JP2015056936A - 回転電機および回転電機の冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ロータの半径方向の熱伝導特性およびロータの通風穴を通る気流の流れ等を改善することで冷却性能を従来に比べて向上させた回転電機等を提供する。【解決手段】円筒形状のフレームと、前記フレームの内周に沿って設けられたステータと、前記フレーム内で回転軸となるシャフトに取り付けられ、前記ステータと対向する、円柱状の本体の外周面表面に磁石が付設されたロータと、前記フレームの前記回転軸方向の両端をそれぞれ覆うように配置されると共に前記シャフトを回転可能に支持する一対のブラケットと、を備え、前記ステータが、前記回転軸方向に前記ステータを貫通する複数のステータ通風穴を有し、前記ロータが、前記回転軸に対し傾斜し、前記回転軸と直交する面での断面形状がロータの径方向に長いアスペクト比を有する形状の、前記回転軸方向に前記ロータを貫通する複数のロータ通風穴を有する。【選択図】図３

Description

この発明は、回転電機の冷却構造等に関する。

従来、回転電機である例えばモータの冷却向上を実現した技術として、たとえば、回転子鉄心に設けられた風孔の両端の開口部の回転子軸中心からの距離を異にし、回転子軸に対して傾斜させた風孔を設けたモータが提案されている(例えば下記特許文献１参照）。

下記特許文献１に記載のモータの構成では、回転子が回転した場合、風孔の開口部においては、回転による遠心力により気体流に動圧が生じ、一方、開口部における気体流の静圧は、動圧の高さに逆比例して変化する。すなわち動圧が高くなると静圧が低くなる現象が生じる。この動圧は回転子の回転速度および風孔の開口部の回転子軸中心からの距離に比例して大きくなる気体流の遠心力に比例して高くなり、静圧は動圧に逆比例して低くなる。したがって、回転子軸中心からの距離を異にした風孔の両端の開口部においては、回転子軸中心からの距離の大きい風孔の開口部における動圧は、回転子軸中心からの距離の小さい風孔の開口部における動圧よりも高くなり、逆に回転子軸中心からの距離の大きい風孔の開口部における静圧は、回転子軸中心からの距離の小さい風孔の開口部における静圧より低くなる。気体流は静圧の高い方から低い方へと流れる性質があるため、回転電機内の冷却風は、回転子軸中心からの距離の小さい風孔の開口部から回転子軸中心からの距離の大きい風孔の開口部の方向へ誘導され流れる。

実開平６−４８３５５号公報(第２頁 図１)

しかしながら上記の従来技術をロータ表面に発熱する磁石を有するモータに適用した場合、ロータの通風穴によってロータの半径方向の熱伝導特性が悪化し、ロータ表面の磁石からロータ鉄心とシャフトを通過して外部に放熱される経路の放熱特性が悪化するという問題があった。

この発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、ロータの半径方向の熱伝導特性およびロータの通風穴を通る気流の流れ等を改善することで冷却性能を従来に比べて向上させた回転電機等を提供することを目的とする。

この発明の回転電機は、円筒形状のフレームと、フレームの内周に沿って設けられたステータと、フレーム内で回転軸となるシャフトに取り付けられ、ステータと対向する、円柱状の本体の外周面表面に磁石が付設されたロータと、フレームの回転軸方向の両端をそれぞれ覆うように配置されると共にシャフトを回転可能に支持する一対のブラケットと、を備え、ステータが、回転軸方向にステータを貫通する複数のステータ通風穴を有し、ロータが、回転軸に対し傾斜し、回転軸と直交する面での断面形状がロータの径方向に長いアスペクト比を有する形状の、回転軸方向にロータを貫通する複数のロータ通風穴を有する。

この発明では、ロータの半径方向の熱伝導特性およびロータの通風穴を通る気流の流れ等を改善することで冷却性能を従来に比べて向上させた回転電機等を提供できる。

この発明によるモータの外観の一例を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係るモータの回転軸であるシャフトに沿った断面図である。 この発明の実施の形態１に係るモータの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態２に係るモータの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態３に係るモータの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態４に係るモータの回転軸であるシャフトに沿った断面図である。 この発明の実施の形態４に係るモータの図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 この発明の実施の形態５に係るモータの回転軸であるシャフトに沿った断面図である。 この発明の実施の形態５に係るモータの図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

以下、この発明による回転電機をモータの場合を例に挙げて各実施の形態に従って図面を用いて説明するが、この発明は以下に説明するモータと同等の構造を有する発電機等の回転電機に適用可能である。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。また図面において、各構成部材の大きさの関係が実際のものとは異なる場合がある。

実施の形態１．
図１はこの発明によるモータの外観の一例を示す斜視図である。図２はこの発明の実施の形態１に係るモータの回転軸であるシャフトに沿った断面図、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。各図において、モータ１００は、円筒形状の中空のフレーム１と、フレーム１の内周に沿って設けられたステータ２と、フレーム１内で回転軸となるシャフト４に取り付けられ、ステータ２に対向配置された、円柱状の本体の外周面表面に磁石５が付設されたロータ３と、フレーム１の回転軸方向の一端に配置されフレーム１の一端を覆うと共にシャフト４を支持する負荷側ブラケット６ａと、フレーム１の回転軸方向の他端に配置されフレーム１の他端を覆うと共にシャフト４を支持する反負荷側ブラケット６ｂと(両方でブラケット６)、シャフト４の負荷側および反負荷側を支持する一対のベアリング７とで構成されている。なお図２のステータ２の両端に突出している符号２ａで示されているのはコイルヘッドである。

ステータ２にはステータ２の軸方向(回転軸方向)に貫通するステータ通風穴２１が、ロータ３には回転軸に対し傾斜(ロータの径方向に傾斜)し、かつ、回転軸と直交する面での断面形状がロータ３の径方向に長径を持つ略楕円または楕円となる軸方向(回転軸方向)に貫通するロータ通風穴３１が、それぞれ複数、周方向に沿って並べて設けられている。なお、ロータ３の本体の外周面表面に付設された磁石５も複数、周方向に沿って並べて設けられている(特に図３参照)。

上記のような、ステータ２には例えば回転軸に平行(必ずしも平行である必要はない)なステータ通風穴２１を、ロータ３には回転軸に対し傾斜し、かつ、断面形状がロータ３の径方向に長径を持つ略楕円または楕円であるロータ通風穴３１を、それぞれ複数有する構成にすることにより、ロータ３にロータ通風穴３１が設置されることによるロータ３の半径方向の熱伝導特性の悪化に基づく、ロータ表面の磁石５からロータ３とシャフト４を通過する外部への放熱経路の放熱特性を従来に比べて悪化させることなく、また、ロータ３の回転に伴う遠心力による圧力上昇で、ステータ通風穴２１およびロータ通風穴３１を通る気流の循環がモータのフレーム内部に発生し、気流とステータ２、ロータ３およびブラケット６との熱伝達が促進され、冷却性能が向上する。
なお、図３では、ステータ通風穴２１およびロータ通風穴３１の本数がそれぞれ１２本、８本である場合を示したが、この本数に限定されるものではない。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係るモータの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図４に示すように、ロータ３には回転軸に対し傾斜し、かつ、回転軸と直交する面での断面形状がロータ３の径方向に長径を持つ略楕円または楕円となる軸方向に貫通するロータ通風穴３１が、モータの周方向に関して、ロータ通風穴３１の中心と磁石５の中心が略一致または一致するように配置されている。

上記のような、ロータ通風穴３１の中心と磁石５の中心が略一致するように配置されている構成により、モータ１００の回転トルクを発生させるのに必要な磁石５による磁界は磁石５の中心付近で最も弱くなることから、ロータ通風穴３１を設置することによるモータ１００の回転トルクの低下を無くすまたは最小にすることができ、モータの特性を維持しつつ、ロータ３の回転に伴う遠心力による圧力上昇で、ステータ通風穴２１およびロータ通風穴３１を通る気流の循環がモータのケース内部に発生し、気流とステータ２、ロータ３およびブラケット６との熱伝達が促進されることにより冷却性能が向上する。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係るモータの図２のＡ−Ａ線に沿った断面図である。図５に示すように、ロータ３には回転軸に対し傾斜し、かつ、回転軸と直交する面での断面形状がロータ３の径方向に長辺を持つ略長方形または長方形となる軸方向(回転軸方向)に貫通するロータ通風穴３１が複数、周方向に沿って並べて設けられている。

上記のような構成により、ロータ３にロータ通風穴３１が設置されることによるロータ３の半径方向の熱伝導特性の悪化に基づく、ロータ表面の磁石５からロータ３とシャフト４を通過する外部への放熱経路の放熱特性を従来に比べて悪化させることなく、ロータ３の回転に伴う遠心力による圧力上昇で、ステータ通風穴２１およびロータ通風穴３１を通る気流の循環がモータ内部に発生し、気流とステータ２、ロータ３およびブラケット６との熱伝達が促進され、冷却性能が向上する。

なお、図５では、ステータ通風穴２１およびロータ通風穴３１の本数がそれぞれ１２本、８本である場合を示したが、この本数に限定されるものではない。また、ロータ通風穴３１は断面形状がロータ３の径方向に長辺を持つ略長方形である場合を示したが、実施の形態１の楕円形状も含めて、径方向に長いアスペクト比をもつ形状であれば、他の形状でも構わない。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４に係るモータの回転軸であるシャフトに沿った断面図、図７は図６のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図６、７に示すように、負荷側ブラケット６ａおよび反負荷側ブラケット６ｂのフレーム１内に向いた面表面にフィン８を付設している。フィン８は例えば、ブラケット６の表面に切り欠き部８ａを設けることにより形成されている。

上記のような構成により、負荷側ブラケット６ａおよび反負荷側ブラケット６ｂにおいて熱を伝達する表面積が増加し、ステータ通風穴２１およびロータ通風穴３１を通る気流の循環がモータのケース内部に発生することによる気流とブラケット６の熱伝達がより一層促進され、冷却性能が向上する。

なお、図７では半径方向に延びるフィン８を複数、周方向に沿って並べて付設した場合を示したが、この形態に限定されるものではない。たとえば、周方向に延びるフィン８を複数、径方向に沿って並べて付設した場合でも同様の効果が得られる。また実施の形態４のフィン８と組み合わせて形成してもよい。

実施の形態５．
図８はこの発明の実施の形態５に係るモータの回転軸であるシャフトに沿った断面図、図９は図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図８、９に示すように、ロータ３の軸方向両端の面表面にフィン８を付設している。フィン８は例えば、ブラケット６の表面に切り欠き部８ａを設けることにより形成されている。

上記のような構成により、ロータ３の軸方向両端面表面において熱を伝達する表面積が増加し、かつ、フィン８が羽根車として作用することにより気流の循環が促進されることにより、気流とロータ３およびブラケット６との熱伝達が一層促成され、冷却性能が向上する。

なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

１ フレーム、２ ステータ、２ａ コイルヘッド、３ ロータ、４ シャフト、５ 磁石、６ ブラケット、６ｂ 反負荷側ブラケット、６ａ 負荷側ブラケット、７ ベアリング、８ フィン、８ａ 切り欠き部、２１ ステータ通風穴、３１ ロータ通風穴、１００ モータ。

Claims (7)

1. 円筒形状のフレームと、
   前記フレームの内周に沿って設けられたステータと、
   前記フレーム内で回転軸となるシャフトに取り付けられ、前記ステータと対向する、円柱状の本体の外周面表面に磁石が付設されたロータと、
   前記フレームの前記回転軸方向の両端をそれぞれ覆うように配置されると共に前記シャフトを回転可能に支持する一対のブラケットと、
   を備え、
   前記ステータが、前記回転軸方向に前記ステータを貫通する複数のステータ通風穴を有し、前記ロータが、前記回転軸に対し傾斜し、前記回転軸と直交する面での断面形状がロータの径方向に長いアスペクト比を有する形状の、前記回転軸方向に前記ロータを貫通する複数のロータ通風穴を有する、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記一対のブラケットのそれぞれの前記フレーム内に向いた面表面と、前記ロータの前記回転軸方向の両端の面表面と、の少なくとも一方にフィンを付設したことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータの円柱状の本体の外周面表面に周方向に沿って複数の磁石が並べて付設され、周方向に関して前記各ロータ通風穴の中心と前記各磁石の中心が略一致するように配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記ロータ通風穴の断面形状が、ロータの径方向に長径を有する略楕円であることを特徴とする請求項１から３までにいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記ロータ通風穴の断面形状が、ロータの径方向に長辺を有する略長方形であることを特徴とする請求項１から３までにいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記フィンが、前記ブラケットの前記フレーム内に向いた面表面、または前記ロータの前記回転軸方向の両端の面表面に、切り欠き部を設けることにより形成されたものであることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
7. 円筒形状のフレームの内周に沿って設けられたステータと、前記フレーム内で回転軸となるシャフトに取り付けられ、前記ステータと対向する、円柱状の本体の外周面表面に磁石が付設されたロータと、前記フレームの前記回転軸方向の両端をそれぞれ覆うように配置されると共に前記シャフトを回転可能に支持する一対のブラケットと、を備えた、回転電機において、
   前記ステータに、前記回転軸方向に前記ステータを貫通する複数のステータ通風穴を形成し、前記ロータに、前記回転軸に対し傾斜し、前記回転軸と直交する面での断面形状がロータの径方向に長いアスペクト比を有する形状の、前記回転軸方向に前記ロータを貫通する複数のロータ通風穴を形成することを特徴とする回転電機の冷却方法。

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