回転電機
【課題】固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、回転電機は、固定子枠１２と、固定子枠内に同軸的に配置された環状の固定子鉄心３２と、固定子鉄心に取付けられた複数の鉄心コイル３４と、を有し、前記固定子鉄心の外周と固定子枠の内面との間に冷却通風路を規定している固定子３０と、固定子鉄心の内側に同軸的に設けられた回転自在な回転子４０と、回転子に取付けられ、回転子と一体に回転する冷却ファン５０ａ、５０ｂと、固定子および回転子の軸方向端、並びに、前記冷却ファンを覆って前記固定子枠に固定されたファンカバー６０ａ、６０ｂと、ファンカバーに形成され回転子と同軸的に位置する吸気口６２ａ、６２ｂと、を備えている。ファンカバーの吸気口の外径Ｄ１と冷却ファンのフィンの内径ｄとが略同一寸法に形成されている。
【解決手段】実施形態によれば、回転電機は、固定子枠１２と、固定子枠内に同軸的に配置された環状の固定子鉄心３２と、固定子鉄心に取付けられた複数の鉄心コイル３４と、を有し、前記固定子鉄心の外周と固定子枠の内面との間に冷却通風路を規定している固定子３０と、固定子鉄心の内側に同軸的に設けられた回転自在な回転子４０と、回転子に取付けられ、回転子と一体に回転する冷却ファン５０ａ、５０ｂと、固定子および回転子の軸方向端、並びに、前記冷却ファンを覆って前記固定子枠に固定されたファンカバー６０ａ、６０ｂと、ファンカバーに形成され回転子と同軸的に位置する吸気口６２ａ、６２ｂと、を備えている。ファンカバーの吸気口の外径Ｄ１と冷却ファンのフィンの内径ｄとが略同一寸法に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、例えば、昇降機の巻上機等に用いる回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、昇降機の巻上機等に用いる回転電機は、円筒状の固定子鉄心と、この固定子鉄心の内側に回転自在に支持された回転子と、を備えている。固定子鉄心には、複数のスリットが形成され、これらのスリットに固定子コイルが埋め込まれている。
【０００３】
近年、回転子の発熱を抑え、よりコンパクトな回転電機を実現するために、かご型回転子に代わって、永久磁石を回転子鉄心に挿入して構成する永久磁石形回転電機も増えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０２９１５０号公報
【特許文献２】特開２００８−０９９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、巻上機等に用いる回転電機は、設置スペースに制約がある反面、より容量の拡大が望まれている。回転電機を小型、軽量化、および大容量化とする場合、単位体積あたりの発熱密度が増大する。特に、固定子鉄心コイルの温度が上昇し、耐久性および信頼性に影響を与える。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、回転電機は、固定子枠と、固定子枠内に同軸的に配置された環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に取付けられた複数の鉄心コイルと、を有し、前記固定子鉄心の外周と固定子枠の内面との間に冷却通風路を規定している固定子と、前記固定子鉄心の内側に同軸的に設けられた回転自在な回転子と、前記回転子に取付けられ、回転子と一体に回転する冷却ファンと、前記固定子および回転子の軸方向端、並びに、前記冷却ファンを覆って前記固定子枠に固定されたファンカバーと、前記ファンカバーに形成され前記回転子と同軸的に位置する吸気口と、を備え、前記ファンカバーの吸気口の外径と前記冷却ファンのフィンの内径とが略同一寸法に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る回転電機を示す斜視図。
【図２】図２は、前記回転電機の冷却風の流れを示す縦断面図。
【図３】図３は、前記回転電機の縦断面図。
【図４】図４は、前記回転電機の固定子枠を示す斜視図。
【図５】図５は、前記固定子枠と固定子鉄心との間に配置されるスペーサ（リブ）を示す斜視図。
【図６】図６は、前記回転電機の固定子鉄心を示す斜視図。
【図７】図７は、前記回転電機の固定子枠および固定子鉄心を示す側面図。
【図８】図８は、前記回転電機の回転子を示す斜視図。
【図９】図９は、ファンカバーの吸気口の直径Ｄと冷却ファンの内径ｄとの比と、冷却温度との関係を示す図。
【図１０】図１０は、鉄心コイルの突出長さＣと冷却ファンのフィン弦長さＬとの比と、冷却温度との関係を示す図。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る回転電機を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る回転電機１０を示し、図２および図３は、回転電機１０の縦断面を示し、図４ないし図８は回転電機１０の種々の構成要素を示している。
図１ないし図３に示すように、回転電機１０は、固定子枠１２と、固定枠内に支持された円筒状の固定子３０と、固定子の内側に回転自在に設けられた回転子４０と、回転子４０に形成された冷却ファン５０ａ、５０ｂと、固定子および回転子の両側を覆った一対のファンカバー６０ａ、６０ｂと、を備えている。
【００１１】
図１、図４、および図７に示すように、固定子枠１２は、円筒フレーム１４と円筒フレームの外周部に一体に形成された環状のフランジ部１６を備えている。フランジ部１６の下部には一対の脚座１８が一体に形成されている。円筒フレーム１４には、複数の排気孔２０、例えば、矩形状の排気孔２０が形成され、円周方向に沿って間隔をおいて設けられている。また、円筒フレーム１４の上端部、すなわち、鉛直方向の上端部には、小径の円形の排気孔２２が形成されている。脚座１８の近傍で円筒フレーム１４の下部外面に、複数の補強リブ２４が一体に形成されている。
【００１２】
図１ないし図７に示すように、固定子３０は、円筒状の固定子鉄心３２を備えている。固定子鉄心３２は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成されている。固定子鉄心３２の内周部には、それぞれ軸方向に延びた複数のスロットが形成され、これらのスロットに固定子鉄心コイル３４が埋め込まれている。鉄心コイル３４のコイルエンドは固定子鉄心３２の両端面から軸方向に張り出している。固定子鉄心３２および固定子鉄心コイル３４により固定子３０が構成されている。
【００１３】
固定子鉄心３２の外径Ｑ２は、円筒フレーム１４の内径Ｑ１よりも僅かに小さく形成されている。固定子鉄心３２は円筒フレーム１４内に同軸的に配置され、固定子鉄心３２の外周面と円筒フレーム１４との間に複数のスペーサ３６が嵌合されている。各スペーサ３６は、細長い円柱形状（リブ形状）に形成されている。大多数のスペーサ３６は、その中央部に凹所３６ａが形成されている。これらのスペーサ３６は、それぞれ固定子鉄心３２の軸方向に延在しているとともに、固定子鉄心３２の円周方向に一定の間隔を置いて並んで配置されている。凹所３６ａを有するスペーサ３６は、例えば、凹所３６ａ側が円筒フレーム１４の内周面に対向した状態で設置されている。
【００１４】
実施形態では、図６に示すように、複数のスペーサ３６は、固定子鉄心３２の外周面に固定され、この固定子鉄心３２を圧入あるいは焼ばめによって円筒フレーム１４内に嵌合することにより、固定子鉄心３２が円筒フレーム１４内に同軸的に固定されている。また、固定子鉄心３２は、図示しない鉄心押えにより円筒フレーム１４内に固定保持されている。
【００１５】
図２および図７に示すように、固定子鉄心３２の外周面と円筒フレーム１４の内周面との間の隙間により、後述する冷却風が流れる冷却通風路３７が形成されている。ここで、隣合うスペーサ３６により仕切られた空間は、スペーサ３６の凹所３６ａを通して互いに連通している。そして、複数の排気孔２０、２２は、冷却通風路３７に開口および連通している。なお、大部分の排気孔２０は、隣接する２つのスペーサ３６間で円筒フレーム１４に設けられ、一部の排気孔２０は、スペーサと重なって、円筒フレームに形成されているの
図２、図３、図８に示すように、回転子４０は、回転軸４２と、回転軸の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒状の回転子鉄心４４と、回転軸に固定された図示しない鉄心押さえと、を有している。回転軸４２は固定子鉄心３２と同軸的に延在し、その軸方向両端部は、図示しない軸受により回転自在に支持されている。回転子鉄心４４は、固定子鉄心３２の内側に、隙間を置いて、同軸的に位置している。回転軸４２の駆動側端部４２ａは、後述するファンカバーを貫通し、機外に延出している。
【００１６】
回転子鉄心４４は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成され、その内部に図示しない永久磁石が配置されている。固定子鉄心コイル３４に通電することにより、回転子鉄心４４が回転し、回転軸４２が固定子鉄心と一体に回転される。これにより、永久磁石型の回転電機が構成されている。なお、回転子４０は、かご型回転ことし、誘導型の回転電機を構成してもよい。
【００１７】
図２、図３、図８に示すように、回転子鉄心４４の軸方向両端面に、複数のフィン５２が固定され、それぞれ冷却ファン５０ａ、５０ｂを構成している。フィン５２は、それぞれ矩形板状に形成され、複数のフィン５２は、回転子鉄心４４の回転中心に対して放射状に延在され、かつ、円周方向に等間隔を置いて配置されている。冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径、すなわち、複数のフィン５２の内径は、ｄに設定され、また、各フィン５２の弦長、すなわち、回転子鉄心４４の軸方向に沿った長さはＬに設定されている。冷却ファン５０ａ、５０ｂは、回転子４０と共に回転し、後述するように、外気を吸引して放射方向外方に噴出す。
【００１８】
図１ないし図３に示すように、ファンカバー６０ａ、６０ｂは、外周部が内側に湾曲して折り曲げられた円盤状（ほぼ皿状）に形成されている。ファンカバー６０ａ、６０ｂは、金属、例えば、板厚３．２mmの薄板鋼板により形成されている。ファンカバー６０ａは、その周縁部が固定子枠１２に固定され、固定子３０および回転子４０と同軸的に配置されているとともに、固定子３０および回転子４０の一端側を覆っている。ファンカバー６０ａと固定子３０および回転子４０との間に、冷却風を流す空間が形成されている。また、ファンカバー６０の中心部に円形の吸気口６２ａが形成されている。この吸気口６２ａは、回転子４０と同軸的に位置している。回転軸４２の出力側端部は、吸気口６２ａを通って機外に延出している。吸気口６２ａの径は、Ｄ１に設定されている。
【００１９】
他方のファンカバー６０ｂは、その周縁部が固定子枠１２に固定され、固定子３０および回転子４０と同軸的に配置されているとともに、固定子３０および回転子４０の他端側を覆っている。ファンカバー６０ｂと固定子３０および回転子４０との間に、冷却風を流す空間が形成されている。また、ファンカバー６０の中心部に環状の吸気口６２ｂが形成されている。この吸気口６２ｂは、回転子４０と同軸的に位置している。吸気口６２ｂの内径はＤ２、外径はＤ１に設定されている。
【００２０】
図２に示すように、回転子４０と共に冷却ファン５０ａ、５０ｂが回転すると、ファンカバー６０ａ、６０ｂの吸気口６２ａ、６２ｂから外気（冷却空気）が機内に吸い込まれ、冷却ファン５０ａ、５０ｂにより放射方向外方に送られる。この冷却風は、固定子鉄心コイル３４のコイル端部を通りこれを冷却した後、固定子鉄心３２と円筒フレーム１４との間の冷却通風路３７を流れて固定子鉄心３２を冷却する。その後、冷却風は、排気孔２０から機外に排気される。このように、発生熱源である鉄心コイル（銅損）３４と固定子鉄心（鉄損）３２に冷却風を当てることにより、外気へ放熱し、これらの熱源の温度上昇が抑制する。
【００２１】
１）本実施形態において、図３に示すように、ファンカバー６０ａ、６０ｂの吸気口６２ａ、６２ｂの径Ｄ１と冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄは、ほぼ等しい径に形成されている。例えば、吸気口６２ａ、６２ｂの径Ｄ１を３００ｍｍとした場合、冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄは、±２０ｍｍ（１〜６％）程度の誤差で、径Ｄ１と等しく形成されている。
【００２２】
このように、吸気口６２ａ、６２ｂの径Ｄ１と冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄを略同一寸法とすることにより、冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄから遠心力により周りの空気が吸い込まれる。その際、ファンカバー６０ａ、６０ｂの吸気口６２ａ、６２ｂの直径Ｄの大きさにより、風量が左右される。この現象を解明するため実験検証とコンピュークシミュレーションの流れ解析した結果、図９に示すように、吸気口６２ａ、６２ｂの直径Ｄと冷却ファンの内径ｄを同一寸法（ｄ／Ｄ＝１）にすると、風量が最大限となり、回転電機の全体の温度が低減する。冷却風が最大限に流れることから、固定子鉄心３２および鉄心コイル３４の熱を効率よく冷却風に放熱し、これらの温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
２）本実施形態によれば、図３に示すように、固定子鉄心３２から軸方向に張り出した鉄心コイル３４のコイルエンドとファンカバー６０ａ、６０ｂとの距離Ｂは、約１０cmに設定され、また、冷却ファン５０ａ、５０ｂのフィン５２とファンカバー内面との距離Ｅは、フィン５２の弦長さＬよりも小さく（Ｌ＞Ｅ）、例えば、長さＬの２０％以下に設定されている。
【００２４】
ファンカバー６０ａ、６０ｂに、例えば、板厚３．２mmの薄板鋼板を使用した場合、コイルエンドとの絶縁距離を保つには略１０cm以上が必要となる。コイルエンドと冷却ファン５０ａ、５０ｂの位置関係は、半径方向に離れている。そこで、冷却ファン５０ａ、５０ｂとファンカバー６０ａ、６０ｂの距離Ｅは、離しすぎると風量が少なくなる。
【００２５】
３）本実施形態によれば、固定子鉄心３２の軸方向に張り出したコイルエンドの長さＣは、フィン５２の弦長さＬに対して、Ｌ／Ｃ＝０．８〜０．７に設定されている。この場合、冷却ファン５０ａ、５０ｂからの遠心カにより周りの空気が吸い込まれ、コイルエンドに冷却風が当たる。その際、冷却ファン５０ａ、５０ｂの外形からコイルエンドに向かうまでに冷却風が広がり、およそ１．２５〜１．４０倍の範囲となる。この範囲で風量が最大限になり、回転電機の全体の温度が低減する。図１０は、Ｌ／Ｃと鉄心コイル温度との関係についてシュミレーションした結果を示している。この図から、Ｌ／Ｃ＝０．８〜０．７とすることにより、冷却風が最大限に流れ、固定子鉄心３２および鉄心コイル３４の熱を冷却風に放熱し、これらの温度上昇を抑制できることが分かる。
【００２６】
４）本実施形態によれば、図３に示すように、ファンカバー６０ｂに形成された吸気口６２ｂの外径Ｄ１および内径Ｄ２により規定される吸気口６２ｂの吸込み面積Ｓに対して、固定子鉄心の外径Ｑ２と円筒フレーム１４の内径Ｑ１により規定される冷却通風路３７の面積Ｇとの関係が、Ｇ＝１．１〜１．３Ｓとなるように、スペーサ３６の厚さｈが設定されている。この場合、冷却ファン５０ａ、５０ｂからの遠心力により周りの空気が吸い込まれ、冷却通風路３７を通って排気孔２０から排出される。
【００２７】
ここで、流入側の面積（吸気口６２ｂの面積）に対して、排気側の面積（冷却通風路３７の面積）を約１．１〜１．３倍に設定する。この範囲で冷却空気の風量が最大限になり、回転電機１０の全体の温度が低減することが分かった。冷却風が最大限に流れることから、固定子鉄心３２および鉄心コイル３４の熱を冷却風に放熱し、固定子鉄心３２および鉄心コイルの温度上昇を抑制することができる。
【００２８】
５）本実施形態によれば、図１ないし図４に示すように、固定子枠１２の円筒フレーム１４に複数の排気孔２０、２２を配置したことにより、固定子枠１２のフランジ部１６と円筒フレーム１４との円環曲げ剛性のバランスが取れる。円筒フレーム１４に排気孔２０、２２を設けると、円筒フレームの円環曲げ剛性が小さくなる。しかし、２つのフランジ部１６の間は円環曲げ剛性が大きいことから、フランジ部１６の強度の高い位置と、排気孔２０の円周方向の位置が一致していれば、排気孔２０により円筒フレームの強度低下が補われ、固定子枠１２の円環曲げ剛性はバランヌがとれてトータル的に大きくなる。したがって、固定子鉄心３２の円環曲げ剛性を向上することができる。
【００２９】
また、回転電機１０の停止時、排気孔からゴミが入る可能性があるが、円筒フレーム１４の鉛直方向上部に設けられた排気孔２２は小径に形成されているため、ゴミの侵入を抑制することができる。
【００３０】
以上のように構成された回転電機では、上述した１）〜５）のように各部の構成を最適化することにより、冷却ファン５０ａ、５０ｂの風量特性を向上し、回転電機全体の温度上昇を抑制することができる。コイルエンドおよび固定子鉄心の外形周りを冷却ファンから発生された冷却風が、ファンカバーとの距離により、効果的に流れることから、温度上昇する固定子鉄心、鉄心コイルに対して冷却性能が向上し、温度上昇が抑制される。これにより、固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機が得られる。
【００３１】
また、温度が低下する分、鉄心コイルに流す電流を増すことができ、回転電機の出力をより増すことができることから、大容量化が可能であるにも拘わらず、単位体積当たりの発熱密度を低減し小形の回転電機を提供することができる。更に、排気孔の位置、排気孔の個数を最適化することにより、固定子鉄心の剛性を向上することができ、構造剛性を保った上で冷却性が向上する。
【００３２】
なお、第１の実施形態では、回転電機１０は、上述した１）ないし５）の全てを満たす構成としているが、これに限らず、上記１）ないし４）の少なくとも１つの構成を備えていれば良く、この場合でも、固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機が得られる。
【００３３】
次に、他の実施形態に係る回転電機について説明する。
以下に述べる実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態に係る回転電機を示している。第２の実施形態では、回転電機１０は、少なくとも１つの排気孔２０に接続された強制吸引用のブロワー７０を備えている。ブロワー７０は、例えば、風道７２を介して固定子枠１２の円筒フレーム１４に取り付けられ、風道７２を介して排気孔２０に連通している。
【００３５】
ブロワー７０により回転電機１０の機内から強制的に冷却空気を吸引することにより、より多くの冷却風を固定子鉄心３２および鉄心コイル３４に供給し、これらの温度上昇をより抑制することができる。従って、回転電機の一層の大容量化を図ることが可能となる。回転電機１０の他の構成は、前述した第１の実施形態に係る回転電機と同一である。
【００３６】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、冷却ファンを構成するフィンの形状は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変更可能である。冷却ファンにおいて、複数のフィンは固定子鉄心に直接、固定する構成としたが、別途、支持円板にフィンを固定して冷却ファンを構成するようにしてもよい。冷却ファンは、回転子の軸方向両端に限らず、少なくも一方に設けられていればよい。この発明に係る回転電機は、昇降機の巻上げ機に限らず、種々の回転電機に適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…回転電機、１２…固定子枠、１４…円筒フレーム、１６…フランジ部、
２０、２２…排気孔、３０…固定子、３２…固定子鉄心、３４…鉄心コイル、
３６…スペーサ、３７…冷却通風路、４０…回転子、４２…回転軸、
４４…回転子鉄心、５０ａ、５０ｂ…冷却ファン、５２…フィン、
６０ａ、６０ｂ…ファンカバー、６２ａ、６２ｂ…吸気口
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、例えば、昇降機の巻上機等に用いる回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、昇降機の巻上機等に用いる回転電機は、円筒状の固定子鉄心と、この固定子鉄心の内側に回転自在に支持された回転子と、を備えている。固定子鉄心には、複数のスリットが形成され、これらのスリットに固定子コイルが埋め込まれている。
【０００３】
近年、回転子の発熱を抑え、よりコンパクトな回転電機を実現するために、かご型回転子に代わって、永久磁石を回転子鉄心に挿入して構成する永久磁石形回転電機も増えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−０２９１５０号公報
【特許文献２】特開２００８−０９９４９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
通常、巻上機等に用いる回転電機は、設置スペースに制約がある反面、より容量の拡大が望まれている。回転電機を小型、軽量化、および大容量化とする場合、単位体積あたりの発熱密度が増大する。特に、固定子鉄心コイルの温度が上昇し、耐久性および信頼性に影響を与える。
【０００６】
そこで、この発明の課題は、固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態によれば、回転電機は、固定子枠と、固定子枠内に同軸的に配置された環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に取付けられた複数の鉄心コイルと、を有し、前記固定子鉄心の外周と固定子枠の内面との間に冷却通風路を規定している固定子と、前記固定子鉄心の内側に同軸的に設けられた回転自在な回転子と、前記回転子に取付けられ、回転子と一体に回転する冷却ファンと、前記固定子および回転子の軸方向端、並びに、前記冷却ファンを覆って前記固定子枠に固定されたファンカバーと、前記ファンカバーに形成され前記回転子と同軸的に位置する吸気口と、を備え、前記ファンカバーの吸気口の外径と前記冷却ファンのフィンの内径とが略同一寸法に形成されている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る回転電機を示す斜視図。
【図２】図２は、前記回転電機の冷却風の流れを示す縦断面図。
【図３】図３は、前記回転電機の縦断面図。
【図４】図４は、前記回転電機の固定子枠を示す斜視図。
【図５】図５は、前記固定子枠と固定子鉄心との間に配置されるスペーサ（リブ）を示す斜視図。
【図６】図６は、前記回転電機の固定子鉄心を示す斜視図。
【図７】図７は、前記回転電機の固定子枠および固定子鉄心を示す側面図。
【図８】図８は、前記回転電機の回転子を示す斜視図。
【図９】図９は、ファンカバーの吸気口の直径Ｄと冷却ファンの内径ｄとの比と、冷却温度との関係を示す図。
【図１０】図１０は、鉄心コイルの突出長さＣと冷却ファンのフィン弦長さＬとの比と、冷却温度との関係を示す図。
【図１１】図１１は、第２の実施形態に係る回転電機を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、種々の実施形態について説明する。なお、実施形態を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は実施形態とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所があるが、これらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る回転電機１０を示し、図２および図３は、回転電機１０の縦断面を示し、図４ないし図８は回転電機１０の種々の構成要素を示している。
図１ないし図３に示すように、回転電機１０は、固定子枠１２と、固定枠内に支持された円筒状の固定子３０と、固定子の内側に回転自在に設けられた回転子４０と、回転子４０に形成された冷却ファン５０ａ、５０ｂと、固定子および回転子の両側を覆った一対のファンカバー６０ａ、６０ｂと、を備えている。
【００１１】
図１、図４、および図７に示すように、固定子枠１２は、円筒フレーム１４と円筒フレームの外周部に一体に形成された環状のフランジ部１６を備えている。フランジ部１６の下部には一対の脚座１８が一体に形成されている。円筒フレーム１４には、複数の排気孔２０、例えば、矩形状の排気孔２０が形成され、円周方向に沿って間隔をおいて設けられている。また、円筒フレーム１４の上端部、すなわち、鉛直方向の上端部には、小径の円形の排気孔２２が形成されている。脚座１８の近傍で円筒フレーム１４の下部外面に、複数の補強リブ２４が一体に形成されている。
【００１２】
図１ないし図７に示すように、固定子３０は、円筒状の固定子鉄心３２を備えている。固定子鉄心３２は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成されている。固定子鉄心３２の内周部には、それぞれ軸方向に延びた複数のスロットが形成され、これらのスロットに固定子鉄心コイル３４が埋め込まれている。鉄心コイル３４のコイルエンドは固定子鉄心３２の両端面から軸方向に張り出している。固定子鉄心３２および固定子鉄心コイル３４により固定子３０が構成されている。
【００１３】
固定子鉄心３２の外径Ｑ２は、円筒フレーム１４の内径Ｑ１よりも僅かに小さく形成されている。固定子鉄心３２は円筒フレーム１４内に同軸的に配置され、固定子鉄心３２の外周面と円筒フレーム１４との間に複数のスペーサ３６が嵌合されている。各スペーサ３６は、細長い円柱形状（リブ形状）に形成されている。大多数のスペーサ３６は、その中央部に凹所３６ａが形成されている。これらのスペーサ３６は、それぞれ固定子鉄心３２の軸方向に延在しているとともに、固定子鉄心３２の円周方向に一定の間隔を置いて並んで配置されている。凹所３６ａを有するスペーサ３６は、例えば、凹所３６ａ側が円筒フレーム１４の内周面に対向した状態で設置されている。
【００１４】
実施形態では、図６に示すように、複数のスペーサ３６は、固定子鉄心３２の外周面に固定され、この固定子鉄心３２を圧入あるいは焼ばめによって円筒フレーム１４内に嵌合することにより、固定子鉄心３２が円筒フレーム１４内に同軸的に固定されている。また、固定子鉄心３２は、図示しない鉄心押えにより円筒フレーム１４内に固定保持されている。
【００１５】
図２および図７に示すように、固定子鉄心３２の外周面と円筒フレーム１４の内周面との間の隙間により、後述する冷却風が流れる冷却通風路３７が形成されている。ここで、隣合うスペーサ３６により仕切られた空間は、スペーサ３６の凹所３６ａを通して互いに連通している。そして、複数の排気孔２０、２２は、冷却通風路３７に開口および連通している。なお、大部分の排気孔２０は、隣接する２つのスペーサ３６間で円筒フレーム１４に設けられ、一部の排気孔２０は、スペーサと重なって、円筒フレームに形成されているの
図２、図３、図８に示すように、回転子４０は、回転軸４２と、回転軸の軸方向ほぼ中央部に固定された円筒状の回転子鉄心４４と、回転軸に固定された図示しない鉄心押さえと、を有している。回転軸４２は固定子鉄心３２と同軸的に延在し、その軸方向両端部は、図示しない軸受により回転自在に支持されている。回転子鉄心４４は、固定子鉄心３２の内側に、隙間を置いて、同軸的に位置している。回転軸４２の駆動側端部４２ａは、後述するファンカバーを貫通し、機外に延出している。
【００１６】
回転子鉄心４４は、磁性材、例えば、珪素鋼板からなる環状の金属板を多数枚積層して構成され、その内部に図示しない永久磁石が配置されている。固定子鉄心コイル３４に通電することにより、回転子鉄心４４が回転し、回転軸４２が固定子鉄心と一体に回転される。これにより、永久磁石型の回転電機が構成されている。なお、回転子４０は、かご型回転ことし、誘導型の回転電機を構成してもよい。
【００１７】
図２、図３、図８に示すように、回転子鉄心４４の軸方向両端面に、複数のフィン５２が固定され、それぞれ冷却ファン５０ａ、５０ｂを構成している。フィン５２は、それぞれ矩形板状に形成され、複数のフィン５２は、回転子鉄心４４の回転中心に対して放射状に延在され、かつ、円周方向に等間隔を置いて配置されている。冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径、すなわち、複数のフィン５２の内径は、ｄに設定され、また、各フィン５２の弦長、すなわち、回転子鉄心４４の軸方向に沿った長さはＬに設定されている。冷却ファン５０ａ、５０ｂは、回転子４０と共に回転し、後述するように、外気を吸引して放射方向外方に噴出す。
【００１８】
図１ないし図３に示すように、ファンカバー６０ａ、６０ｂは、外周部が内側に湾曲して折り曲げられた円盤状（ほぼ皿状）に形成されている。ファンカバー６０ａ、６０ｂは、金属、例えば、板厚３．２mmの薄板鋼板により形成されている。ファンカバー６０ａは、その周縁部が固定子枠１２に固定され、固定子３０および回転子４０と同軸的に配置されているとともに、固定子３０および回転子４０の一端側を覆っている。ファンカバー６０ａと固定子３０および回転子４０との間に、冷却風を流す空間が形成されている。また、ファンカバー６０の中心部に円形の吸気口６２ａが形成されている。この吸気口６２ａは、回転子４０と同軸的に位置している。回転軸４２の出力側端部は、吸気口６２ａを通って機外に延出している。吸気口６２ａの径は、Ｄ１に設定されている。
【００１９】
他方のファンカバー６０ｂは、その周縁部が固定子枠１２に固定され、固定子３０および回転子４０と同軸的に配置されているとともに、固定子３０および回転子４０の他端側を覆っている。ファンカバー６０ｂと固定子３０および回転子４０との間に、冷却風を流す空間が形成されている。また、ファンカバー６０の中心部に環状の吸気口６２ｂが形成されている。この吸気口６２ｂは、回転子４０と同軸的に位置している。吸気口６２ｂの内径はＤ２、外径はＤ１に設定されている。
【００２０】
図２に示すように、回転子４０と共に冷却ファン５０ａ、５０ｂが回転すると、ファンカバー６０ａ、６０ｂの吸気口６２ａ、６２ｂから外気（冷却空気）が機内に吸い込まれ、冷却ファン５０ａ、５０ｂにより放射方向外方に送られる。この冷却風は、固定子鉄心コイル３４のコイル端部を通りこれを冷却した後、固定子鉄心３２と円筒フレーム１４との間の冷却通風路３７を流れて固定子鉄心３２を冷却する。その後、冷却風は、排気孔２０から機外に排気される。このように、発生熱源である鉄心コイル（銅損）３４と固定子鉄心（鉄損）３２に冷却風を当てることにより、外気へ放熱し、これらの熱源の温度上昇が抑制する。
【００２１】
１）本実施形態において、図３に示すように、ファンカバー６０ａ、６０ｂの吸気口６２ａ、６２ｂの径Ｄ１と冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄは、ほぼ等しい径に形成されている。例えば、吸気口６２ａ、６２ｂの径Ｄ１を３００ｍｍとした場合、冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄは、±２０ｍｍ（１〜６％）程度の誤差で、径Ｄ１と等しく形成されている。
【００２２】
このように、吸気口６２ａ、６２ｂの径Ｄ１と冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄを略同一寸法とすることにより、冷却ファン５０ａ、５０ｂの内径ｄから遠心力により周りの空気が吸い込まれる。その際、ファンカバー６０ａ、６０ｂの吸気口６２ａ、６２ｂの直径Ｄの大きさにより、風量が左右される。この現象を解明するため実験検証とコンピュークシミュレーションの流れ解析した結果、図９に示すように、吸気口６２ａ、６２ｂの直径Ｄと冷却ファンの内径ｄを同一寸法（ｄ／Ｄ＝１）にすると、風量が最大限となり、回転電機の全体の温度が低減する。冷却風が最大限に流れることから、固定子鉄心３２および鉄心コイル３４の熱を効率よく冷却風に放熱し、これらの温度上昇を抑制することができる。
【００２３】
２）本実施形態によれば、図３に示すように、固定子鉄心３２から軸方向に張り出した鉄心コイル３４のコイルエンドとファンカバー６０ａ、６０ｂとの距離Ｂは、約１０cmに設定され、また、冷却ファン５０ａ、５０ｂのフィン５２とファンカバー内面との距離Ｅは、フィン５２の弦長さＬよりも小さく（Ｌ＞Ｅ）、例えば、長さＬの２０％以下に設定されている。
【００２４】
ファンカバー６０ａ、６０ｂに、例えば、板厚３．２mmの薄板鋼板を使用した場合、コイルエンドとの絶縁距離を保つには略１０cm以上が必要となる。コイルエンドと冷却ファン５０ａ、５０ｂの位置関係は、半径方向に離れている。そこで、冷却ファン５０ａ、５０ｂとファンカバー６０ａ、６０ｂの距離Ｅは、離しすぎると風量が少なくなる。
【００２５】
３）本実施形態によれば、固定子鉄心３２の軸方向に張り出したコイルエンドの長さＣは、フィン５２の弦長さＬに対して、Ｌ／Ｃ＝０．８〜０．７に設定されている。この場合、冷却ファン５０ａ、５０ｂからの遠心カにより周りの空気が吸い込まれ、コイルエンドに冷却風が当たる。その際、冷却ファン５０ａ、５０ｂの外形からコイルエンドに向かうまでに冷却風が広がり、およそ１．２５〜１．４０倍の範囲となる。この範囲で風量が最大限になり、回転電機の全体の温度が低減する。図１０は、Ｌ／Ｃと鉄心コイル温度との関係についてシュミレーションした結果を示している。この図から、Ｌ／Ｃ＝０．８〜０．７とすることにより、冷却風が最大限に流れ、固定子鉄心３２および鉄心コイル３４の熱を冷却風に放熱し、これらの温度上昇を抑制できることが分かる。
【００２６】
４）本実施形態によれば、図３に示すように、ファンカバー６０ｂに形成された吸気口６２ｂの外径Ｄ１および内径Ｄ２により規定される吸気口６２ｂの吸込み面積Ｓに対して、固定子鉄心の外径Ｑ２と円筒フレーム１４の内径Ｑ１により規定される冷却通風路３７の面積Ｇとの関係が、Ｇ＝１．１〜１．３Ｓとなるように、スペーサ３６の厚さｈが設定されている。この場合、冷却ファン５０ａ、５０ｂからの遠心力により周りの空気が吸い込まれ、冷却通風路３７を通って排気孔２０から排出される。
【００２７】
ここで、流入側の面積（吸気口６２ｂの面積）に対して、排気側の面積（冷却通風路３７の面積）を約１．１〜１．３倍に設定する。この範囲で冷却空気の風量が最大限になり、回転電機１０の全体の温度が低減することが分かった。冷却風が最大限に流れることから、固定子鉄心３２および鉄心コイル３４の熱を冷却風に放熱し、固定子鉄心３２および鉄心コイルの温度上昇を抑制することができる。
【００２８】
５）本実施形態によれば、図１ないし図４に示すように、固定子枠１２の円筒フレーム１４に複数の排気孔２０、２２を配置したことにより、固定子枠１２のフランジ部１６と円筒フレーム１４との円環曲げ剛性のバランスが取れる。円筒フレーム１４に排気孔２０、２２を設けると、円筒フレームの円環曲げ剛性が小さくなる。しかし、２つのフランジ部１６の間は円環曲げ剛性が大きいことから、フランジ部１６の強度の高い位置と、排気孔２０の円周方向の位置が一致していれば、排気孔２０により円筒フレームの強度低下が補われ、固定子枠１２の円環曲げ剛性はバランヌがとれてトータル的に大きくなる。したがって、固定子鉄心３２の円環曲げ剛性を向上することができる。
【００２９】
また、回転電機１０の停止時、排気孔からゴミが入る可能性があるが、円筒フレーム１４の鉛直方向上部に設けられた排気孔２２は小径に形成されているため、ゴミの侵入を抑制することができる。
【００３０】
以上のように構成された回転電機では、上述した１）〜５）のように各部の構成を最適化することにより、冷却ファン５０ａ、５０ｂの風量特性を向上し、回転電機全体の温度上昇を抑制することができる。コイルエンドおよび固定子鉄心の外形周りを冷却ファンから発生された冷却風が、ファンカバーとの距離により、効果的に流れることから、温度上昇する固定子鉄心、鉄心コイルに対して冷却性能が向上し、温度上昇が抑制される。これにより、固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機が得られる。
【００３１】
また、温度が低下する分、鉄心コイルに流す電流を増すことができ、回転電機の出力をより増すことができることから、大容量化が可能であるにも拘わらず、単位体積当たりの発熱密度を低減し小形の回転電機を提供することができる。更に、排気孔の位置、排気孔の個数を最適化することにより、固定子鉄心の剛性を向上することができ、構造剛性を保った上で冷却性が向上する。
【００３２】
なお、第１の実施形態では、回転電機１０は、上述した１）ないし５）の全てを満たす構成としているが、これに限らず、上記１）ないし４）の少なくとも１つの構成を備えていれば良く、この場合でも、固定子鉄心コイルの温度上昇を抑制し、大容量化を図ることが可能な回転電機が得られる。
【００３３】
次に、他の実施形態に係る回転電機について説明する。
以下に述べる実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００３４】
（第２の実施形態）
図１１は、第２の実施形態に係る回転電機を示している。第２の実施形態では、回転電機１０は、少なくとも１つの排気孔２０に接続された強制吸引用のブロワー７０を備えている。ブロワー７０は、例えば、風道７２を介して固定子枠１２の円筒フレーム１４に取り付けられ、風道７２を介して排気孔２０に連通している。
【００３５】
ブロワー７０により回転電機１０の機内から強制的に冷却空気を吸引することにより、より多くの冷却風を固定子鉄心３２および鉄心コイル３４に供給し、これらの温度上昇をより抑制することができる。従って、回転電機の一層の大容量化を図ることが可能となる。回転電機１０の他の構成は、前述した第１の実施形態に係る回転電機と同一である。
【００３６】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
例えば、冷却ファンを構成するフィンの形状は、上述した実施形態に限定されることなく、種々変更可能である。冷却ファンにおいて、複数のフィンは固定子鉄心に直接、固定する構成としたが、別途、支持円板にフィンを固定して冷却ファンを構成するようにしてもよい。冷却ファンは、回転子の軸方向両端に限らず、少なくも一方に設けられていればよい。この発明に係る回転電機は、昇降機の巻上げ機に限らず、種々の回転電機に適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１０…回転電機、１２…固定子枠、１４…円筒フレーム、１６…フランジ部、
２０、２２…排気孔、３０…固定子、３２…固定子鉄心、３４…鉄心コイル、
３６…スペーサ、３７…冷却通風路、４０…回転子、４２…回転軸、
４４…回転子鉄心、５０ａ、５０ｂ…冷却ファン、５２…フィン、
６０ａ、６０ｂ…ファンカバー、６２ａ、６２ｂ…吸気口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子枠と、
固定子枠内に同軸的に配置された環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に取付けられた複数の鉄心コイルと、を有し、前記固定子鉄心の外周と固定子枠の内面との間に冷却通風路を規定している固定子と、
前記固定子鉄心の内側に同軸的に設けられた回転自在な回転子と、
前記回転子に取付けられ、回転子と一体に回転する冷却ファンと、
前記固定子および回転子の軸方向端、並びに、前記冷却ファンを覆って前記固定子枠に固定されたファンカバーと、
前記ファンカバーに形成され前記回転子と同軸的に位置する吸気口と、を備え、
前記ファンカバーの吸気口の外径と前記冷却ファンのフィンの内径とが略同一寸法に形成されている回転電機。
【請求項２】
前記鉄心コイルは、前記固定子鉄心の軸方向端から軸方向に突出するコイルエンドを有し、前記コイルエンドと前記ファンカバーとの距離は１０ｃｍ以上に形成され、
前記冷却ファンのフィンと前記ファンカバー内面との距離は、前記フィンの弦長さ以下に形成されている請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記鉄心コイルは、前記固定子鉄心の軸方向端から軸方向に突出するコイルエンドを有し、前記コイルエンドの軸方向の突出長さＣと前記フィンの弦長さＬとは、
Ｌ／Ｃ＝０．８〜０．７の関係を満たすように形成されている請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ファンカバーの吸気口の面積と前記冷却通風路の面積Ｓと前記冷却通風路の面積Ｇとは、Ｇ＝１．１〜１．３Ｓの関係を満たすように形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記固定子鉄心の外周面と前記固定子枠の内周面との間に円周方向に間隔をおいて設けられた複数のスペーサを備え、
前記固定子枠は、前記複数のスペーサ間に形成され前記冷却通風路に開口する排気孔を有している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１】
固定子枠と、
固定子枠内に同軸的に配置された環状の固定子鉄心と、固定子鉄心に取付けられた複数の鉄心コイルと、を有し、前記固定子鉄心の外周と固定子枠の内面との間に冷却通風路を規定している固定子と、
前記固定子鉄心の内側に同軸的に設けられた回転自在な回転子と、
前記回転子に取付けられ、回転子と一体に回転する冷却ファンと、
前記固定子および回転子の軸方向端、並びに、前記冷却ファンを覆って前記固定子枠に固定されたファンカバーと、
前記ファンカバーに形成され前記回転子と同軸的に位置する吸気口と、を備え、
前記ファンカバーの吸気口の外径と前記冷却ファンのフィンの内径とが略同一寸法に形成されている回転電機。
【請求項２】
前記鉄心コイルは、前記固定子鉄心の軸方向端から軸方向に突出するコイルエンドを有し、前記コイルエンドと前記ファンカバーとの距離は１０ｃｍ以上に形成され、
前記冷却ファンのフィンと前記ファンカバー内面との距離は、前記フィンの弦長さ以下に形成されている請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記鉄心コイルは、前記固定子鉄心の軸方向端から軸方向に突出するコイルエンドを有し、前記コイルエンドの軸方向の突出長さＣと前記フィンの弦長さＬとは、
Ｌ／Ｃ＝０．８〜０．７の関係を満たすように形成されている請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記ファンカバーの吸気口の面積と前記冷却通風路の面積Ｓと前記冷却通風路の面積Ｇとは、Ｇ＝１．１〜１．３Ｓの関係を満たすように形成されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項５】
前記固定子鉄心の外周面と前記固定子枠の内周面との間に円周方向に間隔をおいて設けられた複数のスペーサを備え、
前記固定子枠は、前記複数のスペーサ間に形成され前記冷却通風路に開口する排気孔を有している請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−４６５５４（Ｐ２０１３−４６５５４Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８４８９３（Ｐ２０１１−１８４８９３）
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２６日（２０１１．８．２６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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