JPWO2016009531A1

JPWO2016009531A1 - 回転電機

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Publication number: JPWO2016009531A1
Application number: JP2016534047A
Authority: JP
Inventors: 勧也藤澤; 琢也川島
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2014-07-17
Filing date: 2014-07-17
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2034-07-17
Also published as: CN106416014A; WO2016009531A1; CN106416014B; JP6259087B2; EP3171492A1; EP3171492A4; EP3171492B1

Abstract

冷却ファンからの冷却風を、回転電機表面に効率良く案内する。反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、前記ハウジングの反出力軸側に設けられる冷却用のフィンを、外表面に複数備えるエンドブラケットと、反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施されたファンカバーと、を有する回転電機であって、前記ハウジング外周面のフィンの数と、前記エンドブラケット外表面のフィンの数とは、同数であり、前記エンドブラケットの外表面の複数のフィンは、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、また、外周側では、端部断面が、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面と、間隙無く或いは間隙を少なく対向する。

Description

本発明は、回転電機に係り、回転電機の外面に冷却風を案内する冷却構造を有する回転電機に関する。

回転電機は、大出力化や大トルク化を実現しようとする場合、その体格は一般的に大型化する傾向にある。回転電機の大型化に伴い、回転電機の組み込まれる機械側装置においても大型化が必要になるため、装置の設置スペースの制約や高コスト化などの課題が生じる。

回転電機においては、駆動状態で負荷印加より発生する銅損や鉄損などの損失を起因として、回転電機内部で熱が発生し、熱伝導によりハウジング表面より放熱される。このハウジング表面の排熱を迅速に行なうことにより、同一出力での小型化が可能となり、低コスト化が図れる。また、同一体格とした場合は、高出力化や大トルク化が可能となる。永久磁石型回転電機においては、回転電機内部の温度上昇が抑制されることから、永久磁石の温度上昇が抑制され、永久磁石の永久減磁に対する耐量が拡大するため、永久磁石の薄型化が可能となり、更なる低コスト化が図れる。

ハウジング表面の排熱に対する冷却効率の向上のために、冷却ファンがしばしば採用される。冷却ファンを用いた冷却構造の一例として、特許文献１がある。特許文献１には、反出力軸側の中心位置に冷却ファンを設けるとともに、エンドブラケット外表面に径方向に放射状に延びる複数のフィンを設け、冷却ファンから吐き出される冷却風を整流し、ハウジング側へ効率良く導くことで、冷却効率を向上させる構造が開示されている。

特開２０１４−３７８７１号公報

特許文献１に記載の冷却構造は、反出力軸側の中心位置に設けられる冷却用ファンが自励ファンであるため、モータ軸の回転方向が時計方向、反時計方向のいずれに対しても冷却性能が同一となるように、エンドブラケット外表面に設けられる複数のフィンは回転軸から放射状に対称配置となっている。そのため、自励ファンより吐き出される冷却風は旋回流であることから、中心を同じとし内周側から外周側へ直線状に伸びるエンドブラケット外表面のフィンに、冷却風が衝突し、すなわち、フィンが通風抵抗となり、冷却風の風速が低下してしまう。

また、特許文献１に記載の冷却構造では、エンドブラケット外表面に設けられている複数のフィンが、連結するハウジング外周面のフィンに対して、一つおきに配置されている。そのため、エンドブラケット外表面のフィンと連結されていないハウジング外周面のフィンの端部と冷却ファンからの冷却風とが衝突することで乱流が生じ、冷却風が相互に干渉するため、冷却風をモータ本体側へ効率良く導くことができない。

本発明は、より効率良く回転電機の冷却を行うことを目的とする。

上記課題を達成するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、前記ハウジングの反出力軸側に設けられる冷却用のフィンを、外表面に複数備えるエンドブラケットと、反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施されたファンカバーと、を有する回転電機であって、前記ハウジング外周面のフィンの数と、前記エンドブラケット外表面のフィンの数とは、同数であり、前記エンドブラケットの外表面の複数のフィンは、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、また、外周側では、端部断面が、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面と、間隙無く或いは間隙を少なく対向する回転電機である。

また、他の一例を挙げるならば、反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、前記ハウジングの反出力軸側に設けられるエンドブラケットと、反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施され、また内面に複数のフィンを備えたファンカバーと、を有する回転電機であって、前記ファンカバー内面のフィンの数と前記ハウジング外周面のフィンの数とは、同数であり、前記ファンカバーの内面の複数のフィンは、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、また、外周側では、フィンの端部断面が、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面と、間隙無く或いは間隙を少なく対向する回転電機である。

また、他の一例を挙げるならば、反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、前記ハウジングの反出力軸側に設けられる、冷却用のフィンを外表面に複数備えるエンドブラケットと、反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施され、また内面に複数のフィンを備えたファンカバーと、を有する回転電機であって、前記ハウジング外周面のフィンの数と、前記ファンカバーの内面のフィンの数と、前記エンドブラケット外表面のフィンの数とは、同数であり、前記ファンカバー内面の複数のフィンが、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、前記ファンカバー内面のフィンの外周側端部断面と、前記エンドブラケット外表面のフィンの内周側端部断面とが、間隙無く或いは間隙を少なく対向し、また、外周側において、前記エンドブラケット外表面のフィンの外周側端部断面と、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面とが、間隙無く或いは間隙を少なく対向する回転電機である。

本発明によれば、回転電機の冷却効率が向上する。

本発明を適用した実施例１のエンドブラケット外表面のフィンを示す図である。実施例１の回転電機を示す側面図である。実施例１における冷却風の流れを示す図である。実施例１における冷却風の流れを示す図である。本発明を適用した実施例２の回転電機を示す側面図である。本発明を適用した実施例３の回転電機を示す側面図である。エンドブラケット外表面に施すフィン形状の変形例を示す図である。ファンカバー内面に施すフィン形状の変形例を示す図である。

本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

本発明を適用した実施例１の回転電機を、図１および図２に示す。図１は、反出力軸側のエンドブラケット３の表面部分を、反出力軸側から見た図である。また、図２は、実施例１の回転電機の側面図を示す。

実施例１の回転電機は、ハウジング５と、出力軸である回転軸７を備えており、ハウジング５の外周面には、出力軸と平行に延びる複数のフィン６が設けられている。フィン６は、例えばハウジングの外周面から径方向に放射状に設けられている。なお、複数のフィンは出力軸に対して螺旋状に延びていてもよい。ハウジング５の反出力軸側には、エンドブラケット３が取り付けられており、エンドブラケット３の外表面には、軸心側を中心としてハウジング５の外周側に向かって放射状の傾斜が設けられる。即ちエンドラケット３の外表面は、概略円錐台の形状を有する。この為、出力軸方向に向かってエンドブラケット３に流れる冷却風が、ハウジング外周に流れやすくなっている。なお、エンドブラケット３の外表面の形状は、多角錐台、半球形又は漏斗形状であってもよく、円錐台に限定されるものではない。

エンドブラケット３の外表面には、内周側から外周側へ延びる複数のフィン４が配置される。フィン４の数は、ハウジング５の外周面に設けられたフィン６の数と同数である。フィン４は、エンドブラケット３の中央側の端部よりも外周側端部側が左右何れかの回転方向に傾斜して設けられる。傾斜する方向は、後述するファンから送風される旋回風の旋回方向に一致する（本例の場合、外周側端部が右回転方向に傾斜。）。また、フィン４の外周側の最端部はエンドブラケット３の中心からの放射延長線と夫々並行になる様に形成される。フィン４は、この並行部分の外周側端部断面と、ハウジング５外周上のフィン６のエンドブラケット側端部断面とが間隙無く或いは間隙を少なく対向するようになっており、両端部断面が近接又は接触するように構成される。即ち端部断面同士が対向するフィン４、６の組の間に、エンドブラケット３の内周側からハウジング５の外周に向かって連続する流路が形成されるようになっている。

また、フィン４の少なくともフィン６に対向する端部断面付近のフィン幅（厚さ）は、フィン６の端部断面のフィン幅（厚さ）以上であることが好ましく、両者が同幅であればなお好ましい。端部断面の対向部分において、冷却風８の抵抗となる要素（段差や隙間）を無くす為である。

回転軸７の反出力軸側延長方向には、冷却風８を生成する他励ファン１がファンカバー２に支持されて配置される。他励ファンとは、ファン中央が回転軸７に接続されて、回転軸７と共回りすることで冷却風を生成する自励ファンとは異なり、回転電機とは別のモータ等により駆動されるファンである。他励ファン１が生成する冷却風は旋回流である（本例では、エンドブラケット３に対して右旋回である。）。なお、本発明は他励ファンに限定されるものではなく自励ファンであってもよく、エンドブラケット３に対して旋回流となる冷却風を生成するものが好適である。

ファンカバー２は、エンドブラケット３の外表面、フィン４及びフィン６の反出力軸側付近全体を覆う概略凹椀の内周形状を有する。また、ファンカバー２の内周の一部には、環状の直線部分からなる傾斜が設けられており、ファンカバー２の回転軸７延長線方向中央部分に設置された他励ファン１からの冷却風８が、ハウジング５の外周面に案内されるようになっている。なお、本実施例では鉄やアルミ等の金属性のファンカバー２を例示するが、樹脂等であってもよい。

ここで、図２に示すように、フィン４の外周側且つ反出力軸方向の角は、ファンカバー２内周の傾斜と概略並行に切り欠かかれた形状を有し、ファンカバー２を回転電機に設置した際、この切欠き部分の頭頂部と、ファンカバー２の傾斜部分とが近接又は接触するように構成されている。

次に、冷却風８の流れを、図３Ａおよび図３Ｂにより説明する。図３Ａは、エンドブラケット３の表面部分を、反出力軸側から見た図であり、図３Ｂは、回転電機を側面から見た図である。ファン１から旋回状に吐き出される冷却風８は、内周側において、冷却風８の風向に沿うように配置されたエンドブラケット３の外表面のフィン４に沿って流れる。また、ファンカバー２に施された傾斜と冷却風８が吹き付けられるエンドブラケット３の外表面の傾斜により、冷却風８はエンドブラケット３の外周側へ導かれる。エンドブラケット３の外周側に導かれた冷却風８は、ファンカバー２と、エンドブラケット３の外周側およびハウジング４の外周面との隙間を滑らかに通過し、ハウジング５側へ吐き出される。

エンドブラケット３に送風される冷却風８は旋回風である。フィン４は、旋回風の旋回方向に向かって外周側が傾斜することから、フィン４に対して衝突する冷却風の直進成分がフィン４の傾斜分だけ減衰されることなく外周側に進行する。即ち風圧を保持したまま外周側に進行する。エンドブラケット３の表面及びハウジング５の表面を進行する冷却風の風量が大となり、冷却効率が向上する。

更に、フィン４と、フィン６との端部断面同士が、近接又は接触するように、間隙無く或いは間隙を少なく対向して配置されることから、両者によって確保された流路が、風量が大となった冷却風の拡散や乱流の発生を防止し、より効率良く冷却風８をハウジング５の外周まで流通させることができる。

更に、フィン４が外周側に向かって傾斜することから、エンドブラケット３の中心から放射直線状に形成される場合に比してフィン長が長くなり、エンドブラケット３の放熱要素（フィン４及びエンドブラケット３外表面）が増加するという効果もある。

そして、フィン４及び６による冷却効率の向上作用によって、他励ファン１の省電力化や小型化も期待することができる。即ち本実施例の構成を適用しない回転電機に比して、本実施例の回転電機では、エンドブラケット３やハウジング４の表面を流通する風量が増加する。従って、他励ファン１のサイズダウン等も可能となる。

なお、本実施例では、エンドブラケット３の形状を概略錐台形状とし、冷却風の流通効率を向上させているが、例えば、回転電機がサーボモータである場合には、反出力軸側のエンドブラケット３側に回転数等を計測するエンコーダ等が内蔵される場合がある。錐台形状のエンドブラケット３内部を、エンコーダ内蔵空間とする構成も可能である。特に、エンコーダを必要とする構成では、反出力軸側に自励ファンを設置することができず、他励ファンによる冷却構造を取ることもある。本実施例の構成をサーボモータに適用することは、エンコーダの設置構成や空間を維持しつつ冷却効率を向上させることができ、特に好適な適用例の1つであると言える。

本発明を適用した実施例２の回転電機を、図４に示す。実施例１では、反出力軸側のエンドブラケット３の外表面にフィン４を設ける構成としたが、実施例２ではエンドブラケット３の外表面ではなく、他励ファン１が取り付けられるファンカバー２の内面に複数のフィン９を設けることを特徴の一つとする。

フィン９は、ファンカバー２内面の内周側から、ハウジング５の外周面のフィン６に対応する位置まで形成されている。フィン９の数は、ハウジング５の外周面に設けたフィン６の数と同数である。

ファンカバー２の内面に設けるフィン９は、内周側において、他励ファン１より旋回状に吐き出される冷却風８の風向に沿う角度で配置される。そして、フィン９は、内周側から外周側へ向かい直線形状を成し、ある点、例えばハウジング５の外周面の位置、で屈折し、外周側へ向かい直線状に設けられている。

そして、実施例１のフィン４と同様に、フィン９の外周最端部断面と、フィン６の端部断面とは、近接又は接触するように、間隙無く或いは間隙を少なく対向して構成されている。

実施例２の構造とすることにより、実施例１と同様の効果が得られ、冷却風８とフィン９との衝突を緩和することができ、また、冷却風８がハウジング５の外周面のフィン６の端部へ衝突することにより発する乱流を抑制することができ、滑らかにハウジング側へ冷却風８を導くことができ、回転電機の冷却効率を向上することができる。

また、ファンカバー２にフィン９を設けることにより、他励ファン１の近くからフィンを設けることができ、冷却風の整流効果が向上する。

また、実施例１のフィン４に比して、実施例２のフィン９自体が放熱要素としての機能は要求されない分、ファンカバー２を樹脂等で安価に製造しやすくなるとも言える。回転電機の冷却効率を向上させつつ製造上のコストや軽量化メリットも期待できる。
更に、ファンカバー２にフィン９を設け、他励ファン１を取り付けて一体化することにより、回転電機の製造、組み立て面のメリットも期待できる。

本発明を適用した実施例３の回転電機を、図５に示す。実施例３では、反出力軸側のエンドブラケット３の外表面に複数のフィン４が設けられ、また反出力軸の中心に位置する他励ファン１が取り付けられるファンカバー２の内面に複数のフィン９が設けられている。フィン４およびフィン９の数は、ハウジング５の外周面に設けたフィン６の数と同数である。

ファンカバー２の内面に設けるフィン９は、内周側において、他励ファン１より旋回状に吐き出される冷却風８の風向に沿う角度で配置される。そして、ファンカバー２の内面に形成されるフィン９の端部断面と、エンドブラケット３の外表面に形成されるフィン４の端部断面とは、近接又は接触するように、間隙無く或いは間隙を少なく対向して構成されている。フィン９とフィン４とで構成されるフィン体は、内周側から外周側へ向かい直線形状を成し、ある点、例えばハウジング５の外周面の位置、で屈折し、外周側へ向かい直線状に形成されている。そして、エンドブラケット３の外周部において、それぞれのフィン４の端部断面が対応するハウジング外周面のフィン６の端部断面と、近接又は接触するように、間隙無く或いは間隙を少なく対向して構成されている。

実施例３の構造とすることにより、実施例１もしくは実施例２と同様の効果が得られ、冷却風８とファンカバー２の内面のフィン９もしくはエンドブラケット３の外表面のフィン４との衝突を緩和することができる。また、フィン９とフィン４との連結部、フィン４とフィン６との連結部における乱流の発生を抑制することができ、滑らかにハウジング側へ冷却風８を導くことができ、回転電機の冷却効率を向上することができる。

また、ファンカバー２にフィン９を設けることにより、実施例２と同様に、他励ファン１の近くからフィンを設けることができ、冷却風の整流効果が向上する。

実施例４は、フィン４或いはフィン９の形状を、実施例１或いは実施例２とは、変えたものである。図６Ａは、反出力軸側から見たエンドブラケット外表面に施すフィン形状の変形例を示す図であり、図６Ｂは、出力軸側から見たファンカバー内面に施すフィン形状の変形例を示す図である。

図６Ａにおいて、エンドブラケット３の外表面のフィン４の形状は、内周側では冷却風の旋回方向に沿うように配置し、内周側から外周側に向かうにつれて滑らかに湾曲させ、ある点、例えばハウジングの外周に対応する位置よりエンドブラケット３の外周側に向かい直線状に形成する。

また、図６Ｂにおいて、ファンカバー２の内面のフィン９の形状は、内周側では冷却風の旋回方向に沿うように配置し、内周側から外周側に向かうにつれて滑らかに湾曲させ、ある点、例えばハウジングの外周に対応する位置よりエンドブラケット３の外周側に向かい直線状に形成する。

本実施例では、エンドブラケット３の外表面のフィン４、或いは、ファンカバー２の内面のフィン９が、内周側から外周に向かうにつれて滑らかに湾曲しているので、冷却風をより滑らかにハウジング側に導くことができ、回転電機の冷却効率を向上することができる。

１他励ファン
２ファンカバー
３エンドブラケット
４エンドブラケット外表面のフィン
５ハウジング
６ハウジング外周面のフィン
７回転軸（出力軸）
８他励ファンからの冷却風
９ファンカバー内面のフィン

Claims

反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、
前記ハウジングの反出力軸側に設けられる冷却用のフィンを、外表面に複数備えるエンドブラケットと、
反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、
前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施されたファンカバーと、
を有する回転電機であって、
前記ハウジング外周面のフィンの数と、前記エンドブラケット外表面のフィンの数とは、同数であり、
前記エンドブラケットの外表面の複数のフィンは、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、また、外周部では、端部断面が、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面と、間隙無く或いは間隙を少なく対向する回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記エンドブラケット外表面のフィンが、内周側から外周側へ向かい直線形状をなし、ある点で屈折し、外周側へ向かい直線状に形成された回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記エンドブラケット外表面のフィンが、内周側から外周側に向かうにつれて滑らかに湾曲し、ある点より外周側へ向かい直線状に形成された回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記エンドブラケットの外表面の複数のフィンの外周側端部近傍の厚みと、前記ハウジング外周面の複数のフィンの反出力軸側近傍の厚みとが、略同一である回転電機。
請求項１に記載の回転電機であって、
前記冷却用のファンが、他励ファンである回転電機。
請求項５に記載の回転電機であって、
前記他励ファンが、前記ファンカバーに取り付けられている回転電機。
反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、
前記ハウジングの反出力軸側に設けられるエンドブラケットと、
反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、
前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施され、また内面に複数のフィンを備えたファンカバーと、
を有する回転電機であって、
前記ファンカバー内面のフィンの数と前記ハウジング外周面のフィンの数とは、同数であり、
前記ファンカバーの内面の複数のフィンは、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、また、外周側では、フィンの端部断面が、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面と、間隙無く或いは間隙を少なく対向する回転電機。
請求項７に記載の回転電機であって、
前記ファンカバー内面のフィンが、内周側から外周側へ向かい直線形状をなし、ある点で屈折し、外周側へ向かい直線状に形成された回転電機。
請求項７に記載の回転電機であって、
前記ファンカバーの内面のフィンが、内周側から外周側に向かうにつれて滑らかに湾曲し、ある点より外周側へ向かい直線状に形成された回転電機。
請求項７に記載の回転電機であって、
前記ファンカバー内面のフィンの外周側端部近傍の厚みと、前記ハウジング外周面の複数のフィンの反出力軸側近傍の厚みとが、略同一である回転電機。
請求項７に記載の回転電機であって、
前記冷却用のファンが、他励ファンである回転電機。
請求項１１に記載の回転電機であって、
前記他励ファンが、前記ファンカバーに取り付けられている回転電機。
反出力軸側端部から出力軸側に向かって延伸する冷却用のフィンを外周面に複数備えるハウジングと、
前記ハウジングの反出力軸側に設けられる、冷却用のフィンを外表面に複数備えるエンドブラケットと、
反出力軸側の中心位置に配置される冷却用のファンと、
前記ファンからの冷却風が前記ハウジング側へ向かうように傾斜が施され、また内面に複数のフィンを備えたファンカバーと、
を有する回転電機であって、
前記ハウジング外周面のフィンの数と、前記ファンカバーの内面のフィンの数と、前記エンドブラケット外表面のフィンの数とは、同数であり、
前記ファンカバー内面の複数のフィンが、内周側では、旋回流である前記ファンからの冷却風の風向に沿う角度で配置され、
前記ファンカバー内面のフィンの外周側端部断面と、前記エンドブラケット外表面のフィンの内周側端部断面とが、間隙無く或いは間隙を少なく対向し、
また、外周側において、前記エンドブラケット外表面のフィンの外周側端部断面と、前記ハウジング外周面のフィンの反出力軸側端部断面とが、間隙無く或いは間隙を少なく対向する回転電機。
請求項１３に記載の回転電機であって、
前記ファンカバーの内面のフィンと、前記エンドブラケット外表面のフィンとで構成されるフィン体が、内周側から外周側へ向かい直線形状をなし、ある点で屈折し、外周側へ向かい直線状に形成された回転電機。
請求項１３に記載の回転電機であって、
前記ファンカバーの内面のフィンと、前記エンドブラケット外表面のフィンとで構成されるフィン体が、内周側から外周側に向かうにつれて滑らかに湾曲し、ある点より外周側へ向かい直線状に形成された回転電機。
請求項１３に記載の回転電機であって、
前記ファンカバー内面のフィンの外周側端部近傍の厚みと、前記エンドブラケット外表面の複数のフィンの内周側端部近傍の厚みとが、略同一であり、
前記エンドブラケット外表面の複数のフィンの外周側端部近傍の厚みと、前記ハウジング外周面の複数のフィンの反出力軸側端部近傍の厚みとが、略同一である回転電機。
請求項１３に記載の回転電機であって、
前記冷却用のファンが、他励ファンである回転電機。
請求項１７に記載の回転電機であって、
前記他励ファンが、前記ファンカバーに取り付けられている回転電機。