(57)【要約】【課題】  回転子からの旋回流の影響によって生じる固定子の通風ダクト内の風量の不均一を解消することによって、冷却性能を強化し、かつ、積層鋼板を軸方向に固定支持する機能を損なうことがない通風冷却構造を有する回転電機を提供する。【解決手段】  固定子の間隔片の径方向複数位置に通風穴を設け、この通風穴を通じて、隣接する通風ダクトの風量の大きい側から小さい側へと冷媒が流れるよう連通した回転電機。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、鋼板間に間隔片を放射状に配置し径方向通風ダクトを形成した回転電機において、
前記間隔片の径方向複数位置に通風穴を設け、連通したことを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記通風穴の出入り口は面取り形状をなしていることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記通風穴は、前記間隔片の軸方向両側に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機。
【請求項４】
固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、鋼板間に間隔片を放射状に配置し径方向通風ダクトを形成した回転電機において、
前記間隔片の径方向複数位置に通風穴を設けて連通し、周方向に隣り合う間隔片の通風穴の半径位置を、互いにずらして設けたことを特徴とする回転電機。
【請求項５】
固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、鋼板間に間隔片を放射状に配置し径方向通風ダクトを形成した回転電機において、
前記間隔片の径方向複数位置に通風穴を設け、前記間隔片の幅が前記通風穴の内径側において前記通風穴に向かって狭くなるテーパー部を有することを特徴とする回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転電機の固定子の改良に係り、特に、圧延機向け電動機など、回転子が両方向に回転する回転電機の固定子冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電動機や発電機などの回転電機では、回転子と固定子それぞれの巻線や鉄心を冷却する必要があり、そのための冷却構造が設けられている。代表的な固定子の冷却構造として、固定子に半径方向の通風ダクトを形成し、このダクトに冷媒を流して巻線や鉄心を冷却する方式がある。このような冷却構造をもつ固定子の例を、図７に示す。
【０００３】
図７(a)の固定子１は、軸方向に積層した鋼板により形成した鉄心２を、回転子３の外周側に所定の間隙４を介して設置し、鉄心２の内径側には巻線５を納めるためのスロット６が設けられている。通風ダクト７は、鉄心２を形成する鋼板間に間隔片８を挿入して形成する。間隔片８の長手方向を半径方向と一致するよう、ほぼ放射状に配置することにより、半径方向の通風ダクト７を形成している。冷媒は、回転子３の通風ダクト（図示せず）を内径側から外径側へと通過して回転子３を冷却し、その後、固定子１の通風ダクト７を同様に内径側から外径側へと通過する。この際、固定子巻線５と鉄心２を冷却し、固定子外径側から流出する。
【０００４】
ところで、回転子３から流出した冷媒は回転子の回転方向９と同じ旋回速度成分を持っている。このため、冷媒は固定子１の通風ダクト７へ斜めに流入する。この様子を図７(b)に示す。この例では、固定子巻線５の側面への冷媒の衝突１１により、間隔片８によって周方向に二分割されたティース部通風ダクト１０のうち、回転方向進み側１０aの入口圧力が上昇する。一方、回転方向遅れ側１０bのダクト入口では、固定子巻線５からはく離した渦１２により圧力が低下する。これにより、回転方向進み側ダクト１０aの冷媒風量は増加し、反対に回転方向遅れ側ダクト１０bの風量は減少する。
【０００５】
このように固定子通風ダクトに周方向の風量分布が生じると、冷却能力が低下する恐れがあるため、従来は、冷媒風量の不均一性があることを考慮し、冷却性能に対し裕度のある設計としていた。しかし近年、小型化によるコスト削減の要請から、さらなる冷却性能の強化が求められている。
【０００６】
冷却性能を強化する通風ダクトの構造に関しては、例えば特許文献１に記載のように、間隔片の巻線に対向する位置に切欠きを設けることにより、最も狭くなる巻線間の通風面積を間隔片の厚み分だけ拡大し、通風抵抗を低下させる方法が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−７９４４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術では、通風ダクトの通風面積を拡大することが直接の目的であるので、切欠きの位置は巻線の対向位置に限定されているという問題があった。また、図７で説明したような、本発明が対象とする回転電機においては、巻線などスロット内の構造の周方向幅は、鉄心ティース部全体にわたって概略一定幅である。このため、本発明が対象とするスロット幅一様な場合に、通風面積を拡大しようとすると、間隔片をティース部全体に亘って切欠く必要がある。しかしながら間隔片は、通風ダクトを形成するのみならず、積層した鋼板が緩むことを防止するため、積層鋼板を軸方向に固定支持する役割も担っているため、ティース部全体を切欠くことは困難であり、本従来技術は適用できない。
【０００９】
すなわち本発明の目的は、回転子からの旋回流の影響によって生じる固定子の通風ダクト内の風量の不均一を解消することによって、冷却性能を強化し、かつ、積層鋼板を軸方向に固定支持する機能を損なうことがない通風冷却構造を有する回転電機を提供することである。
【００１０】
また、圧延機向けの電動機などのように、回転子が両方向に回転する場合、いずれの回転方向でも上記の目的を達成できる回転電機を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の回転電機は、上記目的を達成するために、固定子の間隔片の径方向複数位置に通風穴を設け、この通風穴を通じて、隣接する通風ダクトの風量の大きい側から小さい側へと冷媒が流れるよう連通した。
【００１２】
すなわち、固定子と、前記固定子の内側にエアギャップを介して配置される回転子とを備え、前記固定子は鋼板を積層して成る鉄心を有し、鋼板間に間隔片を放射状に配置し径方向通風ダクトを形成した回転電機において、
間隔片の径方向複数位置に通風穴を設け、前記通風穴を通じて、隣接する通風ダクトの風量の大きい側から小さい側へと冷媒が流れるよう連通したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
背景技術の項で説明したように、固定子ダクトティース部においては、冷媒風量が大きい回転子の回転方向進み側のダクトの圧力は高く、冷媒風量が小さい回転方向遅れ側のダクトの圧力は低くなる。本発明によれば、間隔片に設けた通風穴を通して、圧力が高いダクトから低いダクトへと冷媒が周方向に流れるため、通風ダクトの冷媒風量が均一化される。その結果、固定子通風ダクト内の冷媒の温度上昇も均一化される。また、鉄心と冷媒間の熱伝達率も同様に均一化されるので、鉄心及びこれに接触している巻線の温度も均一化される。これにより、鉄心及び巻線の最高温度が低減され、固定子の冷却が強化される。
【００１４】
また、本発明の通風ダクト内の冷媒風量の均一化効果は、回転子の回転方向に関係なく有効であるため、圧延機用電動機などのように両方向に回転する回転電機の固定子冷却構造として適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の回転電機の固定子の第１の実施例の説明図である。
【図２】図１のA-A矢視図である。
【図３】第１の実施例を変形した第２の実施例を説明する通風穴の拡大図であり、(a)は間隔片の通風穴を軸方向からみた図、(b)は(a)のA-A矢視図である。
【図４】第１の実施例を変形した第３の実施例の説明図である。
【図５】本発明の回転電機の固定子の第４の実施例の説明図である。
【図６】本発明の回転電機の固定子の第５の実施例の説明図であり、(a)は間隔片の通風穴を軸方向からみた図、(b)は(a)のA-A矢視図である。
【図７】従来の回転電機の固定子を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施例を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１７】
本発明による回転電機の第１の実施例を、図１および図２に基づいて説明する。第１の実施例の概略構成は、間隔片の構造以外は上述した従来例と略同じである。
【００１８】
本実施例においても従来例と同様、回転子と固定子それぞれの巻線や鉄心を冷却する冷却構造が設けられている。固定子の冷却構造は、固定子に半径方向の通風ダクトを形成し、このダクトに冷媒を流して巻線や鉄心を冷却する冷却構造である。
【００１９】
図１(a)の固定子１は、軸方向に積層した鋼板により形成した鉄心２を、回転子３の外周側に所定の間隙４を介して設置し、鉄心２の内径側には巻線５を納めるためのスロット６が設けられている。通風ダクト７は、鉄心２を形成する鋼板間に間隔片８を挿入して形成する。間隔片８の長手方向を半径方向と一致するよう、ほぼ放射状に配置することにより、半径方向の通風ダクト７を形成している。冷媒は、回転子３の通風ダクト（図示せず）を内径側から外径側へと通過して回転子３を冷却し、その後、固定子１の通風ダクト７を同様に内径側から外径側へと通過する。この際、固定子巻線５と鉄心２を冷却し、固定子外径側から流出する。
【００２０】
固定子巻線５の発熱は、主として鉄心２に熱伝導により伝熱し、鉄心２から通風ダクト７へ放熱される。また、一部は巻線５から直接通風ダクト７の冷媒へ放熱される。一般的な回転電機では、通風ダクト７の軸方向幅は数ミリ程度であり、一方、隣り合う通風ダクトに挟まれた鉄心２の軸方向厚みはダクト幅の数倍から十倍程度と大きいので、上記のごとく固定子巻線５から、一旦、鉄心２へ熱伝導により伝熱し、鉄心２から通風ダクト７へ放熱する放熱経路が最も重要である。これに加え、鉄心２自身も発熱している。従って、固定子１の冷却を強化する上で、鉄心２から通風ダクト７への放熱量を十分確保することが必要である。
【００２１】
従来例で説明したように、回転子３から流出した冷媒が回転子の回転方向９と同じ旋回速度成分を持っているため、冷媒は固定子１の通風ダクト７へ斜めに流入する。この影響で、固定子通風ダクトに周方向の風量分布が生じるので、以下のように冷却能力が低下する恐れがある。まず、風量が減少した通風ダクト（本例では回転方向遅れ側ダクト７b）の冷媒温度上昇が大きくなる。最も単純には、例えば風量が半分になると温度上昇は二倍程度になると見積もることができる。また、鉄心２から冷媒への熱伝達率は、Dittus-Boelterの実験式によれば風速の0.8乗に比例するので、例えば風量が半分になると熱伝達率は43％低下し、当該通風ダクトに接する位置の鉄心温度が上昇する。この結果、固定子１の通風ダクト７内の冷媒風量および冷媒温度は周方向に不均一となり、冷却に対する寄与が小さいダクト（本例では回転方向遅れ側ダクト７b）が生じる。設計上、温度上昇の上限は最高温度により制約されるため、このような不均一は小さいことが望ましい。
【００２２】
また、圧延機向け電動機など、回転子３が両方向に回転する回転電機においては、回転方向９が変わると、通風量が増加する通風ダクトと減少するダクトが入れ替わることに注意が必要である。
【００２３】
そこで本実施例では、上記のような周方向の通風量の不均一を解消するため、間隔片８のスロットティース部に一か所、コアバック部に二か所の通風穴１３を設け、隣接する通風ダクト７aおよび７bを周方向に連通させている。従来技術の項で説明したように、回転子３の回転方向９に対し進み側の通風ダクト７aの方が、風量が多く圧力も高い。このため通風穴１３では、圧力が高い通風ダクト７aから、圧力が低い通風ダクト７bへ冷媒の流れ１４が生じる。この流れ１４により、通風ダクト７aと通風ダクト７bとの間の冷媒風量の不均一は解消され、通風ダクト７内の周方向流量配分が均一化される。その結果、各通風ダクト７の冷媒温度上昇、および鉄芯２と冷媒の間の熱伝達率も周方向に一様化され、鉄芯２および巻線５の周方向温度分布も一様化される。これにより、局所的な最高温度が低減され冷却性能が強化される。
【００２４】
また、通風穴１３を間隔片８の径方向の複数の位置に設けることにより、間隔片８と鉄芯２が接触しない径方向距離を短くし、かつ接触しない位置を分散することができるので、積層鋼板を軸方向に固定支持する機能を維持することができる。
【００２５】
ところで一つの間隔片８の通風穴１３の合計面積は、通風抵抗が大きくなりすぎないように設定する必要がある。通風路の面積が急変すると、通風抵抗は大きくなる。このような通風抵抗の増大を避けるためには、通風穴１３の合計面積を、隣り合う間隔片８に挟まれた一本の通風ダクト７の通風面積と、概略同程度にすることが望ましい。
【００２６】
たとえば、通風穴１３の軸方向高さを間隔片８の軸方向高さの半分にしたとする。この場合は、平均半径位置の通風ダクト幅１４の約二倍の半径方向長さをもった通風穴が必要となる。これを一つの通風穴で実現しようとすると、典型的には鉄芯２の内外径差の三分の一程度の径方向長さの通風穴となる。このような単一の大きな通風穴では、積層鋼板を軸方向に固定支持する機能が維持できないので、実用上、通風穴１３を間隔片の半径方向複数位置に設けることは必須である。
【実施例２】
【００２７】
実施例１では、通風穴１３は、間隔片の片側を矩形に切欠くことで形成している。図１および図２では、通風穴１３は角を有する形状をしているが、通風抵抗を低減するために通風穴１３の形状を変えることは、当然考えられる本発明の変形例である。そのような変形例の一つを図３に示す。通常、もっともよく用いられる形状の一つは角の面取り１４である。このような面取りを施すと、角がある場合に比べて通風抵抗が半分程度に低下する。本変形例のような通風穴形状によれば、同一面積の角を有する通風穴形状と比較して、通風穴の通過冷媒風量が増加するので、冷媒風量分布の均一化効果が大きくなるという利点がある。あるいは、より小さい通風穴の面積で、角がある通風穴の場合と同等の冷媒風量均一化効果が得られるので、積層鋼板を軸方向に固定支持する機能の低下を最小限とすることができる。また、通風穴１３の出入り口形状は面取りに限定されるものではなく、たとえばアールを持たせた形状とし、さらに通風損失の低減を図ることもできる。
【実施例３】
【００２８】
図２の実施例１では、間隔片の片側のみに通風穴のための切欠きを設けているが、両側に設けることも可能である。このようなもう一つの変形例を図４に示す。通常、間隔片８に作用する圧縮力が問題となることは少ないが、同じ通風穴面積の場合、切欠きを片面に設けるよりも両側に設けた方が、間隔片８と鉄芯２との接触面の面圧を低く保つことができる。本実施例は、鉄芯を軸方向に締め付ける力が大きい場合に、より構造信頼性を高く保つことができるというメリットがある。
【実施例４】
【００２９】
本発明による回転電機の第２の実施の形態を図５に示す。本実施例では、隣り合う間隔片８の通風穴１３の半径位置を、互いにずらして設けてある。図に示すように、圧力が低く冷媒流量が小さい通風ダクト７bには、両側の隣り合う通風ダクト７aから、通風穴１３をとおって冷媒が流入する。図１の実施例のように、隣り合う間隔片８の通風穴１３を、同じ半径位置に設けると、両側から流入した冷媒が衝突し、通風抵抗を増加させる恐れがある。これに対し、本実施例のように通風穴１３の半径位置を隣接する間隔片８と異ならせることにより、両側から流入する冷媒の衝突を防ぎ、通風ダクト７内の流れを円滑化し通風抵抗の増加を防止できるというメリットがある。
【実施例５】
【００３０】
本発明による回転電機の第３の実施の形態を図６に基づいて説明する。本実施例では、通風穴１３の半径方向内側（通風ダクトの上流側）に、通風穴に向かって間隔片の周方向幅が漸次せまくなるよう、テーパー部１５を設けている。このような構成によれば、通風ダクト内を流れる冷媒は、テーパー部１５に沿って流れるので、通風穴１３入口の外径側（通風ダクトの下流側）に冷媒が衝突する。この冷媒の衝突１６により通風穴入口の圧力が上昇し、通風ダクト７aから通風ダクト７bへと流入する冷媒の量が増加し、通風ダクト７内の冷媒流量分布の均一化作用が増加するメリットがある。
【００３１】
以上説明してきた実施例のような構成によれば、回転子から流入する冷媒が旋回流であることの影響により生じる、固定子通風ダクト内の周方向の冷媒風量分布を均一化することができ、その結果温度分布も均一化されて最高温度が低減できる。また、通風穴を、間隔片の径方向複数位置に設けることで、必要な通風面積を確保しつつ、積層鋼板を軸方向に固定支持する機能を維持できる。さらに、本発明の構成は、回転子の回転方向によらず同じ効果を維持できるので、圧延機向け電動機のように、回転方向が変わる場合にも有効な冷却構造である。
【００３２】
以上、実施例１から実施例５までの全てにおいて、一つのスロットティース部の間隔片が一本の場合を例示したが、複数本の間隔片が配置される構造を排除するものではない。例えば、比較的スロット数が少なく、ティースの周方向幅が大きい場合には、間隔片を複数配置する場合があり、このような場合にも同様に通風穴を設けることにより、冷媒の流量配分を均一化することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１  固定子
２  鉄心
３  回転子
４  間隙
５  固定子巻線
６  スロット
７  通風ダクト
８  間隔片
９  回転子の回転方向
１０  通風ダクトのティース部
１１  冷媒の衝突
１２  冷媒の剥離渦
１３  通風穴
１４  通風穴の面取り
１５  テーパー
１６  冷媒の衝突
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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