(57)【要約】【課題】全閉外扇形回転電機の冷却ファンから排出された気体の流速ベクトルは、半径方向の成分と円周方向の成分を持ち、ファンカバーによってフレームの表面に沿う方向に偏向された後の流速ベクトルもプレート形の放熱フィンに平行方向の成分と垂直方向の成分を持つ。流速ベクトルの放熱フィンに垂直方向の成分は、放熱フィンと干渉して大きな圧力損失を生じるため、冷却気体の流速が低下して回転電機の冷却効率が低下する。【解決手段】固定子の周りを包囲するフレーム３と、このフレームの外周面に設けられた複数の放熱体３１と、機外に突出された回転軸に取り付けられた冷却ファン８と、この冷却ファンによって付勢された気流を上記フレームの外周面に沿う方向に偏向するファンカバー９を備えた全閉外扇形回転電機において、上記放熱体をピン形に構成した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子の周りを包囲するフレームと、このフレームの外周面に設けられた複数の放熱体と、機外に突出された回転軸に取り付けられた冷却ファンと、この冷却ファンによって付勢された気流を上記フレームの外周面に沿う方向に偏向するファンカバーとを備えた全閉外扇形回転電機において、上記放熱体がピン形に形成されてなることを特徴とする全閉外扇形回転電機。
【請求項２】
上記ピン形の放熱体は、上記フレームの外周面を流れる気流の流速ベクトルの方向に沿って配列されていることを特徴とする請求項１に記載の全閉外扇形回転電機。
【請求項３】
上記ファンカバーは、上記ピン形の放熱体を包囲するように上記気流の下流方向に伸びて形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の全閉外扇形回転電機。
【請求項４】
上記フレームの外周面にプレート形の放熱体を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の全閉外扇形回転電機。
【請求項５】
上記気流の上流部に上記ピン形の放熱体を設け、上記気流の下流部に上記プレート形の放熱体を設けたことを特徴とする請求項４に記載の全閉外扇形回転電機。
【請求項６】
上記ファンカバーは、吸気口がハニカム形状の貫通穴であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の全閉外扇形回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機の機外に突出する回転軸に取り付けられた冷却ファンを回転させて発生した気流を、回転電機のフレームの外周面に設けた放熱体に流すようにした全閉外扇形回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の全閉外扇形回転電機として、固定子枠における冷却フィン（放熱体）のファン側の端面を、該冷却フィンの上辺から基部側に向うに従ってフィン長さが短辺となって傾斜する状態に形成することで、ファンにより送風される冷却ガスを冷却フィンの基部側に偏向させるように構成し、これにより固定子枠の冷却フィンの隙間に沿って冷却ガスと冷却フィンとの間で熱交換効率を向上し得、回転電機本体内部の温度上昇を抑制するようにしたものがある（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３２５３７０９号公報（第３頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように構成された従来の全閉外扇形回転電機では、放熱体の形状がプレート形であり、かつその放熱体が回転軸に平行になるようにフレームに設けられている。そのため、冷却ファンの回転に伴って吸気口からファンカバー内に流入した冷却気体は、冷却ファンにより加圧されて回転軸にほぼ垂直な面内方向に排出されるが、冷却ファンから排出された冷却気体の流速ベクトルは、半径方向の成分と円周方向の成分を持ち、ファンカバーによってフレームの表面に沿う方向に偏向された後の流速ベクトルもプレート形の放熱体に平行方向の成分と垂直方向の成分を持つ。流速ベクトルの放熱体に垂直方向の成分は、放熱体と干渉して大きな圧力損失を生じる。このため、冷却気体の流速が低下して回転電機の冷却効率が低下するという課題があった。
【０００５】
この発明は、上記のような従来技術の課題を解消するためになされたもので、冷却ファンによる冷却効率が向上された全閉外扇形回転電機を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明による回転電機は、固定子の周りを包囲するフレームと、このフレームの外周面に設けられた複数の放熱体と、機外に突出された回転軸に取り付けられた冷却ファンと、この冷却ファンによって付勢された気流を上記フレームの外周面に沿う方向に偏向するファンカバーとを備えた全閉外扇形回転電機において、上記放熱体がピン形に形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明においては、フレームの外周面に設けられた複数の放熱体がピン形に形成されていることにより、冷却ファンによって付勢された気流が流速ベクトルに沿う方向に流れるようになるため、冷却気体と放熱体の干渉が小さくなり、冷却気体が放熱体の間を通過する際の圧力損失が低減される。これにより、冷却気体の流速が増加して冷却気体と放熱体の間の熱交換が促進され、効果的に回転電機を冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１〜図５はこの発明の実施の形態１に係る全閉外扇形回転電機の一例としての全閉外扇形電動機（以下、単に電動機と略す）を説明する図であり、図１は回転軸に沿う縦断面図、図２は図１に示されたファンカバーを取り外したときの外観を概念的に示す平面図、図３は図１に示されたファンカバーを示す正面図、図４は図１に示されたファンを示す正面図、図５は図１に示された電動機の実施例について測定されたフレームの温度上昇を、従来の電動機（比較例）と比較して示す特性図である。図において、電動機１は、円筒状の固定子２、この固定子２を固定すると共に該固定子２の周りを包囲するフレーム３、フレーム３の外周面に多数立設されたピン形の放熱体３１、固定子２の内周面に対して所定の間隙を有するように設けられた回転子４、回転子４の回転中心を貫いて設けられ該回転子４に固着された回転軸５、負荷側（図１の右側）に突出する回転軸５を軸受６Ａを介して支承する負荷側ブラケット７Ａ、反負荷側に突出する回転軸５を軸受６Ｂを介して支承する反負荷側ブラケット７Ｂ、反負荷側に突出する回転軸５に固定された冷却ファン８、冷却ファン８によって付勢された気流をフレーム３の外周面に沿う方向に偏向するファンカバー９を備えている。
【０００９】
固定子２は回転軸方向（図１の左右方向）に積層された鉄心２１と、鉄心２１に形成された複数の溝（図示省略）に巻装された固定子巻線２２からなる。フレーム３、負荷側ブラケット７Ａ、及び反負荷側ブラケット７Ｂによって機体の内外が仕切られており、負荷側ブラケット７Ａ、及び反負荷側ブラケット７Ｂは電動機１の軸方向の端面を形成している。軸受６Ａ、６Ｂに回転自在に支持された回転軸５は、両端部が機外に突出され、冷却ファン８は反負荷側ブラケット７Ｂの機外側に突出した部分に固定されている。なお、回転軸５の負荷側ブラケット７Ａの外側に突出した部分には図示省略している負荷が接続される。上記冷却ファン８としては、電動機１の回転方向によらずに同一の送風性能を発揮させるためにラジアルファンが採用されており、図４に示すように複数の羽根８１が回転軸５に対して放射状に配置されている。
【００１０】
ファンカバー９は冷却ファン８を覆うと共に、ピン形の放熱体３１の略全体を包囲するように気流の下流方向に伸びて、フレーム３の外表面との間の空間で冷却気体の流路を形成しており、反負荷側端面には外部から冷却ファン８に冷却気体を導入するためのハニカム状の吸気口９ａが設けられ、負荷側端面には放熱体３１から奪った熱を気流と共に排出するための排気口９ｂが形成されている。なお、ファンカバー９は図示省略している固定手段によりフレーム３に固定されている。その他の構成は従来の全閉外扇形電動機と同様であるので説明を省略する。
【００１１】
この実施の形態１の特徴部分は、
１．フレーム３は、例えばアルミダイカストのように比較的自由に所望の形状を形成できる製法で製造され、その外周面に形成された放熱体３１が円柱状のピン形である。尚、放熱体３１の形状は円柱状に限定されるものではなく、ピン形であれば例えば楕円柱状、四角柱状など他の形状としても差し支えない。
２．ピン形の放熱体３１は、図２に示すようにフレーム３の外表面を流れる冷却気体の流速ベクトルＶ２に沿うようにＶ２に略平行に配列されている。
３．ファンカバー９は、図１に示すようにフレーム３に形成された全ての放熱体３１を覆うように負荷側端面部近傍まで延びてダクト状に形成されている。
４．ファンカバー９の吸気口９ａは、図３に示すようにハニカム形状である。
【００１２】
次に、上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。電動機１を駆動すると、回転軸５を介して冷却ファン８も回転し、ファンカバー９の吸気口９ａから冷却気体がファンカバー９内に流入する。このとき吸気口９ａを構成する貫通孔の形状がハニカム形状であるため、他の穴形状の場合と比較して開口率および開口面積を大きく取ることが可能になり、冷却気体が吸気口９ａを通過する際の圧力損失が低減され、ファンカバー９に流入する冷却気体の流量が増加する。さらにハニカム形状であるため、開口面積を大きく取っても比較的高い強度を保てると同時に、同じ外径であれば成形等で製作する場合に必要とする材料が少なくて済むという利点もある。ファンカバー９内に流入した冷却気体は、冷却ファン８により回転軸５にほぼ垂直な面内方向に付勢される。図４に示すように、このとき冷却ファン８から排出される冷却気体の流速ベクトルＶ１は、半径方向の成分Ｖｒと円周方向の成分Ｖωを持つ。
【００１３】
ここで図２、図４に示すように冷却ファン８の外径をＤ、羽根８１の幅をＥ、角速度をω、風量の設計値をＱとすると、流速ベクトルＶ１の半径方向の成分Ｖｒと円周方向の成分Ｖωは、それぞれ下記の式１、式２に示す通りとなる。
Ｖｒ＝Ｑ／（πＤＥ）・・・・・（式１）
Ｖω＝ωＤ／２・・・・・（式２）
従ってＶｒとＶωの合成ベクトルである流速ベクトルＶ１が、円周方向の成分Ｖωに対してなす角βは、下記の式３に示す通りとなる。
β＝ｔａｎ−１（Ｖｒ／Ｖω）・・・・・（式３）
【００１４】
冷却ファン８から排出された冷却気体は、ファンカバー９によってフレーム３の外表面に沿う方向に偏向されるが、偏向後の流速ベクトルＶ２は図２に示すように、回転軸５に平行方向の成分Ｖｐと垂直方向の成分Ｖｖを持つ。流速ベクトルＶ１から流速ベクトルＶ２に偏向される前後で流速ベクトルの成分の比は略保たれるため、流速ベクトルＶ２が回転軸５に垂直方向の成分Ｖｖに対してなす角も上記式３に示す角βに略等しくなる。
【００１５】
この実施の形態１では、放熱体３１がフレーム３の外表面を流れる冷却気体の流速ベクトルＶ２に略平行になるように、回転軸５に対して±（π／２−β）の角度を持って配列されているため、冷却気体と放熱体３１の干渉が小さくなり、冷却気体が放熱体３１の間をスムーズに流れる。その結果、冷却気体が放熱体３１の間を通過する際の圧力損失が低減されるため、冷却気体の流量が増加する。また、ラジアルファンが採用され、放熱体３１の形状がピン形であるため、冷却ファン８の回転方向によらずに同様に動作させ、同様の効果を得ることができる。さらに、冷却気体の流速ベクトルＶ２の回転軸５に垂直方向の成分Ｖｖにより、冷却気体は放熱体３１の外側に漏れ出そうとするが、ファンカバー９が全ての放熱体３１を覆うように軸方向に延びてダクト状に形成されているため、冷却気体の流れの下流に配置された放熱体３１まで冷却気体が到達して放熱に寄与する。
【００１６】
上記実施の形態１の具体的な一実施例として、冷却ファン８の回転数１４００ｒｐｍ、ピン形の放熱体３１についてはアルミダイカストによる成形性を考慮して、高さを１０〜１５ｍｍ、直径を２〜３ｍｍとし、フレーム３を正面から見たときに放熱体３１の配列と回転軸５の成す角度、即ち図２において±（π／２−β）を約８０°、放熱体３１の配列間隔を２〜１８ｍｍとした電動機１について測定されたフレーム３の温度上昇を、同等サイズのプレート形の放熱体を、回転軸に平行な方向に１０ｍｍの間隔で配列した電動機（比較例）のフレームの温度上昇と比較した結果を図５に示す。なお、図５の横軸はピン形の放熱体３１の配列間隔（ｍｍ）、縦軸は上記比較例の温度上昇を１としたときの上記実施例の温度上昇を放熱体３１の配列間隔をパラメータとして示す相対値である。
【００１７】
図５から明らかなように、上記実施例の場合、ピン形の放熱体３１の配列間隔が約８〜１２．５ｍｍの間で、放熱体をプレート形とした従来装置に相当する比較例よりも温度上昇が低くなり、該配列間隔が約１０ｍｍのときにフレーム３の温度上昇が最も小さく、温度上昇を約１５％低減することができた。なお、上記実施例の構成は発明の効果を検証するための一例に過ぎず、寸法、材料、角度、冷却ファン８の回転数等、該実施例に限定されないことは言うまでもない。また、実施の形態１の説明では、放熱体３１をピン形とすると共に、該放熱体３１をフレーム３の外表面を流れる冷却気体の流速ベクトルＶ２に略平行に配列し、ファンカバー９がフレーム３に形成された全ての放熱体３１を覆うように延長し、ファンカバー９の吸気口９ａをハニカム形状とする最良の形態について説明したが、第１の特徴部分である放熱体３１をピン形にした他は従来と同様の電動機であっても、冷却ファン８によって付勢された冷却気体の一部が流速ベクトルＶ２の方向に沿うようにフレーム３の外表面を流れるので、流速ベクトルＶ２の方向の流れを生じないプレート形の放熱体よりも冷却効果が高められるというこの発明の効果が得られる。
【００１８】
上記のように、この実施の形態１によれば、フレーム３の外周面にピン形の放熱体３１を設けるようにしたので、冷却気体の流量が増加して放熱体３１の間を通過する冷却気体の流速が大きくなり、冷却気体と放熱体３１の間の熱交換が促進され、電動機１を効果的に冷却することができる。加えて、該放熱体３１の配列を、フレーム３の外表面を流れる冷却気体の流速ベクトルＶ２に略平行となるように配設したので、冷却気体の流量及び流速が一層増し、電動機１の冷却効果が更に高まる。また、放熱体３１の略全体が覆われるようにファンカバー９がダクト状に延びて形成されているため、冷却気体が放熱体３１の間を通過する距離が長くなり、冷却気体と放熱体３１の間の熱交換が一層促進される。さらに、ファンカバー９の吸気口９ａをハニカム形状としたため、冷却気体が吸気口９ａを通過する際の圧力損失が低減され、ファンカバー９に流入する冷却気体の流量が増加するという顕著な効果が得られる。
【００１９】
実施の形態２．
図６、図７はこの発明の実施の形態２に係る全閉外扇形回転電機の一例としての全閉外扇形電動機を説明する図であり、図６は回転軸に沿う縦断面図、図７は図６に示された全閉外扇形電動機について測定された圧力損失特性を従来の全閉外扇形電動機と比較して示す特性図である。なお、実施の形態１と同一の部分は同一の符号を付して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。図において、電動機１Ａにおける円柱形状のピン形の放熱体３１Ａは冷却気体の流れの上流にあたるフレーム３外周面の反負荷側の端面部から下流方向にフレーム３の中間部にわたって設けられ、フレーム３の中間部から下流側の部分には、回転軸５と平行にプレート形の放熱体３２が設けられている。そして、ファンカバー９Ａは、ピン形の放熱体３１Ａ部分の外周部を覆うようにフレーム３の中間部までダクト状に延びて設けられている。なお、ピン形の放熱体３１Ａは実施の形態１と同様にフレーム３の表面を流れる冷却気体の流速ベクトルＶ２に略平行に配列されている。また、放熱体３１Ａは円柱形状に限定されず、ピン形であれば四角柱など他の形状としても差し支えない。なお、ファンカバー９Ａはプレート形の放熱体３２の部分までを覆うように延長しても差し支えない。
【００２０】
この実施の形態２は、フレーム３の回転軸方向の寸法が大きい場合でも効果的に冷却できるようにしたものである。即ち、上記実施の形態１の発明をフレーム３およびファンカバー９Ａの回転軸方向の寸法が大きい機種にそのまま適用した場合、ファンカバー９Ａによる圧力損失が大きくなって、特に冷却気体の流れの下流において流速ベクトルＶ２の回転軸５に垂直な方向の成分Ｖｖの減衰が大きくなり、回転軸５に平行な方向の成分Ｖｐが支配的になる。そのような場合は、冷却気体の下流における流速ベクトルＶ２が回転軸５に略平行になるため、ピン形の放熱体よりもプレート形の放熱体の方が放熱効率が良いと想定される。かかる観点から、この実施の形態２では回転軸方向の寸法が大きい場合に、フレーム３における冷却気体の流れの上流に相当する部分にはピン形の放熱体３１Ａを配設して流速ベクトルＶ２の回転軸５に垂直方向の成分Ｖｖによる冷却効果を有効に活用し、冷却気体の流れの下流に相当する部分にはプレート形の放熱体３２を配設して、この領域で流速ベクトルＶ２に支配的な回転軸５に平行方向の成分Ｖｐによる冷却効果を有効に活用するように構成したものである。
【００２１】
図７は、上記のように構成された実施の形態２による電動機の冷却効果を確認するために測定された風路圧損の低減効果の一例を、従来の全閉外扇形電動機（比較例）と比較して示したものである。図７において、横軸は風量（ｍ３／ｍｉｎ）、縦軸は圧力損失（ｍｍＡｑ）を示し、曲線Ａは用いた冷却ファン８の送風特性であるＰ−Ｑ特性、曲線Ｂは実施の形態２に係る電動機１Ａのシステム全体の圧力損失特性であるＲ−Ｑ特性、曲線Ｃは比較例として用いた従来の電動機（図示省略）のシステム全体の圧力損失特性であるＲ−Ｑ特性を示す。図７から明らかなように、フレーム３の外周面に形成する放熱体としてピン形の放熱体３１Ａとプレート形の放熱体３２を併用することで、従来のようにプレート形の放熱体だけを配置した場合と比較して、放熱体の間を通過する風量が増加することにより効果的に電動機１Ａが冷却されるという効果がある。
【００２２】
なお、上記実施の形態１、２では回転電機が電動機の場合について説明したが、発電機などでも同様の効果が得られることはいうまでもない。また、吸気孔９ａの形状、冷却ファン８の羽根形状、フレーム３の形成方法等、例示したものに限定されるものではない。さらに、ピン形の放熱体３１について、図２では発明の理解を容易にするために上面側のピンが周方向の所定範囲で同一の方向を向いているように図示しているが、必ずしも図示のものに限定されるものではなく、例えば回転軸５に対して放射状に設けても良い。その他、例えばブラケットの一方をフレームと一体に形成する等、この発明の精神の範囲内で種々の変形や変更ができることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施の形態１に係る全閉外扇形回転電機の一例としての全閉外扇形電動機の回転軸に沿う縦断面図。
【図２】図１に示されたファンカバーを取り外した状態の全閉外扇形電動機を示す平面図。
【図３】図１に示されたファンカバーを示す正面図。
【図４】図１に示されたファンを示す正面図。
【図５】図１に示された電動機について測定されたフレームの温度上昇を、同等サイズのプレート形の放熱体を設けた従来の電動機（比較例）と比較して示す特性図。
【図６】本発明の実施の形態２に係る全閉外扇形回転電機の一例としての全閉外扇形電動機の回転軸に沿う縦断面図。
【図７】図６に示された電動機について測定された圧力損失特性を従来の全閉外扇形電動機と比較して示す特性図。
【符号の説明】
【００２４】
１、１Ａ  全閉外扇形電動機（電動機）、２    固定子、  ３  フレーム、  ３１、３１Ａ  （ピン形の）放熱体、  ３２  （プレート形の）放熱体、  ４  回転子、  ５  回転軸、  ６Ａ、６Ｂ  軸受、  ７Ａ  負荷側ブラケット、  ７Ｂ  反負荷側ブラケット、  ８  冷却ファン、  ８１  羽根、  ９、９Ａ  ファンカバー、  ９ａ  吸気口、  ９ｂ  排気口。
【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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