JP5893462B2

JP5893462B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5893462B2
Application number: JP2012069327A
Authority: JP
Inventors: 慶亮津房; 英伸槌本; 雄一坪井; 将也石川; 貴陽藤川
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN104205573B; CN104205573A; WO2013145684A1; JP2013201853A; KR20140143790A; KR20160079898A

Description

本発明は、永久磁石が取り付けられた回転子を有する回転電機に関する。

回転電機は、回転子と、この回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、この固定子を収容する固定子枠と、を有する。

回転子は、所定の軸（回転中心軸）の周りを回転する。回転子には、例えば永久磁石が取り付けられたものがある。このような回転子は、円環状の部材の外周に台座が固定されて、この台座に永久磁石が固定されるものがある。回転子や固定子には、これらを冷却するための通風路が形成されるものがある（例えば、特許文献１）。

固定子は、固定子鉄心および固定子巻線等を有する。固定子鉄心には、固定子鉄心を冷却するための通風路が形成されるものがある。この通風路に冷却用の空気が流れることによって、固定子鉄心が冷却される。この通風路には、回転中心軸が延びる方向の一方向に空気が流れる。

特開２０１１−１４２７３５号公報

永久磁石型回転電機の回転子の冷却は、回転子および固定子の間の空隙や、永久磁石同士の周方向間隙等を空気が流れることにより行われる。

軸長が長くなるタイプでは、風下側の永久磁石は風上側よりも温度が上昇し、風下側の磁石を冷却することが困難になることが多い。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回転子を効率よく冷却することである。

上記目的を達成するための本発明に係る回転電機は、所定の軸周りを回転する回転軸と、前記回転軸を半径方向外側から取り囲み前記回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転する回転子と、前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、前記固定子の固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、を有する回転電機において、前記回転子は、前記軸を半径方向外側から取り囲むように配置された円環状で、前記軸の周りを同軸に回転可能な円環部材と、それぞれが軸方向に延びて、互いに周方向間隙を形成するように前記円環部材の半径方向外側の外周面に固定された複数の台座と、前記各台座の半径方向外側にそれぞれ固定された複数の永久磁石と、を有し、前記各台座の半径方向外側面および前記各永久磁石の前記台座に接する半径方向内側面のうち少なくとも一方に、軸方向に延びて半径方向および軸方向に開口する溝が形成されていて、前記溝の軸方向の一方の側から反対側に送風可能なファン装置が設けられて、前記各永久磁石の前記台座に接する半径方向内側面に形成された前記溝のうち、前記ファン装置による送風の方向の中央より下流側のみに、半径方向に貫通する貫通穴が形成されていること、を特徴とする。

本発明によれば、回転子を効率よく冷却することが可能になる。

本発明に係る第１の実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図である。図１の回転子の一部を軸方向外側から見た部分斜視図である。図２の回転子の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。本発明に係る第２の実施形態の回転電機の回転子の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。本発明に係る第３の実施形態の回転電機の回転子の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。本発明に係る第４の実施形態の回転電機の回転子の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。本発明に係る第５の実施形態の回転電機の回転子の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。本発明に係る第６の実施形態の回転電機の回転子の一組の永久磁石および台座の概略正面図である。

以下、本発明に係る回転電機の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
第１の実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。図１は、本実施形態の回転電機を模式的に示した概略正面図である。なお、図１では、最上部と最下部の放熱フィン４５のみが示され、他の放熱フィン４５の図示は省略している。

図２は、図１の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分斜視図である。図３は、図２の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。図３では、１組の台座２３および永久磁石２５を示している。

先ず、本実施形態の回転電機の構成について説明する。

本実施形態の回転電機は、永久磁石式の同期発電機で、回転軸１０と、回転子２０と、固定子３０と、固定子枠４０と、放熱フィン４５と、内部ファン３８と、を有する。この同期発電機は、例えば風力により回転軸１０が回転し、その回転させる力を電力として取り出すことができるものである。

回転軸１０は、水平に延びて軸方向断面が円形の部材で、図示しない軸受で回転可能に支持されて、水平な回転中心軸の周りを回転する。

回転子２０は、全体で円環状をなし、回転軸１０を取り囲む部材で、円環部材２１と、複数の支持部材２２と、複数の台座２３と、複数の永久磁石２５と、を有する。

支持部材２２は、回転軸１０の三箇所の軸方向位置それぞれに複数本ずつ固定されて、回転軸１０と共に回転可能である。各軸方向位置に固定される支持部材２２は、それぞれの軸方向位置から放射状に円環部材２１の内周面まで延びて、円環部材２１を支持する。

円環部材２１は、支持部材２２に支持されて回転自在で、回転軸１０を半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。

各台座２３は、軸方向に長い長方形が形成される板状の部材で、半径方向外側に座面２３ａが形成されている。この座面２３ａには永久磁石２５が接着により取り付けられる。

各台座２３は、円環部材２１の外周面に周方向に複数配列されている。これらの台座２３は、互いに周方向間隙２９を形成するように配列される。

各台座２３の座面２３ａには、軸方向に延びる第１溝２４が形成されている。この第１溝２４は、半径方向外側に開口し、一方の軸方向端部から反対側の軸方向端部まで延びる。この第１溝２４の軸方向に垂直な断面は、略半円である。

永久磁石２５は、軸方向の延びる略直方体状の部材で、各座面２３ａに接着により取り付けられる。各永久磁石２５の半径方向内側面、すなわち座面２３ａとの接着面２５ａには、第２溝２６が形成される。

この第２溝２６は、軸方向に延びて、半径方向外側に開口し、一方の軸方向端部から反対側の軸方向端部まで延びる。この第２溝２６の軸方向に垂直な断面は、略半円である。

座面２３ａに永久磁石２５が接着されているときに、第１溝２４および第２溝２６は互いに対向するように形成される。このとき、第１溝２４および第２溝２６で軸方向に貫通する軸方向貫通穴２８を形成する。この軸方向貫通穴２８は、軸方向に垂直な断面は略円形である。

固定子３０は、回転子２０の半径方向外側に所定の半径方向間隔（空隙３２）をあけて半径方向外側から取り囲む円環状の部材である。詳細な図示は省略するが、軸方向に貫通し、冷却用の空気が流通可能な通風孔（図示せず）が形成される。

固定子枠４０は、固定子３０を半径方向外側から取り囲むように構成される。固定子枠４０の内周は、固定子３０の外周に接している。

固定子枠４０の外周面には、軸方向に長い放熱フィン４５が複数取り付けられている。これらの放熱フィン４５は、周方向に互いに間隔をあけて取り付けられている。

この固定子枠４０は、詳細な図示は省略しているが、軸受を固定している。また、外気を取り込むための吸気口（図示せず）および固定子枠４０内を循環した空気が排気される排気口（図示せず）が形成されている。

内部ファン３８は、回転軸１０に取り付けられて、回転軸１０の回転と共に回転して送風する。この送風により、固定子３０および回転子２０等を冷却する。この例では、図１における右側が上流側で、左側が下流側となる。冷却のための空気の流れについては後で説明する。

続いて、本実施形態の作用について説明する。

固定子枠４０の吸気口から吸気された空気は、空隙３２、固定子に設けられた通風孔、回転子２０の永久磁石２５同士の周方向間隙２９、および回転子２０に形成された軸方向貫通穴２８に流れ込む。回転子２０は、空隙３２、回転子２０の永久磁石２５同士の周方向間隙２９、および回転子２０に形成された軸方向貫通穴２８を流れる空気により冷却される。

軸長が比較的長いタイプの同期発電機では、下流側は上流側に比べて永久磁石２５の温度が高くなる。軸方向貫通穴２８を設けない場合には、永久磁石２５の半径方向外側および周方向面に流れることとなる。

これに対して、上述したように軸方向貫通穴２８を形成することで、永久磁石２５の半径方向外側および周方向面に加えて、軸方向貫通穴２８にも冷却空気が流れるため、半径方向内側の面に冷却空気が吹き付けられることとなる。これにより、永久磁石２５の冷却効果が向上する。また、軸方向貫通穴２８を流れる冷却空気は、台座２３の冷却にも寄与することができる。また、風下側の永久磁石２５の温度上昇が抑えられるため、軸方向の磁束密度の偏りが改善される。

以上の説明からわかるように本実施形態によれば、回転子２０を効率よく冷却することが可能になる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態について図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の回転電機の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の軸方向貫通穴２８は、軸方向に垂直な断面が周方向に長いレーストラック状に形成される。これにより、第１の実施形態に比べて、軸方向貫通穴２８の軸方向に垂直な断面積が大きくなるため、永久磁石２５の半径方向内側の面に冷却空気が吹き付けられる面積が大きくなる。これにより、永久磁石２５の冷却効果が大きくなる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態について図５を用いて説明する。図５は、本実施形態の回転電機の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の軸方向貫通穴２８は、第１の実施形態で説明した軸方向貫通穴２８が周方向に二つ並ぶように形成されている。軸方向貫通穴２８同士は、互いに平行になるように形成される。

これにより、第１の実施形態に比べて、軸方向貫通穴２８の軸方向に垂直な断面積が大きくなるため、永久磁石２５の半径方向内側の面に冷却空気が吹き付けられる面積が大きくなる。これにより、永久磁石２５の冷却効果が大きくなる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態について図６を用いて説明する。図６は、本実施形態の回転電機の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の第１溝２４の軸方向に垂直な断面は、一つの頂点が溝底になるような三角形である。第２溝２６の軸方向に垂直な断面も、第１溝２４と同様に、三角形である。第１溝２４および第２溝２６からなる軸方向貫通穴２８の軸方向に垂直な断面は、略正方形となる。このとき、各溝底の断面形状が、それぞれ部分円弧になるように形成してもよい。

これにより、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、この場合、第１溝２４および第２溝２６の断面形状を三角形にすることで、三角形の辺に相当する部分が軸方向に広がることで溝に平面が形成されることとなる。断面を円形とするよりも溝加工をしやすくなる。

［第５の実施形態］
第５の実施形態について図７を用いて説明する。図７は、本実施形態の回転電機の回転子２０の一部を軸方向外側から見た部分側面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の軸方向貫通穴２８は、第１の実施形態で説明した第１溝２４のみで形成されている。永久磁石２５に溝加工をしないため、第１の実施形態に比べて、製作コストを低減できる。

なお、当該軸方向貫通穴２８は、第２溝２６のみで形成してもよい。

［第６の実施形態］
第６の実施形態について図８を用いて説明する。図８は、本実施形態の回転電機の回転子２０の一組の永久磁石２５および台座２３等の概略部分正面図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態（図１〜図３）の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。また、本実施形態の回転電機の全体の構成は、第１の実施形態で説明した図１と同様である。

本実施形態の第２溝２６のうち、図８における左側には、半径方向に貫通する半径方向貫通穴２８ａが形成されている。この半径方向貫通穴２８ａの一方は第２溝２６の溝底に開口し、反対側は空隙３２に開口する。

第１の実施形態で説明した内部ファン３８（図１）は、回転軸１０に取り付けられて、回転軸１０の回転と共に回転して送風する。この送風により、固定子３０および回転子２０等を冷却する。図１における右側が上流側で、左側が下流側となる。

本実施形態では、図８における右側が上流側で、左側が下流側となる。すなわち、半径方向貫通穴２８ａが形成される部位は、下流側となる。

内部ファン３８により送風されて軸方向貫通穴２８内を流れる空気の一部は、半径方向貫通穴２８ａに流れることができる。その結果、永久磁石２５の下流側では、永久磁石２５に接する空気の量が増えることとなり、永久磁石２５の冷却効果が増大する。

［その他の実施形態］
上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

上述した実施形態では、軸方向貫通穴２８の軸方向に垂直な断面を円形状およびレーストラック形状について説明したがこれに限らず、楕円等でもよい。

また、軸方向貫通穴２８は、１組の台座２３および永久磁石２５に３個以上形成してもよい。

また、第１溝２４および第２溝２６が互いに対向するように形成されているがこれに限らず、周方向にずれていてもよい。

また、回転子２０の円環部材２１は、支持部材２２で支持されているが、これに限らない。円板等により支持されてもよく、円環内の空洞を形成しなくてもよい。

また、上述した実施形態では、固定子の外周と固定子枠４０の内周が接しているが、これに限らない。所定の半径方向間隔をあけてもよい。

また、上記実施形態では、回転軸１０は、軸受に回転可能に支持されているが、これに限らない。例えば、軸部材を固定して、この軸部材に軸受を取り付けて、この軸受の外周に支持部材２２を固定してもよい。この場合、回転中心を通風路として用いることも可能になる。この場合の軸受は、軸部材に接する側が固定されて、半径方向外側（外周面）が回転するように構成されている。

また、第１の実施形態〜第６の実施形態それぞれの特徴を互いに組み合わせてもよい。例えば、第１溝２４の軸方向に垂直な断面を半円として、第２溝２６の当該断面を三角形としてもよい。

１０…回転軸
２０…回転子
２１…円環部材
２２…支持部材
２３…台座
２３ａ…座面
２４…第１溝
２５…永久磁石
２５ａ…接着面
２６…第２溝
２８…軸方向貫通穴
２８ａ…半径方向貫通穴
２９…周方向間隙
３０…固定子
３２…空隙
３８…内部ファン
４０…固定子枠
４５…放熱フィン

Claims

所定の軸周りを回転する回転軸と、
前記回転軸を半径方向外側から取り囲み前記回転軸に固定されて前記回転軸と共に回転する回転子と、
前記回転子を半径方向外側から取り囲む固定子と、
前記固定子の固定子鉄心を半径方向外側から取り囲むように構成された固定子枠と、
を有する回転電機において、
前記回転子は、
前記軸を半径方向外側から取り囲むように配置された円環状で、前記軸の周りを同軸に回転可能な円環部材と、
それぞれが軸方向に延びて、互いに周方向間隙を形成するように前記円環部材の半径方向外側の外周面に固定された複数の台座と、
前記各台座の半径方向外側にそれぞれ固定された複数の永久磁石と、
を有し、
前記各台座の半径方向外側面および前記各永久磁石の前記台座に接する半径方向内側面のうち少なくとも一方に、軸方向に延びて半径方向および軸方向に開口する溝が形成されていて、
前記溝の軸方向の一方の側から反対側に送風可能なファン装置が設けられて、
前記各永久磁石の前記台座に接する半径方向内側面に形成された前記溝のうち、前記ファン装置による送風の方向の中央より下流側のみに、半径方向に貫通する貫通穴が形成されていること、
を特徴とする回転電機。
前記溝が、前記各台座の半径方向外側面および前記各永久磁石の前記台座に接する半径方向内側面の両方に形成されているときに、
前記各台座の半径方向外側面に形成された前記溝と、前記各永久磁石の前記台座に接する半径方向内側面に形成された前記溝とが、互いに対向するよう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。
前記溝は、それぞれの軸方向に垂直な断面が略半円であること、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。
前記溝は、それぞれの軸方向に垂直な断面が略三角形であること、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。
前記ファン装置は、前記回転軸に取り付けられて前記回転軸と共に回転するファンであること、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。