(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記ケースは、前記底部および前記筒部のうち少なくとも一方の内壁に、径方向に沿って形成されて冷却気体の流れを案内する径方向案内部、および、軸方向に沿って形成されて冷却気体の流れを案内する軸方向案内部のうち少なくとも一方を設けることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。
前記底部の内壁に設けられている前記径方向案内部、および、前記筒部の内壁に設けられている前記軸方向案内部のうち少なくとも一方は、前記ケースの内壁に沿って配列される複数の突起部からなることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
前記軸方向案内部は、前記底部の内壁に有する前記径方向案内部と一体に設けられ、前記筒部の内壁と所定間隔を有するよう軸方向に沿ってリブ状に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
前記底部の内壁に設けられている前記径方向案内部、および、前記筒部の内壁に設けられている前記軸方向案内部のうち少なくとも一方は、前記ケースの内壁に沿って形成されている溝であることを特徴とする請求項2に記載の回転電機。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、供給された冷却油は、毛細管現象によりロータとステータとの間の隙間に入り込むおそれがある。ここで、ロータとステータとの間のエアキャップに入り込んだ冷却油により、引き摺り損が発生する。そして、ロータの回転トルク増加による動力損失が生じるおそれがある。また、動力損失が熱に変換するので、電動機の冷却性能に影響を及ぼす。
一方、空冷式の電動機は、冷却油等を供給するポンプが必要としない。しかし、空冷式の電動機の場合、ロータの内部まで冷却気体が通らないため、冷却性能が不十分である。
本発明は、上記問題を鑑みてなされたものであり、空冷式の回転電機において、冷却性能を向上する回転電機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0005】
請求項1に係る発明によると、ロータを冷却気体で冷却する回転電機は、ケース、ステータ、ロータ、および、シャフトを備える。ケースは、筒部および当該筒部の軸方向の端部に設けられている底部を有し、外郭を形成する。ステータは、ケースの内側に収容され、巻線が巻回されている。ロータは、ステータの径方向内側に設けられ、ステータに対し相対回転可能である。シャフトは、ロータの回転軸であって、ロータと共に回転する。
【0006】
ここで、ロータは、
ロータの径方向においてシャフト側
の位置に開口する吸入口と、
ロータの軸方向の端面の径方向においてステータ側
の位置に開口する放出口と、吸入口及び放出口を連通する連通路とを有する。
これにより、ロータが回転すると、冷却気体は、遠心作用により吸入口から連通路を経由して放出口へ流通することでロータを冷却する。このため、ロータの内部まで冷却気体が通るため、冷却気体の冷却効果を高めることができる。
【0007】
また、回転電機は板部をさらに備え
る。ロータは
、ロータの径方向において放出口よりもシャフト側の位置に、ロータの軸方向の端部よりもケースの底部側に突出して径方向内側から外側まで延び
る突条部
が形成されている。板部は、ロータと底部との間に位置し、中央にロータの外径より小さい内径を有する中央穴が形成され、底部側の冷却気体の流れとロータ側の冷却気体の流れとを仕切る。
これにより、ロータがシャフトとともに回転すると、冷却気体は、突条部の回転によりロータと底部との間の空間で循環する。
【0008】
ケースは、底部および筒部のうち少なくとも一方の内壁に、径方向に沿って形成されて冷却気体の流れを案内する径方向案内部、および、軸方向に沿って形成されて冷却気体の流れを案内する軸方向案内部のうち少なくとも一つを有する。
これにより、ケースの伝熱面積を増大することができる。このため、冷却気体とケースとの熱交換量を高めることができる。よって、回転電機の冷却性能を高めることができる。
【0009】
請求項3に係る発明によると、径方向案内部および軸方向案内部のうち少なくとも一方は、ケースの内壁に沿ってリブ状に形成される。
請求項4に係る発明によると、底部の内壁に設けられている径方向案内部、および、筒部の内壁に設けられている軸方向案内部のうち少なくとも一方は、ケースの内壁に沿って配列される複数の突起部からなる。
【0010】
ここで、径方向案内部または軸方向案内部をリブ状にすることは、径方向案内部または軸方向案内部を複数の突起部にすることに比べ、製造が容易である。また、径方向案内部または軸方向案内部を複数の突起部にすることは、径方向案内部または軸方向案内部をリブ状にすることに比べ、ケースの伝熱面積を大きくするのに有利である。
【0011】
請求項5に係る発明によると、軸方向案内部は、底部の内壁に有する径方向案内部と一体に設けられ、筒部の内壁と所定間隔を有するよう軸方向に沿ってリブ状に形成されている。
これにより、底部を筒部に組付けるとき、径方向案内部および軸方向案内部を底部ともに組み付けることができ、組付性を向上することができる。
【0012】
請求項6に係る発明によると、底部の内壁に設けられている径方向案内部、および、筒部の内壁に設けられている軸方向案内部のうち少なくとも一方は、ケースの内壁に沿って形成されている溝である。
これにより、ケースの内部にステータを挿入することを阻害せず、ケースの伝熱面積を増大することができる。ケースの伝熱面積を増大しながら、ステータとケースとを容易に組み付けることができる。
【0013】
請求項7に係る発明によると、ステータは、ロータの軸方向の端部より軸方向の底部側に突出するエンド部を有する。板部は、エンド部の径方向内側と当接するよう設けられる。
これにより、ロータ近傍の冷却気体とケース近傍の冷却気体との間の仕切り効果を高めることができ、冷却気体の循環による冷却効果をより高めることができる。
【0014】
請求項8に係る発明によると、ステータは、ロータの軸方向の端部より軸方向の底部側に突出するエンド部を有する。径方向案内部は、ロータ側に突出するよう形成される突出部を有する。板部は、径方向にエンド部と所定間隔を有するよう、突出部の軸方向のロータ側の端部に当接して設けられる。
これにより、板部とステータとは接続しないため、板部を金属で構成することができる。また、板部を金属で構成することで、板部の耐熱性および耐久性を高めることができる。
【0015】
請求項9に係る発明によると、突条部は、径方向内側から径方向外側に向かって、直線状に延びる。
これにより、冷却気体の流れが周方向に乱れることを抑制することができ、冷却気体の径方向の内側から径方向の外側への流れを安定させることができる。
【0016】
請求項10に係る発明によると、突条部は、径方向内側から径方向外側に向かって、螺旋状に延びる。
これにより、ロータの回転に対する空気の抵抗を低減することができ、ロータの回転の安定性を高めることができる。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明による「回転電機」の一種である電動機の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明の実施形態では、説明上の便宜のために、
図1、5、9、11、14、16において、左側を「前」とし、右側を「後」とする。
【0019】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態による電動機を
図1から
図7に示す。
図1に示すように、電動機1は、ケース70、ステータ80、ロータ10、及び、シャフト90を備える。また、本実施形態の場合、電動機1は、軸方向リブ部74、径方向リブ部75、突条部19、および板部85をさらに備えることで空気の循環による冷却を図っている。ここで、空気は、特許請求の範囲における「冷却気体」に対応する。
【0020】
ケース70は、筒部71、前側底部72及び後側底部73を備え、電動機1の外郭を形成する。ステータ80は筒部71の径方向内側に設けられ、ステータ鉄心81及びステータコイル83を有する。ステータ鉄心81は、複数枚のステータ鋼板82を積層することによって形成され、複数相を構成するようステータコイル83が巻回される。ここで、ステータ鉄心81の軸方向の両側をはみ出している部分をコイルエンド84とする。ここで、コイルエンド84は、特許請求の範囲における「エンド部」に対応する。
【0021】
ロータ10は、ステータ80の径方向内側に設けられ、ロータ鉄心16、ロータ鉄心16の前側に設けられている前側エンドプレート17、及び、ロータ鉄心16の後側に設けられている後側エンドプレート18を備える。ロータ鉄心16は、ロータ鋼板161が積層することによって構成され、中央を貫通するシャフト90に固定される。ロータ鉄心16の内部には、
図7に示すように、磁石95が径方向外側に填め込まれている。
【0022】
ここで、
図1、
図2、及び
図3を参照して本実施形態のロータ10の冷却構造について詳細に説明する。
図1に示すように、ロータ10の前側エンドプレート17および後側エンドプレート18には、複数の突条部19が設けられている。突条部19は、前側エンドプレート17および後側エンドプレート18の径方向内側から外側まで直線状に延びるよう形成されている。また、
図2に示すように、複数の突条部19は、軸方向から見て放射状に形成されている。
【0023】
前側底部72と前側エンドプレート17の突条部19との間、および、後側底部73と後側エンドプレート18の突条部19との間には板部85が設けられている。板部85は、コイルエンド84の径方向内側と密接するよう設けられている。板部85は、例えば樹脂などにより形成され、中央に中央穴851を有する(
図3参照)。ここで、中央穴851は、内径d1がロータ10の外径d2より小さくなるよう形成されている。
【0024】
前側底部72および後側底部73の内壁には、複数の径方向リブ部75が形成されている。径方向リブ部75は、前側底部72および後側底部73の内壁からロータ10側に突出し、径方向に沿って延びる。また、複数の径方向リブ部75は、軸方向から見て放射状に形成されている(
図4参照)。ここで、径方向リブ部75は、特許請求の範囲における「径方向案内部」に対応する。
【0025】
筒部71の内壁には、複数の軸方向リブ部74が設けられている。軸方向リブ部74は、筒部71の内壁からコイルエンド84側に突出し、軸方向に沿って延びる。複数の軸方向リブ部74は、互いに平行となるよう周方向に等間隔に形成されている(
図4および
図5参照)。本実施形態の場合、ステータ80をケース70に組み付けてから、軸方向リブ部74を筒部71の内壁に設ける。また、軸方向リブ部74は、特許請求の範囲における「軸方向案内部」に対応する。
【0026】
図6に示すように、前側エンドプレート17は、吸入口11、前側径方向溝12、及び前側周方向溝15を複数個有する。複数の吸入口11は、前側エンドプレート17を貫通する孔であり、シャフト側に形成されている。本実施形態では、複数の吸入口11は互いに同間隔でシャフト90の近傍に形成されている。
【0027】
前側径方向溝12及び前側周方向溝15は、前側エンドプレート17の後側に形成されている。前側径方向溝12はシャフト90を中心として放射状に形成され、一端は吸入口11と繋がり、他端は前側周方向溝15と繋がる。前側周方向溝15は、前側エンドプレート17の径方向外側の弦に沿って形成され、弦方向中間部で前側径方向溝12と繋がる。
【0028】
図7に示すように、ロータ鋼板161は、ステータ80側に磁石収容孔130を複数個有する。また、ロータ鋼板161が積層してロータ鉄心16を形成することによって、複数の磁石収容孔130は、重ねられて磁石95を軸方向に収容する。この時、磁石95と磁石収容孔130との間には隙間131、132が形成され、複数の隙間131、132は重ねられて
図1に示すように軸方向通路13を形成する。また、ロータ鋼板161の磁石収容孔130と前側エンドプレート17の前側周方向溝15とは、シャフト90から径方向に同じ距離を有し、互いに対向可能に形成される。よって、前側エンドプレート17とロータ鉄心16とを組み合わせる時、前側エンドプレート17の前側周方向溝15とロータ鉄心16の軸方向通路13とは互いに繋がる。ここで、前側径方向溝12、前側周方向溝15、及び軸方向通路13によって形成する連通路は、特許請求の範囲における「連通路」に対応する。
【0029】
また、後側エンドプレート18は、
図1に示すように、ステータ80側に放出口14が開口される。放出口14は、シャフト90と離れているステータ80側に開口されている。また、後側エンドプレート18の放出口14とロータ鋼板161の磁石収容孔130の隙間131、132とは、シャフト90から径方向に同じ距離を有し、互いに対向可能に形成されている。よって、後側エンドプレート18とロータ鉄心16とを組み合わせる時、後側エンドプレート18の放出口14とロータ鉄心16の軸方向通路13とは互いに繋がる。
【0030】
一方、シャフト90はロータ10の中央を貫通し、ケース70の前側底部72及び後側底部73によって回転可能に支持される。シャフト90と、ケース70の前側底部72及び後側底部73との間には軸受け91が介在している。
【0031】
続いて、本実施形態の電動機1の作動について説明する。
電動機1に電源を入れるとステータコイル83に電流が流れる。ステータコイル83を流れる電流による磁力と、磁石95の磁力との関係によって、ロータ10を回転させるトルクが生じる。このトルクによって、シャフト90に固定されているロータ10は、シャフト90とともに回転する。
【0032】
ロータ10が回転すると、遠心力によって、ロータ10の前側径方向溝12内の径方向内側の気圧は、ロータ10の外部の気圧より低くなる。また、ロータ10の前側径方向溝12内の径方向外側の気圧は、ロータ10の外部の気圧より高くなる。よって、空気はロータ10の吸入口11から吸い込まれ、前側径方向溝12、前側周方向溝15、及び軸方向通路13を経由して、放出口14から排出される。
【0033】
また、ロータ10近傍の冷却流体は、突条部19に沿って径方向内側から径方向外側へ流れ、筒部71の軸方向リブ部74に案内され、径方向リブ部75に沿って径方向外側から径方向内側へ流れるよう循環する。
【0034】
以下、本実施形態の効果について説明する。
本実施形態では、空気が前側径方向溝12、前側周方向溝15、及び軸方向通路13によって形成する連通路を流れることによって、ロータ10が冷却される。また、吸入口11はシャフト90側に開口され、放出口14はステータ80側に開口されるため、空気は径方向内側と径方向外側との圧力差によって、吸入口11から吸い込まれ、放出口14から排出される。このため、ロータ10の内部を冷却することができる。
【0035】
また、磁石収容孔130の隙間131、132によって形成される軸方向通路13は、磁石95の近傍に形成されているため、空気が軸方向通路13を流れることによって磁石95が冷却される。
【0036】
本実施形態では、前側エンドプレート17と前側底部72との間の空気、および、後側エンドプレート18と後側底部73との間の空気は、突条部19の回転により循環する。これにより、ロータ10と熱交換を行って高温になった空気は、外部と接続しているケース70により冷却される。よって、空気の冷却性能を高めることができる。
【0037】
また、ロータ10の近傍の空気とケース70の近傍の空気とは板部85により仕切られている。これにより、空気の流れが軸方向に乱れることを抑制することができる。よって、空気の循環による冷却効果を高めることができる。
【0038】
さらに、板部85は、コイルエンド84の径方向内側と密接する。これにより、ロータ10近傍の空気とケース70近傍の空気との間の仕切り効果を高めることができ、空気の循環による冷却効果をより高めることができる。
【0039】
本実施形態では、ケース70の内壁に軸方向リブ部74および径方向リブ部75が形成されている。これにより、ケースの伝熱面積を増大することができる。このため、空気とケース70との熱交換量を高めることができる。よって、電動機の冷却性能を高めることができる。
【0040】
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態による電動機を
図8に示す。
図8は、前側エンドプレート17を軸方向から見た図である。
図8に示すように、前側エンドプレート17には、軸方向に突出する突条部192が形成されている。突条部192は、径方向内側から径方向外側まで螺旋状に延びるよう形成されている。
これにより、ロータ10の回転に対する空気の抵抗を低減することができ、ロータ10の回転の安定性を高めることができる。
【0041】
(第3実施形態)
本発明の第3実施形態による電動機を
図9および
図10に示す。
図9は、電動機3の筒部71の内壁を径方向から見た断面図であり、
図10は、電動機3の前側底部72の内壁を軸方向から見た断面図である。
【0042】
図9に示すように、筒部71の内壁には軸方向沿って等間隔に並べている複数の突起部76が形成されている。また、複数の突起部76は周方向においても同じ間隔を有する。
図10に示すように、前側底部72の内壁には、径方向に沿って等間隔に並べている複数の突起部77が形成されている。複数の突起部77は軸方向から見て放射状に配置されている。
【0043】
これにより、第3実施形態は、上記第1実施形態に比べ、ケース70の伝熱面積を増大することができる。このため、空気とケース70との熱交換量をより高めることができる。
【0044】
(第4実施形態)
本発明の第4実施形態による電動機を
図11、
図12、および
図13に示す。
図11は、本実施形態の電動機4の断面図である。
図12は
図11のXII−XII線断面図であり、
図13は
図11のXIII−XIII線断面図である。
【0045】
図11および
図12に示すように、筒部71の内壁には複数の軸方向溝78が形成されている。軸方向溝78は、筒部71の内壁の径方向に窪み、軸方向に沿って形成されている。また、複数の軸方向溝78は、周方向において同じ間隔を有する。
また、前側底部72の内壁には、複数の径方向溝79が形成されている。複数の径方向溝79は、前側底部72の内壁の軸方向に窪み、軸方向から見て放射状に形成されている。なお、後側底部73の内壁にも複数の径方向溝79が同様に形成されている(
図13参照)。
【0046】
これにより、ケース70の内部にステータ80を挿入することを阻害せず、ケース70の伝熱面積を増大することができる。よって、ケース70の伝熱面積を増大しながら、ステータ80とケース70とを容易に組み付けることができる。
【0047】
(第5実施形態)
本発明の第5実施形態による電動機を
図14および
図15に示す。
図14は、本実施形態の電動機5の後側底部73の断面図を示す。
図15は、
図14のXV−XV線断面図である。
【0048】
本実施形態では、後側底部73の内壁に、複数の径方向リブ部731、および、軸方向リブ部732が一体に形成されている。
図14および
図15に示すように、軸方向リブ部732は、径方向リブ部731の筒部71側の端部から軸方向に突出し、筒部71の内壁と所定間隔を有するよう形成されている。また、複数の軸方向リブ部732は、筒部71の内壁と平行となるよう形成されている。
【0049】
これにより、後側底部73を筒部71に組付けるとき、径方向リブ部731および軸方向リブ部732を後側底部73ともに組み付けることができる。よって、上記第1実施形態に比べ、組付性を向上することができる。
【0050】
(第6実施形態)
本発明の第6実施形態による電動機を
図16および
図17に示す。
図16は、本実施形態の電動機6の断面図であり、
図17は
図16のXVII−XVII線断面図である。
【0051】
図16に示すように、径方向リブ部751は、シャフト90側に、軸方向のロータ10側に突出する突出部752が形成されている。本実施形態の場合、板部86は、コイルエンド84と所定間隔を有するよう突出部752に設けられている。ここで、所定間隔というのは、板部86とコイルエンド84とが接触しない程度の隙間であればよい。また、板部86は、例えばアルミ等の良熱伝導性金属により形成されている。
【0052】
第6実施形態では、板部86とコイルエンド84との間に所定間隔を有するため、板部86を金属で形成することができる。よって、板部86の耐熱性および耐久性が向上する。また、ロータ10の近傍の空気と、前側底部72および後側底部73の近傍の空気との熱伝導性を高めることができ、熱交換効率を高めることができる。
【0053】
(他の実施形態)
上記実施形態では、突条部、板部、および径方向案内部は、ロータの軸方向両側に設けられている。これに対し、他の実施形態では、突条部、板部、および径方向案内部を、ロータの軸方向片側に設けることとしても良い。
【0054】
上記実施形態では、径方向のリブ部は前側底部の内壁および後側底部の内壁に設けられ、軸方向リブ部は筒部の内壁に設けられている。これに対し、他の実施形態では、径方向のリブ部を筒部の内壁に設け、軸方向リブ部を前側底部の内壁および後側底部の内壁に設けることとしても良い。
【0055】
上述した実施形態では、軸方向リブ部は、前側底部の内壁および後側底部の内壁に設けられている径方向リブ部に形成されている。これに対し、他の実施形態では、筒部に形成されている軸方向リブ部に径方向リブ部を設けることとしても良い。また、前側底部の内壁および後側底部の内壁に設けられている軸方向リブ部に径方向リブ部を設けること、または、筒部の内壁に設けられている径方向リブ部に軸方向リブ部を設けることとしても良い。
【0056】
上述した実施形態では、回転電機として電動機について説明した。これに対し、本発明は、電動機以外の発電機に適用してもよい。
上記実施形態では、冷却気体として空気が使用されている。これに対し、他の実施形態では、冷却気体として窒素、アルゴン等の気体を使用することとしても良い。
以上説明した本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の実施形態に適用可能である。