JP7283139B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、モータやジェネレータ等の回転電機に関する。

高出力化や高速回転化等を要求される大型のモータやジェネレータ等の回転電機においては、高出力化に対応して、ステータの内部やコイルエンド等の巻線部分に厚手の高圧絶縁紙が使用されると共に、高速回転化に対応して、ロータの磁石が回転軸にリングで覆われるように固定されることから、ステータの巻線部分やロータの磁石部分が放熱しにくくなり、温度上昇しやすくなっている。

そのため、ステータとロータとの間のギャップやコイルエンドに空気を流通させることにより、ステータやロータを冷却するようにしている。

特開２０１１－２１１８１６号公報 特開２００８－３０１６４６号公報

しかしながら、上述したような回転電機において、ロータが高速度（１００００ｒｐｍ以上）で回転すると、ステータとロータとの間のギャップの気圧が高くなって、当該ギャップに空気が流通しにくくなってしまい、冷却性能の低下を招くおそれがあった。

このようなことから、本発明は、ロータを高速度で回転させても、ギャップに空気を効率よく流通させることができる回転電機を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、本発明に係る回転電機は、円筒形をなすフレームと、前記フレームの端部を覆うように当該フレームの両端側にそれぞれ設けられたブラケットと、前記ブラケットに両端側をそれぞれ回転可能に支持されて前記フレームの内部を貫通する回転軸と、前記回転軸に取り付けられた円筒形をなすロータと、前記フレームの内周面に取り付けられて前記ロータとの間にギャップを有するように当該ロータを内側に位置させる円筒形をなすステータとを備えている回転電機において、前記フレームの一端寄りであって前記回転軸を挟んで対向する位置に対を成して形成されて、当該フレームの一端寄りの内部の、前記ブラケットと前記回転軸及び前記ロータと前記ステータとで囲まれると共に前記ギャップへ連通する一端側空間と当該フレームの外部とを連通する一対の一端側連通口と、前記フレームの他端寄りであって前記回転軸を挟んで対向する位置に対を成して形成されて、当該フレームの他端寄りの内部の、前記ブラケットと前記回転軸及び前記ロータと前記ステータとで囲まれると共に前記ギャップへ連通する他端側空間と当該フレームの外部とを連通する一対の他端側連通口と、前記一対の一端側連通口の間に連絡されて前記フレームの内部の前記一端側空間に空気を流通させる一端側空気流通手段と、前記一対の他端側連通口の間に連絡されて前記フレームの内部の前記他端側空間に空気を流通させる他端側空気流通手段と、前記フレームの軸方向中程に形成されて当該フレームの外側と内側とを連通させる中程連通口と、前記中程連通口と前記ギャップとを連通するように前記ステータに形成された中程ダクトと、前記中程連通口と前記一端側空間とを連通するように前記ステータと前記フレームとの間に設けられた一端側ダクトと、前記中程連通口と前記他端側空間とを連通するように前記ステータと前記フレームとの間に設けられた他端側ダクトとを有し、前記一端側空気流通手段及び前記他端側空気流通手段が、前記一端側空間内の気圧を前記他端側空間内の気圧よりも１．５倍以上となるように、当該一端側空間及び当該他端側空間に空気を流通させるものであることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機は、上述した回転電機において、前記回転軸の一端側に負荷を連結されたモータであることを特徴とする。

本発明に係る回転電機においては、一端側空気流通手段及び他端側空気流通手段が、一端側空間内の気圧を他端側空間内の気圧よりも１．５倍以上となるように、一端側空間及び他端側空間に空気を流通させることから、ロータが高速度（１００００ｒｐｍ以上）で回転して、ギャップの気圧が高くなっていても、一端側空間内の空気が、他端側空間内へ移動するようにギャップ内を流通するので、ロータの外周面及びステータの内周面を軸方向一端側から他端側へ向かって流通する空気で冷却することができる。

本発明に係る回転電機をモータに適用した場合の主な実施形態の要部の概略構造図である。 図１のモータの空気の流通方向の説明図である。 高速回転時の空気の流通状態の解析結果を示す図であり、Ａが同容量の冷却ブロアで冷却した場合を示し、Ｂが異なる容量の冷却ブロアで冷却した場合を示す。 ステータの内部の巻線及び磁石の温度上昇値の比較グラフである。

本発明に係る回転電機の実施形態を図面に基づいて説明するが、本発明は図面に基づいて説明する以下の実施形態のみに限定されるものではない。

〈主な実施形態〉
本発明に係る回転電機をモータに適用した場合の主な実施形態を図１，２に基づいて説明する。

図１に示すように、内部中空の円筒形をなすフレーム１１の軸方向両端側には、対をなす環状のブラケット１２Ａ，１２Ｂが当該フレーム１１の端部を覆うように同軸上にそれぞれ取り付けられている。対をなす前記ブラケット１２Ａ，１２Ｂは、前記フレーム１１の内部を貫通するように当該フレーム１１の内部に同軸をなして配設された回転軸１３の端部をそれぞれ回転可能に支持している。

前記フレーム１１の内部の、前記回転軸１３の軸方向中程の外周面には、永久磁石１４ａが当該回転軸１３の周方向全長にわたって配設されると共に、円筒形のリング１４ｂが当該永久磁石１４ａを当該回転軸１３の外周面に固定するように嵌合しており、当該永久磁石１４ａ及び当該リング１４ｂ等により、ロータ１４が構成されている。

前記フレーム１１の内部の軸方向中程の内周面には、円筒形をなすステータ１５の外周面が当該フレーム１１と同軸をなすようにして固定されている。前記ステータ１５の内側には、前記ロータ１４が同軸をなして位置付けられており、当該ロータ１４の外周面と当該ステータ１５の内周面とは、その間に規定間隔のギャップＧを有するように対向している。

前記フレーム１１の軸方向一端寄り（図１中、左端寄り）の内部には、前記ステータ１５の軸方向一端側（図１中、左端側）のコイルエンド１９Ａを包囲するように前記ブラケット１２Ａと前記回転軸１３及び前記ロータ１４と当該ステータ１５とで囲まれた一端側空間Ｓ１が設けられており、当該一端側空間Ｓ１は、前記ギャップＧへ連通している。

前記フレーム１１の軸方向他端寄り（図１中、右端寄り）の内部には、前記ステータ１５の軸方向他端側（図１中、右端側）のコイルエンド１９Ｂを包囲するように前記ブラケット１２Ｂと前記回転軸１３及び前記ロータ１４と当該ステータ１５とで囲まれた他端側空間Ｓ２が設けられており、当該他端側空間Ｓ２は、前記ギャップＧへ連通している。

前記フレーム１１の周面の軸方向一端寄り（図１中、左端寄り）には、当該フレーム１１の外部と前記一端側空間Ｓ１とを連通させる一端側連通口１６Ａ，１６Ｂが前記回転軸１３を挟んで対向するように対をなして形成されている。前記フレーム１１の周面の軸方向他端寄り（図１中、右端寄り）には、当該フレーム１１の外部と前記他端側空間Ｓ２とを連通させる他端側連通口１８Ａ，１８Ｂが前記回転軸１３を挟んで対向するように対をなして形成されている。

前記フレーム１１の前記一端側連通口１６Ａ，１６Ｂは、前記一端側空間Ｓ１内に空気を流通させる一端側空気流通手段であるブロア等の一端側空気流通装置２１へ連絡しており、当該一端側空気流通装置２１は、当該一端側空間Ｓ１内の気圧Ｐ１を調整するように、当該一端側空間Ｓ１内の空気の流通量（通風量）Ｂ１を調節することができるようになっている。

前記フレーム１１の前記他端側連通口１８Ａ，１８Ｂは、前記他端側空間Ｓ２内に空気を流通させる他端側空気流通手段であるブロア等の他端側空気流通装置２２に連絡しており、当該他端側空気流通装置２２は、当該他端側空間Ｓ２内の気圧Ｐ２を調整するように、当該他端側空間Ｓ２内の空気の流通量（通風量）Ｂ２を調節することができるようになっている。

前記フレーム１１の周面の軸方向中程には、当該フレーム１１の外側と内側とを連通させる中程連通口１７Ａ，１７Ｂが前記ステータ１５及び前記ロータ１４並びに前記回転軸１３を挟んで対向するように対をなして形成されており、当該中程連通口１７Ａ，１７Ｂは、大気開放されている。

前記ステータ１５の軸方向中程には、前記中程連通口１７Ａ，１７Ｂと前記ギャップＧとを連通する中程ダクト１５ａが径方向へ沿って形成されている。前記フレーム１１と前記ステータ１５との間には、前記一端側空間Ｓ１と前記中程ダクト１５ａとを連通する一端側ダクト１５ｂ及び前記他端側空間Ｓ２と前記中程ダクト１５ａとを連通する他端側ダクト１５ｃが軸方向へ沿ってそれぞれ設けられており、当該ダクト１５ｂ，１５ｃは、周方向に沿って所定の間隔でそれぞれ複数設けられている。

このような本実施形態に係るモータ１０においては、前記ステータ１５のコイルに電気を流して前記ロータ１４を高速度（１００００ｒｐｍ以上）で回転させると、前記回転軸１３の一端側（図１，２中、左端側）に連結された負荷（図示省略）へ動力が伝達される。

これと併せて、前記一端側空間Ｓ１内の気圧Ｐ１が前記他端側空間Ｓ２内の気圧Ｐ２よりも１．５倍以上となるように（Ｐ１≧１．５Ｐ２）、言い換えると、前記他端側空間Ｓ２内の気圧Ｐ２が前記一端側空間Ｓ１内の気圧Ｐ１よりも２／３倍以下となるように（Ｐ２≦２／３Ｐ１）、前記空気流通装置２１，２２を作動させて通風量Ｂ１，Ｂ２を調節する。これにより、前記空間Ｓ１，Ｓ２内に空気が流通して、前記コイルエンド１９Ａ，１９Ｂが冷却される。

これに伴って、図２に示すように、前記フレーム１１の外部の空気１が前記中程連通口１７Ａ，１７Ｂ内に引き込まれ、その大部分が、前記ダクト１５ｂ，１５ｃ内を流通して前記空間Ｓ１，Ｓ２内に流入すると共に、その残りが、前記ダクト１５ａ内を流通して前記ギャップＧ内へ流入する。これにより、前記ステータ１５は、最も温度の高い軸方向中央部分から両端側へ向かって外周面を流通する空気１で冷却されると共に、最も温度の高い軸方向中央部分で径方向外側から径方向内側へ向かって内部を流通する空気１で冷却される。

さらに、前記一端側空間Ｓ１内の気圧Ｐ１が前記他端側空間Ｓ２内の気圧Ｐ２よりも大きい（１．５倍以上）、言い換えると、前記他端側空間Ｓ２内の気圧Ｐ２が前記一端側空間Ｓ１内の気圧Ｐ１よりも小さい（２／３倍以下）ので、当該一端側空間Ｓ１内の空気１が、当該他端側空間Ｓ２内へ移動するように前記ギャップＧ内を流通すると共に、前記中程ダクト１５ａ内を流通した空気１を引き込んで合流しながら当該他端側空間Ｓ２内に流入する。これにより、前記ロータ１４の外周面及び前記ステータ１５の内周面は、軸方向一端側（図１，２中、左端側）から他端側（図１，２中、右端側）へ向かって流通する空気１で冷却される。

このため、本実施形態に係るモータ１０においては、高出力化への対応で前記ステータ１５の内部や前記コイルエンド１９Ａ，１９Ｂ等の巻線部分に厚手の高圧絶縁紙を使用したり、高速回転化への対応で前記永久磁石１４ａを前記リング１４ｂで覆うように前記ロータ１４を前記回転軸１３に固定しても、当該ステータ１５の内部及び上記コイルエンド１９Ａ，１９Ｂ等の巻線部分や、当該ロータ１４の上記永久磁石１４ａ部分を効果的に冷却して、温度上昇を大幅に抑制することができる。

したがって、本実施形態に係るモータ１０によれば、前記ロータ１４を高速度（１００００ｒｐｍ以上）で回転させても、前記ギャップＧに空気１を効率よく流通させることができる。

なお、前記気圧Ｐ１が前記気圧Ｐ２の１．５倍よりも小さい（Ｐ１＜１．５Ｐ２）、言い換えると、前記気圧Ｐ２が前記気圧Ｐ１の２／３倍よりも大きいと（Ｐ２＞２／３Ｐ１）、前記ロータ１４を高速度（１００００ｒｐｍ以上）で回転させたときに、前記ギャップＧに空気１が流通しにくくなってしまい、冷却性能の向上を図ることが難しくなってしまう。

〈他の実施形態〉
また、前述した実施形態では、回転軸１３の、大きい気圧Ｐ１の前記空間Ｓ１側の端部側（一端側）に、負荷を連結した場合について説明したが、他の実施形態として、回転軸１３の、小さい気圧Ｐ２の前記空間Ｓ２側の端部側（他端側）に、負荷を連結した場合や、回転軸１３の両方の端部側（一端側及び他端側）に、負荷を連結した場合であっても、前述した実施形態の場合と同様な作用効果を得ることができる。

また、前述した実施形態では、高出力化や高速回転化等を要求される大型のモータ１０に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、他の電動機や発電機等の回転電機であれば、前述した実施形態の場合と同様にして適用することができる。

高速回転時において、負荷直結側と負荷反直結側とに同じ容量の冷却ブロアを接続した場合の解析結果を図３Ａに示し、負荷直結側と負荷反直結側とに違う容量（負荷直結側と負荷反直結側とで容量が１：２となる）の冷却ブロアを接続した場合の流体解析結果を図３Ｂに示す。○及び矢印の中の数字は、吸気流入量、ギャップ流入量それぞれに対する通風量の比率を表す。

図３Ａでは、負荷直結側と負荷反直結側との圧力差が小さいため、ギャップに流入する空気の量が少ないことが確認できる。図３Ｂでは、負荷直結側と負荷反直結側とで圧力差がついたことにより、負荷直結側と負荷反直結側とに同じ容量の冷却ブロアを接続した場合と比べて、ギャップに流入する空気の量を６倍に増加できることがわかる。

また、ステータの内部の巻線及び磁石の最大温度上昇の比較グラフを図４に示す。図４のグラフは、同容量通風時の巻線及び磁石の各最大温度上昇をもとに正規化したものである。圧力差通風により、巻線では７％ほど、磁石では２７％ほどの温度上昇の低減が認められ、ステータ及びロータの冷却に効果があることがわかる。

本発明に係る回転電機は、ロータを高速度で回転させても、ギャップに空気を効率よく流通させることができ、冷却性能を大きく向上させて、高出力化や高速回転化を更に図ることができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

１ 空気
１０ モータ
１１ フレーム
１２Ａ，１２Ｂ ブラケット
１３ 回転軸
１４ ロータ
１４ａ 永久磁石
１４ｂ リング
１５ ステータ
１５ａ 中程ダクト
１５ｂ 一端側ダクト
１５ｃ 他端側ダクト
１６Ａ，１６Ｂ 一端側連通口
１７Ａ，１７Ｂ 中程連通口
１８Ａ，１８Ｂ 他端側連通口
１９Ａ，１９Ｂ コイルエンド
２１ 一端側空気流通装置
２２ 他端側空気流通装置
Ｇ ギャップ
Ｓ１ 一端側空間
Ｓ２ 他端側空間

Claims (2)

1. 円筒形をなすフレームと、
   前記フレームの端部を覆うように当該フレームの両端側にそれぞれ設けられたブラケットと、
   前記ブラケットに両端側をそれぞれ回転可能に支持されて前記フレームの内部を貫通する回転軸と、
   前記回転軸に取り付けられた円筒形をなすロータと、
   前記フレームの内周面に取り付けられて前記ロータとの間にギャップを有するように当該ロータを内側に位置させる円筒形をなすステータと
   を備えている回転電機において、
   前記フレームの一端寄りであって前記回転軸を挟んで対向する位置に対を成して形成されて、当該フレームの一端寄りの内部の、前記ブラケットと前記回転軸及び前記ロータと前記ステータとで囲まれると共に前記ギャップへ連通する一端側空間と当該フレームの外部とを連通する一対の一端側連通口と、
   前記フレームの他端寄りであって前記回転軸を挟んで対向する位置に対を成して形成されて、当該フレームの他端寄りの内部の、前記ブラケットと前記回転軸及び前記ロータと前記ステータとで囲まれると共に前記ギャップへ連通する他端側空間と当該フレームの外部とを連通する一対の他端側連通口と、
   前記一対の一端側連通口の間に連絡されて前記フレームの内部の前記一端側空間に空気を流通させる一端側空気流通手段と、
   前記一対の他端側連通口の間に連絡されて前記フレームの内部の前記他端側空間に空気を流通させる他端側空気流通手段と、
   前記フレームの軸方向中程に形成されて当該フレームの外側と内側とを連通させる中程連通口と、
   前記中程連通口と前記ギャップとを連通するように前記ステータに形成された中程ダクトと、
   前記中程連通口と前記一端側空間とを連通するように前記ステータと前記フレームとの間に設けられた一端側ダクトと、
   前記中程連通口と前記他端側空間とを連通するように前記ステータと前記フレームとの間に設けられた他端側ダクトとを有し、
   前記一端側空気流通手段及び前記他端側空気流通手段が、前記一端側空間内の気圧を前記他端側空間内の気圧よりも１．５倍以上となるように、当該一端側空間及び当該他端側空間に空気を流通させるものである
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機において、
   前記回転軸の一端側に負荷を連結されたモータである
   ことを特徴とする回転電機。
   

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