WO2019215969A1

WO2019215969A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2019215969A1
Application number: PCT/JP2019/003685
Authority: WO
Inventors: 太郎工藤; 藤井　克彦; 達拡田村
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2019-02-01
Publication date: 2019-11-14
Also published as: JP2019198192A; EP3813235A4; CN112292802B; JP2023018153A; EP3813235A1; EP3813235B1; CN112292802A

Abstract

冷却風をファン側から取り込む際の騒音を低減しつつ、回転電機を効率よく冷却する回転電機を提供することを目的とする。　回転電機は、固定子と、固定子の固定子鉄心の内周側に配置される回転子鉄心を有する回転子と、回転子鉄心を回転する回転軸と、回転軸を回転自在に支承する軸受と、回転軸に設けられた冷却ファンと、固定子鉄心と回転子鉄心とを内包するハウジングと、を有し、冷却ファンは、主板と、主板のうちハウジングと対向する面に回転子鉄心の径方向に延伸するように設けられたベーンと、ベーンに接続され主板に沿うように設けられた側板とから構成され、ハウジングには、側板をハウジングに向かって投影する領域内に入気口が設けられ、主板と側板がなす角度φは0度よりも大きく、主板と側板との間隔が内径側に向かうにしたがって離れるように形成される。

Description

回転電機

　本発明は、回転電機に係り、特に電動機に関するものである。

　回転電機の冷却構造を開示するものとして、例えば、特開2001-95204号公報（特許文献１）や国際公開WO2015/118660号公報（特許文献２）がある。特許文献１には、「固定子の内側に設けた回転子及び回転子の回転軸に設けたファンを収納した固定子枠の軸方向の両側をブラケットにより塞いでなり、冷却風の入気口をブラケットに設け、冷却風の第１の排気口をブラケット又は固定子枠に設け、冷却風の第２の排気口をブラケット又は固定子枠に設けると共に、ブラケット又は固定子枠の内周にファンの外径側と対向するように円環状の突出部を形成し、この突出部とブラケットとの間に第１の排気口の開口部を配置した。」と記載されている（要約参照）。また、特許文献２には「主電動機は、固定子と、回転子コアと、鉄心押えと、冷却ファンと、回転子と、フレームと、ブラケットと、軸受部とを備え、冷却ファンは、全閉形主電動機の内部と外部とを仕切る主板と、冷却ファンのブラケット側にて回転子の回転方向に設けられた複数の羽と、羽のブラケット側に設けられたガイドとで構成され、ブラケットには、ガイドをブラケットに向かって投影してなる領域内に吸気口が設けられ、ガイドは、吸気口から吸入された空気が回転子軸に誘導されるように形成されている。」と記載されている（要約参照）。

特開2001-95204号公報国際公開WO2015/118660号公報

　特許文献１に記載の開放型電動機は、フィルターを用いることなく、塵埃を分離できるが、冷却風をファン側から取り込む構造上、騒音が大きくなる傾向がある。

　騒音はファンベーン外径を小さくすることで低減できるが、冷却風を取り込む性能が低下してしまい、騒音の低減については熱的な制約がある。熱的な制約は体格を大きくする方法や低損失材を使用する方法で解決できるが、電動機は寸法およびコストによる制約があるためそれらの方法を採ることが困難な場合がある。

　また、特許文献２に記載の全密閉形主電動機は、ファンから取り込んだ冷却風を回転電機（固定子や回転子）に直接送り込む構造ではなく、騒音を低減しながら塵埃を分離した冷却風を回転電機の固定子および回転子に導入することは出来ない。

　そこで本発明は、冷却風をファン側から取り込む際の騒音を低減しつつ、回転電機内を効率よく冷却する回転電機を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するために、本発明の回転電機は、例えば、固定子と、固定子の固定子鉄心の内周側に配置される回転子鉄心を有する回転子と、回転子鉄心を回転する回転軸と、回転軸を回転自在に支承する軸受と、回転軸に設けられた冷却ファンと、固定子鉄心と回転子鉄心とを内包するハウジングと、を有し、冷却ファンは、主板と、主板のうちハウジングと対向する面に回転子鉄心の径方向に延伸するように設けられたベーンと、ベーンに接続され主板に沿うように設けられた側板とから構成され、ハウジングには、側板をハウジングに向かって投影する領域内に入気口が設けられ、主板と側板がなす角度φは0度よりも大きく、主板と側板との間隔が内径側に向かうにしたがって離れるように形成されることを特徴とする。

　本発明は、冷却風をファン側から取り込む際の騒音を低減しつつ、回転電機内を効率よく冷却する回転電機を提供することができる。

本発明の一実施例の回転電機（電動機）の断面図である。図１に記載の冷却ファン１０の外観斜視図である。図１に記載の冷却ファン１０の外観側面図である。図１に記載の回転電機を右手方向から見た右側面の外観図である。

　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

　図１は、本発明の一実施例の電動機の断面図である。

　電動機は、固定子鉄心２と固定子巻線４から構成される固定子と、回転子鉄心３と回転子巻線５から構成される回転子と、固定子及び回転子を内包するハウジング１を備える。固定子鉄心２は、ハウジング１に固定されている。固定子鉄心２の内周部には、軸方向に連続したスロットが周方向に所定の間隔をもって複数形成され、それぞれのスロットに固定子巻線４を収納している。回転子鉄心３は、固定子鉄心２の内周側に空隙を介して固定子鉄心２と同心円状に設けられている。回転子鉄心３の外周部には、軸方向に連続したスロットが周方向に所定の間隔をもって複数形成され、それぞれのスロットに回転子巻線５を収納している。回転子鉄心３の中心軸線上には回転軸６が設けられ、回転軸６は回転子鉄心３を支持する。回転軸６はハウジング１の両端部に設けた軸受装置８，９により回転自在に支承されている。

　ハウジング１の一方側（冷却風の入気側であって、本図では鉄心に向かって右側）には閉塞部材である環状のエンドブラケット７が設けてあり、その内周側において軸受装置９を固定支持している。エンドブラケット７は、ハウジング１の端部と軸受装置９の外周側との間で反鉄心側に張出した形状のものである。ハウジング１とエンドブラケット７によって固定子及び回転子を内包する空間が形成されている。この意味ではエンドブラケット７は固定子及び回転子を内包するハウジング（広義）を構成する部材の一部と見ることもできる。言い換えれば、ハウジング（広義）は、ハウジング本体（ハウジング１（狭義））とエンドブラケット７により構成されている。

　回転軸６のうち、回転子鉄心３に設けられる領域と軸受装置９に支承される領域との間に位置する領域には、冷却ファン１０が設けられている。冷却ファン１０は、円板状の主板１０ａ、板状のベーン１０ｂ、無底すり鉢状の側板１０ｃから形成されている。

　ここで、図２も用いながら冷却ファン１０の構成を説明する。図２は、図１に記載の冷却ファン１０の外観斜視図である。

　冷却ファン１０は、主板１０ａと複数のベーン１０ｂと側板１０ｃから形成されている。入口（入口断面）１０ｅは、主板１０ａと複数のベーン１０ｂおよび側板１０ｃで複数形成されている。

　主板１０aは、固定子および回転子を格納するハウジングによって形成された空間を、回転子及び固定子が設けられる第1の領域と、冷却ファン１０を介して第1の領域と反対側の第２の領域に仕切るように回転軸６に配置される。そして、主板１０aの回転軸の長手方向に沿った断面形状は、ハウジング１の内壁に近づくように傾斜しており、主板１０aの外周縁部はエンドブラケット７の内周面部に沿うように回転軸に対して略鉛直に形成されている。

　ベーン１０ｂは、主板１０aと側板１０ｃとの間に複数形成され、複数のベーン１０b、主板１０aおよび側板１０ｃによって流路を形成する。

　複数のベーン１０ｂは、主板１０aの中心から放射状に径方向に延びるように設置されている。隣り合うベーン１０ｂ同士の内径側端部の幅は、外径側端部の幅よりも小さい。

　側板１０ｃは、ベーン１０ｂの主板１０aとは反対側の他端に接続して設けられており、ハウジング（広義）を構成するエンドブラケット７に形成された入気口１１と対向する位置に形成されている。言い換えれば、ハウジング（広義）を構成するエンドブラケット７には、側板１０ｃをエンドブラケット７に向かって投影する領域内に入気口１１が形成されている。本実施例では後述の図４に示すように回転軸６を中心として環状に複数の入気口１１が形成されている。

　図３は、図１に記載の冷却ファン１０の外観断面図である。図1および図２と共通している構成の説明は省略する。入口１０ｅと同様に、出口１０ｄは、主板１０ａと複数のベーン１０ｂと側板１０ｃで複数形成されている。本実施例では、入口１０ｅと出口１０ｄの断面積差を小さくして圧損を小さくすることで冷却風を取り込む性能を維持可能な構造としている。具体的には、主板１０aと側板１０ｃのなす角度φは、0度よりも大きく、前記主板１０ａと前記側板１０ｃとの間隔が内径側に向かうにしたがって離れるように形成している。本構成によって、入口１０ｅと出口１０ｄの断面積差を小さくして圧損を小さくすることで冷却風を取り込む性能を維持可能な構造としている。

　次に、ハウジング１内を流れる冷却風の流路について説明する。冷却風の流路は矢印で図1上に記載する。はじめに、入気口１１から取り込まれた冷却風は、側板１０ｃに沿って回転軸６の軸方向に取り込まれる。次に、ベーン１０b、主板１０aおよび側板１０ｃによって形成される流路に導かれ、後述する塵埃排出口１２の方向に流れる。このように、入気口１１から取り込まれた冷却風がまず冷却ファンのベーン１０ｂに導かれることにより、騒音が低減可能となる。

　さらに、冷却ファンのベーン１０ｂの径方向端部は、図１ないし図３の記載から分かるように、側板１０ｃの径方向端部よりも内径側に形成している。本構成により、騒音低減効果を維持したまま、流路の整流化可能な構造としている。なお、図１および図２では、冷却ファンのベーン１０ｂの径方向端部の両端部が、側板１０ｃの径方向端部よりも内径側に形成している形態を記載しているが、冷却ファンのベーン１０ｂの少なくとも一方の径方向端部が、側板１０ｃの径方向端部よりも内径側に形成されていれば効果を奏することが可能である。

　次に、冷却風から塵埃を分離する構造について図1を用いて説明する。冷却ファンの主板１０ａの外径側には、塵埃を含む冷却風と塵埃を含まない冷却風とに分離し、分離した塵埃を含む冷却風が機内に流れ込まないようにするための分離機構である塵埃分離板１５がエンドブラケット７に設けられている。ここで、外径側とは、次第に外方に開くように形成されたファンの外形の周方向端部側のことをいう。塵埃分離板１５は冷却ファンの主板１０ａの外径よりも大きい内径を有するリング状の円板であり、ハウジング1とエンドブラケット７によって形成される空間に突部を形成するように成形され、塵埃排出口１２に導入される冷却風をガイドするように延伸している。尚、塵埃分離板１５はエンドブラケット７と一体形成してもよい。

　次に、塵埃分離板１５によって塵埃を分離する際の冷却風の流れについて図1に記載の矢印を用いて説明する。回転軸６の回転に伴って冷却ファン１０が回転すると、ベーン１０ｂの内径側と入気口１１との間の空間に吸引力が作用し、入気口１１から冷却風である外気が吸込まれる。

　塵埃分離板１５によって分離された一方の冷却風には塵埃が含まれており、エンドブラケット７の外周側内面を周方向に流れ、エンドブラケット７に形成された塵埃排出口１２に到達し機外に排出される。この時、塵埃を含む冷却風は塵埃分離板１５が壁になって機内に流れ込むことがない。

　分離された他方の冷却風は塵埃を含んでおらず、塵埃分離板１５の内径側と冷却ファンの主板１０ａの外径側との間の間隙を通じて鉄心側に押込まれる。押込まれた冷却風は固定子鉄心２及び回転子鉄心３の一方の端部を冷却し、固定子鉄心２と回転子鉄心３との間の空隙及び回転子鉄心３に複数もうけた軸方向に連続した通風ダクト１４を冷却しながら排気側に流れる。排気側に到達した冷却風は固定子鉄心２及び回転子鉄心３の他方の端部を冷却し、排気口１３から機外に排出される。

　以上のように、上記本発明の一実施例によれば、冷却ファン１０によって押込んだ冷却風を塵埃分離板１５により２つの冷却風、すなわち塵埃を含む冷却風と塵埃を含まない冷却風とに分離し、塵埃を含む冷却風は塵埃排出口１２から機外へ排出し、塵埃を含まない冷却風は塵埃分離板１５の内径側と冷却ファンの主板１０ａの内径側との間の空隙を介して機内に押込むようにしたので、塵埃を含まない冷却風によって機内を冷却でき、機内への塵埃侵入及び長時間の運転による塵埃堆積を抑制することができる。従って、定期的な分解清掃が不要であり、保守回帰の延長が図れる。また、塵埃除去のための機構を従来のものより簡単に構成することができ、故障ポテンシャルの低減が図れ、信頼性の向上が図れる。

　また、冷却ファンの主板１０ａの外径側と塵埃分離板１５の内径側との間の空隙の通風断面積を塵埃排出口１２の通風断面積よりも大きくしているので、その空隙を介して機内に押込まれる冷却風を多く、かつ風速を遅くでき、塵埃排出口１２から排出される冷却風の風量を少なく、かつ風速を速くできる。従って、塵埃を含む冷却風を風速の早い塵埃排出口１２から確実に排出できると共に、機内を多量の冷却風で冷却でき、上記効果を向上できる。

　図４は、図１に記載の回転機を右手方向から見た右側面の外観図である。

　本実施例では、ベーン１０ｂの枚数と入気口１１との個数を互いに割切れない（１以外の公約数を持たない）数の組合わせとしている。本構成により、ベーン１０ｂと入気口１１との間の空間に発生する騒音のレベルを低減できる。例えば入気口１１の個数を１２、ベーンの枚数を１５及び１７としたとき、１２と１５の組合わせでは、公約数が１の他に３が存在するので、一周３６０°のうち１２０°の3ヶ所においてベーンと入気口の位置（位相）が全く同じになり、騒音を強め合い騒音レベルを高めてしまう。一方、１２と１７の組合わせでは、公約数が1以外存在しないので、一周３６０°においてベーンと入気口の位置（位相）が全て異なり、騒音を強め合うことがないので、騒音レベルを低減できる。

　また、ベーンの枚数をＮｂ、入気口の個数をＮｓ、ベーンの枚数と入気口の個数の公約数をＭ、回転数をｒｐｍとしたとき、発生する騒音の周波数ｆは、
ｆ＝Ｎｂ×ｒｐｍ×Ｍ／６０（Ｈｚ）
又は、
ｆ＝Ｎｓ×ｒｐｍ×Ｍ／６０（Ｈｚ）
となり、１２と１５の組合わせでは、１、３の公約数を持つので、１２倍、１５倍、３６倍、４５倍の周波数を有する騒音を発生する。一方、１２と１７の組合わせでは、１の公約数を持つので、１２倍、１７倍の周波数を有する騒音を発生する。ここで、ある部分が管を構成し、この管の長さがＬであった場合、その管における共鳴する波長は、４Ｌ、４Ｌ／２、４Ｌ／３、４Ｌ／４…となり、騒音の発生周波数の多い１２と１５の組合わせでは共鳴しやすく、騒音のレベルを高めやすい。しかし、騒音の発生周波数の少ない１２と１７の組合わせでは共鳴を少なくでき、騒音のレベルを低減できる。従って、上記効果をさらに向上できる。

１…ハウジング、２…固定子鉄心、３…回転子鉄心、４…固定子巻線、５…回転子巻線、６回転軸、７…エンドブラケット、８，９…軸受装置、１０…冷却ファン、１０ａ…主板、１０ｂ…ベーン、１０ｃ…側板、１０ｄ…出口（出口断面）、１０ｅ…入口（入口断面）、１１…入気口、１２…塵埃排出口、１３…排気口、１４…通風ダクト、１５…塵埃分離板

Claims

　固定子と、
　前記固定子の固定子鉄心の内周側に配置される回転子鉄心を有する回転子と、
　前記回転子鉄心を回転する回転軸と、
　前記回転軸を回転自在に支承する軸受と、
　前記回転軸に設けられた冷却ファンと、
　前記固定子鉄心と前記回転子鉄心とを内包するハウジングと、を有し、
　前記冷却ファンは、主板と、前記主板のうち前記ハウジングと対向する面に前記回転子鉄心の径方向に延伸するように設けられたベーンと、前記ベーンに接続され前記主板に沿うように設けられた側板とから構成され、
　前記ハウジングには、前記側板を前記ハウジングに向かって投影する領域内に入気口が設けられ、
　前記主板と前記側板がなす角度φは0度よりも大きく、前記主板と前記側板との間隔が内径側に向かうにしたがって離れるように形成されることを特徴とする回転電機。
　請求項1に記載の回転電機であって、
　前記ベーンの径方向端部は、前記側板の径方向端部よりも内径側に設けられることを特徴とする回転電機。
　請求項１に記載の回転電機において、
　隣り合う前記ベーン同士の内径側端部の幅は、外径側端部の幅よりも小さいことを特徴とする回転電機。
　請求項1ないし３のいずれかに記載の回転電機において、
　前記冷却ファンにより前記入気口から導入された冷却風は、回転子鉄心が設けられる側に導入されるとともに、前記ハウジングの外周面部に設けられる排出口に導入されることを特徴とする回転電機。
　請求項４に記載の回転電機において、
　塵埃分離板を備え、前記塵埃分離板は、ハウジングによって形成される空間に突部を形成するように成形され、
　前記突部は、前記排出口に導入される冷却風をガイドするように前記ハウジング内面から前記空間に向かって延伸していることを特徴とする回転電機。
　請求項５に記載の回転電機において、
　前記主板の外径側と前記塵埃分離板の内径側とによって形成される空隙の通風断面積は、前記排出口の通風断面積よりも大きいことを特徴とする回転電機。
　請求項１ないし６のいずれかに記載の回転電機において、
　前記ベーンの枚数と、前記主板、前記側板および前記ベーンによって形成される流路の個数は、互いに割り切れない数の組み合わせであることを特徴とする回転電機。