JP6336503B2 - ブラシレス回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、ブラシレス回転電機に関する。

同期回転電機においては、通常、固定子側に電機子巻線を設け回転子側に界磁巻線を設けている。回転子に設けられた界磁巻線への直流電力は、通常、静止側に設けられた整流器からブラシを介して供給される。このブラシはメンテナンスおよび交換が必要であることから、ブラシを不要とするために、励磁装置の整流器等を、回転子とともに回転する方式とすることによってブラシレス化を図る技術が知られている。

特許第５６０５７７７号公報 特開平８−２５１８７１号公報

回転整流器等は、通常、回転子のロータシャフトを延長し、この延長部分に設けられる。また、通常、励磁装置の静止部分も、回転整流器の近傍に設けられる。

回転電機の回転子および固定子の冷却のために、冷却用の気体が回転電機の機内の循環流路を循環している。励磁装置の整流器等の発熱に対する冷却のために、回転電機の機内の循環流路から分岐してこの冷却用気体の一部が用いられるように、分岐した流路が形成されている（特許文献１、２）。

したがって、回転電機の回転子および固定子の冷却機能を損なわずに、励磁装置の整流器等の発熱に対する冷却を行う必要がある。このため、効率のよい励磁装置の整流器等の発熱に対する冷却が求められている。

そこで、本発明は、回転整流器を有するブラシレス回転電機において、励磁装置の冷却性能の向上を図ることを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明に係るブラシレス回転電機は、主軸のまわりに回転可能に軸支され主軸方向に延びたロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に固定されて主軸方向に延びた回転子鉄心と、前記回転子鉄心内を貫通する回転子巻線とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に配されて、主軸方向に延びる固定子鉄心と、その固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、前記ロータシャフトとともに回転する回転整流器を有する励磁装置と、前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記冷却用気体を前記フレーム内から流入させるための冷却器入口開口と、前記冷却用気体を前記フレーム内に流出させるための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、前記励磁装置を内包し、前記閉空間の一部を形成する励磁装置カバーと、前記励磁装置カバーと前記冷却器カバーとを接続する分岐管と、前記励磁装置カバーと前記フレームとを接続する戻り管と、前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、前記分岐管に設けられ前記分岐管内の前記冷却用気体の冷却を行う励磁装置冷却促進機と、前記分岐管と前記励磁装置冷却促進機とを連結する連結管と、を備え、前記励磁装置冷却促進機は、前記連結管を介して供給される前記冷却用気体の一部が、当該励磁装置冷却促進機の冷却側の気体に使用されるように構成されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転整流器を有するブラシレス回転電機において、励磁装置の冷却性能の向上を図ることができる。

本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の立断面図である。 本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の励磁装置冷却促進機を拡大して示す立断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機について説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の立断面図である。ブラシレス回転電機１００は、回転子１０、固定子２０、および励磁装置５０を有する。

回転子１０は、回転軸方向に延びて回転可能に軸支されたロータシャフト１１と、ロータシャフト１１の径方向外側に配されてロータシャフト１１に結合した回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２内を貫通する回転子巻線１３とを有する。ロータシャフト１１には、内扇１５が取り付けられており、ロータシャフト１１の回転とともに回転する。内扇１５の径方向には、仕切り板１５ａが設けられている。内扇１５は、内扇１５および仕切り板１５ａの軸方向の外側、すなわち軸受３２側の冷却用気体を、吸い込み、回転子鉄心１２および固定子２０側に押し出す。

固定子２０は、回転子鉄心１２の径方向外側に配されて円筒形状の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の径方向内側の面に周方向に間隔をおいて形成されて軸方向に延びた複数のスロット（図示せず）内に布設された固定子巻線２２とを有する。

励磁装置５０は、回転整流機５１、励磁機回転部５２および励磁機固定部５３を有する。回転整流機５１および励磁機回転部５２は、ロータシャフト１１に取り付けられ、ロータシャフト１１とともに回転する。励磁機固定部５３は、励磁機回転部５２の径方向外側に、励磁機回転部５２と径方向に互に対向するように静止固定されている。

たとえば、ブラシレス回転電機１００が発電機である場合、以下のように作用する。すなわち、励磁機固定部５３には図示しない電源から直流電力が供給される。この結果、励磁機固定部５３は電磁石となる。なお、励磁機固定部５３は、コイルによる電磁石には限定されない。たとえば、ブラシレス回転電機１００の界磁電流すなわち回転子１０のコイルに流れる電流の制御が不要な場合にあっては、永久磁石であってもよい。

励磁機固定部５３による直流の界磁の内側で、励磁機回転部５２が回転軸周りに回転すると、励磁機回転部５２の励磁機回転部巻線（図示せず）には、交流の誘導起電力が発生する。励磁機回転部巻線に発生する交流電力は、回転整流器５１によって直流電力に変換され、同じく回転軸周りを回転する回転子鉄心１２に設けられた回転子巻線（界磁巻線）１３に供給される。この界磁によって、固定子巻線２２すなわち電機子巻線に誘導起電力が発生する。

固定子２０および回転子鉄心１２は、フレーム３０内に収納されている。フレーム３０の軸方向の両端には、軸受ブラケット３４が接続されている。軸受ブラケット３４はそれぞれ、軸受３２を支持している。軸受３２は、ロータシャフト１１を回転可能に支持している。励磁装置５０は、励磁装置カバー６１内に収納されている。

フレーム３０には、給気管３１が貫通している。貫通部はリークタイトに処理されている。給気管３１のフレーム３０内の端部は、内扇１５の吸い込み側に開放されている。給気管３１の他端は、フレーム３０外の外気に開放されている。なお、給気管３１の他端がたとえば圧縮機あるいは送風機（図示せず）などの圧力源に接続されていることでもよい。

すなわち、後述するヘッダ７３（図２）に取り付けられたノズル７５（図２）において、ノズル７５から冷却用気体が噴出する程度にノズル７５内の冷却用気体の圧力が高い状態とする。具体的には、内扇１５の吸い込み圧力にヘッド分を加え、さらに内扇１５から分岐管６２までの圧力損失を差し引いた圧力が、連絡管７４入口の圧力である。連絡管７４入口の圧力が、連絡管７４入口から後述するノズル７５出口までの圧力損失分以上、大気圧より高い圧力より十分に高い圧力の状態であれば、後述するノズル７５から冷却用気体が噴出することが可能である。この圧力は、内扇１５の吸い込み圧力で調整することが可能である。

フレーム３０の上部には、冷却器４１が設けられている。冷却器４１は、冷却器カバー４２内に収納されている。冷却器４１は、図示しない冷却管を有し、冷却管の内側を流れる冷却媒体により、冷却管の外側を流れる冷却用気体が冷却される。

フレーム３０、軸受ブラケット３４、励磁装置カバー６１および冷却器カバー４２は、互いにあいまって全体として、閉空間を形成する。フレーム３０内の空間と冷却器カバー４２内の空間とは、冷却器入口開口４３および冷却器出口開口４４で連通している。フレーム３０内の空間と励磁装置カバー６１内の空間とは、分岐管６２および戻り管６３により連通している。

分岐管６２には、励磁装置冷却促進機７０が設けられている。また、分岐管６２から励磁機冷却促進機７０に至る連結管７４が設けられている。

ロータシャフト１１の回転に伴い、内扇１５が回転し、フレーム３０内の冷却用気体を駆動する。冷却用気体は径方向に押し出され、冷却器入口開口４３から冷却器カバー４２内に流入する。冷却器カバー４２内に流入した冷却用気体は、冷却器４１で冷却された後に、冷却器４１から流出し、冷却器出口開口４４からフレーム３０内に流入する。フレーム３０内に流入した冷却用気体は、回転子１０および固定子２０を通過しながら回転子１０および固定子２０を冷却した後、内扇１５側に流入する。

また、冷却器４１より流出した冷却用気体の一部は、分岐管６２に流入し、励磁装置カバー６１内に流入し、回転整流機５１をはじめとした発熱部を冷却し、戻り管６３からフレーム３０内に戻り、冷却器出口開口４４からフレーム３０内に流入した冷却用気体と合流する。

図２は、本発明の実施形態に係るブラシレス回転電機の励磁装置冷却促進機を拡大して示す立断面図である。励磁装置冷却促進機７０は、中央ダクト７１、ジェットポンプガイド管７２、およびヘッダ７３を有する。

中央ダクト７１は、両端が開放された直管であり、分岐管６２の途中に設けられている。中央ダクト７１の両端は、分岐管６２に接続している。中央ダクト７１の断面は、分岐管６２と同一形状である。中央ダクト７１の両端にはそれぞれ、接続用のフランジ７１ａが設けられている。分岐管６２の中央ダクト７１との接続部にもそれぞれ接続用のフランジが設けられている。

中央ダクト７１の外表面には、径方向に広がり、中央ダクト７１の流れ方向に沿って延びた複数のフィン７６が取り付けられている。複数のフィン７６は、中央ダクト７１の周方向に互いに間隔をあけて設けられている。

中央ダクト７１およびフィン７６の材質は、分岐管６２の材質に比べて、熱的な良導体である。すなわち、分岐管６２の材質は、通常、たとえば鉄系の材料である。これに対して、中央ダクト７１およびフィン７６の材質は、銅あるいはアルミニウムなどの熱的な良導体である。

中央ダクト７１の径方向外側には、ジェットポンプガイド管７２が設けられている。ジェットポンプガイド管７２は両端が開放され、中央ダクト７１の流れ方向に沿って、内径が徐々に減少し最小径に達した後に、内径が徐々に増加するように形成されている。

ヘッダ７３は、中央ダクト７１の径方向外側で、ジェットポンプガイド管７２入口に設けられており、中央ダクト７１を全周に囲むように形成されている。ヘッダ７３には、複数のノズル７５が設けられている。それぞれのノズル７５は、中央ダクト７１の流れ方向の下流側の、中央ダクト７１とジェットポンプガイド管７２の間の間隙７２ａが最も狭くなる部分に向かうように配されている。

ヘッダ７３には、連結管７４が接続されている。なお、連結管７４が一か所でヘッダ７３に結合している例を示しているが、連結管７４が、たとえば２本に分岐して、それぞれが、ヘッダ７３における互いにたとえば周方向に１８０度離れた位置で接続することでもよいし、３本以上に分岐後に接続することでもよい。

ロータシャフト１１の回転時には、ブラシレス回転電機１００内の圧力は、ノズル７５から冷却用気体が噴出可能な状態である。それぞれのノズル７５から冷却用気体が噴出すると、ジェットポンプの作用によって、周囲の外気を引き込む。間隙７２ａは途中が狭くなっており、この部分で流速が上がり静圧が低下するため、さらに周囲の外気を引き込む効果が増す。

この結果、中央ダクト７１とジェットポンプガイド管７２との間隙７２ａ内には、冷却用気体と外気の混合気体が流れる。なお、ノズル７５から冷却用気体が流出することによって、閉空間内の冷却用気体のインベントリが減少するが、その分は、給気管３１から閉空間内に流入し、補給される。なお、補給は、供給方式の場合は、機内の圧力に応じて自動的になされる方式でもよい。あるいは、一定量の補給としてその一定量を手動で調節する方式でもよい。

したがって、混合割合に応じた冷却用気体の温度と、外気の温度の平均温度の気体が、中央ダクト７１の外側を通過する。中央ダクト７１の内部を流れる冷却用気体と、中央ダクト７１の外部を流れる混合気体との間で、熱交換が生じる。この際の、伝熱面は、中央ダクト７１の外表面およびフィン７６である。この結果、中央ダクト７１の内部を流れる冷却用気体は冷却されて、温度が低下した状態で、励磁装置カバー６１の内部に流入する。このため、励磁装置カバー６１内の回転整流機５１等の冷却効率が向上する。

以上のように、本実施形態によれば、回転整流器５１を有するブラシレス回転電機１００において、励磁装置５０の冷却性能の向上を図ることができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、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。さらに、これらの実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１３…回転子巻線、１５…内扇、１５ａ…仕切り板、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…フレーム、３１…給気管、３２…軸受、３４…軸受ブラケット、４１…冷却器、４２…冷却器カバー、４３…冷却器入口開口、４４…冷却器出口開口、５０…励磁装置、５１…回転整流器、５２…励磁機回転部、５３…励磁機固定部、６１…励磁装置カバー、６２…分岐管、６３…戻り管、７０…励磁装置冷却促進機、７１…中央ダクト、７１ａ…フランジ、７２…ジェットポンプガイド管、７２ａ…間隙、７３…ヘッダ、７４…連結管、７５…ノズル、７６…フィン、１００…ブラシレス回転電機

Claims (5)

1. 主軸のまわりに回転可能に軸支され主軸方向に延びたロータシャフトと、そのロータシャフトの径方向外側に固定されて主軸方向に延びた回転子鉄心と、前記回転子鉄心内を貫通する回転子巻線とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に配されて、主軸方向に延びる固定子鉄心と、その固定子鉄心に巻回された固定子巻線とを有する固定子と、
   前記ロータシャフトとともに回転する回転整流器を有する励磁装置と、
   前記回転子鉄心および前記固定子を収納するフレームと、
   前記フレーム内の前記固定子および前記回転子鉄心を冷却する冷却用気体を冷却する冷却器と、
   前記フレームの上部に取り付けられて前記フレームとともに閉空間を構成し、前記冷却器を内包して、前記冷却用気体を前記フレーム内から流入させるための冷却器入口開口と、前記冷却用気体を前記フレーム内に流出させるための冷却器出口開口とによって前記フレームと連通する冷却器カバーと、
   前記励磁装置を内包し、前記閉空間の一部を形成する励磁装置カバーと、
   前記励磁装置カバーと前記冷却器カバーとを接続する分岐管と、
   前記励磁装置カバーと前記フレームとを接続する戻り管と、
   前記ロータシャフトに取り付けられて前記冷却用気体を前記閉空間内で循環させる内扇と、
   前記分岐管に設けられ前記分岐管内の前記冷却用気体の冷却を行う励磁装置冷却促進機と、
   前記分岐管と前記励磁装置冷却促進機とを連結する連結管と、
   を備え、
   前記励磁装置冷却促進機は、前記連結管を介して供給される前記冷却用気体の一部が、当該励磁装置冷却促進機の冷却側の気体に使用されるように構成されている、
   ことを特徴とするブラシレス回転電機。
2. 前記励磁装置冷却促進機は、
   被冷却側の媒体である前記冷却用気体を通過させる中央ダクトと、
   前記中央ダクトの径方向の外側に配されて入口および出口が開放された管であって、前記中央ダクトの流れ方向に沿って、内径が徐々に減少し最小径に達した後に内径が徐々に増加するように形成されたジェットポンプガイド管と、
   を有し、
   前記連結管は、前記中央ダクトの径方向外側であって、前記ジェットポンプガイド管の入口に開口している、
   ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス回転電機。
3. 前記励磁装置冷却促進機は、
   被冷却側の媒体である前記冷却用気体を通過させる中央ダクトと、
   前記中央ダクトの径方向の外側に配されて入口および出口が開放された管であって、前記中央ダクトの流れ方向に沿って、内径が徐々に減少し最小径に達した後に内径が徐々に増加するように形成されたジェットポンプガイド管と、
   複数のノズルが取り付けられて前記ジェットポンプガイド管の入口に設けられたヘッダと、
   を有し、
   前記連結管は前記ヘッダに接続されかつヘッダ内に開口し、
   前記複数のノズルは、前記ジェットポンプガイド管内の前記中央ダクトの流れ方向の下流側に向かって開口している、
   ことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス回転電機。
4. 前記中央ダクトの材質は、前記分岐管の熱伝導率より熱的な良導体であることを特徴とする請求項２または請求項３に記載のブラシレス回転電機。
5. 前記励磁装置冷却促進機は、前記中央ダクトの外表面に径方向に広がり前記中央ダクトの流れ方向に沿って延びて周方向に互いに間隔をあけて配されて前記分岐管の熱伝導率より熱的な良導体である複数のフィンをさらに有することを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか一項に記載のブラシレス回転電機。

Images