JP2020043693A - 外転型回転電機および巻上機 - Google Patents

Abstract

【課題】外転型回転電機の固定子内に有する放熱フィンの取付けを容易にし、冷却性能を向上させることができる外転型回転電機を提供する。【解決手段】回転軸の軸中心まわりに回転する回転子と、この回転子の内側に配置される固定子とを備えた外転型回転電機において、Ｌ字状の放熱フィンを有している。この放熱フィンは、固定子と回転軸で囲まれる空間内のフィン吸熱部と、固定子フレームの外部の面まで延伸しているフィン吸熱部と連絡するフィン放熱部を有する。放熱フィンは、固定子フレームの外側の面に取付けられる。これにより、放熱フィンの取付けは簡単になり、かつフィン放熱部により放熱が促進されるので冷却性能を向上させることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、外転型回転電機およびエレベータなどに用いる巻上機に関するものである。

近年、巻上機（例えば、エレベータ用の巻上機）の小型化のニーズにより、機構（シーブ、筐体）とブレーキ、回転電機が一体となった構造が主流となっている。
そのため、回転電機においても小型化（高トルク密度化）が求められる。回転電機の高トルク密度化の手段の一つとして、外転型回転電機がある。外転型回転電機は、回転子が、固定子の外周側に配置されているため、回転子と固定子間の間隙（ギャップ）の半径を大きくできる。また、外転型回転電機は、回転子が外側にあるため１極分の周長が長くなり大きな磁石を配置できるという特徴がある。このため、外転型回転電機は、内転型回転電機に対し、高トルク密度化が可能となる。
しかし、外転型回転電機は、主な発熱源であるコイルが内径側に位置するため、コイルの配置スペースが小さくなることで放熱面積も小さくなり、回転電機内の温度が高くなる。よって、小型・軽量の外転型回転電機を実現するには、外転型回転電機の冷却性能向上が必要となる。

外転型回転電機の冷却性能向上を図った技術として、特開２０１７−５０９０８号公報（特許文献１）、特開２０１８−９０３８１号公報（特許文献２）が知られている。
特許文献１の技術は、外転型回転電機において、固定子の内周側の空間に固定子で発生する熱を放熱するための放熱フィンを設けている。また、この内周側空間の空気を排気するため回転子の回転子フレーム内部に回転翼を設けている。この構成により、回転子内部の放熱を促進することができるため、冷却性能を向上させることができる。
また、特許文献２の技術は、特許文献１と同様に、外転型回転電機において、固定子の内周側の空間に固定子で発生する熱を伝導して放熱するための放熱フィンを設け、さらにこの内部空間内に回転軸と一緒に回転するファンを設けている。このような構成により、特許文献１と同様に、回転子内径側の放熱を促進することができるため、冷却性能を向上させることができる。

特開２０１７−５０９０８号公報 特開２０１８−９０３８１号公報

ところで、特許文献１では、固定子内周側に放熱フィンを固定子と密着させるように取付けているが、放熱フィンを固定子内周側にどのようにして取付けるのかについての記載はない。また、特許文献２では、固定子内周側への放熱フィンを取付けは、ネジ止め等で行うことが記載されている。しかし、放熱フィンをネジ等で固定する場合、ステータ内径側にネジ穴を加工する必要があるが、固定子フレームの内部の円筒部にネジ穴を設ける作業は非常に困難である。つまり、固定子の内径側は円筒形状であるため位置決めが難しいこと、スペースに制約があるため大きな工具が使用できないことなどの理由により固定子フレームへの加工が困難である。さらに、実際に固定子フレーム内部の狭い空間において放熱フィンをネジ止め固定する作業も困難である。
このように、特許文献１および２に記載された外転型回転電機の場合、組立前の加工および組立作業が大変であり、作業工数、作業時間がかかるという問題を残している。なお、フィンのフレームへの加圧が不十分であると、フィンとフレームとの間に空気層が形成され、熱抵抗が大きくなり十分な冷却性能を得られない可能性がある。

そこで、本発明の目的は固定子と放熱フィンの取付けを容易にし、かつ冷却性を向上することができる外転型回転電機および、その外転型回転電機を用いた巻上機を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明は、その一例を挙げると、軸と、該軸の軸中心まわりに回転可能な回転子フレームと、該回転子フレームの内周側に取付けた回転子コアおよび永久磁石を備えた回転子と、前記軸のまわりに設けた固定子フレームと、前記永久磁石と所定の空隙を有して前記回転子の内径側に配置され前記固定子フレームに取付けられた固定子コアおよびコイルを備えた固定子と、を有する外転型回転電機であって、
前記固定子の内側から前記軸に並行に前記固定子フレームの外側の面を超えて延伸する放熱フィンを有し、該放熱フィンを前記固定子フレームの外側において固定した外転型回転電機である。

本発明は、放熱フィンを固定子フレームの外側にて固定するようにしたので、放熱フィンの取付けが簡単で、かつ放熱フィンの面積を多くすることができ冷却性能の高い外転型回転電機および巻上機を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施例における外転型回転電機を採用した巻上機の軸方向の半分の断面を示す図である。 図２は、本発明の第１の実施例における外転型回転電機の斜視図である。 図３は、本発明の第１の実施例における外転型回転電機の外転型回転電機の放熱フィンの取付け方法を示す図である。 図４は、外転型回転電機の放熱フィンの取付け方法の一例を示す図である。 図５は、外転型回転電機の放熱フィンの取付け方法の一例を示す図である。 図６は、外転型回転電機の放熱フィンの取付け方法の一例を示す図である。 図７は、本発明の第２の実施例における外転型回転電機を採用した巻上機の軸方向の半分の断面を示す図である。 図８は、本発明の第３の実施例における外転型回転電機の斜視図である。 図９は、本発明の第４の実施例における外転型回転電機の斜視図である。 図１０は、本発明の第５の実施例における外転型回転電機を採用した巻上機の軸方向の半分の断面図である。

以下、本発明を実施するための実施例について図面を用いて説明する。なお、以下に説明する本発明の実施例により、本発明が限定されるものではない。また、以下の各実施例において、同一物または同様の機能を有する構成部品には同一符号を用いて、実施例における重複する説明を省略する場合がある。また、図に示す各構成機器の形状、位置、大きさ、範囲などは、発明の理解を容易にするために、実際の形状、位置関係、等とは異なる記載になっている場合がある。

（第１の実施例）
まず、図１〜図３を用いて、本発明の第１の実施例を説明する。図１は、本発明の第１の実施例における外転型回転電機を採用した巻上機の軸方向の半分の断面を示す図である。すなわち、図１では、軸の中心から上半分の断面図を示しており、下半分の断面の記載は省略している。図２は、本発明の第１の実施例における外転型回転電機の斜視図である。図３は、本発明の第１の実施例における外転型回転電機の放熱フィンの固定方法（取付け方法）を示す図である。

第１の実施例における外転型回転電機を用いた巻上機１は、外転型回転電機の回転子５の外側（回転子フレーム４の外側面）にシーブ２５を備えている。また、固定子９（固定子フレーム８）に固定した、ブレーキ２７を備えている。図１において、シーブ２５と、ブレーキ２７を除いた部分が外転型回転電機の構成である。
回転子５は、回転子コア２と、永久磁石３と、回転子フレーム４とで構成される。永久磁石３は、回転子コア２の内径側に取付けられている。
固定子９は、固定子コア６とコイル７と、固定子フレーム８とで構成されている。固定子フレーム８は、固定子コア６とコイル７を取付けており、回転子５の外周面を覆う部分を有している。固定子９の外周面と回転子５の内周側に取付けられている永久磁石３との間は、所定の間隙を設けて配置されている。
軸中心（図１の一点鎖線）に設けられた回転軸１２と、回転子５の回転子フレーム４の軸側端部は回転軸１２に固定されている。これにより、回転軸１２と、回転子５とが一体として回転可能になっている。また、回転軸１２は、固定子９の固定子フレーム８と軸受１０を介して取付けられており、回転軸１２は軸中心まわりに回転が可能になっている。固定子フレーム８は、回転子５の外周面を覆う部分も設けており、これにより回転電機内に塵埃（ごみや埃、鉄粉など）が入り込むことを防止している。

ここで、コイル７は、集中巻により固定子コア６に取り付けられることが望ましい。これにより、コイル７の軸方向短部の長さが短くなり、外転型回転電機の軸方向長さが短くなることで、小型化が可能となる。また、軸受１０は、固定子９の軸方向中心に対し片側に配置され、固定子フレーム８の内径側に空間を設けるように構成される。

また、外転型回転電機は、外部の空気を回転電機内部に取込まない全閉構造が望ましい。これにより、ごみや埃、鉄粉などが回転電機内部に入ることを防ぎ、メンテナンス性が向上する。なお、本実施例では、回転子５の外周面を覆う部分を有しており、回転子外周面と固定子の外部の覆っている部分との間の隙間からは空気の出入りがほとんどないので、ごみや埃、鉄粉などが電機内に侵入する心配はない。
なお、図１の実施例では、軸受１０の他に、回転を安定させるために補助軸受１１を設けている。しかし、この補助軸受１１は必ずしも必要ではなく、軸受１０をより固定子９の軸方向中心側に配置しても良い。

外転型回転電機は、固定子９のコイル７に電流を流し、コイル７で発生する磁界と回転子５側の永久磁石３の磁界との間の磁気的な吸引と反発により、回転子５が回転する。このとき、コイル７に発生した熱は、固定子コア６を介して固定子フレーム８の内径側空間部１３内を上昇させる。固定子フレーム８の内径側空間部１３は、固定子フレーム８の外側の端面から見て窪みとなっている。そのため、そのままでは内部の熱が外部に放出されにくく、高温のまま留まる。つまり、このままでは外転型回転電機の内部の温度上昇を低減することはできない。この発生する熱を効果的に放熱（冷却）するために、放熱フィン１５を設けている。

図１における放熱フィン１５は、固定子フレーム８の内径側空間部１３から固定子フレーム８の外側の端面を超えて延伸する構成となっている。すなわち、放熱フィン１５は、フィンの内径側空間部１３内にある部分（フィン吸熱部１６）が、固定子フレーム８の外側にまで延伸し、外部に露出した部分（フィン放熱部１７）を有している。具体的には、放熱フィン１５は、固定子フレーム８の外側まで延伸し断面がＬ字状構成されている。
このような構成により、固定子９の内径側空間部１３の熱をフィン吸熱部１６が吸熱し、固定子フレーム外面に配備されているフィン放熱部１７に熱を伝導し外部空間に放熱する。これにより、固定子フレーム８の内部（内径側空間部１３）の温度を低減させ、結果的に回転電機内部の温度を低減する（冷却する）ことができる。この放熱フィン１５は、フィン放熱部１７を有しているため、放熱面積が大きく、冷却能力は向上する。
なお、フィン吸熱部１６は、熱伝導を効率良く行わせるために内部で固定子フレーム８と接触するように構成するのが好ましい。なお、この接触がなくても一定の冷却は可能である。また、フィン放熱部１７もできるだけ固定子フレーム８と近接させ、接触するようにした方が固定子フレーム８の部分も冷却に使用できるので冷却性能が向上する。

放熱フィン１５は、固定子フレーム８の外側の面において固定される。この固定部１４における固定は、固定子フレーム８の外側の面で行うので、作業空間は広く、取付けのための加工や取付け作業が容易である。すなわち、固定子フレーム８の内径側空間で固定する（取付ける）のではなく、内径側にある放熱フィン（フィン吸熱部１６）を延伸させてフィン放熱部１７を形成し、このフィン放熱部１７と固定子フレーム８の外面とを固定している。
そのため、固定子９の内面部の狭い空間における固定のための加工が不要となり、かつ狭い空間内における固定作業も不要になる。また、固定子フレーム８の外側の端面は平面であり加工が容易であり、確実に放熱フィン１５を固定することができるので、冷却効果が高い。加えて、フィン放熱部１７自体が大きな面積を有しているので、冷却能力は向上する。

次に、この放熱フィン１５の具体的な取付け方法を図２と図３により説明する。図２における固定部１４の取付け方法の詳細は、図３に示される。図３から明らかなように、放熱フィン１５は、放熱フィン１５（フィン放熱部１７）に固定用の座面３１を設け、この座面３１にネジ用の穴をあける。一方、固定子フレーム８の外部の端面の固定位置にはネジ３２を受入れるネジ穴を設ける。放熱フィン１５は座面３１と一体構成となっており、この座面３１をネジ３２によって固定する（ネジを締める）ことにより、放熱フィン１５を固定子フレーム８にしっかりと固定することができる。

なお、放熱フィン１５を固定子フレーム８に固定する方法は、この方法に限らず、適切な固定具を用いて固定することができる。例えば、図４に示すように、座面を設けず、放熱フィン１５の固定子フレーム８外側に配置される部分（フィン放熱部１７位置）をネジ３２、ボルト等で固定子フレーム８に直接取付けても良い。また、固定は、ネジによらず他の固定具でも実現できる。例えば、図５に示すように、放熱フィン１５に凸部３３を設け、対応する固定子フレーム８の固定位置にはその凸部を受入れる凹部３４を設けておき、この凸部３３を凹部３４に篏合することにより固定が可能である。この場合、接着剤を使用すれば、より一層強固に固定することができる。また、篏合による固定は、図６の方法でも良い。図６の方法は、凹部３４を固定子フレーム８の下端部まで伸ばし、その凹部３４に放熱フィン１５を篏合させている。この場合、放熱フィン１５の凸部３３は不要である。
また、本発明では、図に示した固定方法のみでなく、その他の方法でも良い。例えば、溶接や接着による固定方法なども使用可能である。つまり、放熱フィンを固定子フレームの外側面に確実に固定することができるものであればどのような手段でも使用することができる。

図１に示す第１の実施例では、放熱フィン１５をＬ字状にしたものを用いたが、これに限定されない。つまり、回転軸１２の軸中心からフィン吸熱部１６の端面までの位置（半径Ｒ１）よりも、回転軸１２の軸中心からフィン放熱部１７の端面までの位置（半径Ｒ２）を大きくしておけば、固定子フレーム８の外部において放熱フィン１５を固定することは容易である。

なお、放熱フィン１５は面積が大きいほど、あるいは放熱フィンの数を増加すればするほど冷却性能が向上する。ただし、これらはコストや設置工数増加につながる。そのため、サイズ、個数を最適に検討することが望ましい。さらに、放熱フィン１５は熱伝導率が高く、軽量な材料で構成することが望ましい。例えば、アルミニウムなどである。これにより、冷却性能の向上や、取付け工数の低減が可能となる。放熱フィン１５の表面は、ブラスト加工やエッチング加工により粗面に加工すると良い。これにより、表面積が増加し、冷却性能が向上することができる。なお、前記放熱フィン１５の表面を研削加工などを行なわなくても良い。

図１に示す第１の実施例では巻上機１の例を説明したが、図１においてシーブ２５、等を設けなければ、通常の外転型回転電機の構成となる。これは、以下の巻上機の実施例においても同様である。

（第２の実施例）
次に、図７により、本発明の第２の実施例を説明する。図７は、本発明の第２の実施例における外転型回転電機を採用した巻上機の軸方向の半分の断面を示す図である。図７の実施例の場合、基本的な構成は図１の場合と同じであり、同様の構成部分には同一の符号を用いて、その詳細な説明を省略する。図７の説明は、主に図１の実施例との差異部分を中心に説明する。図７の実施例と図１の実施例との大きな違いは、軸、固定子、および回転子の取付けの違いである。また、放熱フィンの構成にも違いがある。

図７において、外転型回転電機の軸は、図１の場合と異なり、固定軸２２を用いている。これに伴い、回転子５の回転子フレーム４の内径部は、軸受２３を介して取付けられており、回転子５（回転子フレーム４）が固定軸２２の軸中心（図７の一点鎖線）まわりに回転可能になっている。一方、固定子９は、固定軸と一体に固定している。このような構成により、回転子５は、固定軸２２の周りを回転することができる。

また、放熱フィン１８は、図１の放熱フィン１５と異なり、固定子フレーム８の内部空間に位置するフィン吸熱部１６と、外部に位置するフィン放熱部１７とを別体として加工し、それらを接合した構成となっている。すなわち、放熱フィン１８は、フィン吸熱部１６とフィン放熱部１７とをＬ字状になるように接合し、その後、放熱フィン１８を固定子フレーム８に固定する。放熱フィン１８の固定子フレーム８に固定する固定部１４の固定方法は、図１における場合と同様に行うことができる。もちろん、図４〜図６のような方法や、その他の固定方法でも良い。

なお、図７の実施例において、放熱フィン１８の代わりに、図１に示す放熱フィン１５や、後述するその他の放熱フィンを使用することができる。また、図１の実施例において、放熱フィン１５の代わりに、図７に示す放熱フィン１８や、後述するその他の放熱フィンを使用することができる。

（第３の実施例）
次に、図８により、本発明の第３の実施例について説明する。図８は、本発明の第３の実施例における外転型回転電機の斜視図である。この図８の実施例の基本的な構成は、第１の実施例（図１〜図３）と同様の構成である。図８についても、同様の構成部分には同一の符号を用い、その詳細な説明は省略する。図８の説明は、上述した実施例との差異部分を中心に説明する。

まず、図８における放熱フィン１９は、複数枚のフィンを連結し１つの放熱フィンユニットとして構成している。すなわち、第１の実施例（図１〜図３）の放熱フィン１５や、図７における放熱フィン１８は１枚のフィンで構成していたのに対し、本実施例の放熱フィン１９は複数枚のフィンを連結して放熱フィンユニットを構成している点で相違がある。

この構成により、放熱フィン１９の取付けの工数を低減することができる。ここで、放熱フィンユニットのフィンの配置は略等間隔の放射線状に配置することが望ましい。これにより、固定子９の内径側空間の空気を均等に冷却できるため、温度勾配が少なくなる。前述したように放熱フィンのサイズや枚数は、コストを考慮し適切に選択すべきであることは言うまでもない。

なお、この実施例における放熱フィン１９の具体的な固定方法は、放熱フィン１９の軸方向側の円弧状部３５に穴３６を設け、そこにネジ（図示せず）を用いて固定子フレーム８に固定している。この固定部１４の取付け方法は、この方法に限らない。放熱フィン１９（放熱フィンユニット）を固定子フレーム８に固定できる方法であれば他の固定方法で良い。

（第４の実施例）
次に、図９により、本発明の第４の実施例を説明する。図９は、本発明の第４の実施例における外転型回転電機の斜視図である。上述の図８の場合と同様、基本的な構成は第１の実施例（図１〜図３）、第２の実施例（図７）と同様の構成である。図９についても、同一または同様の機能を有する構成部分には同一の符号を用いて、その詳細な説明を省略する。図９の実施例の説明は、主に上述の実施例との差異部分を中心に説明する。

図９において、放熱フィン２０は、内部のフィン吸熱部１６と外部にあるフィン放熱部１７とで構成されるが、フィン吸熱部１６に対して、直交する位置にフィン放熱部１７を配置し接合している。フィン吸熱部１６とフィン放熱部１７の接合は、放熱フィン２０を固定子フレーム８に固定する作業の前までに行うと、作業が容易である。放熱フィン２０の固定方法は、上述したような固定方法を採用することができる。例えば、図３に示すようなネジや、ボルト、あるいは溶接などにより固定することができる。

このような構成によれば、放熱フィン１５のフィン吸熱部１６とフィン放熱部１７の向きを変えることができる。ここで、放熱フィン２０の放熱部（フィン放熱部１７）を重力と略等しい方向とすることが望ましい。これにより、上昇気流によりフィン放熱部１７の周囲の空気を循環でき、冷却性能を向上できる。

（第５の実施例）
次に、図１０により、本発明の第５の実施例を説明する。図１０は、本発明の第５の実施例における外転型回転電機を採用した巻上機の軸方向の半分の断面図である。基本的な構成は第１の実施例（図１〜図３）と同様の構成である。図１０についても、同一または同様の機能を有する構成部分には同一の符号を用いて、その詳細な説明を省略する。図１０の実施例の説明は、主に上述した実施例との差異部分を中心に説明する。

図１０において、放熱フィン２１は、フィン吸熱部１６と、フィン放熱部１７と、それらを連結（接続）するヒートパイプ２８とで構成している。なお、この連結には、ヒートパイプに限らず、高熱伝導部材が使用できる。

このような構成により、より効果的に前記固定子の内径側空間部の空気を冷却でき、冷却性能が向上させることができる。固定部１４の詳細は省略するが、上述したような方法で固定すれば良い。

（その他の実施例）
上記した本発明の実施例では、特許文献１に記載されたような送風翼や、特許文献２に記載されたようなファンを設けていないが、本発明は、このような回転翼や、ファンを設けても良い。上述した本発明の実施例において、さらに送風翼や、ファンを設けることにより、より一層冷却能力を向上させることができる。

１…巻上機、２…回転子コア、３…永久磁石、４…回転子フレーム、５…回転子、６…固定子コア、７…コイル、８…固定子フレーム、９…固定子、１０…軸受、１１…補助軸受、１２…回転軸、１３…内径側空間部、１４…固定部、１５…放熱フィン、１６…フィン吸熱部、１７…フィン放熱部、１８…放熱フィン、１９…放熱フィン、２０…放熱フィン、２１…放熱フィン、２２…固定軸、２３…軸受、２５…シーブ、２６…ロープ、２７…ブレーキ、２８…ヒートパイプ、３１…座面、３２…ネジ、３３…凸部、３４…凹部、３５…円弧状部、３６…穴

Claims (16)

1. 軸と、
   該軸の軸中心まわりに回転可能な回転子フレームと、該回転子フレームの内周側に取付けた回転子コアおよび永久磁石を備えた回転子と、
   前記軸のまわりに設けた固定子フレームと、前記永久磁石と所定の空隙を有して前記回転子の内径側に配置され前記固定子フレームに取付けられた固定子コアおよびコイルを備えた固定子と、を有する外転型回転電機であって、
   前記固定子の内側から前記軸に並行に前記固定子フレームの外側の面を超えて延伸する放熱フィンを有し、該放熱フィンを前記固定子フレームの外側において固定した外転型回転電機。
2. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記固定はネジを用いて行う外転型回転電機。
3. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記外転型回転電機は全閉型である外転型回転電機。
4. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記軸は回転軸であり、前記回転子フレームは該回転軸まわりに固定され、前記固定子は前記回転軸の回転を可能にする軸受を有する外転型回転電機。
5. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記軸は固定軸であり、前記回転子フレームは該固定軸まわりを回転可能にする軸受を有する外転型回転電機。
6. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記放熱フィンの表面を粗面に加工した外転型回転電機。
7. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記放熱フィンは、複数枚のフィンが連結されたフィンユニットを構成している外転型回転電機。
8. 請求項７に記載された外転型回転電機において、
   前記放熱フィンが前記固定子に放射状に配置され、前記固定子フレームの外側端面に固定されている外転型回転電機。
9. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
   前記放熱フィンは、前記固定子フレームの内部から前記軸と並行に外方向に延伸するフィン吸熱部と、前記フィン吸熱部の熱を前記固定子フレームの外側において放熱するフィン放熱部とを有している外転型回転電機。
10. 請求項９に記載された外転型回転電機において、
    前記軸の前記軸中心から前記フィン吸熱部の端面までの位置よりも前記軸中心からフィン放熱部までの位置が大きくなるようにした前記フィン放熱部を有する外転型回転電機。
11. 請求項１０に記載された外転型回転電機において、
    前記放熱フィンは断面がＬ字状である外転型回転電機。
12. 請求項９に記載された外転型回転電機において、
    前記放熱フィンは、前記フィン吸熱部と前記フィン放熱部とを接合した外転型回転電機。
13. 請求項９に記載された外転型回転電機において、
    前記放熱フィンは、前記フィン吸熱部と前記フィン放熱部とを高熱伝導材で連結した外転型回転電機。
14. 請求項９に記載された外転型回転電機において、
    前記放熱フィンは、前記フィン吸熱部と前記フィン放熱部とが略直交して接合されている外転型回転電機。
15. 請求項１４に記載された外転型回転電機において、
    前記フィン放熱部は重力方向に配置されている外転型回転電機。
16. 請求項１に記載された外転型回転電機において、
    前記回転子フレームの外側にロープを巻付けるためのシーブと、
    前記固定子フレームに前記回転子フレームの回転を抑制するためのブレーキと、
    を設けた巻上機。

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