JP6355750B2

JP6355750B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6355750B2
Application number: JP2016556073A
Authority: JP
Inventors: 佳明橘田; 宏一尾島; 勝成高木; 井上　正哉; 正哉井上; 浩之東野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-10-28
Filing date: 2014-10-28
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-10-28
Also published as: CN107078606A; WO2016067352A1; US10811939B2; JPWO2016067352A1; CN107078606B; DE112014007108T5; US20170271958A1

Description

この発明は、回転電機に関するもので、特に、固定子および回転子を冷却油によって冷却する回転電機に関するものである。

回転電機は、回転自在な回転子と、回転子を取り囲むように設けられた固定子とによって構成され、固定子に巻かれた固定子コイルに電流を流して回転子の回転力を得るように構成したものが電動機であり、回転子を回転させることによって固定子コイルに電流を生じさせるようにしたものが発電機である。これらの回転電機では、回転子の回転時に固定子コイルに電流が流れることによって、固定子および固定子コイルが発熱し、この発熱によって、運転効率が低下することになる。このため、回転子と固定子とを冷却して運転効率を維持することが行われている。

この冷却の仕方として、回転電機の内部に組み込まれた固定子および回転子の潤滑箇所および冷却箇所に冷却油を供給するために、回転電機のハウジング内に冷却油を貯留させ、回転電機の回転子あるいは減速機の歯車の回転運動を利用して冷却油を掻き上げ、回転子の上部に設けた貯留部に一旦貯めた後に、回転子の中空軸内に供給して回転子の潤滑と冷却を行うことが提案されている（例えば、特許文献1参照）。
また、ポンプを用いて冷却油を加圧して固定子に導くように構成した方式（例えば、特許文献２）、あるいは回転子を冷却するために、回転子の軸を中空の円筒形状として、ポンプを用いて冷却油を円筒部分に圧送する方式が提案されている（例えば、特許文献３）。

特開２００９−２０９９６５号公報特開２０１１−１９３６４２号公報特開２０１０−１０４２０６号公報

特許文献１において提案されている回転電機の冷却手法では、回転子などの回転運動を利用して冷却油を掻き上げているので、冷却油を圧送するためのポンプが不要になるという利点があるものの、油面を掻き揚げる際にロストルクが発生することと、油面の状況によって掻き揚げられる冷却油の量が変動するため、回転子の冷却性能が安定しないという不具合がある。

また、特許文献２および３に提案されている冷却手法では、ポンプを使用して冷却油を供給することから、冷却油の供給量は安定するものの、冷却の対象が独立しているため、固定子を冷却するためのポンプと回転子を冷却するためのポンプの、２つのポンプが必要となり、回転電機の大型化と高コストが問題となる。仮に、ポンプを一つにして冷却油を供給する経路を一つにしたとしても、場所の離れた固定子と回転子への冷却油の供給を配管でつなぐため、経路が長くなって圧損が高くなり、より高性能なポンプが必要となり、前述と同様に回転電機の大型化・高コスト化を避けることができないという問題があった。

この発明は、前述のような従来の問題を解決するためになされたもので、固定子および回転子の双方を低圧損で供給される冷却油で冷却することが可能な回転電機を提供することを目的とするものである。

この発明に係る回転電機は、ハウジング内の上部に設けられ、冷却油が噴出する噴出孔を有する第１の貯留部、前記第１の貯留部に前記冷却油を加圧状態で供給するポンプ、前記第１の貯留部から噴出した前記冷却油を自重によって固定子の冷却構造と回転子の冷却構造に案内する案内手段を備え、前記回転子の冷却構造が、前記冷却油を貯留する第２の貯留部を有し、前記第２の貯留部から、前記回転子の軸受に冷却油を供給する軸受油路と、前記回転子のシャフトに前記冷却油を供給するシャフト油路とに分けて前記冷却油を供給し、前記回転子のシャフトには、前記シャフトの回転軸方向の油路と、前記シャフトの径方向の油路とが、連通して設けられ、前記回転子が回転した際に遠心力によって冷却油を吐出・吸入するようにしたものである。

この発明では、冷却油を回転電機内にポンプによって圧送して一旦貯留し、冷却油を噴出させた後、自重によって冷却油を固定子と回転子に供給する冷却構造を採用することによって、圧損を最小限に抑えながら、両者に確実に冷却油を供給することができ、かつ、冷却油のかき揚げ機構を必要としない、回転電機の小型軽量化、および高効率化の可能な冷却構造を備えた回転電機を提供することができる。

この発明の実施の形態である回転電機の断面概略図である。図１の第１の貯留部における冷却油の流れを示す図である。図１の第２の貯留部における冷却油の流れを示す図である。図３の回転子におけるＡ−Ａ断面を示す断面図である。

以下、この発明の回転電機の実施の形態について、図面を用いて説明する。
図１は、この発明の回転電機１００の一実施の形態を示す断面概略図であって、回転電機１００の回転軸方向の断面図である。
回転電機１００のハウジング５０は、胴体部分のセンターフレーム５１と、このセンターフレーム５１の両端をフロントフレーム５２とリアフレーム５３によって閉じる構成となっており、このハウジング５０のセンターフレーム５１に固定子１０が固定され、フロントフレーム５２とリアフレーム５３にそれぞれ軸受５２１、５３１を介して回転子２０のシャフト２１が支持されている。また、固定子１０は、円環状に配置された分割型の筒状となっていて、鉄製フレーム５１１に嵌合固定され、さらに鉄製フレーム５１１はアルミ製のセンターフレーム５１に固定されている。固定子１０の非負荷側の端面には、ＵＶＷの各相に給電するバスバーを収容するバスバーホルダ１１が配置されている。また、固定子１０の軸方向両端部にはコイルエンド１２がある。

回転子２０は負荷側の軸受５２１および非負荷側の軸受５３１に支持されるシャフト２１と、シャフト２１の周面には回転子鉄心２２が設けられている。回転子鉄心２２には回転軸方向に平行に永久磁石を収容するための磁石収容穴２３が周方向に等間隔に配置されている。

この回転電機１００の構造に対して、冷却の構造は次のように構成されている。
すなわち、図１および図２に示すように、ハウジング５０を構成するセンターフレーム５１、フロントフレーム５２およびリアフレーム５３の上部領域に第１の貯留部６１を設けており、外部のポンプ８０から圧送された冷却油を入口７０から取り入れている。この第１の貯留部６１の入口７０から入った冷却油は、フロントフレーム５２とリアフレーム５３に流されるため、この第１の貯留部６１は、冷却油を貯えるだけでなく、センターフレーム５１における軸方向に貫通する第１の油路であるともいえる。

第１の貯留部６１に入れられた冷却油は、フロントフレーム５２およびリアフレーム５３にそれぞれ設けられたコイル噴出孔５２２、５３２から、コイルエンド１２に向けて噴出されて固定子１０を冷却する。さらに、フロントフレーム５２に設けられた軸受噴出孔５２３から負荷側の軸受５２１に向けて冷却油が噴出されて軸受５２１の潤滑と冷却に使用される。

また、リアフレーム５３にはコイル噴出孔５３２以外に、シャフト噴出孔５３３が設けられ、冷却油が回転子２０のシャフト２１の端部に案内されるように構成されている。すなわち、リアフレーム５３には、さらにリアカバー５３４が設けられて冷却油の流路を形成している。このため、シャフト噴出孔５３３から噴出した冷却油は、カバー５４０によって区分されている冷却油導入部５４１に案内され、シャフト２１の上部に設けられた第２の貯留部６２に貯えられる。この第２の貯留部６２には、小さな径の穴６２１が設けられており、この穴６２１から流出した冷却油が非負荷側の軸受５３１に案内されるように構成されている。また、第２の貯留部６２から溢れ出た冷却油は、リアカバー５３４によって、シャフト２１の端部に案内され、回転子２０の冷却に使用される。

回転子２０の冷却については、図３および図４を用いて説明する。図３は、図１の断面図の一部を拡大したもので、特に、リアフレーム５３のシャフト噴出孔５３３から噴出された冷却油の流れを示すようにしている。図１においては説明していなかったが、回転子鉄心２２にはシャフト２１の軸方向と平行に、冷却油の流路となる貫通穴２４が、磁石収容穴２３と同様に回転子鉄心２２の周方向に等間隔に設けられている。この回転子鉄心２２の端面には貫通穴２４に合うように貫通孔が設けられた非負荷側端板２５が取り付けられ、更に、非負荷側端板２５の外側には、油路プレート２６が取り付けられている。非負荷側端板２５と油路プレート２６との間には空隙を設けており、その空隙によって、回転軸の中心から放射状に延びる油路を構成している。この油路の形状は、図４の断面図に示すように、中心部から放射状になっており、放射状の先端部分に貫通穴２４が位置するようになっている。

また、回転子２０のシャフト２１には、非負荷側から軸方向に開けられた第１のシャフト油路２１１と、第１のシャフト油路２１１から径方向に延びる第２のシャフト油路２１２が設けられており、第２のシャフト油路２１２が前述の非負荷側端板２５と油路プレート２６との空隙に重なるように配置されている。非負荷側端板２５には回転子鉄心２２の貫通穴２４と、油路プレート２６に設けた放射状油路の外形側端部の少なくとも一部が重なる貫通穴が設けられている。
この構成によって、シャフト２１の第１のシャフト油路２１１に供給された冷却油は、シャフト２１の回転に伴って発生する遠心力により第２のシャフト油路２１２から噴出され、油路プレート２６によって貫通穴２４に案内され、押されるように回転子鉄心２２の負荷側に噴出することになり、この冷却油の流れによって、回転子鉄心２２および永久磁石が冷却されることになる。

なお、ポンプ８０によって、第１の貯留部に加圧して供給している冷却油は、図示していないが、ハウジング５０の下部に設けられたオイルパンに貯留された冷却油をポンプ８０によって吸い上げ、循環して使用している。
以上のように、冷却を必要とする領域までそれぞれ連続した高圧配管で接続せずに、第１の貯留部に、冷却油を圧送して、第１の貯留部から冷却油を噴出させて、固定子の冷却構造と回転子の冷却構造に冷却油を案内し、固定子と回転子の冷却をそれぞれ行うようにしているため、長い配管が不要となり、回転電機全体の圧力損失が小さくなるため、冷却油を加圧して送出するポンプの小型化と、油路を短縮できることによって、フレーム生産性の向上と筐体の小型化が可能となる。また、冷却油を回転子やギヤで掻き揚げる構造がないため、ロストルクが少なく、回転電機の効率を高めることができる。

また、第１の貯留部６１にあるシャフト噴出孔５３３から噴出された冷却油は、図中の矢印で示すように、第２の貯留部６２から、シャフト２１の端部にまで到達する。この発明では、それぞれの配置に高低差を設けることによって、冷却油を重力を利用してシャフト２１まで導くことができ、回転電機構造の簡略化、軽量化、および低コスト化を図ることができる。

シャフト２１の油路に、第２のシャフト油路２１２のような径方向へ延出する油路構造を備えることによって、ローターが回転した際に遠心力によってローター自らが冷却油を吐出・吸入する効果を発生させるため、自重で案内された冷却油をポンプで圧送しないでも回転子の冷却に十分な冷却油流量を得る事ができる。これによって、回転電機構造の簡略化、軽量化、および低コスト化を図ることができる。

この発明の実施の形態では、シャフト噴出孔５３３に加え、軸受噴出孔５２３とコイル噴出孔５２２、５３２を設けた構成を示しているが、他にどれだけ噴出孔を設けたとしても、第１の貯留部６１から噴出される冷却油の圧損と流量配分のみに着目すれば設計が可能となり、設計工数の削減と冷却系全体の圧損の上昇を抑えることができ、ポンプの低コスト化と冷却油配管構成の簡略化が可能となることから必要に応じて、噴出孔を追加しても良い。

また、カバー５４０に設けられた穴６２１から冷却油を一部流出させることによって、穴６２１の下方にある非負荷側の軸受５３１の冷却・潤滑を行わせることを説明したが、さらに、第２の貯留部６２の下端に段差を設けることによって、シャフトへ流入する冷却油量が過剰になった場合においても、段差によって生じる容積分は常に軸受潤滑用として確保することが可能となる。

これまで説明してきた回転電機においては、コイル噴射孔５２２、５３２からコイルエンド１２に対して、直接冷却油が掛るようにしているが、コイル噴出孔５２２、５３２の配置によっては別部材を介してコイルエンド１２に冷却油を誘導してもよい。これは軸受に関しても同様である。また、先に説明したように、一つずつの各噴射孔を、各部位に向けた噴射孔を複数個にしても良い。

これまで説明してきた回転電機においては、フレームの構造をフロント、センター、リアの３分割構造としていたが、フロントとセンターフレームを一体構造として、リアフレームとの２分割、あるいは、フロントフレームに対してセンターとリアフレームを一体構造のように様々な分割の形態を選ぶことができる。

これまで説明してきた回転電機においては、鉄製フレーム５１１がセンターフレーム５１に取り付けられる構造を示したが、リアフレーム５３あるいはフロントフレーム５２に取り付けられる構造としても良い。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

Claims

ハウジング内の上部に設けられ、冷却油が噴出する噴出孔を有する第１の貯留部、前記第１の貯留部に前記冷却油を加圧状態で供給するポンプ、前記第１の貯留部から噴出した前記冷却油を自重によって固定子の冷却構造と回転子の冷却構造に案内する案内手段を備え、前記回転子の冷却構造が、前記冷却油を貯留する第２の貯留部を有し、前記第２の貯留部から、前記回転子の軸受に冷却油を供給する軸受油路と、前記回転子のシャフトに前記冷却油を供給するシャフト油路とに分けて前記冷却油を供給し、前記回転子のシャフトには、前記シャフトの回転軸方向の油路と、前記シャフトの径方向の油路とが、連通して設けられ、前記回転子が回転した際に遠心力によって冷却油を吐出・吸入するようにしたことを特徴とする回転電機。
前記回転子の冷却構造が、軸受の冷却を含み、前記第１の貯留部の前記噴出孔から前記冷却油が前記軸受に供給されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記固定子の冷却構造が、固定子のコイルエンドの冷却を含み、前記第１の貯留部の前記噴出孔から前記冷却油が前記固定子のコイルエンドに供給されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記第２の貯留部を構成する部品に穴が設けられ、前記穴から前記軸受に前記冷却油を供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記軸受油路による前記冷却油の排出位置が、前記シャフト油路による前記冷却油の排出位置よりも高い位置にあることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。