WO2018164024A1 - 突極形回転子通風路の絶縁構造 - Google Patents

Abstract

界磁巻線を内周側から冷却しつつ、絶縁性能を向上するために、回転軸（１１）に沿って設けられる回転子継鉄（１２）と、前記回転子継鉄（１２）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（１３）と、前記磁極鉄心（１３）の径方向外側に設けられる磁極頭部（１４）と、前記回転子継鉄（１２）と前記磁極頭部（１４）との間において、前記磁極鉄心（１３）の外周面に巻き付けられる界磁巻線（１５）と、を備えた突極形回転子（３）において、前記界磁巻線（１５）の内周面に開口し、前記界磁巻線（１５）を径方向に貫通する通風溝（１５ａ）と、前記磁極頭部（１４）を径方向に貫通すると共に、前記通風溝（１５ａ）に連通する通風孔（１４ａ）と、前記通風溝（１５ａ）の前記磁極頭部（１４）側に形成されている段差部（１５ｂ）を備えている。

Description

突極形回転子通風路の絶縁構造

　本発明は突極形回転子通風路の絶縁構造に関し、界磁巻線の高い冷却効果を維持しつつ、絶縁性能を向上させるように工夫したものである。

　従来から、回転電機の回転子として、複数の磁極を外周部に備えた突極形回転子が知られている。この突極形回転子においては、径方向外側に向けて突出した複数の磁極鉄心を、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面に、界磁巻線を巻き付けるようにしている。

　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た状態で、静止側の固定子に対して、回転側の突極形回転子が回転する。このとき、界磁巻線に励磁電流が流れると、当該界磁巻線は、その電流の流れによって発熱する。

　ところで、界磁巻線の温度が高くなり過ぎると、熱劣化により、界磁巻線の絶縁層が破損するおそれがある。このため、突極形回転子を備えた回転電機においては、周方向において隣接した界磁巻線間に冷却風を軸方向に流したり、界磁巻線の軸方向端面に冷却風を当てたりすることにより、界磁巻線を冷却するようにしている。しかしながら、このような冷却構造においては、界磁巻線の外表面のみを冷却しているに過ぎず、界磁巻線の内部を含めて、全体的に十分な冷却をすることができない。

　そこで、従来から、界磁巻線を径方向に貫く通風路を設けて、この通風路内に冷却風を流し、界磁巻線の内径側にも冷却風を直接当てるようにした、突極形回転子の冷却構造が種々提供されている。そして、このような、従来の冷却構造としては、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特開２００２－５８１８８号公報 実開昭６１－１２６７５３号公報

　しかし、突極形回転子の界磁巻線に、径方向に貫く通風路を設けた場合には、高電位部材である界磁巻線と、接地電位部材である接地物（回転軸や磁極頭部）との間の沿面絶縁距離が短くなるという問題が生ずる。

　本発明は、上記従来技術に鑑み、界磁巻線を径方向に貫く通風路を備えつつ、沿面絶縁距離を長く確保することができる、突極形回転子通風路の絶縁構造を提供することを目的とする。

　上記課題を解決する本発明は、
　回転軸に沿って設けられる回転子継鉄と、
　前記回転子継鉄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、
　前記磁極鉄心の径方向外側に設けられる磁極頭部と、
　前記回転子継鉄と前記磁極頭部との間において、前記磁極鉄心の外周面に巻き付けられる界磁巻線と、
　を備えた突極形回転子において、
　前記界磁巻線の内周面に開口し、前記界磁巻線を径方向に貫通する通風溝と、
　前記磁極頭部を径方向に貫通すると共に、前記通風溝に連通する通風孔と、
　前記通風溝の前記磁極頭部側に形成されている段差部を備えていることを特徴とする。

　また本発明は、
　前記磁極頭部と前記界磁巻線との間に介在され、前記通風溝及び前記通風孔に連通する切り欠きを有する絶縁部材を備えることを特徴とする。

　また本発明は、
　前記段差部に固定されて前記段差部を埋めつつ、前記通風溝と前記通風孔との連通を確保する絶縁ブロックを備えていることを特徴とする。

　本発明によれば、界磁巻線の内周面に形成した通風溝と、磁極頭部に形成した通風孔とにより通風路が形成され、この通風路に冷却風を流すことができるので、界磁巻線を内部側から冷却することができる。しかも、通風溝の磁極頭部側の部分に、通風溝の溝幅及び溝奥行よりも溝幅及び溝奥行が大きくなっている段差部を備えているため、段差部の溝奥行と溝深さの分だけ、沿面絶縁距離をより長く確保することができ、絶縁信頼性が向上する。

本発明の実施例に係る突極形回転子通風路の絶縁構造を示した斜視図。 図１のII-II矢視断面図であって、絶縁ブロックを図示省略して示す矢視断面図。 図１のIII-III矢視断面図であって、絶縁ブロックを図示省略して示す矢視断面図。 界磁巻線を示す斜視図。 図１のII-II矢視断面図。 図１のIII-III矢視断面図。 界磁巻線のうち通風溝及び段差部が形成された部分を抽出して示す斜視図。

　以下、本発明に係る突極形回転子通風路の絶縁構造を、実施例に基づき詳細に説明する。

　本発明の実施例に係る突極形回転子通風路の絶縁構造について、図１から図７を用いて詳細に説明する。

　図１に示すように、回転電機１は、静止側となる固定子２と、回転側となる突極形回転子３とから構成されている。なお、図１に示した回転電機１においては、軸方向に２等分し、且つ、周方向に４等分した部分を図示しており、そのうち、固定子２を二点鎖線で示す一方、突極形回転子３を実線で示している。

　図１に示すように、円筒状をなす固定子２の径方向内側には、突極形回転子３がハウジング（図示省略）に回転可能に支持されている。そして、図１－図３に示すように、突極形回転子３は、回転軸１１、回転子継鉄１２、磁極鉄心１３、磁極頭部１４、界磁巻線１５、絶縁部材１６、及び、コイル押さえ部材１７等を備えている。

　回転軸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。また、回転軸１１の軸方向中央部には、回転子継鉄１２が、回転軸１１の周囲を覆いつつ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１２の外周部には、複数の磁極鉄心１３が一体的に形成されており、これらの磁極鉄心１３は、回転子継鉄１２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１１、回転子継鉄１２、及び、磁極鉄心１３は、一体的に形成されている。

　そして、磁極鉄心１３の頂面（径方向外側端面）には、磁極頭部１４が複数のボルト（図示省略）によって固定されている。この磁極頭部１４の頂面（径方向外側端面）は、固定子２の内周面に沿うような円弧状をなしており、その固定子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。

　また、磁極鉄心１３の外周面には、絶縁板（図示省略）を介して、界磁巻線（コイル）１５が巻き付けられている。この界磁巻線１５は、板状をなす導体と板状をなす絶縁部材とを径方向において交互に積層することによって構成されており、回転子継鉄１２によって径方向内側から支持される一方、磁極頭部１４によって径方向外側から覆われて押さえ付けられている。即ち、界磁巻線１５は、回転子継鉄１２（または、図示しないコイル支え部材）と磁極頭部１４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。そして、磁極頭部１４と界磁巻線１５との間には、板状をなす絶縁部材１６が介在されている。

　なお、磁極鉄心１３の外周面に巻回した絶縁板（図示省略）と界磁巻線１５との間の隙間には、絶縁性の固定スペーサ（図示省略）が挿入されている。この固定スペーサの挿入により、隙間が埋め込まれると共に、界磁巻線１５の固定が確保される。

　更に、周方向において隣接した界磁巻線１５間には、複数のコイル押さえ部材１７が、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１７は、ボルト１８によって回転子継鉄１２に固定されている。つまり、コイル押さえ部材１７は、当該コイル押さえ部材１７の回転方向上流側に配置された界磁巻線１５の外周面と、当該コイル押さえ部材１７の回転方向下流側に配置された界磁巻線１５の外周面とに、それぞれ対接した状態で、ボルト１８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、コイル押さえ部材１７をボルト１８によって固定することにより、ボルト１８の締め付け力は、コイル押さえ部材１７に作用した後、当該コイル押さえ部材１７の幅方向両側に配置された界磁巻線１５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１５の外周面と、回転方向下流側に配置された界磁巻線１５の外周面とは、コイル押さえ部材１７によって、それぞれ周方向外側から押さえ付けられている。

　従って、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１５に作用しても、この界磁巻線１５の外周面が、コイル押さえ部材１７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１５の変形防止（巻きずれ防止）が図られている。

　図２－図４に示すように、界磁巻線１５には、その内周面に複数の通風溝１５ａが設けられている。これらの通風溝１５ａは、界磁巻線１５の内周面に開口しており、界磁巻線１５を径方向に貫通するように形成されている。これに対応して、絶縁部材１６には、複数の切り欠き１６ａが形成されており、これらの切り欠き１６ａは、絶縁部材１６の内周端面に開口している。また、磁極頭部１４には、複数の通風孔１４ａが設けられており、これらの通風孔１４ａは、磁極頭部１４を径方向に貫通するように形成されている。しかも、通風溝１５ａ、切り欠き１６ａ、通風孔１４ａの開口面積は等しくなっている

　このとき、通風溝１５ａと、切り欠き１６ａと、通風孔１４ａは、径方向において一直線状になるように連通しており、これら通風溝１５ａと、切り欠き１６ａと、通風孔１４ａが互いに連通することによって、径方向に貫通する通風路Ｖが形成される（図２、図３参照）。通風路Ｖ内には、冷却風Ｆが、径方向内側から外側に向けて（通風溝１５ａ側から通風孔１４ａ側に向けて）流れることになる。このように、冷却風Ｆを通風路Ｖ（特に、界磁巻線１５の内周面に開口して形成した通風溝１５ａ）内に流すことにより、界磁巻線１５を内周側からも冷却することが可能となっている。

　図２－図４に示すように、通風溝１５ａのうち径方向外側の部分（磁極頭部１４側の部分）には、当該通風溝１５ａ（及び切り欠き１６ａ）を囲うように界磁巻線１５の頂面（径方向外側端面）から窪んで形成された段差部１５ｂが設けられている。段差部１５ｂは、通風溝１５ａの径方向外側部分に連通すると共に、絶縁部材１６と径方向において対向している。つまり、段差部１５ｂは、軸方向（α方向）において通風溝１５ａ及び切り欠き１６ａの溝幅よりもＤ１ずつ広く、かつ、周方向（β方向）において通風溝１５ａ及び切り欠き１６ａの溝奥行よりもＤ２だけ広い範囲で、径方向（γ方向）において界磁巻線１５の頂面（径方向外側端面）からＤ３だけ窪んだものである。ここで、段差部１５ｂの溝幅（α方向の寸法）Ｄ１と溝奥行（β方向の寸法）Ｄ２と溝深さ（γ方向の寸法）Ｄ３とは、一部または全部が同じ寸法であっても良く、あるいは、それぞれ異なる寸法であっても良い。

　図５－図７に示すように、段差部１５ｂには、絶縁ブロック２０が取り付けられている。絶縁ブロック２０は、絶縁材により形成されたコの字状の部材であり、接着剤により段差部１５ｂに接着・固定されており、ちょうど段差部１５ｂを埋めている。絶縁ブロック２０の開口面積は、通風溝１５ａ、切り欠き１６ａ、通風孔１４ａの開口面積と等しくなっている。つまり、絶縁ブロック２０の端部幅（端部におけるα方向の寸法）ｄ１と中央部幅（中央部におけるβ方向の寸法）ｄ２と高さ（γ方向の寸法）ｄ３は、それぞれ段差部１５ｂの溝幅Ｄ１と溝奥行Ｄ２と溝深さＤ３と対応している（略同一である）。よって、段差部１５ｂを埋める状態で配置された絶縁ブロック２０は、通風溝１５ａと通風孔１４ａとの連通を確保しており、絶縁ブロック２０を配置していても、通風路Ｖ内を流れる冷却風Ｆの流通を阻害することはない。

　界磁巻線１５に形成した通風溝１５ａの径方向外側の部分（磁極頭部１４側の部分）に、段差部１５ｂを設けることにより、段差部１５ｂを設けていないときと比べて、高電位部材である界磁巻線１５と、接地電位部材である磁極頭部１４との間の沿面絶縁距離を長くすることができる。つまり、段差部１５ｂを設けたことにより、沿面絶縁距離として、沿面絶縁距離Ｄ１（ｄ１）または沿面絶縁距離Ｄ２（ｄ２）あるいは沿面絶縁距離Ｄ３（ｄ３）の分だけ、沿面絶縁距離を長く確保することができる。

　さらに、段差部１５ｂを埋め込む状態で絶縁ブロック２０を取り付けているため、絶縁信頼性が更に向上する。

　本発明は、突極形回転子を備えた、突極形発電機や突極形電動機に利用可能である。

　１　　　回転電機
　２　　　固定子
　３　　　突極形回転子
　１１　　回転軸
　１２　　回転子継鉄
　１３　　磁極鉄心
　１４　　磁極頭部
　１４ａ　通風孔
　１５　　界磁巻線
　１５ａ　通風溝
　１５ｂ　段差部
　１６　　絶縁部材
　１６ａ　切り欠き
　１７　　コイル押さえ部材
　１８　　ボルト
　２０　　絶縁ブロック
　Ｄ１　　段差部の溝幅（沿面絶縁距離）
　Ｄ２　　段差部の溝奥行（沿面絶縁距離）
　Ｄ３　　段差部の溝深さ（沿面絶縁距離）
　ｄ１　　絶縁部材の端部幅（沿面絶縁距離）
　ｄ２　　絶縁部材の中央部幅（沿面絶縁距離）
　ｄ３　　絶縁部材の高さ（沿面絶縁距離）
　Ｆ　　　冷却風
　Ｖ　　　通風路

Claims (3)

1. 　回転軸に沿って設けられる回転子継鉄と、
   　前記回転子継鉄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、
   　前記磁極鉄心の径方向外側に設けられる磁極頭部と、
   　前記回転子継鉄と前記磁極頭部との間において、前記磁極鉄心の外周面に巻き付けられる界磁巻線と、
   　を備えた突極形回転子において、
   　前記界磁巻線の内周面に開口し、前記界磁巻線を径方向に貫通する通風溝と、
   　前記磁極頭部を径方向に貫通すると共に、前記通風溝に連通する通風孔と、
   　前記通風溝の前記磁極頭部側に形成されている段差部を備えている、
   　ことを特徴とする突極形回転子通風路の絶縁構造。
2. 　請求項１において、
   　前記磁極頭部と前記界磁巻線との間に介在され、前記通風溝及び前記通風孔に連通する切り欠きを有する絶縁部材を備える、
   　ことを特徴とする突極形回転子通風路の絶縁構造。
3. 　請求項１または請求項２において、
   　前記段差部に固定されて前記段差部を埋めつつ、前記通風溝と前記通風孔との連通を確保する絶縁ブロックを備えている、
   　ことを特徴とする突極形回転子通風路の絶縁構造。

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