CN113922524A - 块状转子、旋转电机以及转子槽形成方法 - Google Patents

块状转子、旋转电机以及转子槽形成方法 Download PDF

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Abstract

对块状转子抑制效率的降低并确保构造健全性。块状转子(10)具有：轴部，沿轴向延伸被支承为能够旋转的轴部；圆柱状的转子铁芯部(13)，与轴部一体地形成具有比轴部大的直径且形成有在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸的多个转子槽(70)；多个电导体，贯通转子槽内。转子槽具有：对于包含旋转轴且沿径向扩展的虚拟平面以第一倾斜角(Θ1)倾斜的第一槽部侧面(71a)、第一槽部底面(71b)和连接第一槽部侧面与第一槽部底面的第一槽部连接面(71c)；以第二倾斜角(Θ2)倾斜的第二槽部侧面(72a)、第二槽部底面(72b)和连接第二槽部侧面与第二槽部底面的第二槽部连接面(72c)。第二倾斜角比第一倾斜角小。

Description

块状转子、旋转电机以及转子槽形成方法
技术领域
本发明涉及块状转子、使用了该块状转子的旋转电机以及转子槽形成方法。
背景技术
在使用了块状转子的感应旋转电机或者同步旋转电机中，在其铁芯部分的径向的表面附近，形成有沿周向相互隔开间隔地配置并沿轴向贯通的多个转子槽。在各个转子槽中贯通有导体条或者转子绕组等二次导体。
在转速较高的领域中使用的高速机中，出于进一步确保机械强度的目的，有时采用使转子铁芯与转子轴(rotor shaft)为一体的块状磁极型的转子(块状转子)来取代将转子铁芯设为电磁钢板的层叠构造。在这种情况下，由于作用于二次导体的离心力增大，因此需要可靠地防止二次导体向径向外侧的脱离。由于离心力的方向与槽所形成的方向一致，因此例如采取将二次导体压接于转子铁芯等方法(参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第6933647号说明书
发明内容
发明将要解决的课题
在电磁钢板的层叠类型的情况下，电磁钢板彼此利用绝缘材而电绝缘，防止了轴向的泄漏电流的产生。另一方面，在块状转子的情况下，由于铁芯部分在电性上为一体，因此也会产生轴向的泄漏电流，因此成为效率降低的重要因素。
另外，由于块状转子主要在高速机中被采用，施加于转子槽内的二次导体的离心力较大，因此确保针对离心力的构造健全性很重要。
而且，关于转子槽的形成，在电磁钢板的层叠类型的情况下，能够通过将电磁钢板冲裁(日文：打ち抜く)成在层叠状态下形成有转子槽的形状，另一方面，在块状转子的情况下，需要在铁芯部分的表面进行槽加工，所述槽加工用于形成沿周向相互隔开间隔地配置并沿轴向贯通的转子槽。
因此，本发明的目的在于，对于块状转子，抑制效率的降低并且确保构造健全性。
用于解决课题的手段
为了实现上述的目的，本发明的块状转子的特征在于，具有：轴部，沿轴向延伸，被支承为能够绕旋转轴旋转；圆柱状的转子铁芯部，与所述轴部一体地形成，具有比所述轴部大的直径，且形成有多个转子槽，所述多个转子槽在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸；以及多个电导体，贯通所述多个转子槽内，所述多个转子槽分别具有：相对于包含所述旋转轴且沿径向扩展的虚拟平面以第一倾斜角倾斜的第一侧面、第一底面、和将所述第一侧面与所述第一底面连接的第一连接面；以及相对于所述虚拟平面以第二倾斜角倾斜的第二侧面、第二底面、和将所述第二侧面与所述第二底面连接的第二连接面，所述第二倾斜角比所述第一倾斜角小。
另外，本发明的旋转电机的特征在于，具备：前述的块状转子；定子，具有设于所述转子铁芯部的径向外侧的圆筒状的定子铁芯以及贯通多个定子槽的内部的定子绕组，所述多个定子槽在所述定子铁芯的径向的内侧表面沿周向相互隔开间隔地形成且沿轴向延伸；以及两个轴承，隔着所述转子铁芯部在所述轴向上的所述轴部的两侧分别支承所述块状转子。
另外，本发明的转子槽形成方法的特征在于，在块状转子形成有多个转子槽，所述多个转子槽在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸，所述块状转子具有：轴部，沿轴向延伸，被支承为能够绕旋转轴旋转；圆柱状的转子铁芯部，与所述轴部一体地形成，具有比所述轴部大的直径，且形成有多个转子槽，所述多个转子槽在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸；以及多个电导体，贯通所述多个转子槽内，在所述转子铁芯部的所述轴向的两外侧相互结合，其中，所述转子槽形成方法具有：第一槽加工步骤，实施第一槽的加工，所述第一槽具有相对于包含所述旋转轴且沿径向扩展的虚拟平面以第一倾斜角倾斜的第一侧面、第一底面、和将所述第一侧面与所述第一底面连接的第一连接面；以及第二槽加工步骤，实施第二槽的加工，所述第二槽具有相对于所述虚拟平面以第二倾斜角倾斜的第二侧面、第二底面、和将所述第二侧面与所述第二底面连接的第二连接面，所述第二倾斜角比所述第一倾斜角小。
发明效果
根据本发明，对于块状转子，能够抑制效率的降低，并且确保构造健全性。
附图说明
图1是表示实施方式的旋转电机的构成的纵剖面图。
图2是表示实施方式的块状转子以及定子的构成的局部横剖面图。
图3是表示实施方式的转子槽形成方法的顺序的流程图。
图4是表示实施方式的转子槽形成方法中的第一槽加工时的状态的横剖面图。
图5是表示实施方式的转子槽形成方法中的第二槽加工时的状态的横剖面图。
图6是表示实施方式的转子槽形成方法的变形例的顺序的流程图。
图7是表示实施方式的块状转子的转子槽的局部横剖面图。
图8是表示比较例的槽加工时的状态的横剖面图。
附图标记说明
3…刀具，3a…旋转对称部，3b…突出部，10…转子，11…转子轴一体型转子，12…轴部，13…转子铁芯部，13a…转子齿，15…二次导体，16…短路环，19…空隙，20…定子，21…定子铁芯，21a…定子槽，22…定子绕组，31…轴承，32…轴承托架，40…框架，70…转子槽，71…第一槽部，71a…第一槽部侧面，71b…第一槽部底面，71c…第一槽部连接面，72…第二槽部，72a…第二槽部侧面，72b…第二槽部底面，72c…第二槽部连接面，80…槽加工装置，81…第一槽用刀具，81a…侧部，81b…底部，81c…连接部，82…第二槽用刀具，82a…侧部，82b…底部，82c…连接部，85…旋转驱动部，100…旋转电机。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的块状转子、使用了该块状转子的旋转电机以及转子槽形成方法进行说明。这里，对彼此相同或类似的部分标注共同的附图标记，并省略重复说明。
图1是表示实施方式的旋转电机的构成的纵剖面图。
旋转电机100具有块状转子10、定子20、轴承31以及框架40。以下，作为旋转电机100，以笼型感应旋转电机的情况为例进行表示，但在绕组形感应旋转电机以及同步旋转电机的情况下也同样能够应用。
块状转子10是出于进一步确保机械强度的目的而使转子铁芯与转子轴为一体的块状磁极型的转子，具有一体型转子11、贯通块状转子10的作为转子导体的多个二次导体15以及两个短路环16。另外，以下，关于二次导体15，以笼型旋转电机的导体条的情况为例进行表示，但在绕组形感应旋转电机以及同步旋转电机的情况下，只要将二次导体改称作转子绕组即可。
一体型转子11是旋转对称的一体物，具有在旋转轴方向(以下，轴向)上组合了直径不同的圆柱形状的形状。轴向的中央附近以直径较大的圆柱状形成有转子铁芯部13。隔着转子铁芯部13，在轴向的两侧形成有直径小于转子铁芯部13的轴部12。轴向的两侧的轴部12分别被轴承31支承为能够旋转。
如后述那样，在转子铁芯部13的径向的表面的附近，多个二次导体15贯通并沿轴向延伸。各个二次导体15分别向转子铁芯部13的轴向的两外侧以相同的长度突出。在轴向的两外侧的各个外侧中，多个二次导体15的端部与环状的短路环16电结合以及机械式地结合，从而相互电结合。二次导体15以及短路环16使用了与转子铁芯部13相比导电率更高的材料。例如转子铁芯部13为铁钢或者低合金钢等，相对于此，二次导体15以及短路环16为铜、铝等。
定子20具有定子铁芯21以及多个定子绕组22。定子铁芯21经由环状的空隙19设于块状转子10的转子铁芯部13的径向外侧。定子铁芯21为圆筒状，在定子铁芯21的内侧表面附近贯通有定子绕组22。
框架40收纳定子20以及转子铁芯部13。在框架40的轴向的两端分别设有轴承托架32。轴承托架32分别静止支承轴承31。
图2是表示实施方式的块状转子以及定子的构成的局部横剖面图。
在块状转子10的一体型转子11的转子铁芯部13的、比轴部12的外侧表面靠径向的外侧的部分形成有向径向外侧表面开放的多个转子槽70。转子槽70沿周向相互隔开间隔，并沿轴向贯通。
各个转子槽70在其径向外侧的开口部分位于铅垂上方时，相对于包含块状转子10的旋转轴X且通过开口部分的中央的铅垂平面S沿周向倾斜。另外，虽然利用相互在周向上邻接的转子槽70形成转子齿13a，但转子齿13a也在周向上倾斜。
在各个转子槽70收纳有作为转子导体的二次导体15。
在定子20的定子铁芯21形成有沿周向相互隔开间隔地配置且沿轴向贯通的定子槽21a。在各个定子槽21a收纳有定子绕组22的导体。在定子槽21a位于铅垂方向的情况下，其两侧的内侧面形成为与前述的平面S平行。
图3是表示实施方式的转子槽形成方法的顺序的流程图。
首先，进行槽加工装置80(图4)的设定(步骤S01)。作为槽加工装置80，具有：搭载装置(未图示)，搭载一体型转子11，使其在周向上每次旋转指定的角度；以及一边将形成转子槽70的刀具类旋转驱动一边沿轴向移动的旋转驱动部85(图4、图5)等。
接下来，实施第一槽加工(步骤S02)。
图4是表示实施方式的转子槽形成方法中的第一槽加工时的状态的横剖面图。
第一槽用刀具81由旋转驱动部85把持。第一槽用刀具81具有侧部81a、底部81b以及将它们连接的连接部81c。连接部81c的横剖面的曲率半径是R1a。
斜线部是具有第一槽用刀具81的刀尖的切削部。另外，旋转驱动部85把持第一槽用刀具81，使第一槽用刀具81绕其轴中心的周围旋转。第一槽用刀具81在斜线部的侧部81a、底部81b以及连接部81c的任一方上都形成有刀尖。
关于转子槽70的第一槽部71，例如在转子铁芯部13的轴向外侧，以将第一槽用刀具81设为相对于平面S倾斜第一倾斜角Θ1的方向而位于转子槽70的深度所对应的位置的方式，将第一槽用刀具81安置于旋转驱动部85。在该状态下，使第一槽用刀具81旋转。接下来，使支承第一槽用刀具81的旋转驱动部85沿轴向(图4的进深方向)移动。
其结果，形成沿图4的进深方向贯通的第一槽部71。
接下来，判定是否在周向上全数实施了第一槽部71的加工(步骤S03)。在未判定为全数实施的情况下(步骤S03 NO)，变更一体型转子11的角度(步骤S04)。具体而言，通过搭载装置将一体型转子11旋转至下一个周向角度位置。在此基础上，重复步骤S02以后的步骤。
在判定为全数实施的情况下(步骤S03 YES)，进行第一槽部71的加工状态的确认(步骤S05)。具体而言，例如成为加工表面的状态是否没有异常等的确认。后述的步骤S09也相同。
接下来，实施第二槽加工(步骤S06)。
图5是表示实施方式的转子槽形成方法中的第二槽加工时的状态的横剖面图。
第二槽用刀具82由旋转驱动部85把持。第二槽用刀具82具有侧部82a、底部82b以及将它们连接的连接部82c。连接部82c的横剖面的曲率半径为R2a。另外，前述的第一槽用刀具81的连接部81c的曲率半径R1a比该曲率半径R2a大。
斜线部是具有第二槽用刀具82的刀尖的切削部。另外，旋转驱动部85把持第二槽用刀具82，使第二槽用刀具82绕其轴中心的周围旋转。第二槽用刀具82在斜线部的侧部82a、底部82b以及连接部82c的任一方上都形成有刀尖。
关于转子槽70的第二槽部72，例如在转子铁芯部13的轴向外侧，以将第二槽用刀具82设为相对于平面S倾斜第二倾斜角Θ2的方向而位于转子槽70的深度所对应的位置的方式将第二槽用刀具82安置于旋转驱动部85。这里，第二倾斜角Θ2比第一槽用刀具81的第一倾斜角Θ1小。
在该状态下，使第二槽用刀具82旋转。接下来，使支承第二槽用刀具82的旋转驱动部85沿轴向(图5的进深方向)移动。
其结果，形成沿图5的进深方向贯通的第二槽部72。
接下来，判定是否在周向上全数实施了第二槽部72的加工(步骤S07)。在未判定为全数实施的情况下(步骤S07 NO)，变更一体型转子11的角度(步骤S08)。具体而言，通过搭载装置将一体型转子11旋转至下一个周向角度位置。在此基础上，重复步骤S06以后的步骤。
在判定为全数实施的情况下(步骤S07 YES)，进行第二槽部72的加工状态的确认(步骤S09)。
接下来，实施精加工检查(步骤S10)。
基于第二槽用刀具82的第二槽部72的形成成为已经形成有第一槽部71的状态下的加工。在该情况下，对于第二槽用刀具82而言，将已形成于的第一槽部71的空间设为单侧，进行未形成空间的对象部分的切削，即，以单侧接触的状态进行切削，因此与形成第一槽部71时相比，条件变严格。
因此，减小了第二倾斜角Θ2。其结果，相比于形成第一槽部71时，切削深度变浅，切削阻力减少。
另外，使第二槽用刀具82的连接部82c的曲率半径小于第一槽用刀具81的连接部81c的曲率半径。这一点也具有减少切削阻力的效果。
图6是表示实施方式的转子槽形成方法的变形例的顺序的流程图。在图3的流程图所示的情况下，是在遍及整周而形成第一槽部71之后遍及整周而形成第二槽部72的顺序。
另一方面，在图6的流程图所示的变形例中，在一体型转子11各自的角度位置，进行第一槽部71的形成以及之后的第二槽部72的形成。
即，在进行槽加工装置80的设定(步骤S21)之后，进行第一槽加工的实施(步骤S22)、加工状态的确认(步骤S23)、第二槽加工的实施(步骤S24)、加工状态的确认(步骤S25)，之后进行是否已在周向上全数实施的判定(步骤S26)，如果未全数实施(步骤S26NO)，则变更一体型转子11的角度(步骤S27)，然后重复步骤S22以后的步骤。
在这种变形例中，与图3所示的顺序相比，虽然需要每次切换第一槽用刀具81与第二槽用刀具82，但一体型转子11的角度的变更次数为一半即可。在并非在1台驱动装置分别轮流地设定第一槽用刀具81与第二槽用刀具82、而是第一槽用刀具81与第二槽用刀具82这两者分别被设定为能够接近一体型转子11的情况下是有效的方法。
图7是表示实施方式的块状转子的转子槽的局部横剖面图。
转子槽70分别具有第一槽部71的部分与第二槽部72的部分。第一槽部71的部分具有第一槽部侧面71a、第一槽部底面71b以及第一槽部连接面71c，第二槽部72具有第二槽部侧面72a、第二槽部底面72b以及第二槽部连接面72c。
第一槽部71的部分与第二槽部72的部分在第一槽部底面71b与第二槽部底面72b的边界相互邻接。另一方面，第一槽部71的第一槽部侧面71a与第二槽部72的第二槽部侧面72a相互对置。另外，第一槽部71的第一槽部侧面71a相对于径向的倾斜角度即第一倾斜角Θ1比第二槽部72的第二槽部侧面72a相对于径向的倾斜角度即第二倾斜角Θ2大，因此相比于垂直于转子槽70的中心面的方向的、转子铁芯部13的外侧表面的宽度D1，底部的宽度D2更大。因此，能够防止二次导体15向径向外侧突出。
另外，由于在块状转子10旋转的过程中附加于二次导体15的离心力，从二次导体15向转子齿13a附加朝向径向外侧的载荷。由于该载荷的周向的成分，转子齿13a被附加朝向虚线的箭头M所示的周向的弯曲载荷。
由于对于转子齿13a的弯曲载荷，特别是第一槽部侧面71a与第一槽部底面71b之间的第一槽部连接面71c被附加拉伸应力。另一方面，第二槽部侧面72a与第二槽部底面72b之间的第二槽部连接面72c被附加压缩应力。
第一槽部连接面71c具有比第二槽部连接面72c的曲率半径大的曲率半径，能够缓和应力集中。
图8是表示比较例的槽加工时的状态的横剖面图。在比较例中，通过一次的加工，欲形成与本实施方式相同的转子槽、即对置的面的间隔随着接近槽的底部而扩大的槽。
因此，刀具3具有旋转对称部3a和比旋转对称部3a向一方突出的突出部3b，所述旋转对称部3a是关于旋转中心轴Y旋转对称的部分。一边使这种刀具3旋转，一边使其从转子铁芯部13的轴向外侧向轴向移动，理想的是应该由此会形成所期待的转子槽，
然而，刀具3绕轴偏心，因此，由于与刀具3的切削部相比，刀具3的根部不得不变细等，从而难以继续稳定的切削加工。
与此相对，在本实施方式的转子槽70的形成方法中，第一槽用刀具81以及第二槽用刀具82都能够充分确保相对于切削部的根部的粗细，并且也不偏心，因此能够进行稳定的切削。
另外，在本实施方式的情况下，通过使用第一槽用刀具81以及第二槽用刀具82两种刀具，能够将弯曲应力集中的第一槽部连接面71c的曲率半径设为与另一方的连接部72c不同的充分大的曲率半径。
如以上那样，在本实施方式中，通过以相对于径向具有角度的方式形成转子槽70来抑制效率的降低，并且通过将弯曲应力集中的一侧的第一槽部连接面71c的曲率半径设为充分大的曲率半径，从而能够确保构造健全性。
另外，通过使用两种刀具，能够进行稳定的加工。
[其他实施方式]
以上，虽然说明了本发明的实施方式，但实施方式是作为例子而提出的，并不意图限定发明的范围。而且，实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行各种省略、替换、变更。实施方式、其变形包含在发明的范围、主旨中，同样包含在权利要求书所记载的发明与其等效的范围中。

Claims (5)

1.一种块状转子，其特征在于，具有：
轴部，沿轴向延伸，被支承为能够绕旋转轴旋转；
圆柱状的转子铁芯部，与所述轴部一体地形成，具有比所述轴部大的直径，且形成有多个转子槽，所述多个转子槽在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸；以及
多个电导体，贯通所述多个转子槽内，
所述多个转子槽分别具有：
相对于包含所述旋转轴且沿径向扩展的虚拟平面以第一倾斜角倾斜的第一侧面、第一底面、和将所述第一侧面与所述第一底面连接的第一连接面；以及
相对于所述虚拟平面以第二倾斜角倾斜的第二侧面、第二底面、和将所述第二侧面与所述第二底面连接的第二连接面，
所述第二倾斜角比所述第一倾斜角小。
2.根据权利要求1所述的块状转子，其特征在于，
所述第一连接面的曲率半径比所述第二连接面的曲率半径大。
3.一种旋转电机，其特征在于，具备：
权利要求1或2所述的块状转子；
定子，具有设于所述转子铁芯部的径向外侧的圆筒状的定子铁芯以及贯通多个定子槽的内部的定子绕组，所述多个定子槽在所述定子铁芯的径向的内侧表面沿周向相互隔开间隔地形成且沿轴向延伸；以及
两个轴承，隔着所述转子铁芯部在所述轴向上的所述轴部的两侧分别支承所述块状转子。
4.一种转子槽形成方法，其特征在于，在块状转子形成有多个转子槽，所述多个转子槽在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸，所述块状转子具有：
轴部，沿轴向延伸，被支承为能够绕旋转轴旋转；圆柱状的转子铁芯部，与所述轴部一体地形成，具有比所述轴部大的直径，且形成有多个转子槽，所述多个转子槽在周向上相互隔开间隔地配置且沿轴向延伸；以及多个电导体，贯通所述多个转子槽内，在所述转子铁芯部的所述轴向的两外侧相互结合，其中，所述转子槽形成方法具有：
第一槽加工步骤，实施第一槽的加工，所述第一槽具有相对于包含所述旋转轴且沿径向扩展的虚拟平面以第一倾斜角倾斜的第一侧面、第一底面、和将所述第一侧面与所述第一底面连接的第一连接面；以及
第二槽加工步骤，实施第二槽的加工，所述第二槽具有相对于所述虚拟平面以第二倾斜角倾斜的第二侧面、第二底面、和将所述第二侧面与所述第二底面连接的第二连接面，
所述第二倾斜角比所述第一倾斜角小。
5.根据权利要求1所述的块状转子，其特征在于，
所述第二连接面的曲率半径比所述第一连接面的曲率半径大。
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