JP7329721B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転子（１０）は、シャフト（１１）と、シャフト（１１）を取り囲む筒状の回転子鉄心（１２）と、回転子鉄心（１２）とシャフト（１１）とを接続し、シャフト（１１）の軸方向に貫通する複数の通風穴（１５）を設けたホイール部材（１４）とを備えており、通風穴（１５）は回転子通風路（１７）の軸方向断面よりも狭小であり、シャフト（１１）の軸方向から見て通風穴（１５）に一部が重なって回転子通風路（１７）に突出して重なるように配置された突起（１６）を備えている。

Description

本願は、回転電機に関するものである。

回転子に使用する磁石を減磁させないために様々な回転子温度低減構造を備える回転電機が知られている。一例として、回転子鉄心に貫通穴を設けたもの(特許文献１あるいは特許文献２参照)、あるいは回転子鉄心を筒状とし、内径側壁面に突起を設けたものがある(特許文献３あるいは特許文献４参照)。

特許第５６６４１０１号公報 実開昭５３－１２８８０１号公報 特開２００６―２９６０６５号公報 特開２００７－３４４１７７号公報

ところで、前記した従来構造には次記のような課題がある。回転子鉄心に貫通穴を設ける構造(特許文献１あるいは特許文献２)は、大型の回転子を備える回転電機に対しては、回転子内部を鉄心で占めることにより不必要な回転電機の重量増加を招く。
また、大型の回転子を備える回転電機において、軽量化のために円筒状の回転子鉄心を採用し、さらに、冷却改善のために、回転子鉄心の内側壁面に突起を設ける構造(特許文献３あるいは特許文献４)では、回転子の内部空間が広くなるため、回転子の内部空間を通過する冷却ガスは低速となり、突起表面での熱伝達率が小さくなる。そのため、必要な放熱量を確保するために突起が大きくなり、回転子の重量増加を招いていた。

本願は、このような問題を解決するためになされたものであり、回転電機の重量増加を抑えつつ、回転子の温度を低減することで、出力を増加させることができる回転電機を得ることを目的とする。

本願に開示される回転電機は、回転電機の回転軸心を取り囲む円環状の固定子と、固定子と同軸に設けられた回転子とを備え、回転子は、シャフトと、シャフトを取り囲む筒状の回転子鉄心と、回転子鉄心とシャフトとを接続し、シャフトの軸方向に貫通する複数の通風穴を設けたホイール部材とを備えており、通風穴の軸方向断面は、シャフトと回転子鉄心によって形成された回転子通風路の軸方向断面よりも狭小である回転電機であって、回転子鉄心の内周部に接して配置され、シャフトの軸方向から見て通風穴に一部が重なって回転子通風路に突出して設けられた突起を備えている。

本願の回転電機によれば、回転電機の重量増加を抑えつつ、回転子の温度を低減することで、出力を増加させることができる。

実施の形態１に係る回転電機の要部構成を示す側断面図である。 実施の形態1に係る回転電機における回転子を示す斜視図である。 図２における矢印Ａ方向から見た回転子の正面図である。 図３における点線Ｂ－Ｂにおいて矢印方向から見た回転子の側断面である。 実施の形態１に係る回転子の第一の変形例を示す正面図である。 実施の形態１に係る回転子の第二の変形例を示す正面図である。 実施の形態１に係る回転子の第三の変形例を示す正面図である。 図４における矢印Ｃ方向から見た回転子の第四の変形例を示す概略図である。 実施の形態１に係る回転子の第五の変形例を示す正面図である。 実施の形態１に係る回転子の第六の変形例の概略構成を示す側断面図である。 実施の形態１に係る回転子の第七の変形例の概略構成を示す側断面図である。 実施の形態２に係る回転電機における回転子を示す正面図である。 図１２における点線Ｂ―Ｂにおいて矢印方向から見た回転子の側断面図である。 実施の形態３に係る回転電機における回転子を示す正面図である。 図１４における点線Ｂ―Ｂにおいて矢印方向から見た回転子の側断面図である。 図１５における矢印Ｃ方向から見た回転子を示す概略図である。 回転電機の回転子部分における放熱構造の考察を説明するための回転子構造を示す側断面図である。 回転電機の回転子部分における放熱構造の考察を説明するための回転子構造を示す正面図である。 図１８における点線Ｂ―Ｂにおいて矢印方向から見た回転子の側断面図である。 回転電機の回転子部分における放熱構造の考察を説明するための回転子構造を示す側断面図である。

以下、本願に開示される回転電機の実施の形態について図面を用いて説明する。各実施の形態及び各図において、同一もしくは相当する部分は、同一符号を付している。ない、各実施の形態における回転電機は、例えば、洋上風力発電装置に適用する永久磁石式回転電機である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機１００の断面を示す模式図である。図１に示すように、回転電機１００は、回転電機１００の回転の中心である回転軸心Ｏを有するシャフト１１を取り囲む円環状の固定子２０と、固定子２０と同軸に設けられた回転子１０とを備える。軸受２２を介してシャフト１１を支持するハウジング２１で囲まれた回転子１０、固定子２０は、熱交換器１８で冷却された冷却ガスがファン１９によって回転電機内部を循環することで冷却される。

図２は、図１に示す回転子１０の斜視図であり、図３は、図２の矢印Ａから見た回転子１０の正面図であり、図４は、図３の点線Ｂ―Ｂにおいて矢視方向に見た断面図である。

図１及び図２に示すように、実施の形態１に係る回転電機１００は、回転電機１００の回転の中心である回転軸心Ｏを取り囲む円環状の固定子２０と、固定子２０と同軸に設けられた回転子１０とを備えている。
回転子１０は、シャフト１１と、シャフト１１を取り囲む筒状の回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２とシャフト１１とを接続し、シャフト１１の軸方向に貫通する複数の通風穴１５を設けた板状のホイール部材１４とを備えている。
通風穴１５はシャフト１１と回転子鉄心１２によって形成される回転子通風路１７の軸方向断面よりも狭小である。
回転子鉄心１２の内周部に接するように配置されるとともに、回転軸方向から見た場合に通風穴１５と一部重なるように配置された突起１６を備えている。

ホイール部材１４とは軸方向に間隔を空けて設置される円盤状の板材であり、シャフト１１と回転子鉄心１２とを接続する部材である。ホイール部材１４には少なくとも一つ以上の通風穴１５が備えられている。回転子鉄心１２は筒状であるため、シャフト１１と回転子鉄心１２によって回転子通風路１７が形成される。通風穴１５は回転子１０の外側の空間と内側の空間である回転子通風路１７を連通する役割をもっている。そのため、冷却媒体である冷却ガスは矢印２３で示すように通風穴１５を介して回転子の内外へと流れることが可能となる。回転子通風路１７を流れる冷却ガスは回転子鉄心１２を内径側表面から冷却している。すなわち、回転子鉄心１２を介して回転子磁石１３を冷却している。回転子鉄心１２の内側には少なくとも一つ以上の突起１６が設けられており、突起１６は回転軸方向から見た場合に通風穴１５と一部が重なるようになっている。

上記のような風路構造にする理由について説明する。固定子２０あるいは回転子磁石１３は回転電機１００の稼働に伴い発熱する。回転子磁石１３には許容温度が設定されており、許容温度を超過すると減磁を引き起こし、性能が低下してしまう。
回転子磁石１３の昇温を緩和する方策の一つとして、回転電機内における冷却ガスの循環風量を増加させることが挙げられる。しかし、固定子２０と回転子１０の間隙は非常に狭小であるため、必要な風量を確保するために大型なファンが必要となり、コストパフォーマンスの面で問題がある。

回転子磁石１３の昇温を緩和する別の方策の一つとして、図１７のように、回転子鉄心１２に回転子鉄心貫通穴３０を設け、回転子鉄心１２を貫通することも挙げられる。図１７の構成とした場合、回転子鉄心１２を冷却するガスの風速は増加するが、回転子１０の内側を回転子鉄心で占めるため、回転電機１００の重量増加が問題となる。特に、洋上風力発電に用いるような回転子１０は大型であるため、回転電機１００の重量増加は重大な課題となる。回転電機１００の重量増加は、回転電機１００の材料費の増加を招くだけでなく、運搬費あるいは建設費、タワーの製造コストにも悪影響を及ぼす。

回転子磁石１３の昇温を緩和する他の方策の一つとして、図１８に示すように、回転子鉄心１２の内径側に突起１６を設けることで、回転子１０の放熱面積を拡大することが挙げられる。図１８は回転子鉄心１２の内径側に突起１６を設けた従来の回転子の正面図であり、回転子鉄心１２とシャフト１１の接続にはスポーク部材３１が使用されている。ところで、突起からの放熱量は次式より求めることができる。

（突起からの放熱量）＝(放熱面積)×（熱伝達率）
∝(放熱面積)×（風速）^n

上式のｎは一般には０．８程度の正の実数であるため、突起からの放熱量は風速が高いほど高くなる。図１９は図１８の点線Ｃ－Ｃ線での断面図である。図１９あるいは図１８の構造では、回転子１０の内側に回転子通風路１７の断面積が大きくなる。そのため、回転子通風路１７を通過する冷却ガスは低速となり、放熱面積を拡大しても、突起１６による放熱効果は僅かである。そのため、必要な放熱量を確保するために突起１６が大きくなり、回転電機１００の重量増加を招く。

また、図２０のように、回転子鉄心１２とシャフト１１の接続に板状のホイール部材１４を用いた場合、突起１６とホイール部材壁面１４ａの径方向位置が完全に重なってしまうと突起１６からの放熱量は少なくなる。これは、ホイール部材１４の通風穴１５を通過した冷却ガスが淀み領域３２を形成するためである。淀み領域３２では風速が著しく低下するため、淀み領域３２と重なった突起からの放熱量は少ない。そのため、必要な放熱量を確保するために突起１６が大きくなり、回転電機１００の重量増加を招く。

一方、図１～図４のような風路構造にすることによって、ホイール部材１４の通風穴１５を通過し、加速した冷却ガスを突起１６に集中的に衝突させることで、放熱面積の拡大と熱伝達率の増加の両観点から突起の放熱を増加させることができる。また、回転子鉄心１２を筒状とすることで、図１７に示す構成の回転電機と比べ、軽量化することができる。

上述の通り、ホイール部材１４の通風穴１５を通過し、加速した冷却ガスが突起１６に集中的に衝突することにより、突起１６からの放熱量を増加させることができる。したがって、図３に示すように突起１６は回転軸方向から見た場合に通風穴１５と一部重なるように配置されることが望ましい。

同様に、図３に示すように、突起１６はホイール部材１４の通風穴１５の外径位置よりも内側に延在していることが突起１６からの放熱量を増加させる点で望ましい。これは、図３において、回転軸心をＯ、ホイール部材１４の通風穴１５の最外径位置をＨＨＯ、突起１６の最内径位置をＦＩ、とすると、次式の関係となる。

（Ｏ－ＦＩ間の距離）＜（Ｏ－ＨＨＯ間の距離）

一方、ホイール部材１４の通風穴１５の最内径位置ＦＩよりも突起１６を延在させた場合、通風穴１５の最内径位置ＦＩよりも延在させた突起１６には通風穴１５を通過し、加速した冷却ガスが衝突しない。したがって、回転電機１００の重量増加を抑えつつ、回転子１０の冷却能力を改善したい場合、次式の関係とするのが良い。

（Ｏ－ＨＨＩ間の距離）＜（Ｏ－ＦＩ間の距離）

ここで、ＨＨＩとは図３におけるホイール部材１４の通風穴１５の最外径位置を指す。

なお、図３において通風穴１５は円形であるが、その限りではない。例えば、図５に示すような四角形でも良いし、図６に示すような台形あるいは、それ以外の形状であっても良い。また、図７に示すように通風穴１５の外径側が回転子鉄心１２と重なっても良い。この場合、突起１６の根本にもホイール部材１４の通風穴１５を通過し加速した冷却ガスが衝突する。そのため、突起１６の全放熱面の熱伝達率を高めることができ、冷却効率を向上させることができる。

また、図３において、回転子１０は内側から外側にかけ、シャフト１１、ホイール部材壁面１４ａ、通風穴１５、突起１６、ホイール部材壁面１４ａ、回転子鉄心１２の順となるが、図７において、回転子１０は内側から外側にかけ、シャフト１１、ホイール部材壁面１４ａ、通風穴１５、突起１６、回転子鉄心１２となる。すなわち、図３と図７において、回転子１０は内側から外側にかけ、シャフト１１、ホイール部材壁面１４ａ、通風穴１５、突起１６、となる順番は同一である。

図８は回転子１０を外径側（図４の矢印Ｃの方向）からみた簡略図である。説明のために、回転子磁石１３及び回転子鉄心１２は省略している。ところで、回転電機１００が運転されると回転子１０が回転することにより、ホイール部材１４の通風穴１５も移動する。移動する通風穴１５を通過する際の圧力損失を低減するために、図８に示すように案内羽根２４をホイール部材１４の通風穴１５に設置しても良い。案内羽根２４をホイール部材１４の通風穴１５に設置することにより、通風穴１５を通過する際の圧力損失を低減できるため、回転電機１００を循環する風量を増加させることができる。

また、図３において突起１６は全て通風穴１５と同一周方向位置であるが、その限りではない。例えば、図９に示すように突起１６の二つ中に一つを通風穴１５と同一周方向位置としても良く、それ以外の突起を通風穴１５と異なる周方向位置に配置しても良い。通風穴１５と異なる周方向位置に突起１６を配置することで若干の冷却改善が期待できる。ホイール部材１４の強度制約から通風穴１５の数あるいは面積を増加することが困難な場合に冷却改善が期待できる。

また、図４においてホイール部材１４は回転子１０の両端に一枚ずつ配置しているが、その限りではない。例えば、図１０に示すように回転子１０の中心に一枚のみ配置しても良いし、図１１に示すように回転子１０の両端と中央に三枚配置しても良く、それ以上の枚数を配置しても良い。回転子１０の強度制約に応じて好適な枚数を配置することが望ましい。

以上のように、実施の形態１に係る回転電機１００は、回転電機１００の回転の中心である回転軸心Ｏを有するシャフト１１を取り囲む円環状の固定子２０と、固定子２０と同軸に設けられた回転子１０とを備えている。
回転子１０は、シャフト１１と、シャフト１１を取り囲む筒状の回転子鉄心１２と、回転子鉄心１２とシャフト１１とを接続し、シャフト１１の軸方向に貫通する複数の通風穴１５を設けたホイール部材１４とを備えている。
通風穴１５はシャフト１１と回転子鉄心１２によって形成される回転子通風路１７の軸方向断面よりも狭小である。
回転子鉄心１２の内周部に接するように配置され、回転軸方向から見た場合に通風穴１５と一部重なるように配置された突起１６を備えている。

このように構成されたことにより、ホイール部材１４の通風穴１５を通過し、加速した冷却ガスを突起１６に集中的に衝突させることができる。加速した冷却ガスが突起１６に衝突するため、突起１６からの放熱量を効果的に増加させることができる。そのため、回転電機１００を軽量化しつつ温度を低減できる。また、回転電機１００の出力も向上させることができる。

実施の形態２．
次に実施の形態２に係る回転電機１００について説明する。図１２は実施の形態２に係る回転電機１００の回転子１０の一例を示している。また、図１３は、図１２の実線Ｂ－Ｂでの断面図である。実施の形態２に係る回転電機１００は板状のホイール部材１４の通風穴１５に誘導板２５を備えている点が実施の形態１と異なる。

実施の形態１に係る回転電機１００では、通風穴１５を通過し加速した冷却ガスを突起１６に衝突させるため、突起１６を通風穴１５の外径位置よりも内径側に延在する必要がある。そのため、通風穴１５がシャフト１１の回転軸心Ｏに近くに設置する場合、突起１６の延在量が長くなり、回転電機１００の重量が増加する課題がある。また、突起１６の根本付近では加速した冷却ガスが衝突しないため、冷却改善の効率も高くない。

実施の形態２に係る回転電機１００は、ホイール部材１４の通風穴１５に誘導板２５を備える。例えば、回転子１０に冷却ガスが流入するホイール部材１４の通風穴１５において、誘導板２５は回転子１０の内側に設置するのが良い。また、誘導板２５はホイール部材１４の通風穴１５の内径側の縁においてホイール部材１４と接続する。
そして、ホイール部材１４と接続している辺での径方向位置をＧＩ、誘導板２５の辺での径方向位置をＧＯとすると、次式を満たす構成とすることが望ましい。

（Ｏ－ＧＩ間の距離）＜（Ｏ－ＧＯ間の距離）

上記のような構成とすることで、ホイール部材１４の通風穴１５を通過した冷却ガスは誘導板２５により、外径側に進むように誘導され、突起１６を通風穴１５の外径位置よりも内径側に延在していなくても、加速した冷却ガスを突起１６に衝突させることができる。そのため、突起１６を通風穴１５の外径位置よりも内径側に延在していなくても、突起１６からの放熱量を向上させることができる。冷却に寄与しない突起１６の延在は回転電機１００の重量を増加させるため、実施の形態２は軽量化にも効果がある。

実施の形態１と同様に、図１３及び図１２において、通風穴１５は円形であるが、その限りでなく、例えば、円形あるいは台形、その他の形状でも良い。突起１６の配置位置についても、全ての突起１６を通風穴１５と同一の周方向位置に配置しなくても良く、一部の突起１６を通風穴１５と異なる周方向位置に配置しても良い。また、ホイール部材１４の設置個数についても、回転子１０の両端に1枚ずつ配置する限りではなく、例えば、回転子１０の中央に1枚のみ配置する構成あるいは回転子１０の両端と中央に３枚配置する構成でも良く、それ以上の枚数を配置しても良い。また、図８に示した案内羽根２４を併用しても良い。

実施の形態２に係る回転電機１００は、通風穴１５に設置した誘導板２５により、通風穴１５を通過した冷却ガスが外径側へと誘導させることによって、突起１６を通風穴１５の外径位置よりも内径側に延在する必要が無いため、回転電機１００の更なる軽量化及び冷却効率を向上させることができる。

実施の形態３．
次に実施の形態３に係る回転電機１００について説明する。図１４は実施の形態３に係る回転電機１００の回転子１０の一例を示している。また、図１５は、図１４の実線Ｂ－Ｂ線の断面図であり、図１６は、図１５の矢印Ｃからみた模式図である。説明のために、図１６においては、回転子磁石１３及び回転子鉄心１２は省略している。実施の形態３に係る回転電機１００はシャフト１１の回転軸心Ｏに対して斜めに配置した突起１６ａを備えている点で他の実施の形態と異なる。

実施の形態３に係る回転電機１００が運転されると、回転子１０が回転することにより、回転子通風路１７にある冷却ガスはシャフト１１に対して斜めに配置した突起１６ａに押し出されることによって、シャフト１１の回転軸心Ｏに対して斜めに配置した突起１６ａの一方向から流入して他方から排出される流れを発生させる。すなわち、回転子１０の回転力の一部を冷却ガスの駆動力へ変換することができる。そのため、回転電機１００の循環風量を増加させることができ、ファン１９に要求される昇圧量を低減することができる。

実施の形態１あるいは実施の形態２と同様に、図１５及び図１４において、通風穴１５は円形であるが、その限りでなく、例えば、円形あるいは台形、その他の形状でも良い。突起１６の配置位置についても、全ての突起１６ａを通風穴１５と同一の周方向位置に配置しなくても良く、一部の突起１６を通風穴１５と異なる周方向位置に配置しても良い。また、ホイール部材１４の設置個数についても、回転子１０の両端に1枚ずつ配置する限りではなく、例えば、回転子１０の中央に1枚のみ配置する構成あるいは回転子１０の両端と中央に３枚配置する構成でも良く、それ以上の枚数を配置しても良い。また、案内羽根２４を併用しても良い。

実施の形態３に係る回転電機１００は、回転電機１００はシャフト１１に対して斜めに配置した突起１６ａを備えることで、回転子１０の回転力の一部を冷却ガスの駆動力に変換することができる。循環風量が増加するため、回転電機１００の更なる温度低減を実現させることができる。また、ファン１９に要求される昇圧量を低減することもできる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１０ 回転子、１１ シャフト、１２ 回転子鉄心、１４ ホイール部材、１５ 通風穴、１６ 突起、１７ 回転子通風路、２０ 固定子、２４ 案内羽根、２５ 誘導板、１００ 回転電機

Claims (8)

1. 回転軸心を取り囲む円環状の固定子と、前記固定子と同軸に設けられた回転子とを備え、前記回転子は、シャフトと、前記シャフトを取り囲む筒状の回転子鉄心と、前記回転子鉄心と前記シャフトとを接続し、前記シャフトの軸方向に貫通する複数の通風穴を設けたホイール部材とを備えており、前記通風穴の軸方向断面は、前記シャフトと前記回転子鉄心によって形成された回転子通風路の軸方向断面よりも狭小である回転電機であって、前記回転子鉄心の内周部に接して配置され、前記シャフトの軸方向から見て前記通風穴に一部が重なって前記回転子通風路に突出して設けられた突起を備えたことを特徴とする回転電機。
2. 前記突起は、前記シャフトの軸方向において前記ホイール部材よりも内側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 少なくとも一つ以上の前記突起は、前記通風穴と同一の周方向位置に配置されてい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. 少なくとも一つ以上の前記突起は、前記通風穴の外径位置よりも内径側に延在してい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。
5. 少なくとも一つ以上の前記突起は、前記通風穴の内径位置よりも内径側に延在してい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。
6. 前記回転子の内側から外側にわたって前記シャフト、前記ホイール部材、前記通風穴、前記突起が順に配置されてい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。
7. 前記通風穴には、前記通風穴を通過した冷却ガスが外径側へと流れるように誘導する誘導板を備えた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。
8. 前記突起は、前記シャフトに対して斜めに配置した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。

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