JP2014158342A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
冷却効率を維持しつつも小型化を図った回転電機を提供する。
【解決手段】
ハウジング１内において固定子３及び回転子４を挟んで５回転軸の延伸方向の両側に密閉空間内領域１０ａ、１０ｂが形成される回転電機において、回転子４の非導体部において周方向に渡って複数設けられる風穴１４を備え、この複数の風穴は、一方の密閉空間内領域１０ａの開口部に羽根１５ａを有する風穴と、他方の密閉空間領域１０ｂの開口部に羽根１５ｂを有する風穴とを含み、これらを混在させて配置することで、両領域１０ａ、１０ｂ間の空気の流通を促進する。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機に関する。

回転電機の冷却に関する背景技術として特許文献１や特許文献２の構成が知られている。特許文献１には、電動機の機内に配置された内扇ファンで空気を循環させる構造が開示されている。また、特許文献２には回転子の端面に設けられた傾斜上の羽根を用いて空気を循環させる構造が開示されている。

また、特許文献３には、スタータの電機子に係る発明が開示されている。この特許文献には、コアに通風穴が形成され、また、コアの両端部に設けたコアプレートに複数の羽根が形成された構成が開示されている。

ＷＯ０５／１２４９７１号公報 特開２０１２−２０００６７号公報 特開平２−２１９４４７号公報

特許文献１〜２には、回転電機における冷却システムが記載されている。特許文献１の回転電機には密閉された機内の空気を循環させて回転子を冷却するために内扇ファンが設置されている。このような回転電機では、例えば、回転子のエンドリング部羽根によって生じる風の流れは、機内冷却の通風経路に対して抵抗となる方向へ生じるため、内扇ファンは外周方向へ延伸し、機内冷却の風を誘導するためのガイドとしての機能を持たせる形状となり、内扇ファン並びに回転電機全体の大型化を招きやすい。

これに対し、特許文献２では回転子端面に羽根を設けて、回転子の風穴部を通風する風量を多くして、回転子の冷却効率を向上させる回転電機を提供しており、冷却効率の改善と小型化指向とを両立した構成が開示されている。しかし、特許文献１と同様、ハウジングに通風路を必要とする等、空気循環のために特別の構造を設ける必要があり、さらなる小型化に対応することは考慮されていなかった。

小型化を指向するために、例えば、上記の特許文献１〜２において、空気循環のための特別の構造（特許文献１においてはフレーム１０に設けられた外気穴１０ａ、１０ｂ、特許文献２においてはハウジング１に設けられた通風路２）が存在しない場合には、密閉空間内において回転子と固定子で隔てられる２つの領域の間で空気が流通する経路が得られなくなる。したがって、外扇が配置されている側の空間（特許文献１の図１、特許文献２の図１において左側の領域）に比べ、外扇が配置されない側の空間（同右側の領域）の冷却が不十分となってしまうという課題があった。

特許文献３では、特許文献２と同様、コアに形成された通風穴に空気を流すために羽根を設けており、これによって袋空間の冷却を図っている。しかし、いわゆる全閉型の回転電機においては、特許文献３の第３図のようにコア内の通風穴を通過して温度が上昇した空気を隣り合う通風穴に導く構造を採用しても高い冷却効果は得られない。

このような構成において、冷却性を高めるにあたって空気の循環経路を大きく構成しようとすると、特許文献３の第８図に示されるように、やはり外周の固定子側（特許文献３では永久磁石２）に通風路を設ける等の特別の構造が必要となってしまう。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、冷却効率を維持しつつもさらなる小型化を図った回転電機を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、ハウジングと、このハウジングに取付けられる固定子と、この固定子によって生じる回転磁界によって回転する回転子と、前記回転子の回転に伴って回転して一端が前記ハウジングから突出して出力軸となる回転軸と、前記ハウジング内において前記固定子及び前記回転子を挟んで前記回転軸の延伸方向の両側に密閉空間内領域が形成される回転電機において、次の構成を備えることを特徴とする。
（１）回転子の非導体部において周方向に渡って複数設けられる風穴を備えること
（２）複数の風穴は、一方の密閉空間内領域の開口部に羽根を有する風穴と、他方の密閉空間領域の開口部に羽根を有する風穴とを含んでなること。

本発明によれば、冷却効率を維持しつつもさらなる小型化を図った回転電機を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１の回転電機の構成図である。 実施例１の回転子の透過斜視図である。 回転電機の比較例を示す図である。 実施例２の回転電機の構成図である。 実施例２の回転子の透過斜視図である。 実施例３の回転電機の構成図である。

本発明の実施形態は、ハウジングに取付けられた固定子、及び、回転軸に取付けられた回転子によって出力軸側と反出力軸側に分けられた空間を回転子に設けられる風穴部で連通させるとともに、回転子端面にファンを設けることにより、分割された領域間に空気の循環を促し、回転子の冷却効率を向上させるものとなっている。以下、実施例を図面を用いてより詳細に説明する。

図１は実施例１に係る回転電機の構成図である。図１は回転電機の上半分の構造を示す断面図であるが、特にことわりのない限り、下半分も同様の構成を備えている。他の断面図（図３、４、６）も同様である。

本実施例の回転電機のハウジング１は筒状に形成された鋳鉄、アルミ、薄鋼板などにより、回転電機の外被を構成している。本実施例の回転電機はハウジング１とエンドブラケット２ａ、２ｂによって内部がほぼ密閉空間となり、外気と内気が分離された全閉型、外被冷却構造の回転電機である。

なお、本願においては、密閉空間を構成するハウジング１及びエンドブラケット２ａ、２ｂを総称して単にハウジングと称する場合がある。また、回転軸（符号５。後述。）がエンドブラケット２ａから突出する部分を出力軸とし、以下の説明では、同作用の部材が回転軸の延伸方向において出力軸側に存在する部分には、出力軸側エンドブラケット２ａのように添え字「ａ」を用い、出力軸と反対側に存在する部分には、反出力軸側エンドブラケット２ｂのように添え字「ｂ」を用いることとする。

密閉空間内には発熱体となる固定子３と回転子４が配置されている。固定子３は固定子鉄心３ａと固定子コイル３ｂから構成されている。この固定子３はハウジング１の内周部に固定されている。固定子鉄心３ａは薄板の電磁鋼板が複数枚積層されて構成され、固定子コイル３ｂは固定子鉄心３ａに形成された複数のスロット部に巻回されている。

回転子４は、回転子鉄心４ａ、回転子導体バー４ｂ、導体バー４ｂと一体成形されたエンドリング４ｃ、及び、エンドリング４ｃにおいて放射状に形成された羽根４ｄを備えて構成され、回転軸５の外周部に固定される。なお、回転子鉄心４ａは薄板の電磁鋼板を複数枚積層することで構成されている。

回転子４は固定子３の作る回転磁界によって回転する。回転軸５の両端はエンドブラケット２ａ、２ｂに対してそれぞれ軸受６ａ、６ｂを介して回転自在に保持されている。また、回転軸５の一端部はエンドブラケット２ａを挿通して外部に突き出し、出力軸となっている。回転軸５の他端部はエンドブラケット２ｂを挿通して外扇ファン７が装着される。

外扇ファン７は回転軸５に固定されているため、回転軸５と同調して回転する。外扇ファン７は鋳鉄、アルミ合金、樹脂などによって製造され、エンドカバー９によって覆われている。したがって、外扇ファン７は、ハウジングの外部であって、エンドブラケット２ｂとエンドカバー９によって形成される密閉空間外領域８に取り付けられることになる。

本実施例の回転電機においては、密閉空間外領域８と密閉空間内領域１０ａ、１０ｂの各空間において冷却が行われている。以下に各空間における冷却構成と作用を説明する。

密閉空間外領域８は、ハウジング１とエンドブラケット２ａ、２ｂで覆われた密閉空間の外部の空間であり、その空間に外扇ファン８がおかれている。この外扇ファン８を覆うようにエンドカバー９が設けられ、このエンドカバー９には外扇ファン７に対向して設けられる開口部１１とハウジング１の外周表面に空気を吐き出す吐出し口１２を介して外気と連通した空間となっている。

このため、密閉空間外領域８では、回転軸５に固定された外扇ファン７が回転することで、外気がエンドカバー９の開口部１１から取り込まれる。取り込まれた外気はエンドカバー９の吐出し口１２からハウジング１の外周及び出力軸側に向けて送風され、回転電機内部で発生した熱の冷却を行う。このときハウジング１に放熱フィン１３が設けられることで機器の放熱の促進を図っている。

密閉空間内領域１０ａ、１０ｂはハウジング１及びエンドブラケット２ａ、２ｂによって覆われた外気とは連通がない密閉された空間である。この密閉空間には発熱体となる固定子３と回転子４が設置され、これら固定子３、回転子４によって２つの領域１０ａ、１０ｂが形成されている。また、回転軸５も密閉空間内領域１０ａ、１０ｂにおかれている。

図に示すように両領域１０ａ、１０ｂは、固定子３及び回転子４によって隔たれ、回転軸５の長手方向においてほぼ独立した空間となっている。回転子３と固定子４の間には微小なギャップが存在するが、空気を流通するに十分な大きさではない。本実施例では、回転子４の周方向に複数設けられる風穴１４を有し、これらによって密閉空間内領域１０ａ、１０ｂが連通させている。すなわち、両領域１０ａ、１０ｂが複数の風穴１４で連通した構造となっている。

次に上記構造の冷却経路を説明する。固定子コイル３ｂで発生する熱は密閉空間内領域１０ａ、１０ｂに放熱されるとともに、ハウジング１を介して、外扇ファン７によって送風される冷却風によって外部へ放熱される。また回転子４にて発生する熱は密閉空間内領域１０ａ、１０ｂに放熱されるとともに、回転軸５、軸受６ａ、６ｂ、エンドブラケット２ａ、２ｂを介して外部へと放熱される。これにより、固定子３、回転子４から発生する熱の放熱を図っている。

ところで、一般に、回転子４から発生する熱が回転電機の中で最も高熱となるため、回転電機の冷却性能改善において回転子４の冷却が重要となる。この冷却が十分でないと密閉空間１０内の温度が高くなり、回転電機の効率の低下が懸念される。特に、外扇ファン７が配置されていない出力軸側における冷却が重要となる。

他方、出力軸側と反出力軸側との間の空気循環経路として、特許文献１〜２のような特別な構造を設けると回転電機が大型化するという問題がある。

そこで、本実施例では、機内冷却を行うにあたり、回転子４の端面に羽根１５ａ、１５ｂを配置する。例えば、羽根１５ａ、１５ｂは回転子４端面の薄鋼板を加工し、羽根形状としたものとする。または、羽根１５ａ、１５ｂに相当する羽根形状の部材を風穴１４に取付けたものとする。

図２は本実施例の回転子４の形状の一例を示す透過斜視図である。既に説明したように回転子４端面には周方向に渡って複数の風穴１４が形成されているが、この風穴１４は回転子４の非導体部に設けられるものとし、羽根１５ａ、１５ｂは風穴の一つおきにそれぞれ対向する向きへと通風するように傾きを設けた軸流ファンとしている。

すなわち、ある一つの風穴１４に着目すると、一方側の開口部分、例えば出力軸側には羽根１５ａが存在し、他方側（反出力軸側）の開口部分には羽根を設けない構造となっている。これと隣り合う別の風穴１４に着目すると、出力軸側には羽根が存在せず、反出力軸側の開口部分に羽根１５ｂが存在するものとなっている。この両タイプの風穴を混在させることで冷却の促進が可能となる。

この構成の利点は次の通りである。まず、複数存在する風穴１４（図２の例では８つ）の半数は密閉空間内領域１０ａから１０ｂへと空気が流れ、他の半数はこれとは反対の流れ、すなわち、密閉空間内領域１０ｂから１０ａへと空気が流れるように作用する。したがって、密閉空間内領域１０ａと１０ｂとの間の均温化が図れることになり、出力軸側の密閉空間内領域１０ａの冷却が可能となる。

なお、本実施例では複数の風穴の全てにおいて、少なくとも一方の開口部に羽根１５を設けているが、全てに設ける必要はなく、羽根１５ａが設けられる風穴１４と、羽根１５ｂが設けられる風穴１４とがそれぞれ存在していれば良い。例えば、羽根１５ａが設けられる風穴１４と、羽根１５ｂが設けられる風穴１４とがそれぞれ１つだけ存在する場合でも、両領域１０ａと１０ｂ間の空気循環が十分であれば差し支えない。

このように羽根１５ａ、１５ｂによって密閉空間内領域１０ａと密閉空間内領域１０ｂとの間で風の流れを発生させることで、機内冷却を実現している。

本実施例の羽根１５の形状について付言する。上述のように、羽根１５は密閉空間内の両領域１０ａ、１０ｂの間に空気の流通を促進させるものであれば良いため、特段の形状は問わない。したがって、別部材として取り付ける方式でもよく、図２に示す例のように回転の周方向の一側に切り起こす形状としても差し支えない。送風を促す様々な形状によって実現可能となっている。

また、図２に示すように、密閉空間内領域の一側に形成される複数の羽根１５（出力軸側では１５ａ）の切り起こし方向は、傾斜が反時計回りに上り坂となる同一方向となっており、他方の側に形成される複数の羽根１５（反出力軸側１５ｂ）も同一方向となっている。これは、回転電機が特定の回転方向で回転する場合において空気の流通を促すことを意図している。

しかし、回転電機の回転方向が反対となると、回転子４が回転しても空気の循環が十分ではない場合も想定される。双方向回転で駆動する回転電機を提供する場合は、異なる切り起こし方向の羽根１５を混在させることで対応が可能となる。

図３は、特許文献１〜２等に代表される一般的な機内冷却システムを有した比較例の回転電機の構成図である。しばしば回転電機では反出力軸側に固定された内扇ファン１６によって密閉空間内領域１０ａ、通風路１７、密閉空間領域１０ｂ、風穴１４の順に送風することで回転電機内部の強制対流冷却を行うことで回転子４の冷却を図る。この際、内扇ファン１６はガイドとしての機能を持たせるために大型化の傾向があり、ハウジング１の機内スペースを有効に活用できない場合がある。

さらに、固定子３のコイルエンド部が大型である場合や、機内の結露防止に使用するヒータを設置する場合、通風路１６への通風を妨げる抵抗となるため、従来の機内冷却システムでは多くの仕様が存在する回転電機に対し、汎用的に対応することが困難である。

本実施例では、ハウジング１の通風路１６が廃止されており、これに変わる簡素な構造を具備することにより、冷却性を維持しながらも、回転電機の設計自由度が増加し、汎用性が高く小型化が可能となる回転電機を提供することができる。

実施例２では、実施例１に対してエンドリング部羽根４ｄの形状を変更した回転電機の例を説明する。図４は本実施例の回転電機の構成図の例であり、図５は回転子の透過斜視図である。以下、本実施例に関し、実施例１と異なる点を主に説明し、他については説明を省略する。

本実施例では、エンドリング部羽根４ｄを内径方向に延長する。具体的には、隣り合う風穴１４の間の部分まで羽根４ｄを延伸させることが好ましい。これにより、羽根４ｄが隣り合う風穴１４の間に位置することになり、羽根４ｄにガイドとしての機能を持たせることができる。すなわち、風穴１４を通過してきた風がそのまま隣り合う風穴１４に導かれる等のいわゆる短絡経路となることを回避することができる。したがって、密閉空間領域１０ａ、１０ｂに拡散されずに放熱が不十分な状態で再び風穴１４へと通風することが抑制され、冷却性能の向上が実現できる。

また、回転子導体バー４ｂとエンドリング４ｃは一体構造であるため、エンドリング部羽根４ｄは冷却フィンとしての機能も有する。羽根４ｄが内径方向に延伸して表面積が増加することにより、更なる冷却性能の向上が実現できる。

本実施例では、実施例１に対し、回転子４の端面と軸受６ａ、６ｂ間に通風のためのガイド１８ａ、１８ｂを設置した回転電機の例を説明する。図６は、本実施例の回転電機の構成図の例である。以下、本実施例に関し、他の実施例と異なる点を主に説明し、他については説明を省略する。

本実施例では、回転子端面の羽根１５ａ、１５ｂとエンドリング部羽根４ｄ、通風ガイド１８ａ、１８ｂを併用する。密閉空間領域１０ａ、１０ｂにおいて、回転子４端部と軸受６ａ、６ｂ間に通風のためのガイド１８ａ、１８ｂを設置する。本実施例のガイド１８ａ、１８ｂを設置することで軸受部６ａ、６ｂに風の流れを誘導することができるため、回転子４のみではなく軸受６ａ、６ｂの冷却性能の向上が実現できる。

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やす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…ハウジング、２ａ…出力軸側エンドブラケット、２ｂ…反出力軸側エンドブラケット、３…固定子、３ａ…固定子鉄心、３ｂ…固定子コイル、４…回転子、４ａ…回転子鉄心、４ｂ…回転子導体バー、４ｃ…エンドリング、４ｄ…エンドリング部羽根、５…回転軸、６ａ…出力軸側軸受、６ｂ…反出力軸側軸受、７…外扇ファン、８…密閉空間外領域、９…エンドカバー、１０ａ…出力軸側密閉空間内領域、１０ｂ…反出力軸側密閉空間内領域、１１…エンドカバー開口部、１２…吐出し口、１３…放熱フィン、１４…風穴、１５…羽根、１５ａ…出力軸側羽根、１５ｂ…反出力軸側羽根、１６…内扇ファン、１７…通風路、１８ａ…出力軸側通風ガイド、１８ｂ…反出力軸側通風ガイド。

Claims (8)

1. ハウジングと、このハウジングに取付けられる固定子と、この固定子によって生じる回転磁界によって回転する回転子と、この回転子の回転に伴って回転して一端が前記ハウジングから突出して出力軸となる回転軸と、前記ハウジング内において前記固定子及び前記回転子を挟んで前記回転軸の延伸方向の両側に密閉空間内領域が形成される回転電機において、
   前記回転子の非導体部において周方向に渡って複数設けられる風穴を備え、
   この複数の風穴は、一方の密閉空間内領域の開口部に羽根を有する風穴と、他方の密閉空間領域の開口部に羽根を有する風穴とを含んでなることを特徴とする回転電機。
2. 前記複数の風穴の半数を、一方の密閉空間内領域の開口部に羽根を有する風穴とし、残りの半数を、他方の密閉空間内領域の開口部に羽根を有する風穴としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記回転子の両側にエンドリングを備え、このエンドリングに放射状に形成されるエンドリング部羽根を備えた請求項１に記載の回転電機。
4. 前記エンドリング部羽根は、複数設けられる風穴のうち、互いに隣り合う風穴の間に位置することを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 前記羽根は回転の周方向の一側に切り起こす形状として形成したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
6. 複数の前記風穴において、一方の密閉空間内領域の開口部に有する羽根は、前記回転電機が特定の回転方向で回転する場合に空気の流通を促す構成であり、
   複数の前記風穴において、他方の密閉空間内領域の開口部に有する羽根は、前記特定の回転方向で回転する場合に空気の流通を促す構成であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
7. 前記ハウジングの外部に外扇ファンを備えた請求項１に記載の回転電機。
8. 前記回転軸を支持する軸受と前記回転子との間に、前記軸受に空気の流れを誘導するガイドを備えた請求項１に記載の回転電機。

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