JP4786702B2 - 回転電機の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は回転電機の冷却構造に係り、特にロータシャフト内に冷媒通路を持つモータ等の回転電機の冷却構造に関するものである。

従来、モータ等の回転電機のロータを冷却するために、ロータシャフト内部に冷媒通路を設けて冷媒を通過させる冷却構造が提案されている。モータは、円筒形状のフレーム内に支持された中空円筒状のステータ（固定子）と、フレームによってシャフトが回転可能に支持されてステータ内で回転するロータ（回転子）とを備えている。モータの冷却構造として、ロータを支持するシャフトには軸方向に中空孔が形成され、内部に空気や水、エチレングリコール、潤滑油などの冷却流体が通過できるようになっている。さらにシャフトの内周面には軸方向に所定の角度で傾斜した突状部材、すなわち螺旋形状のフィンが挿入されていて、冷却流体とシャフト内周面との接触面積を大きくして熱交換効率を良くすると共に、ロータが回転したときにシャフトの中空孔内に冷却流体の流れを発生させるようにしてある。冷却構造はこのようにしてシャフトを冷却し、もって鉄損により高温になるロータを内側からも冷却するものである（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−３４１８９号公報（３頁５〜４９行、図１〜３）

しかしながら、上述のモータでは、フィンを螺旋状としているため，外部ポンプを使用して流体を循環する場合は，ポンプによる駆動方向とは逆方向に流体の駆動力が発生し、流量が低下する結果冷却能力が低下することがあるという問題がある。また、螺旋フィン１４の角度によっては流体１３をかき乱す効果が小さく、シャフト１１から流体１３への熱伝達が小さくなり冷却効果が小さいという問題もある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、冷却効率が高く、製作容易な回転電機の冷却構造を提供することである。

上述の目的を達成するために、本発明の回転電機の冷却構造は、ステータと、ロータと、ロータをステータに対して回転可能に支持するシャフトとを備えた回転電機を冷却するために、シャフトに設けられて冷却媒体を通すことのできる軸方向に延びた円形断面の冷媒通路を備えた回転電機の冷却構造であって、冷媒通路の入口側に設けられて、冷媒通路内に冷却媒体の乱流を発生させるオリフィスを持つ円板を備え、オリフィスは、冷媒通路の内径の２０％乃至４０％の内径寸法を持つことを特徴とするものである。

本発明の回転電機の冷却構造を適用した回転電機の概略断面図である。（実施例１） 本発明によるシャフトの軸に垂直な面での模式的断面図である。（実施例１） 本発明によるシャフトの軸方向の模式的断面図である。（実施例１） 本発明による突条を持つ組立体の模式的斜視図である。（実施例１） 本発明の回転電機の冷却構造に於ける突起の数による熱伝達率向上の割合を示す特性図である。（実施例１） 本発明の回転電機の冷却構造によるシャフト内の冷却媒体の流線状況を示す図である。（実施例１） 本発明の回転電機の冷却構造の別の例によるシャフトを示す模式的軸方向断面図である。（実施例２） 図７の冷却構造の小口径管路と中空孔の直径比による熱伝達率向上の割合を示す特性図である。（実施例２） 本発明の回転電機の冷却構造の更に別の例によるシャフトを示す模式的軸方向断面図である。（実施例３） 本発明の回転電機の冷却構造の更に別の例によるシャフトを示す模式的軸方向断面図である。（実施例４）

実施の形態１．
図１には、一例として本発明の回転電機の冷却構造を適用したモータを示す。この発明はモータだけでなく、発電機、発電動機等を含み、冷却の必要があるロータを備えた回転電機一般に適用できるものである。

図１のモータ１自体の構造は一般的なものであって、モータ１は、回転する部分のロータ（回転子）２とそれを非接触で取囲みながら支持するステータ（固定子）３とがフレーム４に収容されることによって構成されている。フレーム４はロータ２及びステータ３の軸方向に沿って円筒形状になっている。フレーム４の内周面の所定箇所にはステータ３が固定されている。ステータ３は厚みのある円筒形状になっており、その外周面はフレーム４の内周面と同一径になっている。ステータ３には回転磁界を形成するためのコイル巻線５が巻回されており、コイル巻線５の一部がコイルエンド６としてステータ３の両端部から外方へ突出している。又、ステータ３の内周面の内側には、ステータ３と非接触な状態でロータ２が設けられている。ロータ２は円柱形状であり、軸方向においてステータ３と対応する位置に、ステータ３に取囲まれるように設けられている。ロータ２には複数のアルミ製スロットバー７が軸方向に沿って埋設されている。ロータ２とステータ３は略同心円上に設けられているため、ロータ２とステータ３の間に存在する周方向の空隙（ギャップ）は略一定になっている。

フレーム４の長手方向両端部には円板状のエンドブラケット８、９が固定されている。各エンドブラケット８、９にはそれぞれ、その中央部に軸受け１０が設けられシャフト１１が貫通している。ロータ２とシャフト１１とは焼嵌めによって固定されている。シャフト１１には断面が円形の中空孔であり冷媒通路１２が同軸に軸方向に形成され、内部に空気や水、エチレングリコール、潤滑油などの冷却媒体１３が通過するようになっている。

ステータ３に巻回されたコイル巻線５に電流を流して、回転磁界が形成されると、ロータ２に埋設されたスロットバーが力を受けてロータ２がシャフト１１と共に回転すると共に、ロータ２を通る磁束の変化によってロータ２に渦電流が発生する。この際に、コイル巻線に発生した熱はステータ３を介してフレーム４に伝導され、フレーム４からモータ外部の大気中へ放出される。又、ロータ２に渦電流が生じる際に、ロータ２にはそれ自身に発熱が生じるが、ロータ２と焼嵌めによって一体的に形成されているシャフト１１内には冷媒通路１２が設けられていて、その中を図示してない供給源から送られてくる冷却媒体１３が流れて通過するため、シャフト１１と冷却媒体１３との間で熱交換が行われる。そのため、シャフト１１を強制的に冷却することが可能になるため、ロータ２をその内部から冷却することが可能になる。

図２乃至図６には、本発明の回転電機の冷却構造の詳細を示す。ロータ２を支持するシャフト１１内に設けられた中空の貫通孔である冷媒通路１２の内周面に、内周面から径方向内側に向かって突出した突条２１が設けられている。突条２１は、シャフト１１の軸方向（即ち軸心に平行）に直線的に連続して延びており、ロータ２の全長にほぼ対応した位置および長さだけ設けられている。

突条２１は、様々な態様で冷媒通路１２内に設けることができるが、図示の例では、図４に示すように、冷媒通路１２の内周面に圧入された２つの平行なリング部材２２の間にそれぞれ両端で溶接等によって支持され、全体としてかご状の組立体２３を構成する２本の平行に配置された棒部材である。突条２１は、銅や鉄などの熱伝導率の大きな材料からなり、軸方向に一様な矩形断面を持っていて、突条２１とリング部材２２とで構成されたかご状組立体２３をシャフト１１の円形断面の中空貫通孔である冷媒通路１２内に焼嵌めされることにより、冷媒通路１２の内周面に密着してシャフト１１の熱が容易に突条２１に伝わるようにしてある。

ロータ２からの熱はシャフト１１に伝導されて、大部分はシャフト１１内の冷媒通路１２の内周面から冷却媒体１３へ放熱され、残りの一部は突条２１を介して冷却媒体１３に放熱される。このとき、冷媒通路１２内に流入してきた冷却媒体１３は回転するシャフト１１の突条２１により攪拌され、流れに乱れが生じてシャフト１１から冷却媒体１３への熱伝達が大きくなり冷却効果が大きくなる。

突状部材２１は具体的には、例えばシャフト内径４０ｍｍの場合、幅２ｍｍ、高さ５ｍｍの突条２１を２本、径方向に対向させて設けると良い結果が得られる。図５にはこの寸法の突条２１の数による熱伝達率の変化の数値解析による結果を示す。また図６にはこの寸法の突条２１を２本用いた場合のシャフト断面内の流速分布を示す。図６中の点線矢印に示すように突条２１により流線が変化し、シャフト１１の内壁面にぶつかる流れが生じていることが分かる。その結果、図５に示すように突条２１がない場合（突条数＝０）に比べ、内壁面での熱伝達が突条の数にほぼ比例して向上してすることがわかる。

また、突条２１は軸方向に断面形状および寸法が一様であるのでシャフトの軸方向に一様にロータの冷却効果が増大することになる。さらに，突条２１は熱伝導率の大きな部材から構成されているため、シャフト１１の熱が突条２１を通しても冷却媒体１３に放熱され、突条２１により伝熱表面積が増大してロータの冷却効果が大きくなるという効果も得られる。突条２１は、冷媒通路１２の内径の１０％乃至１５％の径方向寸法（高さ）とすると良い結果が得られる。

実施の形態２．
図７は本発明の回転電機の冷却構造の別の例を示す軸方向断面図であり、この例ではシャフト１１の冷媒通路１２内に矢印３２で表す冷却媒体１３の乱流を発生させる小口径管路であるオリフィス３１を持つ円板３３が設けられている。図示の例ではオリフィス３１は円板３３の中心に設けられた円形の孔で、シャフト１１に対してすなわち冷媒通路１２に対して同軸に配置され、また冷媒通路１２の入口側すなわち上流側に設けられている。

ロータ２からの熱がシャフト１１内の流体１３へ放熱されてロータ２を冷却する作用は先の例と同様である。このとき、オリフィス３１では断面積が小さいため流速が増加し、流体１３は図中実線矢印３２で示すように噴流となってシャフト１１内部に流出し、シャフトの回転の効果と相乗してシャフト内壁にぶつかる流れが誘起され、その結果シャフト１１内部の熱伝達率が向上し、ロータの冷却効果が大きくなるという効果が得られる。

このときのオリフィス（小径管路）３１と冷媒通路１２の直径比に対する熱伝達率の促進率（＝中空孔がない場合に対する熱伝達率の増大割合）を示したものを図６に示す。図から小口径管路３１と冷媒通路１２の直径比が０．４以下で５％以上の促進率となっており、小口径管路３１と冷媒通路１２の直径比は小さいほど良いことが分かる。オリフィス３１の内径寸法は、冷媒通路１２の内径の２０％乃至４０％とすると良い結果が得られる。オリフィス３１の内径は、２０％よりも小さいと冷却媒体１３の流量が不足して充分な冷却が困難となり、４０％よりも大きいとオリフィス３１を通る冷却媒体１３の流速が充分に大きくならない。

実施の形態３．
図９は本発明の回転電機の冷却構造の更に別の例を示す軸方向断面図である。冷媒通路１２をもつシャフト１１への冷却媒体１３の入口部には、シャフト１１の中心軸から離れて小口径管路であるオリフィス４１が設けられている。この例ではオリフィス４１は円板４３に偏心して設けられ、シャフト１１の軸方向に延びた小径の孔である。ロータ２からの熱はシャフト１１を介して冷却媒体１３に放熱されてロータ２が冷却される。このとき、冷却媒体１３の流れは、断面積の小さいオリフィス４１で速くなり、冷媒通路１２に対して偏心しているので、冷却媒体１３は図中実線矢印４２で示すようにシャフト１１の回転の効果と相乗して噴流旋回流となってシャフト１１内部に流出する。このため、シャフト１１の内壁にぶつかる流れが誘起され、その結果シャフト１１内部の熱伝達率が向上し、ロータ２の冷却効果が大きくなるという効果が得られる。その他の構成は図７に示す例と同様で良い。

実施の形態４．
図１０は本発明の回転電機の冷却構造の更に別の例を示す軸方向断面図である。冷媒通路１２の入口部には、円板５３が設けられていて、この円板５３の中央部にはシャフト１１の中心軸方向に対して軸が傾斜した小口径管路であるオリフィス５１が設けられている。この例に於いても、冷却媒体１３は、オリフィス５１での流路断面積が小さいため流速が増加して、図中実線矢印５２で示すようにシャフト１１の回転の効果と相乗して噴流旋回流となってシャフト１１内部に流出し、シャフト１１の内壁にぶつかる流れが誘起され、その結果シャフト１１内部の熱伝達率が向上し、ロータの冷却効果が大きくなるという効果が得られる。その他の構成は図７に示す例と同様で良い。

以上の例では、本発明の回転電機の冷却構造をそれぞれ別個のものとして説明してきたが、これらを不都合の無い範囲で適宜組み合わせて使用して冷却媒体１３の流れの攪拌を更に促進することもできる。例えば、図１乃至図６の直線状の突条２１と図７のオリフィス３１とを組み合わせることもできるし、図９の偏心したオリフィス４１を図１０のオリフィス５１のように傾斜させることもできる。

Claims (4)

1. ステータと、ロータと、上記ロータを上記ステータに対して回転可能に支持するシャフトとを備えた回転電機を冷却するために、上記シャフトに設けられて冷却媒体を通すことのできる軸方向に延びた円形断面の冷媒通路を備えた回転電機の冷却構造であって、
   上記冷媒通路の入口側に設けられて、上記冷媒通路内に上記冷却媒体の乱流を発生させるオリフィスを持つ円板を備え、
   上記オリフィスは、上記冷媒通路の内径の２０％乃至４０％の内径寸法を持つことを特徴とする回転電機の冷却構造。
2. 上記オリフィスは、上記冷媒通路に対して同軸であることを特徴とする請求項１記載の回転電機の冷却構造。
3. 上記オリフィスは、上記冷媒通路に対して偏心していることを特徴とする請求項１記載の回転電機の冷却構造。
4. 上記オリフィスは、上記冷媒通路に対して傾斜していることを特徴とする請求項１記載の回転電機の冷却構造。

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