(57)【要約】【課題】回転子の冷却性能を向上させる。【解決手段】回転電機の回転子は、軸方向に延びるロータシャフト１１と、複数の積層体３２ａ、３２ｂを有する回転子鉄心１２とを有する。ロータシャフト１１の外側に設けられて中央に同心に形成された中央開口を有する円形の複数の積層用板３１が軸方向に同心に積層された複数の積層体３２ａ、３２ｂは、互いに軸方向に隣接する部分で互いの間隔を有することにより冷却用気体が通過するためのダクト３３を形成する。回転子鉄心１２は軸方向に延びた軸方向流路１３ａを有し、ダクト３３を挟んで互いに対向する積層体３２ａ、３２ｂの少なくとも一方において、ダクト３３の近傍での軸方向流路の面積が、軸方向にダクト３３に近づくに従って単調増大する。【選択図】図４
2016025674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と前記回転子の径方向外側に設けられた固定子とを備える回転電機であって、
前記回転子は、
回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるロータシャフトと、
前記ロータシャフトの外側に設けられて中央に同心に形成された中央開口を有する円形の複数の積層用板が前記軸方向に同心に積層された複数の積層体であって、互いに前記軸方向に隣接する部分で互いの間隔を有することにより冷却用気体が径方向外向きに通過するためのダクトを形成している複数の積層体を有する回転子鉄心と、
を具備し、
前記回転子鉄心は前記軸方向に延びた軸方向流路を有し、前記ダクトを挟んで互いに対向する前記積層体の少なくとも一方において、前記ダクトの近傍での前記軸方向流路の面積が、前記軸方向に前記ダクトに近づくに従って単調増大することを特徴とする回転電機。
【請求項２】
前記回転子鉄心の径方向表面近傍に設けられて前記軸方向に延びて周方向に互いに間隔をあけて配設された回転子コイルをさらに具備す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】
前記軸方向に延び前記ロータシャフトの径方向外側に配置され周方向に互いに間隔をあけて取り付けられて、前記回転子鉄心をその内周側から支持して前記回転子鉄心を前記ロータシャフトと同心に固定する複数のリブをさらに備えて、
前記積層体は前記ロータシャフトに取り付けられた前記複数のリブの外側に設けられて前記ダクトの近傍を除いて前記複数のリブによって径方向に同心に位置決めされ、前記ロータシャフトの径方向外側の前記中央開口が前記軸方向につながることにより前記軸方向流路を形成し、
前記ダクトを挟んで互いに対向する前記積層体の少なくとも一方において、前記ダクトの近傍での前記積層用板に形成された中央開口の面積が、前記軸方向に前記ダクトに近づくに従って単調増大することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記回転子鉄心の全ての前記積層用板を径方向の位置決めにより同心とするために、全ての前記積層用板を前記軸方向に貫通する複数の棒状のクランプバーをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記回転子鉄心を前記軸方向の両側から圧縮するために前記回転子鉄心を挟むように前記回転子鉄心の前記軸方向の両側に設けられた２つのクランパをさらに備えて、
複数の前記クランプバーは、前記２つのクランパに両端をそれぞれ接続され前記クランパを介して前記回転子鉄心を前記軸方向に締め付け可能に形成されている、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項６】
前記ダクトの近傍での前記軸方向流路の面積は、前記軸方向に前記ダクトに近づくに従ってステップ状に単調増大することを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の回転電機。
【請求項７】
回転電機の回転子であって、
回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるロータシャフトと、
前記ロータシャフトの外側に設けられて中央に同心に形成された中央開口を有する円形の複数の積層用板が前記軸方向に同心に積層された複数の積層体であって、互いに前記軸方向に隣接する部分で互いの間隔を有することにより冷却用気体が径方向外向きに通過するためのダクトを形成している複数の積層体を有する回転子鉄心と、
を具備し、
前記回転子鉄心は前記軸方向に延びた軸方向流路を有し、前記ダクトを挟んで互いに対向する前記積層体の少なくとも一方において、前記ダクトの近傍での前記軸方向流路の面積が、前記軸方向に前記ダクトに近づくに従って単調増大することを特徴とする回転子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内部に冷却流路が形成された鉄心を備えた回転子およびその回転子を有する回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば同期電動機などの回転電機の回転子は、通常、軸回りを回転するロータシャフトと、強磁性体の鋼板を軸方向に積層した円筒形状の回転子鉄心と、回転子鉄心の周方向外側で軸方向に延びるように形成された複数のスロットに収納された回転子コイルとを有する。
【０００３】
回転子コイルは、回転子鉄心のスロットの径方向外側の軸方向に延びた開口部に、開口部を塞ぐように挿入された回転子楔によって保持されている。また、回転子コイルは、回転子鉄心軸方向外側に突出した部分を環状の保持環により遠心力に抗するように保持されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平５−１６１２８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、回転子コイルは多くの部材と機械的に接触、あるいは結合しているが、電気的には、絶縁が維持されている必要がある。このため、回転子コイルおよびその周辺の部材には、多くの絶縁材が使用されている。
【０００６】
絶縁材料は、それぞれの材質等に応じて使用温度に耐熱性能上の制限がある。一方、近年の回転電機の単機容量の増大化とともに、回転子コイル内の電流密度は上昇する傾向にある。このため、回転子コイルをはじめとして回転子の各部の冷却が重要である。また、固定子についても同様に各部の冷却が重要である。
【０００７】
回転子の冷却には、たとえば特許文献１に示されるように、ロータシャフトと回転子鉄心間に円筒状の空間を設け、また、軸方向に回転子鉄心間の間隙であるダクトを設ける例がある。空気などの回転子の冷却用気体は、この円筒状の空間から流入し軸方向に流れ、方向を転換してダクト内を径方向外向きに流れる。このような場合、冷却用気体の流れによる圧力損失を低減して冷却性能を確保することが重要である。
【０００８】
そこで、本発明は、回転子の冷却性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の目的を達成するため、本発明は、回転子と前記回転子の径方向外側に設けられた固定子とを備える回転電機であって、前記回転子は、回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるロータシャフトと、前記ロータシャフトの外側に設けられて中央に同心に形成された中央開口を有する円形の複数の積層用板が前記軸方向に同心に積層された複数の積層体であって、互いに前記軸方向に隣接する部分で互いの間隔を有することにより冷却用気体が径方向外向きに通過するためのダクトを形成している複数の積層体を有する回転子鉄心と、を具備し、前記回転子鉄心は前記軸方向に延びた軸方向流路を有し、前記ダクトを挟んで互いに対向する前記積層体の少なくとも一方において、前記ダクトの近傍での前記軸方向流路の面積が、前記軸方向に前記ダクトに近づくに従って単調増大することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明は、回転電機の回転子であって、回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるロータシャフトと、前記ロータシャフトの外側に設けられて中央に同心に形成された中央開口を有する円形の複数の積層用板が前記軸方向に同心に積層された複数の積層体であって、互いに前記軸方向に隣接する部分で互いの間隔を有することにより冷却用気体が径方向外向きに通過するためのダクトを形成している複数の積層体を有する回転子鉄心と、を具備し、前記回転子鉄心は前記軸方向に延びた軸方向流路を有し、前記ダクトを挟んで互いに対向する前記積層体の少なくとも一方において、前記ダクトの近傍での前記軸方向流路の面積が、前記軸方向に前記ダクトに近づくに従って単調増大することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回転子の冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る回転電機の横断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線矢視縦断面図である。
【図３】図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。
【図４】図３のＩＶ部の詳細を示す縦断面図である。
【図５】積層体の組み合わせを模式的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る回転電機および回転子について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。
【００１４】
図１は、実施形態に係る回転電機の横断面図である。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線矢視縦断面図である。また、図３は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視縦断面図である。回転電機１００は、回転子１０および固定子２０を有する。
【００１５】
回転子１０は、回転軸回りを回転するロータシャフト１１、ロータシャフト１１の半径方向外側に配されて軸方向に延びた円筒状の回転子鉄心１２を有する。回転子鉄心１２は、ロータシャフト１１の外形よりも大きな内径を有し、ロータシャフト１１と同心に設けられて、複数のリブ１３によってロータシャフト１１と結合されている。
【００１６】
ロータシャフト１１の外面と回転子鉄心１２の内面間を接続する複数のリブ１３は、周方向に互いに間隔をもって軸方向に延びている。この結果、ロータシャフト１１の外面と回転子鉄心１２の内面と、複数のリブ１３によって、複数の軸方向流路１３ａが形成されている。
【００１７】
回転子鉄心１２の半径方向外側の面には、周方向に互いに間隔をもって配され軸方向に延びた複数のスロット１２ａが形成されている。それぞれのスロット１２ａには、回転子コイル１４が設けられている。回転子コイル１４の軸方向の両端、すなわち回転子鉄心１２の軸方向外側では、回転子コイル１４が回転時の遠心力により径方向外側に変形するのを防止するように、回転子コイル１４が保持環１７（図２）によって保持されている。
【００１８】
回転子鉄心１２は、中心領域に孔が形成された磁性体の鋼板である積層用板３１が軸方向に積層された積層体３２（図２、図３）を有する。回転子鉄心１２と同心の円周上で周方向に互いに間隔をもった位置に、複数のクランプバー１５（図１、図２）が軸方向に貫通している。
【００１９】
回転子鉄心１２の軸方向の両外側には、それぞれ板状のクランパ１５ａ（図２、図３）が設けられている。クランプバー１５の両端は、それぞれクランパ１５ａを貫通し、ナット１５ｂが取り付けられており、ナット１５ｂで締め込むことによって、クランパ１５ａはクランプバー１５を介して互いに近接する方向に移動する。この結果、回転子鉄心１２は、クランパ１５ａによって軸方向の両側から締め付けられている。
【００２０】
また、回転子鉄心１２の、クランプバー１５よりも径方向外側に、回転子鉄心１２と同心の円周上で周方向に互いに間隔をもった位置に、複数のダンパーバー１６が軸方向に貫通している。ダンパーバー１６の両端は、穴あき円板状の短絡板１６ａに接続している。短絡板１６ａも回転子鉄心１２を軸方向両側から締め付けている。
【００２１】
回転子鉄心１２の軸方向には、積層板３１が設けられていない部分であって、図示しないスペーサによって径方向の流路となる間隙であるダクト３３が形成されている（図２、図３）。ダクト３３は、軸方向流路１３ａと回転子１０の径方向外側を直接に連絡する流路となる。すなわち、ダクト３３において周方向全体にわたって径方向外側に冷却用気体が流出する。なお、ダクト３３は、軸方向に１か所設けられている場合を示したが、これには限定されない。軸方向に複数個所あってもよい。ダクト３３の設置個所は、回転電機１００内のたとえば空気などの冷却用気体の全体的な流れ、および、流れの配分等によって決定することでよい。
【００２２】
回転子鉄心１２の径方向外側には、固定子２０が設けられている。固定子２０は、円筒形状であり、固定子２０の径方向内側は、回転子１０の径方向外側とギャップを挟んで対向している。回転子鉄心１２、回転子コイル１４、および固定子２０は、図示しないケーシング内に収納されている。ケーシング内では冷却用気体（たとえば空気）の流路が形成されており、回転子１０内では、冷却用気体は、回転子１０の軸方向両側の端部から軸方向流路１３ａ内を軸方向に流れた後に、ダクト３３（図２、図３）から径方向外側に流出する。
【００２３】
図４は、図３のＩＶ部の詳細を示す縦断面図である。また、図５は、積層体の組み合わせを模式的に示す斜視図である。
【００２４】
積層体３２のうちの軸方向に並ぶ第１の積層体３２ａと第２の積層体３２ｂとの間に、ダクト３３が形成されている。第１の積層体３２ａは、軸方向に積層された複数の第１の積層板３１ａを有する。また、第２の積層体３２ｂは、軸方向に積層された複数の第２の積層板３１ｂを有する。ダクト３３の近傍を除いて、複数の第１の積層用板３１ａのそれぞれの中央には、同心で同じ径の中央開口３７が形成されている。中央開口３７は、ロータシャフト１１に取り付けられた複数のリブ１３の外接円に、積層体３２へのロータシャフト１１の挿入を可能とするクリアランス分を加えた径を有する大きさである。
【００２５】
第１の積層体３２ａのダクト３３の近傍では、第１の積層体３２ａの中央に形成されたそれぞれの開口の直径がダクト３３に近づくにつれて２段階に増大し段付き部３４ａおよび段付き部３４ｂを形成している。具体的には、段付き部３４ａのそれぞれの第１の積層用板３１ａに形成された中央開口３７ａは、中央開口３７より大きくなっている。また、ダクト３３に隣接する段付き部３４ｂのそれぞれの第１の積層用板３１ａに形成された中央開口３７ｂは、中央開口３７ａよりさらに大きくなっている。
【００２６】
同様に、第２の積層体３２ｂは、軸方向に積層された複数の第２の積層板３１ｂを有する。ダクト３３の近傍を除いて、複数の第２の積層用板３１ｂのそれぞれの中央には、同心で同じ径の中央開口３８が形成されている。中央開口３８は、中央開口３７と同様に、ロータシャフト１１に取り付けられた複数のリブ１３の外接円に、積層体３２へのロータシャフト１１の挿入を可能とするクリアランス分を加えた径を有する大きさである。
【００２７】
第２の積層体３２ｂのダクト３３の近傍では、第２の積層体３２ｂの中央に形成されたそれぞれの開口の直径がダクト３３に近づくにつれて２段階に増大し段付き部３５ａおよび段付き部３５ｂを形成している。具体的には、段付き部３５ａのそれぞれの第２の積層用板３１ｂに形成された中央開口３８ａは、中央開口３８より大きくなっている。また、ダクト３３に隣接する段付き部３５ｂのそれぞれの第２の積層用板３１ｂに形成された中央開口３８ｂは、中央開口３８ａよりさらに大きくなっている。
【００２８】
なお、段付き部３４ａおよび３４ｂに形成された開口の直径が２段階に増大する場合、すなわち、開口の直径が３種類の場合を示したが、これに限定されない。たとえば、開口の直径は、軸方向に沿ってダクト３３に近づくにつれて単調に増加するのであれば、２種類でもよいし、あるいは、３種類以上でもよい。あるいは、積層体３２を軸方向に円錐状に穿つことにより、それぞれの積層用板３１の開口の直径が連続的に増大するように形成してもよい。
【００２９】
また、ダクト３３の入口で、第１の積層体３２ａに段付き部３４ａおよび段付き部３４ｂが形成され、また、第２の積層体３２ｂにも段付き部３４ａおよび段付き部３４ｂとそれぞれ対称に段付き部３５ａおよび段付き部３５ｂが形成されている場合を示したが、このように対称な場合に限定されない。段付き部３４ａと段付き部３４ｂの形状が異なる場合でもよい。また、いずれか一方のみに段付き部が形成されている場合でもよい。
【００３０】
段付き部の形状および寸法は、たとえば、回転子１０の周囲の冷却用気体の流れの状態、段付き部の形成による冷却効率の向上の程度、孔の形成のための作業負担等を考慮して決定される。
【００３１】
以上のように形成された本実施形態においては、軸方向流路１３ａを流れる冷却用の気体が、ダクト３３に流入する際、入口拡張部３６が形成されているために、流れの方向の急激な変化が緩和され、流れの方向の急激な変化による圧力損失が緩和される。また。ダクト３３の入口が徐々に狭くなっているため、流れの急激な縮小による圧力損失が緩和される。このように、圧力損失の発生が緩和され減少することにより、回転電機１００内の冷却用気体の流れがよくなり、冷却性能が向上する。
【００３２】
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。たとえば実施形態では、積層用板に形成された中央開口が軸方向流路を形成する要素となっている場合を示したが、これには限定されない。たとえば中央開口とは別に積層用板に形成された開口が連なって軸方向流路を形成している場合でも、本発明は適用できる。
【００３３】
さらに、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。
この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
【符号の説明】
【００３４】
１０…回転子、１１…ロータシャフト、１２…回転子鉄心、１２ａ…スロット、１３…リブ、１３ａ…軸方向流路、１４…回転子コイル、１５…クランプバー、１５ａ…クランパ、１５ｂ…ナット、１６…ダンパーバー、１６ａ…短絡板、１７…保持環、２０…固定子、３１…積層用板、３１ａ…第１の積層用板、３１ｂ…第２の積層用板、３２…積層体、３２ａ…第１の積層体、３２ｂ…第２の積層体、３３…ダクト、３４ａ、３４ｂ、３５ａ、３５ｂ…段付き部、３６…入口拡張部、３７、３７ａ、３７ｂ、３８、３８ａ、３８ｂ…中央開口、１００…回転電機
【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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