WO2021117896A1 - 回転装置 - Google Patents

Abstract

回転装置（１）は、回転子（２）を備え、回転子は、シャフト（２ｂ）と、シャフトの外周面に設けられた磁石（２ｃ）と、磁石の外周面に当接する磁石保持部（２ｄ）と、磁石の外周面と磁石保持部の内周面との間に形成された冷却流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）と、を備える。

Description

回転装置

　本開示は、回転装置に関する。
　本願は、２０１９年１２月１２日に日本に出願された特願２０１９－２２４７４５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　例えば、特許文献１においては、永久磁石を磁極として用いた電動機が開示されている。このような電動機は、電動機ロータ（回転子）に永久磁石が設けられ、該永久磁石の外周に設けられたシュリンクリング（磁石保持部）により永久磁石を保持する構成とされる。また、特許文献１の電動機においては、ロータシャフトの中空部と連通すると共に電動機ロータの外周面近傍まで冷却油を案内する油路が設けられている。

日本国特開２００１－０１６８２６号公報

　近年のモータ及び発電機等の回転装置の用途の多様化により、より高効率のモータや、発電密度の高い発電機が求められている。すなわち、回転子及び固定子を備える回転装置において、高性能化が必要とされている。このような回転装置においては、高性能化かつ小型化が必要となるため、渦電流が発生しやすい磁石保持部において熱損失がより大きくなり、高温となりやすい。しかしながら、従来の構成では、冷却流路が磁石保持部から遠い位置にあり、磁石保持部が十分に冷却されない可能性がある。

　本開示は、上述する事情に鑑みてなされたもので、回転子において磁石保持部を十分に冷却することを目的とする。

　本開示の第１の態様に係る回転装置は、回転子を備え、回転子は、シャフトと、シャフトの外周面に設けられた磁石と、磁石の外周面に当接する磁石保持部と、磁石の外周面と磁石保持部の内周面との間に形成された冷却流路と、を備える。

　本開示の第２の態様は、上記第１の態様に係る回転装置において、冷却流路は、磁石の外周面に設けられた溝を含む。

　本開示の第３の態様は、上記第１または第２の態様に係る回転装置において、磁石は、周方向に複数配列され、冷却流路は、複数の磁石と磁石保持部との間に各々設けられる。

　本開示の第４の態様は、上記第１～第３のいずれか１つの態様に係る回転装置において、冷却流路は、入口側に流路径が狭められた絞り部を有する。

　本開示によれば、回転子において冷却流路が磁石保持部と永久磁石との間に設けられる。したがって、冷却媒体を磁石保持部に近接または接触させることができ、磁石保持部を十分に冷却することができる。

本開示の一実施形態に係る発電機の断面図である。 本開示の一実施形態に係る発電機の拡大断面図である。 本開示の一実施形態に係る発電機を軸方向から見た断面図である。

　以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。

　本実施形態では、回転装置の一例として、発電機について説明する。発電機１は、図１に示すように、発電装置１００に含まれている。発電装置１００は、ケーシング１１０と、複数の軸受１２０と、冷却油供給部１３０と、カラー１４０と、発電機１と、不図示の翼等の回転駆動装置を備えている。このような発電装置１００は、発電機１の後述する回転子２を、不図示の回転駆動装置により回転させることで発電する装置である。

　発電機１（回転装置）は、図１及び図２に示すように、回転子２と、固定子３とを備えており、各部材に流路Ｒ１～Ｒ４が形成されている。
　回転子２は、固定子３の内側において回転可能に保持されている。このような回転子２は、内側シャフト２ａと、外側シャフト２ｂと、永久磁石２ｃと、磁石保持部２ｄと、端部部材２ｅと、第１端部保持リング２ｆと、第２端部保持リング２ｇと、封止部材２ｈとを備えている。
　本実施形態において、流路Ｒ１～Ｒ４は回転子２に設けられている。
　以下の説明において、回転子２の中心軸Ｏ（回転軸、すなわち回転軸線）に沿う方向を軸方向と称し、軸方向から見た際に中心軸Ｏと交差する方向を径方向と称し、中心軸Ｏ周りの方向を周方向と称する。「軸方向から見た断面図」とは、中心軸Ｏと直交する面を含む断面図をいう。

　内側シャフト２ａは、円筒形状の部材とされ、外側シャフト２ｂと固定されている。また、内側シャフト２ａは、外側シャフト２ｂよりも長く、軸方向における一端（ケーシング１１０寄りの端部）が外側シャフト２ｂから突出しており、突出した部位に軸受１２０が配置されている。
　なお、内側シャフト２ａが、中実丸棒状の部材であってもよい。

　外側シャフト２ｂ（シャフト）は、円筒形状の部材とされる。また、外側シャフト２ｂは、外周が図３に示すように略八角形状とされ、外形形状が八角柱状とされる。このような外側シャフト２ｂは、外周面における８つの平坦面のそれぞれに永久磁石２ｃが設置され、外側シャフト２ｂは複数の永久磁石２ｃと共に磁石保持部２ｄに収容されている。

　図３に示すような、中心軸Ｏと直交する面を含む断面図において、外側シャフト２ｂの外形は八角形となっている。しかしながら、上記断面図における外側シャフト２ｂの外形は八角形に限定されず、他の多角形状であってもよい。また、外側シャフト２ｂと永久磁石２ｃとの周方向における相対移動を適切に防止できるのであれば、外側シャフト２ｂの外周面を円筒状に形成し、外側シャフト２ｂに設けられたピンやネジ等の保持部材によって永久磁石２ｃを保持してもよい。

　永久磁石２ｃは、外側シャフト２ｂの各面（各平坦面）に固定されており、磁石保持部２ｄと部分的に接している。すなわち、それぞれ永久磁石２ｃは、外側シャフト２ｂと磁石保持部２ｄとに挟まれた状態で保持されている。また、永久磁石２ｃは、それぞれ磁石保持部２ｄと接する面において、長手方向（軸方向）に沿う、互いに平行な流路溝２ｃ１が複数形成されている。本実施形態において流路溝２ｃ１は、永久磁石２ｃの軸方向両端部の間で直線状に形成されている。

　磁石保持部２ｄは、円筒状とされ、永久磁石２ｃを保持した外側シャフト２ｂが内側に収容された状態で固定されている。つまり、磁石保持部２ｄの内側には、永久磁石２ｃと、永久磁石２ｃを保持する外側シャフト２ｂが嵌合している。また、磁石保持部２ｄは、内周側において永久磁石２ｃと部分的に接触しており、外側シャフト２ｂとの間で永久磁石２ｃを保持している。また、永久磁石２ｃの流路溝２ｃ１により、冷却油を案内する溝流路Ｒ３（冷却流路）が磁石保持部２ｄと永久磁石２ｃとの間に形成されている。各永久磁石２ｃの外周面（径方向外面）は、軸方向から見た断面で円弧をなしており、円弧は磁石保持部２ｄと当接する。円弧は、流路溝２ｃ１に対応する部分が内周側に凹んでおり、流路溝２ｃ１によって磁石保持部２ｄと永久磁石２ｃとの間に空隙を作る。各永久磁石２ｃの円弧には、それぞれ複数の流路溝２ｃ１が形成される。各永久磁石２ｃは、円弧の周方向中央の位置で径方向の厚みが最も厚くなる。１つの流路溝２ｃ１は円弧の周方向中央に設けられる。また、当該円弧の中央に設けられた上記１つの流路溝２ｃ１を挟み、周方向に対称となる位置にも、複数の流路溝２ｃ１がそれぞれ設けられる。

　外側シャフト２ｂ、永久磁石２ｃ、及び磁石保持部２ｄは、径方向内側から外側に向けて順に配置されている（図３参照）。本実施形態において、永久磁石２ｃの径方向外側の面を、「外周面」と称する場合がある。各永久磁石２ｃの上記円弧に、流路溝２ｃ１が１つのみ設けられる構成であってもよい。磁石保持部２ｄは、例えば、非磁性の材料（例えば、オーステナイト系ステンレス等）によって形成されている。

　端部部材２ｅは、内側シャフト２ａ及び外側シャフト２ｂの軸方向の一端（冷却油供給部１３０寄りの端部）に取り付けられた環状の部材であり、冷却油供給部１３０と接続されている。端部部材２ｅには、径方向に向けて放射状かつ周方向に等間隔で設けられる入口流路Ｒ１が形成されている。入口流路Ｒ１は、後述する流路Ｒａと接続されている。また、入口流路Ｒ１には、流路径が縮径された絞り部２ｅ１が設けられている。絞り部２ｅ１により、入口流路Ｒ１を流れる流量が絞られることで、各入口流路Ｒ１の流量が均一となる。

　第１端部保持リング２ｆは、円環状の部材であり、内側シャフト２ａの端部側（図２における右側、冷却油供給部１３０側）における永久磁石２ｃ及び外側シャフト２ｂの端部に設けられている。また、第１端部保持リング２ｆには、入口流路Ｒ１と接続される径方向流路Ｒ２が形成されている。本実施形態における複数の径方向流路Ｒ２は、放射状に設けられると共にそれぞれ溝流路Ｒ３に接続されている。また、第１端部保持リング２ｆには、磁石保持部２ｄとの接触部に封止部材２ｈが設けられている。
　第１端部保持リング２ｆは、端部部材２ｅの径方向外側に設けられている。複数の径方向流路Ｒ２は、それぞれ入口流路Ｒ１と接続されている。

　第２端部保持リング２ｇは、円環状の部材であり、第１端部保持リング２ｆと軸方向に対向して永久磁石２ｃ及び外側シャフト２ｂの端部に設けられている。このような第２端部保持リング２ｇは、第１端部保持リング２ｆと共に永久磁石２ｃ及び外側シャフト２ｂを軸方向に挟み込むことにより保持している。また、第２端部保持リング２ｇには、その内部に径方向に向けて放射状に出口流路Ｒ４が形成されている。出口流路Ｒ４は、それぞれ後述する流路Ｒｂと接続されている。また、第２端部保持リング２ｇには、磁石保持部２ｄとの接触部に封止部材２ｈが設けられている。

　封止部材２ｈは、例えば、第１端部保持リング２ｆ及び第２端部保持リング２ｇと、磁石保持部２ｄとの間を封止するＯリングである。

　固定子３は、図１及び図２に示すように、磁石保持部２ｄの径方向外側に、間隙を有して配置される。このような固定子３は、固定子鉄心と、固定子鉄心に巻回される巻線（いずれも不図示）とを備えている。

　ケーシング１１０は、略筒状とされ、内側シャフト２ａの外側シャフト２ｂから露出した一端を、僅かに間隙を開けて収容している。

　軸受１２０は、ケーシング１１０に固定された状態で発電機１の固定子３の端部の近傍に設けられ、内側シャフト２ａを回転可能に支持している。

　冷却油供給部１３０は、内側シャフト２ａの端部に設けられた円筒状の流路部材である。冷却油供給部１３０は、外部の冷却油供給装置（不図示）と接続されている。本実施形態における冷却油供給部１３０には、冷却油供給装置側に開口し軸方向に延伸する流路と当該軸方向に延伸する流路から外周側に放射状に分岐する複数の流路Ｒａとを備える。当該放射状に延伸する複数の流路は、端部部材２ｅに形成された流路Ｒ１とそれぞれ連通する。
　冷却油供給部１３０とケーシング１１０は、外側シャフト２ｂを軸方向に挟む位置にそれぞれ設けられている。

　カラー１４０は、内側シャフト２ａの外周面に間隔をあけて設けられた環状部材であり、内側シャフト２ａとの間に流路Ｒｂを形成している。流路Ｒｂは、出口流路Ｒ４と接続されている。
　本実施形態のカラー１４０は筒状に形成され、軸方向において外側シャフト２ｂとケーシング１１０との間に設けられている。

　なお、このようにして構成される流路Ｒａ、Ｒ１～Ｒ４及びＲｂは、それぞれがこの順に接続されていることにより、外部装置より供給された冷却油を永久磁石２ｃと磁石保持部２ｄとの間へと案内する流路を構成している。
　流路Ｒ１～Ｒ４は、磁石保持部２ｄや永久磁石２ｃを効率よく冷却するための本開示の冷却流路を構成している。また、この冷却流路（Ｒ１～Ｒ４）の少なくとも一部（Ｒ３）が、永久磁石２ｃの外周面と磁石保持部２ｄの内周面（径方向内面）との間に形成されている。

　続いて、このような本実施形態における発電装置１００における冷却油の流れについて、説明する。
　発電機１が起動されると、不図示の翼により内側シャフト２ａ及び外側シャフト２ｂが回転駆動されることにより、回転子２全体が回転される。これにより、回転子２と固定子３との間の磁界が変化し、固定子３の巻線に電流が流れる。このとき、回転子２において最も外周側に配置される磁石保持部２ｄは、永久磁石２ｃ及び固定子３と近接しており、渦電流が発生しやすいため、高温となる可能性がある。なお、例えば本実施形態の発電機１においては、磁石保持部２ｄにおいて発生する熱量が大きく、磁石保持部２ｄにおける熱損失が永久磁石２ｃにおける熱損失よりも大きい。

　このような発電機１において、冷却油供給部１３０から流入した冷却油は、流路Ｒａを介して入口流路Ｒ１へと流れ込む。このとき、入口流路Ｒ１の流路径が絞り部２ｅ１において縮径されているため、入口流路Ｒ１を通過する冷却油の流量が抑えられる。これにより溢れた冷却油は、他の入口流路Ｒ１へと流れ込むことで、各入口流路Ｒ１における流量が概略均一となる。そして、冷却油は、回転する回転子２の遠心力により、径方向外側に向けた力が加えられ、径方向流路Ｒ２を介して永久磁石２ｃと磁石保持部２ｄとの間に形成された溝流路Ｒ３へと流入する。溝流路Ｒ３内の冷却油は、回転軸方向へと押し出され、出口流路Ｒ４へと向かう。このとき、冷却油は、溝流路Ｒ３内において、高温となった永久磁石２ｃ及び磁石保持部２ｄと接触し、熱伝達により、永久磁石２ｃ及び磁石保持部２ｄの熱を取り除く。そして、出口流路Ｒ４に流入しそこから流出した冷却油は、カラー１４０内側シャフト２ａとの間の流路Ｒｂへと流れ込む。冷却油は、流路Ｒ４を介してケーシング１１０に設けられた空間（不図示）へと貯留される。なお、該空間に一時的に貯留された冷却油は、不図示のポンプ等により外部へと排出される。また、流路Ｒａ及び流路Ｒｂにおいては、回転の遠心力によって冷却油に圧力差が生じ、発電機１の上流側または下流側に設けられたポンプ等の影響を受けにくい。

　このような本実施形態によれば、回転子２において外周側に設けられる永久磁石２ｃに流路溝２ｃ１が形成され、永久磁石２ｃと磁石保持部２ｄとの間に溝流路Ｒ３（冷却流路）が設けられる。したがって、発熱量の大きい磁石保持部２ｄを十分に冷却することが可能である。

　また、本実施形態によれば、永久磁石２ｃの磁石保持部２ｄと接触する面に流路溝２ｃ１を形成することにより、磁石保持部２ｄの構造を変更せず、よって磁石保持部２ｄの強度を損なうことなく、磁石保持部２ｄを冷却することが可能である。

　また、本実施形態によれば、溝流路Ｒ３が永久磁石２ｃの周面に周方向に等間隔で複数形成されている。これにより、磁石保持部２ｄの全体を周方向において均一に冷却することが可能である。

　また、封止部材２ｈを設けることにより、流路Ｒ２～Ｒ４を通る冷却油が、第１端部保持リング２ｆ及び第２端部保持リング２ｇと、磁石保持部２ｄとの間の僅かな隙間から漏出することを抑制できる。

　また、本実施形態によれば、冷却油を、流路Ｒ１～Ｒ４から構成される冷却流路内において遠心力により押し出している。

　また、本実施形態によれば、永久磁石２ｃにおいて流路溝２ｃ１が軸方向に沿って形成されている。これにより、冷却油の圧力損失が小さくなる。

　また、本実施形態によれば、入口流路Ｒ１（すなわち、上記冷却流路の入口側）に絞り部２ｅ１が設けられている。径方向に向けて分岐された各入口流路Ｒ１に流入した冷却油は、絞り部２ｅ１において流量が絞られる。したがって、各径方向流路Ｒ２へと流れる冷却油の流量の偏りを抑制することができ、各冷却流路における圧力損失の偏りを抑制し、各冷却流路における冷却油の流れ方を均一とすることが可能である。

　また、永久磁石２ｃのみに流路溝２ｃ１を形成することにより、第１端部保持リング２ｆ及び第２端部保持リング２ｇにも流路溝を形成する場合と比較して、全体で同一の冷却油供給量であっても流速が上がり、各冷却流路での冷却性能が高い。

　本実施形態の発電機１（回転装置）は、回転子２を備え、この回転子２は、外側シャフト２ｂ（シャフト）と、外側シャフト２ｂの外周面に設けられた永久磁石２ｃと、永久磁石２ｃの外周面（径方向外面）に当接する磁石保持部２ｄと、永久磁石２ｃの外周面と磁石保持部２ｄの内周面（径方向内面）との間に形成された冷却流路（溝流路Ｒ３）と、を備える。
　上記冷却流路（Ｒ３）は、永久磁石２ｃの外周面に設けられた流路溝２ｃ１を含む。
　永久磁石２ｃは、周方向に複数配列され、上記冷却流路（Ｒ３）は、複数の永久磁石２ｃと磁石保持部２ｄとの間に各々設けられる。なお、複数の上記冷却流路（Ｒ３）が、複数の永久磁石２ｃと磁石保持部２ｄとの間に各々設けられてもよい。
　冷却流路（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）は、その入口側に流路径が狭められた絞り部２ｅ１を有する。

　以上、図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

　上記実施形態は、発電機１について説明した。しかしながら、例えば、永久磁石を用いたモータ等の電動機（回転装置）においても本開示を適用可能である。

　また、上記実施形態においては、冷却油を冷却媒体としたが本開示はこれに限定されない。冷却媒体は、流体かつ発電機１の動作を妨げなければ、その種類は限定されない。
　冷却媒体として、冷却油以外の冷却液を用いてもよい。

　また、発電機１において、上記冷却流路に冷却油を圧送するポンプを備えてもよい。この場合、発電機１内における冷却油をポンプによって送り出すことが可能である。

　また、上記実施形態においては、永久磁石２ｃに流路溝２ｃ１を形成しているが、本開示はこれに限定されない。流路溝は、磁石保持部２ｄの必要な強度が維持される範囲において、磁石保持部２ｄに設けてもよい。

　また、永久磁石２ｃに加え，磁石保持部２ｄに流路溝が形成してもよい。この場合、圧力損失が低減させることが可能である。
　すなわち、永久磁石２ｃに形成された流路溝と、磁石保持部２ｄに形成された流路溝とを、周方向における同等の位置に配置して、互いに対向させ、単一の流路溝よりも断面積の大きな流路を形成してもよい。

　また、上記実施形態においては、流路溝２ｃ１は、軸方向に沿って形成されているが、本開示はこれに限定されない。流路溝２ｃ１は、例えば永久磁石２ｃの周方向に沿って螺旋状に形成されてもよい。
　流路溝２ｃ１が。周方向かつ軸方向に斜めに延びていてもよい。

　本開示は、発電機や電動機といった回転装置に適用できる。本開示によれば、回転装置の回転子における磁石保持部を十分に冷却できる。

１　発電機
２　回転子
２ａ　内側シャフト
２ｂ　外側シャフト（シャフト）
２ｃ　永久磁石
２ｃ１　流路溝
２ｄ　磁石保持部
２ｅ　端部部材
２ｅ１　絞り部
２ｆ　第１端部保持リング
２ｇ　第２端部保持リング
２ｈ　封止部材
３　固定子
１００　発電装置
１１０　ケーシング
１２０　軸受
１３０　冷却油供給部
１４０　カラー
Ｒ１　入口流路（冷却流路）
Ｒ２　径方向流路（冷却流路）
Ｒ３　溝流路（冷却流路）
Ｒ４　出口流路（冷却流路）

Claims (4)

1. 　回転子を備える回転装置であって、
   　前記回転子は、
   　　シャフトと、
   　　前記シャフトの外周面に設けられた磁石と、
   　　前記磁石の外周面に当接する磁石保持部と、
   　　前記磁石の外周面と前記磁石保持部の内周面との間に形成された冷却流路と、を備える
   　回転装置。
2. 　前記冷却流路は、前記磁石の外周面に設けられた溝を含む
   　請求項１記載の回転装置。
3. 　前記磁石は、周方向に複数配列され、
   　前記冷却流路は、前記複数の磁石と前記磁石保持部との間に各々設けられる
   　請求項１または２記載の回転装置。
4. 　前記冷却流路は、入口側に流路径が狭められた絞り部を有する
   　請求項１～３のいずれか一項に記載の回転装置。

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