JP6502423B2 - 電磁石 - Google Patents

Description

本発明は電磁石に関し、特にその冷却構造に関する。

電磁石を用いた機器は、その用途に関わらず、コイルを構成する導線に電流を流す構造上、発熱量は概ね体積に比例して寸法比の３乗で増大する一方、表面積は寸法比の２乗しか増大しないので、表面を放熱面とすると、冷却効率が悪化する。そこで従前より、表面以外に放熱面積を増やすために、導線（コイル）を分割しその周辺に冷媒を流す構造（特許文献１）や、冷媒を流すことが可能な中空導線と中実導線を組み合わせた構造（特許文献２）が提案されている。

ここで、発熱体から冷媒への熱の伝わり易さを表す熱伝達係数は、冷媒の種類と流速によって大きく変化する。冷媒として気体を選択した場合、流れている空気では、１０〜２５０ｋｃａｌ／（ｍ^２・ｈ・℃）程度である。また、流れている油で５０〜１５００ｋｃａｌ／（ｍ^２・ｈ・℃）程度、流れている水で２５０〜５０００ｋｃａｌ／（ｍ^２・ｈ・℃）程度である。すなわち、冷媒としては気体よりも液体を用いる方が冷却効率が良い。このことから、電磁石のコイルを冷却する冷媒としては、液体の冷媒（冷媒液）を用いるのが一般的であり、特にコイルの絶縁性確保の点から絶縁油が多用されている。

しかし、前記特許文献１の構造において冷媒として冷媒液を用いると、前記特許文献１の構造では、コイルが分割され、コイルの外周に冷媒液の通路が施されているものの、循環手段が強制循環でも自然循環でも、このような構造では、冷媒液が流れやすい場所と流れにくい場所が生じて、冷却のバラツキが生じ、冷却効率が低下する問題点がある。また、前記特許文献２の構造の場合、中空コイル導線内の冷媒のみ強制循環されているので、中空コイル導線は良く冷却されるが、中空コイル導線の外側であるコイル収容空間は強制循環なされておらず、この場合も、冷却のバラツキが生じて冷却効率が低下する問題点がある。

特開昭５２−５７６５４号公報 特開平６−２８６９７０号公報

本発明が解決しようとする課題は、コイルの冷却効率を向上できる電磁石を提供することにある。

この課題を解決するために本発明者らが、コイルを上下方向に複数積層したコイル積層体を備える従来の電磁石において、冷媒液によるコイル積層体の冷却状態について詳細に調査したところ、最も熱のこもりやすいコイル間を流れる冷媒液の流量が予想以上に少なく、結果として冷却のバラツキが生じて冷却効率が低下していることが判明した。そこで本発明者らは、冷媒液がコイル間を通過しやすくなる構造を志向し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の一観点によれば次の電磁石が提供される。
「導線をドーナッツ形状に複数巻いて一体にしたコイルを、スペーサを介して上下方向に複数積層してなるコイル積層体と、
このコイル積層体を収容するドーナッツ形状のコイル収容部を有するコイルケースと、
このコイルケースに設けた冷媒液入口から冷媒液を導入し、その冷媒液を前記コイルケースに設けた冷媒液出口から排出し、その冷媒液を冷却後再び前記冷媒液入口から導入する冷媒液循環冷却機構とを備える電磁石において、
前記冷媒液入口から導入された冷媒液が前記コイル積層体の外周面に沿って流れるのを抑制する第１の整流板と、
前記冷媒液が前記コイル積層体の上面に沿って流れるのを抑制する第２の整流板と、
前記冷媒液が前記コイル積層体の中心部から湧き上がるのを抑制する第３の整流板とを設けていることを特徴とする電磁石。」

本発明によれば、前記第１〜３の整流板を設けたことで、冷媒液が、最も熱のこもりやすいコイル間を通過しやすくなり、冷却効率が向上する。
また、冷却効率が向上することで、一定の印加電圧のもとでは電流値の低下を抑制することができ、その結果、電磁石の磁束密度を高く維持できる。すなわち、冷却効率が向上することで、電磁石（コイル）の単位体積あたりの発熱量を上げることができるので、高磁束密度化や小型化が可能となる。
さらに、冷却効率が向上することで、ヒートスポットをなくすことができ、絶縁油等の冷媒液の劣化を抑制できるとともに、冷媒液の劣化によるスラッジの発生や絶縁抵抗の低下を抑制できる。

本発明の一実施形態である電磁石の要部を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はＡ−Ａ矢視図、（ｃ）はＢ−Ｂ矢視図である。 図１の電磁石が備えるコイル積層体を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は冷媒液入口側から見た図である。 図１の電磁石が備えるコイルケースのケース本体を示す斜視図である。 図２のコイル積層体を図３のケース本体に収容した状態を示す斜視図である。 整流板を設けていない場合の冷媒液の流れを示すイメージ図である。 第１の整流板と第４の整流板を設けた場合の冷媒液の流れを示すイメージ図である。 図６においてさらに第２の整流板を設けた場合の冷媒液の流れを示すイメージ図である。 図７においてさらに第３の整流板を設けた場合の冷媒液の流れを示すイメージ図である。 本発明の他の実施形態である電磁石の要部を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態である電磁石の要部を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態である電磁石の要部を示す斜視図である。 本発明の一実施形態である電磁石を備える電磁分離機の構成を示す概略断面図である。

図１に、本発明の一実施形態である電磁石１０の要部を示しており、（ｂ）はＡ−Ａ矢視図、（ｃ）はＢ−Ｂ矢視図である。図２には、電磁石１０が備えるコイル積層体２０を示しており、（ａ）は斜視図、（ｂ）は冷媒液入口側から見た図である。図３には、電磁石１０が備えるコイルケース３０のケース本体３１を示しており、図４には、コイル積層体２０をケース本体３１に収容した状態を示している。

図１に示している電磁石１０は、コイル積層体２０と、このコイル積層体２０を収容するコイルケース３０とを備える。

コイル積層体２０は図２に示しているように、銅線やアルミニウム線などの導線をドーナッツ形状に複数巻いて一体にしたコイル２１を、スペーサ２２を介して上下方向に複数（本実施形態では３枚）積層し、これを上下の押え板２３ａ，２３ｂで挟んで、これら上下の押え板２３ａ，２３ｂをボルト２４で締結することにより、一体としたものである。なお、本実施形態において各コイルは電気的に直列に接続されているが、並列に接続してもよい。

このコイル積層体２０を収容するコイルケース３０は、ケース本体３１と上蓋３２とを備える。ケース本体３１は図３に示しているように、外筒部３１ａと内筒部３１ｂと底部３１ｃとを有し、これら外筒部３１ａ、内筒部３１ｂ及び底部３１ｃによって、コイル積層体２０を収容するドーナッツ形状のコイル収容部３１ｄが形成されている。このコイル収容部３１ｄにコイル積層体２０を収容後（図４参照）、上蓋３２を被せることで、コイル積層体２０がコイルケース３０に収容される（図１参照）。なお、図示を省略しているが、コイル積層体２０は、ケース本体３１の外筒部３１ａの内周面に対して、ボルトなどの固定手段により位置決め固定されている、

コイルケース３０のケース本体３１には、冷媒液入口３１ｅと冷媒液出口３１ｆが設けられている。これら冷媒液入口３１ｅと冷媒液出口３１ｆには、後述する冷媒液循環冷却機構５０（図１２参照）が接続される。すなわち、この冷媒液循環冷却機構５０は、冷媒液入口３１ｅからコイルケース３０内に冷媒液を導入し、その冷媒液を冷媒液出口３１ｆから排出し、その冷媒液を冷却後再び冷媒液入口３１ｆから導入する。これにより、コイルケース３０に収容されたコイル積層体２０（各コイル２１）が冷媒液によって冷却される。なお、冷媒液は、コイルケース３０内においてコイル積層体２０が浸かる程度に満たされるように循環する。また、冷媒液としては、鉱物油やシリコーンオイルなどの絶縁油が好適である。

ここで、コイル積層体２０の各コイル２１間に設置しているスペーサ２２について説明を加えると、本実施形態ではスペーサ２２は図１（ｂ）に示しているように、各コイル２１間において所定の間隔をおいて複数条（本実施形態では５条）並べており、これら複数条のスペーサ２２は冷媒液入口３１ｅから冷媒液出口３１ｆに向かう冷媒液の流れ方向（冷媒液出口３１ｆを通るコイル積層体２０の直径方向中心線Ｌ方向）に沿って互いに平行、かつコイル積層体２０の直径方向中心線Ｌに対して線対称となるように並べている。これにより、各コイル２１間には、冷媒液入口３１ｅから冷媒液出口３１ｆに向かう冷媒液の流れ方向（直径方向中心線Ｌ方向）に沿って平行に、複数の冷媒液の流路が均一に形成される。

以上の構成において本実施形態では、冷媒液が各コイル２１間を通過しやすくなるように、第１〜４の整流板４１〜４４を設けている。以下、各整流板の作用効果について、図面を参照しつつ説明する。

図５に、整流板を設けていない場合の冷媒液の流れを示すイメージ図である。なお、このイメージ図は、コンピュータによる流体解析結果に基づき作成したもので、実線はコイル積層体の外側の流れ、破線はコイル積層体の内部（コイル間）の流れを示し、線の太さは流量の多さを表している。また、このイメージ図では、図３に示しているケース本体３１の内筒部３１ｂの上端に設けているフランジ部３１ｂ−１は、冷媒液の流れをわかりやすく示すために省略している。以下のイメージ図（図５〜１１）でも同じである、

整流板を設けていない場合、図５に示しているように冷媒液は、最も通過面積の広い、コイル積層体の外周面に沿った流路１，２を通過するため、効率的な冷却がなされない。そこで本実施形態では、コイル積層体の外周面に沿った流路１，２への冷媒液の通過を抑制するために、流路１，２の途中にそれぞれ第１の整流板４１を設けている（図６参照）。すなわち、第１の整流板４１は、冷媒液がコイル積層体の外周面に沿って流れるのを抑制する。本実施形態において第１の整流板４１は、図１（ｂ）に示しているように、複数条のスペーサ２２のうち最も外周側に位置する２つのスペーサ２２Ａ，２２Ａの、冷媒液入口３１ｅに近い側の端部に連続するように設けている。これにより、冷媒液がコイル積層体の外周面に沿って流れるのをほほ完全に抑制することができる。このように第１の整流板４１は、スペーサ２２Ａ，２２Ａの冷媒液入口３１ｅに近い側の端部に連続するように設けることが最も好ましいが、前記流路１，２の途中に設けていれば前記流路１，２への冷媒液の通過を抑制する作用効果は得られる。ただし、前記流路１，２への冷媒液の通過を抑制する点からは、第１の整流板４１は、複数条のスペーサ２２のうち最も外周側に位置する２つスペーサ２２Ａ，２２Ａに近接して少なくとも２つ設けることが好ましく、本実施形態のように、スペーサ２２Ａ，２２Ａの冷媒液入口３１ｅに近い側の端部に連続するように設けることが最も好ましい。

再び図６を参照すると、本実施形態では、冷媒液入口の近傍に、当該冷媒液入口から導入された冷媒液の流れをコイル積層体の外周方向に分流するために第４の整流板４４を設けている。この第４の整流板４４を設けることで冷媒液の流れをコイル積層体の外周方向に均等に分流することができる。ただし、第４の整流板４４を設けなくとも、冷媒液の流れはコイル積層体の外周方向にある程度は分流されるので、第４の整流板４４は省略可能である。

前述のように第１の整流板４１を設けることで、前記流路１，２への冷媒液の通過は抑制されるものの、このままでは図６に示しているように、コイル積層体の上面に沿った流路３への冷媒液の通過が増大する。そこで本実施形態では、この流路３への冷媒液の通過を抑制するために、図７に示しているように第２の整流板４２を設けている。すなわち、第２の整流板４２は、冷媒液がコイル積層体の上面に沿って流れるのを抑制する。本実施形態において第２の整流板４２は、その両端部が２つの第１の整流板４１，４１に連続するように設けている。これにより、冷媒液がコイル積層体の上面に沿って流れるのをほほ完全に抑制することができる。このように第２の整流板４２は、その両端部が２つの第１の整流板４１，４１に連続するように設けることが最も好ましいが、前記流路３の途中に設けていれば前記流路３への冷媒液の通過を抑制する作用効果は得られる。ただし、前記流路３への冷媒液の通過を抑制する点からは、第２の整流板４２は、その両端部が２つの第１の整流板４１，４１に近接するように設けることが好ましく、本実施形態のように、その両端部が２つの第１の整流板４１，４１に連続するように設けることが最も好ましい。

このように第１の整流板４１と第２の整流板４２を設けることで、前記流路１〜３への冷媒液の通過は抑制されるものの、これだけでは図７に示しているように、コイル積層体の中心部から湧き上がる方向の流路４への冷媒液の通過が増大する。そこで本実施形態では、この流路４への冷媒液の通過を抑制するために第３の整流板４３を設けている（図８参照）。すなわち、第３の整流板４３は、冷媒液がコイル積層体の中心部から湧き上がるのを抑制する。本実施形態において第３の整流板４３は、コイル積層体の内孔面から連続して立ち上がる円筒形状を有する。第３の整流板４３は円筒形状には限定されず、例えば前記流路４を塞ぐような円環形状とすることもできるが、コイル積層体のコイルケース（コイル収容部）への収容のしやすさの点からは本実施形態のように円筒形状とすることが好ましい。

このように本実施形態では、第１の整流板４１，４１、第２の整流板４２及び第３の整流板４３を設けていることで、前記流路１〜４への冷媒液の通過はほとんど抑制され、その結果、冷媒液は最も熱のこもりやすい各コイル２１間（図８に示している流路５〜８）に冷媒液が通過するようになる。これにより、コイル積層体２０（各コイル２１）の冷却効率が向上するので電流値の低下を抑制することができ、その結果、電磁石１０の磁束密度を高く維持できる。さらに、冷却効率が向上することで、ヒートスポットをなくすことができ、絶縁油等の冷媒液の劣化を抑制できるとともに、冷媒液の劣化によるスラッジの発生や絶縁抵抗の低下を抑制できる。実際、本発明者らの試験の結果、本実施形態の電磁石１０によれば、整流板を設けていない従来の電磁石（図５）に比べ、電流値の低下は約２０％から約１０％に軽減した。また冷媒液（絶縁油）の温度は、最高温度が約１２０度から約４０度に低減し、スラッジが発生するといわれている５０度以下にすることができた。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれには限定されない。例えば図９に示しているように第２の整流板４２−１を、第３の整流板４３と一体に設けることができる。また、図１０に示しているように整流板４２−２を、コイル積層体の内孔よりも冷媒液出口側に設けることもできる。この整流板４２−２は、冷媒液がコイル積層体の上面に沿って流れるのを抑制する作用効果とともに、冷媒液がコイル積層体の内孔（中心部）から湧き上がるのを抑制する作用効果も奏する。すなわち、整流板４２−２は、本発明でいう「第２の整流板」として機能するとともに「第３の整流板」としても機能する。言い換えれば、この整流板４２−２は、本発明でいう「第２の整流板」と「第３の整流板」の両方に相当し、この図１０の実施形態でも「第２の整流板」と「第３の整流板」を設けていることとなる。このように「第２の整流板」は、冷媒液がコイル積層体の上面に沿って流れるのを抑制することができるなら、その形状や位置は限定されず、「第３の整流板」も、冷媒液がコイル積層体の中心部（内孔）から湧き上がるのを抑制することができるなら、その形状や位置は限定されない。同様に「第１の整流板」についても、冷媒液がコイル積層体の外周面に沿って流れるのを抑制することができるなら、その形状や位置は限定されない。

また、図１１に示しているように、冷媒液入口３１ｅは複数設けることもできる。この場合、各冷媒液入口３１ｅは、冷媒液出口３１ｆを通る直径方向中心線に対して線対称となるように設けることが好ましい。また、図１１のように冷媒液入口３１ｅを複数設ける場合、第４の整流板４４は、冷媒液の流れをコイル積層体の外周方向に２分（２分割）するように、冷媒液出口３１ｆを通過する直径方向中心線上に設けることが好ましい。なお、冷媒液入口３１ｆも複数設けることができる。

次に、図１に示した実施形態の電磁石１０の適用例として電磁分離機について説明する。図１２に、本実施形態の電磁石１０を備える電磁分離機６０の構成を概略断面により示している。また図１２には、電磁石１０の構成要素である冷媒液循環冷却機構５０も示している。この冷媒液循環冷却機構５０は、電磁石１０のコイルケース３０に設けている冷媒液入口３１ｅと冷媒液出口３１ｆに接続されている。そしてこの冷媒液循環冷却機構５０は、冷媒液入口３１ｅからコイルケース３０内に冷媒液を導入し、その冷媒液を冷媒液出口３１ｆから排出し、その冷媒液を冷却後再び冷媒液入口３１ｆから導入するために、ポンプ５１と熱交換器５２を備える。この冷媒液循環冷却機構５０により、コイルケース３０に収容されたコイル積層体２０（各コイル２１）が冷媒液によって冷却される。なお、図１２において電磁石１０の構成は簡略化して示しており、例えば前述の各整流板やスペーサは省略している。

図１２の電磁分離機６０では、電磁石１０のコイルケース３０が有する内筒部３１ｂの中に筒６１が配置され、この筒６１の中に板状の磁性材料からなるスクリーン６２がスクリーン保持棒６３に上下方向に重ねられて多層に配置されている。筒６１の外周には上下方向に所定間隔をおいて突縁６４を設け、上下の突縁６４の間に、筒６１の外周を取り囲み、かつ相互間に小間隙を保持する状態で電磁石１０がスプリング６５を介して取り付けられている。筒６１の下部にはバイブレータ６６が装着されている。

この電磁分離機６０において、バイブレータ６６を始動させることにより筒６１にバイブレーションを与えるとともに、電磁石１０に通電を開始すれば、筒６１内の各スクリーン６２は磁性材料でありかつ電磁石１０の磁界内に位置しているために磁化する。そこで、筒６１の上端開口より粉体を導入すれば、この粉体は筒６１内をバイブレーションの作用にて拡散されつつ各スクリーン６２を上方から順次通過しながら落下し、この間に磁性異物は磁化している各スクリーン６２により吸着されて残存し、磁性異物が除去された粉体は筒６１の下端開口部より導出される。一定量又は一定時間の分離操作が終わると、粉体の供給を停止したのち、電磁石１０への通電を断つと、大部分の磁性異物は落下し排出される。そして、バイブレータ６６への通電を断ったのち、スクリーン６２を保持している保持棒６３の上端を持ってこれを上方に引き出す。保持棒６３には、スクリーン６２のすべてが保持されているため、保持棒６３と共に全スクリーン２２は筒６１の内部から同時に取り出されることになる。取り出されたスクリーン６２は清掃されて、さらに磁性異物が除去される。清掃されたスクリーン６２は、再び筒６１の内部に戻されて粉体が供給されて磁性異物の除去作業が開始される。

なお、本実施形態の電磁石１０は、この電磁分離機６０以外の電磁分離機にも当然適用可能であり、電磁分離機以外、例えば前記特許文献１、２に開示されている吊下電磁石に適用することもできる。

１０ 電磁石
２０ コイル積層体
２１ コイル
２２ スペーサ
２３ａ，２３ｂ 押え板
２４ ボルト
３０ コイルケース
３１ ケース本体
３１ａ 外筒部
３１ｂ 内筒部
３１ｂ−１ フランジ部
３１ｃ 底部
３１ｄ コイル収容部
３１ｅ 冷媒液入口
３１ｆ 冷媒液出口
３２ 上蓋
４１ 第１の整流板
４２，４２−１ 第２の整流板
４２−２ 第２の整流板（第３の整流板）
４３ 第３の整流板
４４ 第４の整流板
５０ 冷媒液循環冷却機構
５１ ポンプ
５２ 熱交換器
６０ 電磁分離機
６１ 筒
６２ スクリーン
６３ スクリーン保持棒
６４ 突縁
６５ スプリング
６６ バイブレータ

Claims (5)

1. 導線をドーナッツ形状に複数巻いて一体にしたコイルを、スペーサを介して上下方向に複数積層してなるコイル積層体と、
   このコイル積層体を収容するドーナッツ形状のコイル収容部を有するコイルケースと、
   このコイルケースに設けた冷媒液入口から冷媒液を導入し、その冷媒液を前記コイルケースに設けた冷媒液出口から排出し、その冷媒液を冷却後再び前記冷媒液入口から導入する冷媒液循環冷却機構とを備える電磁石において、
   前記冷媒液入口から導入された冷媒液が前記コイル積層体の外周面に沿って流れるのを抑制する第１の整流板と、
   前記冷媒液が前記コイル積層体の上面に沿って流れるのを抑制する第２の整流板と、
   前記冷媒液が前記コイル積層体の中心部から湧き上がるのを抑制する第３の整流板とを設けていることを特徴とする電磁石。
2. 前記スペーサは間隔をおいて複数条並べており、これら複数条のスペーサは前記冷媒液入口から前記冷媒液出口に向かう冷媒液の流れ方向に沿って互いに平行、かつ前記コイル積層体の直径方向中心線に対して線対称となるように並べており、
   前記第１の整流板は、前記複数条のスペーサのうち最も外周側に位置する２つのスペーサに近接して少なくとも２つ設け、
   前記第２の整流板は、その両端部が前記２つの第１の整流板に近接するように設けている、請求項１に記載の電磁石。
3. 前記第１の整流板は、前記複数条のスペーサのうち最も外周側に位置する２つのスペーサにおいて前記冷媒液入口に近い側の端部に連続するように少なくとも２つ設け、
   前記第２の整流板は、その両端部が前記２つの第１の整流板に連続するように設けている、請求項２に記載の電磁石。
4. 前記第３の整流板は、前記コイル積層体の内孔面から連続して立ち上がる円筒形状を有する、請求項１〜３のいずれかに記載の電磁石。
5. 前記冷媒液入口の近傍に、当該冷媒液入口から導入された冷媒液の流れを前記コイル積層体の外周方向に分流又は２分する第４の整流板を設けている、請求項１〜４のいずれかに記載の電磁石。