(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-07
(45)【発行日】2024-02-16
(54)【発明の名称】回転電機
(51)【国際特許分類】
H02K 9/06 20060101AFI20240208BHJP
H02K 1/32 20060101ALI20240208BHJP
【FI】
H02K9/06 B
H02K1/32 Z
H02K9/06 G
(21)【出願番号】P 2020171161
(22)【出願日】2020-10-09
【審査請求日】2022-10-28
(73)【特許権者】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110002147
【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】古賀 郁也
【審査官】稲葉 礼子
(56)【参考文献】
【文献】特開2018-046621(JP,A)
【文献】実開昭49-027602(JP,U)
【文献】特開2016-220395(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02K 9/06
H02K 1/32
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
回転中心軸回りの第1回転方向に回転するシャフトと、前記シャフトの外周面から前記シャフトの径方向に延びるともに互いに前記回転中心軸の周方向に間隔を空けて設けられ、互いにの間に前記回転中心軸の軸方向に延びる第1流路が設けられた複数のリブと、前記径方向で前記複数のリブの外側に位置し前記複数のリブを介して前記シャフトに固定され、前記径方向に延び前記第1流路と通じた第2流路が設けられた回転子鉄心と、を有した回転子と、
前記回転子と一体に回転し、前記第1流路の前記軸方向の外側から前記第1流路に気体を送るファンと、
前記径方向で前記回転子鉄心の外側に位置し、前記軸方向に延び前記第2流路と通じた第3流路が設けられた固定子と、
を備え、
前記回転子は、前記第1流路に設けられ前記外周面から前記径方向に延びた羽根を有し、
前記羽根は、前記ファン側の一端部と前記一端部の反対側の他端部と、前記一端部から前記他端部に向かうにつれて前記第1回転方向の反対方向に向かう第1領域を含む前記第1回転方向側の第1面を有
し、
前記第1領域は、前記一端部から前記他端部に向かう方向に延び前記第1回転方向の反対方向に凹状の凹面を含む、回転電機。
【請求項2】
前記複数のリブの前記軸方向の両側に位置した二つの前記ファンを備え、
前記回転子は、前記外周面に固定され、前記周方向で隣り合う二つの前記リブの間の空間を前記軸方向に並ぶ二つの前記第1流路に仕切った仕切
部を有し、
前記他端部は、前記仕切部に支持された、請求項1に記載の回転電機。
【請求項3】
一つの前記第1流路に位置する前記羽根の数は、一つである、請求項1または2に記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回転電機に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、シャフトの外周面に複数のリブを介して回転子鉄心が固定された回転子と、固定子と、シャフトと一体に回転するファンと、を備え、複数のリブ間と回転子鉄心と固定とのそれぞれに流路が設けられた回転電機が知られている。
【0003】
このような構成では、ファンによって複数のリブ間の流路に気体が送られると、当該気体がリブ間の流路から回転子鉄心の流路を経て固定子の流路を通過する。これにより、回転子および固定子が冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この種の回転電機では、隣り合う二つのリブ間の流路にファンによって送られる気体が、シャフトと一体に回転するリブと当たるため、当該流路での気体の圧力損失が大きくなりやすい。このため、二つのリブ間の流路に流入する気体の流量が少なく、回転子および固定子の冷却効率が低いという問題がある。
【0006】
そこで、本発明の課題の一つは、回転子および固定子の冷却効率を向上させることができる新規な構成の回転電機を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の実施形態の回転電機は、回転中心軸回りの第1回転方向に回転するシャフトと、前記シャフトの外周面から前記シャフトの径方向に延びるともに互いに前記回転中心軸の周方向に間隔を空けて設けられ、互いにの間に前記回転中心軸の軸方向に延びる第1流路が設けられた複数のリブと、前記径方向で前記複数のリブの外側に位置し前記複数のリブを介して前記シャフトに固定され、前記径方向に延び前記第1流路と通じた第2流路が設けられた回転子鉄心と、を有した回転子と、前記回転子と一体に回転し、前記第1流路の前記軸方向の外側から前記第1流路に気体を送るファンと、前記径方向で前記回転子鉄心の外側に位置し、前記軸方向に延び前記第2流路と通じた第3流路が設けられた固定子と、を備え、前記回転子は、前記第1流路に設けられ前記外周面から前記径方向に延びた羽根を有し、前記羽根は、前記ファン側の一端部と前記一端部の反対側の他端部と、前記一端部から前記他端部に向かうにつれて前記第1回転方向の反対方向に向かう第1領域を含む前記第1回転方向側の第1面を有し、前記第1領域は、前記一端部から前記他端部に向かう方向に延び前記第1回転方向の反対方向に凹状の凹面を含む。
【発明の効果】
【0008】
本発明の実施形態の回転電機によれば、回転子および固定子の冷却効率を向上させることができる新規な構成の回転電機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【
図1】
図1は、実施形態の全閉外扇形回転電機の構成の例示的な断面図である。
【
図3】
図3は、実施形態の全閉外扇形回転電機における回転子の一部の例示的な断面図である。
【
図5】
図5は、
図4の回転子におけるV-V線に沿った断面の一部を示す断面図である。
【
図6】
図6は、
図4の回転子におけるVI-VI線に沿った断面の一部を示す断面図である。
【
図7】
図7は、
図4の回転子におけるVII-VII線に沿った断面の一部を示す断面図である。
【
図8】
図8は、
図4の回転子におけるVIII-VIII線に沿った断面の一部を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成(技術的特徴)、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果(効果)は、一例である。
【0011】
<全閉外扇形回転電機1の構成>
図1は、実施形態の全閉外扇形回転電機1の構成の例示的な断面図である。
【0012】
図1に示されるように、全閉外扇形回転電機1は、回転動作を行う回転電機本体2と、冷却器3と、を備える。また、全閉外扇形回転電機1の内部には、回転電機本体2と冷却器3とに亘って、空気などの冷却用気体で満たされた閉空間4が設けられている。回転電機本体2の発熱によって加熱された閉空間4の冷却用気体が冷却器3にて外気と熱交換されることにより、回転電機本体2が冷却される。全閉外扇形回転電機1は、回転電機の一例である。冷却用気体は、気体の一例である
【0013】
回転電機本体2は、筐体11と、回転子12と、固定子13と、を有する。
【0014】
筐体11は、箱型に形成されている。筐体11は、回転子12の一部と固定子13と、を収容している。
【0015】
図2は、
図1のII部の拡大図である。
図3は、実施形態の全閉外扇形回転電機1における回転子12の一部の例示的な断面図である。
図3の断面は、回転中心軸Ax1と直交する断面である。
【0016】
図1~
図3に示されるように、回転子12は、シャフト14と、回転子鉄心15と、複数のリブ51と、複数の羽根52と、複数の仕切部53と、を有する。
【0017】
シャフト14は、回転中心軸Ax1回りの第1回転方向R1に回転可能である。なお、以下の説明では、特に言及しない限り、軸方向、径方向、および周方向は、回転中心軸Ax1の軸方向、径方向、および周方向である。ここで、本実施形態では、軸方向は、筐体11の長手方向D1に沿うが、これに限定されない。シャフト14は、詳細には、二つの軸受16を介して筐体11に回転可能に支持されている。シャフト14は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。軸受16は、例えば、すべり軸受やころがり軸受等である。
【0018】
図1に示されるように、シャフト14の軸方向の両端部は、筐体11から筐体11の外部に突出している。シャフト14の軸方向の一方の端部には、結合部14bが設けられている。結合部14bは、結合対象(不図示)と結合される。また、シャフト14の軸方向の他方の端部には、外扇17が固定されている。外扇17は、シャフト14と一体に回転する。また、また、シャフト14における二つの軸受16と回転子鉄心15とのそれぞれの間には、内扇18が固定されている。内扇18は、シャフト14と一体に回転する。
【0019】
図2および
図3に示されるように、複数のリブ51は、シャフト14の外周面14aから径方向に延びるともに互いに周方向に間隔を空けて設けられている。詳細には、複数のリブ51は、外周面14aから径方向外側に放射状に延びている。リブ51は、外周面14aに溶接等によって固定されている。リブ51は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。
【0020】
周方向で隣り合う二つのリブ51の間の空間は、板状の仕切部53によって軸方向に並ぶ二つの第1流路61に仕切られている。仕切部53は、溶接等によってシャフト14の外周面14aに固定されている。仕切部53は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。第1流路61の開口端部61aには、回転子12と一体に回転する内扇18によって軸方向の外側から気体が送られる。開口端部61aは、第1流路61における仕切部53とは反対側の端部である。
【0021】
図1に示されるように、回転子鉄心15は、二つの軸受16の間に位置している。換言すると、二つの軸受16が、軸方向において回転子鉄心15の両側に位置している。回転子鉄心15は、回転中心軸Ax1を中心とした円筒状に形成されている。
図2に示されるように、回転子鉄心15の内周面は、複数のリブ51に溶接等によって固定されている。すなわち、回転子鉄心15は、径方向で複数のリブ51の外側に位置し複数のリブ51を介してシャフト14に固定されている。回転子鉄心15には、複数の第2流路62が設けられている。第2流路62は、径方向に回転子鉄心15を貫通しており、第1流路61と通じている。
【0022】
図1に示されるように、固定子13は、固定子鉄心19と、固定子巻線20と、を有する。固定子鉄心19は、シャフト14の径方向における回転子鉄心15の外側に位置し、回転子鉄心15を囲む円筒状に形成されている。固定子鉄心19には第3流路63が設けられている。第3流路63は、固定子鉄心19を径方向に貫通しており、第2流路62と通じている。
【0023】
固定子巻線20は、シャフト14の軸方向に延びるように固定子鉄心19の内周部19aに形成された複数のスロット(不図示)内を貫通して、固定子鉄心19に固定されている。
【0024】
図2および
図3に示されるように、羽根52は、各第1流路61に設けられ、第1流路61に位置している。すなわち、一つの第1流路61に位置する羽根52の数は、一つである。羽根52は、シャフト14の外周面14aから径方向に延びている。羽根52は、板状に形成されるとともに、少なくとも一部が湾曲状(曲線形状)に形成されている。羽根52は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成されている。羽根52は、案内部材とも称される。
【0025】
図4は、
図2のIII部の拡大図である。
図5は、
図4の回転子12におけるV-V線に沿った断面の一部を示す断面図である。
図6は、
図4の回転子12におけるVI-VI線に沿った断面の一部を示す断面図である。
図7は、
図4の回転子12におけるVII-VII線に沿った断面の一部を示す断面図である。
図8は、
図4の回転子12におけるVIII-VIII線に沿った断面の一部を示す断面図である。
【0026】
図2~
図8に示されるように、羽根52は、第1径方向端部52aと、第2径方向端部52bと、第1軸方向端部52cと、第2軸方向端部52dと、第1面52eと、第2面52fと、第1面52eと、第2面52fと、を有する。
【0027】
第1径方向端部52aは、径方向内側の端部であり、シャフト14の外周面14aに溶接等によって固定されている。第2径方向端部52bは、径方向外側の端部である。すなわち、第2径方向端部52bは、第1径方向端部52aの反対側の端部である。第1軸方向端部52cは、軸方向の一端部である。詳細には、第1軸方向端部52cは、当該羽根52が位置する第1流路61に向けて冷却用気体を送る内扇18側の一端部であり、第1流路61の開口端部61aに位置する。なお、第1軸方向端部52cは、第1流路61の開口端部61aから第1流路61の外側に突出していてもよい。第2軸方向端部52d(
図2)は、軸方向の他端部である。すなわち、第2軸方向端部52dは、第1軸方向端部52cの反対側の端部である。第2軸方向端部52dは、仕切部53に支持されている。詳細には、第2軸方向端部52dは、仕切部53に溶接等によって固定されている。なお、第2軸方向端部52dは、仕切部53に支持(固定)されていなくてもよい。第1軸方向端部52cは、一端部の一例であり、第2軸方向端部52dは、他端部の一例である。
【0028】
図5~
図8に示されるように、第1面52eは、第1回転方向R1側の面であり、第2面52fは、第1回転方向R1の反対方向側の面である。すなわち、第2面52fは、第1面52eの反対側の面である。第2面52fは、第1面52eに沿う。
【0029】
図5~
図7に示されるように、第1面52eは、第1軸方向端部52cから第2軸方向端部52dに向かうにつれて第1回転方向R1の反対方向に向かう第1領域52gを含む。ここで、
図4では、第1領域52gの軸方向の範囲が示されている。第1面52eは、湾曲状である。すなわち、第1面52eは、滑らかな面である。また、
図6および
図7に示されるように、第1領域52gの少なくとも一部は、第1回転方向R1の反対方向に凹状である。
図4~
図8では、第1面52eの一部が第1領域52gである例が示されているが、これに限定されない。例えば、第1面52eの全領域が第1領域52gであってもよい。また、
図4において、羽根52におけるVIII-VIII線を含む軸方向の規定の範囲の部分は、軸方向と直交する断面が一定または略一定である。
【0030】
図1に示されるように、冷却器3は、熱交換器31と、外扇カバー32と、出口ガイド33と、を有する。
【0031】
熱交換器31は、筐体11の上側に配置され、筐体11に搭載されている。冷却器3は、複数の冷却管41と、入口端板42と、出口端板43と、冷却器カバー45と、を有する。複数の冷却管41は、互いに並列に配置されている。入口端板42と出口端板43とは、冷却管41の軸方向に間隔を空けて並べられて互いに対向している。入口端板42と出口端板43とは、冷却管41の軸方向における冷却管41の両端部を支持している。冷却器カバー45は、入口端板42と出口端板43とに亘って設けられ、冷却管41を収納している。入口端板42および出口端板43は、支持部材の一例である。
【0032】
冷却管41、入口端板42、出口端板43、冷却器カバー45、および筐体11は、互いに接続され、閉空間4を形成している。閉空間4における筐体11内の空間4aと冷却器カバー45内の空間4bとは、入口11aおよび二つの出口11bで互いに連通している。入口11aは、筐体11における、固定子13の上方の部分に形成されている。二つの出口11bは、筐体11における内扇18の斜め上方の部分に形成されている。二つの出口11bの間に、入口11aが位置している。
【0033】
また、冷却器カバー45内には、二つのガイド板44が設けられている。二つのガイド板44は、入口端板42と出口端板43との間で、冷却管41の軸方向に互いに間隔を空けて並べられている。二つのガイド板44は、冷却器カバー45内の空間4bにおける上部連通空間4cを除くように空間4bの底部から上方に延びて、冷却器カバー45内の空間4bのうち上部連通空間4cを除く空間を冷却管41の軸方向に仕切っている。
【0034】
外扇カバー32は、入口端板42に固定され、外扇17を収納している。外扇カバー32には、吸込口37が設けられており、外扇17が回転することにより、外気が吸込口37から外扇カバー32内に流入する。また、外扇17により外扇カバー32内に流入した外気が複数の冷却管41の内側に流入するように、外扇カバー32が入口端板42と接続されている。また、外扇カバー32内には、吸込口37から外扇カバー32内に流入した外気が外扇17を通過して複数の冷却管41に流れるように外気をガイドするガイド部材46が設けられている。
【0035】
出口ガイド33は、出口端板43に固定されている。出口ガイド33は、複数の冷却管41から流出する外気が所定の方向に流れるようにガイドする。
【0036】
<全閉外扇形回転電機1の気体の流れ>
次に、上記構成の全閉外扇形回転電機1の気体の流れについて説明する。
【0037】
まずは、閉空間4内の冷却用気体について説明する。
図1に示される閉空間4における筐体11内の空間4aの冷却用気体は、シャフト14と一体に回転する二つの内扇18により回転子12の第1流路61に向けて送られる。冷却用気体は、第1流路61の開口端部61aから第1流路61内に流入し、羽根52に案内されて仕切部53に向かって流れる。このとき、
図4に示されるように、回転子12が第1回転方向R1に回転し、内扇18の送風方向D2が軸方向に沿うので、冷却用気体は、第1流路61の開口端部61aに対して相対的に斜め方向(
図4中の矢印E1の方向)に流れる。そして、冷却用気体の一部は、羽根52の第1面52eの第1領域52gに案内されて流れる。このときの冷却用気体の流れ方向は、
図4中の矢印E2で概略的に示されている。そして、冷却用気体は、仕切部53によって径方向外側に案内され、回転子鉄心15の第2流路62に流入する。第2流路62に流入した冷却用気体は、第2流路62を径方向外側に向けて流れ、固定子鉄心19の第3流路63に流入する。固定子13の第3流路63に流入した冷却用気体は、固定子13の第3流路63を径方向外側に向けて流れ、固定子鉄心19の径方向外側に流出する。このような冷却用気体の流れによって、回転子12(回転子鉄心15)および固定子13(固定子鉄心19)が冷却される。
【0038】
ここで、第1流路61における圧力損失をP[Pa]とし、第1流路61の流量をQ[m3/s]とし、第1流路61を囲む部分によって構成されるダクトの抵抗係数をλとし、気体密度をγ(kg/m3)とし、第1流路61の断面積をF[m2]とし、第1流路61の圧力損失をP[Pa]とする。このとき、第1流路61の圧力損失Pは、次式(1)で求められる
P=γ×λ×(Q2/(2×F2)) (1)
【0039】
本実施形態では、羽根52が設けられているので、羽根52が設けられていない構成に比べてダクトの抵抗係数が小さい。よって、本実施形態は、羽根52が設けられていない構成に比べて、第1流路61に流入する冷却用気体が多い。
【0040】
固定子鉄心19の径方向外側に流出した冷却用気体は、入口11aを経由して冷却器3内の空間4bに流入する。冷却器3の空間4bに流入した冷却用気体は、冷却管41の外側を通過する過程で、冷却管41内を流れる外気と熱交換し冷却されながら、二つのガイド板44の間を上昇して上部連通空間4cに流出する。
【0041】
上部連通空間4cの冷却用気体は、冷却管41の軸方向に互いに反対方向に分流して、入口端板42とガイド板44との間と、出口端板43とガイド板44との間とを、それぞれ冷却管41内の外気と熱交換し冷却されながら下降する。その後、冷却用気体は、出口11bを介して筐体11内の空間4aに戻り、再びそれぞれ内扇18に流入する。
【0042】
次に、外気について説明する。外気は、シャフト14と一体に回転する外扇17により吸込口37から外扇カバー32内に流入し、外扇カバー32内を通過し、入口端板42に到達する。入口端板42に到達した外気は、入口端板42で開口している各冷却管41内に流入し、冷却管41内で冷却管41外側の冷却用気体から熱を受け温度上昇しながら冷却管41内を通過した後、出口端板43での開口から冷却器3の外部に流出する。このように、冷却管41の内側の外気と冷却管41の外側の冷却用気体との間で熱交換が行われることにより、回転子12および固定子13の冷却が行われる。
【0043】
<実施形態の効果>
以上のように、本実施形態の全閉外扇形回転電機1(回転電機)は、回転子12と、内扇18(ファン)と、固定子13と、を備える。回転子12は、シャフト14と、複数のリブ51と、回転子鉄心15と、を有する。シャフト14は、回転中心軸Ax1回りの第1回転方向R1に回転する。複数のリブ51は、シャフト14の外周面14aからシャフト14の径方向に延びるともに互いに回転中心軸Ax1の周方向に間隔を空けて設けられている。複数のリブ51の互いにの間に回転中心軸Ax1の軸方向に延びる第1流路61が設けられている。内扇18は、回転子12と一体に回転し、第1流路61の軸方向の外側から第1流路61に冷却用気体(気体)を送る。固定子13は、径方向で回転子鉄心15の外側に位置し、固定子13には、軸方向に延び第2流路62と通じた第3流路63が設けられている。回転子12は、第1流路61に設けられ外周面14aから径方向に延びた羽根52を有する。羽根52は、内扇18側の第1軸方向端部52c(一端部)と第1軸方向端部52c(一端部)の反対側の第2軸方向端部52d(他端部)と、第1回転方向R1側の第1面52eと、を有する。第1面52eは、第1軸方向端部52cから第2軸方向端部52dに向かうにつれて第1回転方向R1の反対方向に向かう第1領域52gを含む。
【0044】
このような構成によれば、隣り合う二つのリブ51間の第1流路61に内扇18によって送られる冷却用気体の一部は、シャフト14と一体に回転する羽根52の第1面52eと当たり第1領域52gに沿って流れる。よって、冷却用気体の流れの方向転換が滑らかになりやすい。すなわち、冷却用気体が滑らかに流れやすい。したがって、第1流路61の冷却用気体の圧力損失が小さくなりやすく、このため、二つのリブ51間の第1流路61に入る気体の流量が増大しやすいので、回転子12および固定子13の冷却効率を向上させることができる。
【0045】
また、本実施形態の全閉外扇形回転電機1は、複数のリブ51の軸方向の両側に位置した二つの内扇18を備える。回転子12は、外周面14aに固定され、周方向で隣り合う二つのリブ51の間の空間を軸方向に並ぶ二つの第1流路61に仕切った仕切部53と、を有する。第2軸方向端部52dは、仕切部53に支持されている。このような構成によれば、第2軸方向端部52dが仕切部53に支持されているので、羽根52の撓みを抑制することができ、羽根52の強度を向上させることができる。
【0046】
また、本実施形態では、一つの第1流路61に位置する羽根52の数は、一つである。このような構成によれば、一つの第1流路61に位置する羽根52の数が複数の場合に比べて、冷却用気体の圧力損失を低減しやすい。
【0047】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0048】
1…全閉外扇形回転電機(回転電機)、12…回転子、13…固定子、14…シャフト、14a…外周面、15…回転子鉄心、18…内扇(ファン)、51…リブ、52…羽根、52c…第1軸方向端部(一端部)、52d…第2軸方向端部(他端部)、52e…第1面、52g…第1領域、53…仕切部、61…第1流路、62…第2流路、63…第3流路、Ax1…回転中心軸、R1…第1回転方向。