JP7365960B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転電機に関する。

回転電機としての電動機は、例えば、当該電動機に駆動され、又は他の小型の電動機に駆動されたファンから送られた空気により冷却される。他の例では、電動機は、当該電動機のフレームの外部に設けられたウォータージャケットを流れる水により冷却される。

特開２００９－２６８１９７号公報

水冷方式は、空冷式よりも電動機を冷却することができる。しかし、電動機の出力によっては、回転するロータに対する冷却が不十分となり、電動機において局所的な温度上昇が発生してしまう虞がある。

本発明が解決する課題の一例は、局所的な温度上昇を抑制可能な回転電機を提供することである。

本発明の一つの実施形態に係る回転電機は、ステータと、ロータと、シャフトと、筐体と、第１の冷却装置と、第２の冷却装置とを備える。前記ロータは、前記ステータの内側に配置され、回転軸まわりに回転可能である。前記シャフトは、前記ロータに固定され、前記回転軸の軸方向に延びる。前記筐体は、前記ステータ及び前記ロータが収容される収容室と、前記収容室に連通する給気口と、前記軸方向において前記給気口から離間して前記収容室に連通する排気口と、前記収容室の外の流路と、前記流路に連通する入口と、前記入口から前記軸方向において離間して前記流路に連通する出口と、が設けられ、前記シャフトを支持する。前記第１の冷却装置は、前記筐体の外部に位置し、前記給気口に気体を供給する。前記第２の冷却装置は、前記流路に液体を流し、前記出口から排出された前記液体を冷却し、前記入口に前記液体を供給する。前記筐体は、前記収容室を囲む周壁と、前記収容室を塞ぐように前記周壁の前記軸方向における一方の端部に取り付けられた第１のブラケットと、前記収容室を塞ぐように前記周壁の前記軸方向における他方の端部に取り付けられた第２のブラケットと、を有する。前記第１のブラケット及び前記第２のブラケットは、前記シャフトを支持する。前記第１のブラケットに、前記給気口と、当該給気口と前記回転軸まわりに隣接する導出孔と、が設けられる。前記第２のブラケットに、前記排気口が設けられる。前記ステータは、巻線と、当該巻線に接続されるとともに前記導出孔を通って前記筐体の外部へ延びるとともに前記導出孔の縁との間の隙間を封止材で塞がれたリード線と、を有する。前記収容室は、前記軸方向において前記ステータ及び前記ロータと前記給気口との間に位置するとともに、前記筐体の外部から気密に隔てられた、上流空間を有する。

図１は、一つの実施形態に係る電動機を模式的に示す断面図である。

以下に、一つの実施形態について、図１を参照して説明する。なお、本明細書において、実施形態に係る構成要素及び当該要素の説明が、複数の表現で記載されることがある。構成要素及びその説明は、一例であり、本明細書の表現によって限定されない。構成要素は、本明細書におけるものとは異なる名称でも特定され得る。また、構成要素は、本明細書の表現とは異なる表現によっても説明され得る。

図１は、本実施形態に係る電動機１０を模式的に示す断面図である。電動機１０は、回転電機の一例である。回転電機は、発電機のような他の回転電機であっても良い。図１に示すように、電動機１０は、ステータ１１と、ロータ１２と、シャフト１３と、筐体１４と、複数の軸受１５と、空冷装置１６と、水冷装置１７とを有する。空冷装置１６は、第１の冷却装置の一例である。水冷装置は、第２の冷却装置の一例である。

ステータ１１と、ロータ１２と、シャフト１３の一部とは、筐体１４の内部に収容される。ロータ１２及びシャフト１３は、ステータ１１の巻線に流れる電流により駆動され、回転軸Ａｘまわりに一体的に回転する。回転軸Ａｘは、例えば、シャフト１３の中心線である。図１は、シャフト１３の回転軸Ａｘを含むように、回転軸Ａｘと平行な電動機１０の断面を示している。

以下の説明において、便宜上、回転軸Ａｘに沿う方向が回転軸Ａｘの軸方向、回転軸Ａｘと直交する方向が回転軸Ａｘの径方向、回転軸Ａｘまわりに回転する方向が回転軸Ａｘの周方向と定義される。さらに、軸方向のうち一方向が第１の方向Ｄ１、軸方向のうち他方向が第２の方向Ｄ２と定義される。第２の方向Ｄ２は、第１の方向Ｄ１の反対方向である。

ステータ１１は、軸方向に延びる略円筒状に形成される。ステータ１１は、筐体１４に固定されている。ステータ１１は、例えば、磁性体で作られた固定子鉄心と、当該固定子鉄心に取り付けられた巻線とを有する。

ロータ１２は、軸方向に延びる略円筒状に形成され、ステータ１１と略同軸に配置される。ロータ１２は、隙間Ｇを介してステータ１１の内側に配置される。ロータ１２は、例えば、複数の永久磁石を有する。

ステータ１１及びロータ１２は、電磁力により回転力を生み出せれば、上述の構成に限られない。例えば、ロータ１２は、磁性体で作られた回転子鉄心と、当該回転子鉄心に取り付けられた導体と、を有しても良い。

シャフト１３は、軸方向に延びる略円柱状に形成される。シャフト１３は、内在部１３ａと、外在部１３ｂとを有する。内在部１３ａは、シャフト１３のうち、筐体１４の内部に位置する略円柱状の部分である。内在部１３ａの例えば外周面にロータ１２が固定される。外在部１３ｂは、シャフト１３のうち、内在部１３ａから軸方向に延び、筐体１４の外部に位置する略円柱状の部分である。外在部１３ｂは、例えば、内在部１３ａから連続するが、内在部１３ａと直径が異なって良い。外在部１３ｂに、例えば外部装置が連結される。シャフト１３が回転することで、当該外部装置が駆動される。

筐体１４は、例えば、アルミニウムのような金属で作られ、箱状に形成される。なお、筐体１４は、他の材料で作られても良い。筐体１４は、フレーム２０と、第１のブラケット２１と、第２のブラケット２２とを有する。フレーム２０は、周壁の一例である。さらに、筐体１４に、カバー２３が取り付けられる。

フレーム２０の内部に、収容室２５が設けられる。収容室２５は、軸方向に延びる略円柱形の空間である。詳細には、収容室２５は、フレーム２０と、第１のブラケット２１と、第２のブラケット２２とで囲まれる空間である。収容室２５は、他の形状であっても良い。収容室２５に、ステータ１１と、ロータ１２と、シャフト１３の内在部１３ａとが収容される。

フレーム２０は、軸方向に延びる略円筒状に形成され、ステータ１１及びロータ１２と略同軸に配置される。なお、フレーム２０は、他の形状であっても良い。収容室２５は、フレーム２０の内側に設けられ、フレーム２０に囲まれる。フレーム２０は、ステータ１１を囲むとともに、ステータ１１に固定されている。

フレーム２０は、インナーフレーム３１と、アウターフレーム３２とを有する。インナーフレーム３１は、内壁の一例である。アウターフレーム３２は、外壁の一例である。なお、フレーム２０は、他の部材をさらに有しても良いし、単一の部材であっても良い。

インナーフレーム３１及びアウターフレーム３２は、軸方向に延びる略円筒状に形成され、ステータ１１及びロータ１２と略同軸に配置される。インナーフレーム３１は、ステータ１１を囲む。アウターフレーム３２は、インナーフレーム３１を囲む。例えば、インナーフレーム３１は、アウターフレーム３２の内部に圧入され、溶接によりアウターフレーム３２に固定される。なお、インナーフレーム３１及びアウターフレーム３２は、この例に限られない。

インナーフレーム３１は、第１の接触面３１ａと、凹面３１ｂとを有する。第１の接触面３１ａは、インナーフレーム３１の外面であって、径方向外側に向く。凹面３１ｂは、第１の接触面３１ａから窪んでいる。凹面３１ｂは、第１の接触面３１ａに開く溝３１ｃを形成する。溝３１ｃは、回転軸Ａｘまわりに螺旋状に延びている。

アウターフレーム３２は、第２の接触面３２ａと、外面３２ｂとを有する。第２の接触面３２ａは、アウターフレーム３２の内面であって、径方向内側に向く。第２の接触面３２ａは、インナーフレーム３１の第１の接触面３１ａに接触する。外面３２ｂは、第２の接触面３２ａの反対側に位置し、径方向外側に向く。

アウターフレーム３２は、インナーフレーム３１の溝３１ｃを覆う。これにより、インナーフレーム３１とアウターフレーム３２との間に、流路３５が設けられる。言い換えると、フレーム２０の内部に流路３５が設けられる。別の表現によれば、流路３５は、フレーム２０の内面２０ａとフレーム２０の外面２０ｂとの間に設けられる。流路３５は、収容室２５の外に位置し、インナーフレーム３１によって収容室２５から隔てられている。

流路３５は、インナーフレーム３１の凹面３１ｂと、アウターフレーム３２の第２の接触面３２ａとにより形成される。流路３５は、溝３１ｃと同じく、回転軸Ａｘまわりに螺旋状に延びている。

アウターフレーム３２に、入口３６と、出口３７とが設けられる。入口３６及び出口３７はそれぞれ、アウターフレーム３２を略径方向に貫通し、第２の接触面３２ａと外面３２ｂとに開く。入口３６及び出口３７は、例えば、電動機１０が水平面に載置された場合、鉛直上方に向くように外面３２ｂに開く。

入口３６は、流路３５の一方の端部に連通する。出口３７は、流路３５の他方の端部に連通する。なお、入口３６及び出口３７は、流路３５の両端の間で当該流路３５に連通しても良い。

入口３６は、軸方向において、第２の方向Ｄ２に出口３７から離間している。ステータ１１の少なくとも一部と、ロータ１２の少なくとも一部とは、軸方向において、入口３６と出口３７との間に位置する。

第１のブラケット２１及び第２のブラケット２２は、軸方向におけるフレーム２０の両端部に取り付けられ、収容室２５を塞ぐ。第１のブラケット２１は、第１の方向Ｄ１におけるフレーム２０の端部に、例えば複数のボルトにより固定される。第２のブラケット２２は、第２の方向Ｄ２におけるフレーム２０の端部に、例えば複数のボルトにより固定される。ステータ１１及びロータ１２は、軸方向において、第１のブラケット２１と第２のブラケット２２との間に位置する。

第１のブラケット２１に、第１の挿通孔４１が設けられる。第１の挿通孔４１は、第１のブラケット２１を軸方向に貫通する。第２のブラケット２２に、第２の挿通孔４２が設けられる。第２の挿通孔４２は、第２のブラケット２２を軸方向に貫通する。

シャフト１３は、第１の挿通孔４１及び第２の挿通孔４２を通るように配置される。第１のブラケット２１及び第２のブラケット２２は、軸受１５を介して、シャフト１３を支持する。このような構造により、シャフト１３は、回転軸Ａｘまわりに回転可能となる。

第１のブラケット２１及び第２のブラケット２２に、通気口４５が設けられる。なお、通気口４５は、筐体１４の他の部分に設けられても良い。通気口４５は、収容室２５に連通する。通気口４５は、給気口４６と、排気口４７とを有する。本実施形態では、第１のブラケット２１及び第２のブラケット２２のうち一方に設けられた通気口４５が給気口４６となり、第１のブラケット２１及び第２のブラケット２２のうち他方に設けられた通気口４５が排気口４７となる。

給気口４６は、第１のブラケット２１に設けられる。給気口４６は、第１のブラケット２１を略軸方向に貫通する。排気口４７は、第２のブラケット２２に設けられる。このため、給気口４６は、軸方向において、第１の方向Ｄ１に排気口４７から離間している。排気口４７は、第２のブラケット２２を軸方向に貫通する。ステータ１１の少なくとも一部と、ロータ１２の少なくとも一部とは、軸方向において、給気口４６と排気口４７との間に位置する。なお、例えば、給気口４６と排気口４７がフレーム２０に設けられる場合、給気口４６と排気口４７とは、軸方向におけるステータ１１及びロータ１２の両端部の間に位置しても良い。

軸方向から見た場合、給気口４６の大きさ（開口面積）は、排気口４７の大きさよりも小さい。例えば、複数の給気口４６が第１のブラケット２１に設けられ、複数の排気口４７が第２のブラケット２２に設けられた場合、複数の給気口４６の大きさの合計は、複数の排気口４７の大きさの合計よりも小さい。また、一つの給気口４６が第１のブラケット２１に設けられ、一つの排気口４７が第２のブラケット２２に設けられた場合、給気口４６の大きさは、排気口４７の大きさよりも小さい。

第１のブラケット２１に、導出孔４８がさらに設けられる。導出孔４８は、例えば、給気口４６と周方向に隣接する。ステータ１１の巻線に接続されたリード線１１ａが、導出孔４８を通って筐体１４の外部へ延びている。封止材４９が、リード線１１ａと導出孔４８の縁との間を塞いでいる。封止材４９は、例えば、合成樹脂である。

カバー２３は、収容室２５の外部に位置し、第２のブラケット２２の排気口４７を覆う。カバー２３は、第２のブラケット２２から離間している。なお、筐体１４は、カバー２３を省略しても良い。

空冷装置１６は、筐体１４の外部に位置し、圧縮機５１と、ダクト５２とを有する。圧縮機５１は、ダクト５２を通じて、給気口４６に接続される。圧縮機５１は、給気口４６に高圧の空気ＣＡを供給する。空気ＣＡは、気体の一例である。圧縮機５１は、フィルタにより空気ＣＡを濾過している。なお、圧縮機５１は、他の気体を給気口４６に供給しても良い。

空冷装置１６は、上記の例に限られない。例えば、空冷装置１６は、圧縮機５１及びダクト５２の代わりに、ファンを有しても良い。当該ファンは、例えば、シャフト１３の外在部１３ｂにより、又は他の小型の電動機により駆動され、給気口４６に空気ＣＡを供給する。また、空冷装置１６は、圧縮機５１の代わりに、ブロワを有しても良い。

収容室２５は、上流空間２５ａと、下流空間２５ｂとを有する。上流空間２５ａは、収容室２５の一部であって、ステータ１１及びロータ１２と、第１のブラケット２１との間に位置する。下流空間２５ｂは、収容室２５の一部であって、ステータ１１及びロータ１２と、第２のブラケット２２との間に位置する。上流空間２５ａと下流空間２５ｂとは、ステータ１１とロータ１２との間の隙間Ｇを通じて互いに連通している。

ダクト５２は、気密に給気口４６に接続される。さらに、導出孔４８は、封止材４９によって気密に塞がれる。これにより、上流空間２５ａは、筐体１４の外部から気密に隔てられている。一方、下流空間２５ｂは、第２のブラケット２２の排気口４７を通じて、筐体１４の外部に開放されている。

水冷装置１７は、ポンプ６１と、配管６２と、熱交換器６３とを有する。ポンプ６１は、配管６２を通じて、入口３６及び出口３７に接続される。ポンプ６１は、入口３６に冷却水ＣＷを供給し、出口３７から冷却水ＣＷを吸引する。これにより、ポンプ６１は、流路３５に冷却水ＣＷを流す。冷却水ＣＷは、液体の一例である。なお、液体は、他の液体であっても良い。熱交換器６３は、出口３７から排出された冷却水ＣＷを冷却する。

インナーフレーム３１がアウターフレーム３２に圧入されることで、流路３５を流れる冷却水ＣＷがインナーフレーム３１とアウターフレーム３２との間の隙間に漏出することが抑制される。アウターフレーム３２に、漏出した冷却水ＣＷを排出するドレンが設けられても良い。

本実施形態の電動機１０は、ロータ１２及びシャフト１３を高速で回転させる。例えば、ロータ１２及びシャフト１３は、３０００ｒｐｍ以上の単位時間当たり回転数で回転する。なお、ロータ１２及びシャフト１３の回転数は、この例に限られない。

電動機１０が駆動されると、電動機１０において熱が生じる。さらに、ロータ１２が高速で回転すると、例えば、ロータ１２の空気抵抗により生じる風損及び機械損により、ロータ１２の熱密度が高くなる。

電動機１０が駆動される間、水冷装置１７が冷却水ＣＷを流路３５で流す。冷却水ＣＷは、筐体１４を冷却しながら、入口３６から出口３７へ流れる。このため、冷却水ＣＷは、筐体１４のうち、第１のブラケット２１よりも第２のブラケット２２により近い部分を、より多く冷却する。

出口３７から排出された冷却水ＣＷは、熱交換器６３により冷却された後、ポンプ６１により再び入口３６に供給される。これにより、冷却水ＣＷは、筐体１４の外部で冷却されながら、ポンプ６１と流路３５とを循環する。

電動機１０が駆動される間、空冷装置１６が空気ＣＡを給気口４６に供給する。このため、上流空間２５ａの圧力が上昇する。一方、下流空間２５ｂは、排気口４７を通じて筐体１４の外部に開放されている。このため、下流空間２５ｂの圧力は、上流空間２５ａの圧力よりも低くなる。

上流空間２５ａに供給された空気ＣＡは、回転するロータ１２によって撹拌される。これにより、上流空間２５ａにおいて、周方向の圧力の分布は、略均一になる。なお、上流空間２５ａに、給気口４６に供給された空気ＣＡを拡散させる部材が設けられても良い。

空気ＣＡは、圧力差により、高圧の上流空間２５ａから、隙間Ｇを通り、下流空間２５ｂへ流れる。空気ＣＡは、ステータ１１及びロータ１２を冷却しながら、隙間Ｇを流れる。このため、空気ＣＡは、ステータ１１及びロータ１２のうち、第２のブラケット２２よりも第１のブラケット２１により近い部分を、より多く冷却する。下流空間２５ｂの空気ＣＡは、排気口４７から筐体１４の外部に排出される。

空気ＣＡは、第２のブラケット２２とカバー２３との間の空間を通って、筐体１４の外部に放出される。第２のブラケット２２とカバー２３との間の空間の大きさは、例えば、通風抵抗が十分に小さくなるように設定される。カバー２３は、例えば、排気口４７に水及び塵埃が侵入することを抑制する。

以上説明された実施形態に係る電動機１０において、ステータ１１及びロータ１２が収容される収容室２５と、収容室２５に連通する通気口４５と、収容室２５の外の流路３５と、が筐体１４に設けられる。電動機１０は、流路３５を流れる冷却水ＣＷにより水冷方式で冷却されることができる。さらに、通気口４５から供給された空気ＣＡが収容室２５を流れることで、ロータ１２における局所的な温度上昇が抑制され、電動機１０の冷却能力が向上する。これにより、所定の大きさの電動機１０における出力を向上させたり、所定の出力の電動機１０を小型化させたりすることが可能となる。

ステータ１１の少なくとも一部と、ロータ１２の少なくとも一部とは、軸方向において、給気口４６と排気口４７との間に位置する。これにより、収容室２５において給気口４６から排気口４７へ流れる空気ＣＡが、ステータ１１及びロータ１２をより多く冷却することができる。

ステータ１１の少なくとも一部と、ロータ１２の少なくとも一部とは、軸方向において、入口３６と出口３７との間に位置する。これにより、流路３５において入口３６から出口３７へ流れる冷却水ＣＷが、ステータ１１及びロータ１２をより多く冷却することができる。

給気口４６は、軸方向において、軸方向のうち一方向である第１の方向Ｄ１に排気口４７から離間する。入口３６は、軸方向において、第１の方向Ｄ１の反対の第２の方向Ｄ２に出口３７から離間する。これにより、空気ＣＡによって冷却される部分の軸方向における分布と、冷却水ＣＷによって冷却される部分の軸方向における分布と、がおおよそ逆になる。従って、電動機１０における局所的な温度上昇が抑制され、電動機１０の冷却能力が向上する。

流路３５は、フレーム２０の内部に設けられる。これにより、流路３５を流れる冷却水ＣＷがフレーム２０を直接冷却することができ、電動機１０の冷却能力が向上する。さらに、筐体１４の外部に例えばパイプによって流路３５を設ける必要が無く、電動機１０の小型化が可能となる。

流路３５は、回転軸Ａｘまわりに螺旋状に延びる。これにより、流路３５を流れる冷却水ＣＷが電動機１０を軸方向においてより均一に冷却することができ、電動機１０の冷却能力が向上する。

流路３５は、インナーフレーム３１とアウターフレーム３２との間に設けられる。これにより、インナーフレーム３１とアウターフレーム３２との嵌め合いにより、フレーム２０の内部に流路３５を容易に設けることが可能となる。

上述の本発明の実施形態は、発明の範囲を限定するものではなく、発明の範囲に含まれる一例に過ぎない。本発明のある実施形態は、上述の実施形態に対して、例えば、具体的な用途、構造、形状、作用、及び効果の少なくとも一部について、発明の要旨を逸脱しない範囲において変更、省略、及び追加がされたものであっても良い。

１０…電動機、１１…ステータ、１２…ロータ、１３…シャフト、１４…筐体、１６…空冷装置、１７…水冷装置、２０…フレーム、２５…収容室、３１…インナーフレーム、３２…アウターフレーム、３５…流路、３６…入口、３７…出口、４５…通気口、４６…給気口、４７…排気口、Ａｘ…回転軸、Ｄ１…第１の方向、Ｄ２…第２の方向、ＣＡ…空気、ＣＷ…冷却水。

Claims (6)

1. ステータと、
   前記ステータの内側に配置され、回転軸まわりに回転可能なロータと、
   前記ロータに固定され、前記回転軸の軸方向に延びるシャフトと、
   前記ステータ及び前記ロータが収容される収容室と、前記収容室に連通する給気口と、前記軸方向において前記給気口から離間して前記収容室に連通する排気口と、前記収容室の外の流路と、前記流路に連通する入口と、前記入口から前記軸方向において離間して前記流路に連通する出口と、が設けられ、前記シャフトを支持する筐体と、
   前記筐体の外部に位置し、前記給気口に気体を供給する第１の冷却装置と、
   前記流路に液体を流し、前記出口から排出された前記液体を冷却し、前記入口に前記液体を供給する、第２の冷却装置と、
   を具備し、
   前記筐体は、前記収容室を囲む周壁と、前記収容室を塞ぐように前記周壁の前記軸方向における一方の端部に取り付けられた第１のブラケットと、前記収容室を塞ぐように前記周壁の前記軸方向における他方の端部に取り付けられた第２のブラケットと、を有し、
   前記第１のブラケット及び前記第２のブラケットは、前記シャフトを支持し、
   前記第１のブラケットに、前記給気口と、当該給気口と前記回転軸まわりに隣接する導出孔と、が設けられ、
   前記第２のブラケットに、前記排気口が設けられ、
   前記ステータは、巻線と、当該巻線に接続されるとともに前記導出孔を通って前記筐体の外部へ延びるとともに前記導出孔の縁との間の隙間を封止材で塞がれたリード線と、を有し、
   前記収容室は、前記軸方向において前記ステータ及び前記ロータと前記給気口との間に位置するとともに、前記筐体の外部から気密に隔てられた、上流空間を有する、
   回転電機。
2. 前記ステータの少なくとも一部と、前記ロータの少なくとも一部とは、前記軸方向において、前記入口と前記出口との間に位置する、
   請求項１の回転電機。
3. 前記給気口は、前記軸方向において、前記軸方向のうち一方向である第１の方向に前記排気口から離間し、
   前記入口は、前記軸方向において、前記第１の方向の反対の第２の方向に前記出口から離間する、
   請求項２の回転電機。
4. 前記流路は前記周壁の内部に設けられる、
   請求項１乃至請求項３のいずれか一つの回転電機。
5. 前記流路は、前記回転軸まわりに螺旋状に延びる、請求項４の回転電機。
6. 前記周壁は、前記ステータを囲む内壁と、前記内壁を囲む外壁と、を有し、
   前記流路は、前記内壁と前記外壁との間に設けられる、
   請求項４又は請求項５の回転電機。

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