WO2013001645A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

　本発明に係る回転電機は、固定子鉄心と固定子コイルとを有する固定子と、固定子に対してギャップを介して回転可能に設けられた回転子と、固定子および回転子を収納する筐体と、筐体内部の空気をギャップを通過して筐体内で循環する送風ファンと、送風ファンで循環する空気を冷却する熱交換器と、熱交換器で冷却され空気が、固定子コイルに接触せずにギャップに流入するように冷却風を案内する導風経路が内部に形成される導風板と、を備える。

Description

回転電機

　本発明は、回転子を冷却する熱交換器を有する回転電機に関する。

　近年、回転電機の大出力化が進み、出力密度を増加することが要求されている。しかし、出力密度の増加は発熱密度の増加につながり、コイルや永久磁石の温度上昇が問題となっている。特に永久磁石は高温で減磁するおそれがあるため、冷却の高効率化は必須である。

　特許文献１には、回転電機の固定子コアの外周に冷却冷媒の通路を設け、この通路に液相から気相に変化する冷媒を流し、この冷媒にステータコイルで発生した熱を吸収させる構造が開示されている。

　特許文献２には、次のような回転子冷却構造を有する回転電機が開示されている。回転子軸には穴が設けられている。そして、この風穴に内気を通風するとともに、固定子と回転子の間のギャップに内気を通風させる内気ファンと、外気を通風する外気ファンとが設けられ、さらに、内気と外気とを熱交換させる熱交換器が固定子の外側に設けられている。

特開２００９－３８８６４号公報 特開２００７－９７３２５号公報

　このような従来の回転電機の回転子冷却構造においては、熱交換器が固定子の外側に設けられていた。回転子と固定子の間のギャップに内気を通風して回転子を冷却する場合、内気はこのギャップに流入する前にコイルエンドと熱交換を行い、その結果、暖められた内気がギャップに流入するので、回転子を効率良く冷却することができなかった。

　本発明の第１の態様によると、回転電機であって、固定子鉄心と固定子コイルとを有する固定子と、固定子に対してギャップを介して回転可能に設けられた回転子と、固定子および回転子を収納する筐体と、筐体内部の空気をギャップを通過して筐体内で循環する送風ファンと、送風ファンで循環する空気を冷却する熱交換器と、熱交換器で冷却され空気が、固定子コイルに接触せずにギャップに流入するように冷却風を案内する導風経路が内部に形成される導風板、とを備える。
　本発明の第２の態様によると、第１の態様の回転電機において、筐体は、筒状の本体と、本体の両端を覆い、回転軸の両端をそれぞれが支承するフロントブラケットおよびリアブラケットを含み、熱交換器は、フロントブラケットおよびリアブラケットのいずれか一方に接触するように取り付けられ、熱交換器が接触するフロントブラケットまたはリアブラケットを介して外気から冷却されることが好ましい。
　本発明の第３の態様によると、第２の態様の回転電機において、導風板は、ギャップの冷却空気入口に設けられ、固定子コイルのエンド部が導風経路の外側になるように配設されることが好ましい。
　本発明の第４の態様によると、第３の態様の回転電機において、導風板は、熱交換器の冷却空気出口と固定子鉄心の端面との間において、固定子コイルのエンド部が導風経路の外側になるように配設されることが好ましい。
　本発明の第５の態様によると。第４の態様の回転電機において、回転子は固定子の内側に配設され、熱交換器は環状体であり、この環状熱交換器が回転子の回転軸芯と同軸でフロントブラケットまたはリアブラケットに設置され、冷却空気出口は環状熱交換器の固定子側端面に開口し、導風板は、冷却空気出口から流出する冷却空気が導風経路に案内されて回転軸芯に沿った方向に導かれてギャップに流入するように漏斗形状に形成されていることが好ましい。
　本発明の第６の態様によると、第１乃至第５の態様のいずれか１つ態様の回転電機において、回転子に接続された回転軸をさらに有し、送風ファンは回転軸に装着されていることが好ましい。
　本発明の第７の態様によると、第６の態様の回転電機において、送風ファンは、回転軸の一端に装着された押し込み型送風ファンまたは遠心型送風ファンであることが好ましい。
　本発明の第８の態様によると、第６の態様の回転電機において、送風ファンは、回転軸の一端に設置された第１送風ファンと、回転軸の他端に設置された第２送風ファンとを含み、第１および第２送付ファンは一方が押し込み型送風ファン、他方が遠心型送風ファンであることが好ましい。
　本発明の第９の態様によると、第１の態様の回転電機において、熱交換器は、回転軸の両端にそれぞれ設けた第１および第２の熱交換器を含むことが好ましい。
　本発明の第１０の態様によると、第９の態様の回転電機において、固定子は、ギャップの軸方向中央部から径方向に周面に貫通する複数の固定子ラジアルダクトを備え、送風ファンは、回転軸の両端にそれぞれ設けられた押し込み型の第１および第２の送風ファンを含むことが好ましい。
　本発明の第１１の態様によると、第１０の態様の回転電機において、回転子は、ギャップの軸方向中央部から内径方向に向けて穿設された複数の回転子ラジアルダクトと、回転子の両端面から回転軸方向に延在して回転子ラジアルダクトに連通する回転子アキシャルダクトとを備えることが好ましい。
　本発明の第１２の態様によると、第９の態様の回転電機において、固定子は複数の固定子スプリットコアから成り、回転子は複数の回転子スプリットコアから成り、複数の固定子スプリットコアの内、連続した２つの固定子スプリットコアの間には、ギャップの軸方向中央部から径方向に貫通する複数のダクトスペースを備えた固定子ラジアルダクト構造体が設けられ、複数の回転子スプリットコアの内、連続した２つの回転子スプリットコアの間には、回転子アキシャルダクトの軸方向中央部から径方向に貫通する複数のダクトスペースを備えた回転子ラジアルダクト構造体が設けられ、送風ファンは、回転軸の両端にそれぞれ設けられた押し込み型の第１および第２の送風ファンを含むことを特徴とすることが好ましい。
　本発明の第１３の態様によると、第１乃至第５の態様のいずれか１つの態様の回転電機において、送風ファンは、固定子外周側に設けられ、回転電機外部から回転駆動されることが好ましい。
　本発明の第１４の態様によると、第１の態様の回転電機において、熱交換器は、回転電機の外部から供給される冷媒と冷却空気との間で熱交換することが好ましい。
　本発明の第１５の態様によると、第１４の態様の回転電機において、筐体は、筒状の本体と、本体の両端を覆うフロントブラケットおよびリアブラケットを含み、熱交換器は、フロントブラケットまたはリアブラケットに接触せず、回転子近傍に設けられることが好ましい。

　本発明による回転電機によれば、回転子を効率良く冷却することができる。とくに、永久磁石式回転電機では、回転子の永久磁石が効率良く冷却されるので、高出力密度の回転電機を実現することができる。

本発明による回転電機の第１の実施形態を示す概略図である。（ａ）は、回転子を挟んで回転子冷却用熱交換器と反対側にファンを設けた構造である。（ｂ）は、第１の実施形態の変形例であり、回転子冷却用熱交換器側にファンを設けている。 図１の回転電機のＡ－Ａ線での軸方向に垂直な面での断面の一部の概略図である。 本発明による回転電機の第２の実施形態を示す概略図である。 本発明による回転電機の第３の実施形態を示す概略図である。 本発明による回転電機の第４の実施形態を示す概略図である。 本発明による回転電機の第５の実施形態を示す概略図である。（ａ）は、回転電機を軸方向から見た熱交換器の配置を示し、（ｂ）は（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明による回転電機の第６の実施形態を示す図である。（ａ）は、回転電機を軸方向から見た円環状の熱交換器の配置を示し、（ｂ）は（ａ）のＣ－Ｃ線断面図である。 本発明による回転電機の第７の実施形態を示す図である。 本発明による回転電機の第８の実施形態を示す図である。（ｂ）は、（ａ）に示す回転電機１のＤ－Ｄ線での軸方向に垂直な面での断面概略図であり、固定子に設けたラジアルダクト１８の構造概略を示す。 本発明による回転電機の第９の実施形態を示す概略図である。（ｂ）は、（ａ）に示す回転電機１のＥ－Ｅ線での軸方向に垂直な面での断面概略図であり、回転子に設けた回転子ラジアルダクト２２の構造概略を示す。 図１０に示すアキシャルダクト２１と回転子ラジアルダクト２２の構造を説明するための図である。（ａ）は、回転子９のみを取り出して、軸方向と直角の方向から外観した図である。（ｂ）は回転子９を軸方向から外観した図である。 図１０に示すアキシャルダクト２１とは異なる構造のアキシャルダクトの例（第１０の実施形態の変形実施例）を示す概略図である。 本発明による回転電機の第１０の実施形態を示す概略図である。（ａ）は２つの分割された固定子鉄心および２つの分割された回転子鉄心を備えた第１０の実施形態の構造を示す軸方向の断面図である。（ｂ）は２つの固定子鉄心３ａと３ｂの間に設けられる固定子ラジアルダクト構造体の外観を示し、（ｃ）は２つの回転子鉄心９ａと９ｂの間に設けられる回転子ラジアルダクト構造体の外観を示す。 本発明による回転電機の第１１の実施形態を示す概略図である。 本発明による回転電機の第１２の実施形態を示す概略図である。（ｂ）は、（ａ）に示す回転電機をＦ－Ｆ線で軸方向に対し垂直な面で切断した断面を示す。

　以下、本発明の詳細を図１～図１４を参照して説明する。各図において同一部分は同じ番号を付与している。
＜第１の実施形態＞
　図１（ａ）は、本発明第１の実施形態である永久磁石式回転電機１の発電機軸方向の断面概略図である。筐体２の内部に、固定子３と回転子９、およびこれらを冷却するためのファン１３や熱交換器４および１５を備えている。当該構造は、数百ｋＷから数十ＭＷの永久磁石式回転電機に適している。
　筐体２は、円筒形状の本体２ｃと、円筒状本体２ｃの軸方向端部を覆うフロントブラケット２ａおよびリアブラケット２ｂとで構成され、ブラケット２ａ、２ｂは円筒状本体２ｃから取り外し可能である。

　固定子３は、例えばコイル５を分布的に巻いた分布巻固定子である。スロット数の組合せを問わず、コイル５に短節巻、全節巻、集中巻を採用しても良い。固定子３の外周面には、固定子冷却用の熱交換器４が配設されている。この熱交換器４は空冷式であり、ファン１３により循環される空気により冷却される。例えば、図１（ａ）を軸方向に垂直な面Ａ－Ａで切断した図である図２に示すように、回転電機内部で循環される空気により冷却されるフィンを固定子鉄心の外周面に突設した構造とすることができる。

　固定子３の内側には回転子９がギャップ１２を介して回転可能に配置されている。回転子９は、回転子鉄心８と、回転子鉄心８の外側に埋め込まれ永久磁石７とを有している。回転子鉄心８には両端から回転軸１０が突設され、回転軸１０の両端がフロントブラケット２ａとリアブラケット２ｂに設けた不図示の軸受けによりそれぞれ支持されている。

　回転軸１０の一端側には、回転軸１０と共に回転する遠心ファン１３が配置され、ファン１３により筐体２内の冷媒、この実施の形態では空気が循環する。図１中の矢印は冷媒の流れを示している。すなわち、冷媒は、固定子３と回転子９との間のギャップ１２による第１循環通路Ｐ１、固定子コイルエンドとリアブラケット２ｂとの間の第２循環通路Ｐ２、固定子冷却用熱交換器４の周面と円筒状本体２ｃとの間の第３循環通路Ｐ３、固定子コイルエンドとフロントブラケット２ａとの間の第４循環通路Ｐ４により構成される循環通路を循環する。図１（ａ）では、フロントブラケット２ａと固定子３との間に形成されている循環通路Ｐ４内に熱交換器１５が配置されている。

　熱交換器１５は、環状の外観形状を呈し、回転軸１０と同軸でフロントブラケット２ａに取り付けられている。熱交換器１５は、例えばフロントブラケット２ａを介して空冷される空冷型である。後述するように、熱交換器１５は全体として角筒（図６参照）、もしくは円環（図７参照）である。

　熱交換器１５と固定子鉄心の端面との間には導風板１４が設けられている。導風板１４は、熱交換器１５で冷却され空気が固定子コイルエンドに接触せずにギャップ１２に流入するように冷却風を案内する。換言すると、導風板１４は、熱交換器１５の冷却空気出口から流出する冷却空気を回転軸芯に沿った方向に導く漏斗形状に形成され、循環通路Ｐ４から循環通路Ｐ１へ冷却風を導く導風経路を構成する。したがって、固定子コイルのエンド部は導風経路である導風板１４の外側に位置することになる。

　導風板１４は合成ゴム、シリコンゴム、あるいはプラスチック等の断熱性および制振性の良好なパッキンを介して固定子３に接触することが好ましい。
　導風板１４の形状は熱交換器１５の形状に対応して様々な形状がある。熱交換器形状に応じた導風板形状については後述する。

　冷媒は、循環通路Ｐ４に配置された回転子冷却用熱交換器１５の吸熱部、例えば冷却液やフィンとの間で熱交換されて冷却され、固定子３は、固定子鉄心の外周に接するように設けられた熱交換器４により外周から冷却される。

　以上説明した熱交換器１５と導風板１４により、遠心ファン１３の回転により、循環通路Ｐ３からＰ４に流れ込む冷媒は、全量が熱交換器１５の環状体外周面からその内周部に導入され、冷却された冷媒が全量、ギャップ１２に導入される。
　なお、上記ではフロントブラケット２ａ側から冷却された冷媒がギャップ１２に流入し、リアブラケット２ｂ側から円筒形状の本体２ｃの内面に沿って、再びフロントブラケット２ａ側に還流し、熱交換器１５で冷却される、すなわち循環通路Ｐ１－Ｐ２－Ｐ３－Ｐ４を冷媒が流れるように説明した。図１に示す回転電機は、左右逆の配置であっても同等であり、従ってファン、熱交換器、導風板等を全て図１で左右逆の配置として、冷媒が流れる経路もこれに対応して逆の方向で循環するものであってもよい。また、従ってフロントブラケット２ａとリアブラケット２ｂも、ここでは単に回転軸の両側のブラケットを区別するためのものであり、図１の位置で左右が逆となっていてもよい。以下の実施形態の説明においても、図２から図１４で全て左右を逆にしても同等であり、便宜上図の左側からギャップ１２に冷媒が流入するとし、左側のブラケットをフロントブラケット、右側のブラケットをリアブラケットとする。

　ここで、永久磁石７が埋め込まれている回転子鉄心８の外周部では、スロットリプル、電源高調波等によりうず電流損失が発生して発熱し、温度が上昇する。永久磁石７は温度依存性を持っており、温度上昇に伴い特性が低下する。さらに磁石動作点がクニック点を超えた場合、不可逆減磁が発生する。従って、回転子鉄心８の外周部は、永久磁石がクニック点を超えないように、充分に冷却される必要がある。

　通常、永久磁石７にくらべコイル５は温度上昇限度が高い。このため永久磁石７の温度が永久磁石式回転電機の使用温度の上限値を決めている。すなわち永久磁石式回転電機の小型化、高出力密度化のためには、永久磁石の冷却性能を改善することが最も重要である。よって循環通路内に熱交換器１５を配置する際、従来のように熱交換器を固定子外周側のみに設置すると、冷媒（例えば空気）が通風路中の磁石以外の発熱部（例えばコイルエンドや固定子コア）との熱交換を行うため磁石を優先的に冷やすことができない。

　そこで、熱交換器１５を回転子９の近傍に配置することで、コイルエンドなどの発熱部材と熱交換されない冷媒が回転子９を優先的に冷やすことができ、回転子９に埋め込まれた永久磁石７を低い温度に保持することができる。また、熱交換器１５を回転子近傍に積極的に配置可能とすることで、回転子９を効率的に冷却できる構造とすることができる。このように回転子９を優先的に冷却することで、磁石の温度上昇を低減でき、永久磁石式回転電機の小型化が可能となる。

　以上のように構成された第１の実施の形態の回転電機では、駆動信号により回転子９が回転すると遠心ファン１３が回転し、筐体２内の空気が循環通路Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ１のように循環する。循環通路Ｐ３からＰ４に流入する空気は、熱交換器１５の外周面からその内周空間に流入する。この過程で、循環空気は熱交換器１５で熱交換されて冷却される。循環通路Ｐ４には、循環通路Ｐ３から流入する空気の全量を熱交換器１５へ流入させる導風板１４が設けられている。換言すると、導風板１４は、循環通路Ｐ３からギャップ１２の冷媒流入口に空気が直接流れないようにする邪魔板として機能する。この導風板１４の存在により、循環通路Ｐ３から循環通路Ｐ４に流入して固定子３のコイルエンドに接触して加熱された空気がギャップ１２に流入することが回避される。ギャップ１２には、熱交換器１５で冷却された空気のみが流入するので、回転子９を効率よく冷却することができる。

＜第１の実施形態の変形例＞
　第１の実施の形態を次のように変形して実施することもできる。
（１）図１（ｂ）は、第１の実施の形態の変形例を示す図である。図１（ａ）に示す遠心ファン１３に代えて、押し込みファン１６を熱交換器１５の内周側に配設したものである。図１（ｂ）の回転電機においても、図１（ａ）の回転電機と同様の空気の循環が実現でき、同様の作用効果を奏することができる。

（２）回転電機１の出力や固定子３での発熱に合わせて、固定子冷却用熱交換器４は種々の形態が採用可能である。図１（ａ）、図２で示した空冷式熱交換器４に代えて、回転電機１の外部から冷却された冷媒液を熱交換器に供給して冷却する液冷式熱交換器を採用してもよい。
（３）回転電機の出力が小さい場合は、発熱も少ないので、熱交換器４が不要の場合もある。すなわち、図１（ａ）、（ｂ）の回転電機で熱交換器４は必須の構成ではない。

（４）図１（ａ）、（ｂ）では、回転軸１０を中心とした環状の熱交換器１５を設けたが、本発明による回転電機は、環状熱交換器１５に限定するものではない。また、ファンの出力（冷媒流量）や熱交換器の容量、およびこれらの個数は、回転子および固定子で発生する熱を冷却するのに充分な出力や容量となるように設計される。

（５）熱交換器１５は、フロントブラケット２ａを介して空冷される空冷型として説明したが、外部から冷媒を導入して回転電機内部の空気と熱交換する液冷型を採用してもよい。どのようなタイプの熱交換器を選択するかは、モータの出力に対応して設計され、後述するようにモータの発熱が永久磁石の性能を損なわないように設計される。
（６）熱交換器１５と導風板１４とを別体としたが、両者を一体化してもよい。

＜第２の実施形態＞
　図３は、第２の実施の形態の回転電機を説明する図である。
　図１（ａ）、（ｂ）では、冷媒のギャップ１２への入り口側、すなわちフロントブラケット２ａ側に熱交換器１５を設置した例を示しているが、第２の実施の形態の回転電機では、図３に示すように押し込みファン１６をギャップの冷媒入り口側、すなわちフロントブラケット２ａ側に設け、これと反対側、すなわちリアブラケット２ｂ側に熱交換器１５を設置している。第２の実施の形態でも、図示するように、固定子鉄心の端面に漏斗状の導風板１４を設けて、コイル５で暖められた冷媒がギャップ１２の冷媒入り口側から直接入り込まないようにする。

　以上のように構成された第２の実施の形態の回転電機では、駆動信号により回転子９が回転すると押込ファン１６が回転し、筐体２内の空気が循環通路Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ１のように循環する。循環通路Ｐ１からＰ２に流入する空気は、熱交換器１５の内周側から外周側に流れる。この過程で、空気は熱交換器１５で交換されて冷却される。冷却された空気は循環通路Ｐ２から循環通路Ｐ３、Ｐ４に流入する。循環通路Ｐ４に流入した空気は、導風板１４内部の漏斗状の導風経路を流れてギャップ１２である循環通路Ｐ１に流れ込み、回転子９を効率よく冷却する。
　循環通路Ｐ４の導風板１４の存在により、循環通路Ｐ３から循環通路Ｐ４に流入して固定子３のコイルエンドに接触して加熱された空気がギャップ１２に直接流入することが抑制される。

＜第３の実施形態＞
　図４は第３の実施の形態の回転電機を説明する図である。
　第３の実施の形態による回転電機では、図１（ａ）に示した回転電機に対して、ギャップ１２の冷媒出口側に環状の熱交換器が追加的に配置されている。すなわち、第３の実施の形態の回転電機では、ギャップ１２の冷媒出入口の双方に熱交換器１５ａと熱交換器１５ｂがそれぞれ配設されている。これら熱交換器１５ａ，１５ｂの大きさ、すなわち熱交換性能は左右同一でなくてもよい。

　以上のように構成された第３の実施の形態の回転電機では、駆動信号により回転子９が回転するとファン１３が回転し、筐体２内の空気が循環通路Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３→Ｐ４→Ｐ１のように循環する。循環通路Ｐ１からＰ２に流入する空気は、熱交換器１５ｂの内周側から外周側に流れる。この過程で、空気は熱交換器１５ｂで熱交換されて冷却される。冷却された空気は循環通路Ｐ２から循環通路Ｐ３、Ｐ４に流入する。循環通路Ｐ４に流入する空気は、熱交換器１５の外周面からその内周空間に流入する。この過程で、循環空気は熱交換器１５で熱交換されて冷却される。循環通路Ｐ４には、循環通路Ｐ３から流入する空気の全量を熱交換器１５へ流入させる導風板１４が設けられている。換言すると、導風板１４は、循環通路Ｐ３からギャップ１２の冷媒流入口に空気が直接流れないようにする邪魔板として機能する。この導風板１４の存在により、循環通路Ｐ３から循環通路Ｐ４に流入して固定子３のコイルエンドに接触して加熱された空気がギャップ１２に流入することが回避される。その結果、回転子９が効率よく冷却される。
　循環通路Ｐ４の導風板１４の存在により、循環通路Ｐ３から循環通路Ｐ４に流入して固定子３のコイルエンドに接触して加熱された空気がギャップ１２に直接流入することが抑制される。また、熱交換器１５ａ，熱交換器１５ｂを設けたので、筐体２内の循環空気をより冷却することができる。
＜第４の実施形態＞
　図５は第４の実施の形態の回転電機を説明する図である。
　第４の実施の形態による回転電機では、図１（ｂ）に示した回転電機に対して、ギャップ１２の冷媒出口側に環状の熱交換器が追加的に配置されている。すなわち、第４の実施の形態の回転電機では、ギャップ１２の冷媒出入口の双方に熱交換器１５ａと熱交換器１５ｂがそれぞれ配設されている。これら熱交換器１５ａ，１５ｂの大きさ、すなわち熱交換性能は左右同一でなくてもよい。

　以上のように構成された第４の実施の形態の回転電機における冷却空気の循環と回転子９の冷却メカニズムは第３実施形態と同様であり、説明を省略する。

＜第５の実施形態＞
　ギャップ１２に流入する冷媒の冷却用熱交換器１５、１５ａ、１５ｂは、回転軸１０を中心軸とする環状の熱交換器として説明した。以下では、第５および第６の実施形態として、環状に形成した回転子冷却用熱交換器１５，１５ａ，１５ｂの具体例を説明する。

　図６は第５の実施の形態による回転電機を示す。図６（ａ）は、回転電機を軸方向から見た熱交換器１５の配置を示し、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ－Ｂ線断面図である。なお、ここでは筐体内部での各部品の位置関係が分かり易いように、フロントブラケット２ａもしくはリアブラケット２ｂを取り外して熱交換器を平面図として示している。

　図６（ａ）では、筐体２は、断面８角形の筒状として示している。丸型でも多角形でもよい。図６（ａ）に示すように、第５の実施形態では、回転軸１０を中心として平面視矩形の分割熱交換器１５－１～１５－４が配置されている。それぞれの分割熱交換器１５－１～１５－４には分割導風板１４－１～１４－４の一端がそれぞれ接続され、この分割導風板１４－１～１４－４の他端は、固定子鉄心の端面のギャップ１２の近傍にそれぞれ接触されている。

　図６（ｂ）には、分割熱交換器１５－１～１５－３と分割導風板１４－１～１４－３が示されている。分割導風板１４－１～１４－４の一端は直線であり、分割熱交換器１５－１～１５－４の内周縁に接続されている。分割導風板１４－１～１４－４の他端、すなわち固定子鉄心の端面と接する部分は円弧形状に成形されている。また、各分割導風板１４－１～１４－４の隣接する辺同士は互いに密接に接していて、分割熱交換器１５－１～１５－４の内部に導入されて冷却された空気の全量が洩れることなくギャップ１２の冷媒入口側に流入するようにしている。

　導風板１４は断面矩形の漏斗形状である。分割導風板１４－１～１４－４は分割熱交換器１５－１～１５－４に固定されていても、あるいは固定子鉄心の端面に固定されていてもよいが、分割熱交換器１５－１～１５－４側に固定されている方が組み立てが容易である。分割導風板１４－１～１４－４は合成ゴム、シリコンゴム、あるいはプラスチック等の断熱性および制振性の良好なパッキンを介して固定子３に接触することが好ましい。

　第５の実施の形態では４つの分割熱交換器１５－１～１５－４により角筒状熱交換器１５を構成した。しかしながら、さらに多数個の分割熱交換器により熱交換器を構成してもよい。

＜第６の実施形態＞
　図７は第６の実施の形態による回転電機を示す。第６の実施の形態の回転電機は、円環状熱交換器１５を備えている。図７（ａ）は、回転電機を軸方向から見た円環状熱交換器１５の配置を示し、図７（ｂ）は図７（ａ）のＣ－Ｃ線断面図である。図７のような円環形状の熱交換器の場合は、熱交換器の外周面に設けられたフィンは、回転軸１０に対し放射状に設けられる。導風板１４は断面円形の漏斗形状である。導風板１４の大径端は熱交換器１５の円形形状の空気吐き出し口に接続され、導風板１４の小径端は固定子端面において、ギャップ１２の冷却空気入口を取り囲むようにされている。熱交換器１５は扁平環状体であり、一端面がフロントブラケット２ａに接触して設けられ、フロントブラケット２ａに放熱するようにされている。また、環状の熱交換器１５の他端面に円形形状の空気吐き出し口が開口している。

＜第７の実施形態＞
　図８は第７の実施の形態による回転電機を示す。
　図８に示す回転電機は、フロントブラケット２ａとリアブラケット２ｂの双方に熱交換器１５ａ、１５ｂをそれぞれ設けるとともに、回転軸１０の両端にファン１３、１６を設けたものである。熱交換器１５ａの内周側に押込ファン１６が配設され、熱交換器１５ｂの内周側に遠心ファン１３が配設されている。熱交換器１５ａと１５ｂは同じ容量のものであっても、異なる容量であってもよい。

　押し込み型送風ファン１６からギャップ１２の冷却空気入口に冷却空気が押し込まれ、ギャップ１２の冷却空気出口から遠心型送風ファン１３で冷却空気を吸い出して筐体２内で空気が循環する。１台のファンを用いる場合に比べて、送風流量を大きくすることができる。

＜第８の実施形態＞
　図９は第８の実施の形態による回転電機を示す。
　第８の実施の形態の回転電機は、図８に示した第７の実施の形態の回転電機の固定子３の中央部に、ギャップ１２から径方向で外周部に貫通する固定子ラジアルダクト１８を設け、熱交換器１５ａおよび１５ｂの双方の内周側に押し込みファン１６ａ、１６ｂを設置したものである。２つの押し込みファン１６ａ、１６ｂの出力（送風量）および２つの熱交換器１５ａ、１５ｂの冷却能力はそれぞれ略等しく設計されている。また、上述した漏斗状の導風板１４ａ、１４ｂがそれぞれ、固定子３の対向する端面と熱交換器１５ａ、１５ｂの外周縁との間に設けられている。

　固定子ラジアルダクト１８は、回転電機内部の循環通路Ｐ５として機能する。このような構成の回転電機とすることで、ギャップ１２の軸方向両側から中央部に向かって押し込みファン１６ａ、１６ｂで押し込まれた空気は、固定子３の中央部で径方向に貫通する固定子ラジアルダクト１８(循環通路Ｐ５)を通って循環通路Ｐ３に導かれる。循環通路Ｐ３で２つの流れに分流されたそれぞれの分流空気が循環経路Ｐ２とＰ４内の熱交換器１５ａ、１５ｂを通過し、また押し込みファン１６ａ、１６ｂによりギャップ１２（循環通路Ｐ１）に送り込まれる空気の循環路が形成される。

　図９（ｂ）は図９（ａ）に示すように、回転電機１をＤ－Ｄ線で軸方向に対し垂直な面で切断し、固定子鉄心３の一部分のみを拡大して構造が分かり易くなるように示した概略図である。
　固定子鉄心には、回転電機の磁極の数に対応して、複数のティース１９およびスロット２０が形成されている。スロット２０の内部にはコイル（巻線）５が設置されている。図９（ａ）の固定子３の中央部に示す固定子ラジアルダクト１８は、ティース１９に設けられている。

　なお、図９（ｂ）では、固定子３の軸方向中央部に、固定子ラジアルダクト１８がティース１９毎に設けられているように示されているが、固定子ラジアルダクト１８は、図９（ａ）に示すように、回転軸に対して対称となるように複数個設けられていればよい。固定子ラジアルダクト１８を回転軸に対し対称に設けるのは、固定子３の各磁極の磁気特性の対称性を阻害しないようにするためである。
　なお、この固定子ラジアルダクト１８の断面形状は矩形であっても円形であってもよい。

　以上の第８の実施形態の回転電機によれば、第１～第７の実施形態の回転電機に比べて、固定子鉄心の固定子ラジアルダクト１８を流れる冷却空気により固定子３がより冷却されるので、固定子９とギャップ１２を介して接する永久磁石７もより冷却される。

＜第９の実施形態＞
　図１０は第９の実施の形態による回転電機を示す。
　第９の実施の形態の回転電機は、第８の実施の形態の回転電機にさらに、回転子９の内部に冷却空気を循環させて冷却効率を高めたものである。

　第９の実施の形態の回転電機では、図１０に示すように、回転軸１０の外周を冷却するための回転子アキシャルダクト２１が回転子９の軸芯方向に沿って設けられている。図１０（ａ）では、便宜上、回転子アキシャルダクト２１内を回転軸１０が挿通しているように図示しているが、実際は、図１０（ｂ）に示すように、回転子アキシャルダクト２１は回転軸１０と回転子鉄心８の間に軸方向に貫通して形成されている。

　また、回転子鉄心８の中央部で径方向に貫通するラジアルダクト２２が設けられている。回転子アキシャルダクト２１と回転子ラジアルダクト２２とは連通している。回転子アキシャルダクト２１と回転子ラジアルダクト２２は、回転電機内部の循環通路Ｐ１～Ｐ４、さらには循環通路Ｐ５とともにそれぞれ空気循環通路Ｐ６，Ｐ７として機能する。換言すると、回転子９には、ギャップ１２の軸方向中央部から内径側に向けて穿設された複数の回転子ラジアルダクト２２と、回転子９の両端面から回転軸方向に延在して回転子ラジアルダクト２２に連通する回転子アキシャルダクト２１とが設けられている。
　なお、回転子鉄心８と回転軸１０とは、ラジアルダクト２２が設けられる固定子鉄心８の中央部分を除き、図１１（ｂ）に示すように、スパイダ２３で連結されている。すなわち、回転子鉄心８は中央部分が中空になっており、この回転子鉄心がスパイダ２３で回転軸１０に連結された構造となっている。

　ラジアルダクト２２の貫通位置について図１０（ｂ）を参照して説明する。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の回転子９をＥ－Ｅ線で軸方向に対し垂直な面で切断した断面を拡大して表示している。

　永久磁石７は軸方向に長尺な形状であり、回転電機の磁極数に対応した数だけ回転子鉄心８の外周表面付近に埋め込まれている。１つの磁極に対し１つあるいは２つの永久磁石が設けられる。図１０（ｂ）では説明を簡単にするため、等間隔に永久磁石７が配置された構造の例を示している。実際には、永久磁石７の間隔は回転子の設計に依存し、軸方向に斜めに延在するスキュー構造なども採用される。

　第９の実施の形態の回転電機では、図１０（ｂ）に示すように、一部の回転子ラジアルダクト２２Ａは永久磁石７を貫通するように設けられており、一部の回転子ラジアルダクト２２Ｂは永久磁石７の設置されていない固定子部分を貫通している。
　なお、図１０（ｂ）に示すように、回転子ラジアルダクト２２Ｂは永久磁石を貫通するように設けてもよく、また、逆に、回転子ラジアルダクト２２の部分で永久磁石を切断してもよい。この場合、回転子鉄心９の表面付近には、軸方向に２つに分割された永久磁石が軸方向に埋め込まれることになる。

　図１１は、回転子ラジアルダクト２２の構造を分かり易くするため、図１０に示す回転子９のみ取り出して、その外観を示したものである。図１１（ａ）は、回転子９を、軸方向に直角な方向から外観したものであり、外周に細長い矩形の開口部が複数設けられている。これらの矩形の開口部は回転子ラジアルダクト２２の出口であり、図１０のギャップ１２に面して開口している。なお、回転子ラジアルダクト２２の断面形状は図１１（ａ）に示すように矩形であってよく、また矩形以外の例えば円形であってもよい。更に、図１１（ａ）に示すような矩形の断面形状を持つラジアルダクトの代わりに、これより小さな断面を持つ矩形のラジアルダクトを複数設けてもよい。同様に矩形以外の例えば円形の断面のラジアルダクトで、小さな断面のラジアルダクトを複数設けてもよい。
　図１１（ｂ）は図１１（ａ）の回転子を軸方向から見た図であり、回転子中心部に、回転軸１０と回転子鉄心８を結合するスパイダ２３が示されている。

＜第９の実施形態の変形例＞
　第９の実施の形態を次のように変形して実施することもできる。
　第９の実施形態では、中心部分が軸方向に中空の回転子鉄心８と回転軸１０との間の空間が回転子アキシャルダクト２１を構成するようにしたが、回転軸１０の近くで回転子鉄心８に複数の回転子アキシャルダクト２４を設け、この回転子アキシャルダクトが回転子ラジアルダクト２５と連通するようにしてもよい。
　回転子アキシャルダクト２１は、図１２に示すように、回転子の端面の開口から回転子ラジアルダクト２５との接続部にかけて斜めに設けてもよい。斜めに回転子アキシャルダクト２４を設けることにより、回転により冷却空気が吹き込む効果を期待できる。

　なお、図１２では見易くするため、回転子ラジアルダクト２５と回転子アキシャルダクト２４をそれぞれ１つ示してあるが、実際は回転子９の回転バランスおよび磁極の特性の均等化を考慮して複数個設けられる。例えば、回転子９の磁極毎に１つまたは複数の回転子ラジアルダクト２５および回転子アキシャルダクト２４を設けるとよい。更に、これらの複数の回転子ラジアルダクト２５と回転子アキシャルダクト２４は、互いに連通していてもよい。

＜第１０の実施形態＞
　図１３（ａ）は第１０の実施の形態による回転電機を示す。
　第１０の実施の形態の回転電機は、図１３（ａ）に示すように、固定子３を２つの固定子３ａ、３ｂに分割したスプリットコア型の固定子とし、回転子９を２つの回転子９ａ、９ｂに分割したスプリットコア型の回転子とし、これら２つの固定子３ａ、３ｂの間および２つの回転子９ａ、９ｂの間を冷却空気が流れるようにしたものである。なお、２つの回転子３ａ、３ｂは、それぞれ図１１の場合と同様に、スパイダで回転軸１０と結合されている。

　２つの固定子３ａと３ｂの間には、図１３（ｂ）で示すような、円環状の固定子ラジアルダクト構造体２８が設けられている。また２つの回転子９ａと９ｂの間には、図１３（ｃ）に示すような円環状の回転子ラジアルダクト構造体２９が設けられている。

　図１３（ｂ）に示す固定子ラジアルダクト構造体２８は、例えば２枚の円環状の金属板２８ａ、２８ｂと、その間にこれら２枚の円環状の金属板の間隔を保持する金属製のダクトピースと呼ばれる複数のリブ２８ｃとで構成されている。これらリブ２８ｃの間の空間であるダクトスペース２８ｄは、固定子ラジアルダクト構造体２８のギャップ１２に面した軸方向中央部側から、径方向外側に向かって貫通した空間構造となっている。
　また、図１３（ｃ）に示す回転子ラジアルダクト構造体２９は、例えば２枚の円環状の金属板２９ａ、２９ｂと、その間にこれら２枚の円環状の金属板の間隔を保持する金属製のダクトピースと呼ばれる複数のリブ２９ｃとで構成されている。上記の固定子ラジアルダクト構造体２８と同様に、これらリブ２９ｃの間の空間であるダクトスペース２９ｄは、固定子ラジアルダクト構造体２９の回転軸側から、径方向外側に向かって貫通した空間構造となっている。
　すなわち、これらのラジアルダクト構造体２８、２９は、回転軸側から径方向外側に向けて、実施形態９で説明したような固定子ラジアルダクトおよび回転子ラジアルダクトを多数備えたような構造となっており、

　以上のようにラジアルダクト構造体２８、２９は熱伝導特性の良い金属で作製されているが、回転電機の性能に影響がないように、それぞれ固定子および回転子の金属材質と同程度以下の透磁率の金属であることが好ましい。また、固定子ラジアルダクト構造体２８は、固定子３ａと３ｂの間に、また回転子ラジアルダクト構造体は回転子９ａと９ｂの間に固定される。例えば、これらのラジアルダクト構造体２８、２９はそれぞれ固定子あるいは回転子に溶接等で結合される。従って、固定子あるいは回転子が鉄で製造されている場合は、ラジアルダクト構造体２８、２９も、溶接性および磁性の観点から同様の特性の鉄であることが好ましい。

　また、熱伝導特性がよく、また固定子あるいは回転子の結合が溶接または溶接以外の方法で充分堅固な結合によって行われることにより、ラジアルダクト構造体２８、２９を非磁性体あるいは非金属で作製することも可能である。

　この第１０の実施形態では、第９の実施形態における固定子ラジアルダクト１８や回転子ラジアルダクト２２を通過する冷却空気の流量に比べ、より多くの冷却空気が固定子３ａ、３ｂの鉄心の間および回転子９ａ、９ｂの鉄心の間を冷却空気が流れるので、回転子９が第９の実施形態に比べてよりいっそう効率よく冷却される。

　なお、固定子３および回転子がそれぞれ更に多くの分割された鉄心から構成されている場合は、固定子あるいは回転子の分割された２つの鉄心の間毎に、上記のラジアルダクト構造体２８、２９を設けてもよい。

＜第１１の実施形態＞
　図１４は第１１の実施の形態による回転電機を示す。
　第１１の実施の形態の回転電機は、図１４に示すように、熱交換器１５ａをフロントブラケット２ａに固定せず、固定子端面に設けた導風板１４に固定したものである。熱交換器１５ａは、回転子９やギャップ１２に近い位置に配置される。熱交換器１５ａには不図示の配管が接続され、回転電機１の外部から冷却された冷媒が供給される。

　なお、第１１の実施形態の熱交換器１５ａも環状に形成され、空気の入口と出口をそれぞれ外周面と内周面に設け。回転子と対向する環状体端面に円形の空気出口が形成される。

　第１１の実施形態の回転電機では、熱交換器１５ａの冷却空気出口とギャップ１２の冷却空気入口との距離が他の実施形態の回転電機に比べて短くでき、熱交換器１５ａで冷却された空気の温度を低下させずにギャップ１２に導入することができ、よりいっそう回転子９を効率よく冷却することができる。

＜第１２の実施形態＞
　図１５は第１２の実施の形態による回転電機を示す。
　第１～第１１の実施の形態の回転電機では、回転軸１０に設けられたファンにより回転電機内部の空気を循環させるようにした。しかしながら、第１２の実施の形態の回転電機は、図１５（ａ）に示すように、固定子外周側に外部のファンモータ２７により駆動されるファン２６により筐体２内の内気を循環するように構成したものである。なお、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示す回転電機をＦ－Ｆ線で軸方向に対し垂直な面で切断した面を示す。

　このようなファンは、内気循環をスムーズに行うため、軸に対して対称的に複数設けられることが好ましい。あるいは、たとえばこのようなファンが１個だけ設けられている場合は、導風板の形状を工夫して回転電機内部で均等に内気が循環するようにする。

　以上の第１～第１２の実施の形態はインナーロータ型の永久磁石式回転電機として説明したが、高温部分を冷やすことができる熱交換器を設置することは、永久磁石式回転電機に限らず誘導機、同期機、交流励磁同期機などすべての回転電機に適用できる。したがって、アウタロータ型の回転電機にも本発明を適用することができる。

　上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。とりわけ、上記の種々の実施形態を適宜組み合わせた、様々な態様で実施することが可能である。

Claims (15)

1. 　固定子鉄心と固定子コイルとを有する固定子と、
   　前記固定子に対してギャップを介して回転可能に設けられた回転子と、
   　前記固定子および回転子を収納する筐体と、
   　前記筐体内部の空気を前記ギャップを通過して筐体内で循環する送風ファンと、
   　前記送風ファンで循環する空気を冷却する熱交換器と、
   　前記熱交換器で冷却され空気が、前記固定子コイルに接触せずに前記ギャップに流入するように冷却風を案内する導風経路が内部に形成される導風板とを備えることを特徴とする回転電機。
2. 　請求項１に記載の回転電機において、
   　前記筐体は、筒状の本体と、前記本体の両端を覆い、前記回転軸の両端をそれぞれが支承するフロントブラケットおよびリアブラケットを含み、
   　前記熱交換器は、前記フロントブラケットおよびリアブラケットのいずれか一方に接触するように取り付けられ、前記熱交換器が接触する前記フロントブラケットまたは前記リアブラケットを介して外気から冷却されることを特徴とする回転電機。
3. 　請求項２に記載の回転電機において、
   　前記導風板は、前記ギャップの冷却空気入口に設けられ、前記固定子コイルのエンド部が前記導風経路の外側になるように配設されることを特徴とする回転電機。
4. 　請求項３に記載の回転電機において、
   　前記導風板は、前記熱交換器の冷却空気出口と前記固定子鉄心の端面との間において、前記固定子コイルのエンド部が前記導風経路の外側になるように配設されることを特徴とする回転電機。
5. 　請求項４に記載の回転電機において、
   　前記回転子は前記固定子の内側に配設され、
   　前記熱交換器は環状体であり、この環状熱交換器が前記回転子の回転軸芯と同軸で前記フロントブラケットまたはリアブラケットに設置され、前記冷却空気出口は前記環状熱交換器の固定子側端面に開口し、
   　前記導風板は、前記冷却空気出口から流出する冷却空気が前記導風経路に案内されて前記回転軸芯に沿った方向に導かれて前記ギャップに流入するように漏斗形状に形成されていることを特徴とする回転電機。
6. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機において、
   　前記回転子に接続された回転軸をさらに有し、
   　前記送風ファンは前記回転軸に装着されていることを特徴とする回転電機。
7. 　請求項６に記載の回転電機において、
   　前記送風ファンは、前記回転軸の一端に装着された押し込み型送風ファンまたは遠心型送風ファンであることを特徴とする回転電機。
8. 　請求項６に記載の回転電機において、
   　前記送風ファンは、前記回転軸の一端に設置された第１送風ファンと、前記回転軸の他端に設置された第２送風ファンとを含み、第１および第２送付ファンは一方が押し込み型送風ファン、他方が遠心型送風ファンであることを特徴とする回転電機。
9. 　請求項１に記載の回転電機において、
   　前記熱交換器は、前記回転軸の両端にそれぞれ設けた第１および第２の熱交換器を含むことを特徴とする回転電機。
10. 　請求項９に記載の回転電機において、
    　前記固定子は、前記ギャップの軸方向中央部から径方向に周面に貫通する複数の固定子ラジアルダクトを備え、
    　前記送風ファンは、前記回転軸の両端にそれぞれ設けられた押し込み型の第１および第２の送風ファンを含むことを特徴とする回転電機。
11. 　請求項１０に記載の回転電機において、
    　前記回転子は、前記ギャップの軸方向中央部から内径方向に向けて穿設された複数の回転子ラジアルダクトと、前記回転子の両端面から回転軸方向に延在して前記回転子ラジアルダクトに連通する回転子アキシャルダクトとを備えることを特徴とする回転電機。
12. 　請求項９に記載の回転電気において、
    　前記固定子は複数の固定子スプリットコアから成り、
    　前記回転子は複数の回転子スプリットコアから成り、
    　前記複数の固定子スプリットコアの内、連続した２つの固定子スプリットコアの間には、前記ギャップの軸方向中央部から径方向に貫通する複数のダクトスペースを備えた固定子ラジアルダクト構造体が設けられ、
    　前記複数の回転子スプリットコアの内、連続した２つの回転子スプリットコアの間には、前記回転子アキシャルダクトの軸方向中央部から径方向に貫通する複数のダクトスペースを備えた回転子ラジアルダクト構造体が設けられ、
    　前記送風ファンは、前記回転軸の両端にそれぞれ設けられた押し込み型の第１および第２の送風ファンを含むことを特徴とする回転電機。
13. 　請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機において、
    　前記送風ファンは、固定子外周側に設けられ、前記回転電機外部から回転駆動されることを特徴とする回転電機。
14. 　請求項１に記載の回転電機において、
    　前記熱交換器は、前記回転電機の外部から供給される冷媒と前記冷却空気との間で熱交換することを特徴とする回転電機。
15. 　請求項１４に記載の回転電機において、
    　前記筐体は、筒状の本体と、前記本体の両端を覆うフロントブラケットおよびリアブラケットを含み、
    　前記熱交換器は、前記フロントブラケットまたはリアブラケットに接触せず、前記回転子近傍に設けられることを特徴とする回転電機。

Images