WO2019234967A1

WO2019234967A1 - 回転電機

Info

Publication number: WO2019234967A1
Application number: PCT/JP2019/002759
Authority: WO
Inventors: 逸郎沢田; 藤井　克彦; 太郎工藤; 達拡田村
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2018-06-08
Filing date: 2019-01-28
Publication date: 2019-12-12
Also published as: JP7125864B2; JP2019213425A; EP3813236A1; EP3813236A4

Abstract

本発明は、ファンを用いて機内を冷却するものであっても、ファン損失を低減し、効率を向上させることができる回転電機を提供する。　本発明の回転電機は、回転子の軸方向一端に取り付けられ、機内空気を循環する内扇ファンと、この内扇ファンが取り付けられている側とは反対側の前記回転子に取り付けられ、機外空気を取り込む外扇ファンとを備え、前記外扇ファンの主板の機内側には、フレーム若しくは固定子コアに固定された仕切り板が配置され、前記仕切り板は、前記外扇ファンの主板の面に沿うように、前記主板とのギャップが略一定となるように取り付けられ、前記主板の機内側の面の全部が前記仕切り板で覆われていることを特徴とする。

Description

回転電機

　本発明は回転電機に係り、特に、空気を用いて機内を冷却するものに好適な回転電機に関する。

　一般に、回転電機は、電動機として電気的な入力を機械的な出力に変換する際や発電機として機械的な入力を電気的な出力に変換する際に、渦電流損失やジュール損失に起因して発熱する。

　一方、回転電機を構成する部品の材料には、それぞれ上限温度が規定されており、電動機或いは発電機として動作する際に、各部品の温度がそれぞれの上限温度を超えないように冷却する必要がある。

　このような回転電機の冷却方式として広く用いられているものに、空気を用いて冷却する空冷方式がある。

　この空冷方式は、回転電機の発熱部に、直接的或いは間接的に空気を当てることにより、発熱部の熱を取り除き冷却する冷却方式である。

　また、空冷方式は、冷却のための空気をファンなどの装置を用いて強制的に流す強制空冷方式と、ファンなどの装置を用いずに自然対流により放熱する自然空冷方式とに分類できる。

　このうちの強制空冷方式を用いた回転電機は、例えば、特許文献１に開示されている。

　特許文献１には、回転電機の回転子の一端に回転子と一体となって回転するファンを有し、このファンの回転によりモータ外部の空気をモータ内部に取り込み、モータ内部に設けた通風流路に取り込まれた空気を流すことによりモータを冷却し、その後、モータの外部に空気を排出する構造が記載されている。

特開２００１－７８３９０号公報

　通常、モータ内部に冷却空気を流す場合、ファンの回転面では、空気に対して遠心力により内径側から外径側に力を与える。このため、ファンの回転面に接する領域において、遠心力に逆らって外径側から内径側に空気を流す場合には、抵抗が生じファンの損失となる。

　これを防止するため、特許文献１では、図８に開示されているように、ファン１５の回転面１５ｃと機内空気とを仕切るための仕切り板１６が設置されている。

　しかしながら、特許文献１に記載の仕切り板１６は、外径側から内径側に向かい鉛直に伸びているため、ファン１５による機内空気の流れが仕切り板１６に衝突して大きなファン損失を生じ、また、仕切り板１６とファン１５の回転面１５ｃとの隙間が大きいため、そこに空気の２次流れを生じ、ファン損失の要因となり、回転電機の効率が低下する懸念がある。

　本発明は上述の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、ファンを用いて機内を冷却するものであっても、ファン損失を低減して効率を向上することができる回転電機を提供することにある。

　本発明の回転電機は、上記目的を達成するためには、固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子と、前記固定子を支持するフレームとから成り、前記固定子は、固定子コアと、該固定子コアの内径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって複数形成され、軸方向に伸延する固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、前記回転子は、前記固定子コアと径方向に所定の空隙をもって対向配置された回転子コアと、該回転子コアの外径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって複数形成され、軸方向に延伸する回転子スロット内に装着された界磁部材とを備え、前記回転子の軸方向一端に取り付けられ、機内空気を循環する内扇ファンと、前記内扇ファンが取り付けられている側とは反対側の前記回転子に取り付けられ、機外空気を取り込む外扇ファンとを備えている回転電機であって、前記外扇ファンの主板の機内側には、前記フレーム若しくは前記固定子コアに固定された仕切り板が配置され、前記仕切り板は、前記外扇ファンの主板の面に沿うように、前記主板とのギャップが略一定となるように取り付けられ、前記主板の機内側の面の一部又は全部が前記仕切り板で覆われていることを特徴とする。

　本発明によれば、ファンを用いて機内を冷却するものであっても、ファンの損失を低減し、回転電機の効率を向上させることができる。

本発明の回転電機の実施例１を示す断面図である。本発明の回転電機の実施例２を示す断面図である。本発明の回転電機の実施例３を示す断面図である。本発明の回転電機の実施例４を示す断面図である。本発明の回転電機の実施例５を示す断面図である。

　以下、図示した実施例に基づいて本発明の回転電機を説明する。なお、各実施例において、同一構成部品には同符号を使用する。

　図１に、本発明の回転電機の実施例１を示す。

　図１に示す本発明の回転電機は、誘導電動機に適用した例を示す。

　なお、以下に説明する各実施例では、回転電機を誘導電動機として説明するが、特にこれに限定するものではなく、空冷式の回転電機であれば、永久磁石型同期電動機に本発明を適用しても同様の効果を得ることができる。

　図１に示す誘導電動機である回転電機１は、固定子２と、この固定子２の内径側と所定の空隙をもって対向配置された回転子３と、固定子２を保持するフレーム４とから概略構成されている。

　更に詳述すると、固定子２は、固定子コア２０と、固定子コア２０の内径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって複数形成され、回転軸方向に延伸する固定子スロット（図示せず）内に巻き回（装着）された固定子コイル２２とから構成されている。

　また、回転子３は、固定子コア２０と径方向に所定の空隙をもって対向して配置された回転子コア３０と、回転子コア３０の外径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって複数形成され、回転軸方向に延伸する回転子スロット（図示せず）内に挿入（装着）された界磁部材である複数の回転子バー３２と、各回転子バー３２を両軸端で短絡するための導体であるエンドリング３３と、各回転子バー３２とエンドリング３３とを保持するためのリテイニングリング３４と、回転子コア３０が嵌合されているシャフト３６とから構成され、シャフト３６は、軸受３７ａ、３７ｂにより回転可能に保持されている。なお、４１は、回転電機１の軸方向両端を塞ぐエンドブラケットである。

　また、回転子３の軸方向の一端には、機内空気７１を循環するための内扇ファン５１が取り付けられており、回転子３の軸方向の他端（内扇ファン５１が取り付けられている側とは反対側の回転子３）には、機外空気７２を取り込むための外扇ファン５２が取り付けられている。いずれのファンも回転子３と一体となって回転することでファンとして機能する。

　そして、本実施例では、外扇ファン５２の主板５２ａの機内側には、フレーム４に一端が固定された金属製の仕切り板６が、外扇ファン５２の主板５２ａの面に沿うように主板５２ａとのギャップが略一定となるように取り付けられ、この仕切り板６は、主板５２ａの機内側の面の全部を、内扇ファン５１による機内空気７１に曝露されない状態となるように、回転子コア３０の外径面よりも内径側まで伸びて覆っている。

　即ち、回転子３の内扇ファン５１が取り付けられている側とは反対側に取り付けられている外扇ファン５２の主板５２ａは、回転子３との取り付け部を起点に径方向の外側に向かうに従い軸方向外側に広がる傾斜部５２ａ１と、この傾斜部５２ａ１の先端部から連続して径方向の外側に鉛直する鉛直部５２ａ２とから成り、一方、フレーム４に一端が固定されている仕切り板６は、フレーム４との固定部を起点に径方向の内側に鉛直する鉛直部６ａと、この鉛直部６ａの先端部から連続して主板５２ａの傾斜部５２ａ１に沿って傾斜する傾斜部６ｂとから成っている。

　そして、外扇ファン５２の主板５２ａの傾斜部５２ａ１とフレーム４の傾斜部６ｂ及び外扇ファン５２の主板５２ａの鉛直部５２ａ２とフレーム４の鉛直部６ａが、略一定のギャップをもって配置され、仕切り板６の鉛直部６ａと傾斜部６ｂが、外扇ファン５２の主板５２ａの機内側の面の全部、つまり、主板５２ａの傾斜部５２ａ１と鉛直部５２ａ２を、内扇ファン５１による機内空気７１に曝露されない状態となるように覆っている。この時、仕切り板６の内径位置が、回転子コア３０の外径面よりも内径側まで伸びている。

　このような構成の本実施例では、機内空気７１は、内扇ファン５１の回転により、機内空気通風路７３を通り、図１に示す断面において反時計回りに回転電機１の機内を循環している。その際、仕切り板６の近傍では、機内空気通風路７３を通った機内空気７１が、仕切り板６の鉛直部６ａと傾斜部６ｂに沿って外径側から内径側に向かう流れとなる。一方、外扇ファン５２は、内扇ファン５１と同様に回転子３と一体となって回転するために、主板５２ａと接する機内空気７１に対して、機外空気７２が主板５２ａの傾斜部５２ａ１と鉛直部５２ａ２に沿って内径側から外径側に流れ、内径側から外径側に向かう力を与えることになる。

　このため、従来のように仕切り板６がない場合には、外扇ファン５２の主板５２ａの全面が機内空気７１と接することになり、内扇ファン５１により外径側から内径側に向かって循環させようとしている機内空気７１に対して、機外空気７２が外扇ファン５２により逆向きの内径側から外径側に向かう力を与えることになり、それがファン損失の増大を招いていた。

　これに対して、本実施例のように、フレーム４に一端が固定された仕切り板６の鉛直部６ａと傾斜部６ｂが、外扇ファン５２の主板５２ａの傾斜部５２ａ１と鉛直部５２ａ２のの鉛直部６ａと傾斜部６ｂの面に沿うように主板５２ａとのギャップが略一定となるように取り付け、主板５２ａの機内側の面の全部を、内扇ファン５１による機内空気７１に曝露されない状態となるように覆うことで、回転しないで静止している仕切り板６により、内扇ファン５１による機内空気７１と外扇ファン５２による機外空気７２を分離することができるため、外径側から内径側に向かって循環させようとしている機内空気７１に対して、逆向きの内径側から外径側に向かう力を与えることがなくなり、ファン損失の増大を抑制することができる。

　また、内扇ファン５１及び外扇ファン５２の動力はともに、回転電機１の所要動力であるため、これらのファン損失を低減することは、回転電機１の効率の向上につながることとなる。

　なお、仕切り板６は、外扇ファン５２の主板５２ａと接触しないように、主板５２ａとのギャップが略一定となるように確保した上で、主板５２ａの面に沿って回転子コア３０の外径面よりも内径側まで伸びた形状とすることが望ましい。また、外扇ファン５２の主板５２ａの機内側の面をできるだけ広く覆う形状とすることが望ましい。

　また、本実施例では、界磁部材として回転子バー３２について説明したが、界磁部材は、回転子バー３２の他に永久磁石や回転子巻線であっても構わない（以下に説明する他の実施例も同様である）。

　図２に、本発明の回転電機の実施例２を示す。

　図１に示した実施例１の回転電機１においては、外扇ファン５２による回転電機１の機外から吸い込んだ機外空気７２は、外扇ファン５２を介してエンドブラケット４１の上部から排出される構造となっており、外扇ファン５２による機外空気７２は、一方の軸受３７ａを冷却することを主たる目的としているが、図２に示した実施例２の回転電機１においては、外扇ファン５２を通過した機外空気７２は、固定子コア２０とフレーム４との間に設けた機外空気通風路７４を通過した後に、回転電機１の機外に排出される構造となっている。他の構造は、実施例１と同様である。

　このような本実施例の構造とすることにより、仕切り板６と外扇ファン５２の構造は実施例１と同様であり、その効果も実施例1と同様であるが、外扇ファン５２により取り込んだ機外空気７２を、固定子コア２０に直接接触させることができるので、より高い冷却性能を得ることができる構造となっている。

　図３に、本発明の回転電機の実施例３を示す。

　図１及び図２に示した実施例１及び実施例２においては、仕切り板６は、主板５２ａの機内側の面の全部を、内扇ファン５１による機内空気７１に曝露されない状態となるように、回転子コア３０の外径面よりも内径側まで伸びているが、図３に示した実施例３の回転電機１では、仕切り板６は、主板５２ａの機内側の面の一部を、内扇ファン５１による機内空気７１に曝露されない状態となるように、仕切り板６の内径位置が、回転子コア３０の外径面よりも外径側に位置している。

　即ち、外扇ファン５２の主板５２ａの傾斜部５２ａ１とフレーム４の傾斜部６ｂ及び外扇ファン５２の主板５２ａの鉛直部５２ａ２とフレーム４の鉛直部６ａが、略一定のギャップをもって配置され、仕切り板６の鉛直部６ａと傾斜部６ｂが、外扇ファン５２の主板５２ａの機内側の面の一部、つまり、主板５２ａの傾斜部５２ａ１の一部と鉛直部５２ａ２を、内扇ファン５１による機内空気７１に曝露されない状態となるように覆っている。
この時、仕切り板６の内径位置が、回転子コア３０の外径面よりも外径側に位置している。他の構造は、実施例１と同様である。

　このような本実施例の構造とすることにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、回転電機１を組み立てる際に、回転子３に内扇ファン５１及び外扇ファン５２を取り付けた状態で、回転子３を図３の左側から右側に向かい固定子２の内径側に挿入することができる。

　また、回転電機１の組み立てでは、回転子３を構成する部品を組み立てた状態で予めバランス調整をした後で、一体のまま固定子２に組み付ける場合があるが、実施例１及び２の状態（仕切り板６が回転子コア３０の外径面よりも内径側まで伸びている状態）では、仕切り板６に回転子３が接触してしまうため、組み立てが不可能となる。

　これに対して、図３に示した本実施例のように、仕切り板６の内径位置を、回転子コア３０の外径面よりも外側に位置させることにより、組み立て後の回転子３をそのまま一体で固定子２の内径側に挿入することができる。

　実施例１及び２と比較して、本実施例では、仕切り板６により機内空気７１と外扇ファン５２の主板５２ａとを分離できる面積が少なくなるため、ファン損失の低減効果が少なくなるが、外扇ファン５２の回転による影響は、回転速度の大きい外径側の方が大きくなるため、仕切り板６により回転速度の大きい外径側の主板５２ａの表面を覆うことにより、実施例１及び２の効果の低減代を少なくすることができる。

　図４に、本発明の回転電機の実施例４を示す。

　図４に示した実施例４の回転電機１では、回転子３の右側に取り付けられているファンを、機内空気７１を循環する内扇ファン及び機外空気７２を取り込む外扇ファンの機能を兼ねる内外扇兼用ファン５３としたことを特徴としている。他の構造は、実施例１と同様である。

　このような本実施例の構造とすることにより、実施例１と同様な効果が得られることは勿論、回転子３の右側に取り付けられた内外扇兼用ファン５３では、機内空気７１を循環させることができ、また、機外空気７２を取り込んで、固定子２と回転子３の冷却は勿論、回転電機１の右側の軸受３７ｂも冷却することができる。一方、回転子３の左側に取り付けられている外扇ファン５２では、回転子３の左側の軸受７２ａを冷却することができる。

　図５に、本発明の回転電機の実施例５を示す。

　上述した実施例１－４の回転電機１では、仕切り板６は、いずれもフレーム４に取り付けられているが、図５に示した本実施例の回転電機１では、仕切り板６が固定子コア２０に取り付けられていることを特徴とする。

　なお、実施例１－４の回転電機１では、仕切り板６が金属製のフレーム４に取り付けられているが、本実施例の回転電機１では、仕切り板６が固定子コア２０に取り付けられているため、仕切り板６は、樹脂等の非磁性部材にする必要がある。

　このように、仕切り板６を固定する対象は、静止している部品であれば、フレーム４に限定されることなく、本実施例のように、固定子コア２０に固定しても実施例１と同様の効果を得ることができる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成を置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

　１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…フレーム、６…仕切り板、６ａ…仕切り板の鉛直部、６ｂ…仕切り板の傾斜部、２０…固定子コア、２２…固定子コイル、３０…回転子コア、３２…回転子バー、３３…エンドリング、３４…リテイニングリング、３６…シャフト、３７ａ、３７ｂ…軸受、４１…エンドブラケット、５１…内扇ファン、５２…外扇ファン、５２ａ…外扇ファンの主板、５２ａ１…主板の傾斜部、５２ａ２…主板の鉛直部、５３…内扇外扇兼用ファン、７１…機内空気、７２…機外空気、７３…機内空気通風路、７４…機外空気通風路。

Claims

　固定子と、該固定子の内径側に所定の空隙を介して対向配置された回転子と、前記固定子を支持するフレームとから成り、
　前記固定子は、固定子コアと、該固定子コアの内径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって複数形成され、軸方向に伸延する固定子スロット内に装着された固定子コイルとを備え、
　前記回転子は、前記固定子コアと径方向に所定の空隙をもって対向配置された回転子コアと、該回転子コアの外径側に設けられ、かつ、周方向に所定の間隔をもって複数形成され、軸方向に延伸する回転子スロット内に装着された界磁部材とを備え、
　前記回転子の軸方向一端に取り付けられ、機内空気を循環する内扇ファンと、前記内扇ファンが取り付けられている側とは反対側の前記回転子に取り付けられ、機外空気を取り込む外扇ファンとを備えている回転電機であって、
　前記外扇ファンの主板の機内側には、前記フレーム若しくは前記固定子コアに固定された仕切り板が配置され、
　前記仕切り板は、前記外扇ファンの主板の面に沿うように、前記主板とのギャップが略一定となるように取り付けられ、前記主板の機内側の面の一部又は全部が前記仕切り板で覆われてい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、
　前記固定子コアと前記フレームとの間に機外空気通風路を設け、前記外扇ファンを通過した前記機外空気は、前記機外空気通風路を通過した後に機外に排出されることを特徴とする回転電機。
　請求項１又は２に記載の回転電機であって、
　前記内扇ファンは、前記機内空気を循環する内扇ファン及び前記機外空気を取り込む外扇ファンの機能を兼ねる内外扇兼用ファンであることを特徴とする回転電機。
　請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記仕切り板は、前記主板の機内側の面の全部を、前記内扇ファンによる前記機内空気に曝露されない状態となるように覆っていることを特徴とする回転電機。
　請求項４に記載の回転電機であって、
　前記外扇ファンの主板は、前記回転子との取り付け部を起点に径方向の外側に向かうに従い軸方向外側に広がる傾斜部と、この傾斜部の先端部から連続して径方向の外側に鉛直する鉛直部とから成ると共に、前記仕切り板は、前記フレーム若しくは前記固定子コアとの固定部を起点に径方向の内側に鉛直する鉛直部と、この鉛直部の先端部から連続して前記主板の傾斜部に沿って傾斜する傾斜部とから成り、
　前記主板の傾斜部と前記フレームの傾斜部及び前記主板の鉛直部と前記フレームの鉛直部が略一定のギャップをもって配置され、前記仕切り板の鉛直部と傾斜部が、前記主板の傾斜部と鉛直部の面の全部を、前記内扇ファンによる前記機内空気に曝露されない状態となるように覆っていることを特徴とする回転電機。
　請求項４又は５に記載の回転電機であって、
　前記主板の機内側の面の全部を覆う前記仕切り板は、前記回転子コアの外径面よりも内径側まで伸びていることを特徴とする回転電機。
　請求項１乃至３のいずれか１に記載の回転電機であって、
　前記仕切り板は、前記主板の機内側の面の一部を、前記内扇ファンによる前記機内空気に曝露されない状態となるように覆っていることを特徴とする回転電機。
　請求項７に記載の回転電機であって、
　前記外扇ファンの主板は、前記回転子との取り付け部を起点に径方向の外側に向かうに従い軸方向外側に広がる傾斜部と、この傾斜部の先端部から連続して径方向の外側に鉛直する鉛直部とから成ると共に、前記仕切り板は、前記フレーム若しくは前記固定子コアとの固定部を起点に径方向の内側に鉛直する鉛直部と、この鉛直部の先端部から連続して前記主板の傾斜部に沿って傾斜する傾斜部とから成り、
　前記主板の傾斜部と前記フレームの傾斜部及び前記主板の鉛直部と前記フレームの鉛直部が略一定のギャップをもって配置され、前記仕切り板の鉛直部と傾斜部が、前記主板の傾斜部と鉛直部の面の一部を、前記内扇ファンによる前記機内空気に曝露されない状態となるように覆っていることを特徴とする回転電機。
　請求項７又は８に記載の回転電機であって、
　前記主板の機内側の面の一部を覆う前記仕切り板は、その内径位置が前記回転子コアの外径面よりも外径側に位置していることを特徴とする回転電機。
　請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記フレームに固定されている前記仕切り板は、金属製であることを特徴とする回転電機。
　請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記固定子コアに固定されている前記仕切り板は、非磁性材であることを特徴とする回転電機。
　請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の回転電機であって、
　前記界磁部材は、回転子バー、永久磁石、回転子巻線のいずれか１つであることを特徴とする回転電機。