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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024151059
(43)【公開日】2024-10-24
(54)【発明の名称】回転電機及び回転電機システム
(51)【国際特許分類】
H02K 1/24 20060101AFI20241017BHJP
【ＦＩ】
H02K1/24 Z
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023064180
(22)【出願日】2023-04-11
(71)【出願人】
【識別番号】319007240
【氏名又は名称】株式会社日立インダストリアルプロダクツ
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】弁理士法人開知
(72)【発明者】
【氏名】郡 大祐
(72)【発明者】
【氏名】藤井 克彦
(72)【発明者】
【氏名】土谷 摂
(72)【発明者】
【氏名】里 水里
【テーマコード（参考）】
5H601
【Ｆターム（参考）】
5H601AA08
5H601CC01
5H601CC02
5H601CC14
5H601DD01
5H601DD09
5H601DD11
5H601EE03
5H601FF17
5H601GA02
5H601GB05
5H601GB12
5H601GB22
5H601GB48
(57)【要約】
【課題】界磁コイルを適切に保持しつつ、界磁コイルを効果的に冷却可能な回転電機を提供する。
【解決手段】回転電機は、回転子及び固定子を備える。回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心に巻回された界磁コイルと、を有する。回転子鉄心は、径方向外側に向かって突出し、界磁コイルが巻回される複数の磁極突部を有する。回転子鉄心には、界磁コイルの軸方向端部を内径側から保持する保持部が設けられる。保持部の周方向幅は、磁極突部において界磁コイルが巻回される部分の周方向幅よりも小さい。
【選択図】図１
【解決手段】回転電機は、回転子及び固定子を備える。回転子は、回転子鉄心と、回転子鉄心に巻回された界磁コイルと、を有する。回転子鉄心は、径方向外側に向かって突出し、界磁コイルが巻回される複数の磁極突部を有する。回転子鉄心には、界磁コイルの軸方向端部を内径側から保持する保持部が設けられる。保持部の周方向幅は、磁極突部において界磁コイルが巻回される部分の周方向幅よりも小さい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転子及び固定子を備えた回転電機であって、
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻回された界磁コイルと、を有し、
前記回転子鉄心は、径方向外側に向かって突出し、前記界磁コイルが巻回される複数の磁極突部を有し、
前記回転子鉄心には、前記界磁コイルの軸方向端部を内径側から保持する保持部が設けられ、
前記保持部の周方向幅は、前記磁極突部において前記界磁コイルが巻回される部分の周方向幅よりも小さい
回転電機。
前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻回された界磁コイルと、を有し、
前記回転子鉄心は、径方向外側に向かって突出し、前記界磁コイルが巻回される複数の磁極突部を有し、
前記回転子鉄心には、前記界磁コイルの軸方向端部を内径側から保持する保持部が設けられ、
前記保持部の周方向幅は、前記磁極突部において前記界磁コイルが巻回される部分の周方向幅よりも小さい
回転電機。
【請求項2】
請求項１に記載の回転電機において、
前記回転子の周方向に並んだ前記磁極突部間に形成される溝の底部が、前記磁極突部に巻回されている前記界磁コイルよりも径方向内側に位置している
回転電機。
前記回転子の周方向に並んだ前記磁極突部間に形成される溝の底部が、前記磁極突部に巻回されている前記界磁コイルよりも径方向内側に位置している
回転電機。
【請求項3】
請求項１に記載の回転電機において、
前記界磁コイル及び前記保持部は、前記回転子鉄心の軸方向端面から軸方向外側に突出し、
前記保持部の突出高さは、前記界磁コイルの突出高さよりも大きい
回転電機。
前記界磁コイル及び前記保持部は、前記回転子鉄心の軸方向端面から軸方向外側に突出し、
前記保持部の突出高さは、前記界磁コイルの突出高さよりも大きい
回転電機。
【請求項4】
請求項１に記載の回転電機において、
前記保持部は、前記回転子鉄心の軸方向端面に固定される固定部と、前記固定部から立ち上がり前記界磁コイルを弾性力によって付勢する付勢部と、を有している
回転電機。
前記保持部は、前記回転子鉄心の軸方向端面に固定される固定部と、前記固定部から立ち上がり前記界磁コイルを弾性力によって付勢する付勢部と、を有している
回転電機。
【請求項5】
請求項４に記載の回転電機において、
前記磁極突部は、前記回転子鉄心に固定されたシャフトから径方向外側に向かって延在する磁極胴部と、前記磁極胴部の先端に取り付けられる磁極頭部と、を有し、
前記磁極頭部と前記保持部とによって、前記界磁コイルが径方向に挟持される
回転電機。
前記磁極突部は、前記回転子鉄心に固定されたシャフトから径方向外側に向かって延在する磁極胴部と、前記磁極胴部の先端に取り付けられる磁極頭部と、を有し、
前記磁極頭部と前記保持部とによって、前記界磁コイルが径方向に挟持される
回転電機。
【請求項6】
請求項５に記載の回転電機において、
前記磁極突部の軸方向一端部には、一対の前記保持部が設けられ、
前記一対の保持部は、前記磁極突部の周方向中心を挟むように配置される
回転電機。
前記磁極突部の軸方向一端部には、一対の前記保持部が設けられ、
前記一対の保持部は、前記磁極突部の周方向中心を挟むように配置される
回転電機。
【請求項7】
請求項１に記載の回転電機と、
前記回転電機に接続される内燃機関と、
前記回転電機に流入する冷却風を生成する送風機と、を備え、
前記内燃機関が駆動することにより前記回転電機で電力を発生させる
回転電機システム。
前記回転電機に接続される内燃機関と、
前記回転電機に流入する冷却風を生成する送風機と、を備え、
前記内燃機関が駆動することにより前記回転電機で電力を発生させる
回転電機システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転電機及び回転電機を備えた回転電機システムに関する。
【背景技術】
【0002】
近年、二酸化炭素の排出量を抑えるために、回転電機の高効率化が図られている。また、普通自動車、建設車両、及び鉄道車両等の車両に搭載される回転電機に関しては、高効率化の他に小型化及び軽量化が求められている。回転電機の軽量化は、車両の軽量化に繋がる。車両の軽量化は、燃費の向上に繋がる。つまり、回転電機の軽量化により、車両の効率の向上を図ることができる。
【0003】
一般的に、小型化及び軽量化と、回転電機の効率とはトレードオフの関係にある。このため、小型化及び軽量化を優先させた場合には、回転電機の効率は低下する。すなわち、損失が大きくなる。損失の増加は、回転電機の発熱の増加を招く。このため、小型化及び軽量化を優先して回転電機として成立させるためには、冷却性能の向上が必要である。
【0004】
回転電機の冷却方式には様々な方式がある。例えば、構造が単純で冷却性能が高い冷却方式として、軸流開放型の冷却方式がある。軸流開放型の冷却方式の構造では、回転電機の内部と外部とがダイレクトに繋がっている。回転電機を冷却するための冷媒は、回転電機内の回転軸に配置されるファンや、回転電機とは別に設置される電動送風機により得ることができる。特に、回転電機が停止中でも冷却する必要がある場合には、電動送風機により、強制的に冷媒を回転電機内に流す強制通風方式が採用される。
【0005】
回転電機の種類には誘導機や同期機があり、種類に合わせた冷却構造を採用する必要がある。突極形回転電機（突極形同期機）では、回転子鉄心に界磁コイルが巻回されている。界磁コイルは、固定子鉄心に巻回される固定子コイルよりもターン数が多く、コイルの巻き層としては厚くなる傾向にある。このため、界磁コイルの内部の熱は放熱しにくく、コイル温度が高くなりやすい。したがって、界磁コイルを効果的に冷却する構造が必要となる。また、界磁コイルは回転子鉄心とともに回転する。このため、遠心力や振動等の影響を受ける。したがって、界磁コイルを回転子鉄心に適切に固定する構造が必要となる。
【0006】
特許文献１には、回転子鉄心の極間部に界磁コイルを支持するコイル支えを備えた突極形回転電機が開示されている。コイル支えは、絶縁材からなるコイル支え本体部と、基端部が回転子鉄心に固定され先端部がコイル支え本体部に取り付けられるボルトと、を有している。コイル支え本体部は、界磁コイルを支持するように、テーパー形状に形成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【特許文献1】特開２０１８－１５２９３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献１に記載の構造では、極間部での冷媒（冷却風）の流れが、極間部に配置されるコイル支えによって妨げられてしまう。このため、冷却性の観点で改善の余地がある。
【0009】
本発明は、界磁コイルを適切に保持しつつ、界磁コイルを効果的に冷却可能な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】
【0010】
本発明の一態様による回転電機は、回転子及び固定子を備えた回転電機であって、前記回転子は、回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻回された界磁コイルと、を有し、前記回転子鉄心は、径方向外側に向かって突出し、前記界磁コイルが巻回される複数の磁極突部を有し、前記回転子鉄心には、前記界磁コイルの軸方向端部を内径側から保持する保持部が設けられ、前記保持部の周方向幅は、前記磁極突部において前記界磁コイルが巻回される部分の周方向幅よりも小さい。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、界磁コイルを適切に保持しつつ、界磁コイルを効果的に冷却可能な回転電機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【発明を実施するための形態】
【0013】
＜第１実施形態＞
図１～図５Ｂを参照して、本発明の第１実施形態に係る回転電機１００について説明する。以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、次のとおりである。「軸方向」とは、回転電機１００（回転子２）の回転中心軸に沿う方向である。なお、回転中心軸は、円筒形状の固定子３の中心軸と一致する。「周方向」とは、回転電機１００の回転方向（回転子２の回転方向）に沿う方向、すなわち回転中心軸に直交しかつ回転中心軸を中心とする円周方向である。「径方向」とは、回転電機１００の回転中心軸に直交しかつ回転中心軸を中心とする放射方向、すなわち半径方向である。また、「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）のことを指す。
図１～図５Ｂを参照して、本発明の第１実施形態に係る回転電機１００について説明する。以下の説明において、「軸方向」、「周方向」、「径方向」とは、次のとおりである。「軸方向」とは、回転電機１００（回転子２）の回転中心軸に沿う方向である。なお、回転中心軸は、円筒形状の固定子３の中心軸と一致する。「周方向」とは、回転電機１００の回転方向（回転子２の回転方向）に沿う方向、すなわち回転中心軸に直交しかつ回転中心軸を中心とする円周方向である。「径方向」とは、回転電機１００の回転中心軸に直交しかつ回転中心軸を中心とする放射方向、すなわち半径方向である。また、「内周側」は径方向内側（内径側）を指し、「外周側」はその逆方向、すなわち径方向外側（外径側）のことを指す。
【0014】
図１は、第１実施形態に係る回転電機１００の側面断面図であり、回転電機１００を回転中心軸に沿って切断した断面を模式的に示す。図２は、回転電機１００の拡大平面断面図であり、回転電機１００を図１のＩＩ－ＩＩ線に沿って切断した断面を模式的に示す。図２は、回転子２及び固定子３の１極分の断面を示している。回転電機１００は、主にディーゼルエンジンのような内燃機関と接続されて使用される。回転電機１００は、例えば、出力が数百［ｋＶＡ］、電圧が数百［Ｖ］、回転速度が数千［ｒｐｍ］程度の発電機であり、大型ダンプトラックや鉄道車両などの車両の電源として使用される。
【0015】
図１及び図２に示すように、回転電機１００は、回転可能に設けられる回転子２と、回転子２とギャップ１４を介して回転子２の径方向外側に配置される固定子３と、回転子２及び固定子３を収容するフレーム（ハウジング）１と、を備えている。回転電機１００は、突極形の三相同期発電機である。回転電機１００は、内燃機関によって駆動されることにより、発電機として作動して三相交流の発電電力を出力する。
【0016】
フレーム１は、固定子３の外周側に設けられ、固定子３を固定する。フレーム１は、内部に冷却風を流入させるための冷媒入口と、外部に冷却風を流出させるための冷媒出口とを有する。本実施形態では、冷媒入口及び冷媒出口が回転電機１００の軸方向一端側と他端側に設けられている。つまり、本実施形態では、軸流開放型の冷却構造が採用されている。
【0017】
フレーム１には、固定子３の周方向に沿って所定の間隔で固定子３を固定する複数の固定部が設けられている。周方向に配列される複数の固定部間には、軸方向に冷媒（空気）１７を流すための背面ダクト１６が形成される。
【0018】
図１に示すように、フレーム１には、回転子２を回転可能に支持する軸受４が設けられている。なお、図示しないが、回転電機１００の図示右側には、内燃機関の出力軸を回転可能に支持する軸受が設けられている。回転子２は、シャフト５を有している。シャフト５は、円柱状または円筒状の部材である。シャフト５がフレーム１に設けられた軸受４と、内燃機関側に設けられた軸受（不図示）によって支承されることにより、回転子２が固定子３の内側で回転可能に保持される。なお、図１では、フレーム１に回転子２を支持する軸受４が一つ設けられている例について示しているが、回転子２の軸方向両側を支持する一対の軸受４がフレーム１に設けられていてもよい。
【0019】
固定子３は、円筒状の固定子鉄心９と、固定子鉄心９に巻回された固定子コイル１３と、を有する。図２に示すように、固定子鉄心９の内周部には、固定子鉄心９の中心軸方向に平行な複数のスロット（本実施形態では、６０個のスロット）が形成されている。固定子コイル１３は、スロットに装着される。スロットの内周側には、スロット内の固定子コイル１３を固定する固定子楔１５が設けられている。図１に示すように、固定子鉄心９の軸方向両端部には、固定子鉄心９を軸方向両側から挟んで固定するコアクランプ１１が設けられている。コアクランプ１１は、固定子鉄心９の軸方向両端面に対して、軸方向に面圧を加える。
【0020】
回転子２は、回転子鉄心７と、回転子鉄心７に固定されたシャフト５と、回転子鉄心７に巻回された界磁コイル１２と、を有する。図２に示すように、回転子鉄心７は、シャフト５に固定される円筒状のシャフト固定部７１と、シャフト固定部７１から径方向外側に向かって突出する複数の磁極突部７２と、を有する。複数の磁極突部７２は、回転子鉄心７の周方向に沿って等間隔で形成されている。
【0021】
磁極突部７２は、シャフト固定部７１から径方向外側に向かって延在する磁極胴部７３と、磁極胴部７３の先端に取り付けられる磁極頭部（ポールシュー）７４とを有する。磁極胴部７３には界磁コイル１２が巻回され、磁極突部７２と界磁コイル１２とによって磁極部１８０が形成される。本実施形態の回転電機１００の極数は、８極である。
【0022】
図１に示すように、回転子鉄心７の軸方向端部には界磁コイル１２のコイルエンド（以下、界磁コイルエンドと記す）６が形成されている。界磁コイルエンド６は、界磁コイル１２のうち、回転子鉄心７から軸方向に突出している部分のことを指す。つまり、界磁コイルエンド６は、磁極突部７２に巻回される界磁コイル１２の軸方向端部を構成する。同様に、固定子鉄心９の軸方向両端部には、固定子コイル１３のコイルエンド（以下、固定子コイルエンドと記す）１０が形成されている。
【0023】
次に冷媒１７の流れについて説明する。図１において太い実線で示す矢印は、冷媒１７の流れを模式的に示している。冷媒１７は、図１の左側からフレーム１の内部（回転電機１００の内部）に流入する。回転電機１００の内部に流入した冷媒は、背面ダクト１６、ギャップ１４、及び極間部１８（図３参照）に分岐して流れる。
【0024】
背面ダクト１６に流入した冷媒１７は、背面ダクト１６内を軸方向に流れ、主に、固定子３から熱を奪う。これにより、固定子鉄心９に発生する鉄損、及び固定子コイル１３に発生する銅損に起因した温度上昇が抑制される。
【0025】
ギャップ１４に流入した冷媒１７は、ギャップ１４内を軸方向に流れ、固定子３及び回転子２から熱を奪う。これにより、固定子鉄心９に発生する鉄損、固定子コイル１３に発生する銅損、及び界磁コイル１２に発生する銅損に起因した温度上昇が抑制される。
【0026】
極間部１８（図３参照）に流入した冷媒１７は、極間部１８内を軸方向に流れ、界磁コイル１２から熱を奪う。これにより、界磁コイル１２に発生する銅損に起因した温度上昇が抑制される。背面ダクト１６、ギャップ１４、及び極間部１８を通過した冷媒１７は、図１の右側からフレーム１の外部（回転電機１００の外部）に流出し、大気へ開放される。
【0027】
図３は、回転子２の拡大平面断面図であり、回転子２の極間部１８を示す。図３では、回転子２の２極分の断面を示す。極間部１８とは、周方向に配置される複数の磁極部１８０の間の部分のことを指す。図３に示すように、極間部１８は空隙となっており、冷媒１７の流れを妨げるものが配置されていない。このため、回転電機１００の内部に流入した冷媒１７は、軸方向に沿って極間部１８をスムーズに通過する。
【0028】
シャフト固定部７１から突出する磁極胴部７３の突出長さＬ１、すなわち磁極胴部７３の基端から磁極頭部７４の基端までの径方向長さは、界磁コイル１２の巻回部１２ａの径方向幅Ｌ２よりも大きい（Ｌ１＞Ｌ２）。なお、巻回部１２ａとは、界磁コイル１２のうち磁極胴部７３に巻回された部分のことを指す。界磁コイル１２の巻回部１２ａの径方向一端は、磁極頭部７４に当接している。このため、界磁コイル１２の巻回部１２ａの内径側には、回転子鉄心７の軸方向一端面から軸方向他端面に亘って冷却風の障害物が存在しない三角柱形状の空間１８ａが形成される。磁極胴部７３の突出長さＬ１は、互いに隣り合う一対の磁極胴部７３間の溝７５の深さともいえる。つまり、回転子２の周方向に並んだ磁極突部７２間に形成される溝７５は、その底部７５ａが界磁コイル１２の巻回部１２ａよりも径方向内側に位置するように、深く形成されている。
【0029】
図１に示すように、回転電機１００の内部に流入した冷媒１７は、界磁コイルエンド６及び固定子コイルエンド１０を冷却する。固定子コイル１３の巻線方式は、分布巻き方式である。つまり、固定子コイル１３は、固定子鉄心９に一定の間隔を空けて巻かれる。このため、固定子コイルエンド１０のコイル間には、空隙が形成される。冷媒１７は、固定子コイルエンド１０のコイル間の空隙を流れるため、固定子コイルエンド１０は効果的に冷却される。一方、界磁コイル１２の巻線方式は、集中巻き方式である。つまり、界磁コイル１２は、磁極突部７２に集中して巻かれる。このため、界磁コイルエンド６のコイル間には、空隙が形成されない。つまり、界磁コイルエンド６では、固定子コイルエンド１０のように空隙が形成される場合に比べて、冷媒１７に接触する面積（伝熱面積）が小さくなる。
【0030】
界磁コイル１２は、回転体である回転子鉄心７に巻回されるため、回転子鉄心７に対して適切に保持する必要がある。ここで、界磁コイル１２の巻回部１２ａの径方向内側の面全体を保持する保持部を設けた場合、界磁コイル１２を適切に保持することはできるが、保持部が接触する面積の分だけ、界磁コイル１２の伝熱面積が小さくなる。
【0031】
そこで、本実施形態では、界磁コイル１２の伝熱面積の減少を抑制しつつ、界磁コイル１２を適切に保持可能な保持部１１０が設けられている。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、及び図５Ｂを参照して、本実施形態に係る界磁コイル１２の保持構造について詳しく説明する。図４Ａは、磁極部１８０を軸方向から見た図、すなわち磁極部１８０の平面図である。図４Ｂは、磁極部１８０を側方（周方向）から見た図、すなわち磁極部１８０の側面図である。図５Ａは、界磁コイル１２の図示を省略した磁極部１８０の平面図であり、図５Ｂは、界磁コイル１２の図示を省略した磁極部１８０の側面図である。図４Ａ～図５Ｂでは、回転子２の１極分の形状を示している。
【0032】
磁極頭部７４は、磁極胴部７３に着脱可能に設けられている。図２に示すように、磁極頭部７４は、ギャップ１４へ界磁磁束を流通させるための部品であり、径方向外側の面が固定子鉄心９の内周面に沿う曲面（円弧面）とされている。図４Ａ～図５Ｂに示すように、磁極頭部７４の周方向幅は、磁極胴部７３の周方向幅よりも大きい。また、磁極頭部７４の軸方向長さは、磁極胴部７３の軸方向長さよりも大きい。磁極頭部７４は、例えば、界磁コイル１２が磁極胴部７３に装着された後、回転子２の径方向外側からボルトによって磁極胴部７３に締結される。なお、磁極頭部７４と磁極胴部７３の結合構造には、ボルトによる締結構造に限らず、ダブテイル構造を採用してもよい。
【0033】
図４Ａ及び図４Ｂに示すように、磁極頭部７４は、界磁コイル１２よりも軸方向に突出している。磁極頭部７４において、磁極胴部７３よりも軸方向に突出している部分は、界磁コイルエンド６の径方向外側を保持する。つまり、磁極頭部７４は、界磁コイル１２の軸方向端部（界磁コイルエンド６）を外径側から保持する外側保持部として機能する。なお、磁極頭部７４は、界磁コイルエンド６だけでなく、巻回部１２ａの径方向外側の端面全体を保持し、界磁コイル１２の径方向外側への位置ずれを防止する。
【0034】
界磁コイルエンド６の径方向内側は、回転子鉄心７の軸方向端部に設けられる保持部１１０によって保持される。保持部１１０は、界磁コイル１２が内径側に脱落しないように、界磁コイル１２の軸方向端部（界磁コイルエンド６）を内径側から保持する内側保持部として機能する。つまり、界磁コイルエンド６は、磁極頭部（外側保持部）７４と保持部（内側保持部）１１０とによって径方向に挟持されている。なお、界磁コイルエンド６の保持構造は、回転子鉄心７の軸方向一端側と他端側とで同じである。
【0035】
図５Ａ及び図５Ｂに示すように、保持部１１０は、回転子鉄心７と一体に形成されている。保持部１１０は、回転子鉄心７の軸方向端面７ａから軸方向に突出する凸部である。ここで、回転子鉄心７の軸方向端面７ａとは、界磁コイル１２が巻回される部分である磁極胴部７３の先端部の軸方向端面７ａ１、及び、磁極胴部７３の先端部の軸方向端面７ａ１と面一に形成される磁極胴部７３の基端部の軸方向端面７ａ２及びシャフト固定部７１の軸方向端面７ａ３のことを指す。
【0036】
保持部１１０は、直方体形状であり、シャフト５から径方向に直線状に延在している。保持部１１０の軸方向長さ（突出高さ）Ｈは、界磁コイルエンド６の突出高さＨｃ（図４Ｂ参照）と同程度である。保持部１１０の径方向長さは、保持部１１０の周方向に沿う幅（周方向幅）Ｗ１よりも大きい。保持部１１０の周方向幅Ｗ１は、磁極胴部７３の周方向に沿う幅（周方向幅）Ｗ２よりも小さい（Ｗ１＜Ｗ２）。保持部１１０の周方向幅Ｗ１は、例えば、磁極胴部７３の周方向幅Ｗ２の１／２程度とされる。なお、保持部１１０の周方向幅Ｗ１が大きくなるほど保持面積が増加する。保持部１１０の周方向幅Ｗ１が小さくなるほど界磁コイルエンド６の伝熱面積が増加する。このため、周方向幅Ｗ１は、周方向幅Ｗ２の２／５以上かつ３／５以下の範囲で定めることが好ましい。
【0037】
保持部１１０は、磁極部１８０の磁極中心軸Ｃａ上に設けられている。磁極中心軸Ｃａは、磁極突部７２の周方向中心を通り、かつ径方向に延在する軸に相当する。保持部１１０は、保持部１１０の周方向の中心が磁極突部７２の周方向の中心に一致するように設けられている。これにより、単一の保持部１１０が、磁極中心軸Ｃａから周方向の一方側に偏って配置される場合に比べて、界磁コイル１２を安定して保持することができる。
【0038】
なお、界磁コイル１２の内径側は外径側に比べて電気特性への影響が小さい。このため、保持部１１０の形状は、直方体形状に限らず、界磁コイル１２が内径側に脱落しないように界磁コイル１２を保持可能な種々の形状とすることができる。例えば、保持部１１０の形状は、半円柱形状、三角柱形状、または台形柱形状としてもよい。ただし、少なくとも、保持部１１０における界磁コイルエンド６に当接する部分の周方向幅Ｗ１は、磁極胴部７３における界磁コイル１２が巻回される部分の周方向幅Ｗ２よりも小さい。
【0039】
上述した実施形態によれば、次の作用効果を奏する。
【0040】
（１）回転電機１００は、回転子２及び固定子３を備えている。回転子２は、回転子鉄心７と、回転子鉄心７に巻回された界磁コイル１２と、を有している。回転子鉄心７は、径方向外側に向かって突出し、界磁コイル１２が巻回される複数の磁極突部７２を有している。回転子鉄心７には、界磁コイル１２の軸方向端部（界磁コイルエンド６）を内径側から保持する保持部１１０が設けられている（図４Ａ及び図４Ｂ参照）。保持部１１０の周方向幅Ｗ１は、磁極突部７２において界磁コイル１２が巻回される部分の周方向幅Ｗ２よりも小さい（図５Ａ及び図５Ｂ参照）。
【0041】
この構成では、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、磁極突部７２に巻回される界磁コイル１２の径方向内側の端面のうち、軸方向端部の保持部１１０と接触する面以外の部分が、冷媒１７に接する伝熱面となる。具体的には、界磁コイルエンド６の内径側端面のうち保持部１１０が接触していない面（第１端面）１２ｂ、及び界磁コイル１２の巻回部１２ａの周方向端部において軸方向に延在する面（第２端面）１２ｃが、冷媒１７と熱交換を直接的に行う伝熱面となる。
【0042】
したがって、この構成によれば、界磁コイル１２の巻回部１２ａの径方向内側の面全体を保持する保持構造に比べて、界磁コイル１２の伝熱面積を大きくできる。また、保持部１１０によって界磁コイル１２が保持されるため、磁極部１８０間に界磁コイル１２を保持するための保持構造を設ける必要がない。つまり、磁極部１８０間の空間（極間部１８）を流れる冷媒１７の妨げとなる構造を設ける必要がない。このため、極間部１８に冷媒１７がスムーズに流れ、界磁コイル１２が効果的に冷却され、界磁コイル１２の温度上昇が効果的に抑制される。
【0043】
以上のとおり、本実施形態によれば、界磁コイル１２を適切に保持しつつ、界磁コイル１２を効果的に冷却可能な回転電機１００を提供することができる。つまり、本実施形態によれば、界磁コイル１２のオーバーヒートが防止されるとともに界磁コイル１２の位置ずれ（脱落）が防止されるため、絶縁性及び健全性が長期に亘って維持される信頼性の高い回転電機１００を提供することができる。
【0044】
（２）回転子２の周方向に並んだ磁極突部７２間に形成される溝７５の底部７５ａが、磁極突部７２に巻回されている界磁コイル１２よりも径方向内側に位置している（図３参照）。この構成によれば、磁極突部７２間の冷媒１７の流路（極間部１８）の断面積、すなわち通風面積を十分に確保することができる。
【0045】
（３）磁極突部７２の軸方向一端部に単一の保持部１１０が設けられている（図４Ａ参照）。保持部１１０は、磁極突部７２の周方向中心に設けられている。この構成によれば、界磁コイル１２を安定して保持することができる。
【0046】
＜第２実施形態＞
図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本発明の第２実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、第１実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。図６Ａは、第２実施形態に係る回転電機１００の磁極部２８０の平面図であり、図６Ｂは、第２実施形態に係る回転電機１００の磁極部２８０の側面図である。
図６Ａ及び図６Ｂを参照して、本発明の第２実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、第１実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。図６Ａは、第２実施形態に係る回転電機１００の磁極部２８０の平面図であり、図６Ｂは、第２実施形態に係る回転電機１００の磁極部２８０の側面図である。
【0047】
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、第２実施形態では、第１実施形態と同様、界磁コイル１２及び保持部２１０は、回転子鉄心７の軸方向端面７ａから軸方向外側に突出している。第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、保持部２１０の突出高さＨが、界磁コイル１２の突出高さＨｃよりも大きい点である。つまり、保持部２１０は、界磁コイル１２よりも軸方向外側まで突出している。この構成によれば、回転子２が回転した場合に、複数の保持部２１０がファンとして機能し、回転電機１００の内部の冷却風の流量が増加する。また、複数の保持部２１０がファンとして機能することにより、周方向及び径方向の冷却風の流れが生じ、界磁コイルエンド６の軸方向端面が効果的に冷却される。このため、本第２実施形態によれば、第１実施形態に比べて、界磁コイル１２の温度をより低減することができる。
【0048】
＜第３実施形態＞
図７Ａ、図７Ｂ、図８、及び図９を参照して、本発明の第３実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、第１実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。図７Ａは、第３実施形態に係る回転電機１００の磁極部３８０の平面図であり、図７Ｂは、第３実施形態に係る回転電機１００の磁極部３８０の側面図である。
図７Ａ、図７Ｂ、図８、及び図９を参照して、本発明の第３実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、第１実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。図７Ａは、第３実施形態に係る回転電機１００の磁極部３８０の平面図であり、図７Ｂは、第３実施形態に係る回転電機１００の磁極部３８０の側面図である。
【0049】
第１実施形態では、保持部１１０が回転子鉄心７と一体に形成される例について説明した。これに対して、第３実施形態では、保持部３１０と回転子鉄心７とは別体である。保持部３１０は、溶接及びボルトによる締結の少なくとも一方により回転子鉄心７に固定される。以下、保持部３１０の構成について、詳しく説明する。
【0050】
図８は、保持部３１０の側面図であり、回転子鉄心７に取り付けられる前の状態を示す。保持部３１０は、断面Ｖ字状の板状部材であり、回転子鉄心７に固定される固定部３１１と、固定部３１１の一端部から所定の角度で延在する付勢部３１２と、を有する。付勢部３１２と固定部３１１とのなす角度（以下、屈曲角とも記す）θは、９０度よりも大きく１８０度よりも小さい。保持部３１０は、弾性変形可能な部材である。保持部３１０は、固定部３１１が固定されて状態で、付勢部３１２に対して固定部３１１側の押圧力が作用すると、屈曲角θが小さくなるように弾性変形する。
【0051】
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、磁極頭部７４が磁極胴部７３に取り付けられる前に、固定部３１１が回転子鉄心７に固定され、かつ界磁コイル１２が磁極胴部７３に巻回される。この状態で、磁極頭部７４が磁極胴部７３に取り付けられると、付勢部３１２には、磁極頭部７４から界磁コイル１２の巻回部１２ａを介して内径方向の力が作用する。これにより、付勢部３１２が屈曲して屈曲角θが小さくなる。磁極頭部７４の磁極胴部７３への取付が完了すると、屈曲角θは９０度程度となる。これにより、保持部３１０は、断面がＬ字状となる。
【0052】
したがって、磁極頭部７４が磁極胴部７３に取り付けられた状態では、弾性変形している保持部３１０から界磁コイル１２の巻回部１２ａに対して弾性力（復元力）が作用する。これにより、界磁コイル１２の巻回部１２ａは、磁極頭部７４と保持部３１０とによって挟持される。
【0053】
上述したように、界磁コイルエンド６の伝熱面積は、保持部３１０の周方向幅Ｗ１が短くなるほど増加し、冷却性能が向上する。しかしながら、保持部３１０の周方向幅Ｗ１が短くなるほど、保持部３１０と界磁コイルエンド６との接触面積（すなわち、保持面積）が小さくなる。保持面積が小さくなりすぎると、界磁コイルエンド６には集中荷重による応力集中が働き、界磁コイルエンド６が破損するおそれがある。
【0054】
このため、保持部３１０は、冷却性能の向上と応力低減の両者を満足可能な大きさに設定する必要がある。本願発明者らは、本実施形態をモデルに数値解析を行い、保持部３１０と磁極突部７２の適切な周方向幅の関係を検討した。図９は、磁極突部７２の周方向幅Ｗ２に対する保持部３１０の周方向幅Ｗ１の割合である幅比率Ｗｒ（＝Ｗ１／Ｗ２）と、界磁コイル１２の温度Ｔ及び集中応力σのそれぞれとの関係を示す図である。なお、界磁コイル１２の温度及び集中応力のそれぞれは、幅比率Ｗｒが１のとき（Ｗ１＝Ｗ２のとき）の値を１．０[ｐ．ｕ．]に規格化している。
【0055】
図９に示すように、界磁コイル１２の温度Ｔと、集中応力σとはトレードオフの関係になる。幅比率Ｗｒが小さくなるほど、界磁コイル１２の温度Ｔは低くなるが、集中応力σが大きくなる。幅比率Ｗｒが大きくなるほど、集中応力σが小さくなるが、界磁コイル１２の温度Ｔは高くなる。
【0056】
界磁コイル１２の温度Ｔは、絶縁性の観点で、使用環境の標準温度からの温度上昇や最高使用温度に規定がある。例えば、ＪＥＣ（Japanese Electrotechnical Committee）規格では、コイルの絶縁規格として、Ｆ種で温度上昇を１１０[Ｋ]以下にすることを規定されている。この規定を考慮すると、界磁コイル１２の温度Ｔは０．６１[ｐ．ｕ．]以下にする必要がある。この温度条件が満足されるためには、幅比率Ｗｒを０．６以下にする必要がある。また、集中応力σは、界磁コイル１２が破損しない程度の値と、余裕値とを考慮して、２．５[ｐ．ｕ．]以下にする必要がある。この応力条件が満足されるためには、幅比率Ｗｒを０．４以上にする必要がある。
【0057】
本第３実施形態では、保持部３１０が板バネ部材として機能し、第１実施形態に比べて大きい保持力が発生する。このため、上述したように、数値解析や実験により、予め適切な幅比率Ｗｒを定めることが好ましい。
【0058】
第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果に加え、次の作用効果を奏する。
【0059】
（１）保持部３１０が回転子鉄心７と別体である。このため、回転子鉄心７の加工時間を低減できる。その結果、回転子鉄心７のコストを低減できる。また、回転子鉄心７を積層鋼板により形成することもできる。また、回転子鉄心７の質量を低減できるので、回転子２の軽量化を図ることができる。さらに、保持部３１０の材料に、回転子鉄心７とは異なる材料を選定し、低コスト化を図ることができる。
【0060】
（２）保持部３１０は、回転子鉄心７の軸方向端面７ａに固定される固定部３１１と、固定部３１１から立ち上がり界磁コイル１２を弾性力によって付勢する付勢部３１２と、を有している。この構成では、保持部３１０が弾性変形可能な板状部材（板バネ）であり、保持部３１０が弾性力により界磁コイル１２を内径側から付勢する。したがって、弾性変形前の保持部３１０の屈曲角θを調整することにより、保持部３１０から界磁コイル１２に作用する付勢力を調整することができる。このため、界磁コイル１２に対する保持部３１０の保持力を容易に増加させることができる。したがって、第３実施形態によれば、第１実施形態よりも振動や遠心力の変動に起因する位置ずれ、損傷を効果的に防止し、界磁コイル１２の信頼性を向上することができる。
【0061】
（３）磁極突部７２は、回転子鉄心７に固定されたシャフト５から径方向外側に向かって延在する磁極胴部７３と、磁極胴部７３の先端に取り付けられる磁極頭部７４と、を有している。界磁コイル１２は、磁極頭部７４と保持部３１０とによって、径方向に挟持される。この構成では、磁極頭部７４を磁極胴部７３に取り付けることにより、保持部３１０から適正な保持力が界磁コイル１２に作用し、界磁コイル１２を保持することができる。
【0062】
＜第４実施形態＞
図１０を参照して、本発明の第４実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、第３実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。図１０は、第４実施形態に係る回転電機１００の磁極部４８０の平面図である。
図１０を参照して、本発明の第４実施形態に係る回転電機１００について説明する。なお、第３実施形態で説明した構成と同一もしくは相当する構成には同一の参照記号を付し、相違点を主に説明する。図１０は、第４実施形態に係る回転電機１００の磁極部４８０の平面図である。
【0063】
第３実施形態では、単一の磁極突部７２の軸方向一端部に単一の保持部３１０が設けられている例（図７Ａ参照）について説明した。これに対して、本第４実施形態では、図１０に示すように、単一の磁極突部７２の軸方向一端部に一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂが設けられている。一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂは、磁極胴部７３の周方向両端部に配置されている。一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂのそれぞれの周方向幅Ｗ１Ａ，Ｗ１Ｂは、第３実施形態の保持部３１０の周方向幅Ｗ１の半分である。つまり、第４実施形態の保持部３１０Ａ，３１０Ｂは、第３実施形態の保持部３１０を周方向に二分割した構造といえる。
【0064】
一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂは、磁極突部７２の周方向中心である磁極中心軸Ｃａを挟むように配置される。この構成によれば、界磁コイル１２が一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂによって二点支持される。したがって、本第４実施形態によれば、第３実施形態よりも界磁コイル１２を安定して保持することができる。
【0065】
＜第５実施形態＞
図１１を参照して、本発明の第５実施形態に係る回転電機システム１０００について説明する。図１１は、第５実施形態に係る回転電機システム１０００の構成を示す図である。図１１に示す回転電機システム１０００は、ダンプトラック（建設用の運搬車両）に搭載される。図１１に示すように、回転電機システム１０００は、回転電機ユニット５００と、回転電機ユニット５００のシャフト５に接続される内燃機関５２０と、回転電機ユニット５００に流入する冷却風（冷媒１７の流れ）を生成する電動送風機であるブロア５４２と、を備える。回転電機システム１０００は、内燃機関５２０が駆動することにより回転電機ユニット５００で電力を発生させる。
図１１を参照して、本発明の第５実施形態に係る回転電機システム１０００について説明する。図１１は、第５実施形態に係る回転電機システム１０００の構成を示す図である。図１１に示す回転電機システム１０００は、ダンプトラック（建設用の運搬車両）に搭載される。図１１に示すように、回転電機システム１０００は、回転電機ユニット５００と、回転電機ユニット５００のシャフト５に接続される内燃機関５２０と、回転電機ユニット５００に流入する冷却風（冷媒１７の流れ）を生成する電動送風機であるブロア５４２と、を備える。回転電機システム１０００は、内燃機関５２０が駆動することにより回転電機ユニット５００で電力を発生させる。
【0066】
回転電機ユニット５００は、主回転電機５０１と、補助回転電機５０２と、を有する。第１実施形態から第４実施形態に係る回転電機１００は主回転電機５０１及び補助回転電機５０２の少なくとも一方に使用される。主回転電機５０１の回転子２及び固定子３を収容するフレーム１と、補助回転電機５０２の回転子２及び固定子３を収容するフレーム１は兼用されている。
【0067】
シャフト５には主回転電機５０１の回転子２及び補助回転電機５０２の回転子２が接続されている。また、シャフト５はカップリング５２１を介して内燃機関５２０に直結されている。内燃機関５２０が駆動されることで、主回転電機５０１及び補助回転電機５０２から主電力変換器５３１及び補助電力変換器５３２へ電力が供給される。主電力変換器５３１はダンプトラックの駆動用電動機５４１に電力を供給する。駆動用電動機５４１は駆動輪を回転させて、ダンプトラックを走行させる。補助電力変換器５３２は補機の一つであるブロア（送風機）５４２に電力を供給し、ブロア５４２を回転させる。これにより、主回転電機５０１及び補助回転電機５０２を冷却するための冷却風（冷媒１７の流れ）が生成される。冷媒１７は、回転電機ユニット５００の回転軸方向に沿って流れる。
【0068】
本第５実施形態によれば、主回転電機５０１及び補助回転電機５０２の少なくとも一方に上記第１～第４実施形態の回転電機１００が採用される。このため、ダンプトラックに搭載される各種機器を動作させる電力を長期に亘って安定して出力可能な回転電機１００を有する信頼性の高い回転電機システム１０００を提供することができる。これにより、回転電機システム１０００を備えるダンプトラック（車両）の軽量化、及び高効率化を図ることができる。
【0069】
次のような変形例も本発明の範囲内であり、変形例に示す構成と上述の実施形態で説明した構成を組み合わせたり、上述の異なる実施形態で説明した構成同士を組み合わせたり、以下の異なる変形例で説明する構成同士を組み合わせることも可能である。
【0070】
＜変形例１＞
上記実施形態では、回転電機１００の極数が８極であり、固定子３のスロット数が６０である例について説明したが、極数及びスロット数はこれに限定されない。
上記実施形態では、回転電機１００の極数が８極であり、固定子３のスロット数が６０である例について説明したが、極数及びスロット数はこれに限定されない。
【0071】
＜変形例２＞
上記実施形態では、軸流開放型の冷却構造を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、フレーム１は密閉構造とされていてもよい。この場合、フレーム１の内部に送風機が設けられ、送風機により生成された冷却風により回転子２及び固定子３が冷却される。また、冷却構造は、回転電機１００の軸方向一端側と軸方向他端側とを個別に冷却する複流構造としてもよい。
上記実施形態では、軸流開放型の冷却構造を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、フレーム１は密閉構造とされていてもよい。この場合、フレーム１の内部に送風機が設けられ、送風機により生成された冷却風により回転子２及び固定子３が冷却される。また、冷却構造は、回転電機１００の軸方向一端側と軸方向他端側とを個別に冷却する複流構造としてもよい。
【0072】
＜変形例３＞
第１～第３実施形態では、単一の磁極突部７２の軸方向一端部に単一の保持部１１０，２１０，３１０が設けられている例について説明した。第４実施形態では、単一の磁極突部７２の軸方向一端部に一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂが設けられている例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。単一の磁極突部７２の軸方向一端部に３つ以上の保持部が設けられていてもよい。なお、複数の保持部が設けられる場合、複数の保持部の周方向幅の合計値が、磁極胴部７３の周方向幅Ｗ２の２／５以上、かつ３／５以下であることが好ましい。
第１～第３実施形態では、単一の磁極突部７２の軸方向一端部に単一の保持部１１０，２１０，３１０が設けられている例について説明した。第４実施形態では、単一の磁極突部７２の軸方向一端部に一対の保持部３１０Ａ，３１０Ｂが設けられている例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。単一の磁極突部７２の軸方向一端部に３つ以上の保持部が設けられていてもよい。なお、複数の保持部が設けられる場合、複数の保持部の周方向幅の合計値が、磁極胴部７３の周方向幅Ｗ２の２／５以上、かつ３／５以下であることが好ましい。
【0073】
＜変形例４＞
第１及び第２実施形態では、単一の保持部１１０，２１０が回転子鉄心７と一体に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。第１及び第２実施形態において、一対の保持部を設けてもよい。この変形例では、磁極突部７２の軸方向端面の周方向中心に、径方向に延在する凹部を加工することにより、一対の保持部を形成することができる。
第１及び第２実施形態では、単一の保持部１１０，２１０が回転子鉄心７と一体に形成される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。第１及び第２実施形態において、一対の保持部を設けてもよい。この変形例では、磁極突部７２の軸方向端面の周方向中心に、径方向に延在する凹部を加工することにより、一対の保持部を形成することができる。
【0074】
＜変形例５＞
第５実施形態では、回転電機１００がダンプトラック（建設用の運搬車両）に搭載される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。回転電機１００は、車両などの移動体に搭載されるものに限定されることもない。
第５実施形態では、回転電機１００がダンプトラック（建設用の運搬車両）に搭載される例について説明したが、本発明はこれに限定されない。回転電機１００は、車両などの移動体に搭載されるものに限定されることもない。
【0075】
＜変形例６＞
上記実施形態では、回転電機１００が発電機である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。回転電機１００は、電動機として使用されるものであってもよい。また、回転電機１００は、発電機及び電動機として使用されるものであってもよい。
上記実施形態では、回転電機１００が発電機である例について説明したが、本発明はこれに限定されない。回転電機１００は、電動機として使用されるものであってもよい。また、回転電機１００は、発電機及び電動機として使用されるものであってもよい。
【0076】
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【0077】
１…フレーム、２…回転子、３…固定子、４…軸受、５…シャフト、６…界磁コイルエンド（界磁コイルの軸方向端部）、７…回転子鉄心、７ａ…軸方向端面、９…固定子鉄心、１０…固定子コイルエンド、１２…界磁コイル、１２ａ…巻回部、１２ｂ…第１端面、１２ｃ…第２端面、１３…固定子コイル、１４…ギャップ、１７…冷媒、１８…極間部、１８ａ…空間、７１…シャフト固定部、７２…磁極突部、７３…磁極胴部、７４…磁極頭部、７５…溝、７５ａ…底部、１００…回転電機、１１０，２１０，３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ…保持部、１８０，２８０，３８０，４８０…磁極部、３１１…固定部、３１２…付勢部、５００…回転電機ユニット、５０１…主回転電機（回転電機）、５０２…補助回転電機（回転電機）、５２０…内燃機関、５３１…主電力変換器、５３２…補助電力変換器、５４１…駆動用電動機、５４２…ブロア（送風機）、１０００…回転電機システム、Ｃａ…磁極中心軸、Ｗ１…保持部の周方向幅、Ｗ２…磁極突部（磁極胴部）の周方向幅（磁極突部において界磁コイルが巻回される部分の周方向幅）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】