JP4532964B2

JP4532964B2 - 二重回転子電動機

Info

Publication number: JP4532964B2
Application number: JP2004103303A
Authority: JP
Inventors: 毅河内; 隆平山; 憲人阿部; 栄一竹内; 政男籔本
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2024-03-31
Also published as: JP2005295612A

Description

本発明は電動機の冷却に関し、さらに詳しくは、固定子の内側および外側に対向して磁極体、即ち、回転子を配してなる二重回転子電動機の冷却に関する。

電動機は、多くの機器や装置に用いられているが、電動機の起動によって内部に生じる熱は、この電動機を組み込んだ周辺の機器、装置の温度を上昇させることとなり、その性能に影響する。このため、電動機の回転軸に冷却用のファンを取り付け、電動機の回転によりファンを回転させて電動機内部に空気を送り、電送機の冷却が図られている（例えば、特許文献1、2参照）。

一方、電動機は、多くの形式のものが開発されているが、基本的には、ケーシングに固定されコイルを有する固定子と、その内側に配置され、回転軸により支持された回転子とから基本的に構成されている。しかしながら、固定子から外側に漏洩する磁束を有効に利用して回転効率を向上させるため、固定子の内側に配置された回転子に加えて、固定子の外側にも回転子を配置した二重回転子形電動機が注目されている（例えば、特許文献３、４参照）。
この電動機は、図６に示すように、軸受け59,59を介してシャフト58に軸支された非磁性体ベース55に固定されたヨーク50に、コイル53が巻かれて構成された固定子51と、固定子51を間隔を置いて挟んで同軸配置されるように、シャフト58に固定されたカップ状ケース54に固定された円筒状磁石56、56（回転子）とから構成されている。
特開2002-58205号公報特開2002-64957号公報特開昭61-35245号公報特開平10-271782号公報

しかしながら、二重回転子電動機を冷却するために特許文献1あるいは２にあるような冷却用ファンを取り付けようとすると、取り付けスペースを確保する必要があると共に、コストも増大することとなり、二重回転子として回転効率を向上させた効果が相殺される。
本発明は、このような状況に鑑み、低コストでかつ効率的に二重回転子電動機を冷却する技術を提供することを課題とする。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、その要旨とするところは以下のとおりである。
（１）環状の固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻回した複数のコイルからなる固定子と、回転軸に支持され、固定子の内側及び外側に対向するように環状に配置された内側鉄心と外側鉄心とを有する回転子をケースに収納してなる二重回転子電動機において、
前記ケースの回転軸と直交する面の前記固定子より径方向内側に相当する位置、および、前記ケースの回転軸と平行な面のそれぞれに、複数の通気孔を設け、冷却用ファンを設けることなく電動機を冷却する構造としたことを特徴とする二重回転子電動機。
（２）前記ケースの回転軸と直交する面の前記固定子より径方向内側に相当する位置に設けられた通気孔と、前記ケースの回転軸と平行な面に設けられた通気孔が、回転軸と直交する平面視で、回転方向に角度を有して配置されていることを特徴とする（１）記載の二重回転子電動機。

本発明によれば、二重回転子電動機ケースの回転子の回転軸に直交する面の固定子より径方向内側に相当する位置と、回転子の回転軸と平行な面のそれぞれに、通気孔が設けられているので、回転子の回転に伴って、ケースの回転子の回転軸に直交する面に設けられた通気孔と、ケースの回転子の回転軸と平行な面に設けられた通気孔との間で、固定子の上面或いは下面を通過する空気の流れが生じ、固定子のコイルを効率よく冷却することができる。

また、ケースの回転子の回転軸と直交する面の前記固定子より径方向内側に相当する位置に設けられた通気孔と、前記ケースの回転軸と平行な面に設けられた通気孔が、回転軸と直交する方向からの平面視で、回転方向に角度を有して配置されると、両通気孔間の空気の流れが環状の固定子を周方向に横断するように流れるので、冷却効率が更に効率的となる。また、上記通気孔にフィルタを設置すること等により、電動機内部へゴミ等の流入を防ぐことが望ましい。

本発明の二重回転子電動機は、ケースの適切な位置に通気孔を設けるだけで二重回転子電動機を冷却することができ、冷却用のファンを設けたりする必要がないので、スペースを確保したり、コストをかけることなく効率的な冷却をすることができる。

図１は、本発明の二重回転子電動機の一部切欠き断面を含む斜視図である。また、図２及び図３はいずれも図１の二重回転子電動機の構成を示す部分縦断面図及び部分横断面図であり、断面の位置を図２と図３で相互に関連させて示している。

すなわち、図２（ａ）は、図3のＯＰ又はＯＱ視部分縦断面図、（ｂ）は、図３のＯＲ視部分縦断面図、（ｃ）は、図３のＯＳ視部分縦断面図、（ｄ）は、図３のＯＴ視部分縦断面図である。また、図３（ａ）は、図２のＡ−Ａ’視部分横断面図、（ｂ）は、図2のＢ−Ｂ’視部分横断面図、（ｃ）は、図２のＣ−Ｃ’視部分横断面図、（ｄ）は図２のＤ−Ｄ’視部分横断面図である。
以下においては、回転子の回転軸と直交する方向を上下とし、これに平行な方向を側として説明する。

図1において、二重回転子電動機１は、上ケース１２と、側部１５及び下部１６を一体として形成した下ケース１４とからなるケース１１に、固定子２と回転子６が収納されて構成されている。
まず、固定子２は、回転軸５の外側に配置され、環状に形成された鉄心であって、周方向に等間隔に設けられたコイルを格納する複数のスロット２２を有する環状の固定子鉄心３と、スロット毎に鉄心を径方向に横断するように巻かれたコイル４とから構成されている。
この固定子２は、後述するように、上ケース１２に固定されている。

一方、回転子は、回転軸５に支持された回転子ケース９上の上記固定子２の径方向の内側と外側のそれぞれに、固定子２と径方向の間隔を置いて対向して環状に配置され、複数の永久磁石１０が埋め込まれた複数の内側鉄心７と外側鉄心８とから構成されている。なお、内側鉄心を内側回転子、外側鉄心を内側回転子と称することもある。
回転子６の回転軸５は、ケースの上ケース１２および下ケース１４と、軸受け１９を介して連結されている。

また、上ケースの下部には、固定子２のティース２１に対応する数ヶ所の位置に、固定子のティース２１より狭い幅の突起１３が下方に突出して設けられており、この突起１３が固定子のコイルの巻かれていないコアの位置で、例えばボルト（図示せず）などにより、固定子と連結され、固定子がケースに固定される。

ケース１１の上ケース１２は下ケース１４の側部の上端部において、ボルト(図示しない)などにより、連結され二重回転子電動機が形成される。

ケース１１の上ケース１２上部、すなわち、ケースの回転軸と直交する面、には、固定子２より径方向内側、すなわち回転軸側、に対応する位置に、ケースの内外に貫通する複数の孔（通気孔）１７が設けられていると共に、下ケースの側部１５、すなわちケースの回転軸と平行な面（側部）、にもケースの内外に貫通する複数の孔（通気孔）１８が設けられている。これらの孔からの空気の流れによってケース内の気流を継続させ、二重回転子電動機を冷却することができる。

二重回転子電動機は、上述の通り、固定子の径方向の内側及び外側に鉄心（回転子）７，８を有しており、内側の鉄心（回転子）と外側の鉄心（回転子）との間に回転軸５に対して径差があるため、回転子が回転した際には両鉄心（回転子）の間に周速差が生じる。
この周速差により、回転子の回転に伴って生じる気流の流れ、すなわち随伴流、にも流速の差が生じ、気圧の差が生じることになる。すなわち、高圧側と低圧側に通気孔を設けることによって、気圧の差を維持し、高圧側から低圧側への気流の流れを継続的に生じさせることができ、この気流の流れにより二重回転子電動機の内部を冷却することができる。

すなわち、図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、内側および外側の鉄心（回転子）が、同一軸に連結されている場合は、内外の鉄心（回転子）の回転速度が同じであるため、上述のように周速差が必然的に存在し、気流の流れが生じる。従って、上述のように、二重回転子電動機の固定子の径方向内側と、外側の対応する位置、例えば、上ケース１２上面と下ケース１４側部１５のそれぞれに内外に通じる通気孔を設ければ、上ケースの上面から下ケース側部へと、固定子のコイル上方の通気路２０を経由する空気の流れが継続して形成され、ケース内を冷却することができる。

また、ケースの回転軸と直交する面の前記固定子より径方向内側に相当する位置に設けられた通気孔１７と前記ケースの回転軸と平行な面(側部)に設けられた通気孔１８は、回転軸と直交する平面視で、回転軸とこれらの通気孔とを結ぶ直線が重なるように、すなわち同一の直線上に並ぶように配置しても良いが、図２（ａ）、（ｃ）及び図３（ａ）、（ｄ）から判るように、回転軸と前記各通気孔を結ぶ直線が回転方向に角度を有するように配置されていることが好ましい。
このように配置した場合は、両通気孔が同一直線上に並ぶように配置した場合に比べて、空気の流れが環状の固定子を周方向に横断するように流れるので、コイルの上面又は下面の冷却がさらに効率的となる。

なお、本例では、固定子より径方向内側に対応する位置の通気孔として、上ケース１２に設けたが、下ケース１４の底部１６に貫通する通気孔を設けても良いし、上ケース１２の上面及び、下ケース１４の底部１６の双方に設けても良い。
また、ケースに設ける通気孔の形状、個数は、冷却状況を勘案して適宜選択すればよい。

なお、図4、図5は、固定子の内側及び外側の磁極体（回転子）が、回転軸５に同軸的に支持された二つの回転子ケース９、９’に設けられている二重回転子電動機の例を、図２、図3と同様に、相互に関連させて示した部分断面図であるが、この場合でも、内外の回転子に周速の差が生じる場合が多く、上述の例と同じように通気孔を設けることによって、同様の冷却効果を得ることが出来る。
図4、図5の例は、回転子ケース９，９’が回転軸５に同軸的に支持され、それぞれに鉄心（回転子）設けられている以外は、図2、図3に説明した二重回転子電動機と同様であるので、重複する説明は省略する。

図１〜図３に示したような構成の二重回転子型電動機において、固定子は２４スロットであり、コイルの巻かれていない箇所で、ケースに固定されている。
回転子は内外とも８極とした。ケースの回転軸と直交する二つの面（上下）には、それぞれ４個の通気口を、ケースの側面には１２カ所の通気孔を周囲に等間隔に設けた。
３０００ｒｐｍで５分間回転させたとき、通気孔がない場合と比べて、コイルの平均温度は約１０℃低下した。

本発明の実施例の二重回転子電動機の一部切り欠き断面を含む斜視図である。図１の二重回転子電動機の構成を示す部分縦断面図であり、（ａ）は、図3のＯＰ又はＯＱ視部分縦断面、（ｂ）は、図３の、ＯＲ視部分縦断面、（ｃ）は、図３ＯＳ視部分縦断面、（ｄ）は図３のＯＴ視部分縦断面をそれぞれ示す。図１の二重回転子電動機の構成を示す部分平面横断面図であり、（ａ）は、図２のＡ−Ａ’視部分横断面、（ｂ）は、図2のＢ−Ｂ’視部分横断面、（ｃ）は、図２のＣ−Ｃ’視部分横断面、（ｄ）は図２のＤ−Ｄ’視部分横断面をそれぞれを示す。本発明の他の実施例の二重回転子電動機の構成を示す部分断面図であり、（ａ）は、図５のＯＰ又はＯＱ視部分縦断面、（ｂ）は、図５のＯＳ視部分縦断面をそれぞれ示す。本発明の他の実施例の二重回転子電動機の構成を示す部分断面図であり、（ａ）は、図４のＡ−Ａ’視部分横断面、（ｂ）は、図４のＤ−Ｄ’視部分横断面をそれぞれを示す。従来の二重回転子電動機コイルの構成を示す図であり、（ａ）は、横断面図、（ｂ）は縦断面図である。

符号の説明

１…二重回転子電動機
２…固定子
３…固定子鉄心
４…コイル
５…回転軸
６…回転子
７…内側鉄心（内側回転子）
８…外側鉄心（外側回転子）
９、９’…回転子ケース
１０…永久磁石
１１…ケース
１２…上ケース
１３…突起
１４…下ケース
１５…側部
１６…底部
１７…上部通気孔
１８…側部通気孔
１９…軸受
２０…通気路
２１…ティース
２２…スロット
５０…ヨーク
５１…固定子
５２…磁石構成体
５３…コイル
５４…カップ状ケース
５５…非磁性体ベース
５６…円筒状磁石
５８…シャフト
５９…軸受

Claims

環状の固定子鉄心と、この固定子鉄心に巻回した複数のコイルからなる固定子と、回転軸に支持され、固定子の内側及び外側に対向するように環状に配置された内側鉄心と外側鉄心とを有する回転子をケースに収納してなる二重回転子電動機において、
前記ケースの回転軸と直交する面の前記固定子より径方向内側に相当する位置、および、前記ケースの回転軸と平行な面のそれぞれに、複数の通気孔を設け、冷却用ファンを設けることなく電動機を冷却する構造としたことを特徴とする二重回転子電動機。
前記ケースの回転軸と直交する面の前記固定子より径方向内側に相当する位置に設けられた通気孔と、前記ケースの回転軸と平行な面に設けられた通気孔が、回転軸に直交する平面視で、回転方向に角度を有して配置されていることを特徴とする請求項１記載の二重回転子電動機。