JP4882346B2 - 永久磁石を備えた回転電気機械の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は回転子側に永久磁石を備え、固定子側が巻線と鉄心からなる回転電気機械の冷却装置に関する。

回転電気機械は主として固定子と回転子から構成されている。交流回転電気機械においては固定子側に固定子鉄心および固定子巻線、回転子側に回転子鉄心および界磁巻線が設置されるものが多い。固定子巻線には交流電流が通流される結果、固定子鉄心には交流磁界が生ずるので、固定子側には固定子巻線電流によるジュール損失の他に固定子鉄心内に鉄損（ ヒステリシス損および渦電流損） が発生する。
一方、回転子側では界磁巻線に流す電流は通常直流であり、回転子は固定子側の固定子巻線電流によって生じる回転磁界の回転速度と同期して回転運動を行うため、回転子鉄心内を通過する磁束はほぼ直流とみなされる。したがって回転子側では鉄損は、界磁巻線電流によるジュール損失に比べて小さい。
界磁巻線電流が作る磁界は直流磁界であるので、これを永久磁石で置き換えることが可能である。回転子界磁巻線の代わりに永久磁石を使用した永久磁石回転電気機械は、界磁巻線による励磁を必要としないので、界磁巻線におけるジュール発熱もない。したがって回転子側を特別に冷却する必要がなく、全体の冷却装置の負担が少なくて済み、寸法が小さくできるため、電動機設置スペースの限られる舶用などによく採用されている。

従来、この種の回転電気機械の冷却装置は特許文献１に開示されているような回転子に付属した攪拌ファンによるものが使用されている。図４は攪拌ファンにより冷却を行う永久磁石回転電気機械の軸方向断面を示したものである。すなわち図４において、この攪拌ファン８は、軸受１２を介して固定子フレームに回転自在に取付けられ外周部に永久磁石２を搭載した回転子１の軸方向端部に突設した突片であり、回転子１の回転に伴い回転電気機械内の空気層を攪拌し、この攪拌作用により、外気が固定子フレームに設けた通風孔１３を通じて内外を流通することにより巻線および鉄心の冷却が行われる。
特開２０００−３２７０９号公報

前記従来構造の冷却装置では、攪拌ファンにより回転電気機械内の空気を攪拌することにより冷却を行うのであるが、この装置では空気流の流路の指定や流量の配分などの制御ができず、発熱密度が高い部分や空気流のみで冷却を行わなければならない固定子コイルのコイルエンドなど重点的に冷却を要する部分に充分な空気流を供給することができないという欠点がある。
また、回転電気機械内に発生した発熱は空気流が内外を流通することにより行われるので、ハウジングに通風孔を設けることが必要となり、密閉構造を必要とする回転電気機械には採用できないという問題もある。
本発明は、前記の問題点を解決し、回転電気機械内部に発生する発熱の放熱効率を向上させる冷却装置を提供することを目的とする。

このため本発明では、永久磁石を備えた回転子と、鉄心と固定子コイルによって構成され、中子リングを介してフレームに取り付けられる固定子からなる回転電気機械において、回転子の軸方向端部に攪拌ファン、前記固定子コイル端部に近設して設けた第１仕切り、前記攪拌ファンの軸方向端部に設けた第２仕切りを備え、前記攪拌ファンによる空気流を、前記固定子コイル端部の隙間、前記空気冷却部、前記第１、第２仕切りの外側を循環させ、冷却空気との熱交換を行わせる。
また、別の手段として、空気冷却部は固定子鉄心を支持する中子リング内に冷却水を通し、該中子リングの軸方向の端部に設けた水室および冷却フィンからなる構造とする。

本発明では、攪拌された冷却空気が仕切りの周囲を循環するよう空気流路の設定を行うとともに、固定子側端部に空気冷却部を設け、冷却空気との熱交換を行わせる構成としたので、従来の冷却装置が攪拌ファン周辺のみに空気流を起すのに対し、特に冷却条件の悪くなりがちな固定子コイルのコイルエンド部に充分な冷却空気を供給することができ、かつ、冷却空気が空気冷却部で熱交換され、固定子側に放熱することにより、密閉構造の回転電気機械内部においても空気の循環のみで冷却機能を果たすことができる。
固定子コイルのコイル数が多く、隣り合うコイルの間隔が狭い場合、コイルエンド部は通風抵抗が大きくなって、冷却空気が通過しにくくなるため、冷却空気は攪拌ファン周囲を短絡的に周回する割合が高くなる。本発明では、固定子コイル端部近傍の仕切りに加えて、回転子の攪拌ファンの軸方向両端にも仕切りを設けることにより、攪拌ファン周囲のみで冷却空気が短絡的に循環することが防げるので、コイルエンド部を通過する冷却空気量が確保できる。
また、固定子側を水冷却とし、該水冷却装置の軸方向の両端に設けた水室および冷却フィンを空気冷却部とすることにより、冷却性能の向上、ひいては回転電気機械全体の小型化を図ることができる。

次に、本発明による回転電気機械の冷却装置の具体的な実施形態について、図面を用いて説明する。

図１は本発明を説明するための冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の軸方向断面図である。図１において永久磁石２をその表面に取り付けた回転子１は回転軸１１に止着され、軸受１２を介して固定子フレームと回転自在に支承されている。該永久磁石２ に対向して固定子鉄心３および固定子巻線４が配置され、これらは中子リング５を介して固定子フレームに固設されている。
図１の回転電気機械の冷却装置は該回転子１の軸方向両端に施設した攪拌ファン８、空気冷却部として該中子リング５の軸方向両端に施設した冷却フィン７、および固定子巻線のコイルエンド１０に近接して設置した仕切り９からなる。
冷却フィン７は空気流が半径方向に流れるのを妨げず、かつ空気流との熱交換が充分行われることが必要で、本実施例では金属製の薄板を複数枚、円周方向に隙間を設けて放射状に並べ、全円周上に配置した構造としている。この他の構造として円柱状の突起を多数配設するのも同様の効果を発揮する。

仕切り９の形状は、図１では回転子軸に対して直角に配置された円盤状であるが、コイルエンド近傍で空気流が軸方向に流れるのを阻止する機能を持つことができれば、他の形状、例えば複数の扇形または四角形の板の組合せでも差し支えない。
次に、図１に示す冷却装置の動作について説明する。回転子１が回転すると、攪拌ファン８の周辺で空気が攪拌されるが、仕切り９が存在するため空気流はコイルエンド１０コイル隙間を通り、次に冷却フィン７に接触し、仕切り９の裏側を通って攪拌ファン８に戻る順路を循環することになる。この循環の中で空気流は該コイルエンド１ ０ を冷却し温度が上昇するが、冷却フィン７で熱交換するため、ここで元の温度に復帰する。したがってこの空気流は攪拌ファン８に戻った後、連続的にコイルエンドの冷却に資することができる。外部から新たな空気の供給は必要ないので密閉構造の回転電機の場合でも有効である。結局、コイルエンド部の発熱は中子リング５を通して固定子側に伝達され、固定子フレームから外気に放熱される。

図２は他の冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の軸方向断面図である。固定子鉄心３を支持する中子リング５内に冷却水を通し、該中子リングの軸方向の両端に設けた水室６および冷却フィン７を空気冷却部とした構造である。この冷却装置の場合でも攪拌ファン８によって攪拌された空気流は実施例１と同じくコイルエンド１０、冷却フィン７、仕切り９の裏側を循環する。コイルエンド部の発熱は冷却フィン７、水室６を介して中子リング５内の冷却水に伝熱され、図示しない水槽、ポンプ、クーラを用いて外部に排出される。水冷方式としたことによりコイルエンド１０だけでなく固定子鉄心３、固定子コイル４の冷却性能も向上し、ひいては回転電気機械全体の小型化を図ることができる。

図３は本発明の冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の軸方向断面図である。固定子側に配置した仕切りＡ９ａに加えて、回転子１の攪拌ファン８の軸方向両端にも仕切りＢ９ｂを設けたものである。固定子巻線４のコイル数が多く、コイルエンド１０の導体間隔が狭い場合、流路抵抗が大きくなって攪拌された空気流がコイルエンド１０の導体隙間を通りにくくなり、攪拌ファン８周辺のみで短絡的に周回する空気量が増えてしまう。攪拌ファン８の軸方向両端の仕切りＢ９ｂは固定子側の仕切りＡ９ａとともに、この短絡的な流路の流路抵抗を高めることによりコイルエンド１０の導体隙間を通る空気量を確保する。

本発明を説明するための永久磁石回転電気機械の軸方向断面図 他の冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の軸方向断面図 本発明の冷却装置を備えた永久磁石回転電気機械の軸方向断面図 従来の冷却装置をもつ永久磁石回転電気機械の軸方向断面図

１ 回転子
２ 永久磁石
３ 固定子鉄心
４ 固定子巻線
５ 中子リング
６ 水室
７ 冷却フィン
８ 攪拌ファン
９ 仕切り
９ａ 仕切りＡ
９ｂ 仕切りＢ
１０ コイルエンド
１１ 回転軸
１２ 軸受
１３ 通風孔

Claims (2)

1. 永久磁石を備えた回転子と、鉄心と固定子コイルによって構成され、中子リングを介してフレームに取り付けられる固定子からなる回転電気機械において、
   前記回転子の軸方向端部に設けた攪拌ファンと、前記固定子コイル端部に近設して設けた第１仕切りと、前記攪拌ファンの軸方向端部に設けた第２仕切りと、前記中子リング端部に設けた空気冷却部とを備え、前記攪拌ファンによる空気流を、前記固定子コイル端部の隙間、前記空気冷却部、前記第１、第２仕切りの裏側を循環させることを特徴とした永久磁石を備えた回転電気機械の冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置において、空気冷却部は中子リング内に冷却水を通流し、該中子リングの軸方向の端部に設けた水室および冷却フィンからなることを特徴とした永久磁石を備えた回転電気機械の冷却装置。

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