JP5918582B2

JP5918582B2 - 回転電機およびその製造方法

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Publication number: JP5918582B2
Application number: JP2012061522A
Authority: JP
Inventors: 貴陽藤川; 雄一坪井; 慶亮津房
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-03-19
Filing date: 2012-03-19
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-03-19
Also published as: JP2013198240A

Description

本発明は、固定子鉄心を有する回転電機およびその製造方法に関する。

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鉄心と、この固定子鉄心を収容する固定子枠と、を有する。

固定子枠内には、冷却用のファンが設けられて、固定子枠内を冷却している。また、固定子枠の外側には、放熱のためのフィンが形成されている。ファン冷却の回転電機では、固定子枠と固定子鉄心との接触面圧は、通常、焼ばめ等の嵌合によって保持される。

回転電機の運転中に固定子巻線等から発生する熱は、固定子鉄心から固定子枠に伝わり、放熱フィンから放熱される。

固定子鉄心に固定子枠が接して、熱が固定鉄心から固定子枠に伝わるように構成される回転電機は、例えば、特許文献１に開示されているものが知られている。また、特許文献２に開示されているように、固定子巻線から固定子枠に熱伝素子等を設けて伝熱するものが知られている。

特開平６−１４１５０９号公報特開昭６３−１４４７３３号公報

固定子鉄心には、軸方向に貫通する貫通穴が形成されるものがある。この貫通穴は、ボルトが挿入されるものや、軽量化のために形成されるものや、冷却空気の流路となるもの等がある。

当該貫通穴は、固定子鉄心の外周面に近い部分に形成されることが多い。固定子鉄心が固定子枠に焼ばめで固定されるとき、当該貫通穴は半径方向に延びるように変形する。この場合、固定子鉄心の外周面のうち貫通穴の半径方向外側の部分が、他の部分の外周面よりも固定子枠の内面をより強く押し付けることとなる。その結果、当該貫通穴がある部分以外では、固定子鉄心の外周面と固定子枠の内面との間に作用する接触面圧が低くなる。

固定子鉄心の熱は、当該接触面圧が大きい部分から固定子枠に伝わることとなるが、貫通穴が固定子鉄心の外周面の近くにある場合、貫通穴と外周面との間が薄肉になるため、熱が効率よく回り込むことができない可能性がある。

その結果、固定子鉄心から固定子枠への伝熱が非効率になる可能性がある。当該伝熱効率が低いと、固定子鉄心等を冷却するための冷却装置等をより高性能なものにしなければなない等の問題が生じ、その結果、製造コスト等が増大する可能性がある。

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、固定子鉄心の熱を効率よく固定子枠に伝えることである。

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自在な回転子と、前記回転子を半径方向外側から取り囲むように配置された円筒状で、内周面に開口し軸方向に延びる内周溝が形成された固定子鉄心と、一部が前記内周溝内にあるように配置された固定子巻線と、前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように配置され、前記固定子鉄心を嵌合するように構成された固定子枠と、それぞれが前記固定子枠の外周面から半径方向外側に張り出して軸方向に延びた板状で、互いに所定の周方向間隔をあけて前記固定子枠の外周面に形成された複数の放熱フィンと、を有する回転電機において、前記固定子鉄心には、前記内周溝よりも半径方向外側に、軸方向穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成されて、これらの軸方向穴の半径方向外側で前記軸方向穴それぞれに周方向位置が揃うように軸方向に延びる外周溝が形成されて、前記外周溝それぞれの周方向位置が、隣接する前記放熱フィンの間になるように形成されていること、を特徴とする。
また、本発明に係る回転電機の製造方法は、前記固定子鉄心を、加熱した前記固定子枠内に挿入する挿入工程と、前記挿入工程の後に、前記固定子枠を冷却して前記固定子枠内に固着する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、固定子鉄心の熱を効率よく固定子枠に伝えることが可能になる。

本発明に係る実施形態の回転電機の概略正断面図である。図１のII−II矢視の一部を示す部分側面図である。図２の外側貫通穴の周辺を拡大した拡大側面図である。図２の外側貫通穴の変形を模式的に示す概略側面図である。図２の実施形態の比較例で、外周溝がないときの固定子鉄心等の概略側面図である。図１の変形例で、鋼板群に間隔板を付加した概略正断面図である。

以下、本発明に係る回転電機の一実施形態について図面（図１〜図５）を参照して説明する。

図１は、本実施形態の回転電機の概略正断面図である。図１は、固定子枠４０のうち、固定子３０等を収容する部分について断面で示している。

図２は、図１のII−II矢視の一部を示す部分側面図である。図２では、回転子２０の図示を省略している。図３は、図２の外側貫通穴３４の周辺を拡大した拡大側面図である。図４は、図２の外側貫通穴３４の変形を模式的に示す概略側面図である。

図５は、図２の実施形態の比較例で、外周溝３６がないときの固定子鉄心３１等の概略側面図である。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。

回転電機は、図１に示すように、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、ファン４８と、を有する。

回転軸１０は、水平に延びる軸周りを回転するもので、図示しない軸受で回転自在に支持されている。軸受は、固定子枠４０に取り付けられている。回転子２０は、回転軸１０に固定されて回転軸１０と共に同軸で回転する。

固定子３０は、回転子２０を半径方向外側から取り囲むように構成されて、固定子鉄心３１と、固定子巻線３８と、を有する。

固定子鉄心３１は、円筒状の部材であり、複数の鋼板群３２と、軸方向両側それぞれに配置される押え板３７と、を有する。押え板３７には、半径方向に延びる通風路（図示せず）が形成される。この通風路は、固定子鉄心３１等を冷却するための冷却空気が流れる。

鋼板群３２は、複数の鋼板が積層されてなる。

各鋼板は、一つの中央貫通穴３３と、複数の外側貫通穴３４と、複数の内周溝３９と、複数の切欠き３５と、が形成された穴あき円板状である。中央貫通穴３３および外側貫通穴３４については、以下、鋼板に形成されたものについて説明し、押え板３７に形成されている中央貫通穴３３および外側貫通穴３４については、各鋼板と同様であるため、説明を省略する。

各鋼板等の中央貫通穴３３は、鋼板が積層されてなる鋼板群３２が押え板３７と共に固定子鉄心３１を構成するときに、各鋼板等の中央貫通穴３３が軸方向に連通し、その内部に回転子２０が挿入される。軸方向に連通する中央貫通穴３３の内周面と、回転子２０の外周面との間に、所定の空隙４９を保つように回転子２０が配置される。

内周溝３９は、中央貫通穴３３の内周（縁）から半径方向外側に延びる溝である。固定子鉄心３１を構成するとき各鋼板の内周溝３９が軸方向に連通し、連通した内周溝３９に固定子巻線３８が挿入される。

外側貫通穴３４は、鋼板の内周溝３９より半径方向外側に周方向に互いに等間隔をあけて複数形成されている。各外周貫通穴３４の軸方向の断面形状は、円形である。この例では、外側貫通穴３４は、同じ寸法で周方向に等間隔に配列されるため、各鋼板を積層するときには、周方向に配列された外側貫通穴３４は、軸方向に連通する。

押え板３７にも、各鋼板と同様に外側貫通穴３４が形成されているため、固定子鉄心３１を構成するときに、外側貫通穴３４は連通し軸方向に貫通する。なお、押え板３７の中央貫通穴３３は、固定子巻線３８に干渉しないように、各鋼板に形成された中央貫通穴３３よりも穴直径が大きくなるように形成されている。

切欠き３５は、外周貫通穴３４の半径方向外側に形成されている。各切欠き３５は、軸方向の断面形状が略半円である。この半円の中心の周方向位置は、外側貫通穴３４の軸方向断面の中心（円形の中心）の周方向位置と揃うように形成されている。各鋼板を積層するときには、各鋼板の切欠き３５は、軸方向に連通して外周溝３６となる。この例では、外周溝３６は、鋼板群３２の一方の軸方向端部からもう一方の軸方向端部まで延びている。

これらの連通した外側貫通穴３４のうちの一部には、ボルト（図示せず）が挿入される。図示は省略するが、ボルト頭およびナットが、軸方向両側の押え板３７の軸方向外側にあるように配置されて、押え板３７で挟まれた鋼板群３２を軸方向内側に締め付けて固定する。

ファン４８は、回転子２０の軸方向外側の回転軸１０に取り付けられて、回転軸１０の回転と共に回転して、固定子枠４０内に冷却空気を流す。このとき、ボルトが挿入されていない外側貫通穴３４には、当該冷却空気が流通する。

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配置され、固定子鉄心３１を嵌合するように構成される。固定子鉄心３１は、固定子枠４０に焼ばめで固着される。すなわち、固定子枠４０を加熱して固定子鉄心３１が挿入される部分の内径を膨張させた状態で、固定子鉄心３１を挿入し、その後冷却して固定子鉄心３１を固定する。焼ばめで固定することで、固定子鉄心３１の外周と、固定子枠４０の内周との接触面圧を保持している。

なお、押え板３７は、鋼板群３２のよりも外径は小さくなるように形成されている。すなわち、押え板３７は、固定子枠４０の内面には接触していない。また、この例では、押え板３７には、切欠き３５は形成されていない。

また、この固定子枠４０の軸方向端部は、上述の軸受を固定するための軸受ハウジング（図示せず）等が取り付けられている。

放熱フィン４５は、固定子枠４０の外周（半径方向外側）に複数形成されている。各放熱フィン４５は、半径方向外側に張り出して軸方向に延びた板状で、所定の周方向間隔をあけて平行に配列される。

放熱フィン４５が延びる方向と、外側貫通穴３４が連通する方向とは互いに同じで軸方向である。本実施形態では、図２に示すように、互いに周方向に隣り合う放熱フィン４５の中央の周方向位置に相当する位置に、外周溝３６が形成されている。

続いて、本実施形態の回転電機の固定子鉄心３１の熱が、固定子枠４０の放熱フィン４５に伝達されるときの作用について説明する。

回転電機が運転状態にあるとき、すなわち、固定子巻線３８に電流が流れて回転軸１０等が回転しているときは、固定子巻線３８から発熱し、この熱が固定子鉄心３１に伝わる。固定子鉄心３１に伝わった熱は、固定子枠４０の内面から放熱フィン４５に伝わり、外気に放熱される。

上述の通り、固定子鉄心３１は、焼ばめにより固定子枠４０に嵌合されている。このとき、外側外周穴は、図４に示すように周方向に圧縮される力（図４の矢印Ｂ１）を受ける。この力により、半径方向（図４の矢印Ｂ２の方向）に長い長円（例えば楕円）状に変形することとなる。当該変形により、外側貫通穴３４の半径方向外側の鋼板群３２は、半径方向外側に向かって変形しようとする。

図５に示すように、外周溝３６がない場合には、鋼板群３２の外周面において、放熱フィン４５がある部分にかかる固定子枠４０の内面との接触面圧が、放熱フィン４５がない部分に係る固定子枠４０の内面との接触面圧よりも大きくなる。その結果、図５のＣ１部に示すような分布で、当該接触面圧が周方向にばらついて、図５のＣ２部で示す比較的薄肉な部分の接触面圧が大きくなることとなる。

当該Ｃ１部は、外周溝３６がないときの鋼板群３２の外周面と固定子枠４０の内面との接触面圧の分布の一部を示し、Ｃ１部の輪郭が上方にあるときは接触面圧が高い状態を示している。

これに対して、本実施形態では、外側貫通穴３４が図４に示すように変形した場合でも、外周溝３６が形成されているために、外側貫通穴３４がある周方向位置に相当する鋼板群３２の外周面は、固定子枠４０の内面に接しない。すなわち、外側貫通穴３４がある周方向位置に相当する鋼板群３２の外周面は、固定子枠４０の内周に接触面圧が作用しない。

このため、当該接触面圧は、図２のＡ部に示しように分布することとなる。当該Ａ部は、外周溝３６があるときの鋼板群３２の外周面と固定子枠４０の内面との接触面圧の分布の一部を示し、Ａ部の輪郭が上方にあるときは接触面圧が高い状態を示している。

Ａ部に示すように、外周溝３６が形成されることにより、鋼板群３２の外周面が固定子枠４０の内面に作用する接触面圧が、極端に大きくなることを抑制する。その結果、当該接触面圧がより均一に作用する状態に近づくことになり、固定子鉄心３１から固定子枠４０への伝熱のばらつきが抑制できる。

放熱フィン４５は、外側貫通穴３４および外周溝３６の周方向位置とは異なる位置にある。すなわち、放熱フィン４５は、接触面圧がより均一に保持される部位に相当する周方向位置に形成されている。このため、固定子枠４０に伝わった熱は、放熱フィン４５に効率よく伝わる。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、固定子鉄心３１の熱を効率よく固定子枠に伝えることが可能となる。また、冷却構造をより簡素化することも可能となるため、回転電機をより小型化することもできる。

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。

また、上記実施形態では、放熱フィン４５および固定子枠４０が一体に形成されているがこれに限らず、別部材でもよい。

また、軸方向に外側貫通穴３４は、ボルトが挿入されるものと、冷却空気が流れるものについて説明しているが、これに限らない。軽量化のために形成されてもよい。この場合、部分的に塞がれた状態、すなわち、貫通しなくてもよい。

また、固定子鉄心３１は、複数の鋼板群３２と、軸方向両側それぞれに配置される押え板３７と、を有する例で説明しているが、これに限らない。図６は、図１の変形例で、鋼板群３２に間隔板５０を付加した概略正断面図である。図６に示すように、大型の回転電機の場合には、図１の鋼板群３２を二つに分けて、それらの間に間隔板５０を配置してもよい。この場合、鋼板群３２および間隔板５０は、軸方向に交互に配置されて、軸方向両側の押え板３７により軸方向内側に互いに押し付けられた状態で固定すればよい。間隔板５０には、押え板３７と同様に、半径方向に延びる通風路（図示せず）が形成される。この通風路は、上述の冷却空気が流れるように構成される。なお、間隔板５０は、複数配置してもよく、その数は固定子鉄心３１の軸方向寸法により決まる。

また、固定子枠４０は、密閉されたものでも、開放されるものでもよい。

また、この例では、外周溝３６の半円の中心の周方向位置が、外側貫通穴３４の軸方向断面の中心（円形の中心）の周方向位置と揃うように形成されているが、これに限らず、各中心の周方向位置が多少ずれてもよい。この場合には、半円と円形とが半径方向に一部重なるように形成されていればよい。

また、外周溝３６は、互いに周方向に隣り合う放熱フィン４５の中央に形成されているが、これに限らない。互いに周方向に隣り合う放熱フィン４５の間であればよい。

１０…回転軸
２０…回転子
３０…固定子
３１…固定子鉄心
３２…鋼板群
３３…中央貫通穴
３４…外側貫通穴
３５…切欠き
３６…外周溝
３７…押え板
３８…固定子巻線
３９…内周溝
４０…固定子枠
４５…放熱フィン
４８…ファン
４９…空隙
５０…間隔板

Claims

所定の軸周りを回転自在な回転子と、
前記回転子を半径方向外側から取り囲むように配置された円筒状で、内周面に開口し軸方向に延びる内周溝が形成された固定子鉄心と、
一部が前記内周溝内にあるように配置された固定子巻線と、
前記固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように配置され、前記固定子鉄心を嵌合するように構成された固定子枠と、
それぞれが前記固定子枠の外周面から半径方向外側に張り出して軸方向に延びた板状で、互いに所定の周方向間隔をあけて前記固定子枠の外周面に形成された複数の放熱フィンと、
を有する回転電機において、
前記固定子鉄心には、前記内周溝よりも半径方向外側に、軸方向穴が周方向に互いに間隔をあけて複数形成されて、これらの軸方向穴の半径方向外側で前記軸方向穴それぞれに周方向位置が揃うように軸方向に延びる外周溝が形成されて、
前記外周溝それぞれの周方向位置が、隣接する前記放熱フィンの間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。
前記軸方向穴は、軸方向に貫通していることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
一部の前記軸方向穴を貫通して配置されて、ボルト頭を備えたボルトと、
前記ボルトにねじ込まれたナットと、
をさらに有し、
前記固定子鉄心は、前記ボルト頭と前記ナットの間にあって、軸方向外側から圧縮され固定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。
前記軸方向穴は、軸方向に空気が流通可能に構成されていること、を特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記外周溝の軸方向に垂直な断面形状が略半円で、
前記半円の中心の周方向位置と、前記軸方向穴の軸方向に垂直な断面の中心の周方向位置とが揃うよう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４のいずれか一項に記載の回転電機。
前記外周溝は、前記固定子鉄心の一方の軸方向端部からもう一方の軸方向端部まで延びていること、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。
前記外周溝それぞれの周方向位置が、隣接する前記放熱フィンの中央になるよう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６のいずれか一項に記載の回転電機。
請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の回転電機の製造方法であって、
前記固定子鉄心を、加熱した前記固定子枠内に挿入する挿入工程と、
前記挿入工程の後に、前記固定子枠を冷却して前記固定子枠内に固着する工程と、
を含むことを特徴とする回転電機の製造方法。