JP7137543B2

JP7137543B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP7137543B2
Application number: JP2019172464A
Authority: JP
Inventors: 逸郎沢田; 拓岩瀬; 正敏小池; 佑樹福岡; 昌泰藤枝
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2019-09-24
Filing date: 2019-09-24
Publication date: 2022-09-14
Anticipated expiration: 2035-08-06
Also published as: JP2019213456A

Description

本発明は回転電機に係り、特に、空気を用いて冷却する回転電機に関する。

回転電機は、電動機として電気的な入力を機械的な出力に変換する際に、あるいは発電機として機械的な入力を電気的な出力に変換する際に、渦電流損失やジュール損失に起因して発熱する。

回転電機を構成する材料には、それぞれ上限温度が規定されており、電動機あるいは発電機として動作する際に、各部の温度がそれぞれの上限温度を超えないように冷却する必要がある。

回転電機の冷却方式として広く用いられているものに空冷方式がある。

空冷方式は、空気を回転電機の発熱部に直接的あるいは間接的にあてることにより熱を取り除き冷却する冷却方式である。

さらに空冷方式は、冷却のための空気をファンなどの装置を用いて強制的に流す強制空冷方式と、ファンなどの装置を用いずに自然対流により放熱する自然空冷方式とに分類できる。

強制空冷方式を用いた回転電機は、特許文献１及び２などに開示されている。

特許文献１及び２では、回転電機の回転子と一体となって回転する通風ファンと、回転子の回転軸方向に設けた空気通路を有し、通風ファンにより回転電機機内の空気を循環させて回転電機を冷却する構造となっている。

特開２００９－８１９９４号公報特開２００９－２６１２４８号公報

上記特許文献１及び２のような冷却構造においては、回転子の空気通路の数は回転子鉄心の磁気抵抗のバランスを保つために、回転電機の極数の整数倍とする必要がある。

一方、通風ファンに起因する流体騒音と、回転電機の電磁加振力に起因する電磁騒音とが増幅しあわないように、通風ファンの羽根枚数は空気通路の数の整数倍にならないようにすることが求められる。

しかしながら、回転子の空気通路の数と、通風ファンの羽根枚数とが異なる場合、回転子の空気通路のピッチと通風ファンの羽根ピッチが異なり、回転子の空気通路の位置と通風ファンの羽根間通風路の位置との関係が、回転子の周方向位置によって異なることになる。

このため、回転子の空気通路の出口直後に通風ファンの羽根が位置し、回転子の空気通路を流れてきた空気が通風ファンの羽根に衝突して衝突損失を生じ、通風ファンによる送風量の低下や騒音を生じる要因となる。

したがって、回転子に回転軸方向の空気通路と、回転子と一体となって回転する通風ファンを有する空気冷却式の回転電機において、騒音を増加させることなく、通風ファンによる送風量を増大して冷却性能を向上することが課題となる。

上記課題を解決するために、本発明の回転電機は、固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とを備えて成る回転電機であって、前記固定子は、固定子コアと、該固定子コアの内径側に、軸方向に延伸し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、空気を通風するための空気通路を備えた回転子コアと、前記回転子と一体となって回転するファンと、回転軸方向に延伸する複数の回転子スロットに挿入された界磁部材である複数の回転子バーと、前記回転子バーを両軸端で短絡するエンドリングと、を備え、前記ファンは、シュラウドと複数の羽根を有しており、前記回転子の空気通路の数と、前記ファンの羽根枚数とが互いに異なり、かつ、前記ファンの羽根枚数は前記空気通路の数の整数倍とならないようにし、前記空気通路と前記ファンの吸込み部との空隙が小さくなるように前記シュラウドの内径部が前記エンドリングの内径面まで延伸し、前記複数の羽根の一部または全部が、前記回転子コアの空気通路の回転軸方向投影面よりも外径側に位置しており、かつ、最内径部が前記エンドリングの内径面まで延伸した前記シュラウドの内径部から回転軸方向と平行になるように形成し、前記複数ある羽根のうちの一部の羽根の最内径部は、前記空気通路の最外径部よりも外径側にあり、前記複数ある羽根のうちの前記空気通路がない位置にある一部の羽根の最内径部は、前記回転子コアの空気通路の最外径部よりも内径側にあることを特徴とする。

本発明によれば、騒音を増加させることなく、高い冷却性能を有する回転電機を提供できる。

本発明の回転電機の実施例１を示す断面図である。本発明の回転電機の実施例１を示す回転軸垂直面の断面図である。本発明の回転電機の実施例１を示すファンの斜視図である。本発明の回転電機の実施例１を示すファンの正面図である。図４のＡ－Ａ’線に沿う断面図である。従来技術の回転電機を示す断面図である。本発明の空気流路と羽根の位置関係を示す模式図である。従来技術の空気流路と羽根の位置関係を示す模式図である。本発明の回転電機の実施例１と、図６に示す従来技術の回転電機の通風量を比較して示す図である。本発明の回転電機の実施例２における空気流路と羽根の位置関係を示す模式図である。本発明の回転電機の実施例３の空気通路とファンの羽根との位置関係を表す模式図である。本発明の回転電機の実施例４の断面図である。本発明の回転電機の実施例１～４のいずれか１つを鉄道車両駆動用電動機として用いた例を示す模式図である。本発明の回転電機の実施例１～４のいずれか１つを電気自動車駆動用電動機として用いた例を示す模式図である。

本発明の回転電機は、例えば、固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とを備えて成る回転電機であって、前記固定子は、固定子鉄心と、該固定子鉄心の内径側に、軸方向に伸延し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、回転軸方向に連通した空気通路とを備えた回転子鉄心と、前記回転子と一体となって回転するファンとを備え、前記回転子鉄心の空気通路の数と、前記ファンの羽根枚数とが互いに異なり、前記ファンの羽根の最内径位置が前記回転子鉄心の空気通路の最外径位置よりも外径側に位置することを特徴とする。

以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。

図１及び図２に本発明の回転電機を誘導電動機に適用した実施例１の断面図を示す。

また、図３から図５に本発明の回転電機を誘導電動機に適用した実施例１のファンを示す。

誘導電動機である回転電機１は、固定子２と回転子３から構成されている。

固定子２は固定子コア２０と、固定子コア２０の内径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって形成され、回転軸方向に延伸する複数の固定子スロット２１に巻き回された固定子コイルと、固定子コア２０を保持するハウジング２４から構成されている。

また、回転子３は、固定子コア２０と径方向に所定の空隙をもって対向して配置された回転子コア３０と、回転子コア３０の外径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって形成され、回転軸方向に延伸する複数の回転子スロット３１に挿入された界磁部材である複数の回転子バー３２と、各回転子バーを両軸端で短絡するための導体であるエンドリング３３と、各回転子バー３２とエンドリング３３とを保持するためのリテイニングリング３４と、回転子コア３０が嵌合されているシャフト３６とを備えて構成されている。シャフト３６は軸受３７に回転可能に保持されている。

また、回転子コア２０には冷却空気４０の通路となる空気通路３０１が回転軸方向に貫通して設けられている。

また、回転子３には、冷却空気４０を通風するためのファン３５が取り付けられており、ファン３５は回転子３と一体となって回転し、冷却空気４０を通風する。

ファン３５は、ハブ３５１と、シュラウド３５２と、ハブ３５１とシュラウド３５２との間に設けられる複数の羽根３５３から構成される。

ファン３５の羽根３５３の径方向の位置は、最も内径側の位置が回転子コア３０に設けた空気通路３０１の径方向位置の、最も外径側の位置よりも外径に位置している。

図７ａ、図７ｂに、本発明と従来技術との比較を示す。図７ａは本発明の回転電機における、図７ｂは従来技術の回転電機における、回転子コア３０の空気通路３０１と、ファン３５の羽根３５３との位置関係をそれぞれ示す模式図である。なお、本模式図では、本発明の回転電機及び従来技術の回転電機ともに、空気通路の数を１２個、ファンの羽根枚数を１７枚としているが、これらは一例であり、この数に限定するものではない。

本発明の回転電機においては、ファン３５の羽根３５３の最も内径側の位置を、回転子コア３０の空気通路３０１の最も外径側の位置よりも外径側に設けているので、空気通路３０１の回転軸方向の投影面に羽根３５３がなく、空気通路３０１を通った冷却空気４００が、ファン３５の羽根３５３に衝突しない。

一方、従来構造の回転電機においては、ファン３５の羽根３５３の最も内径側の位置が、回転子コア３０の空気通路３０１の最も外径側の位置よりも内径側に設けられているので、空気通路３０１の回転軸方向の投影面に羽根３５３が存在し、空気通路３０１を通った冷却空気４００が、ファンの羽根３５３に衝突し、流体損失を生じる。

以上により、本発明の回転電機においては、従来構造の回転電機と比較して、冷却空気の流体損失が少なく、ファンの通風量を増大することができ、冷却性能を向上することができる。

図８に流体解析により得られた本発明の回転電機の実施例１と、図６に示す従来技術の回転電機のファンによる通風量を示す。従来技術と比較して、本発明では通風量を約１割増加することができる。これにより回転電機の冷却性能を向上することができる。

図９は本発明の回転電機の実施例２における回転電機の断面図である。

本実施例と実施例１との違いは、ファン３５のシュラウド３５２の内径部が、回転子３に取り付けられたエンドリング３３の内径面まで延伸していることである。

ファン３５と回転子３の空気通路３０１との間の空隙が大きいと、ファン３５から吐出した冷却空気が、再度ファン３５の吸込み部に流れる循環流が生じ、冷却性能が低下する。そこで図９に示すように、ファン３５のシュラウド３５３の内径部を、エンドリング３３の内径面まで延伸し、空気通路３０１とファン３５の吸込み部との空隙を小さくすることで、上記の課題を解決することができる。

図１０に実施例３の空気通路３０１とファン３５の羽根３５３との位置関係を表す模式図を示す。

図７aに示したように、実施例１では、複数設けた羽根３５３の全てについて、最も内径側の位置が、空気通路３０１の最も外径側の位置よりも外径に位置するようにしたが、本実施例では、羽根３５３の内径方向の延長線上に空気通路３０１がない位置においては、羽根３５３の最も内径側の位置を、空気通路３０１の最も外径側の位置よりも内径側まで延伸させている。すなわち、複数設けた羽根３５３の径方向の長さを周方向の位置により変えている。これにより、空気通路３０１からの冷却空気が衝突しない位置における羽根３５３の面積を広く取ることができるため、ファン３５がより多くの仕事をすることができる、すなわち通風量を増大することができる。

図１１は本発明の実施例４における回転電機の断面図である。

実施例１から実施例３と、実施例４との違いは、回転電機が永久磁石式同期電動機であることである。

本発明の効果は、回転電機が誘導電動機か永久磁石同期電動機であるかによらず、同様の効果を得ることができる。

また、実施例１から４は、分布巻の回転電機を例として説明しているが、本発明はこれに限定するものではなく、集中巻の回転電機でも同様の効果を得ることができる。

図１２に本発明の上述した各実施例のうちの１つの回転電機を鉄道車両駆動用電動機として用いた例を示す。

該図に示す如く、鉄道車両５は、台車５０１に実施例１から４のいずれか１つの回転電機１、増速ギア５０２、車輪５０３を備えて構成され、回転電機１が増速ギア５０２を介して車輪５０３を駆動するものである。

なお、本実施例では１つの台車５０１に対して２台の回転電機１を取り付けているが、１台又は２台以上となる複数台を搭載してもよい。

また本実施例では鉄道車両駆動用としているが、電動建設機械や電動自動車駆動用としても同様に用いることができる。

図１３に本発明の上述した各実施例のうちの１つの回転電機を電気自動車駆動用電動機として用いた例を示す。

該図に示す如く、電気自動車６は、車輪６０１によって支持されている。この電気自動車は、前輪駆動であるため、前方の車軸６０３には、実施例１から４のいずれか１つの回転電機１が直結して取り付けられている。

回転電機１は、制御装置６０２によって駆動トルクが制御される。制御装置６０２の動力源としては、蓄電装置６０４が備えられ、蓄電装置６０４から電力が制御装置６０２を介して、回転電機１に供給され、回転電機１が駆動されて、車輪６０１が回転する。

本実施例は前輪駆動方式の電気自動車としているが、後輪駆動方式または全輪駆動方式の電気自動車の駆動装置として利用してもよい。また、内燃機関と蓄電装置との両方を備えるハイブリッド自動車の駆動装置として利用してもよい。

１回転電機
２固定子
３回転子
５鉄道車両
６電気自動車
２０固定子コア
２１固定子スロット
２２固定子コイル
２３固定子コイルエンド
２４ハウジング
３０回転子コア
３１回転子スロット
３２回転子バー
３３エンドリング
３４リテイニングリング
３５ファン
３６シャフト
３７軸受
３８永久磁石
４０冷却空気
３０１空気通路
３５１ハブ
３５２シュラウド
３５３羽根
５０１台車
５０２増速ギア
５０３車輪
６０１車輪
６０２制御装置
６０３車軸
６０４蓄電装置

Claims

固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子とを備えて成る回転電機であって、
前記固定子は、固定子コアと、該固定子コアの内径側に、軸方向に延伸し周方向に所定間隔をもって複数形成された固定子スロットと、該複数の固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、
前記回転子は、空気を通風するための空気通路を備えた回転子コアと、前記回転子と一体となって回転するファンと、回転軸方向に延伸する複数の回転子スロットに挿入された界磁部材である複数の回転子バーと、前記回転子バーを両軸端で短絡するエンドリングと、を備え、
前記ファンは、シュラウドと複数の羽根を有しており、
前記回転子の空気通路の数と、前記ファンの羽根枚数とが互いに異なり、かつ、前記ファンの羽根枚数は前記空気通路の数の整数倍とならないようにし、
前記空気通路と前記ファンの吸込み部との空隙が小さくなるように前記シュラウドの内径部が前記エンドリングの内径面まで延伸し、
前記複数の羽根の一部または全部が、前記回転子コアの空気通路の回転軸方向投影面よりも外径側に位置しており、かつ、最内径部が前記エンドリングの内径面まで延伸した前記シュラウドの内径部から回転軸方向と平行になるように形成し、
前記複数ある羽根のうちの一部の羽根の最内径部は、前記空気通路の最外径部よりも外径側にあり、
前記複数ある羽根のうちの前記空気通路がない位置にある一部の羽根の最内径部は、前記回転子コアの空気通路の最外径部よりも内径側にあることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載した回転電機において、
前記ファンは回転電機内の空気を循環させるための内扇ファンであることを特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載した回転電機において、
前記回転電機が誘導電動機であることを特徴とする回転電機。
請求項１又は２に記載した回転電機において、
前記回転電機が永久磁石式同期電動機であることを特徴とする回転電機。
請求項１から４のうちのいずれか１項に記載した回転電機において、
前記回転電機が電動車両駆動用の電動機であることを特徴とする回転電機。