JP7504306B1

JP7504306B1 - 回転電機

Info

Publication number: JP7504306B1
Application number: JP2023555672A
Authority: JP
Inventors: 拓矢安達; 仁荒川; 健篠▲崎▼; 宏平近久; 直樹岩本; 広紀小林; 洋至安部
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2023-03-09
Filing date: 2023-03-09
Publication date: 2024-06-21
Anticipated expiration: 2043-03-09
Also published as: WO2024185149A1

Abstract

回転電機（１０１）は、シャフト（１３）と、回転子（１２）と、固定子（１１）と、回転子（１２）の両端に固定されるエンドプレート（１４）と、シャフト（１３）を支持する軸受（１６）と、両端面に軸受（１６）を備え、固定子（１１）および回転子（１２）を収容するフレーム（１０）と、エンドプレート（１４）に固定される内部フィン（１５）と、フレーム（１０）の両端面に設けられる熱交換器（２１）と、を備える。

Description

本開示は、回転電機に関する。

回転電機のシャフトおよび回転子が回転するとき、固定子および回転子が発熱すると同時に、軸受では摩擦による発熱、固定子と回転子との間では風損による発熱が生じる。このように、回転電機の回転時には、回転電機全体が高温になる。

そこで、固定子および回転子を冷却するために、回転子の端面に内部フィンを設け、回転子の回転によって内部フィンがフレーム内の空気を撹拌する構造が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１１－１５５７２０号公報

回転電機は、ＦＡ（Factory Automation）、ＥＶ（Electric Vehicle）などの分野において、小型高出力化が求められており、小型高出力の実現には、回転電機の高速回転技術が必須となる。回転電機が高速回転する場合、固定子および回転子における発熱量、および摩擦、風損による発熱量も増加するため、特許文献１の冷却技術では高速回転の実現が困難であった。高速回転の実現のため、水冷または油冷を用いて冷却する技術もある。しかし、水冷または油冷の場合はポンプ、バルブなどが必要となり、回転電機の小型化が困難となるといった課題があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却性能を向上させ、小型化かつ高速回転が実現される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、本開示の回転電機は、シャフトと、シャフトに固定される回転子と、固定子と、回転子の両端面のうち負荷側の端面に固定される負荷側のエンドプレートと、回転子の両端面のうち反負荷側の端面に固定される反負荷側のエンドプレートと、シャフトを支持する軸受と、両端面に軸受を備え、固定子および回転子を収容するフレームと、負荷側のエンドプレートおよび反負荷側のエンドプレートの少なくともいずれか一方に固定されるフィンと、フレームの両端面に設けられる熱交換器と、を備える。シャフトの回転軸方向を軸方向とし、軸方向に対して垂直な方向である回転子の径方向を径方向とする。熱交換器は、径方向においてフィンと対向する。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示の回転電機は、シャフトと、シャフトに固定される回転子と、固定子と、回転子の両端面のうち負荷側の端面に固定される負荷側のエンドプレートと、回転子の両端面のうち反負荷側の端面に固定される反負荷側のエンドプレートと、シャフトを支持する軸受と、両端面に軸受を備え、固定子および回転子を収容するフレームと、反負荷側のエンドプレートに固定されるフィンと、を備える。シャフトの回転軸方向を軸方向とし、軸方向に対して垂直な方向である回転子の径方向を径方向とする。フレームは、フレームの内側側面とフレームの外側側面との間に設けられ、軸方向に内気が流れる第３通風路と、フレームの内側側面とフレームの外側側面との間に設けられ、軸方向に外気が流れる第４通風路と、を備える。内気と外気とがフレームを介して熱交換する。軸方向における第３通風路および第４通風路の長さは、軸方向における負荷側のエンドプレートと反負荷側のエンドプレートとの間の距離よりも長い。

本開示の回転電機によれば、冷却性能を向上させ、小型化かつ高速回転が実現される、という効果を奏する。

実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態１にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態２にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態２にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態２にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態３にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態３にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態３にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態４にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態４にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態５にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態５にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態５にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態６にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態６にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態６にかかる回転電機の構成を示す横断面図実施の形態７にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態７にかかる回転電機の構成を示す縦断面図実施の形態７にかかる回転電機の構成を示す横断面図

以下、実施の形態にかか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にかかる回転電機１０１の構成を示す縦断面図である。図２は、実施の形態１にかかる回転電機１０１の構成を示す横断面図である。図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線に沿って切断した断面図である。図３は、実施の形態１にかかる回転電機１０１の構成を示す横断面図である。図３は、図１のＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断した断面図である。

回転電機１０１においては、円筒形状のフレーム１０は、固定子１１および回転子１２を収容する。フレーム１０の内側側面に固定子１１が固定されている。フレーム１０の負荷側端面１０ａおよび反負荷側端面１０ｂには、シャフト１３を保持するための軸受１６がそれぞれ備えられている。固定子１１は、図３に示されるように、内部にコイル１９を備えており、コイル１９の一部がコイルエンド１８として固定子１１の外部に露出されている。シャフト１３は、一対の軸受１６によって回転可能な状態で保持されている。シャフト１３の負荷側には図示しない負荷が接続されている。シャフト１３には、回転軸が一致するように回転子１２が固定されており、回転子１２と固定子１１との間にはエアギャップ２０が存在している。

回転子１２の両端面には、図２にも示されるように、重量バランスを調整するためのエンドプレート１４が固定されている。エンドプレート１４の外側には、内部フィン１５が固定されている。図１では、内部フィン１５は負荷側空間４１、反負荷側空間４２の両方に面するように備えられているが、内部フィン１５は負荷側空間４１、反負荷側空間４２のどちらか一方にのみ面するように備えても良い。負荷側空間４１は、フレーム１０の負荷側端面１０ａ、回転子１２の一方の端面、固定子１１の一方の端面、フレーム１０の内側側面などで形成される空間である。反負荷側空間４２は、フレーム１０の反負荷側端面１０ｂ、回転子１２の他方の端面、固定子１１の端面の端面、フレーム１０の内側側面などで形成される空間である。

内部フィン１５は、回転子１２およびエンドプレート１４と一体となるように設けられているため、回転子１２の回転に合わせて回転する。エンドプレート１４は回転子の軸方向端面に固着されており、エンドプレート１４の外側端面に内部フィン１５が設けられている。すなわち、シャフト１３の軸方向において、回転子１２の端面、エンドプレート１４、および内部フィン１５は互いに間隔を空けずに設けられている。

内部フィン１５の回転が、矢印Ｋ１で示すように、負荷側空間４１および反負荷側空間４２の内部空気（内気）をそれぞれ撹拌し、強制対流による内気によって固定子１１および回転子１２から熱を奪うことが可能である。内気によって固定子１１および回転子１２から奪った熱を外部に放出させるため、実施の形態１においては、フレーム１０の負荷側端面１０ａおよび反負荷側端面１０ｂに熱交換器２１を備えている。フレーム１０の端面とは、フレーム１０の面のうちでシャフト１３と垂直な面で、軸受１６を保持する面を指す。フレーム１０の負荷側端面１０ａとは、フレーム１０の端面であって、かつ負荷側に位置する端面を指す。フレーム１０の反負荷側端面１０ｂとは、フレーム１０の端面であって、かつ反負荷側に位置する端面を指す。熱交換器２１は、強制対流によって内気から熱を奪い、強制対流もしくは自然対流によって外気に熱を逃がすことが可能である。

なお、反負荷側空間４２に外部ファン１７を備え、矢印Ｋ２で示すように、フレーム１０を外気の強制対流によって冷却してもよい。外部ファン１７は、フレーム１０の外側に設けられている。外部ファン１７は、シャフト１３に固定され、回転子１２の回転によって回転する。外部ファン１７の回転によってフレーム１０を冷却することで、内気の熱を効率よくフレーム１０の外に排出することができ、冷却性能の向上が可能となる。また、内部フィン１５の翼形状、配置については、図２に示したものに限らず、内気を循環させることが可能であれば、他の形状でも構わない。

このように実施の形態１によれば、内部フィン１５でフレーム１０内の内気を攪拌するとともに、内気と外気との熱交換を促進するための熱交換器２１をフレーム１０に備えている。このため、熱交換器２１によって内気の温度を低減できる、回転電機１０１の温度を低く保つことができる。特に、内部フィン１５がエンドプレート１４および回転子１２と一体となっているため、内部フィン１５とフレーム１０の端面との間に大きな距離を確保することができる。そのため、熱交換器２１の高さ（シャフト１３の回転軸方向に沿った長さ）を内部フィン１５のすぐ近くまで高くすることができる。また、内部フィン１５とフレーム１０の端面との間に距離を大きく確保できることから、熱交換器２１の半径方向の長さを軸受１６のすぐ近くまで拡大できる。熱交換器２１をシャフト１３の回転軸に垂直な断面でみると、熱交換器２１における回転軸に近い半径方向の内側は回転子１２、内部フィン１５に対向する位置まで延在し、熱交換器２１における半径方向の外側は固定子１１に対向する位置まで延在している。これにより、フレーム１０の端面全体を熱交換器２１として使用することができる。このように、内部フィン１５がエンドプレート１４と回転子１２と一体となっていることにより、熱交換器２１を設けるための十分なスペースを確保できるため、回転電機１０１の小型化および冷却性能の向上が可能となる。これによって、回転電機の高速回転が実現できる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２にかかる回転電機１０２の構成を示す縦断面図である。図５は、実施の形態２にかかる回転電機１０２の構成を示す横断面図である。図５は、図４のＶ－Ｖ線に沿って切断した断面図である。図６は、実施の形態２にかかる回転電機１０２の構成を示す横断面図である。図６は、図４のＶＩ－ＶＩ線に沿って切断した断面図である。

実施の形態２にかかる回転電機１０２では、実施の形態１の構成に、第１通風路としての回転子通風路２２を追加している。また、内部フィン１５は、反負荷側空間４２にのみ設けている。その他の構成は、実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。

実施の形態２においては、回転子１２およびエンドプレート１４に、回転軸方向に貫通された内気の通風路である複数の回転子通風路２２を設けている。回転子通風路２２の断面は、図５および図６のように、例えば円形とする。これは、通風抵抗を小さくでき、回転子通風路２２を流れる流量を大きくするためである。ただし、内気が回転子通風路２２を通過可能であれば、冷却効果は得られるため、回転子通風路２２の断面形状は、長方形、正方形などの多角形状、楕円形状でも良い。望ましくは、回転子１２に設けられる回転子通風路２２は、可能な限り回転子１２の中心に近い位置に設ける。すなわち、図６に示すように、回転子通風路２２は、径方向において、固定子１１よりシャフト１３に近い位置に設ける。このような位置に回転子通風路２２を設けることで、内部フィン１５において大きな負圧を生じさせることができ、内気の循環風量を大きくすることが可能である。

図４に示すように、内部フィン１５は、反負荷側空間４２に面するエンドプレート１４にのみ備えられている。これによって、内気は、矢印Ｋ３で示すように、回転子通風路２２内を負荷側空間４１から回転軸方向に沿って反負荷側空間４２に向かって流れ、その内気は、矢印Ｋ４で示すように、エアギャップ２０を通って再び負荷側空間４１に流れるように循環することが可能になる。内気は、エアギャップ２０を反負荷側空間４２から負荷側空間４１に流れる一方で、外気は外部ファン１７によって負荷側空間４１から反負荷側空間４２に向かって流れる。このように、内部フィン１５を反負荷側空間４２のエンドプレート１４に備えることによって、内気と外気とが対向する方向に流れるため、冷却性能が向上する。

このように内気が循環することにより、内気と回転子１２とが回転子通風路２２およびエアギャップ２０で接するため、内気と回転子１２間の伝熱面積が大きくなり、回転子１２から効率よく熱を奪うことが可能となる。さらに、回転子通風路２２は回転子１２の回転と共に回転するため、回転子通風路２２内部は乱流となり、内気と回転子１２間の熱伝達率が高くなる。同様にエアギャップ２０内の内気も回転子１２の回転に伴って円周方向の流れも生じて乱流となり、熱伝達率が高くなる。また、エアギャップ２０を流れる内気は固定子１１とも接しているため、固定子１１からも熱を奪うことができる。内気によって回転子１２および固定子１１から奪われた熱は、熱交換器２１によって効率的に外気に逃がすことができる。

このように実施の形態２によれば、回転子１２およびエンドプレート１４に回転軸方向に貫通された複数の回転子通風路２２を備えているので、内気が回転子通風路２２およびエアギャップ２０を流れて循環し、回転電機１０２の全体を効率的に冷却可能になり、小型で高速回転可能な回転電機が実現できる。

なお、図４においては、内部フィン１５は反負荷側空間４２のエンドプレートに設けたが、反負荷側空間４２のエンドプレート１４に内部フィン１５を備えることが難しい場合には、内気が回転子通風路２２およびエアギャップ２０を循環するように流れることが可能であれば、負荷側空間４１のエンドプレート１４に内部フィン１５を備えても良い。また、内気が回転子通風路２２およびエアギャップ２０を循環するように流れることが可能であれば、反負荷側空間４２および負荷側空間４１の両方に内部フィン１５を備えてもよい。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３にかかる回転電機１０３の構成を示す縦断面図である。図８は、実施の形態３にかかる回転電機１０３の構成を示す横断面図である。図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿って切断した断面図であり、第１具体例を示している。図９は、実施の形態３にかかる回転電機１０３の構成を示す横断面図である。図９は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿って切断した断面図であり、第２具体例を示している。

実施の形態３にかかる回転電機１０３では、実施の形態１の構成に、第２通風路としての固定子通風路２３を追加している。また、内部フィン１５は、反負荷側空間４２にのみ設けている。その他の構成は、実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。

実施の形態３においては、固定子１１に、回転軸方向に貫通された内気の通風路である複数の固定子通風路２３を設けている。固定子通風路２３は、図８に示すように、コイル１９の外径側に備えても良いし、図９に示すように、固定子１１の外周に備えても良いが、コイル１９よりも径方向外側に備えるのが望ましい。

固定子通風路２３の断面形状は、実施の形態２における回転子通風路２２と同様に、通風抵抗を小さくし、循環流量を大きくするために、図８のような円形とするのが良い。ただし、内気が固定子通風路２３を通過可能であれば、固定子通風路２３の断面形状は、長方形、正方形などの多角形状、楕円形状でも良い。また、図９のように固定子通風路２３が固定子１１の径方向の最外周に備えられているとき、固定子通風路２３の断面形状は半円、長方形、もしくは正方形とするのが望ましい。

図７に示すように、内部フィン１５は、反負荷側空間４２のエンドプレート１４に備えられている。この内部フィン１５が回転すると、内気は、矢印Ｋ５で示すように、負荷側空間４１から軸方向に沿って反負荷側空間４２に向かってエアギャップ２０を流れ、その内気は、矢印Ｋ６で示すように、固定子通風路２３を通って再び負荷側空間４１に流れるように循環することが可能になる。内気がエアギャップ２０を流れる際に回転子１２から熱を奪うことができる。内気が奪った熱はフレーム１０の端面に備えられた熱交換器２１によって効率良く外気に放出されるため、回転電機１０３は回転電機１０１と比較して回転子１２を効率的に冷却可能である。さらに内気が固定子通風路２３を流れるとき、その内気は、外部ファン１７によってフレーム１０の周囲を流れる外気（矢印Ｋ２）と対向する方向に流れるため、外気は、固定子１１および内気から効率よく熱を奪うことができる。

このように実施の形態３によれば、固定子１１に回転軸方向に貫通された複数の固定子通風路２３を備えているので、固定子通風路２３およびエアギャップ２０を流れる内気循環が生じ、回転電機１０３の全体を効率的に冷却できるため、小型で高速回転可能な回転電機が実現できる。なお、実施の形態２と同様に、内部フィン１５は負荷側空間４１に設けてもよく、反負荷側空間４２および負荷側空間４１の両方に設けてもよい。

実施の形態４．
図１０は、実施の形態４にかかる回転電機１０４の構成を示す縦断面図である。図１１は、実施の形態４にかかる回転電機１０４の構成を示す横断面図である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線に沿って切断した断面概略図であり、第１具体例を示している。

実施の形態４にかかる回転電機１０４は、実施の形態２にかかる回転電機１０２と実施の形態３にかかる回転電機１０３とを組合せたような形態となっている。すなわち、回転電機１０４は、実施の形態１の構成に、回転子通風路２２および固定子通風路２３を追加している。また、内部フィン１５は、反負荷側空間４２にのみ設けている。その他の構成は、実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。実施の形態４においては、回転子１２およびエンドプレート１４に、回転軸方向に貫通された内気の通風路である複数の回転子通風路２２を設け、かつ固定子１１に、回転軸方向に貫通された内気の通風路である複数の固定子通風路２３を設けている。

回転子通風路２２の一つ当たりの断面積の大きさは、エアギャップ２０の断面積の大きさよりも大きい。また、固定子通風路２３の一つ当たりの断面積の大きさは、エアギャップ２０の断面積の大きさよりも大きい。これによって内部フィン１５によって撹拌された内気のほとんどはエアギャップ２０を通過せずに、固定子通風路２３および回転子通風路２２を流れるようになるため、内気が循環する際の圧力損失が小さくなる。そのため、エンドプレート１４に備えられた内部フィン１５によって生じる内気の循環量を大きくすることができ、冷却性能が向上する。また、内気が回転子通風路２２および固定子通風路２３を流れることにより、内気は回転子１２および固定子１１との接触面積が大きくなるため、回転子１２および固定子１１から効率よく熱を奪うことができる。内気が回転子１２および固定子１１から奪った熱は、フレーム１０の端面に備えられた熱交換器２１によって外気に放出される。

回転電機１０４は、回転電機１０２、回転電機１０３と同様に、内部フィン１５を反負荷側空間４２のエンドプレート１４に設けている。内気は、矢印Ｋ７に示すように、固定子通風路２３を反負荷側空間４２から負荷側空間４１に向かって流れ、矢印Ｋ８に示すように、回転子通風路２２を負荷側空間４１から反負荷側空間４２に向かって流れるように循環する。固定子通風路２３を流れる内気は、外部ファン１７によってフレーム１０の周囲を流れる外気と対向する方向に流れるため、外気は、固定子１１および内気から効率よく熱を奪うことができる。

実施の形態２および実施の形態３においては、内気がエアギャップ２０を流れる。しかし、エアギャップの大きさは小さいため、内気がエアギャップ２０を流れると圧力損失が大きくなり、フレーム１０内を循環する内気の風量が小さくなってしまう。そこで、実施の形態４にかかる回転電機１０４のように、回転子通風路２２および固定子通風路２３を備えることで内気が回転子通風路２２および固定子通風路２３を流れるため、実施の形態２および実施の形態３と比較して圧力損失を小さくすることができる。そのため、回転電機１０４においては、内部フィン１５によって生じる風量を大きくすることができるため、内気と回転子１２および固定子１１との間の熱伝達率を大きくでき、回転子１２および固定子１１を効率よく冷却できる。

このように実施の形態４によれば、回転子１２に回転子通風路２２を設け、固定子１１に固定子通風路２３を設けることにしたので、回転子通風路２２および固定子通風路２３を流れるように内気を循環させることができる。このため、回転電機１０４の全体を効率的に冷却でき、小型で高速回転可能な回転電機が実現できる。なお、内部フィン１５は負荷側空間４１に設けてもよく、反負荷側空間４２および負荷側空間４１の両方に設けてもよい。

実施の形態５．
図１２は、実施の形態５にかかる回転電機１０５の構成を示す縦断面図である。図１３は、実施の形態５にかかる回転電機１０５の構成を示す縦断面図である。図１３は、図１２とは異なる縦断面で切断している。図１４は、実施の形態５にかかる回転電機１０５の構成を示す横断面図である。図１４は、図１２のＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿って切断した断面図であり、矢印Ｈ方向から見た断面図である。

実施の形態５においては、実施の形態１の構成から熱交換器２１を無くしている。実施の形態５においては、フレーム１０に、複数の内気用フレーム内通風路２４１および複数の外気用フレーム内通風路２４２を含むフレーム内通風路２４０を設け、フレーム内通風路２４０によって実施の形態１の熱交換器２１の役割を果たしている。内気用フレーム内通風路２４１が第３通風路に対応し、外気用フレーム内通風路２４２が第４通風路に対応する。また、図１３に示すように内気用フレーム内通風路２４１の出入口として、内気用通風孔２４３も備えている。また、内部フィン１５は、反負荷側空間４２にのみ設けている。その他の構成は、実施の形態１と同様であり、重複する説明は省略する。図１３において、破線の丸は外気が通過することを表しており、実線の丸は内気が通過することを表している。丸の中の×は、負荷側空間４１から反負荷側空間４２へ向かう流れを表しており、丸の中の黒丸は、反負荷側空間４２から負荷側空間４１へ向かう流れを表している。

外気用フレーム内通風路２４２の本数は、内気用フレーム内通風路２４１の本数以上である。外気は内気と熱交換するだけでなく、固定子１１から熱伝導によってフレーム１０に伝わってきた熱を奪う必要があるため、外気用フレーム内通風路２４２の本数は、内気用フレーム内通風路２４１の本数以上である。また、外気用フレーム内通風路２４２の断面積の合計は、内気用フレーム内通風路２４１の断面積以上である必要がある。また、望ましくは、図１４に示すように、内気用フレーム内通風路２４１と外気用フレーム内通風路２４２とを交互配置に配置する。交互に配置することで、内気と外気とが熱交換できる面積が増え、効率よく熱交換できる。

また図１３に示すように内気用フレーム内通風路２４１の出入口として、内気用通風孔２４３も備えている。内気用通風孔２４３は、図１３のようにフレーム１０の円筒面に備えられており、ひとつの内気用フレーム内通風路２４１に対して、負荷側空間４１および反負荷側空間４２の各々に一つずつ内気用通風孔２４３を備えている。また、負荷側空間４１側の内気用通風孔２４３および反負荷側空間４２側の内気用通風孔２４３は、どちらもフレーム１０の端面にできるだけ近い位置に備えられている。

図１２，１３に示すように内部フィン１５は反負荷側空間４２のエンドプレート１４に備えられており、内気は、矢印Ｆ１で示すように、エアギャップ２０を負荷側空間４１から反負荷側空間４２に向かって流れ、矢印Ｆ２で示すように、内気用フレーム内通風路２４１を反負荷側空間４２から負荷側空間４１に向かって流れて、循環する。一方、外気は、矢印Ｆ３で示すように、外部ファン１７の回転によって外気用フレーム内通風路２４２を負荷側空間４１から反負荷側空間４２に流れる。この時、内気と外気とは対向する向きに流れるため、フレーム１０を介して積極的に熱交換を行うことが可能となる。

内部フィン１５によって内気用フレーム内通風路２４１に流入した内気は、反負荷側空間４２から負荷側空間４１に向かって回転軸方向に沿って流れ、その内気はエアギャップ２０を通って反負荷側空間４２に戻る形で循環し続ける。内気は、一度エアギャップ２０を流れるため、内気が回転子１２および固定子１１から熱を奪うことができる。その熱を奪った内気は内気用フレーム内通風路２４１を流れることで熱を外気に逃がすことができるため、再び低温となった内気がエアギャップ２０を流れて、回転子１２および固定子１１を冷却することが可能である。

このように、実施の形態５によれば、フレーム１０の全体を内気と外気との熱交換器として使うように構成しているので、冷却性能が向上し、小型で高速回転可能な回転電機が実現できる。また、実施の形態１～４のようにフレーム１０とは別に熱交換器２１を備える必要がないため、回転電機をさらに小型化できる。なお、内部フィン１５は負荷側空間４１に設けてもよく、反負荷側空間４２および負荷側空間４１の両方に設けてもよい。

実施の形態６．
図１５は、実施の形態６にかかる回転電機１０６の構成を示す縦断面図である。図１６は、実施の形態６にかかる回転電機１０６の構成を示す縦断面図である。図１６は、図１５とは異なる縦断面で切断している。図１７は、実施の形態６にかかる回転電機１０６の構成を示す横断面図である。図１７は、図１５のＸＶＩＩ－ＸＶＩＩ線に沿って切断した断面図であり、矢印Ｊ方向から見た断面図である。図１７において、破線の丸、実線の丸、丸の中の×、丸の中の黒丸が表す意味は、図１３と同様である。

実施の形態６にかかる回転電機１０６は、実施の形態２にかかる回転電機１０２と実施の形態５にかかる回転電機１０５とを組み合わせた形態である。回転電機１０６は、回転電機１０５と同様に、フレーム１０の全体が熱交換器として機能するように、内気用フレーム内通風路２４１、外気用フレーム内通風路２４２および内気用通風孔２４３を有するフレーム１０を備えている。また、回転電機１０６は、実施の形態２の回転電機１０２と同様に、回転子１２およびエンドプレート１４に、回転軸方向に貫通された内気の通風路である複数の回転子通風路２２を設けている。

回転子通風路２２の一つ当たりの断面積は、エアギャップ２０の断面積よりも大きい。この構造により、内部フィン１５によって撹拌された内気は、エアギャップ２０を流れず、矢印Ｆ２，Ｋ３で示すように、内気用フレーム内通風路２４１および回転子通風路２２を循環し、効率よく冷却可能である。また、回転子通風路２２の断面積がエアギャップ２０の断面積よりも大きいことで、内気が循環する際の圧力損失を小さくすることができ、内気の循環流量を大きくすることが可能であるため、冷却性能を向上させることが可能である。

外気用フレーム内通風路２４２の本数は、実施の形態５と同様に、内気用フレーム内通風路２４１以上備えられている。これによって、外気は内気と熱交換するだけでなく、固定子１１の熱も奪うことができ、回転電機１０６全体を効率よく冷却することができる。なお、実施の形態２と同様に、内部フィン１５は負荷側空間４１に設けてもよく、反負荷側空間４２および負荷側空間４１の両方に設けてもよい。

実施の形態７．
図１８は、実施の形態７にかかる回転電機１０７の構成を示す縦断面図である。図１９は、実施の形態７にかかる回転電機１０７の構成を示す縦断面図である。図１９は、図１８とは異なる縦断面で切断している。図２０は、実施の形態７にかかる回転電機１０７の構成を示す横断面図である。図２０は、図１８のＸＸ－ＸＸ線に沿って切断した断面図であり、矢印Ｌ方向から見た断面図である。図２０において、破線の丸、実線の丸、丸の中の×、丸の中の黒丸が表す意味は、図１３と同様である。

実施の形態７にかかる回転電機１０７は、実施の形態３にかかる回転電機１０３と実施の形態５にかかる回転電機１０５とを組み合わせた形態である。回転電機１０７は、回転電機１０５と同様に、フレーム１０の全体が熱交換器として機能するように、内気用フレーム内通風路２４１、外気用フレーム内通風路２４２および内気用通風孔２４３を有するフレーム１０を備えている。また、回転電機１０７は、実施の形態３の回転電機１０３と同様に、固定子１１に、回転軸方向に貫通された内気の通風路である複数の固定子通風路２３を設けている。

固定子通風路２３は、コイル１９を避けるように、コイル１９よりも径方向外側に配置される。また、固定子通風路２３の一つ当たりの断面積は、エアギャップ２０の断面積より大きい。この構造により、内部フィン１５によって撹拌された内気は、矢印Ｆ２，Ｆ４で示すように、内気用フレーム内通風路２４１および固定子通風路２３を循環し、エアギャップ２０を流れる回転電機１０５と比べて効率よく冷却可能である。また、固定子通風路２３の断面積がエアギャップ２０の断面積よりも大きいことで、内気が循環する際の圧力損失を小さくすることができ、内気の循環流量を大きくすることが可能であるため、冷却性能を向上させることが可能である。なお、実施の形態２と同様に、内部フィン１５は負荷側空間４１に設けてもよく、反負荷側空間４２および負荷側空間４１の両方に設けてもよい。

以上の実施の形態に示した構成は、本開示の内容の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、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０フレーム、１０ａ負荷側端面、１０ｂ反負荷側端面、１１固定子、１２回転子、１３シャフト、１４エンドプレート、１５内部フィン、１６軸受、１７外部ファン、１８コイルエンド、１９コイル、２０エアギャップ、２１熱交換器、２２回転子通風路、２３固定子通風路、４１負荷側空間、４２反負荷側空間、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７回転電機、２４０フレーム内通風路、２４１内気用フレーム内通風路、２４２外気用フレーム内通風路、２４３内気用通風孔。

Claims

シャフトと、
前記シャフトに固定される回転子と、
固定子と、
前記回転子の両端面のうち負荷側の端面に固定される負荷側のエンドプレートと、
前記回転子の両端面のうち反負荷側の端面に固定される反負荷側のエンドプレートと、
前記シャフトを支持する軸受と、
両端面に前記軸受を備え、前記固定子および前記回転子を収容するフレームと、
前記負荷側のエンドプレートおよび前記反負荷側のエンドプレートの少なくともいずれか一方に固定されるフィンと、
前記フレームの両端面に設けられる熱交換器と、を備え、
前記シャフトの回転軸方向を軸方向とし、前記軸方向に対して垂直な方向である前記回転子の径方向を径方向とし、
前記熱交換器は、前記径方向において前記フィンと対向する
ことを特徴とする回転電機。
シャフトと、
前記シャフトに固定される回転子と、
固定子と、
前記回転子の両端面のうち負荷側の端面に固定される負荷側のエンドプレートと、
前記回転子の両端面のうち反負荷側の端面に固定される反負荷側のエンドプレートと、
前記シャフトを支持する軸受と、
両端面に前記軸受を備え、前記固定子および前記回転子を収容するフレームと、
前記反負荷側のエンドプレートに固定されるフィンと、
を備え、
前記シャフトの回転軸方向を軸方向とし、前記軸方向に対して垂直な方向である前記回転子の径方向を径方向とし、
前記フレームは、
前記フレームの内側側面と前記フレームの外側側面との間に設けられ、前記軸方向に内気が流れる第３通風路と、
前記フレームの内側側面と前記フレームの外側側面との間に設けられ、前記軸方向に外気が流れる第４通風路と、
を備え、内気と外気とが前記フレームを介して熱交換し、
前記軸方向における前記第３通風路および前記第４通風路の長さは、前記軸方向における前記負荷側のエンドプレートと前記反負荷側のエンドプレートとの間の距離よりも長い
ことを特徴とする回転電機。
前記回転子、前記負荷側のエンドプレートおよび前記反負荷側のエンドプレートは、前記軸方向に貫通する複数の第１通風路を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記固定子は、前記軸方向に貫通し、内気が流れる複数の第２通風路を備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
複数の前記第１通風路は、前記回転子の前記径方向の中心位置より前記回転子の回転軸に近い位置に設けられる
ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
前記固定子は、コイルを備え、複数の前記第２通風路は前記コイルより前記径方向の外側に設けられる
ことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
複数の前記第１通風路の個々の断面積は、前記固定子と前記回転子との間の空間であるエアギャップの断面積より大きい
ことを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
複数の前記第２通風路の個々の断面積は、前記固定子と前記回転子との間の空間であるエアギャップの断面積より大きい
ことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
前記シャフトに固定され、前記フレームの外側に設けられて、前記フレームを冷却する外部ファンをさらに備える
ことを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記熱交換器における前記径方向の内側の端部は前記フィンに対向する位置まで延在し、前記熱交換器における前記径方向の外側の端部は前記固定子に対向する位置まで延在する
ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記フレームは、内気が前記第３通風路に流出入する負荷側の内気用通風孔と、内気が前記第３通風路に流出入する反負荷側の内気用通風孔とを備え、
前記負荷側の内気用通風孔は、前記軸方向において、前記負荷側のエンドプレートの位置より負荷側の前記フレームの端面に近い位置に設けられ、
前記反負荷側の内気用通風孔は、前記軸方向において、前記反負荷側のエンドプレートの位置より反負荷側の前記フレームの端面に近い位置に設けられる
ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
前記シャフトの回転軸に垂直な断面でみて、前記第４通風路の断面積の合計は、前記第３通風路の断面積以上である
ことを特徴とする請求項２に記載の回転電機。