JP7450836B1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

回転電機（１００）は、フレーム（４）と、フレーム（４）の内部に配置されていて回転する回転子（２）と、フレーム（４）の内部に配置されている固定子（３）と、フレーム（４）の外部に配置されている冷却ファン（７）と、フレーム（４）の外周面に設けられている複数の外側フィン（１１）とを有する。フレーム（４）と固定子（３）との間にはフレーム（４）の内側の空気を回転子（２）の回転軸の方向に流通させるための内気循環流路（１２）が設けられている。複数の外側フィン（１１）が形成する空気の流路は、内気循環流路（１２）と交差している。回転子（２）は、固定子（３）に囲われていて、回転軸となるシャフト（５）と、回転子（２）の回転バランスを調整するエンドプレート（８１）と、エンドプレート（８１）に設けられていてフレーム（４）の内側の空気を循環させる内側フィン（８２）とを有する。

Description

本開示は、回転電機に関する。

従来の回転電機では、高速回転及び高負荷駆動の状態で長時間使用すると、温度が上昇し、モータ性能の低下及びモータの故障等が発生し、更には回転電機が組み込まれている機器の運転を停止しなければならないという事態も生じかねない。そのため、従来から、回転電機で発生した熱を冷却ファンによって放散させる方法が採用されている（例えば特許文献１）。

特開２０１５－２２０８５４号公報

従来、固定子を囲むフレームの外側に冷却ファンを設置して冷却ファンによる空気の強制対流で回転電機を冷却する。しかし、従来の構造では回転電機の発熱量が増加した場合、フレームの内部の空気の温度が上昇し、フレームと空気との伝熱面積が小さいので熱を十分に逃がすことができないという課題が生じる。そのため、従来の構造では、回転子の回転速度が増加して回転電機の内部の発熱量が増加した場合、冷却ファンの個数を増加する又は大量の空気を通流させられる冷却ファンを設置することになるため、放熱系を含めた回転電機の全体の大型化を招き得る。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、高い放熱能力を有するとともに小型でかつ軽量な回転電機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る回転電機は、フレームと、フレームの内部に配置されていて回転する回転子と、回転子の回転軸となるシャフトと、回転子に設けられ、回転子の回転バランスを調整するエンドプレートと、エンドプレートに設けられていて、フレームの内側の空気を循環させる内側フィンと、フレームの内部に配置され、回転子を囲う固定子と、フレームの外部に配置されている冷却ファンと、フレームの外周面に設けられている複数の外側フィンとを有する。シャフトが延伸する方向を軸方向とし、回転子の周方向を周方向とする。フレームと固定子との間にはフレームの内側の空気を軸方向に流通させるための内気循環流路が設けられている。複数の外側フィンは、周方向の長さが軸方向の長さより長く、軸方向に互いに間隔を空けて配置されている。複数の外側フィンが形成する空気の流路は、内気循環流路と交差している。

本開示に係る回転電機は、高い放熱能力を有するとともに小型でかつ軽量であるという効果を奏する。

実施の形態１に係る回転電機の第１の断面図 実施の形態１に係る回転電機の第２の断面図 実施の形態１に係る回転電機が有するフレームの要部を示す斜視図 実施の形態１において内気循環流路と複数の外側フィンとが直交している状態を示す図 実施の形態１において複数の外側フィンが内気循環流路に対して傾斜している状態を示す図 実施の形態１において軸方向に貫通する回転子内通風路が回転子に設けられた構成を模式的に示す図 実施の形態２に係る回転電機が有するフレームの要部を示す斜視図 実施の形態２に係る回転電機が有するフレームの要部の第１の変形例を示す斜視図 実施の形態２に係る回転電機が有するフレームの要部の第２の変形例を示す斜視図 実施の形態３に係る回転電機の外観を示す斜視図 実施の形態４に係る回転電機の外観を示す斜視図 実施の形態５に係る回転電機の断面図

以下に、実施の形態に係る回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る回転電機１００の第１の断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転電機１００の第２の断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ面における要部を示している。図１及び図２は、回転電機１００の断面を模式的に示している。回転電機１００は、回転子２と、固定子３と、フレーム４と、冷却ファン７とを有する。回転子２は、フレーム４の内部に配置されていて回転する。固定子３は、フレーム４の内部に配置されている。回転子２は、固定子３に囲われている。冷却ファン７は、フレーム４の外部に配置されている。図３は、実施の形態１に係る回転電機１００が有するフレーム４の要部を示す斜視図である。図３は、フレーム４の要部を模式的に示している。

回転子２は、回転軸となるシャフト５と、回転子２の回転バランスを調整するエンドプレート８１とを有する。シャフト５は、回転子２を貫通して配置されており、フレーム４の負荷側に配置されている負荷側ベアリング６１と反負荷側に配置されている反負荷側ベアリング６２とによって回転自在に支持される。以下、シャフト５が延伸する方向を軸方向ともいう。

固定子３は、筒状に構成されており、内部にコイル９１を有する。コイル９１の一部は、コイルエンド９２として固定子３の外部に突出している。固定子３は、回転子２を囲うように配置され、固定子３と回転子２との間にはエアギャップ１０が存在している。固定子３の中心軸は、回転子２の回転軸と同じである。

フレーム４は筒状に構成されており、フレーム４の内側に固定子３が配置されている。フレーム４と固定子３との間には、フレーム４の内側の空気を軸方向に流通させるための内気循環流路１２が設けられている。上述の通り、軸方向は、シャフト５が延伸する方向である。更に言うと、軸方向は、回転子２の回転軸の方向である。フレーム４の外周面には、フレーム４と一体になるように構成された外側フィン１１が立設されている。図１に示されるように、外側フィン１１は、軸方向に互いに間隔を空けて複数配置されている。図２に示されるように、例えば、外側フィン１１は、円筒状のフレーム４の外周を一周するように設けられる。図３には、内気循環流路１２及び外側フィン１１も示されている。

冷却ファン７は、外側フィン１１に空気を送るためにフレーム４の外側に設置される。更に言うと、冷却ファン７は、フレーム４の外側においてフレーム４の周方向の側面と対向する位置に設置される。冷却ファン７から吹き出される空気は、フレーム４の外周面に設けられた外側フィン１１によって構成された流路をフレーム４の周方向に流れる。これにより、冷却ファン７から吹き出された空気は、フレーム４に伝わった熱をフレーム４の外部に放散させる。複数の外側フィン１１が形成する空気の流路は、内気循環流路１２と交差、望ましくは直交している。図４は、実施の形態１において内気循環流路１２と複数の外側フィン１１とが直交している状態を示す図である。図５は、実施の形態１において複数の外側フィン１１が内気循環流路１２に対して傾斜している状態を示す図である。

エンドプレート８１は、シャフト５に貫通されて配置されており、回転子２の回転に合わせて回転する。回転子２は、エンドプレート８１に設けられている内側フィン８２を更に有する。内側フィン８２は、フレーム４の内側の空気を循環させる構成要素である。エンドプレート８１が回転すると、内側フィン８２も回転し、内側フィン８２はフレーム４の内部の空気を撹拌する。図１には、攪拌された空気の向きが矢印で示されている。フレーム４の内部の空気は、フレーム４により、冷却ファン７から吹き出され空気と交わることはない。

次に、実施の形態１に係る回転電機１００の動作を説明する。回転電機１００が運転されると、回転子２が回転して負荷側に設置された装置を所望の回転速度で動作させる。当該装置は、図示されていない。フレーム４の外側に設置された冷却ファン７が動作し、フレーム４の周方向にフレーム４を冷却するための空気が流れる。フレーム４の周方向に空気が流れることにより回転電機１００から発生される熱が放散し、回転電機１００は冷却される。

この時、回転子２の回転に合わせてエンドプレート８１が回転し、エンドプレート８１の回転により内側フィン８２が回転し、内側フィン８２はフレーム４の内部の空気を撹拌する。内側フィン８２によって撹拌された空気がエアギャップ１０を通流し、当該撹拌された空気に回転子２及び固定子３からの熱が伝わる。当該撹拌された空気は、固定子３とフレーム４との間に設けられた内気循環流路１２を通流し、当該撹拌された空気に固定子３及びコイルエンド９２からの熱が伝わる。

フレーム４の内部で空気が内気循環流路１２を通流することで、回転電機１００は、フレーム４の内部で温度が上昇した空気の熱をフレーム４に伝えることができる。フレーム４に伝わった熱は、冷却ファン７と外側フィン１１とにより冷却される。すなわち、冷却ファン７と外側フィン１１とが、固定子３と内気循環流路１２を通流する空気とを冷却する。ひいては、回転電機１００は、フレーム４に接していない回転子２を冷却することができる。その結果、回転電機１００は、回転子２が高温化することによる電気的な不具合及び劣化を防ぐことができる。

このように、回転子２と合わせて回転するエンドプレート８１に設けられた内側フィン８２がフレーム４の内部の空気を攪拌し、攪拌された空気がエアギャップ１０及び内気循環流路１２を循環することで、回転電機１００は、回転子２の熱を、フレーム４を介してフレーム４に設けられた外側フィン１１に伝え、冷却ファン７によって外気に放散させる。これにより、回転子２を効果的に冷却することができるため、冷却ファン７の大型化及び増設による回転電機１００の全体の大型化が抑制される。さらに、複数の外側フィン１１が形成する空気の流路を内気循環流路１２と交差するように構成することで、冷却ファン７を軸方向に設置せずに回転子２を冷却できるようになるため、軸方向の大型化が抑制される。すなわち、実施の形態１によれば、高い放熱能力を有するとともに小型でかつ軽量な回転電機１００を得ることができる。

回転子２を冷却する効果を高めるために、図６に示されるように、回転子２に、軸方向に貫通する回転子内通風路１３が設けられてもよい。これにより、回転子２の内側もフレーム４の内側の空気が循環することになるため、回転子２を効果的に冷却することができる。図６は、実施の形態１において軸方向に貫通する回転子内通風路１３が回転子２に設けられた構成を模式的に示す図である。

なお、図２では内気循環流路１２の本数は１６本であるが、内気循環流路１２の本数は何本でも構わない。さらに、図６では回転子内通風路１３の本数は８本であるが、回転子内通風路１３の本数は何本でも構わない。

実施の形態２．
以下の実施の形態において、図１から図６までの参照符号と同一の符号は、同一又は同様の構成要素を示すので、同一又は同様の構成要素の詳細な説明は省略する。

実施の形態２に係る回転電機２００は、実施の形態１に係る回転電機１００が有するすべての構成要素を有する。図７は、実施の形態２に係る回転電機２００が有するフレーム４の要部を示す斜視図である。図７は、フレーム４の要部を模式的に示している。実施の形態２では、図７に示されるように、軸方向に空気が流れるように、外側フィン１１には軸方向に円形の通風孔１４が形成されている。図７では、通風孔１４は拡大されて示されている。軸方向は、回転子２の回転軸の方向である。回転電機２００の外側フィン１１以外の構成は、実施の形態１の構成と同じである。

外側フィン１１に通風孔１４が形成されているので、実施の形態１に比べて、冷却ファン７から吹き出される空気がフレーム４の外周全体に流れるようになる。これにより、回転電機２００は、フレーム４の熱を効率よく外気に伝えることができる。

このように、フレーム４の外周面に設けられた外側フィン１１に通風孔１４が形成されているので、回転電機２００は、内気循環流路１２を通流する温度が高い空気からフレーム４に伝えられた熱を効率よくフレーム４の外気に伝えることができる。そのため、回転電機２００は、回転子２の高温化を抑制することが可能となる。

実施の形態２では、外側フィン１１に円形の通風孔１４が形成されているが、通風孔１４の形状は円形に限定されない。第１の変形例として、図８に示されるように、外側フィン１１の根元部分に矩形の通風孔１４ａが形成されてもよい。図８は、実施の形態２に係る回転電機２００が有するフレーム４の要部の第１の変形例を示す斜視図である。図８は、フレーム４の要部の第１の変形例を模式的に示している。図８では、通風孔１４ａは拡大されて示されている。根元部分は、外側フィン１１がフレーム４の外周面に接する部分である。

実施の形態２の第２の変形例として、図９に示されるように、軸方向に対して角度を有して空気が流れるように通風孔１４ｂが外側フィン１１に形成されてもよい。図９は、実施の形態２に係る回転電機２００が有するフレーム４の要部の第２の変形例を示す斜視図である。図９は、フレーム４の要部の第２の変形例を模式的に示している。

実施の形態３．
実施の形態３に係る回転電機３００は、実施の形態１に係る回転電機１００が有するすべての構成要素を有する。図１０は、実施の形態３に係る回転電機３００の外観を示す斜視図である。図１０は、回転電機３００の外観を模式的に示している。図１０に示されるように、回転電機３００は、フレーム４の外側に設けられた流路カバー１５を更に有する。

流路カバー１５は、外側フィン１１を覆っている。更に言うと、流路カバー１５は、外側フィン１１の先端部分を覆っている。外側フィン１１の先端部分は、外側フィン１１のフレーム４と接している部分と反対側の部分である。流路カバー１５は、フレーム４の冷却ファン７と対向する部分以外の外側フィン１１を覆っており、冷却ファン７から吹き出された空気がフレーム４の外側の周方向全体に流れるように形成されている。回転電機３００の流路カバー１５以外の構成は、実施の形態１の構成と同じである。

このように、回転電機３００は、冷却ファン７から吹き出された空気がフレーム４の周方向全体に流れるようにする流路カバー１５を有するので、フレーム４を効率よく冷却することができる。その結果、固定子３の周方向に生じる温度の差を小さくすることができ、冷却能力の不足による冷却ファン７の大型化又は増設を抑制し、回転電機３００の大型化を防ぐことが可能となる。

実施の形態３の外側フィン１１には、実施の形態２の通風孔１４、通風孔１４ａ又は通風孔１４ｂが形成されていてもよい。

実施の形態４．
実施の形態４に係る回転電機４００は、実施の形態１に係る回転電機１００が有するすべての構成要素を有する。図１１は、実施の形態４に係る回転電機４００の外観を示す斜視図である。図１１は、回転電機４００の外観を模式的に示している。実施の形態４では、外側フィン１１は、冷却ファン７から吹き出された空気が下流方向にいくにつれて伝熱面積が大きくなるようにフレーム４の外周面に設けられている。つまり、外側フィン１１は、冷却ファン７の近傍では伝熱面積が小さくなるように構成されており、冷却ファン７から吹き出された空気が下流に流れるにつれて、伝熱面積が大きくなるように構成されている。回転電機４００の外側フィン１１以外の構成は、実施の形態１の構成と同じである。

冷却ファン７から吹き出された空気は、冷却ファン７の吹き出し口の近傍では空気の流れが乱れることにより高い放熱能力を有するが、フレーム４の外周面に設けられた外側フィン１１の間を流れるにつれて流れが整流されて、冷却ファン７から吹き出された空気の放熱能力は低下する。このため、冷却ファン７の吹き出し口の近傍では外側フィン１１の伝熱面積を小さく、下流方向にいくにつれて伝熱面積を大きくすることで、周方向に均一な冷却効果を発揮することができる。

回転電機４００は、冷却ファン７から吹き出された空気が下流方向にいくにつれて伝熱面積が大きくなるようにフレーム４の外周面に設けられた外側フィン１１を有する。外側フィン１１により回転電機４００を効率よく冷却することができ、ひいては、固定子３の温度を均一化することができ、局所的な高温箇所が生じることによる固定子３の電気的な不具合及び劣化を防ぐことが可能となる。

さらに、冷却ファン７の近傍の外側フィン１１の伝熱面積を小さくすることで、圧力損失の増大を防ぎ、冷却ファン７から吹き出される空気についての風量の低下をもたらすことなく、固定子３の温度を均一化することが可能となる。

なお、フレーム４の外周面に設けられた外側フィン１１の伝熱面積を大きくする手段として、外側フィン１１の高さを高くする方法が挙げられる。例えば、冷却ファン７に相対的に近い位置の外側フィン１１の高さを、冷却ファン７から相対的に遠い位置の外側フィン１１の高さより低くする。フレーム４の外周面に設けられた外側フィン１１の伝熱面積を大きくする別の手段として、外側フィン１１の軸方向の厚みを大きくする方法が挙げられる。

また、冷却ファン７から吹き出された空気の下流方向において、軸方向に外側フィン１１が追加で設置されてもよい。

さらにまた、実施の形態４の外側フィン１１には、実施の形態２の通風孔１４、通風孔１４ａ又は通風孔１４ｂが形成されていてもよい。

実施の形態５．
図１２は、実施の形態５に係る回転電機５００の断面図である。図１２は、回転電機５００の断面を模式的に示している。回転電機５００は、実施の形態１に係る回転電機１００が有するすべての構成要素を有する。図１２に示されるように、回転電機５００は、フレーム４の外部に配置されている第２冷却ファン７ａを更に有する。すなわち、回転電機５００は、２台の冷却ファンを有する。第２冷却ファン７ａは、フレーム４を挟んで冷却ファン７と対向している。回転電機５００の第２冷却ファン７ａ以外の構成は、実施の形態１の構成と同じである。

冷却ファン７から吹き出された空気はフレーム４の周方向に流れ、第２冷却ファン７ａから吹き出された空気も同様にフレーム４の周方向に流れる。このとき、冷却ファン７と第２冷却ファン７ａとが対向する位置に配置されているため、冷却ファン７から吹き出された空気と第２冷却ファン７ａから吹き出された空気とは、干渉することなく、フレーム４の周方向を流れることができる。したがって、１台の冷却ファンから吹き出される空気についての風量を半減以下にすることができる。図１２には、冷却ファン７から吹き出された空気が流れる向きと、第２冷却ファン７ａから吹き出された空気が流れる向きとが矢印で示されている。

このように、フレーム４の外部で対向する位置に冷却ファン７と第２冷却ファン７ａとが配置されているので、回転電機５００は、１台の冷却ファンが担う放熱量を小さくすることができるため、冷却ファン７及び第２冷却ファン７ａを小型化することが可能となる。したがって、冷却ファン７及び第２冷却ファン７ａの各々から吹き出される空気の風量を低減することができるため、回転電機５００は、冷却ファン７及び第２冷却ファン７ａが発生する音を小さくすることが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、実施の形態同士を組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略又は変更することも可能である。

２ 回転子、３ 固定子、４ フレーム、５ シャフト、７ 冷却ファン、７ａ 第２冷却ファン、１０ エアギャップ、１１ 外側フィン、１２ 内気循環流路、１３ 回転子内通風路、１４，１４ａ，１４ｂ 通風孔、１５ 流路カバー、６１ 負荷側ベアリング、６２ 反負荷側ベアリング、８１ エンドプレート、８２ 内側フィン、９１ コイル、９２ コイルエンド、１００，２００，３００，４００，５００ 回転電機。

Claims (8)

1. フレームと、
   前記フレームの内部に配置されていて回転する回転子と、
   前記回転子の回転軸となるシャフトと、
   前記回転子に設けられ、前記回転子の回転バランスを調整するエンドプレートと、
   前記エンドプレートに設けられていて、前記フレームの内側の空気を循環させる内側フィンと、
   前記フレームの内部に配置され、前記回転子を囲う固定子と、
   前記フレームの外部に配置されている冷却ファンと、
   前記フレームの外周面に設けられている複数の外側フィンとを備え、
   前記シャフトが延伸する方向を軸方向とし、前記回転子の周方向を周方向とし、
   前記フレームと前記固定子との間には前記フレームの内側の空気を前記軸方向に流通させるための内気循環流路が設けられており、
   前記複数の外側フィンは、前記周方向の長さが前記軸方向の長さより長く、前記軸方向に互いに間隔を空けて配置され、
   前記複数の外側フィンが形成する空気の流路は、前記内気循環流路と交差する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記複数の外側フィンは、第１のフィンと、前記第１のフィンと異なる第２のフィンとを有し、
   前記複数の外側フィンが形成する空気の流路は、前記第１のフィンと前記第２のフィンとの間を流れる空気の流路である
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記複数の外側フィンが形成する空気の流路は、前記周方向に沿って流れる空気の流路である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記回転子の径方向を径方向とし、
   前記冷却ファンは、前記複数の外側フィンより前記径方向の外側に配置される
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
5. 前記外側フィンには、前記軸方向に通風孔が形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
6. 前記外側フィンを覆う流路カバー
   を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
7. 前記複数の外側フィンのうちの前記冷却ファンに相対的に近い位置の外側フィンの高さは、前記複数の外側フィンのうちの前記冷却ファンから相対的に遠い位置の外側フィンの高さより低い
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
8. 前記フレームの外部に配置されていて前記フレームを挟んで前記冷却ファンと対向する第２冷却ファン
   を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。

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