JP5785521B2

JP5785521B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5785521B2
Application number: JP2012108345A
Authority: JP
Inventors: 慶亮津房; 雄一坪井; 米谷　晴之; 晴之米谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-05-10
Filing date: 2012-05-10
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2032-05-10
Also published as: KR101668547B1; KR20150007332A; WO2013168351A1; CN104272561B; CN104272561A; JP2013236505A

Description

本発明は、永久磁石が取り付けられた回転子を有する回転電機に関する。

回転電機は、回転子と、この回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、この固定子を収容する固定子枠と、を有する。

回転子は、所定の軸（回転中心軸）の周りを回転する。回転子には、例えば永久磁石が取り付けられたものがある。このような回転子は、円環状の部材の外周に台座が固定されて、この台座に永久磁石が固定されるものがある。回転子や固定子には、これらを冷却するための通風路が形成されるものがある（例えば、特許文献１）。

固定子は、固定子鉄心および固定子巻線等を有する。固定子鉄心には、固定子鉄心を冷却するための通風路が形成されるものがある。この通風路に冷却用の空気が流れることによって、固定子鉄心が冷却される。この通風路には、回転中心軸が延びる方向の一方向に空気が流れる。

特開２０１１−１４２７３５号公報

永久磁石型回転電機の回転子の冷却は、回転子および固定子の間の空隙や、永久磁石同士の周方向間隙等を空気が流れることにより行われる。

軸長が長くなるタイプでは、風下側の永久磁石は風上側よりも温度が上昇し、風下側の磁石を冷却することが困難になることが多い。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転子を効率よく冷却することである。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機は、所定の軸周りを回転する回転軸と、前記回転軸を半径方向外側から取り囲み前記回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転する回転子と、前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、前記固定子を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、を有する回転電機において、前記回転子は、前記回転軸を所定の半径方向間隙をあけて半径方向外側から取り囲むように配置された円環状で前記軸周りを回転可能で、内周面には半径方向に突出して軸方向に延びる突出部が形成された円環部材と、それぞれが軸方向に延びて、互いに周方向間隙を形成するように前記円環部材の半径方向外側の外周面に固定されて、前記周方向間隙が前記突出部の半径方向外側に形成された複数の台座と、それぞれが、前記各台座に複数の永久磁石片が軸方向に配列されてなり、互いに前記周方向間隙を形成するように配置された複数の永久磁石列と、を有し、前記円環部材には、それぞれの前記周方向間隙に面する部分で前記突出部を半径方向に貫通する半径方向貫通穴が複数形成されて、互いに軸方向位置が同じ前記半径方向貫通穴は、互いに周方向に等間隔になるように形成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、回転子を効率よく冷却することが可能になる。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図である。図１の回転子の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。図１の回転子のIII−III矢視の一部を模式的に示す部分上面図である。本発明に係る第２の実施形態の回転電機の回転子について、冷却空気の上流側の端部付近の上面を模式的に示す部分上面図である。図３の実施形態の回転子の部分上面図で、図３に示す部分よりも冷却空気の下流側を示している。図３の実施形態の回転子について、冷却空気の下流側の端部付近の上面を模式的に示す部分上面図である。図２の回転子の変形例を示す部分側面図である。図２の回転子の変形例を示す部分側面図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図である。なお、図１では、最上部と最下部の放熱フィン４５のみが示され、他の放熱フィン４５の図示は省略している。

図２は、図１の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。図３は、図１の回転子２０のIII−III矢視の一部を模式的に示す部分上面図である。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。

本実施形態の回転電機は、永久磁石式の同期発電機で、回転軸１０と、回転子２０と、固定子３０と、固定子枠４０と、放熱フィン４５と、内部ファン３８と、を有する。この同期発電機は、例えば風力により回転軸１０が回転し、その回転させる力を電力として取り出すことができるものである。

回転軸１０は、水平に延びて軸方向断面が円形の部材で、図示しない軸受で回転可能に支持されて、水平な回転中心軸の周りを回転する。

回転子２０は、全体で円環状をなし、回転軸１０を取り囲む部材で、円環部材２１と、複数の支持部材２２と、複数の台座２３と、複数の永久磁石列２５と、を有する。

支持部材２２は、回転軸１０の三箇所の軸方向位置それぞれに複数本ずつ固定されて、回転軸１０と共に回転可能である。各軸方向位置に固定される支持部材２２は、それぞれの軸方向位置から放射状に円環部材２１の内周面まで延びて、円環部材２１を支持する。

円環部材２１は、支持部材２２に支持されて回転自在で、回転軸１０の外周面に所定の半径方向間隙２６を形成して回転軸１０を半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。

円環部材２１の内周面には、複数の突出部２１ａが形成される。これらの突出部２１ａそれぞれは、半径方向内側に突出して軸方向に延びる。突出部２１ａの軸方向に垂直な断面は、略長方形状である。この例では、各突出部２１ａは、円環部材２１に一体的に形成されている。

各台座２３は、軸方向に長い長方形が形成される板状の部材で、半径方向外側に座面２３ａ（図２）が形成されている。それぞれの台座２３の各座面２３ａには、永久磁石列２５が接着により取り付けられる。

各台座２３は、円環部材２１の外周面に周方向に複数配列されている。これらの台座２３は、互いに周方向間隙２９を形成するように配列される。この周方向間隙２９の周方向位置は、突出部２１ａの周方向位置に相当する。すなわち、周方向間隙２９は、半径方向外側に形成される。

永久磁石列２５は、略直方体状の複数の永久磁石片２４が軸方向に互いに接するように配列されてなる。この永久磁石列２５は、軸方向に配列された永久磁石片２４全体で軸方向に延びる略直方体状の部材で、上述の通り、各座面２３ａに接着により取り付けられる。

円環部材２１には、それぞれの周方向間隙２９に面する部分で突出部２１ａを半径方向に貫通する半径方向貫通穴２８が、軸方向に沿って等間隔に複数形成される。周方向位置が同じ半径方向貫通穴２８は、互いに周方向に等間隔になるように形成されている（図２、図３）。この例では、各半径方向貫通穴２８は、軸方向に隣接する永久磁石片２４の間に対応する軸方向位置に形成される。

固定子３０は、回転子２０の半径方向外側に所定の半径方向間隔（空隙３２）をあけて半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。詳細な図示は省略するが、軸方向に貫通し、冷却用の空気が流通可能な通風孔（図示せず）が形成される。

固定子枠４０は、固定子３０を半径方向外側から取り囲むように構成される。固定子枠４０の内周は、固定子３０の外周に接している。

固定子枠４０の外周面には、軸方向に長い放熱フィン４５が複数取り付けられている。これらの放熱フィン４５は、周方向に互いに間隔をあけて取り付けられている。

この固定子枠４０は、詳細な図示は省略しているが、軸受を固定している。また、外気を取り込むための吸気口（図示せず）および固定子枠４０内を循環した空気が排気される排気口（図示せず）が形成されている。

内部ファン３８は、回転軸１０に取り付けられて、回転軸１０の回転と共に回転して送風する。この送風により、固定子および回転子２０等を冷却する。この例では、図１における右側が上流側で、左側が下流側となる。冷却のための空気の流れについては後で説明する。

続いて、本実施形態の作用について説明する。

固定子枠４０の吸気口から吸気された空気は、内部ファン３８により送風されて、空隙３２、固定子に設けられた通風孔、回転子２０の永久磁石列２５同士の周方向間隙２９、円環部材２１内に形成された半径方向間隙２６に流れ込む。このとき、支持部材２２もファンとして機能する。

回転子２０は、空隙３２、回転子２０の永久磁石列２５同士の周方向間隙２９、および円環部材２１内に形成された半径方向間隙２６を流れる空気により冷却される。

半径方向貫通穴２８を設けない場合には、半径方向間隙２６から空隙３２への空気の流れは生じない。この場合、軸長が比較的長いタイプの同期発電機では、下流側は上流側に比べて永久磁石列２５の温度上昇を抑制しにくくなる。

これに対して、上述したように半径方向貫通穴２８を形成することで、半径方向間隙２６から空隙３２への空気の流れが生じるため、永久磁石列２５の周方向に面する部位に冷却空気が吹き付けられやすくなる。これにより、永久磁石列２５の冷却効果が向上する。また、半径方向貫通穴２８を流れる冷却空気は、台座２３の冷却にも寄与することができる。また、永久磁石列２５を一様に冷却することができ、温度上昇した永久磁石片２４の磁束密度の変化が抑えられ、軸方向の磁束密度の偏りが抑制できる。

また、半径方向貫通穴２８を形成することで、磁束の通る部分が小さくなる可能性があるが、突出部２１ａを形成することで、磁束が通る部分を確保することができる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、回転子２０を効率よく冷却することが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について図１および図４〜図６を用いて説明する。図４は、本実施形態の回転電機の回転子２０について、冷却空気の上流側の端部付近の上面を模式的に示す部分上面図である。図５は、本実施形態の回転子２０の部分上面図で、図３に示す部分よりも冷却空気の下流側を示している。図６は、本実施形態の回転子２０について、冷却空気の下流側の端部付近の上面を模式的に示す部分上面図である。

なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の半径方向貫通穴２８は、上流側よりも下流側の穴数が多くなるように形成される。以下詳細を説明する。

回転子２０の上流側端部、すなわち、図１における右側端部は、図４に示すように、所定の周方向間隙（第１の周方向間隙２９ａ）に面する部位には、半径方向貫通穴２８は形成されてない。これに対して、第１の周方向間隙２９ａの周方向両側の周方向間隙（第２の周方向間隙２９ｂ、第３の周方向間隙２９ｃ）に面する部位には、第１の実施形態の周方向間隙２９（図３）と同様に半径方向貫通穴２８が形成されている。

また、図４に示す部分よりも下流側、すなわち、図５に示す部分では、第１の周方向間隙２９ａに面する部位には、半径方向貫通穴２８が形成される。これらの半径方向貫通穴２８は、第２の周方向間隙２９ａに面する部位に形成される半径方向貫通穴２８に対して、軸方向に一つ置きに形成されるため、穴数が少ない。

回転子２０の下流側端部、すなわち、図１における左側端部は、図６に示すように、第１の周方向間隙２９ａに面する部位は、第２および第３の周方向間隙２９ｂ、２９ｃに面する部位と同様に、半径方向貫通穴２８が形成される。

これにより、第１の実施形態と同様の効果が得られると共に、永久磁石列２５の温度が上昇しやすい下流側に上流側より多くの冷却空気を流すことができ、下流側の永久磁石列２５の冷却効果が向上する。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

上述した実施形態では、固定子の外周と固定子枠４０の内周が接しているが、これに限らない。所定の半径方向間隔をあけてもよい。

上記実施形態では、突出部２１ａは、円環部材２１に一体的に形成されているが、これに限らない。図７および図８は、図２の回転子２０の変形例を示す部分側面図である。

突出部２１ａは、図７に示すように円環部材２１とは別体として、円環部材２１に取り付けてもよい。この場合、突出部２１ａの材質は、円環部材２１の材質と同じものを用いる。また、突出部２１ａの軸方向に垂直な断面の形状は、長方形に限らない。例えば、図８に示すように半円状でもよい。

また、突出部２１ａは、軸方向端部が円環部材２１の軸方向端部まで延びているがこれに限らない。

また、上記実施形態では、回転軸１０は、軸受に回転可能に支持されているが、これに限らない。例えば、軸部材を固定して、この軸部材に軸受を取り付けて、この軸受の外周に支持部材２２を固定してもよい。この場合、回転中心を通風路として用いることも可能になる。この場合の軸受は、軸部材に接する側が固定されて、半径方向外側（外周面）が回転するように構成されている。

また、半径方向貫通穴２８は、円形の貫通穴としているが、これに限らない。

１０…回転軸
２０…回転子
２１…円環部材
２１ａ…突出部
２２…支持部材
２３…台座
２３ａ…座面
２４…永久磁石片
２５…永久磁石列
２６…半径方向間隙
２８…半径方向貫通穴
２９…周方向間隙
２９ａ…第１の周方向間隙
２９ｂ…第２の周方向間隙
２９ｃ…第３の周方向間隙
３０…固定子
３２…空隙
３８…内部ファン
４０…固定子枠
４５…放熱フィン

Claims

所定の軸周りを回転する回転軸と、
前記回転軸を半径方向外側から取り囲み前記回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転する回転子と、
前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、
前記固定子を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、
を有する回転電機において、
前記回転子は、
前記回転軸を所定の半径方向間隙をあけて半径方向外側から取り囲むように配置された円環状で前記軸周りを回転可能で、内周面には半径方向に突出して軸方向に延びる突出部が形成された円環部材と、
それぞれが軸方向に延びて、互いに周方向間隙を形成するように前記円環部材の半径方向外側の外周面に固定されて、前記周方向間隙が前記突出部の半径方向外側に形成された複数の台座と、
それぞれが、前記各台座に複数の永久磁石片が軸方向に配列されてなり、互いに前記周方向間隙を形成するように配置された複数の永久磁石列と、
を有し、
前記円環部材には、それぞれの前記周方向間隙に面する部分で前記突出部を半径方向に貫通する半径方向貫通穴が複数形成されて、
互いに軸方向位置が同じ前記半径方向貫通穴は、互いに周方向に等間隔になるように形成されていること、
を特徴とする回転電機。
前記回転軸には、回転軸と共に回転して送風可能なファンが取り付けられて、前記半径方向間隙から前記半径方向貫通穴に向かうように空気が流れるように構成されていること、を特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ファンは、前記回転子の一方の軸方向外側に設けられて、
前記ファンが設けられた側が上流で、反対側が下流となるように空気が流れるように構成されて、
周方向位置が同じ前記半径方向貫通穴からなる一群の半径方向貫通穴は、その穴数が、前記上流側よりも下流側の方が多くなるように形成されていること、
を特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記突出部の軸方向に垂直な断面は、略長方形状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項の記載の回転電機。
前記突出部の軸方向に垂直な断面は、略半円状であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項の記載の回転電機。
前記突出部は、前記円環部材に一体に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。
前記突出部は、前記円環部材と別体であって、前記円環部材と同じ材質で形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。