデル型回転子を用いる車両用交流発電機では、スリップリングの寿命等を考慮して、界磁コイルを固定側に取り付け、スリップリングを用いない構造が採られている。

また、従来の大型ランデル型車両用交流発電機では、爪状磁極の隙間を流れる冷却風により、界磁コイルが冷却される（例えば、特許文献１参照）。ところが、出力向上のために爪状磁極間にマグネットなどが挿入されると、爪状磁極間を流れる冷却風がなくなり、界磁コイルの冷却性能が低下して、温度上昇を招くことになる（例えば、特許文献２参照）。このような冷却性能の低下は、他のランデル型構造でも同様に見られる（例えば、特許文献３参照）。

一方、冷却性能を向上させる方法として、回転子の内側に遠心ファンを設けて発電コイルを冷却する方法が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

特開２００１−１２８３９７号公報 特開２００２−３３５６６０号公報 特開平６−２２４８２号公報 特開昭５９−３５５４７号公報

上記のように、特許文献２、３に示す従来の回転電機では、爪状磁極間に隙間がないため、爪状磁極間の隙間を流れる冷却風がなくなり、界磁コイルの冷却性能が低下する。これに対して、特許文献４に示すように、回転子の内側に遠心ファンを設けた構造では、冷却性能を十分に向上させることができなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、爪状の外側磁極間に隙間がないような構造であっても、界磁コイルを十分に冷却することができる回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、ハウジング、円筒状の内側ヨーク部と、内側ヨーク部の外周面に対向する外側磁極部と、内側ヨーク部と外側磁極部との間に設けられている端磁極部とを有し、ハウジング内に回転可能に設けられている回転子、ハウジング内に固定され、回転子を囲繞する固定子、ハウジング内に固定され、内側ヨーク部と外側磁極部との間の空間内に挿入されている界磁ヨーク、及び界磁ヨークに支持され、発生する磁束により外側磁極部に磁極を形成する界磁コイルを備え、内側ヨーク部の外周面には、回転子の回転により冷却風を軸方向に移動させる螺旋状の内側溝が形成されており、外側磁極部の内径側の面には、回転子の回転により冷却風を内側溝とは逆方向へ移動させる螺旋状の外側溝が形成されている。

この発明の回転電機は、回転子に内側溝と外側溝とを形成し、回転子の回転により界磁コイルの周囲に冷却風を流すようにしたので、爪状の外側磁極間に隙間がないような構造であっても、界磁コイルを十分に冷却することができる。

この発明の実施の形態１による回転電機の軸線に沿う断面図である。 図１の内側ヨーク部の第１例を示す側面図である。 図１の内側ヨーク部の第２例を示す側面図である。 この発明の実施の形態２によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。 この発明の実施の形態３によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。 この発明の実施の形態４によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。図において、円筒状のフレーム１の軸方向一端部には、円板状の第１のブラケット２が固定されている。フレーム１の軸方向他端部には、円板状の第２のブラケット３が固定されている。これらのフレーム１及びブラケット２，３により、ハウジングが構成されている。

第１及び第２のブラケット２，３の中心には、シャフト（回転軸）４が貫通されている。シャフト４は、第１及び第２のブラケット２，３に軸受５，６を介して回転可能に支持されている。

シャフト４には、ランデル型の回転子７が固定されている。回転子７は、シャフト４に固定された円筒状の内側ヨーク部７ａと、内側ヨーク部７ａの第１のブラケット２側の端部から径方向外側へ突出した端磁極部７ｂと、端磁極部７ｂの径方向外側端部から第２のブラケット３側へ突出した複数の爪状の外側磁極部７ｃとを有している。

外側磁極部７ｃは、周方向に互いに間隔をおいて配置されている。また、周方向に隣接する外側磁極部７ｃ間には、磁極間部材（図示せず）がそれぞれ配置されている。磁極間部材としては、例えば、周方向に着磁された永久磁石（図示せず）、又は非磁性材等が用いられている。

外側磁極部７ｃは、内側ヨーク部７ａの外周面に対向している。各外側磁極部７ｃの第１のブラケット２に対向する端部には、第１の冷却フィン８が固定されている。また、端磁極部７ｂの第２のブラケット３に対向する面の径方向外側端部には、複数の第２の冷却フィン９が周方向に互いに間隔をおいて固定されている。

フレーム１の内周面には、固定子１０が固定されている。固定子１０は、回転子７の外周面に対して一定のエアギャップを介して対向している。また、固定子１０は、回転子７を囲繞する円筒状の固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１に巻装された固定子コイル１２とを有している。

第２のブラケット３には、磁路となる円筒状の界磁ヨーク１３の基端部が固定されている。界磁ヨーク１３の先端部は、内側ヨーク部７ａと外側磁極部７ｃとの間の空間に挿入されている。また、界磁ヨーク１３の先端部の外周部には、界磁コイル１４が固定されている。即ち、界磁コイル１４は、界磁ヨーク１３により支持され、内側ヨーク部７ａと外側磁極部７ｃとの間に配置されている。

外側磁極部７ｃには、界磁コイル１４が発生する磁束によって磁極が形成される。また、固定子コイル１２には、回転子７の回転に伴い、界磁コイル１４からの磁束の変化で交流が生じる。

界磁ヨーク１３に対向する内側ヨーク部７ａの外周面には、螺旋状の内側溝（第１の溝）１５が形成されている。また、界磁ヨーク１３及び界磁コイル１４に対向する外側磁極部７ｃの内径側の面には、螺旋状の外側溝（第２の溝）１６が形成されている。

図２は図１の内側ヨーク部７ａの第１例を示す側面図、図３は図１の内側ヨーク部７ａの第２例を示す側面図である。第２例では、第１例よりも内側溝１５の幅が大きくなっている。内側溝１５は、回転子７が回転することにより冷却風を軸方向に移動させるように構成されている。内側溝１５を右ネジ方向、又は左ネジ方向に形成することにより、回転子７が同一方向に回転したときの冷却風の流れの向きを変えることができる。

外側溝１６は、形成位置が異なるだけで構造は内側溝１５と同様である。また、外側溝１６は、回転子７の回転により冷却風を内側溝１５とは逆方向へ移動させるように構成されている。さらに、外側溝１６は、磁極間部材の内径側の面にも連続して形成されている。

第１のブラケット２には、フレーム１内に冷却風を取り込むための複数の第１のブラケット通気孔２ａが設けられている。第１のブラケット通気孔２ａは、シャフト４を中心とする同一の円周上に、周方向に所定の間隔をおいて配置されている。

第２のブラケット３には、フレーム１内に冷却風を取り込むための複数の第２のブラケット通気孔３ａが設けられている。第２のブラケット通気孔３ａは、シャフト４を中心とする同一の円周上に、周方向に所定の間隔をおいて配置されている。また、第２のブラケット通気孔３ａは、界磁ヨーク１３の固定部よりも径方向内側に配置されている。

フレーム１の第１のブラケット２近傍には、主に第１の通気孔２ａから取り込まれた冷却風を吐き出すための複数の第１のフレーム通気孔１ａが設けられている。第１のフレーム通気孔１ａは、周方向に所定の間隔をおいて配置されている。

フレーム１の第２のブラケット３近傍には、主に第２の通気孔３ａから取り込まれた冷却風を吐き出すための複数の第２のフレーム通気孔１ｂが設けられている。第２のフレーム通気孔１ｂは、周方向に所定の間隔をおいて配置されている。

次に、動作について説明する。図１に矢印で示しているのは冷却風の流れである。第１の冷却フィン８によって第１のブラケット通気孔２ａからフレーム１内に取り込まれた冷却風は、固定子鉄心１１と固定子コイル１２とを冷却した後、第１のフレーム通気孔１ａを通ってフレーム１外へ放出される。

また、第２の冷却フィン９によって第２のブラケット通気孔２ａからフレーム１内に取り込まれた冷却風は、内側溝１５により、内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間を図の左方向へ吸い込まれる。このとき、冷却風により界磁ヨーク１３が冷却され、熱伝導により界磁コイル１４も冷却される。

さらに、内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間に吸い込まれた冷却風は、外側溝１６により、界磁ヨーク１３及び界磁コイル１４と外側磁極部７ｃとの間を図の右方へ放出される。このとき、冷却風により界磁コイル１４と界磁ヨーク１３とが冷却される。

回転子７と界磁ヨーク１３との間から放出された冷却風は、さらに固定子鉄心１１と固定子コイル１２とを冷却した後、第２のフレーム通気孔１ｂを通ってフレーム１外へ放出される。

このようなランデル型回転電機では、回転子７に内側溝１５と外側溝１６とを形成し、回転子７の回転により界磁コイル１４の周囲に冷却風を流すようにしたので、爪状の外側磁極間に隙間がないような構造であっても、界磁コイル１４を十分に冷却することができる。これにより、温度上昇を軽減し、出力を向上させることができる。

実施の形態２．
次に、図４はこの発明の実施の形態２によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。図において、界磁ヨーク１３には、その内外を連通し、内側の空間から外側へ冷却風を通すための複数の界磁ヨーク通気孔１３ａが設けられている。界磁ヨーク通気孔１３ａは、周方向に所定の間隔をおいて配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

次に、動作について説明する。図４に矢印で示しているのは冷却風の流れである。第１の冷却フィン８によって第１のブラケット通気孔２ａからフレーム１内に取り込まれた冷却風は、固定子鉄心１１と固定子コイル１２とを冷却した後、第１のフレーム通気孔１ａを通ってフレーム１外へ放出される。

また、第２の冷却フィン９によって第２のブラケット通気孔２ａからフレーム１内に取り込まれた冷却風は、内側溝１５により内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間に吸い込まれる部分と、界磁ヨーク通気孔１３ａを通る部分と分けられる。そして、内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間に吸い込まれた冷却風により、界磁ヨーク１３が冷却され、熱伝導により界磁コイル１４も冷却される。

さらに、内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間に吸い込まれた冷却風は、外側溝１６により、界磁ヨーク１３及び界磁コイル１４と外側磁極部７ｃとの間を図の右方へ放出される。このとき、冷却風により界磁コイル１４と界磁ヨーク１３とが冷却される。

さらにまた、界磁ヨーク通気孔１３ａを径方向外側へ流れる冷却風によっても、界磁ヨーク１３が冷却され、熱伝導により界磁コイル１４が冷却される。

界磁ヨーク１３を冷却した冷却風は、さらに固定子鉄心１１と固定子コイル１２とを冷却した後、第２のフレーム通気孔１ｂを通ってフレーム１外へ放出される。

このような構成によっても、界磁コイル１４を十分に冷却することができるとともに、発熱体である固定子鉄心１１や固定子コイル１２も十分に冷却をすることができ、温度上昇をさらに軽減して、出力を向上させることができる。

実施の形態３．
次に、図５はこの発明の実施の形態３によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。図において、界磁ヨーク１３の内周面（内側ヨーク部７ａに対向する面）には、良熱伝導部材１７が配置されている。良熱伝導部材１７は、例えば銅又はアルミニウムなど、界磁ヨーク１３よりも熱伝導率の高い材料により構成されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このようなランデル型回転電機では、冷却風の流れは実施の形態１と同様であるが、界磁ヨーク１３の内周面に良熱伝導部材１７が設けられているため、熱伝導がより促進され、界磁コイル１４を効率良く冷却することができる。これにより、温度上昇をさらに軽減して、出力を向上させることができる。

なお、図５では、良熱伝導部材１７が界磁ヨーク１３の内周面の全体に設けられているが、例えば軸方向の一部に設けるなど、部分的に設けてもよい。この場合も、良熱伝導部材１７を設けない場合に比べて、温度上昇を低減でき、出力を向上させることができる。
また、実施の形態３の界磁ヨーク１３に実施の形態２で示した界磁ヨーク通気孔１３ａを設けてもよい。

実施の形態４．
次に、図６はこの発明の実施の形態４によるランデル型回転電機の軸線に沿う断面図である。図において、内側ヨーク部７ａの第２のブラケット３に対向する端面には、複数の補助フィン１８が設けられている。補助フィン１８は、内側ヨーク部７ａの端面の径方向外側端部近傍に、周方向に所定の間隔をおいて配置されている。他の構成は、実施の形態１と同様である。

このようなランデル型回転電機では、冷却風の流れは実施の形態１と同様であるが、補助フィン１８によって、内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間に冷却風が押し込まれる。このため、内側ヨーク部７ａと界磁ヨーク１３との間に流入される冷却風の量が増加し、界磁コイル１４を効率良く冷却することができる。これにより、温度上昇をさらに軽減して、出力を向上させることができる。

なお、実施の形態４の界磁ヨーク１３に、実施の形態２で示した界磁ヨーク通気孔１３ａを設けたり、実施の形態３で示した良熱伝導部材１７を設けたりしてもよい。
また、実施の形態１〜４では、界磁ヨーク１３を第２のブラケット３に固定したが、フレーム１に固定してもよく、同様の効果を奏する。
さらに、実施の形態１〜４では、ランデル型回転電機について説明したが、同様の構造を有する回転電機であれば他のタイプの回転電機にもこの発明は適用でき、同様の効果を奏する。

１ フレーム（ハウジング）、２ 第１のブラケット（ハウジング）、３ 第２のブラケット（ハウジング）、７ 回転子、７ａ 内側ヨーク部、７ｂ 端磁極部、７ｃ 外側磁極部、１０ 固定子、１３ 界磁ヨーク、１３ａ 界磁ヨーク通気孔、１４ 界磁コイル、１５ 内側溝、１６ 外側溝、１７ 良熱伝導部材、１８ 補助フィン。

Claims (4)

1. ハウジング、
   円筒状の内側ヨーク部と、上記内側ヨーク部の外周面に対向する外側磁極部と、上記内側ヨーク部と上記外側磁極部との間に設けられている端磁極部とを有し、上記ハウジング内に回転可能に設けられている回転子、
   上記ハウジング内に固定され、上記回転子を囲繞する固定子、
   上記ハウジング内に固定され、上記内側ヨーク部と上記外側磁極部との間の空間内に挿入されている界磁ヨーク、及び
   上記界磁ヨークに支持され、発生する磁束により上記外側磁極部に磁極を形成する界磁コイル
   を備え、
   上記内側ヨーク部の外周面には、上記回転子の回転により冷却風を軸方向に移動させる螺旋状の内側溝が形成されており、
   上記外側磁極部の内径側の面には、上記回転子の回転により冷却風を上記内側溝とは逆方向へ移動させる螺旋状の外側溝が形成されていることを特徴とする回転電機。
2. 上記界磁ヨークには、その内外を連通する複数の界磁ヨーク通気孔が設けられていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. 上記界磁ヨークの上記内側ヨーク部に対向する面には、上記界磁ヨークよりも熱伝導率の高い材料からなる良熱伝導部材が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回転電機。
4. 上記内側ヨーク部の端面の径方向外側端部近傍には、上記内側ヨーク部と上記界磁ヨークとの間に冷却風を押し込む複数の補助フィンが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回転電機。

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