WO2017099027A1 - 回転電機の回転子構造 - Google Patents

Abstract

界磁巻線からの熱伝達を効率的に行って、発熱した界磁巻線の温度上昇を抑えることにより、機械の小型軽量化を図ることができる回転電機の回転子構造を提供する。そのため、回転軸部（１１）の外周部から径方向外側に向けて突出し、周方向において等間隔で配置される複数の磁極鉄心（１４）と、磁極鉄心（１４）の外周に巻き付けられる界磁巻線（１７）と、磁極鉄心（１４）と界磁巻線（１７）との間に介在される複数の絶縁板（３１，３２）とを備え、絶縁板（３２）の熱伝導率を絶縁板（３１）の熱伝導率よりも高くして、界磁巻線（１７）の上流側辺部（１７ｃ）及び下流側辺部（１７ｄ）における最も高温部位となる回転軸方向中央部に、絶縁板（３２）を対接させる。

Description

回転電機の回転子構造

　本発明は、発熱した界磁巻線における局所的な高温部位を解消するようにした回転電機の回転子構造に関する。

　従来から、複数の磁極を外周部に有する突極形回転子を備えた回転電機が提供されている。このような突極形回転子においては、径方向外側に向けて突出する複数の磁極鉄心を、周方向において等間隔に配置しており、それらの磁極鉄心の外周には、界磁巻線が絶縁板を介して巻き付けられている。

　そして、上述したような、従来の回転電機の回転子構造としては、例えば、特許文献１に開示されている。

特開平７－２３１５９２号公報

　ここで、静止側の固定子に対して、突極形回転子を回転させるためには、界磁巻線に励磁電流を流して、当該界磁巻線の内側に磁界を発生させる必要がある。このように、界磁巻線に励磁電流が流されると、界磁巻線は、その電流の流れによって発熱する。これに対して、発熱した界磁巻線においては、冷却風等による外周面からの放熱や、磁極鉄心への熱伝達によって、冷却が行われている。

　しかしながら、上述したように、磁極鉄心と界磁巻線との間には、絶縁板が介在されているため、発熱した界磁巻線から磁極鉄心への熱伝達が、効率的に行われない場合がある。これにより、界磁巻線には、局所的な高温部位が発生してしまうおそれがあり、このような、界磁巻線における局所的な高温部位は、機械の小型軽量化を妨げる要因となっている。

　従って、本発明は上記課題を解決するものであって、界磁巻線からの熱伝達を効率的に行って、発熱した界磁巻線の温度上昇を抑えることにより、機械の小型軽量化を図ることができる回転電機の回転子構造を提供することを目的とする。

　上記課題を解決する第１の発明に係る回転電機の回転子構造は、
　回転軸の外周部から径方向外側に向けて突出し、周方向において等間隔で配置される複数の磁極鉄心と、
　前記磁極鉄心の外周に巻き付けられる界磁巻線と、
　前記磁極鉄心の外周面と前記界磁巻線の内周面との間に介在される複数の絶縁板とを備え、
　前記界磁巻線は、
　回転方向上流側に形成される上流側辺部と、
　回転方向下流側に形成される下流側辺部とを有し、
　前記上流側辺部における最も高温となる部位に対接した前記絶縁板と、前記下流側辺部における最も高温となる部位に対接した前記絶縁板とのうち、少なくとも、前記上流側辺部における最も高温となる部位に対接した前記絶縁板を、全ての絶縁板の中で最も高い熱伝導率を有する高熱伝導性絶縁板とする
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第２の発明に係る回転電機の回転子構造は、
　周方向において隣接した前記界磁巻線間に設けられ、回転方向上流側に配置された前記界磁巻線における前記下流側辺部の外周面、及び、回転方向下流側に配置された前記界磁巻線における前記上流側辺部の外周面を、周方向外側から押さえる押さえ部材を備え、
　前記押さえ部材が前記外周面を押さえる押圧位置は、前記高熱伝導性絶縁板と周方向において対向しない位置とする
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第３の発明に係る回転電機の回転子構造は、
　前記高熱伝導性絶縁板は、
　前記上流側辺部の回転軸方向中央部、及び、前記下流側辺部の回転軸方向中央部と対接して、介在される
　ことを特徴とする。

　上記課題を解決する第４の発明に係る回転電機の回転子構造は、
　前記高熱伝導性絶縁板は、
　窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素のうち、少なくとも１つの材料を含む
　ことを特徴とする。

　従って、本発明に係る回転電機の回転子構造によれば、界磁巻線の上流側辺部及び下流側辺部における最も高温となる部位に対接した絶縁板を、全ての絶縁板の中で最も高い熱伝導率を有する高熱伝導性絶縁板とすることにより、界磁巻線における局所的な高温部位から磁極鉄心への熱伝達を、効率的に行うことができる。これにより、励磁電流によって発熱した界磁巻線の温度上昇を抑えることができ、このように、界磁巻線に対する冷却性能を向上させた分、機械の小型軽量化を図ることができる。

本発明の一実施例に係る回転電機の回転子構造における縦断面図である。 図１のII－II矢視断面図である。 突極形回転子の外観斜視図である。 図３のIV－IV矢視断面図である。 突極形回転子の磁極における分解斜視図である。

　以下、本発明に係る回転電機の回転子構造について、図面を用いて詳細に説明する。

　図１及び図２に示すように、回転電機１は、静止側の固定子２と、回転側の突極形回転子３とから構成されている。

　固定子２は、円筒状をなしており、複数枚の磁性体鋼板（積層鋼板）を軸方向に積み重ねることにより形成されている。これに対して、突極形回転子３は、固定子２の径方向内側において、当該固定子２と同軸状に配置されると共に、ハウジング（図示省略）に対して回転可能に支持されている。

　ここで、図１乃至図４に示すように、突極形回転子３は、回転軸部１１、ファン１２、回転子継鉄１３、磁極鉄心１４、磁極頭部１５、界磁巻線１７、及び、コイル押さえ部材１８等から構成されている。

　回転軸部１１は、突極形回転子３の回転中心となるものであって、その軸方向両端部が、軸受（図示省略）を介して、上記ハウジングに回転可能に支持されている。そして、回転軸部１１における軸受よりも軸方向内側の軸方向両端部には、ファン１２が同軸状に固定されている。つまり、ファン１２は、回転軸部１１が回転すると、その回転軸部１１と共に回転する。

　また、回転軸部１１の軸方向中央部には、回転子継鉄１３が、回転軸部１１の軸方向に沿って延在するように、一体的に形成されている。更に、回転子継鉄１３の外周部には、複数の磁極鉄心１４が形成されており、これらの磁極鉄心１４は、回転子継鉄１３の外周部から径方向外側に向けて突出すると共に、周方向において等間隔で配置されている。

　なお、上述したように、回転軸部１１、回転子継鉄１３、及び、磁極鉄心１４は、一体的に形成されており、塊状の磁性材料から切り出すことにより成形されている。

　そして、磁極鉄心１４の外周には、界磁巻線（コイル）１７が巻き付けられている。これにより、界磁巻線１７は、径方向外側から見た平面視では、枠状で、且つ、矩形をなすこととなり、回転軸方向一端側に形成される回転軸方向一端側辺部（以下、一端側辺部と称す）１７ａ、回転軸方向他端側に形成される回転軸方向他端側辺部（以下、他端側辺部と称す）１７ｂ、回転方向上流側に形成される回転方向上流側辺部（以下、上流側辺部と称す）１７ｃ、及び、回転方向下流側に形成される回転方向下流側辺部（以下、下流側辺部と称す）１７ｄから構成されることになる。

　これに対して、磁極鉄心１４の径方向外側端面（頂面）には、磁極頭部１５が複数のボルト１６によって固定されている。この磁極頭部１５の径方向外側端面（頂面）は、固定子２の内周面に沿うような、円弧状をなしており、当該固定子２の内周面との間において、径方向における所定量の隙間を有している。

　このとき、磁極頭部１５は、界磁巻線１７を径方向外側から覆うように設けられるため、その界磁巻線１７は、回転子継鉄１３と磁極頭部１５とによって、径方向両側から挟持された状態となっている。これにより、突極形回転子３の回転に伴って発生する遠心力が、界磁巻線１７に作用しても、この界磁巻線１７は、磁極頭部１５によって径方向内側に向けて押さえ付けられているため、当該界磁巻線１７の磁極鉄心１４からの逸脱を防止することができる。

　また、図１，２，４，５に示すように、磁極鉄心１４の外周面と界磁巻線１７の内周面との間には、複数の絶縁板３１及び絶縁板（高熱伝導性絶縁板）３２が、それらの外周面周方向及び内周面周方向に沿って、１枚ずつ介在されている。

　磁極鉄心１４と一端側辺部１７ａとの間には、２枚の絶縁板３１が介在されている。同様に、磁極鉄心１４と他端側辺部１７ｂとの間には、２枚の絶縁板３１が介在されている。

　一方、磁極鉄心１４と上流側辺部１７ｃとの間には、２枚の絶縁板３１と１枚の絶縁板３２が介在されている。同様に、磁極鉄心１４と下流側辺部１７ｄとの間には、２枚の絶縁板３１と１枚の絶縁板３２が介在されている。

　この点について詳細に説明すると、上流側辺部１７ｃの回転軸方向両側部には、絶縁板３１が対接しており、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部には、絶縁板３２が対接している。また、下流側辺部１７ｄの回転軸方向両側部には、絶縁板３１が対接しており、下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部には、絶縁板３２が対接している。

　ここで、絶縁板３１，３２は、例えば、エポキシ樹脂を用いて形成されており、絶縁板３２の熱伝導率は、絶縁板３１の熱伝導率よりも高くなっている。このように、絶縁板３２の熱伝導率を絶縁板３１の熱伝導率よりも向上させるためには、絶縁板３２を形成するためのエポキシ樹脂に対して、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素等の高熱伝導性添加材（フィラー）のうち、少なくとも１つの添加材を添加することにより、可能となっている。

　但し、材質に上述した高熱伝導性添加材が含まれると、その材料強度は低下してしまうため、絶縁板３２の強度は、絶縁板３１の強度よりも低くなってしまう。即ち、絶縁板３２は、熱伝導率が絶縁板３１の熱伝導率よりも高く、且つ、強度が絶縁板３１の強度よりも低い絶縁板となっている。

　このように、絶縁板３１の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する絶縁板３２を設けることにより、界磁巻線１７における絶縁板３２と対接した部分は、界磁巻線１７における絶縁板３１と対接した部分よりも、磁極鉄心１４への熱伝導性が向上されている。

　更に、図２乃至図４に示すように、周方向において隣接した各界磁巻線１７間には、複数のコイル押さえ部材１８が、回転軸方向に並んで設けられている。これらのコイル押さえ部材１８は、楔状をなしており、ボルト１９によって回転子継鉄１３に固定されている。

　つまり、コイル押さえ部材１８は、周方向において隣接した２つの界磁巻線１７のうち、回転方向上流側に配置された界磁巻線１７における下流側辺部１７ｄの外周面と、回転方向下流側に配置された界磁巻線１７における上流側辺部１７ｃの外周面とに、それぞれ対接した状態で、ボルト１９によって径方向外側から径方向内側に向けて締め付け固定されている。

　このように、楔状をなすコイル押さえ部材１８をボルト１９によって固定すると、ボルト１９の締め付け力は、コイル押さえ部材１８に作用した後、当該コイル押さえ部材１８の幅方向両側に配置された各界磁巻線１７に対して、押圧力として働く。即ち、回転方向上流側に配置された界磁巻線１７における下流側辺部１７ｄの外周面と、回転方向下流側に配置された界磁巻線１７における上流側辺部１７ｃの外周面とは、それぞれ周方向外側から押さえ付けられている。

　これにより、突極形回転子３の回転に伴って発生する遠心力が、界磁巻線１７に作用しても、この界磁巻線１７における上流側辺部１７ｃの外周面及び下流側辺部１７ｄの外周面が、コイル押さえ部材１８によって押え付けられているため、上記遠心力の分力による界磁巻線１７の変形（巻きずれ）を防止することができる。

　このとき、コイル押さえ部材１８が、回転方向上流側に配置された下流側辺部１７ｄの外周面、及び、回転方向下流側に配置された上流側辺部１７ｃの外周面を押さえ付ける押圧位置は、絶縁板３２と周方向において対向しない位置となっており、絶縁板３１と周方向において対向する位置となっている。

　このように、コイル押さえ部材１８の押圧位置を、絶縁板３２と周方向おいて対向する位置とするのではなく、絶縁板３１と周方向において対向する位置とすることにより、その押圧力による絶縁板３２の破損を防止している。即ち、上述したように、絶縁板３２に対する熱伝導性の向上を図るのに伴って、その強度が絶縁板３１の強度よりも低くなってしまうため、絶縁板３１，３２のうち、比較してより強度が高くなる絶縁板３１に対向して、コイル押さえ部材１８を設けることにより、絶縁板３２を保護するようにしている。

　また、周方向において隣接した各界磁巻線１７間には、磁極鉄心１４を突出部としたことによって、回転軸方向に延びる空間が、形成されることになる。このような、回転軸方向に延びる空間は、冷却風Ｆを回転軸方向に向けて流すための通風路２０となっており、その冷却風Ｆは、ファン１２が回転軸部１１と共に回転することによって発生する。つまり、ファン１２は、回転軸部１１の軸方向両端部にそれぞれ設けられているため、そのファン１２の回転によって発生した冷却風Ｆは、通風路２０を、回転軸方向両側から回転軸方向中央部に向けて流れる。

　これにより、冷却風Ｆは、界磁巻線１７における一端側辺部１７ａの外周面及び他端側辺部１７ｂの外周面に衝突したり、通風路２０内に進入して、その進入方向両側部（流れ方向両側部）に位置する上流側辺部１７ｃの外周面及び下流側辺部１７ｄの外周面に接触したりする。この結果、界磁巻線１７は、励磁電流が流されることによって発熱することになるが、冷却風Ｆによる各外周面からの放熱よって、その温度上昇が抑制される。

　しかしながら、通風路２０を構成する上流側辺部１７ｃ及び下流側辺部１７ｄにおける回転軸方向中央部は、冷却風Ｆの流れ方向最下流側に位置すると共に、コイル押さえ部材１８によって、回転軸方向両側から挟まれた状態となっている。これにより、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部及び下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部には、冷却風Ｆが到達し難くなっている。従って、それらの回転軸方向中央部に対する冷却効果は、その他の部位に対する冷却効果よりも低下するため、それらの回転軸方向中央部の温度は、その他の部位の温度よりも高くなる傾向にある。

　更に、突極形回転子３の回転時における界磁巻線１７においては、その回転方向とは逆方向となる方向から、対向風を受けることになるが、１つの界磁巻線１７の中でも、回転方向上流側の部位と、回転方向下流側の部位とを比較してみると、回転方向下流側の部位には、その対向風が接触する一方、回転方向上流側の部位には、その対向風が殆ど接触しない。これにより、回転方向上流側の部位は、回転方向下流側の部位よりも、冷却され難く、温度が高くなる傾向にある。

　つまり、上流側辺部１７ｃ及び下流側辺部１７ｄの中でも、回転軸方向中央部は、回転軸方向両側部よりも、温度が高くなる。更に、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部と、下流側辺部１７ｄの回転方向中央部とを比べてみれば、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部は、下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部よりも、温度が高くなる。

　なお、発熱した界磁巻線１７内における温度分布については、図２及び図４に示すように、ドットの密度で表している。即ち、ドット密度が高くなるに従って、高温となることを示している。

　そこで、本発明に係る回転子構造においては、高温となる上流側辺部１７ｃ及び下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部に対して、熱伝導性の向上を図るため、それらの回転軸方向中央部と磁極鉄心１４との間のみに、高熱伝導率となる材質で形成された絶縁板３２を設けるようにしている。即ち、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部及び下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部から磁極鉄心１４への熱伝導を、効率的に行わせることにより、界磁巻線１７の温度上昇を全体的に抑制する。

　但し、下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部における温度の大きさによっては、その回転軸方向中央部と対接する絶縁板を、絶縁板３１とし、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部と対接する絶縁板のみを、絶縁板３２としても構わない。

　また、上述した実施形態のように、ファン１２を回転軸部１１の軸方向両端部に設けるようにした、両側吸込み構造を採用する場合には、１つの界磁巻線１７の中でも、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部及び下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部が、冷却風Ｆが流れる最下流部となり、比較的に高温となるため、それらの回転軸方向中央部に対接する絶縁板のみを、絶縁板３２としている。

　これに対して、ファン１２を、回転軸部１１の軸方向両端部のうち、いずれか一方の端部のみに設けるようにした、片側吸込み構造を採用する場合には、１つの界磁巻線１７の中でも、上流側辺部１７ｃ及び下流側辺部１７ｄにおけるファン１２から遠くなる他方側の回転軸方向側部（ファン１２と対向する回転軸方向側部の反対側の回転軸方向側部）が、冷却風が流れる最下流部となり、比較的に高温となるため、その回転軸方向側部に対接する絶縁板のみを、絶縁板３２とすれば良い。

　即ち、上流側辺部１７ｃ及び下流側辺部１７ｄの中で、最も高温となる部位に対接する絶縁板を、絶縁板３２とすれば良い。

　以上より、界磁巻線１７に励磁電流を流すことにより、当該界磁巻線１７の内側に磁界を発生させることができる。そして、固定子２側において発生させた磁界（回転磁界）と、突極形回転子３側において発生させた上記磁界との間における、反発力及び吸引力を利用することにより、突極形回転子３を固定子２に対して回転させることができる。このとき、界磁巻線１７は、励磁電流が流されることによって発熱する。

　これと同時に、回転軸部１１の回転と共に、ファン１２が回転することにより、当該ファン１２の回転によって発生した冷却風Ｆは、通風路２０の回転軸方向一端側及び他端側に向けてそれぞれ供給された後、その回転軸方向一端側及び他端側から進入して、当該通風路２０の回転軸方向中央部に向けて流れる。

　これにより、冷却風Ｆは、界磁巻線１７における一端側辺部１７ａの外周面及び他端側辺部１７ｂの外周面に衝突したり、界磁巻線１７における上流側辺部１７ｃの外周面及び下流側辺部１７ｄの外周面に接触したりする。この結果、発熱した界磁巻線１７の熱は、それらの外周面から放出される。

　このとき、２つのファン１２による両側吸込みと、通風路２０内における２つのコイル押さえ部材１８の設置とによって、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部及び下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部が、高温になるおそれがある。

　しかしながら、それらの局所的な高温部位と対接するように、絶縁板３２を介在させているため、上流側辺部１７ｃの回転軸方向中央部及び下流側辺部１７ｄの回転軸方向中央部から磁極鉄心１４への熱伝達が効率的に行われる。これにより、界磁巻線１７の温度上昇が全体的に抑えられる。

　なお、絶縁板３１においても、界磁巻線１７から磁極鉄心１４への熱伝達が行われると共に、上記対向風の界磁巻線１７への衝突によっても、その外周面から放熱が行われる。

　従って、本発明に係る回転子構造によれば、界磁巻線１７における局所的に高温となる高温部位に対接して、熱伝導率を高くした絶縁板３２を設けることにより、その局所的な高温部位から磁極鉄心１４への熱伝達を、効率的に行うことができるので、励磁電流によって発熱した界磁巻線１７の温度上昇を全体的に抑えることができる。よって、界磁巻線１７に対する冷却性能を向上させた分、突極形回転子３の径寸法を小さくすることができるので、回転電機１の小型軽量化を図ることができる。

　１ 回転電機、２ 固定子、３ 突極形回転子、１１ 回転軸部、１２ ファン、１３ 回転子継鉄、１４ 磁極鉄心、１５ 磁極頭部、１６ ボルト、１７ 界磁巻線、１７ａ 回転軸方向一端側辺部、１７ｂ 回転軸方向他端側辺部、１７ｃ 回転方向上流側辺部、１７ｄ 回転方向下流側辺部、１８ コイル押さえ部材、１９ ボルト、２０ 通風路、３１，３２ 絶縁板、Ｆ 冷却風

Claims (4)

1. 　回転軸の外周部から径方向外側に向けて突出し、周方向において等間隔で配置される複数の磁極鉄心と、
   　前記磁極鉄心の外周に巻き付けられる界磁巻線と、
   　前記磁極鉄心の外周面と前記界磁巻線の内周面との間に介在される複数の絶縁板とを備え、
   　前記界磁巻線は、
   　回転方向上流側に形成される上流側辺部と、
   　回転方向下流側に形成される下流側辺部とを有し、
   　前記上流側辺部における最も高温となる部位に対接した前記絶縁板と、前記下流側辺部における最も高温となる部位に対接した前記絶縁板とのうち、少なくとも、前記上流側辺部における最も高温となる部位に対接した前記絶縁板を、全ての絶縁板の中で最も高い熱伝導率を有する高熱伝導性絶縁板とする
   　ことを特徴とする回転電機の回転子構造。
2. 　請求項１に記載の回転電機の回転子構造において、
   　周方向において隣接した前記界磁巻線間に設けられ、回転方向上流側に配置された前記界磁巻線における前記下流側辺部の外周面、及び、回転方向下流側に配置された前記界磁巻線における前記上流側辺部の外周面を、周方向外側から押さえる押さえ部材を備え、
   　前記押さえ部材が前記外周面を押さえる押圧位置は、前記高熱伝導性絶縁板と周方向において対向しない位置とする
   　ことを特徴とする回転電機の回転子構造。
3. 　請求項１または２に記載の回転電機の回転子構造において、
   　前記高熱伝導性絶縁板は、
   　前記上流側辺部の回転軸方向中央部、及び、前記下流側辺部の回転軸方向中央部と対接して、介在される
   　ことを特徴とする回転電機の回転子構造。
4. 　請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機の回転子構造において、
   　前記高熱伝導性絶縁板は、
   　窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化ケイ素、窒化ホウ素のうち、少なくとも１つの材料を含む
   　ことを特徴とする回転電機の回転子構造。

Images