JP6789203B2 - 回転電機および固定子冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機およびその固定子冷却構造に関する。

回転電機において、回転子鉄心および固定子鉄心においては、運転中に生ずる渦電流等による鉄損が発熱の一因となり、効率の低下の要因となる。したがって、回転子鉄心および固定子鉄心それぞれの内部における渦電流の流れを低減することが、回転電機の効率確保の上で有効である。

このため、回転電機における回転子鉄心および固定子鉄心には、それぞれ、強磁性体製で中央に開口を有する円板状の電磁鋼板を軸方向に積層した積層構造を用いることが一般に行われている。電磁鋼板には、たとえば、透磁率が比較的高く低価格であるケイ素鋼板などが用いられている。

固定子鉄心は、空隙を介して、回転子鉄心の径方向の外側に回転子鉄心を囲むように配され、全体として円筒状に形成されている。また、固定子鉄心の径方向の内側表面には、周方向に互いに間隔をおいて配され軸方向に延びた複数のスロットが形成されている。それぞれのスロットを、固定子巻線が軸方向に貫通している。

通常、回転子鉄心と、固定子鉄心および固定子巻線を有する固定子は、フレーム内に収納されている。フレーム内では冷却用気体が循環し、回転子鉄心、固定子鉄心および固定子巻線等を冷却する。また、回転電機の多くには、通常、冷却器が設けられており、冷却用気体は冷却器において冷却され、冷却された冷却用気体が、回転子鉄心および固定子を冷却する。

特に固定子の内部では、固定子巻線からは、銅損すなわちジュール熱による発熱、積層構造体の内部では鉄損すなわち渦電流損あるいは磁気的なヒステリシス損による発熱がある。通常、固定子鉄心の軸方向に互いに間隔をあけて径方向外側への流路である複数のダクトを設け、ダクトにおいて冷却用気体を径方向外側に流すことにより冷却効率を上げている（特許文献１参照）。

特開２０００−１１６０６０号公報

固定子鉄心においては、軸方向に積層された積層構造の中に、軸方向に互いに間隔をあけた位置に、スペーサを設けて、互いに隣接する積層構造の間に隙間を設けてダクトを形成し、固定子鉄心の径方向内側から径方向外側への流路を確保している。冷却効率の上では、ダクトを多く設けることにより放熱のための表面積を増やすのが好ましいことになる。

一方、強磁性体である電磁鋼板が存在しないダクトが形成された空間においては、磁気抵抗が大きい。このため、トルクの確保などの電磁気的性能上は、固定子鉄心においてダクトの占める割合が小さいことが好ましい。

したがって、制限されたダクトの設置数の中で、冷却効率をできる限り向上させることが望まれている。

そこで、本発明は、回転電機の効率を下げずに冷却効率を確保することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取付けられた回転子鉄心とを有する回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に前記回転子鉄心を囲むように設けられ、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造と、軸方向に互いに隣接する前記積層構造の間に配された少なくとも一つの固定子冷却構造とを有する円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、を備える回転電機であって、前記少なくとも一つの固定子冷却構造のそれぞれは、互いに隣接する前記積層構造に部分的に挟まれて、これらの積層構造同士の軸方向の間隙を形成するとともに前記積層構造および前記固定子巻線からの熱を受け入れる間隙形成部と、前記間隙形成部と一体に形成され前記間隙形成部で受け入れた熱を放熱する放熱部と、を具備し、前記間隙形成部と前記放熱部は、前記積層構造の外周面の径方向外側に前記間隙に連通する流路開口を形成する、ことを特徴とする。

また、本発明は、ロータシャフトおよび回転子鉄心を有する回転子と、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造を有する円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、を備える回転電機について、その前記固定子を冷却するために、前記複数の積層構造の少なくとも一つの間に配された固定子冷却構造であって、互いに隣接する前記積層構造にその部分が挟まれて、これらの軸方向の間隙を形成するとともに前記積層構造からの熱移動を受ける間隙形成部と、前記間隙形成部と一体に形成され前記間隙形成部で受けた熱を放熱する放熱部と、を具備し、前記間隙形成部と前記放熱部は、前記積層構造の外周面の径方向外側に前記間隙に連通する流路開口を形成する、ことを特徴とする。

本発明によれば、回転電機の効率を下げずに冷却効率を確保することができる。

第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す立断面図である。 第１の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。 第１の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。 第２の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の構成を示す横断面図である。 第２の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の構成を示す図４のＶ−Ｖ線矢視縦断面図である。 第２の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の変形例の構成を示す横断面図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る回転電機および固定子冷却構造について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る回転電機の構成を示す立断面図である。回転電機２００は、回転子１０、固定子２０、２つの軸受３０、フレーム４０、および２つの軸受ブラケット４５を有する。

回転子１０は、ロータシャフト１１および回転子鉄心１２を有する。ロータシャフト１１は、水平方向に延びており、回転子鉄心１２の軸方向の両外側において軸受３０によって回転可能に支持されている。回転子鉄心１２は、円筒状であり、ロータシャフト１１の径方向外側に取り付けられている。ロータシャフト１１の、回転子鉄心１２と２つの軸受３０との間の部分には、それぞれ内扇５１が取り付けられている。

固定子２０は、円筒状の固定子鉄心２１、および複数の固定子巻線２８を有する。

固定子鉄心２１は、空隙１８を介して、回転子鉄心１２の径方向外側に回転子鉄心１２を囲むように設けられている。固定子鉄心２１は、複数の積層構造２３および複数の固定子冷却構造１００を有する。

積層構造２３は、それぞれ、軸方向に積層された強磁性体製の複数の電磁鋼板２２を有する。複数の積層構造２３は、互いに軸方向に並んでいる。複数の固定子冷却構造１００のそれぞれは、互いに隣接する積層構造２３に挟まれている。

互いに隣接する積層構造２３間には、軸方向の間隙２４（図３）が形成されている。この間隙２４は、通常のスペーサ（図示しない）か、あるいは、固定子冷却構造１００のいずれかにより形成され、保持されている。固定子冷却構造１００は、固定子鉄心２１において、少なくとも一つは設けられている。なお、全てが、固定子冷却構造１００の場合であってもよい。固定子鉄心２１の径方向外側に配置上の制約がない場合は、全てが、固定子冷却構造１００であることが、冷却性能確保上、好ましい。

固定子鉄心２１の径方向内側には、周方向に互いに間隔をおいて、固定子鉄心２１の内周面を切り欠くように軸方向に貫通する溝状の複数の固定子スロット２５（図２）が形成されている。固定子巻線２８は、複数の固定子スロット２５内を軸方向に貫通し、固定子鉄心２１の軸方向外側で互いに接続され、あるいは外部の配線と結線されている。

フレーム４０は、ほぼ筒状であって、回転子鉄心１２および固定子２０の径方向外側に配されて、これらを収納する。２つの軸受ブラケット４５は、フレーム４０の軸方向の端部を塞ぐようにフレーム４０の両端に接続し、それぞれ、軸受３０を静止支持する。

フレーム４０の上部には、冷却器６０が設けられている。冷却器６０は、複数の冷却管６１と、冷却管６１を収納する冷却器カバー６２とを有する。冷却器カバー６２は、フレーム４０および２つの軸受ブラケット４５と相俟って閉空間４０ａを形成する。閉空間４０ａ内は、回転子１０および固定子２０等を冷却するために、たとえば空気などの冷却用気体で満たされている。

閉空間４０ａを構成する冷却器カバー６２内の空間とフレーム４０内の空間は、フレーム４０の上部に形成された冷却器入口開口６３および２つの冷却器出口開口６４を介して、互いに連通している。

冷却器入口開口６３は、軸方向に固定子鉄心２１の上方に形成されている。また、２つの冷却器出口開口６４は、軸方向に２つの内扇５１の上方にそれぞれ形成されている。

図２は、固定子冷却構造の構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線矢視横断面図である。また、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。

電磁鋼板２２が積層した積層構造２３には、それぞれ、円板形状で中央に円形の開口２３ａが形成されている。開口２３ａには、さらに、周方向に互いに間隔をおいてスロット部２５ａが形成されている。互いに隣接するスロット部２５ａに挟まれて、それぞれ、周方向に間隔をおいて歯部２６ａが形成される。スロット部２５ａおよび歯部２６ａは、積層構造２３が軸方向に並んだ状態において、それぞれ、固定子スロット２５および固定子ティース２６を形成する。

それぞれの固定子冷却構造１００は、間隙形成部１１０と、間隙形成部１１０と一体に形成された放熱部１２０を有する。間隙形成部１１０および放熱部１２０の材料は、たとえば、アルミニウム、銅、あるいはこれらの合金などの熱伝導率の良い材料を用いることができる。すなわち、間隙形成部１１０への主たる外力としては、面圧を生ずるもののみであり、また、放熱部１２０には直接には外力は印加されない。また、固定子冷却構造１００と周囲の構造物との熱膨張差により発生する応力は小さいと考えられる。このため、間隙形成部１１０および放熱部１２０の材料は、熱伝導性を主体に選定できる。

間隙形成部１１０と放熱部１２０は、以下に説明するように、積層構造２３の径方向外側の積層構造外側流路４０ｂ（図３）内の部分に、流路開口１３０を形成する。

なお、図２では、フレーム４０が、円筒状の場合を示しているが、たとえば、横断面が四角形等であってもよい。横断面が四角形等である場合、放熱部１２０の外側縁部は、フレーム４０の内面に対応して、径方向に拡がったたとえば四角形でもよい。

放熱部１２０は、環状部１２１を有する。環状部１２１は、円形の平板であり、この円板と同心に形成されて電磁鋼板２２の外径より大きな径の環状部開口１２１ａを有する。

間隙形成部１１０は、互いに隣接する積層構造２３間の間隙２４を形成し、保持する。間隙形成部１１０は、複数の間隔片１１１を有する。それぞれの間隔片１１１は、長方形の板状であり、互いに周方向に間隔をもって径方向に放射状に配列されている。なお、図２では、歯部２６ａが形成されている周方向位置のすべてに、間隔片１１１が設けられている場合を例にとって示しているが、これに限らない。すなわち、電磁鋼板２２の軸方向の締め付けが均等に行われるように考慮しながら、周方向位置を選択することでもよい。また、必ずしも、歯部２６ａが形成されている周方向位置に配さなくともよい。

間隔片１１１は、いずれの場合にも、スロット部２５ａに突出しないような形状、寸法とする必要がある。

それぞれの間隔片１１１の径方向外側部分の第１の端部１１１ａは、環状部１２１の環状部開口１２１ａの縁部に接続されている。また、間隔片１１１の径方向内側部分の第２の端部１１１ｂは、電磁鋼板２２の歯部２６ａが形成されている径方向位置またはそれより径方向外側位置にある。間隔片１１１は、第２の端部１１１ｂ側が、スロット部２５ａ側に突出しないような寸法に形成されている。

環状部１２１とこれに接続する複数の間隔片１１１のそれぞれとは、溶接あるいはロー付により接合することができる。また、接合部は、積層構造２３の径方向外側であるため、間隙形成部１１０としての間隙形成機能には悪影響を与えることはないため、必ずしも、溶接あるいはロー付後の表面仕上げを要しない。あるいは、接合ではなく、環状部１２１とこれに接続する複数の間隔片１１１を、一体で、打ち抜き加工により形成することでもよい。あるいは、板厚あるいは外径上の制限で打ち抜き加工が難しい場合は、ガスカットにより一体で形成してもよい。積層構造２３の歯部２６ａより突出しなければ、高い加工精度は要求されないため、ガスカットの場合でも精度上問題はない。ただし、ガスカットの場合は、少なくとも、積層構造２３に挟まれて間隙を形成する機能を有する部分は、厚さを均一にする仕上げ加工をした上で用いればよい。

積層構造２３の径方向外側の積層構造外側流路４０ｂにまで、間隙２４を拡張した領域から見ると、間隙２４に面する電磁鋼板２２の外周と、互いに隣接する２つの間隔片１１１と、環状部開口１２１ａの内縁とで囲まれた扇状の流路開口１３０が、軸方向の両側に形成されている。すなわち、間隙２４内を通過してくる冷却用気体は、積層構造２３の径方向外側に至ると、流路開口１３０から積層構造外側流路４０ｂに流出可能となる。

以上のように形成された本実施形態に係る回転電機２００および固定子冷却構造１００の作用について、以下に説明する。

まず全体の流れを、図１の矢印に示している。閉空間４０ａ内の冷却用気体は、回転子鉄心１２の軸方向の両側に設けられた２台の内扇５１により、回転子鉄心１２側に向かって駆動され、たとえば、空隙１８に流入する。空隙１８に流入した冷却用気体は、軸方向に流れながら、順次、固定子鉄心２１に形成されている間隙２４内に分流し、積層構造２３を冷却しながら、間隙２４内を径方向外側に流れ、固定子鉄心２１外に流失する。

固定子鉄心２１の径方向外側に流出した冷却用気体は、冷却器入口開口６３を介して冷却器６０の冷却器カバー６２内に流入する。冷却器カバー６２内に流入した冷却用気体は、軸方向の両側に分かれ、それぞれ冷却管６１内を流れる冷却媒体により冷却されながら冷却管６１の外側を通過する。冷却された冷却用気体は、それぞれ冷却器出口開口６４を経由してフレーム４０内に流入し、再び、内扇５１により駆動される。

次に、固定子鉄心２１内の作用について説明する。固定子冷却構造１００によって、間隙２４には、回転子鉄心１２と固定子鉄心２１間の空隙１８から、固定子鉄心２１の径方向外側に至る流路が形成されている。径方向外側に向かう複数の流路が周方向に互いに間隔をおいて存在するので、これらのうちの一つを例にとって、その流路の流れを、図２の実線矢印Ａ１、破線矢印Ａ２、および実線矢印Ａ３で示す。

実線矢印Ａ１は、軸方向には間隙２４の位置のある周角度位置で、空隙１８側から固定子鉄心２１側の互いに隣接する間隔片１１１の間に流入する流れを示す。破線矢印Ａ２は、互いに隣接する間隔片１１１の間を径方向外側の積層構造外側流路４０ｂに向かって流れる流れを示す。破線矢印Ａ２の流れは、軸方向には互いに隣接する積層構造２３の間であって、周方向には互いに隣接する間隔片１１１の間のほぼ矩形の断面形状で径方向外側に行くに従って周方向の幅が拡がる流路内の流れである。

実線矢印Ａ３は、間隙２４の軸方向の両側に存在する積層構造２３の外周面より外側における流れを示す。積層構造２３の径方向外側に至ると、軸方向の両側は流路開口１３０により開放状態となり、冷却用気体は、軸方向外側に流出する。

ここで、間隙形成部１１０としての間隔片１１１は、冷却用気体の流路の中にあり、冷却されている状態にあるため、積層構造２３より低温である。また、間隔片１１１は、積層構造２３に密着した状態にある。このため、高温側である固定子巻線２８および積層構造２３から間隔片１１１への熱の移動が生ずる。

間隔片１１１に移動した熱は、間隔片１１１から冷却用気体に移行するとともに、放熱部１２０としての環状部１２１に熱伝導により移動する。フレーム４０の径方向内側であって、積層構造２３の径方向外側すなわち固定子鉄心２１の径方向外側の積層構造外側流路４０ｂにおいては、周方向に流出した冷却用気体が、冷却器入口開口６３に向かうため、周方向の流れが生じている。周方向の流れは、積層構造２３の径方向外側の領域に突出した間隔片１１１および環状部１２１の面に沿った方向である。

したがって、放熱部１２０は、冷却用気体の流れをほとんど妨げることなく、冷却用気体によって熱を除去される。

本実施形態による固定子冷却構造１００は、間隙２４を、従来の構成より広げることはないため、電磁気的な性能に悪影響を及ぼさない。その上で、従来に比べて冷却効率を向上させることができる。また、間隙形成部１１０と放熱部１２０とが一体に形成されているために、一体に扱うことができ、固定子鉄心２１の組み立て時に、従来のようにそれぞれのスペーサを電磁鋼板に取付ける作業が不要となり、組み立て作業が軽減する。

［第２の実施形態］
図４は、第２の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の構成を示す横縦断面図である。また、図５は、図４のＶ−Ｖ線矢視縦断面図である。

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態における固定子冷却構造１０１の放熱部１２０は、先端放熱板１２２をさらに有する。それ以外は、第１の実施形態と同様である。

先端放熱板１２２は、長方形の平板で、環状部１２１に垂直に取り付けられている。先端放熱板１２２は、径方向に延びるように取り付けられている。すなわち、先端放熱板１２２は、軸方向および径方向に拡がっている。

本実施形態による固定子冷却構造１０１は、先端放熱板１２２をさらに設けることにより、放熱部１２０での放熱性能が向上し、冷却効率をさらに向上させることができる。

図６は、第２の実施形態に係る回転電機の固定子冷却構造の変形例の構成を示す横縦断面図である。この変形例においては、先端放熱板１２２の取り付けられる方向のみが異なっている。すなわち、取り付けられる方向は、取り付け場所により異なる。先端放熱板１２２は、径方向に拡がるもののみではなく、径方向に対して傾いているもの、あるいは径方向に垂直すなわち周方向のものまでの角度範囲で取り付けられている。その方向は、フレーム４０内の各軸方向位置における横断面において、積層構造外側流路４０ｂにおける冷却用気体の流れ方向に沿った方向に設定されている。

このように構成された変形例においては、積層構造外側流路４０ｂ内の冷却用気体の圧力損失を低減しながら、放熱部１２０の放熱性能を確保することができる。

［その他の実施形態］
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。たとえば、実施形態では、ロータシャフト１１が水平方向に延びた横型の回転電機の場合を例にとって示しているが、これに限定されない。ロータシャフトが鉛直方向に延びた立形の回転電機であってもよい。

また、各実施形態の特徴を組み合わせてもよい。さらに、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。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、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…電磁鋼板、２３…積層構造、２３ａ…開口、２４…間隙、２５…固定子スロット、２５ａ…スロット部、２６…固定子ティース、２６ａ…歯部、２８…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４０ａ…閉空間、４０ｂ…積層構造外側流路、４５…軸受ブラケット、５１…内扇、６０…冷却器、６１…冷却管、６２…冷却器カバー、６３…冷却器入口開口、６４…冷却器出口開口、１００、１０１…固定子冷却構造、１１０…間隙形成部、１１１…間隔片、１１１ａ…第１端部、１１１ｂ…第２端部、１２０…放熱部、１２１…環状部、１２１ａ…環状部開口、１２２…先端放熱板、１３０…流路開口、２００…回転電機

Claims (7)

1. 軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取付けられた回転子鉄心とを有する回転子と、
   前記回転子鉄心の径方向外側に前記回転子鉄心を囲むように設けられ、軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造と、軸方向に互いに隣接する前記積層構造の間に配された少なくとも一つの固定子冷却構造とを有する円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
   前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、
   を備える回転電機であって、
   前記少なくとも一つの固定子冷却構造のそれぞれは、
   互いに隣接する前記積層構造に部分的に挟まれて、これらの積層構造同士の軸方向の間隙を形成するとともに前記積層構造および前記固定子巻線からの熱を受け入れる間隙形成部と、
   前記間隙形成部と一体に形成され前記間隙形成部で受け入れた熱を放熱する放熱部と、
   を具備し、
   前記間隙形成部と前記放熱部は、前記積層構造の外周面の径方向外側に前記間隙に連通する流路開口を形成する、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記間隙形成部は、それぞれが、円筒状の前記積層構造の径方向内側の開口の径方向位置またはそれより径方向に外側の位置から、前記電磁鋼板の外周よりも径方向に外側の位置まで径方向に延びて周方向に互いに間隔をおいて配された複数の間隔片を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記放熱部は、前記電磁鋼板の外周よりも径の大きな円形の開口を有し径方向外側に拡がる平板状の環状部を有し、前記環状部は前記円形の開口の縁部で前記間隙形成部と接続することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
4. 前記放熱部は、前記環状部に垂直に取り付けられて軸方向および径方向に拡がる先端放熱板をさらに有することを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記先端放熱板は、前記積層構造の径方向外側における周方向の流れに沿った方向に取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 前記電磁鋼板には、径方向内側に複数の歯部が形成され、前記間隙形成部の一部は、前記複数の歯部の少なくとも一部について、当該歯部の範囲内に配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。
7. ロータシャフトおよび回転子鉄心を有する回転子と、
   軸方向に円筒状に積層された複数の電磁鋼板からなる複数の積層構造を有する円筒状の固定子鉄心と、前記固定子鉄心内を軸方向に貫通する固定子巻線とを有する固定子と、
   前記回転子鉄心を挟んで前記ロータシャフトの軸方向の両側で前記ロータシャフトを回転可能に支持する２つの軸受と、
   を備える回転電機について、その前記固定子を冷却するために、前記複数の積層構造の少なくとも一つの間に配された固定子冷却構造であって、
   互いに隣接する前記積層構造にその部分が挟まれて、これらの軸方向の間隙を形成するとともに前記積層構造からの熱移動を受ける間隙形成部と、
   前記間隙形成部と一体に形成され前記間隙形成部で受けた熱を放熱する放熱部と、
   を具備し、
   前記間隙形成部と前記放熱部は、前記積層構造の外周面の径方向外側に前記間隙に連通する流路開口を形成する、
   ことを特徴とする固定子冷却構造。

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