JP7432481B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、シャフトの外周面に複数のリブを介して回転子鉄心が固定された回転子と、固定子と、シャフトと一体に回転するファンと、を備え、複数のリブ間と回転子鉄心と固定とのそれぞれに流路が設けられた回転電機が知られている。

このような構成では、ファンによって複数のリブ間の流路に気体が送られると、当該気体がリブ間の流路から回転子鉄心の流路を経て固定子の流路を通過する。これにより、回転子および固定子が冷却される。

特開２０１６－２２０３９５号公報

この種の回転電機では、隣り合う二つのリブ間の流路にファンによって送られる気体が、シャフトと一体に回転するリブと当たるため、当該流路での気体の圧力損失が大きくなりやすい。このため、二つのリブ間の流路に流入する気体の流量が少なく、回転子および固定子の冷却効率が低いという問題がある。

そこで、本発明の課題の一つは、回転子および固定子の冷却効率を向上させることができる新規な構成の回転電機を得ることである。

本発明の実施形態の回転電機は、回転中心軸回りの第１回転方向に回転するシャフトと、前記シャフトの外周面から前記シャフトの径方向に延びるともに互いに前記回転中心軸の周方向に間隔を空けて設けられ、互いにの間に前記回転中心軸の軸方向に延びる第１流路が設けられた複数のリブと、前記径方向で前記複数のリブの外側に位置し前記複数のリブを介して前記シャフトに固定され、前記径方向に延び前記第１流路と通じた第２流路が設けられた回転子鉄心と、を有した回転子と、前記回転子と一体に回転し、前記第１流路の前記軸方向の外側から前記第１流路に気体を送るファンと、前記径方向で前記回転子鉄心の外側に位置し、前記軸方向に延び前記第２流路と通じた第３流路が設けられた固定子と、を備え、前記回転子は、前記第１流路に設けられ前記外周面から前記径方向に延びた羽根を有し、前記羽根は、前記ファン側の一端部と前記一端部の反対側の他端部と、前記一端部から前記他端部に向かうにつれて前記第１回転方向の反対方向に向かう第１領域を含む前記第１回転方向側の第１面を有し、前記第１領域は、前記一端部から前記他端部に向かう方向に延び前記第１回転方向の反対方向に凹状の凹面を含む。

本発明の実施形態の回転電機によれば、回転子および固定子の冷却効率を向上させることができる新規な構成の回転電機を得ることができる。

図１は、実施形態の全閉外扇形回転電機の構成の例示的な断面図である。 図２は、図１のII部の拡大図である。 図３は、実施形態の全閉外扇形回転電機における回転子の一部の例示的な断面図である。 図４は、図２のIII部の拡大図である。 図５は、図４の回転子におけるV-V線に沿った断面の一部を示す断面図である。 図６は、図４の回転子におけるVI-VI線に沿った断面の一部を示す断面図である。 図７は、図４の回転子におけるVII-VII線に沿った断面の一部を示す断面図である。 図８は、図４の回転子におけるVIII-VIII線に沿った断面の一部を示す断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成（技術的特徴）、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。

＜全閉外扇形回転電機１の構成＞
図１は、実施形態の全閉外扇形回転電機１の構成の例示的な断面図である。

図１に示されるように、全閉外扇形回転電機１は、回転動作を行う回転電機本体２と、冷却器３と、を備える。また、全閉外扇形回転電機１の内部には、回転電機本体２と冷却器３とに亘って、空気などの冷却用気体で満たされた閉空間４が設けられている。回転電機本体２の発熱によって加熱された閉空間４の冷却用気体が冷却器３にて外気と熱交換されることにより、回転電機本体２が冷却される。全閉外扇形回転電機１は、回転電機の一例である。冷却用気体は、気体の一例である

回転電機本体２は、筐体１１と、回転子１２と、固定子１３と、を有する。

筐体１１は、箱型に形成されている。筐体１１は、回転子１２の一部と固定子１３と、を収容している。

図２は、図１のII部の拡大図である。図３は、実施形態の全閉外扇形回転電機１における回転子１２の一部の例示的な断面図である。図３の断面は、回転中心軸Ａｘ１と直交する断面である。

図１～図３に示されるように、回転子１２は、シャフト１４と、回転子鉄心１５と、複数のリブ５１と、複数の羽根５２と、複数の仕切部５３と、を有する。

シャフト１４は、回転中心軸Ａｘ１回りの第１回転方向Ｒ１に回転可能である。なお、以下の説明では、特に言及しない限り、軸方向、径方向、および周方向は、回転中心軸Ａｘ１の軸方向、径方向、および周方向である。ここで、本実施形態では、軸方向は、筐体１１の長手方向Ｄ１に沿うが、これに限定されない。シャフト１４は、詳細には、二つの軸受１６を介して筐体１１に回転可能に支持されている。シャフト１４は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。軸受１６は、例えば、すべり軸受やころがり軸受等である。

図１に示されるように、シャフト１４の軸方向の両端部は、筐体１１から筐体１１の外部に突出している。シャフト１４の軸方向の一方の端部には、結合部１４ｂが設けられている。結合部１４ｂは、結合対象（不図示）と結合される。また、シャフト１４の軸方向の他方の端部には、外扇１７が固定されている。外扇１７は、シャフト１４と一体に回転する。また、また、シャフト１４における二つの軸受１６と回転子鉄心１５とのそれぞれの間には、内扇１８が固定されている。内扇１８は、シャフト１４と一体に回転する。

図２および図３に示されるように、複数のリブ５１は、シャフト１４の外周面１４ａから径方向に延びるともに互いに周方向に間隔を空けて設けられている。詳細には、複数のリブ５１は、外周面１４ａから径方向外側に放射状に延びている。リブ５１は、外周面１４ａに溶接等によって固定されている。リブ５１は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。

周方向で隣り合う二つのリブ５１の間の空間は、板状の仕切部５３によって軸方向に並ぶ二つの第１流路６１に仕切られている。仕切部５３は、溶接等によってシャフト１４の外周面１４ａに固定されている。仕切部５３は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。第１流路６１の開口端部６１ａには、回転子１２と一体に回転する内扇１８によって軸方向の外側から気体が送られる。開口端部６１ａは、第１流路６１における仕切部５３とは反対側の端部である。

図１に示されるように、回転子鉄心１５は、二つの軸受１６の間に位置している。換言すると、二つの軸受１６が、軸方向において回転子鉄心１５の両側に位置している。回転子鉄心１５は、回転中心軸Ａｘ１を中心とした円筒状に形成されている。図２に示されるように、回転子鉄心１５の内周面は、複数のリブ５１に溶接等によって固定されている。すなわち、回転子鉄心１５は、径方向で複数のリブ５１の外側に位置し複数のリブ５１を介してシャフト１４に固定されている。回転子鉄心１５には、複数の第２流路６２が設けられている。第２流路６２は、径方向に回転子鉄心１５を貫通しており、第１流路６１と通じている。

図１に示されるように、固定子１３は、固定子鉄心１９と、固定子巻線２０と、を有する。固定子鉄心１９は、シャフト１４の径方向における回転子鉄心１５の外側に位置し、回転子鉄心１５を囲む円筒状に形成されている。固定子鉄心１９には第３流路６３が設けられている。第３流路６３は、固定子鉄心１９を径方向に貫通しており、第２流路６２と通じている。

固定子巻線２０は、シャフト１４の軸方向に延びるように固定子鉄心１９の内周部１９ａに形成された複数のスロット（不図示）内を貫通して、固定子鉄心１９に固定されている。

図２および図３に示されるように、羽根５２は、各第１流路６１に設けられ、第１流路６１に位置している。すなわち、一つの第１流路６１に位置する羽根５２の数は、一つである。羽根５２は、シャフト１４の外周面１４ａから径方向に延びている。羽根５２は、板状に形成されるとともに、少なくとも一部が湾曲状（曲線形状）に形成されている。羽根５２は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。羽根５２は、案内部材とも称される。

図４は、図２のIII部の拡大図である。図５は、図４の回転子１２におけるV-V線に沿った断面の一部を示す断面図である。図６は、図４の回転子１２におけるVI-VI線に沿った断面の一部を示す断面図である。図７は、図４の回転子１２におけるVII-VII線に沿った断面の一部を示す断面図である。図８は、図４の回転子１２におけるVIII-VIII線に沿った断面の一部を示す断面図である。

図２～図８に示されるように、羽根５２は、第１径方向端部５２ａと、第２径方向端部５２ｂと、第１軸方向端部５２ｃと、第２軸方向端部５２ｄと、第１面５２ｅと、第２面５２ｆと、第１面５２ｅと、第２面５２ｆと、を有する。

第１径方向端部５２ａは、径方向内側の端部であり、シャフト１４の外周面１４ａに溶接等によって固定されている。第２径方向端部５２ｂは、径方向外側の端部である。すなわち、第２径方向端部５２ｂは、第１径方向端部５２ａの反対側の端部である。第１軸方向端部５２ｃは、軸方向の一端部である。詳細には、第１軸方向端部５２ｃは、当該羽根５２が位置する第１流路６１に向けて冷却用気体を送る内扇１８側の一端部であり、第１流路６１の開口端部６１ａに位置する。なお、第１軸方向端部５２ｃは、第１流路６１の開口端部６１ａから第１流路６１の外側に突出していてもよい。第２軸方向端部５２ｄ（図２）は、軸方向の他端部である。すなわち、第２軸方向端部５２ｄは、第１軸方向端部５２ｃの反対側の端部である。第２軸方向端部５２ｄは、仕切部５３に支持されている。詳細には、第２軸方向端部５２ｄは、仕切部５３に溶接等によって固定されている。なお、第２軸方向端部５２ｄは、仕切部５３に支持（固定）されていなくてもよい。第１軸方向端部５２ｃは、一端部の一例であり、第２軸方向端部５２ｄは、他端部の一例である。

図５～図８に示されるように、第１面５２ｅは、第１回転方向Ｒ１側の面であり、第２面５２ｆは、第１回転方向Ｒ１の反対方向側の面である。すなわち、第２面５２ｆは、第１面５２ｅの反対側の面である。第２面５２ｆは、第１面５２ｅに沿う。

図５～図７に示されるように、第１面５２ｅは、第１軸方向端部５２ｃから第２軸方向端部５２ｄに向かうにつれて第１回転方向Ｒ１の反対方向に向かう第１領域５２ｇを含む。ここで、図４では、第１領域５２ｇの軸方向の範囲が示されている。第１面５２ｅは、湾曲状である。すなわち、第１面５２ｅは、滑らかな面である。また、図６および図７に示されるように、第１領域５２ｇの少なくとも一部は、第１回転方向Ｒ１の反対方向に凹状である。図４～図８では、第１面５２ｅの一部が第１領域５２ｇである例が示されているが、これに限定されない。例えば、第１面５２ｅの全領域が第１領域５２ｇであってもよい。また、図４において、羽根５２におけるVIII-VIII線を含む軸方向の規定の範囲の部分は、軸方向と直交する断面が一定または略一定である。

図１に示されるように、冷却器３は、熱交換器３１と、外扇カバー３２と、出口ガイド３３と、を有する。

熱交換器３１は、筐体１１の上側に配置され、筐体１１に搭載されている。冷却器３は、複数の冷却管４１と、入口端板４２と、出口端板４３と、冷却器カバー４５と、を有する。複数の冷却管４１は、互いに並列に配置されている。入口端板４２と出口端板４３とは、冷却管４１の軸方向に間隔を空けて並べられて互いに対向している。入口端板４２と出口端板４３とは、冷却管４１の軸方向における冷却管４１の両端部を支持している。冷却器カバー４５は、入口端板４２と出口端板４３とに亘って設けられ、冷却管４１を収納している。入口端板４２および出口端板４３は、支持部材の一例である。

冷却管４１、入口端板４２、出口端板４３、冷却器カバー４５、および筐体１１は、互いに接続され、閉空間４を形成している。閉空間４における筐体１１内の空間４ａと冷却器カバー４５内の空間４ｂとは、入口１１ａおよび二つの出口１１ｂで互いに連通している。入口１１ａは、筐体１１における、固定子１３の上方の部分に形成されている。二つの出口１１ｂは、筐体１１における内扇１８の斜め上方の部分に形成されている。二つの出口１１ｂの間に、入口１１ａが位置している。

また、冷却器カバー４５内には、二つのガイド板４４が設けられている。二つのガイド板４４は、入口端板４２と出口端板４３との間で、冷却管４１の軸方向に互いに間隔を空けて並べられている。二つのガイド板４４は、冷却器カバー４５内の空間４ｂにおける上部連通空間４ｃを除くように空間４ｂの底部から上方に延びて、冷却器カバー４５内の空間４ｂのうち上部連通空間４ｃを除く空間を冷却管４１の軸方向に仕切っている。

外扇カバー３２は、入口端板４２に固定され、外扇１７を収納している。外扇カバー３２には、吸込口３７が設けられており、外扇１７が回転することにより、外気が吸込口３７から外扇カバー３２内に流入する。また、外扇１７により外扇カバー３２内に流入した外気が複数の冷却管４１の内側に流入するように、外扇カバー３２が入口端板４２と接続されている。また、外扇カバー３２内には、吸込口３７から外扇カバー３２内に流入した外気が外扇１７を通過して複数の冷却管４１に流れるように外気をガイドするガイド部材４６が設けられている。

出口ガイド３３は、出口端板４３に固定されている。出口ガイド３３は、複数の冷却管４１から流出する外気が所定の方向に流れるようにガイドする。

＜全閉外扇形回転電機１の気体の流れ＞
次に、上記構成の全閉外扇形回転電機１の気体の流れについて説明する。

まずは、閉空間４内の冷却用気体について説明する。図１に示される閉空間４における筐体１１内の空間４ａの冷却用気体は、シャフト１４と一体に回転する二つの内扇１８により回転子１２の第１流路６１に向けて送られる。冷却用気体は、第１流路６１の開口端部６１ａから第１流路６１内に流入し、羽根５２に案内されて仕切部５３に向かって流れる。このとき、図４に示されるように、回転子１２が第１回転方向Ｒ１に回転し、内扇１８の送風方向Ｄ２が軸方向に沿うので、冷却用気体は、第１流路６１の開口端部６１ａに対して相対的に斜め方向（図４中の矢印Ｅ１の方向）に流れる。そして、冷却用気体の一部は、羽根５２の第１面５２ｅの第１領域５２ｇに案内されて流れる。このときの冷却用気体の流れ方向は、図４中の矢印Ｅ２で概略的に示されている。そして、冷却用気体は、仕切部５３によって径方向外側に案内され、回転子鉄心１５の第２流路６２に流入する。第２流路６２に流入した冷却用気体は、第２流路６２を径方向外側に向けて流れ、固定子鉄心１９の第３流路６３に流入する。固定子１３の第３流路６３に流入した冷却用気体は、固定子１３の第３流路６３を径方向外側に向けて流れ、固定子鉄心１９の径方向外側に流出する。このような冷却用気体の流れによって、回転子１２（回転子鉄心１５）および固定子１３（固定子鉄心１９）が冷却される。

ここで、第１流路６１における圧力損失をＰ［Ｐａ］とし、第１流路６１の流量をＱ［ｍ^３／ｓ］とし、第１流路６１を囲む部分によって構成されるダクトの抵抗係数をλとし、気体密度をγ（ｋｇ／ｍ^３）とし、第１流路６１の断面積をＦ［ｍ^２］とし、第１流路６１の圧力損失をＰ［Ｐａ］とする。このとき、第１流路６１の圧力損失Ｐは、次式（１）で求められる
Ｐ＝γ×λ×（Ｑ^２／（２×Ｆ^２）） （１）

本実施形態では、羽根５２が設けられているので、羽根５２が設けられていない構成に比べてダクトの抵抗係数が小さい。よって、本実施形態は、羽根５２が設けられていない構成に比べて、第１流路６１に流入する冷却用気体が多い。

固定子鉄心１９の径方向外側に流出した冷却用気体は、入口１１ａを経由して冷却器３内の空間４ｂに流入する。冷却器３の空間４ｂに流入した冷却用気体は、冷却管４１の外側を通過する過程で、冷却管４１内を流れる外気と熱交換し冷却されながら、二つのガイド板４４の間を上昇して上部連通空間４ｃに流出する。

上部連通空間４ｃの冷却用気体は、冷却管４１の軸方向に互いに反対方向に分流して、入口端板４２とガイド板４４との間と、出口端板４３とガイド板４４との間とを、それぞれ冷却管４１内の外気と熱交換し冷却されながら下降する。その後、冷却用気体は、出口１１ｂを介して筐体１１内の空間４ａに戻り、再びそれぞれ内扇１８に流入する。

次に、外気について説明する。外気は、シャフト１４と一体に回転する外扇１７により吸込口３７から外扇カバー３２内に流入し、外扇カバー３２内を通過し、入口端板４２に到達する。入口端板４２に到達した外気は、入口端板４２で開口している各冷却管４１内に流入し、冷却管４１内で冷却管４１外側の冷却用気体から熱を受け温度上昇しながら冷却管４１内を通過した後、出口端板４３での開口から冷却器３の外部に流出する。このように、冷却管４１の内側の外気と冷却管４１の外側の冷却用気体との間で熱交換が行われることにより、回転子１２および固定子１３の冷却が行われる。

＜実施形態の効果＞
以上のように、本実施形態の全閉外扇形回転電機１（回転電機）は、回転子１２と、内扇１８（ファン）と、固定子１３と、を備える。回転子１２は、シャフト１４と、複数のリブ５１と、回転子鉄心１５と、を有する。シャフト１４は、回転中心軸Ａｘ１回りの第１回転方向Ｒ１に回転する。複数のリブ５１は、シャフト１４の外周面１４ａからシャフト１４の径方向に延びるともに互いに回転中心軸Ａｘ１の周方向に間隔を空けて設けられている。複数のリブ５１の互いにの間に回転中心軸Ａｘ１の軸方向に延びる第１流路６１が設けられている。内扇１８は、回転子１２と一体に回転し、第１流路６１の軸方向の外側から第１流路６１に冷却用気体（気体）を送る。固定子１３は、径方向で回転子鉄心１５の外側に位置し、固定子１３には、軸方向に延び第２流路６２と通じた第３流路６３が設けられている。回転子１２は、第１流路６１に設けられ外周面１４ａから径方向に延びた羽根５２を有する。羽根５２は、内扇１８側の第１軸方向端部５２ｃ（一端部）と第１軸方向端部５２ｃ（一端部）の反対側の第２軸方向端部５２ｄ（他端部）と、第１回転方向Ｒ１側の第１面５２ｅと、を有する。第１面５２ｅは、第１軸方向端部５２ｃから第２軸方向端部５２ｄに向かうにつれて第１回転方向Ｒ１の反対方向に向かう第１領域５２ｇを含む。

このような構成によれば、隣り合う二つのリブ５１間の第１流路６１に内扇１８によって送られる冷却用気体の一部は、シャフト１４と一体に回転する羽根５２の第１面５２ｅと当たり第１領域５２ｇに沿って流れる。よって、冷却用気体の流れの方向転換が滑らかになりやすい。すなわち、冷却用気体が滑らかに流れやすい。したがって、第１流路６１の冷却用気体の圧力損失が小さくなりやすく、このため、二つのリブ５１間の第１流路６１に入る気体の流量が増大しやすいので、回転子１２および固定子１３の冷却効率を向上させることができる。

また、本実施形態の全閉外扇形回転電機１は、複数のリブ５１の軸方向の両側に位置した二つの内扇１８を備える。回転子１２は、外周面１４ａに固定され、周方向で隣り合う二つのリブ５１の間の空間を軸方向に並ぶ二つの第１流路６１に仕切った仕切部５３と、を有する。第２軸方向端部５２ｄは、仕切部５３に支持されている。このような構成によれば、第２軸方向端部５２ｄが仕切部５３に支持されているので、羽根５２の撓みを抑制することができ、羽根５２の強度を向上させることができる。

また、本実施形態では、一つの第１流路６１に位置する羽根５２の数は、一つである。このような構成によれば、一つの第１流路６１に位置する羽根５２の数が複数の場合に比べて、冷却用気体の圧力損失を低減しやすい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。

１…全閉外扇形回転電機（回転電機）、１２…回転子、１３…固定子、１４…シャフト、１４ａ…外周面、１５…回転子鉄心、１８…内扇（ファン）、５１…リブ、５２…羽根、５２ｃ…第１軸方向端部（一端部）、５２ｄ…第２軸方向端部（他端部）、５２ｅ…第１面、５２ｇ…第１領域、５３…仕切部、６１…第１流路、６２…第２流路、６３…第３流路、Ａｘ１…回転中心軸、Ｒ１…第１回転方向。

Claims (3)

1. 回転中心軸回りの第１回転方向に回転するシャフトと、前記シャフトの外周面から前記シャフトの径方向に延びるともに互いに前記回転中心軸の周方向に間隔を空けて設けられ、互いにの間に前記回転中心軸の軸方向に延びる第１流路が設けられた複数のリブと、前記径方向で前記複数のリブの外側に位置し前記複数のリブを介して前記シャフトに固定され、前記径方向に延び前記第１流路と通じた第２流路が設けられた回転子鉄心と、を有した回転子と、
   前記回転子と一体に回転し、前記第１流路の前記軸方向の外側から前記第１流路に気体を送るファンと、
   前記径方向で前記回転子鉄心の外側に位置し、前記軸方向に延び前記第２流路と通じた第３流路が設けられた固定子と、
   を備え、
   前記回転子は、前記第１流路に設けられ前記外周面から前記径方向に延びた羽根を有し、
   前記羽根は、前記ファン側の一端部と前記一端部の反対側の他端部と、前記一端部から前記他端部に向かうにつれて前記第１回転方向の反対方向に向かう第１領域を含む前記第１回転方向側の第１面を有し、
   前記第１領域は、前記一端部から前記他端部に向かう方向に延び前記第１回転方向の反対方向に凹状の凹面を含む、回転電機。
2. 前記複数のリブの前記軸方向の両側に位置した二つの前記ファンを備え、
   前記回転子は、前記外周面に固定され、前記周方向で隣り合う二つの前記リブの間の空間を前記軸方向に並ぶ二つの前記第１流路に仕切った仕切部を有し、
   前記他端部は、前記仕切部に支持された、請求項１に記載の回転電機。
3. 一つの前記第１流路に位置する前記羽根の数は、一つである、請求項１または２に記載の回転電機。

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