JP5944346B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、固定子と、この固定子の内孔部分に回転可能に設けられる回転子とを、ケーシング内に収納した回転電機に関する。

電動機や発電機等の回転電機において、ケーシング内に、固定子と、この固定子の内孔部分に回転可能に設けられる回転子とを収納した構造のものがある。このような回転電機では、ケーシング内部の各構成部品を冷却するため、回転子の軸方向端部にファンを設け、これを回転子と共に回転させてケーシング内の空気を攪拌するように構成している。また、固定子のコイルエンドと、このコイルエンドと対向するケーシング内面との間に仕切り板を設け、上述したファンにより攪拌され、固定子巻線のコイルエンドを経たケーシング内の空気を、この仕切り板とケーシング内面との間に案内するように構成している。

従来の回転電機では、上述した固定側の仕切り板に加えて、回転子に設けたファンの軸方向端部にも仕切り板（回転側の仕切り板とする）を設けている（例えば、特許文献１参照）。このような回転側の仕切り板を設けたことにより、攪拌用のファン周囲のみで冷却空気が短絡的に循環することが防ぐことができ、コイルエンド部を通過する冷却空気量を確保している。

実公昭４２−１８９６４号公報

しかし、上述した従来の構造は、回転側のファンに、さらに仕切り板を設けているため、回転電機の組み立て時、或いは点検時などにおいて、回転子の、固定子内孔に対する挿入操作、及び微調整作業が難しくなり、これらの作業に多くの手間を要した。

本発明は、組立性が良く、微調整作業も容易に可能であり、ケーシング内各部に発生する発熱の放熱効率が向上する冷却構造とした回転電機を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態に係る回転電機は、固定子と、この固定子の内孔部分に回転可能に設けられる回転子とをケーシング内に収納した回転電機であって、前記回転子の軸方向端部に設けられ、回転子と共に回転してケーシング内の空気を攪拌するファンと、前記固定子の外周に一体的に設けられ、冷却用の水室及びこの水室の端部と一体のフィンを有する中子リングと、前記固定子及び中子リングの端面と、この端面と対向する前記ケーシングの内面との間に、この内面に沿って設けられ、前記ファンにより攪拌されたケーシング内の空気を、前記固定子鉄心の端部に露出する固定子巻線のコイルエンド及び前記フィンを経て前記ケーシングの前記内面との間に流す第１の仕切り板と、 前記ファンとは別体で、一端部が前記第１の仕切り板の回転軸側の端部に板面が連続するように固定され、他端部は回転軸の軸方向に折り曲げられ、第１の仕切り板とケーシング内面との間に流れる空気を、前記回転軸の外周と前記ファンとの間の空間に流す第２の仕切り板とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、固定子巻線のコイルエンド部を含むケーシング内各部に冷却空気を効率よく供給することができ、しかも、組立性が良く、回転子の微調整作業も容易となる。

本発明の第１の実施形態に係る回転電機の内部構成を示す図である。 図１で示した第１の仕切り板と第２の仕切り板との関係を、それらの板面方向から見た図である。 本発明の第２の実施形態に係る回転電機の内部構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る回転電機の内部構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、電動機や発電機などの回転電機の第1の実施形態を示す図である。図１において、回転電機１１は、円筒状の内孔を有する固定子（図１では円筒の上半部のみ図示）１２と、この固定子１２の内孔内に回転可能に設けられた回転子（同じく図１では上半部のみ図示）１３とを有し、これらはケーシング１４内に設置されている。

固定子１２は、円筒状の固定子鉄心の内周面（図示下面）に開溝する軸方向に沿うスロットを複数条有し、これらのスロット内には固定子巻線１５がそれぞれ設けられ、それらのコイルエンド１５１は図示のように固定子１２の鉄心両端部から露出している。また、この固定子１２の鉄心外周には中子リング１６が一体的に設けられている。この中子リング１６内には、冷却用の水室１７が形成されている。この水室１７の端部は、中子リング１６の両端からそれぞれ突出しており、それぞれ端部にフィン１８を一体に有する。

回転子１３は円筒形の鉄心を有し、上述した固定子１２の内孔と同心の回転軸２１の外周に、円板状のリブ２２を介して一体的に取り付けられている。この回転子１３は、その円筒形鉄心の外周部に永久磁石２３を取り付け、永久磁石式電動機を構成している。この永久磁石２３を含む回転子１３の外周面は、固定子１２の内孔の内周面と所定のギャップで対向する。また、この回転子１３の軸方向両端部にはファン２４が一体的に設けられている。このファン２４は、回転子１３と共に回転してケーシング１４内の空気を攪拌する。

なお、上述した永久磁石式電動機は、回転電機１１の一例として示したものであり、勿論、永久磁石２３を持たない回転子を有する他の方式の回転電機１１であってもよい。

上述した固定子１２及び中子リング１６の図示左右の端面と、これらの端面と対向するケーシング１４の内側面との間には第１の仕切り板２６を設ける。この第１の仕切り板２６は、図２で示す板面形状を成し、その板面がケーシング１４の上述した内側面に沿って設けられる。そして、回転子１３の回転に伴い、ファン２４により攪拌されたケーシング１４内の空気を、固定子巻線１５のコイルエンド１５１及び水室１７と一体の端部フィン１８を経て、矢印Ａで示すように、ケーシング１４の内側面との間に案内する。

この第１の仕切り板２６に対しては第２の仕切り板２７を設ける。第２の仕切り板２７は、第１の仕切り板２６の回転軸２１側の端部（図１の下端）と板面が連続するように設けられている。すなわち、この第２の仕切り板２７は、図２で示すように、第１の仕切り板２６の内周縁と板面が連続するように設けられており、図１で示すように、ケーシング１４の上述した内側面に沿う部分２７ａと、その図示下端部をほぼ直角に折り曲げ、回転軸２１の外周面に沿うよう形成した部分２７ｂとから成る。そして、第１の仕切り板２６により、その外面とケーシング１４の内側面との間に案内された空気を、回転軸２１の外周とファン２４との間の空間に案内し、ケーシング１４内における循環流を形成する。なお、この第２の仕切り板２７の外面には補強部材２８を一体に設けている。

上記構成において、回転電機１１が運転され、回転子１３が回転軸２１を中心に回転すると、この回転子１３の図示左右端部に設けられたファン２４も回転し、ケーシング１４内の空気を攪拌する。このファン２４により攪拌されたケーシング１４内の空気は、第１の仕切り板２６により案内されて、固定子巻線１５のコイルエンド１５１及び水室１７と一体の端部フィン１８を経てこれらを冷却しながら上昇する。この後、矢印Ａで示すように、ケーシング１４内の上面部分にてＵターンし、ケーシング１４の内側面との間に流れ、下降する。下降した空気は、第２の仕切り板２７の図示垂直部分２７ａ及び図示水平部分２７ｂに案内されて回転軸２１の外周とファン２４との間の空間に流れ、ファン２４により再びコイルエンド１５１及び端部フィン１８に向って上昇し、ケーシング１４内における循環流を形成する。

すなわち、固定子１２のコイルエンド１５１の近傍に設けた第１の仕切り板２６に加えて、回転子１３の軸方向両端に設けられた攪拌用のファン２４の近傍にも第２の仕切り板２７を設けたことにより、攪拌ファン２４の周囲のみで冷却空気が短絡的に循環することが防げる。したがって、コイルエンド１５１部分を通過する冷却空気量が充分に確保でき、冷却効率が向上する。また、第２の仕切り板２７は、従来のように回転子に取り付けるのではなく、第１の仕切り板２６に固定することにより、従来の構造よりも、組立性が良く、微調整なども容易に可能となる。

次に、図３で示す第２の実施の形態を説明する。この実施の形態による回転電機１１も、図１で示した第１の実施の形態と同様に、円筒状の内孔を有する固定子１２と、この固定子１２の内孔内に回転可能に設けられた回転子１３とを、ケーシング１４内に設置した構造である。

固定子１２の鉄心に設けられたスロット内には固定子巻線１５が設けられ、それらのコイルエンド１５１は固定子１２の鉄心両端部から露出している。また、この固定子１２の鉄心外周には中子リング１６が一体的に設けられ、その内部に形成された冷却用の水室１７の端部は、中子リング１６の両端からそれぞれ突出しており、それぞれ端部のフィン１８を一体に有する。

また、中子リング１６の外周面には軸方向（図示左右方向）に沿う冷却フィン１６１を設ける。この冷却フィン１６１とこれに対向するケーシングの内面（図示上面）との間には、ケーシング１４内の一端側と他端側とを連通する冷却通路が形成される。

回転子１３を構成する円筒形の鉄心は、固定子１２の内孔と同心の回転軸２１の外周に、円板状のリブ２２を介して一体的に取り付けられている。この回転子１３は、永久磁石２３を取り付け、永久磁石式電動機を構成しているが、永久磁石２３を持たない回転子を有する構造であってもよい。

ここで、回転子１３を回転軸２１の外周に取り付ける円板状のリブ２２には、図示左右方向に貫通する通気部２２１を設ける。すなわち、回転子１３は、回転軸２１の外周に、軸方向に貫通する通気部２２１を介して一体的に取り付けられた円筒形の鉄心を有する。

これら固定子１２及び回転子１３の一端（図示右端）側には、第１の実施の形態と同様の第１の仕切り板２６及び第２の仕切り板２７を設ける。これら第１の仕切り板２６及び第２の仕切り板２７の機能は、第１の実施の形態で説明した機能と同じである。すなわち、固定子１２及び中子リング１６の図示右端面と、ケーシング１４の内側面との間に設けられた第１の仕切り板２６は、回転子１３の回転に伴い、ファン２４により攪拌されたケーシング１４内の空気を、固定子巻線１５のコイルエンド１５１及び水室１７と一体の端部フィン１８を経て、矢印Ａで示すように、ケーシング１４の内側面との間に案内する。第２の仕切り板２７は、第１の仕切り板２６と板面が連続するように設けられ、第１の仕切り板２６によりケーシング１４の内面との間に案内された空気を、回転軸２１の外周とファン２４との間の空間に案内し、ケーシング１４内における循環流を形成する。

さらに、この第２の仕切り板２７は、第１の仕切り板２６とケーシング１４の内面との間に下向きに案内された空気を、通気部２２１の一端開口部（図示右端開口部）へも案内する機能を有する。

一方、固定子１２及び回転子１３の他端（図示左端）側には、第３の仕切り板３７及び第４の仕切り板３６をそれぞれ設ける。第３の仕切り板３７は、前述した第２の仕切り板２７と同じ構造であるが、通気部２２１を通って図示右端側から流れてきた空気、すなわち、通気部２２１の他端開口部（図示左端開口部）の空気を、回転子１３の他端（図示左端）側に設けられたファン２４に案内する。また、第４の仕切り板３６は、前述した第１の仕切り板２６と同じ構造であり、固定子１２及び中子リング１６の他端面（図示左端面）と、これらと対向するケーシング１４の内側面との間に、この内側面に沿って設けられている。

また、この第４の仕切り板３６と、これに対向するケーシング１４の内側面との間には、第５の仕切り板３８を設ける。この第５の仕切り板３８は、第４の仕切り板３６により、他端（図示左端）側のコイルエンド１５１及び端部フィン１８に流れた空気を、矢印Ｂで示すように、中子リング１６の外周面に設けられた冷却フィン１６１と、これに対向するケーシング１４の内面との間、すなわち、ケーシング１４内の一端側と他端側とを連通する冷却通路に向わせる。

上記構成において、回転電機１１の運転に伴い、回転子１３が回転軸２１を中心に回転し、これと一体のファン２４も回転すると、これらのファン２４により攪拌されたケーシング１４内の空気は、第１の仕切り板２６及び第２の仕切り板２７と、第３の仕切り板３７及び第４の仕切り板３６とに案内されて上昇し、固定子１２の鉄心両端部に露出するコイルエンド１５１及び水室１７と一体の端部フィン１８を冷却する。

この後、ケーシング１４内の図示右側では、矢印Ａで示すように、ケーシング１４内の上面部分にてＵターンし、ケーシング１４の内側面との間に案内され、下降する。これに対し、ケーシング１４内の図示左側では、第５の仕切り板３８により、図示左下方への流れが阻止されているため、矢印Ｂで示すように、中子リング１６の外周面に設けられた冷却フィン１６１と、これに対向するケーシング内面との間に流れる。すなわち、ケーシング１４内の一端側と他端側とを連通する冷却通路に流れ、冷却フィン１６１及びこれと一体の中子リング１６を冷却する。

なお、この冷却通路内には、通常、固定子巻線１５に接続されるケーブル３９が設置されているので、このケーブル３９も冷却することができる。

この冷却通路を通ってケーシング１４内の図示右側に達した空気は、矢印Ａで示す空気の流れとともに、第１の仕切り板２６の外面と、これに対向するケーシング内側面との間に案内され、下降する。下降した空気は、第２の仕切り板２７の図示垂直部分２７ａ及び図示水平部分２７Ｂに案内されて回転軸２１の外周と、回転子１３の鉄心内周との間の空間に流れる。そして、その一部は、図示右側のファン２４により再び図示右側のコイルエンド１５１及び端部冷却フィン１８に向って上昇する。また、残りの空気は、円板状のリブ２２を図示左右に貫通する通気部２２１を通って、回転子１３の図示左端側に流れる。

回転子１３の図示左端側に流れた空気は、第３の仕切り板３７により、回転子１３の図示左端側に設けられたファン２４に案内される。そして、このファン２４により攪拌されて、再び図示左側のコイルエンド１５１及び端部冷却フィン１８に向って上昇する。

このように、左右のコイルエンド１５１部を冷却する２つの流路のうち、片側（図示左側）を仕切り、水室１７を有する中子リング１６の背面に設けた冷却フィン１６１に流すことにより、コイルエンド１５１に加えて固定子１２全体を効率よく冷却できる。

次に、図４で示す第３の実施の形態を説明する。この実施の形態による回転電機１１も、図１で示した第１の実施の形態と基本的に同じ構造の固定子１２、回転子１３、第１の仕切り板２６及び第２の仕切り板２７を有する。第１の実施の形態と異なるのは、回転子１３を構成する円筒形の回転子鉄心に、その内周から固定子１２の内周との間隙に通じる空気孔４１を設けたことにある。この空気孔４１は、回転子１３の内周面と回転軸２１の外周との間の空気を捉えて、固定子１２の内周との間隙に導くものである。このため、この空気孔４１の入り口部分である回転子１３の内周にガイド羽根４２を設けると、より効率的に空気を捉えることができる。

ここで、第２の仕切り板２７は、第１の実施の形態と同様に、第１の仕切り板２６の外面とケーシング内側面との間を下降する空気を、攪拌用のファン２４近くに案内すると共に、回転軸２１の外周と回転子１３の鉄心内周との間にも案内する。

上記構成において、回転電機１１の運転に伴い、回転子１３が回転軸２１を中心に回転し、これと一体のファン２４も回転すると、これらのファン２４により攪拌されたケーシング１４内の空気は、第１の仕切り板２６に案内されて上昇し、固定子１２の鉄心両端部に露出するコイルエンド１５１及び水室１７と一体の端部フィン１８を冷却する。

この後、図１における矢印Ａで示すように、ケーシング１４内の上面部分にてＵターンし、ケーシング１４の内側面との間に案内され、下降する。下降した空気は第２の仕切り板２７により攪拌用のファン２４近くに案内されると共に、回転軸２１の外周と回転子１３の鉄心内周との間にも案内される。この回転軸２１の外周と回転子１３の鉄心内周との間に案内された空気は、回転子１３の回転により、ガイド羽根４２から回転子１３に設けられた空気孔４１に捉えられ、矢印Ｃで示すように、固定子１２の内周との隙間を経てコイルエンド１５１及び端部フィン１８に流れ、これらを冷却する。

これらの結果、コイルエンド１５１及び端部フィン１８に流れる空気量は、図１で示した矢印Ａの流れに加えて、図４で示す矢印Ｃの空気の流れが加わることになる。また、攪拌しづらい固定子１２の空気を攪拌できる。このため、これらをより効率的に冷却することができる。

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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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共に、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。

１１・・・回転電機
１２・・・固定子
１３・・・回転子
１５・・・固定子巻線
１５１・・・コイルエンド
１６・・・中子リング
１６１・・・冷却フィン
１７・・・水室
１８・・・フィン
２１・・・回転軸
２２・・・リブ
２２１・・・通気部
２４・・・攪拌用のファン
２６・・・第１の仕切り板
２７・・・第２の仕切り板
３６・・・第４の仕切り板
３７・・・第３の仕切り板
３８・・・第５の仕切り板

Claims (3)

1. 固定子と、この固定子の内孔部分に回転可能に設けられる回転子とをケーシング内に収納した回転電機であって、
   前記回転子の軸方向端部に設けられ、回転子と共に回転してケーシング内の空気を攪拌するファンと、
   前記固定子の外周に一体的に設けられ、冷却用の水室及びこの水室の端部と一体のフィンを有する中子リングと、
   前記固定子及び中子リングの端面と、この端面と対向する前記ケーシングの内面との間に、この内面に沿って設けられ、前記ファンにより攪拌されたケーシング内の空気を、固定子鉄心の端部に露出する固定子巻線のコイルエンド及び前記フィンを経て前記ケーシングの前記内面との間に流す第１の仕切り板と、
   前記ファンとは別体で、一端部が前記第１の仕切り板の回転軸側の端部に板面が連続するように固定され、他端部は回転軸の軸方向に折り曲げられ、第１の仕切り板とケーシング内面との間に流れる空気を、前記回転軸の外周と前記ファンとの間の空間に流す第２の仕切り板と、
   を備えたことを特徴とする回転電機。
2. 前記回転子は、前記回転軸の外周に、軸方向に貫通する通気部を介して一体的に取り付けられた鉄心を有し、
   前記ケーシング内の空気を攪拌するファンは、前記回転子の軸方向両端部にそれぞれ設けられ、
   前記ケーシング内の、前記固定子及び回転子の一端側には、前記第１の仕切り板及び第２の仕切り板が設けられ、
   前記ケーシング内の、前記固定子及び回転子の他端側には、前記通気部を通過した空気を前記回転子の他端側に設けられた前記ファンに案内する第３の仕切り板、及び前記固定子及び中子リングの他端面と、この他端面と対向する前記ケーシングの内面との間に、この内面に沿って設けられ、前記ファンからの空気を、前記固定子巻線の他端側コイルエンド及び他端側のフィンに案内する第４の仕切り板を設け、
   前記中子リングの外周面には冷却フィンが設けられ、この冷却フィンとこれに対向するケーシングの内面との間に、前記ケーシング内の一端側と他端側とを連通する冷却通路が形成され、
   さらに、前記第４の仕切り板とこれに対向する前記ケーシングの内面との間に設けられ、前記第４の仕切り板により、前記固定子巻線の他端側コイルエンド及び他端側端部冷却フィンに案内された空気を、前記冷却通路へ送る機能を有する第５の仕切り板を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子は、円筒を成す鉄心を有し、この鉄心の内周面がリブにより前記回転軸の外周と間隔を保って一体的に取り付けられ、
   前記第２の仕切り板は、前記第１の仕切り板とケーシング内面との間に案内された空気を、前記回転軸の外周と回転子鉄心の内周との間に案内し、
   かつ前記回転子の鉄心には、その内周から前記固定子鉄心の内周との間隙に通じる空気孔を設けると共に、この空気孔の、回転子鉄心の内周側入り口部に、この回転子鉄心の内周の空気を回転に伴い前記空気孔に案内するガイド羽根を設けた
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。

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