JP2017050913A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 回転子の温度上昇を抑制することを可能とする技術を提供する。【解決手段】 回転電機１は、固定子鉄心１１と、固定子鉄心１１の内周面と所定の間隔の空隙９０を隔てて対向する回転子２０と、固定子鉄心１１の内周面に形成されたスロット１３内に固定子コイル１４を保持する楔１２を有する。楔１２には、固定子鉄心１１の軸方向に貫通孔１２１が設けられている。貫通孔１２１に冷却水を流すことにより、楔１２の周辺の空隙９０を流れる空気を冷やし、この冷えた空気により回転子２０の温度上昇を抑制することが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、電動機や発電機等の回転電機に関する。

回転電機は、回転子の回転中に固定子や回転子が発熱するため、その冷却を行うことが必要である。回転子の外周部に配列された永久磁石や回転電機内の空気が高温状態となり、永久磁石の不可逆減磁や固定子コイルの焼損が発生する虞があるからである。

そこで、従来技術では、固定子外皮（固定子鉄心をその外周から包囲するフレーム）を冷却媒体で冷却することにより、固定子鉄心およびそのスロットに埋め込まれた固定子コイルを冷却していた。

また、他の従来技術では、次のようにして回転電機の回転子の冷却を行っていた。
まず、いわゆる全閉型（開口部分をなくすために固定子鉄心等をフレームで包囲する形式）ではない回転電機の場合、熱交換器やファンにより回転電機の内外で熱交換を行わせて回転子を冷却している。例えば、特許文献１に記載の回転電機では、この種の冷却方式が採用されており、吸気ファン装置により回転電機外部から取り込んだ空気を回転電機内に流通させている（特許文献１；図６参照）。

一方、全閉型の回転電機の場合、回転電機内部（フレームで包囲された空間内）に設けられた自己冷却ファンからの送風により、上記フレームで包囲された空間内の空気を強制的に循環させて回転子を冷却している。

図４は、このような自己冷却ファンを備えた全閉型の回転電機２の概略的な構成を示す断面図である。図４に示すように、自己冷却ファンである内気循環用ファン６０＿１は、固定子鉄心１１と回転子２０の間に形成された空隙９０を矢印Ａ方向に流れる冷却風の流れを発生する。矢印Ａ方向に流れる冷却風は、回転子２０の右端に達したところで、他の自己冷却ファンである内気循環用ファン６０＿２により回転子２０の内周面側に反転され（矢印Ｂ）、回転子ダクト５０の通風孔（図中点線部）を矢印Ｃ方向に流れる。このように回転電機２では、矢印Ａ→Ｂ→Ｃ→Ａで示す循環経路に沿って回転電機内部の空気を強制的に循環させることにより、回転電機内の発熱部の温度を低下させ、回転電機内の温度差を緩和している。

特開２０１３−６６３４１号公報

ところで、回転子２０の外周部に配列された永久磁石と固定子鉄心１１との距離、或いは上記永久磁石と固定子コイルとの距離は電気的特性に影響を与えるため、空隙９０の断面積を大きくすることには制約がある。しかし、空隙９０の断面積が小さいと、従来の冷却方式を採用した全閉型の回転電機では、空隙９０を流れる冷却風の流量が少なくなり、回転子２０や固定子鉄心１１と冷却風との熱交換の効率が低くなり、回転子２０や固定子鉄心１１を充分に冷却することができない問題がある。ここで、固定子鉄心１１については、フレーム３０の外周部に敷設された外皮冷却部７０（冷却フィン）に沿って矢印Ｄ方向に流れる冷却風によって冷却が可能であるため、冷却が過度に不足することはない。しかし、回転子２０については、空隙９０を流れる冷却風以外に冷却手段がない。このため、回転子の温度上昇を抑制することは困難であった。

この発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、回転子の温度上昇を抑制することを可能とする技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、空隙を挟んで回転子の外周面と内周面とを対向させた固定子鉄心であって、前記内周面に固定子コイルを収容するスロットを有するとともに、前記内周面における前記スロットの開口部に前記固定子コイルを前記スロット内に保持する楔を有する固定子鉄心を有し、前記楔には、前記固定子鉄心の軸方向に貫通孔が設けられていることを特徴とする回転電機を提供する。

本発明によれば、貫通孔に冷却媒体を流すことにより、楔の周辺の空隙内の空気を冷やし、この冷えた空気により回転子を冷却することができる。したがって、回転子の温度上昇を抑制することができる。

本発明の第１実施形態である回転電機１の概略的な構成を示す断面図である。 同実施形態における固定子１０の軸方向に垂直な面による部分断面図である。 本発明の第２実施形態である回転電機が有する固定子鉄心１１Ａの軸方向に垂直な面による部分断面図である。 従来の回転電機２の概略的な構成を示す断面図である。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態である回転電機１の概略的な構成を示す断面図である。回転電機１は、全閉型の回転電機である。図１において、図４に示した従来の回転電機２と同一の構成要素には同一の符号が付されている。回転電機１は、固定子１０と、回転子２０と、フレーム３０と、シャフト４０と、内気循環用ファン６０＿１および６０＿２と、外皮冷却部７０と、冷却手段８０＿１および８０＿２とを有する。

シャフト４０は、軸受（図示略）で回転可能に支持されている。シャフト４０の中心軸は、図中に示す回転子２０の回転中心軸ａとなっている。回転子２０には回転子ダクト５０が設けられている。この回転子ダクト５０は、シャフト４０の軸方向に貫通する通風孔（図中点線部）を有する。

回転子２０は、円環状の部材で構成され、その外周部には永久磁石（図示略）が配列されている。回転子２０は、その外周面と固定子鉄心１１の内周面との間に所定の間隔の空隙９０を挟んだ状態で、固定子鉄心１１に対向して配置される。

図２は固定子１０の軸方向に垂直な面による部分断面図である。固定子１０において、固定子鉄心１１は、円環状の部材で構成され、回転子２０を径方向外側から包囲する。スロット１３は、固定子鉄心１１の内周面に沿って軸方向に打ち抜かれた溝である。図２に示すように、複数のスロット１３が固定子鉄心１１の内周面に沿って互いに間隔をあけて形成されている。各スロット１３の内部には、固定子コイル１４が収納されている。

固定子鉄心１１の内周面におけるスロット１３の開口部には楔１２が設けられている。この楔１２は、固定子鉄心１１の軸方向に延在する棒状の部材であり、スロット１３の内側壁にスロット１３の開口部よりも幅広に形成された溝に埋め込まれる。楔１２は、固定子コイル１４がスロット１３の外部に飛び出さないよう、固定子コイル１４をスロット１３内に係止保持する。そして、楔１２は、固定子鉄心１１の内周面から露出し、空隙９０に面している。

本実施形態における楔１２は、鉄等の強磁性を示す磁性材からなり、中空構造を有する。より詳細には、楔１２には、固定子鉄心１１の軸方向に貫通孔１２１が設けられている。貫通孔１２１は、冷却媒体を流す冷却路として機能する。貫通孔１２１の軸方向両端には、冷却手段８０＿１および８０＿２が接続されている（図１参照）。冷却手段８０＿１は貫通孔１２１に冷却媒体（本実施形態では、水）を供給し、冷却手段８０＿２は貫通孔１２１から流れてきた冷却媒体を排水する。このようにして、冷却手段８０＿１および８０＿２は、冷却水を回転電機１内で循環させる。

フレーム３０は、いわゆる全閉型のフレームであり、固定子鉄心１１等を径方向外側から包囲する。外皮冷却部７０は冷却フィンであり、フレーム３０の外周面上に軸方向に敷設されている。フレーム３０の外周面上には、外皮冷却部７０に沿って軸方向に通風経路が形成される。フレーム３０の外部に設けられたファン（図示略）からの送風により、上記通風経路に沿って冷却風が流れる。

内気循環用ファン６０＿１および６０＿２は、フレーム３０で密閉された空間内の空気を循環させる空冷手段であり、自己冷却ファンとして機能する。内気循環用ファン６０＿１は、内気循環用ファン６０＿２側に冷却風を送風する。内気循環用ファン６０＿２は、内気循環用ファン６０＿１側に冷却風を送風する。内気循環用ファン６０＿１により、空隙９０を矢印Ａ方向に流れる冷却風の流れが形成され、内気循環用ファン６０＿１により回転子ダクト５０の通風孔を矢印Ｃ方向に流れる冷却風の流れが形成される。
以上が、回転電機１の構成である。

以上の構成により、図４を参照して説明した従来の回転電機２の冷却方式と同様の効果が得られる。加えて、本実施形態では、楔１２に設けられた貫通孔１２１を冷却水が矢印Ｆ方向に流れる。この冷却水は、楔１２の周辺の空隙９０内の空気を冷やし、この冷えた空気が回転子２０を冷却する。したがって、回転子２０の温度上昇を抑制することができる。

ところで、楔１２を中空構造にすると、中空部分（貫通孔１２１）では透磁率が低くなるため、磁気飽和により固定子鉄心１１から回転子２０へ向かう磁束が減る。しかし、その一方、固定子コイル１４の廻りに発生する磁束のうち楔１２の内部を通過する漏れ磁束が減る（すなわち、固定子鉄心１１から回転子２０へ向かう磁束が増える）。このように楔１２を中空構造にすると、固定子鉄心１１から回転子２０へ向かう磁束を減らす作用と増やす作用の両方が発生するため、固定子鉄心１１から回転子２０へ向かう磁束に対する影響は少ない。

本実施形態では楔１２が磁性材で構成されているため、以下の効果が得られる。
磁性材の楔１２を固定子鉄心１１のスロット１３に埋め込むと、固定子鉄心１１と回転子２０とのギャップ間の磁束の固定子鉄心１１の内周方向に沿った脈動が小さくなる。このため、スロットリプル（脈動磁束）が小さくなり、回転子２０の外周部に配列された永久磁石において発生する渦電流が小さくなる。渦電流が小さくなると、永久磁石の発熱（渦電流損）が減る。従って、永久磁石を低温で使用することができ、永久磁石に非可逆減磁が発生するのを回避することができる。なお、楔１２が磁性材で構成されているため、楔１２にも渦電流が発生する。しかし、貫通孔１２１を流れる冷却水により、この渦電流による発熱は冷却されるため、特段問題となることはない。

＜第２実施形態＞
図３は、本発明の第２実施形態である全閉型の回転電機が有する固定子１０Ａの軸方向に垂直な面による部分断面図である。固定子鉄心１１Ａには楔１２Ａが埋め込まれている。楔１２Ａは、貫通孔１２１に加えて、空隙９０に面した面の形状が凹凸形状（本実施形態ではフィン形状）であるフィン１２２を有する。フィン１２２を設けることにより、伝熱面積（表面積）が大きくなり、楔１２を用いる場合よりも、楔１２Ａの周辺部と冷却水との熱交換の効率、例えば回転子２０、空隙９０を流れる冷却風および冷却水間の熱交換の効率を高めることが可能となる。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の各実施形態について説明したが、この発明には他にも実施形態が考えられる。例えば、以下の通りである。

（１）上記各実施形態では、貫通孔１２１に冷却水を流したが、他の冷却媒体（例えば、空気または他の冷却液）を流してもよい。

（２）上記各実施形態では、全閉型（全閉内気循環冷却構造）の回転電機に対する本願発明の適用例を示したが、全閉型ではない回転電機に本願発明を適用してもよい。全閉型ではない回転電機は、回転電機内外で冷却媒体を交換するか否かという点において全閉型の回転電機とは異なるが、それ以外の構成については、全閉型の回転電機と特段違いはないからである。

（３）上記各実施形態において、冷却手段８０＿１および８０＿２を回転電機１（フレーム３０）の外部に設けてもよい。例えば、上記変形例（１）において、冷却媒体を空気とした場合、ポンプ等で回転電機１外部の空気を取り込んで回転電機１内に供給し、回転電機１内で取り込んだ空気を回転電機１外部に排気する、といった処理を冷却手段８０＿１および８０＿２に実行させればよい。

（４）上記各実施形態では、楔１２および１２Ａを磁性材で構成したが、非磁性材で構成してもよい。

（５）上記第２実施形態では、空隙９０に面した面の形状をフィン形状としたが、凹凸形状を有し、伝熱面積を大きくすることが可能な形状であれば他の形状としてもよい。

（６）上記実施形態において、かご型誘導電動機のように回転子にコイルが巻いている構成の回転電機に、本願発明を適用してもよい。この場合、回転子内に軸方向に挿入された導体やコイル等の温度上昇を抑制することができる。

１，２…回転電機、１０，１０Ａ…固定子、１１，１１Ａ…固定子鉄心、１２，１２Ａ…楔、１２１…貫通孔、１２２…フィン、１３…スロット、１４…固定子コイル、２０…回転子、３０…フレーム、４０…シャフト、５０…回転子ダクト、６０＿１，６０＿２…内気循環用ファン、７０…外皮冷却部、８０＿１，８０＿２…冷却手段、９０…空隙。

Claims (6)

1. 空隙を挟んで回転子の外周面と内周面とを対向させた固定子鉄心であって、前記内周面に固定子コイルを収容するスロットを有するとともに、前記内周面における前記スロットの開口部に前記固定子コイルを前記スロット内に保持する楔を有する固定子鉄心を有し、前記楔には、前記固定子鉄心の軸方向に貫通孔が設けられていることを特徴とする回転電機。
2. 前記貫通孔に冷却媒体を供給する冷却手段を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記冷却媒体は、水であることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 前記楔は磁性材からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
5. 前記固定子鉄心を径方向外側から包囲するフレームと、
   前記フレームで密閉された空間内の空気を循環させる空冷手段とを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１の請求項に記載の回転電機。
6. 前記楔の前記空隙に面した面の形状が凹凸形状であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１の請求項に記載の回転電機。

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