JP6355390B2 - Rotating electric machine - Google Patents
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Description
この発明は、回転電機に関するものであり、特に冷却ファンの形状、および、冷却風路を適正化することにより冷却性能を向上した回転電機に関するものである。 The present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly to a rotating electrical machine that has improved cooling performance by optimizing the shape of a cooling fan and a cooling air passage.
従来、回転電機の一種である回転界磁型発電機の固定子、および、回転子は、鉄心にコイルを巻装して形成されている。このような方式では、電流によるコイルの発熱(銅損)と鉄心自身の発熱(鉄損)を生じるため、回転電機の温度が上昇する。温度が上昇すると、コイル抵抗の上昇による回転電機の機能低下、および、絶縁部材等、各種素材の劣化による品質の低下を生じ、回転電機を使用する製品の機能、品質にも悪影響を及ぼす。 2. Description of the Related Art Conventionally, a stator of a rotating field generator, which is a type of rotating electrical machine, and a rotor are formed by winding a coil around an iron core. In such a system, since the coil generates heat (copper loss) and the iron core itself generates heat (iron loss), the temperature of the rotating electrical machine rises. When the temperature rises, the function of the rotating electrical machine is reduced due to an increase in coil resistance, and the quality is deteriorated due to the deterioration of various materials such as insulating members, which adversely affects the function and quality of products using the rotating electrical machine.
そこで、従来から冷却ファンの形状、および、冷却風路を適正化することにより温度の上昇を抑制する特許文献1に示すような技術が提案されている。特許文献1では、冷却ファンに近接する別部品(本例ではハウジングと端子台)によりシュラウド面を形成し、冷却風の吸入量を増加させている。 Therefore, a technique as shown in Patent Document 1 that suppresses the temperature rise by optimizing the shape of the cooling fan and the cooling air passage has been proposed. In Patent Document 1, a shroud surface is formed by separate components (in this example, a housing and a terminal block) close to the cooling fan, and the amount of cooling air sucked is increased.
また、冷却対象となる整流素子を冷却ファンの羽根の最も内側の端部よりも外側に配置し、冷却風を発熱源に当て易く構成している。また特許文献2の回転電機では、シュラウドを設けた冷却ファンを使用して、固定子、および、回転子を冷却している。
Further, the rectifying element to be cooled is arranged outside the innermost end portion of the cooling fan blade, so that the cooling air can be easily applied to the heat generation source. Moreover, in the rotary electric machine of
特許文献1に示すような、ファンの前後に吸気口、排気口がない場合には、ファンに当たった空気の全てが排出されず、空気の一部がファンを備える室内で循環してしまい、ファンの性能を十分に発揮できないという課題があった。 As shown in Patent Document 1, when there are no intake and exhaust ports before and after the fan, not all the air hitting the fan is exhausted, and a part of the air circulates in the room equipped with the fan, There was a problem that the performance of the fan could not be fully demonstrated.
また、特許文献2の構成では、ファンの羽根部分に取り付けたシュラウドの最も内側部分が、電機子コイルエンドの位置よりも回転電機の軸心側にあるため、シュラウド自身が冷却風路を塞いでしまい、冷却効率が悪いという課題があった。
Moreover, in the structure of
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、冷却風の圧力損失を低減し、効率的に固定子及び回転子を冷却できる回転電機を得ることを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain a rotating electrical machine that can reduce the pressure loss of cooling air and efficiently cool the stator and the rotor.
この発明に係る回転電機は、
フレームに回転可能に支持されるシャフトと、
前記シャフトに固定される回転子鉄心と前記回転子鉄心にワイヤを巻装して形成する
複数の回転子コイルと、前記シャフトと同軸に前記シャフトに固定され、周方向に取り付けたファンブレードを有する冷却ファンとを備えた回転子と、
前記回転子の外周側に隙間を介して配置する固定子鉄心と、前記固定子鉄心にワイヤを巻装して形成する複数の固定子コイルとを備えた固定子からなる回転電機において、
前記冷却ファンは、前記シャフトに嵌合するファンボスと、前記ファンボスに前記シャフトの軸方向に垂直に取り付けられた円盤状のベースプレートと、前記ベースプレート上に、前記ベースプレートの周方向に、前記シャフトの軸方向に向かって立設する冷却風排出用の複数のファンブレードと、複数の前記ファンブレードの前記ベースプレートに取り付けられている面と反対側の面に、前記シャフトと同軸に固定された環状のシュラウドを備え、
前記フレームは、回転する前記ファンブレードが通過する位置の外周側に排気口を備えるとともに、前記冷却ファンから見て前記固定子を挟んだ反対側に吸気口を備え、
前記シュラウドの最内側部は、前記固定子コイルが前記固定子鉄心から軸方向に延出する固定子コイルエンドの最内側部より径方向外側に配置され、
前記ファンブレードの、前記回転子の軸方向内側の内周側は、前記シュラウドの前記ファンブレード側の面を含む平面に沿って径方向内側に延出して前記シュラウドの最内側部より内側に露出しており、露出した前記シュラウド側の前記ファンブレードの側面が、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心との間に形成された冷却風路の直下に配置されているものである。
The rotating electrical machine according to this invention is
A shaft rotatably supported by the frame;
A rotor core fixed to the shaft, a plurality of rotor coils formed by winding a wire around the rotor core, and a fan blade fixed to the shaft coaxially with the shaft and attached in the circumferential direction A rotor with a cooling fan;
In a rotating electrical machine comprising a stator comprising a stator core disposed on the outer peripheral side of the rotor via a gap, and a plurality of stator coils formed by winding wires around the stator core,
The cooling fan includes a fan boss fitted to the shaft, a disk-like base plate attached to the fan boss perpendicular to the axial direction of the shaft, and the shaft on the base plate in the circumferential direction of the base plate. A plurality of fan blades for discharging cooling air standing in the axial direction, and a ring fixed to the surface of the plurality of fan blades on the opposite side to the surface attached to the base plate, coaxially with the shaft With a shroud
The frame includes an exhaust port on the outer peripheral side of the position through which the rotating fan blade passes, and an intake port on the opposite side across the stator as viewed from the cooling fan,
The innermost part of the shroud is disposed radially outside the innermost part of the stator coil end where the stator coil extends in the axial direction from the stator core,
The fan blades, the inner peripheral side in the axial direction inside of the rotor, exposing the inside from the innermost portion of the extending radially inward along the plane including the fan blade-side surface of the shroud shroud In addition , the exposed side surface of the fan blade on the shroud side is disposed directly under a cooling air passage formed between the rotor core and the stator core .
この発明によれば、回転子と固定子の間を通過する冷却風をシュラウドで妨げることなく冷却ファンに直接吸気させることができ、固定子、回転子を効率よく冷却する冷却風路を得ることができる。これにより、回転電機の性能と品質を向上できる。 According to this invention, the cooling air passing between the rotor and the stator can be directly sucked into the cooling fan without being blocked by the shroud, and a cooling air passage for efficiently cooling the stator and the rotor is obtained. Can do. Thereby, the performance and quality of the rotating electrical machine can be improved.
実施の形態1.
以下、本発明の実施の形態1に係る回転電機を、図を用いて説明する。
図1は、回転電機の1種である回転界磁型発電機100(以下、発電機100という)の断面図である。
図2は、図1の発電機100の冷却風Wの流れを示す図である。
図3は、図1の発電機100の回路図である。
まず、本明細書で、特に断らずに「径方向」、「周方向」というときは、回転子1及び固定子3の径方向、周方向をいう。また、「軸方向」というときは、回転子1のシャフト11の軸方向をいうものとする。また、「最内側部」とは、シャフト11の軸心から見て最も内側に存在する部分を指し、「最外側部」とは、シャフト11の軸心から見て最も外側に存在する部分を指すものとする。
Embodiment 1 FIG.
Hereinafter, the rotating electrical machine according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of a rotating field generator 100 (hereinafter referred to as a generator 100), which is a type of rotating electrical machine.
FIG. 2 is a diagram showing the flow of the cooling air W of the
FIG. 3 is a circuit diagram of the
First, in the present specification, the terms “radial direction” and “circumferential direction” refer to the radial direction and the circumferential direction of the rotor 1 and the
発電機100は、例えばエンジン等の駆動源により得られる回転エネルギー(機械エネルギー)を電気エネルギーに変換するものであり、界磁電流により励磁され、磁界を発生させる回転子1と、回転子1と相互作用させ、電流を発生させる固定子3と、固定子3を保持するフレーム4と、ベアリング51a、51bを介して回転子1を回転可能に支持するブラケット5a、5bと、回転子1に界磁電流を供給する励磁器6とを備えている。
The
回転子1は、シャフト11と、磁性を有する薄板をシャフト11の軸方向に複数枚積層して構成され、シャフト11に固定される界磁鉄心12(回転子鉄心)と、界磁鉄心12と略同形状で、界磁鉄心12の軸方向両端面に配設される短絡板13と、界磁鉄心12にワイヤを巻装して形成される界磁コイル15(回転子コイル)と、界磁鉄心12と両端の短絡板13を貫通して設けられ、軸方向両端側からこれらの部品を締結固定するボルト16と、シャフト11に固定されシャフト11と同芯に回転することで冷却風Wを発生させる冷却ファン2と、後述する励磁回転子62で構成される。
The rotor 1 is configured by laminating a plurality of
図4は、図1に示した発電機100をA−A部にて切断した切断面の要部を示す図である。
図4に示すように界磁鉄心12の外周部には、周方向に、等間隔に界磁コイル15のスロット収納部15aを挿入するスロット12Sが形成されている。1つの界磁コイル15は、スロット12Sを複数個飛ばしに、離れた2つのスロット12Sに絶縁紙(図示せず)を介して挿入される。1つの界磁コイル15のうち、スロット12Sに挿入される部分がスロット収納部15aである。また、2つのスロット収納部15aの端部同士を連結した状態で、界磁鉄心12の軸方向両端面から、シャフト11の軸方向と平行にそれぞれ延出する部分が界磁コイルエンド15b(回転子コイルエンド)である。従って1つの界磁コイル15は、2つスロット収納部15aと、その端部同士を連結する2つの界磁コイルエンド15bからなる。
FIG. 4 is a view showing a main part of a cut surface obtained by cutting the
As shown in FIG. 4,
界磁コイル15を構成するワイヤの隙間には、ワニスを含浸させる。これにより界磁コイル15の絶縁性能を確保しつつ、界磁コイルエンド15bの剛性を向上させている。また、ワイヤ間及びスロット12Sと界磁コイル15の隙間をワニスで埋めることにより伝熱性能を向上させている。
The gaps between the wires constituting the
図1に示すように、固定子3は、薄板がシャフト11の軸方向に複数枚積層されて構成されている電機子鉄心32(固定子鉄心)と、電機子鉄心32にワイヤを巻装して形成される電機子コイル33(固定子コイル)で構成される。また、図4に示すように、電機子鉄心32の内周部には、電機子コイル33のスロット収納部33aを挿入するスロット31Sが形成されている。電機子コイル33は、スロット31Sを複数個飛ばしに、離れた2つのスロット31Sに絶縁紙(図示せず)を介して挿入される。1つの電機子コイル33のうち、スロット31Sに挿入される部分がスロット収納部33aである。また、2つのスロット収納部33aの端部同士を連結した状態で、電機子鉄心32の軸方向両端面から、シャフト11の軸方向と平行にそれぞれ延出する部分が電機子コイルエンド33b(固定子コイルエンド)である。このように1つの電機子コイル33は、2つスロット収納部33aと、その端部同士を連結する2つの電機子コイルエンド33bからなる。
As shown in FIG. 1, the
電機子コイル33を構成するワイヤの隙間にもワニスを含浸させる。これにより電機子コイル33の絶縁性能を確保しつつ、電機子コイルエンド33bの剛性を向上させている。さらに、ワイヤ間及びスロット31Sとワイヤの隙間をワニスで埋めることにより伝熱性能を向上させている。界磁鉄心12は電機子鉄心32の内周側に配置される。界磁鉄心12と電機子鉄心32との間の隙間が、冷却風Wが通過する冷却風路7bとなる。
The gap between the wires constituting the
フレーム4は、例えば鋳造等で製造される円筒形状の部品であり、冷却風Wを吸気する吸気口41、冷却風Wを排気する排気口42、フレーム4の内周側から径方向内側に向かって突出し、電機子鉄心32の側面を保持する凸部43a、43b、固定子3の軸方向の位置を決めるための位置決め部44で構成される。固定子3は、周方向に複数設けた凸部43a、43bにてフレーム4内に保持されるため、図1、4に示すように、フレーム4と電機子鉄心32の外周面の間には、冷却風Wが通過する冷却風路7aが形成される。なお、後述する励磁固定子61も、固定子3と同様に、複数の凸部43cでフレーム4の内側に保持される。
The frame 4 is a cylindrical part manufactured by casting or the like, for example, and has an
ブラケット5a、5bは、例えば鋳造等で製造される部品であり、インロー嵌合等でフレーム4との同軸度を確保しつつ、フレーム4に固定される。ブラケット5a、5bは、中心にベアリング51a、51bを備えており、シャフト11を回転可能に支持している。
The
励磁器6は、電源(図示せず)から供給される交流電流にて励磁され、フレーム4の凸部43cにて保持される励磁固定子61と、シャフト11に固定され、励磁固定子61との相互作用により界磁電流(交流)を発生する励磁回転子62と、発生した交流電流を直流に変換する整流素子63と、整流素子63を保持する保持板64を備える。界磁電流は、整流素子63により直流に変換された後、回転子1に供給される。励磁器6は、冷却ファン2に対して、固定子3、および、回転子1を挟んだ軸方向の反対面に設置される。
The
次に、冷却ファン2の構成を、図を用いて説明する。
図5は、発電機100の冷却ファン2の斜視図である。
図6(a)は、冷却ファン2のファンブレード23とシュラウド26の形状を示す図である。
図6(b)は、比較例の冷却ファンのファンブレード23とシュラウド26xの形状を示す図である。
図7(a)、(b)は、冷却ファン2のファンブレードの送風面の他の形状の例を示す図である。
冷却ファン2は、冷却風Wを発生させる複数枚のファンブレード23と、シャフト11を挿入して固定する貫通孔H1を中心に有するファンボス24と、ファンボス24に固定する円盤状のプレート(中心には貫通孔H3がある)であって、外周近傍にバランス調整用の重りを取り付ける貫通孔H2を備え、ファンブレード23の一方の側面23aを固定するベースプレート25と、内側に大きな円状の開口部26aを設けた環状のプレートであって、各ファンブレード23の他方の側面23bに固定されるシュラウド26で構成される。各ファンブレード23は、ベースプレート25の外周部に、等間隔に、シャフト11の軸方向に立設され、側面23bの内周側は、シュラウド26の最内側部26INより内側に露出している。
Next, the configuration of the cooling
FIG. 5 is a perspective view of the cooling
FIG. 6A is a diagram illustrating the shapes of the
FIG. 6B is a diagram illustrating the shapes of the
FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating examples of other shapes of the air blowing surface of the fan blade of the cooling
The cooling
ファンブレード23は送風面23Sが四角形状になるように板材から切り出された板金である。また、ファンボス24、ベースプレート25、シュラウド26も同様に、材料を機械加工して生産しており、これら部品を溶接、もしくは、ボルト止め等で接合することで冷却ファン2を形成している。なお、本実施の形態では、ファンブレード23の送風面を長方形としているが、図7(a)、(b)に示すように、台形のファンブレード23x、もしくは、平行四辺形のファンブレード23yであってもよい。
The
ファンブレード23の形状は、ファンブレード23を平板から切り出しているため、発電機100の軸心からみて最も内側となる最内側部23INから最も外側となる最外側部23OUTまで、平面ブレード形状となる。
Since the
冷却ファン2は、シュラウド26を設置する面側(吸気面側)が、電機子コイルエンド33bおよび、界磁コイルエンド15bの端部と、軸方向に対向するように配置している。冷却ファン2が回転すると、空気に働く遠心力により冷却ファン2内の空気が排気口42から排出され、冷却ファン2の中心部に負圧が発生する。これにより、外気がフレーム4の吸気口41から吸入され、冷却風路7a、7bを通過して、シュラウド26の開口部26aから、冷却ファン2に吸い込まれる。このように、冷却風Wは、フレーム4内の冷却風路7a、7b、冷却ファン2内を通って排気口42から排出される。なお、排気口42は、ファンブレード23の外周面23Cが通過する位置に設けられている。
The cooling
ファンブレード23は、一般的にはその表面積が広いほど大量の冷却風Wを吸引、排出することができる。ただし、ファンブレード23を冷却ファン2の中央部近傍にまで伸ばして配設すると、中心部において隣接するファンブレード23の間の隙間が小さくなり冷却風Wの吸引を妨げる。或いは、排気を妨げて内部に渦を発生させるといった問題が生じ、ファンの性能が低下する。
In general, the
そこでファンブレード23の最内側部23INが、電機子コイルエンド33bの最外側部33bOUTと、界磁コイルエンド15bの最内側部15bINの間の範囲内に存在するように設定している。これにより、冷却ファン2の性能を確保しつつ、冷却風路7a、7bに面して回転子1、および、固定子3を配置し、両部品を効率よく冷却できる構成となる。
Therefore, the innermost portion 23IN of the
特に、ファンブレード23の最内側部23INが、電機子コイルエンド33bの最内側部33bINよりもシャフト11の軸心側(径方向内側)に存在するように構成すると、ファンブレード23が、冷却風路7bの直下に配置され、冷却風路7bを通過する冷却風Wの風量が増えるため、回転子1、固定子3を共に効率よく冷却することが可能となる。
In particular, when the innermost portion 23IN of the
次に、シュラウド26の機能について説明する。まず、第1に、シュラウド26をファンブレード23に取り付けることにより、排気をスムーズに排出でき、フレーム4内で空気が渦巻くことを抑制できる。第2に、冷却ファン2の風切り音を抑制できる。第3に、冷却ファン2自体の剛性を上げることができる。このようにファンブレード23にシュラウド26を取り付けることにより冷却ファン2の吸排気性能を向上できる。
Next, the function of the
ただし、シュラウド26は冷却ファン2の一面を塞ぐ形で取り付けられるため、形状によっては冷却ファン2の吸気効率を妨げ、吸排気性能が低下する。そこで、シュラウド26の最内側部26INが、ファンブレード23の最内側部23INおよび、電機子コイルエンド33bの最内側部33bINよりも径方向外側に配置されるように構成し、シュラウド26で冷却風路7bを塞ぐことなく、冷却ファン2の性能を確保できる構成としている。
However, since the
次に、図6(a)、(b)に示す2種類のファン(ファンブレード形状は同一)のファン特性を比較する。図8は、冷却ファンのPQ特性曲線図である。
G1は、図6(b)に示す、
シュラウド26xの内径<各ファンブレード23の最内側部23INを結んだ円の内径
の場合のPQ特性を示す曲線である。
G2は、図6(a)に示す、
シュラウド26の内径>各ファンブレード23の最内側部23INを結んだ円の内径
の場合のPQ特性を示す曲線である。
シュラウド26の内径を、各ファンブレード23の最内側部23INを結んだ円の内径より大きくすることで、冷却ファン2の吸気口が拡大し、冷却ファン2の吸排気性能が向上していることが分かる。
Next, the fan characteristics of the two types of fans (fan blade shapes are the same) shown in FIGS. 6A and 6B are compared. FIG. 8 is a PQ characteristic curve diagram of the cooling fan.
G1 is shown in FIG.
6 is a curve showing PQ characteristics when the inner diameter of the
G2 is shown in FIG.
6 is a curve showing PQ characteristics when the inner diameter of the
By making the inner diameter of the
また、上述のように、シュラウド26の最内側部26INが電機子コイルエンド33bの最内側部33bINよりも径方向外側に位置するように構成すると、冷却風路7bと冷却ファン2の間に障害物がなくなり、冷却風路7bを通過する冷却風量が増えるため、冷却風路7bに面する回転子1、固定子3を共に効率よく冷却することが可能となる。
Further, as described above, when the innermost portion 26IN of the
さらに、シュラウド26の最内側部26INが、電機子コイルエンド33bの最外側部33bOUTよりも内側に位置するように構成すると、冷却風路7a側を通過した冷却風Wが電機子コイルエンド33bの外周面から先端に沿って流れた後、冷却ファン2に吸入されるため、固定子3を効率よく冷却することが可能となる。
Further, when the innermost portion 26IN of the
また、固定子3の電機子鉄心32をフレーム4の凸部43a、43bで保持することで、フレーム4の内周面と電機子鉄心32の間に冷却風路7aを設けることができる。これにより固定子3の冷却性能が向上し、発電機100の性能、および品質を向上できる。
Further, by holding the
本実施の形態1の効果について以下にまとめる。
冷却ファン2は、シュラウド26を設置する面側(吸気面側)が、電機子コイルエンド33bおよび、界磁コイルエンド15bの端部と、軸方向に対向するように配置している。これにより、吸気口41から流入する冷却風Wは、励磁器側の電機子コイルエンド33bと界磁コイルエンド15bを冷却した後、冷却風路7a、7bを通過することで電機子鉄心32、界磁鉄心12を冷却し、さらに、冷却風路7a、7bから流出後も、冷却ファン2側の電機子コイルエンド33bと界磁コイルエンド15bを冷却することができる。これにより、発電機100の性能、および品質を向上できる。
The effects of the first embodiment are summarized below.
The cooling
ファンブレード23の最内側部23INが、電機子コイルエンド33bの最外側部33bOUTと、界磁コイルエンド15bの最内側部15bINの間の範囲内に存在するように設定することで、冷却風Wを、電機子コイルエンド33b、および、界磁コイルエンド15bに沿って流すことができるため、電機子コイルエンド33b及び界磁コイルエンド15bの冷却性能を向上でき、発電機100の性能、および品質を向上できる。
By setting the innermost portion 23IN of the
特に、ファンブレード23の最内側部23INが、電機子コイルエンド33bの最内側部33bINよりもシャフト11の軸心側に存在するように構成すると、ファンブレード23が、冷却風路7bの直下に配置され、冷却風路7bを通過する冷却風Wの風量が増えるため、回転子1、固定子3を共に効率よく冷却でき、発電機100の性能、および品質を向上できる。
In particular, when the innermost portion 23IN of the
また、シュラウド26の最内側部26INが、ファンブレード23の最内側部23INおよび、電機子コイルエンド33bの最内側部33bINよりも径方向外側に配置されるように構成し、シュラウド26で冷却風路7bを塞ぐことなく、冷却風路7bを通過する冷却風Wの損失を低減でき、固定子、回転子とも冷却性能が向上できる。これにより、発電機100の性能、および品質を向上できる。
Further, the innermost portion 26IN of the
また、シュラウド26の内径を、各ファンブレード23の最内側部23INを結んだ円の内径より大きくすることで、冷却ファン2の吸気口が拡大し、冷却ファン2の冷却性能を向上できるので、発電機100の性能、および品質を向上できる。
In addition, by making the inner diameter of the
また、シュラウド26の最内側部26INが、電機子コイルエンド33bの最外側部33bOUTよりも内側に位置するように構成すると、冷却風路7a側を通過した冷却風Wが電機子コイルエンド33bの外周面から先端に沿って流れた後、冷却ファン2に吸入されるため、固定子3を効率よく冷却することが可能となる。これにより、固定子3の冷却性能が向上するため、発電機100の性能、および品質を向上できる。
Further, when the innermost portion 26IN of the
また、ファンブレード23を、ベースプレート25の内側から、外側に向かって直線状に固定することで、多量の冷却風Wを吐き出すことが可能となり、発電機100の性能、および品質を向上できる。更に、ファンブレード23を、板材から四角形形状に切り出して形成することにより、製造が容易で、歩留まりの高い冷却ファン2を得ることができ、発電機100の製造コストを低減できる。
Further, by fixing the
更に、界磁コイル15、および、電機子コイル33のワイヤ間にワニスを含浸させることにより、各コイルの絶縁性能を確保しつつ、界磁コイルエンド15b、電機子コイルエンド33bの剛性を向上させ、さらに、ワイヤ間の隙間及びスロットとコイルの間の隙間をワニスで埋めて伝熱性能を向上させることができる。これにより発電機100の性能、および品質を向上できる。
Furthermore, by impregnating varnish between the wires of the
なお、本実施の形態1では、ファンブレード23の枚数を12枚としたが、枚数はこれに限定されるものではない。また、各ファンブレード23は、ベースプレート25の外周部に、等間隔に、シャフト11の軸方向に立設されているとしたが、等間隔でなく、不等間隔に立設されていてもよい。また、電機子鉄心32、および界磁鉄心12のスロット形状、数は本実施の形態に限定されるものではない。また、電機子コイル33、界磁コイル15のコイル径、巻数も限定されるものではない。また、本実施の形態では界磁コイル15への界磁電流の供給を、励磁器6を使用して行っているが、ブラシ(図示せず)により供給してもよい。
更に、本発明の適用は、発電機に限られるものではなく、電動機に適用できることは言うまでもない。
In the first embodiment, the number of
Furthermore, it goes without saying that the application of the present invention is not limited to a generator but can be applied to an electric motor.
実施の形態2.
以下、本発明の実施の形態2を図を用いて実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図9(a)は、実施の形態1の発電機100の排気口42周辺の要部拡大図である。
図9(b)は、本実施の形態2の発電機200の排気口42周辺の要部拡大図である。
Hereinafter, the second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, focusing on the differences from the first embodiment.
FIG. 9A is an enlarged view of a main part around the
FIG. 9B is an enlarged view of a main part around the
図9(a)に示すようにシュラウド26をファンブレード23に取り付けても、実施の形態1に係る発電機100では、排気口42とシュラウド26との隙間からの冷却風Wの再吸気を完全に抑制することは困難である。そこで本実施の形態では、図9(b)に示すように、フレーム4の内周面に、シュラウド26に沿ってフランジ状に突出する対向壁45を設けている。これにより、冷却風Wの再吸気を更に抑制することが可能となるため、冷却ファン2の効率を向上し、発電機100の性能、および、品質を向上することができる。
Even if the
実施の形態3.
以下、本発明の実施の形態3に係る回転電機を、図を用いて、実施の形態1と異なる部分を中心に説明する。
図10は、本発明の実施の形態3に係る回転電機の1種である回転界磁型発電機300(以下、発電機300という)の断面模式図である。
図11は、図10のB−B部にて切断した断面模式図である。
図12は、回転子301の要部拡大側面図である。回転子301のシャフト11は省略している。
図13は、絶縁物19の斜視図である。
図14は、図11のC−C部にて切断した要部断面図である。
Hereinafter, the rotating electrical machine according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings, focusing on the differences from the first embodiment.
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of a rotating field generator 300 (hereinafter referred to as generator 300), which is a type of rotating electrical machine according to
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
FIG. 12 is an enlarged side view of the main part of the
FIG. 13 is a perspective view of the
FIG. 14 is a cross-sectional view of the main part taken along the line CC in FIG.
発電機300をシャフト11の中心軸を通る平面で切断した場合、実際には、断面にボルト16aとボルト16bが同時に表されることはない。しかし、説明の都合上、図10の断面模式図では、径方向の位置関係を明確にするため便宜上双方を記載している。また、発電機300について、実施の形態1と実質的に同じ構成部品に対しては同じ符号を付し、説明を省略する。発電機300は、突極型の回転子301を有する点を除き、実施の形態1の発電機100と同様である。
When the
回転子301の界磁鉄心312は、径方向に突出する4個の突極部3121を有する。突極部3121は、後述する絶縁物19を介してワイヤを巻装する胴部3121aと、胴部3121aよりも周方向の幅が広く、外周面が電機子鉄心32の内周面と対向する先端部3121bで構成されている。
The
回転子301は、界磁鉄心312と短絡板13を貫通してこれらを固定するボルト16a、16bと、ボルト16aの軸方向両端部に被せた絶縁管18と、胴部3121aの軸方向両端部に取り付けられ、界磁コイル315と突極部3121の間の絶縁を確保する絶縁物19と、L字形状の部品であり、隣り合う突極部3121の間に形成されるスロット312Sに収納される界磁コイル315のスロット収納部315aをガイドするコイルガイド20と、先端部3121bの内側、軸方向両端部、すなわち界磁コイル315に対向する面の角部3121b1に、界磁コイル315を保護するように設置された2枚の絶縁板21と、絶縁板21と略同一厚みで、2枚の絶縁板21の間に設置される非磁性の金属板22をさらに備えている。
The
絶縁管18は、内部に貫通孔を設けた絶縁樹脂等で形成される筒状の部材であり、当該貫通孔をボルト16の端部に差し込むことでこれに保持される。回転子301が回転すると、界磁コイルエンド315bは、遠心力により径方向外側方向に働く力を受ける。そこで、絶縁管18を被せたボルト16aの端部にて界磁コイルエンド315bを支えている。
The insulating
絶縁物19の構造を、図13を用いて説明する。絶縁物19は、短絡板13と嵌合するための凹部である嵌合部19aと、界磁コイル315の径方向内側端部と外側端部の位置を矯正するガイド19bと、絶縁物19上にワイヤを整列して巻装して形成する界磁コイル315のピッチ(外径寸法)に合わせた溝19cを備えている。
The structure of the
図14に示すように、絶縁物19のワイヤ巻装方向の幅は、胴部3121aの周方向の幅と等しくなっており、絶縁物19を突極部3121の胴部3121aに装着すると、径方向側面の界磁コイル315が対向する面同士が、略同一平面状態で連なって構成される。
As shown in FIG. 14, the width of the
本構成により、界磁コイル315を形成する際、胴部3121aでワイヤを支えることができるため、界磁コイル315の形成作業時のワイヤのたわみ、ずれ等のトラブルを抑制することができる。また、界磁コイル315と胴部3121aとの間の隙間が小さくなるため、熱抵抗が低減する。なお、図示していないが、胴部3121aの周方向端面には紙、シート、もしくは、フィルム等の薄形絶縁素材が保持されており、これにより界磁コイル315と界磁鉄心312との絶縁を確保している。
With this configuration, since the wire can be supported by the
また、絶縁物19の径方向端面中央部には、溝19cよりも径方向内側に凹ませた凹部19dを備えているため、界磁コイル315を形成した際に、界磁コイル315と絶縁物19の間には冷却風Wが通過する隙間315dが形成される。
Further, since the central portion of the
コイルガイド20は、L字形状のプレートであり、界磁鉄心312に取り付けられる。界磁コイル315の内、界磁鉄心312のスロット312Sに収納される部分であるスロット収納部315aは、胴部3121aと先端部3121bに2面を囲まれるが、残り2面はこれらを支えるものがない。従って、界磁コイル315の形成作業後、界磁コイル315が崩れる懸念がある。そこで、コイルガイド20を取り付けてスロット収納部315aをスロット312Sの内側から支えることにより、巻き崩れを防止している。
The
なお、スロット収納部315aの全域にわたりコイルガイド20を配置すると、界磁コイル315の放熱を妨げるため、軸方向に数箇所だけ局所的に配置している。また、図示していないが、界磁コイル315とコイルガイド20の間には、紙、シート、もしくは、フィルム等の薄形絶縁素材が挟持されており、これにより両部材間の絶縁及び、隣り合う界磁コイル315同士間の絶縁を確保している。
In addition, when the
絶縁板21は、先端部3121bの内側、軸方向両端部に設置される。回転子301が回転すると、界磁コイルエンド315bは遠心力を受け、径方向外側方向に働く力を受ける。この際に、先端部3121bの径方向内側かつ軸方向両端の角部で界磁コイルエンド315bを傷つける懸念がある。そこで、絶縁板21を挿入してこれを保護している。
The insulating
なお、軸方向の全域に絶縁板21を設けると、界磁コイル315と先端部3121b間の熱抵抗が悪化する。そこで先端部3121bの軸方向、両端部のみに絶縁板21を設置し、その間には、例えばステンレス等、非磁性の金属板22を設置して熱抵抗を低減している。なお、図示していないが、界磁コイル315と金属板22の間には、紙、シート、もしくは、フィルム等の薄形絶縁素材が挟持されており、これにより絶縁を確保している。
If the insulating
回転子301を固定子3の内側に配置すると、両部品の間の隙間は、冷却風Wが通過する風路307bとなる。この際、界磁コイル315は、各突極部3121間のスロット312S内に形成されるため、風路307bに対して、界磁コイル315が露出した状態となる。これにより、風路307bを通過する冷却風Wが界磁コイル315を直接冷却することができる。
When the
また、胴部3121aにワイヤを巻装して形成される界磁コイル315の界磁コイルエンド315bは、3本に分離して、それぞれの間に冷却風路となる隙間315cを形成している。隙間315cを設けると、界磁コイルエンド315bの軸方向の高さが高くなり剛性が落ちる。そこで界磁コイルエンド315bの形状を維持するため、界磁コイルエンド315bを固縛し、絶縁管18を被せたボルト16aの端部で外周側から支持し、さらに界磁コイル15にはワニスを含侵させている。
The
本実施の形態3の効果について以下にまとめる。
本実施の形態3の構成によれば、界磁鉄心312に径方向に突出する4個の突極部3121を形成し、界磁コイル315を突極部3121の胴部3121aに巻装するため、巻装作業時間の短縮ができ、発電機300の生産性が向上する。また、回転子301と固定子3の間に形成される風路307bに対して、界磁コイル315が露出した状態となるため、界磁コイル315の冷却性能が向上し、発電機300の性能、および品質を向上できる。
The effects of the third embodiment are summarized below.
According to the configuration of the third embodiment, four
また、界磁コイルエンド315bは、3本に分離して冷却風路となる隙間315cを軸方向に形成しているため、界磁コイルエンド315bの冷却性能が向上し、発電機300の性能、および品質を向上できる。また、絶縁物19と界磁コイルエンド315bの間には、冷却風Wが通過する隙間315dを軸方向に設けているため、界磁コイルエンド315bの冷却性能が向上し、発電機300の性能、および品質を向上できる。
Further, since the
また、胴部3121aの軸方向、両端部に装着される絶縁物19には、界磁コイル315のピッチ(外径寸法)に合わせた溝19cが形成されている。従って、巻装作業時のワイヤの乱れを抑制でき、ワイヤ間の無駄な隙間を減らすことができる。これにより、界磁コイル315の熱抵抗を低減でき、発電機300の性能、および品質を向上できる。
In addition,
また、界磁コイルエンド315bは、外周側から絶縁管18を被せたボルト16aの端部により支持されているため、回転子301の回転時に受ける遠心力による界磁コイルエンド315bのたわみを抑制でき、発電機300の品質を向上できる。
Further, since the
また、絶縁物19のワイヤ巻装方向の幅は、胴部3121aの周方向幅と等しくなっており、絶縁物19を突極部の胴部3121aに装着すると、径方向側面の界磁コイル315と対向する面同士が、略同一平面状態で連なって構成されるため、界磁コイル315の形成作業時の、ワイヤたわみ、ずれ等のトラブルを抑制でき、発電機300の生産性を向上できる。さらに、界磁コイル315と胴部3121aの隙間が小さくなるため、界磁コイル315と胴部3121a間の熱抵抗が低減し、発電機300の性能、および品質を向上できる。
Further, the width of the
また、絶縁物19は、嵌合部19aにて短絡板13に固定され、絶縁物19の位置ずれが抑制されるので、回転子301の巻線作業性が向上し、発電機300の製造コストを低減できる。また、界磁コイル315のスロット収納部315aは、軸方向に複数個配置したコイルガイド20によってガイドされるので、界磁コイル315の巻き崩れを防止でき、発電機300の品質を向上できる。
Moreover, since the
また、先端部3121bの内側と界磁コイル315との間には、絶縁板21、および、金属板22を併用して配置しているため、遠心力による界磁コイル315の絶縁破壊を抑制しつつ、伝熱性能を確保できる。これにより、発電機300の性能、および品質を向上できる。また、金属板22は非磁性の材料を使用するため、渦電流の発生が抑制され、発電機300の性能、および品質を向上できる。
In addition, since the insulating
本実施の形態3では、突極部の数を4個としているが、数はこれに限定されるものではない。また、界磁コイルエンド315bの隙間315cを2つとしているが、数はこれに限定されるものではない。また、電機子鉄心32、および界磁鉄心312のスロット形状、数はこれに限定されるものではない。また、電機子コイル33、界磁コイル315のコイル径、巻数は限定されるものではない。
In the third embodiment, the number of salient pole parts is four, but the number is not limited to this. In addition, although there are two
尚、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
100,200,300 回転界磁型発電機(回転電機)、1,301 回転子、
11 シャフト、12,312 界磁鉄心(回転子鉄心)、
12S,312S スロット、3121 突極部、3121a 胴部、
3121b 先端部、3121b1 角部、13 短絡板、
15,315 界磁コイル(回転子コイル)、15a,315a スロット収納部、
15b,315b 界磁コイルエンド(回転子コイルエンド)、15bIN 最内側部、2 冷却ファン、23 ファンブレード、23IN 最内側部、23OUT 最外側部、23S 送風面、23a,23b 側面、24 ファンボス、25 ベースプレート、
26 シュラウド、26IN 最内側部、26a 開口部、3 固定子、4 フレーム、5a,5b ブラケット、6 励磁器、7a,7b,307b 冷却風路、W 冷却風、16,16a,16b ボルト、18 絶縁管、19 絶縁物、19a 嵌合部、
19b ガイド、19c 溝、19d 凹部、20 コイルガイド、21 絶縁板、
22 金属板、31S スロット、32 電機子鉄心(固定子鉄心)、
33 電機子コイル(固定子コイル)、33a スロット収納部、
33b 電機子コイルエンド(固定子コイルエンド)、33bIN 最内側部、
33bOUT 最外側部、41 吸気口、42 排気口、43a〜43c 凸部、
44 位置決め部、45 対向壁、51a,51b ベアリング、61 励磁固定子、
62 励磁回転子、63 整流素子、64 保持板、H1,H2 貫通孔、
315c,315d 隙間。
100, 200, 300 Rotating field type generator (rotary electric machine), 1,301 rotor,
11 Shaft, 12, 312 Field core (rotor core),
12S, 312S slot, 3121 salient pole part, 3121a body part,
3121b tip portion, 3121b1 corner portion, 13 short-circuit plate,
15, 315 Field coil (rotor coil), 15a, 315a Slot housing,
15b, 315b Field coil end (rotor coil end), 15bIN innermost part, 2 cooling fan, 23 fan blade, 23IN innermost part, 23OUT outermost part, 23S air blowing surface, 23a, 23b side surface, 24 fan boss, 25 base plate,
26 shroud, 26IN innermost part, 26a opening, 3 stator, 4 frame, 5a, 5b bracket, 6 exciter, 7a, 7b, 307b cooling air passage, W cooling air, 16, 16a, 16b bolt, 18 insulation Pipe, 19 insulator, 19a fitting part,
19b guide, 19c groove, 19d recess, 20 coil guide, 21 insulating plate,
22 metal plate, 31S slot, 32 armature core (stator core),
33 armature coil (stator coil), 33a slot housing,
33b Armature coil end (stator coil end), 33bIN innermost part,
33bOUT outermost part, 41 intake port, 42 exhaust port, 43a-43c convex part,
44 Positioning part, 45 Opposite wall, 51a, 51b Bearing, 61 Excitation stator,
62 exciting rotor, 63 rectifying element, 64 holding plate, H1, H2 through-hole,
315c, 315d gap.
Claims (12)
前記シャフトに固定される回転子鉄心と前記回転子鉄心にワイヤを巻装して形成する
複数の回転子コイルと、前記シャフトと同軸に前記シャフトに固定され、周方向に取り付けたファンブレードを有する冷却ファンとを備えた回転子と、
前記回転子の外周側に隙間を介して配置する固定子鉄心と、前記固定子鉄心にワイヤを巻装して形成する複数の固定子コイルとを備えた固定子からなる回転電機において、
前記冷却ファンは、前記シャフトに嵌合するファンボスと、前記ファンボスに前記シャフトの軸方向に垂直に取り付けられた円盤状のベースプレートと、前記ベースプレート上に、前記ベースプレートの周方向に、前記シャフトの軸方向に向かって立設する冷却風排出用の複数のファンブレードと、複数の前記ファンブレードの前記ベースプレートに取り付けられている面と反対側の面に、前記シャフトと同軸に固定された環状のシュラウドを備え、
前記フレームは、回転する前記ファンブレードが通過する位置の外周側に排気口を備えるとともに、前記冷却ファンから見て前記固定子を挟んだ反対側に吸気口を備え、
前記シュラウドの最内側部は、前記固定子コイルが前記固定子鉄心から軸方向に延出する固定子コイルエンドの最内側部より径方向外側に配置され、
前記ファンブレードの、前記回転子の軸方向内側の内周側は、前記シュラウドの前記ファンブレード側の面を含む平面に沿って径方向内側に延出して前記シュラウドの最内側部より内側に露出しており、露出した前記シュラウド側の前記ファンブレードの側面が、前記回転子鉄心と前記固定子鉄心との間に形成された冷却風路の直下に配置されている回転電機。 A shaft rotatably supported by the frame;
A rotor core fixed to the shaft, a plurality of rotor coils formed by winding a wire around the rotor core, and a fan blade fixed to the shaft coaxially with the shaft and attached in the circumferential direction A rotor with a cooling fan;
In a rotating electrical machine comprising a stator comprising a stator core disposed on the outer peripheral side of the rotor via a gap, and a plurality of stator coils formed by winding wires around the stator core,
The cooling fan includes a fan boss fitted to the shaft, a disk-like base plate attached to the fan boss perpendicular to the axial direction of the shaft, and the shaft on the base plate in the circumferential direction of the base plate. A plurality of fan blades for discharging cooling air standing in the axial direction, and a ring fixed to the surface of the plurality of fan blades on the opposite side to the surface attached to the base plate, coaxially with the shaft With a shroud
The frame includes an exhaust port on the outer peripheral side of the position through which the rotating fan blade passes, and an intake port on the opposite side across the stator as viewed from the cooling fan,
The innermost part of the shroud is disposed radially outside the innermost part of the stator coil end where the stator coil extends in the axial direction from the stator core,
The fan blades, the inner peripheral side in the axial direction inside of the rotor, exposing the inside from the innermost portion of the extending radially inward along the plane including the fan blade-side surface of the shroud shroud And the exposed side surface of the fan blade on the shroud side is disposed immediately below a cooling air passage formed between the rotor core and the stator core .
前記ファンブレードの最内側部は、前記回転子コイルが前記回転子鉄心から軸方向に延出する回転子コイルエンドの最内側部よりも径方向外側に配置さている請求項1に記載の回転電機。 The innermost part of the fan blade is disposed radially inward from the outermost part of the stator coil end,
2. The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the innermost portion of the fan blade is disposed radially outside an innermost portion of a rotor coil end where the rotor coil extends in an axial direction from the rotor core. .
前記突極部の胴部の、前記シャフトの軸方向両端部にはそれぞれ絶縁物が装着されており、
前記回転子コイルは、前記絶縁物を介して前記胴部に形成されている請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の回転電機。 The rotor core includes a plurality of salient pole portions protruding radially outward,
Insulators are attached to both ends of the shaft of the salient pole portion in the axial direction of the shaft,
The rotating electrical machine according to any one of claims 1 to 8, wherein the rotor coil is formed in the body portion via the insulator.
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