WO2021130924A1

WO2021130924A1 - 外扇ファン及び回転電機

Info

Publication number: WO2021130924A1
Application number: PCT/JP2019/050924
Authority: WO
Inventors: 英晴小田; 仁明大熊; 公雄日比
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2021-07-01
Also published as: JPWO2021130924A1; JP6840297B1

Abstract

外扇ファン（２）は、シャフト（３）が挿入される穴が形成された円筒状のブッシュ（２ａ）と、ブッシュ（２ａ）を外周側から取り囲む円筒状のボス部（２１）と、ボス部（２１）の外周部に設けられた翼板（２２）とを有する羽根部（２ｂ）とを備え、ブッシュ（２ａ）は、ブッシュ（２ａ）の軸方向の一端部の端面（２３）に、部分的に欠損した欠損部（２４）が設けられており、ブッシュ（２ａ）の剛性は、ボス部（２１）の剛性以上である。

Description

外扇ファン及び回転電機

　本開示は、シャフトとともに回転する外扇ファン及びこれを備えた回転電機に関する。

　回転電機に関する技術として、機器の温度上昇によって、構成部材が劣化又は破損したり、回転電機の電気特性が低下したりすることを防止するために、冷却ファンにより発熱を抑える方法が知られている。特に近年は回転電機の耐環境性と小型化とを両立させるために、回転電機のシャフトに固定した外扇ファンの回転によって冷却風を発生させて回転電機自身を冷却する方法が一般的に用いられている。

　外扇ファンは、金属又は樹脂を材料にした鋳造加工、又は鋼板の曲げ加工といった加工方法を用いて製造される。外扇ファンの製造では、軸との結合部の強度を確保しながら生産性及びコストパフォーマンスを向上させるために、軸結合部には金属のブッシュを用い、外周側の羽根部は樹脂成型で製造するなど、異なる材質を組み合わせる場合がある。

　一方、ブッシュと羽根部とで異なる材料が用いられた外扇ファンでは、ブッシュの材料の線膨張係数が羽根部の材料の線膨張係数よりも大きい場合には、外扇ファンの温度が上昇すると、羽根部のうちブッシュとの接触部にブッシュの熱膨張によって応力が発生する。

　また、複数のゲートから樹脂を充填して羽根部を成型すると、成型品の形状及び成型条件によっては、樹脂の合流部にウェルドラインと呼ばれる強度低下部が形成される。強度低下部が羽根部のうちブッシュとの接触部に存在すると、上記の熱膨張による応力と樹脂の経年劣化とによって羽根部の破損を招く懸念があった。

　特許文献１には、金属ボスにおけるシャフトが接触する部分と樹脂羽根部が接触する外周部との間に弾性を持った曲線部を設けたインペラが開示されている。特許文献１に開示されるインペラは、金属ボスにおけるシャフトが接触する部分と樹脂羽根部が接触する外周部との間に弾性を持った曲線部が存在するため、金属ボスが熱膨張しても樹脂羽根部への応力は抑制される。

特開昭４９－１０８６０６号公報

　しかしながら、上記特許文献１に開示されるインペラは、金属ボスにおけるシャフトが接触する部分と樹脂羽根部が接触する部分との間に弾性を持った曲線部が存在するため、共振が発生しやすい。したがって、特許文献１のインペラの構造を外扇ファンに適用すると、回転電機において発生する振動及び騒音が増大してしまう。このように、羽根部においてブッシュとの接触部に発生する応力を低減することができ、かつ共振が発生しにくい外扇ファンは実現されていなかった。

　本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、羽根部においてブッシュとの接触部に発生する応力を低減することができ、かつ共振が発生しにくい外扇ファンを得ることを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本開示に係る外扇ファンは、シャフトが挿入される穴が形成された円筒状のブッシュと、ブッシュを外周側から取り囲む円筒状のボス部と、ボス部の外周部に設けられた翼板とを有する羽根部とを備える。ブッシュは、ブッシュの軸方向の一端部の端面に、部分的に欠損した欠損部が設けられている。

　本開示に係る外扇ファンは、羽根部においてブッシュとの接触部に発生する応力を低減することができ、かつ共振が発生しにくいという効果を奏する。

実施の形態１に係る回転電機の構成を示す図実施の形態１に係る外扇ファンの拡大図実施の形態１に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図実施の形態２に係る外扇ファンの拡大図実施の形態２に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図実施の形態３に係る外扇ファンの拡大図実施の形態３に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図実施の形態４に係る外扇ファンの拡大図実施の形態４に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図

　以下に、実施の形態に係る外扇ファン及び回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本開示が限定されるものではない。

実施の形態１．
　図１は、実施の形態１に係る回転電機の構成を示す図である。図１は、回転中心軸１００を含む回転電機１の断面を示している。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図１では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。回転電機１は、外郭をなすフレーム５及びブラケット６と、フレーム５及びブラケット６の内部に配置される固定子７と、ブラケット６に固定された軸受９と、回転可能に軸受９によって支持されたシャフト３と、シャフト３に結合された回転子８とを有する。また、回転電機１は、シャフト３に結合された外扇ファン２を有する。固定子７は、固定子コア７ａ及び固定子巻線７ｂを備えている。また、回転電機１は、外扇ファン２を覆うファンカバー４を備えており、外扇ファン２は、ファンカバー４の内部に配置されている。外扇ファン２は、シャフト３とともに回転し、ブラケット６を通して固定子７及び回転子８に気流を送って冷却する。

　回転電機１は、動作時に固定子コア７ａ及び固定子巻線７ｂなどに電流が流れるため、ジュール熱が発生し、発生した熱はシャフト３を介して外扇ファン２に伝わる。

　図２は、実施の形態１に係る外扇ファンの拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図２では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。外扇ファン２は、シャフト３が挿入される穴が形成された円筒状のブッシュ２ａと、ブッシュ２ａの外周側に配置された羽根部２ｂとを有する。羽根部２ｂは、ブッシュ２ａを外周側から取り囲む円筒状のボス部２１と、ボス部２１の外周部に設けられた翼板２２とを有する。ブッシュ２ａの径方向の単位力あたりのブッシュ２ａの歪み量は、ボス部２１の径方向の単位力あたりのボス部２１の歪み量以下となっている。以下、ブッシュ２ａの径方向の単位力あたりのブッシュ２ａの歪み量が、ボス部２１の径方向の単位力あたりのボス部２１の歪み量以下であることを、ブッシュ２ａの剛性は、ボス部２１の剛性以上であるという。また、ブッシュ２ａの材料の線膨張係数は、羽根部２ｂの材料の線膨張係数よりも大きくなっている。具体的には、ブッシュ２ａは金属材料で形成されている。また、羽根部２ｂは、樹脂材料を成型して形成された樹脂成型品である。

　ブッシュ２ａの軸方向の一端側の端面２３には、部分的に欠損した欠損部２４が設けられている。実施の形態１において、欠損部２４は、ブッシュ２ａの軸方向の一端側の端面２３とブッシュ２ａの外周面２５とに跨がって設けられている。また。欠損部２４は、外周面２５の全周にわたって設けられている。このため、ブッシュ２ａの外周面２５には、欠損部２４によって段差２ｃが形成されている。外周面２５に段差２ｃが形成されているため、ブッシュ２ａの軸方向の一端側におけるブッシュ２ａの外径は、他端側におけるブッシュ２ａの外径よりも小さくなっている。

　ブッシュ２ａの一端側の外周部においては、ブッシュ２ａとボス部２１との間にブッシュ２ａの径方向の隙間が形成されており、ブッシュ２ａとボス部２１とは接していない。ブッシュ２ａの他端側の外周部においては、ブッシュ２ａとボス部２１とは接している。ブッシュ２ａの外周面２５のうちボス部２１と接している部分では、ブッシュ２ａのうちシャフト３が挿入される軸穴２９を形成する穴壁面２９ａと外周面２５との間で、ブッシュ２ａの径方向においてブッシュ２ａを構成する材料がすべて充填されている充填部３０が形成されている。充填部３０は、板金を曲げた構造であって同じ大きさの空間を占める部材と比べると、剛性が高い。ブッシュ２ａに充填部３０が存在することで、ブッシュ２ａにおいてシャフト３が接触する部分と羽根部２ｂが接触する外周部との間の剛性を高くすることができる。ブッシュ２ａにおいて充填部３０が占める比率を調整することで、径方向に垂直に接する面での面接触により羽根部２ｂに生じる応力の分散も行えるため、欠損部２４を備えながらも、ブッシュ２ａの剛性をボス部２１の剛性以上とすることができる。

　穴壁面２９ａが形成された環状部分よりも外周面２５側に、板金を曲げた構造のばね要素を存在させてボス部２１に生じる応力を低減しようとすると、ブッシュ２ａの剛性をボス部２１の剛性よりも低くすることになる。しかし、このようにすると、ブッシュ２ａの環状部分と、ブッシュ２ａよりも半径の大きい羽根部２ｂとの間に、剛性の低いブッシュ２ａのばね要素の部分が存在する２慣性系が構成されてしまい、共振が大きくなりやすくなってしまう。実施の形態１に係る外扇ファン２は、充填部３０が一定の比率で存在しボス部２１よりも剛性の高いブッシュ２ａを有するため、共振が発生しにくくなる。

　図２において、外周面２５でブッシュ２ａとボス部２１とが接している箇所はブッシュ２ａの熱膨張による応力の総合的な結果として羽根部２ｂがある程度歪むが、ブッシュ２ａとボス部２１とが接していない欠損部２４において歪みが逃がされることにより、羽根部２ｂの各箇所で応力が低減される。樹脂材料を成型した樹脂成型品である羽根部２ｂは、ブッシュ２ａに対向するボス部２１の壁面のうち欠損部２４に対向する部分に、樹脂材料の合流部であって強度低下部となるウェルドラインが形成されるようにしておくと、強度低下部での応力を低減し、羽根部２ｂが破損することを防止することができる。

　図３は、実施の形態１に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図３では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。ブッシュ２ａに欠損部２４が設けられていることにより、ブッシュ２ａの一端側においては、ブッシュ２ａと羽根部２ｂとの間にブッシュ２ａの径方向の隙間が形成されている。ブッシュ２ａと羽根部２ｂとの間に隙間が形成されているため、ブッシュ２ａが熱膨張することによって羽根部２ｂに生じる応力は、ブッシュ２ａの外周面２５に段差２ｃが形成されていない場合よりも小さくなる。したがって、羽根部２ｂのうちブッシュ２ａとの接触部に強度低下部が存在したとしても、羽根部２ｂが破損することを防止することができる。

　また、実施の形態１に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａの剛性がボス部２１の剛性以上であるため、ブッシュ２ａの固有振動数の方が羽根部２ｂの固有振動数よりも高くなっている。このため、図２に示すように外扇ファン２にブッシュ２ａの径方向の力Ｆが作用したとき、羽根部２ｂの歪み量よりもブッシュ２ａの歪み量の方が小さくなる。したがって、実施の形態１に係る外扇ファン２は、回転子８の回転にともなって生じる振動との共振が発生しにくい。

　実施の形態１に係る回転電機１は、ブッシュ２ａが熱膨張することによって羽根部２ｂに生じる応力が、ブッシュ２ａの外周面２５に段差２ｃが形成されていない場合よりも小さいため、羽根部２ｂの耐久性を高めることができる。

実施の形態２．
　図４は、実施の形態２に係る外扇ファンの拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図４では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。実施の形態２に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａの一端側の端面２３に欠損部２４が設けられている。欠損部２４は、ブッシュ２ａの外周面２５には露出していない。したがって、欠損部２４が設けられていることにより、ブッシュ２ａの一端側の端面２３には、溝２６が形成されている。

　図５は、実施の形態２に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図５では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。溝２６は、シャフト３の軸回りで全周にわたって設けられている。外扇ファン２の温度が高くなると、ブッシュ２ａの線膨張係数と羽根部２ｂの線膨張係数とが異なるために、羽根部２ｂのうちブッシュ２ａと接触する部分には、熱応力が発生する。ブッシュ２ａに溝２６が形成されていることにより、ブッシュ２ａのうち溝２６よりも外周側の部分は、根元部２ｄを起点に内周側に弾性変形する。このため、実施の形態２に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａと羽根部２ｂとが接触する部分に生じる熱応力が低減され、羽根部２ｂの破損を防止することができる。

　また、ブッシュ２ａと羽根部２ｂとの接触部に熱応力が発生するのは、外扇ファン２の温度が上昇することによって、ブッシュ２ａと羽根部２ｂとのブッシュ２ａの径方向の隙間が無くなった場合である。したがって、溝２６の幅ｄは、ｄ≧（使用環境温度－常温）×ボス部２１の内径×（ブッシュ２ａの材料の線膨張係数－羽根部２ｂの材料の線膨張係数）であれば、外扇ファン２の温度が使用環境温度まで上昇しても、溝２６が潰れて塞がらないため、熱応力は発生しない。

　実施の形態２に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａが熱膨張することによって羽根部２ｂに生じる応力が、溝２６が形成されていない場合よりも小さいため、羽根部２ｂの耐久性を高めることができる。

実施の形態３．
　図６は、実施の形態３に係る外扇ファンの拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図６では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。実施の形態３に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａの一端側の端面２３に欠損部２４が設けられている。欠損部２４は、ブッシュ２ａの外周面２５には露出していない。したがって、ブッシュ２ａの一端側の端面２３には、欠損部２４によって開口形状が矩形の非貫通穴２７が形成されている。図７は、実施の形態３に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図７では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。非貫通穴２７は、シャフト３の軸回りに等間隔で複数形成されている。

　ブッシュ２ａの線膨張係数と羽根部２ｂの線膨張係数とが異なるため、外扇ファン２の温度が高くなると、羽根部２ｂのうちブッシュ２ａと接触する部分には、熱応力が発生する。ブッシュ２ａに非貫通穴２７が形成されていることにより、非貫通穴２７よりも外周側の部分は、根元部２ｄを起点に内周側に弾性変形し、ブッシュ２ａと羽根部２ｂとが接触する部分に生じる熱応力が低減され、羽根部２ｂの破損を防止することができる。

　実施の形態３に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａが熱膨張することによって羽根部２ｂに生じる応力が、非貫通穴２７が形成されていない場合よりも小さいため、羽根部２ｂの耐久性を高めることができる。

実施の形態４．
　図８は、実施の形態４に係る外扇ファンの拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図８では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。実施の形態４に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａの一端側の端面２３に欠損部２４が設けられている。欠損部２４は、ブッシュ２ａの外周面２５には露出していない。したがって、ブッシュ２ａには、軸方向に貫通する開口形状が円形の貫通穴２８が欠損部２４によって形成されている。図９は、実施の形態４に係る外扇ファンのブッシュ及びボス部の端面の拡大図である。なお、回転電機１は、回転中心軸１００に対して線対称の構造であるため、図９では、回転中心軸１００よりも下側の図示は省略している。貫通穴２８は、シャフト３の軸回りに等間隔で複数形成されている。

　外扇ファン２の温度が高くなると、ブッシュ２ａの線膨張係数と羽根部２ｂの線膨張係数とが異なるために、羽根部２ｂのうちブッシュ２ａと接触する部分には、熱応力が発生する。ブッシュ２ａに貫通穴２８が形成されていることにより、貫通穴２８よりも外周側の部分は内周側に弾性変形し、ブッシュ２ａと羽根部２ｂとが接触する部分に生じる熱応力が低減され、羽根部２ｂの破損を防止することができる。

　実施の形態４に係る外扇ファン２は、ブッシュ２ａが熱膨張することによって羽根部２ｂに生じる応力が、貫通穴２８が形成されていない場合よりも小さいため、羽根部２ｂの耐久性を高めることができる。

　以上の実施の形態に示した構成は、例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

　１　回転電機、２　外扇ファン、２ａ　ブッシュ、２ｂ　羽根部、２ｃ　段差、２ｄ　根元部、３　シャフト、４　ファンカバー、５　フレーム、６　ブラケット、７　固定子、７ａ　固定子コア、７ｂ　固定子巻線、８　回転子、９　軸受、２１　ボス部、２２　翼板、２３　端面、２４　欠損部、２５　外周面、２６　溝、２７　非貫通穴、２８　貫通穴、２９　軸穴、２９ａ　穴壁面、３０　充填部、１００　回転中心軸。

Claims

　シャフトが挿入される穴が形成された円筒状のブッシュと、
　前記ブッシュを外周側から取り囲む円筒状のボス部と、前記ボス部の外周部に設けられた翼板とを有する羽根部とを備え、
　前記ブッシュは、前記ブッシュの軸方向の一端部の端面に、部分的に欠損した欠損部が設けられていることを特徴とする外扇ファン。
　前記ブッシュの剛性は、前記ボス部の剛性以上であることを特徴とする請求項１に記載の外扇ファン。
　前記欠損部は、前記ブッシュの軸方向の一端部の端面と前記ブッシュの外周面とに跨がって設けられて、前記ブッシュの外周面に段差を形成しており、
　前記ブッシュは、前記段差よりも軸方向の一端部側における外径が、前記段差よりも軸方向の他端部側における外径よりも小さくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外扇ファン。
　前記羽根部は、樹脂成型品であり、前記ボス部の前記ブッシュに対向する壁面のうち前記欠損部と対向する部分にウェルドラインが存在することを特徴とする請求項３に記載の外扇ファン。
　前記欠損部により、前記ブッシュの軸方向の一端部の端面には、前記穴を囲む溝が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外扇ファン。
　前記欠損部により、前記ブッシュの軸方向の一端部の端面には、前記穴を囲むように等間隔で配置された複数の非貫通穴が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外扇ファン。
　前記欠損部により、前記ブッシュには、前記ブッシュを軸方向に貫通する貫通穴が、前記穴を囲むように等間隔で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の外扇ファン。
　請求項１から７のいずれか１項に記載の外扇ファンを備えたことを特徴とする回転電機。