JP2008148367A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】
小型で、信頼性向上を図った回転電機を提供する。
【解決手段】
固定子３と、この固定子３に対向して配置され軸６周りに回転する回転子５とを有し、この回転子５に、鉄心５ａと、この鉄心５ａの軸方向に形成された複数の孔にそれぞれ挿通される複数の導体バー７ａと、これらの導体バー７ａの端部に設けられたエンドリング７ｂ、７ｂとを有してなる回転電機において、エンドリング７ｂ、７ｂの外周部と導体バー７ａとが摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合され、導体バー７ａの一端部がエンドリング７ｂ又は７ｃよりも軸方向に突出させる。この構成によって、放熱性が高められるとともに固定子３や回転子５の周囲の形状自由度の向上が図れ、小型で信頼性の高い回転電機を提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機の回転子は、誘導電動機においては、鉄心に導体バーがあり、エンドリングと接合されているものが知られており、特許文献１や特許文献２に開示がある。これらの特許文献には、薄板の電磁鋼鈑が積層された鉄心に導体バーが挿通され、エンドリングで固定される構造が開示され、導体バーとエンドリングとは摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合されている。

WO2002/056446号公報 特開2004-236456号公報

従来、ダイカスト鋳造では、導体バー及びエンドリング部に鋳巣欠陥が発生し、電流の流れが妨げられることで、回転電機の特性に影響が及ぼすことのあることが知られていた。

従って、特許文献１では、これらの影響を摩擦攪拌接合によって、改善しようとするものであった。

ところで、エンドリングには、例えば、内扇と呼ばれ、回転子の回転によって、回転電機内部の雰囲気を攪拌する羽が設けられたり、回転子の動バランスを改善する重りであるバランスウエイトを取り付ける為の座、突起が設けられることがある。

このような内扇や、バランスウエイトを取り付ける座、突起は、その製品の仕様によって、様々な形状となることもあり、エンドリングを摩擦攪拌接合するにおいて、場合によっては、その形状に制限が加わったり、設計自由度の点で問題のあることが予想される。例えば、特許文献１のように、導体バーの延伸方向から接合ツールを押し付けて接合する場合には、内扇やバランスウェイトの取付けが困難となる、あるいは、所望の形状のものが取り付けられないといった不具合が生ずることがある。

特許文献２には、接合ツールとなる回転工具を、エンドリングの径方向内方に向かって外周面に押し当てて接合させる例が開示されている。このとき、エンドリングへの取付部材の形状自由度が向上し、例えば、図３３では、エンドリングの表面上に複数のフィンを備え、エンドリングと回転子の放熱性向上が可能な構成としている。しかし、特許文献２の構成では、フィンの大きさや形状がフィンの周囲の環境に影響を受けるため、フィンによる放熱効果は周囲の環境による制限の下で実現されるにとどまり、さらなる効果の向上のためには周囲環境の改善が必要となる。

したがって、装置の小型化や信頼性の向上のためには、形状自由度や放熱性のさらなる向上を図ることが必要であった。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、より小型で、信頼性の向上を図った回転電機を提供することを目的としている。

上記目的と達成するための本発明の一形態は、固定子と、この固定子に対向して配置されて軸周りに回転する回転子とを備え、この回転子に、鉄心と、この鉄心の軸方向に形成された複数の孔にそれぞれ挿通される複数の導体バーと、これらの導体バーの端部に設けられたエンドリングとを有してなる回転電機において、
前記エンドリングの外周部と前記導体バーとが摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合され、前記導体バーの一端部が前記エンドリングよりも軸方向に突出したものである。

また、上記の本発明の形態として、より好ましい具体的態様は、以下のとおりである。
（１）前記回転子の回転によって前記回転電機内部の雰囲気を攪拌する内扇を前記エンドリングに設けること。
（２）前記回転子の動バランスを改善するバランスウエイトを取り付ける座又は突起を、前記エンドリング又は前記導体バーの突出部分に設けること。
（３）前記摩擦攪拌接合によって、前記導体バーの突出部分における一断面の全域が接合されること。
（４）前記導体バー、又は前記エンドリングをアルミニウム、又はアルミニウム合金とすること。
（５）前記導体バー、又は前記エンドリングを銅、又は銅合金とすること。
（６）前記導体バーに絶縁皮膜を設けること。
（７）前記導体バーの前記鉄心からの突出高さを、前記固定子に巻回される固定子コイルの高さと同高さ又はこれよりも低い高さとしたこと。
（８）前記導体バーの一端部における前記エンドリングからの突出部分の形状を、前記孔よりも大きな形状としたこと。

さらに、上述の（８）の態様においては、前記鉄心の一側から挿通される導体バーと他側から挿通される導体バーとを混在させ、前記導体バーの前記孔よりも大きな形状を有する部分を前記鉄心の両側に備えることが望ましい。

本発明によれば、従来に比べて、より小型で、信頼性を向上した回転電機が提供可能となる。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

まず、図１を用い、本発明の実施例による回転電機の全体構成について説明する。図１は、本実施例の回転電機の構造図であり、上部にはハウジング１内部の断面構造を示す。

ハウジング１は鋳鉄、アルミ、薄鋼板などによりほぼ筒状に形成されており回転電機の外被を構成している。しばしば冷却性能の向上の目的からハウジング１の外周に放熱フィン１ａが設けられることがある。エンドブラケット２Ａ、２Ｂはハウジング１の両側の開口部にそれぞれインロー嵌合などを用いて取り付けられている。

固定子３は固定子鉄心３ａと固定子コイル３ｂとから構成されている。固定子３はハウジング１の内周部に嵌合し、かつ固定されている。固定子鉄心３ａは珪素鋼板などの薄板を複数枚積層して形成されている。固定子コイル３ｂは固定子鉄心３ａに複数形成されたスロット部に巻回されている。

回転子５は積層鉄心５ａと導体バー７ａとエンドリング７ｂ，７ｃとによって構成されている。本実施例としての回転子５の詳細構成は図２を用いて後述する。回転子５は回転軸６の外周部において固定子３と対向位置に取り付けられている。

而して、固定子３に交流電圧が加えられると、回転子５の導体バー７ａに電流が流れ、この導体バー７ａの電流による磁束と固定子コイル３ｂに流れる電流との相互作用により回転子５が回転する。そして、回転子５の回転に伴って回転軸６が回転する。回転軸６の両端はエンドブラケット２Ａ、２Ｂに対してそれぞれ軸受４Ａ、４Ｂを介して、回転自在に保持されている。また、回転軸６の一端部はエンドブラケット２Ａを挿通してハウジング１の外部に突き出しており、この突き出された部分が出力軸となって、外部に回転が伝達される。

回転軸６の他端は、エンドブラケット２Ｂを挿通して外部冷却扇（外扇）８が装着される。外扇８は、エンドカバー９によってさらに覆われ、このエンドカバー９には内外を連通する開口部９ａが設けられている。したがって、回転子４が回転することで外扇８も回転し、開口部９ａを介して外気が取り込まれる構造となっている。本実施例では、エンドカバー９の外扇８と対向する側面部に開口部９ａを形成することで、エンドカバー９内外の空気を連通しやすい構造としている。

エンドカバー９の周縁はエンドブラケット２Ｂ及び／又はハウジング１の外径部に取り付けられる。本実施例では、エンドカバー９の周縁端部が、エンドブラケット２Ｂ及びハウジング１の外径部との間に径方向の隙間９ｂが形成されるように取り付けられるものとしている。隙間９ｂはエンドカバー９内外を連通する開口となり、この例では空気の吐出口として機能する。

本実施例による回転子５の構成に関し、図２及び図３を用いて説明する。図２は、摩擦撹拌接合を用いた回転子構造側面図であり、接合ツールによって導体バー７ａを接合する状況を示している。図３は、摩擦撹拌接合を用いて接合された回転子構造正面図であり、回転子５を回転軸方向から見た正面図である。

上述したとおり、回転子５は積層鉄心５ａと導体バー７ａとエンドリング７ｂまたは７ｃとによって構成されている。導体バー７ａは押出し成形、冷間引き抜き成形などにより回転子５に設けられたスロットの形状に合わせ成形される。積層鉄心５ａには、導体バー７ａを挿入するための孔が設けられており、導体バー７ａが挿入方向の両側で積層鉄心５ａから突出するように挿入される。エンドリング７ｂまたは７ｃは、回転電機の満たす特性に合わせた大きさで、導体バー７ａが挿通される溝又は孔が設けられており、押出し成形、引き抜き成形、削り出し、鋳造性に優れたダイキャストなどにより成形される。そして、導体バー７ａが積層鉄心５ａに挿入されると、両側の突出部分にエンドリング７ｂとエンドリング７ｃが取り付けられる。

なお、これらの導体バー７ａ及びエンドリング７ｂ，７ｃの材質はアルミまたはアルミ合金、もしくは銅または銅合金により形成される。銅または銅合金を用いると、抵抗が小さいために損失を小さく抑えることができ、回転電機の効率の向上が図れるが、アルミ又はアルミ合金よりも高コストであるため、これらの材質は用途に応じて適宜選定される。

本実施例では、摩擦撹拌接合をエンドリング７ｂまたは７ｃの外周部で行う。具体的には、図２に示すように接合ツール１０を高速で回転させながらエンドリング７ｂまたは７ｃの外周部に対し、中心方向に押し当てる。そして、接合部１１が導体バー７ａの全域に渡るように、接合ツール１０をさらに差しこみ、接合ツール１０の差しこむ深さが確定した後、回転子５を回転子５の中心に従って回転させる。これにより接合部１１がエンドリング７ｂまたは７ｃの全周にわたって設けられ、導体バー７ａの積層鉄心５ａからの突出部分における一断面の全域（図３の斜線部分）とエンドリング７ｂ、または７ｃとが電気的、機械的に接合される。もちろん、回転子５を固定しながら、接合ツール１０をエンドリング７ｂ、７ｃの円周に沿って回転させることによって接合させても差し支えない。

このように、本実施例では、摩擦撹拌接合を行う接合ツール１０を差しこむ方向が、エンドリン７ｂまたは７ｃの外周方向であることから、エンドリング７ｂまたは７ｃの端面への制約がない。そのため、導体バー７ａを積層鉄心５ａだけではなく、エンドリング７ｂ又は７ｃをも貫通させ、エンドリング７ｂまたは７ｃの端面より先に導体バー７ａの端部を突出させることが出来る。

導体バー７ａは、回転電機の運転によって電流が流れることから自身の抵抗によって発熱をする。すなわち、回転電機の運転中に発熱体となり、既述の外扇８や後述する内扇等のような冷却構造、あるいは導体バー７ａが放熱できる程度の大きさを有する空間が必要となる。

本実施例のように、導体バー７ａがエンドリング７ｂまたは７ｃの端面から突出する構造を採用することで、発熱体を直接冷媒となる周囲の雰囲気に触れさせることができる。加えて、導体バー７ａ自身の回転によって一層の冷却が可能になる。導体バー７ａの温度上昇は、状況によっては１００（Ｋ）程度にまで達することがあり、この発熱体を直接冷媒に触れさせ、回転させることは回転電機の冷却において極めて有効である。

この結果、回転電機としての温度上昇を低減させることが出来るため、冷却構造の簡素化が図れ、回転電機自体を小型化することも可能になる。

次に、上記の実施例とは異なる実施例を図４〜図６を用いて説明する。図４は上記の例とは異なる形状の導体バーを示す図であり、図５はこの導体バーを回転子に取り付けた構造を示す図である。

この実施例でも、先の実施例と同じく、摩擦撹拌接合を行う接合ツール１０を差しこむ方向が、エンドリング７ｂまたは７ｃの外周方向であることから、エンドリング７ｂまたは７ｃの端面への制約がないため、導体バーの形状を７ａ’のように片方の端部を広げ、放熱面積を増大させるとともに周囲の雰囲気の攪拌作用が生ずる形状（従来構造でいう内扇の形状；以下では、内扇の形状という。）にし、これを回転子５のスロット部に挿通させることが出来る。

このように、積層鉄心５ａの軸方向に形成された孔よりも大きい内扇の形状を有する導体バー７ａ’を用いる場合であっても、導体バー７ａ’を異なる方向から挿入することによって内扇の形状が積層鉄心５ａの両側に混在させることができる。

例えば、導体バー７ａ’の挿通をエンドリング７ｂ側、エンドリング７ｃ側と交互に行うことにより、両方の端面に導体バー７ａ’の内扇の形状にした部分を設けることが出来る。すなわち、図５に示すように、積層鉄心５ａの一側（エンドリング７ｂ側）に内扇の形状が位置するものと、他側（エンドリング７ｃ側）に内扇の形状が位置するものとを互い違いに逆方向から挿入して、導体バー７ａ’の内扇の形状を両側に設けることができる。

導体バー７ａ’の端部を内扇の形状にすることで、発熱体である導体バー７ａ’の冷却性能は一層向上し、結果、回転電機としての温度上昇を低減させることが出来、さらに小型化することも可能になる。

なお、図５においては導体バー７ａ’の端部を内扇の形状にした部分がエンドリング７ｂ側で４箇所、エンドリング７ｃ側で４箇所となっているが、それぞれの箇所数は回転子５に設けられたスロットの数によって、例えばエンドリング７ｂ側、エンドリング７ｃ側で各々１２箇所、１８箇所、２２箇所、２８箇所、３２箇所ずつなど、導体バーの数に応じて設けることが出来、最適な冷却性能を得ることが出来る。

また図６に示す導体バー７ａ’’のように、導体バー７ａ’’の端部をバランスウェイトを取りつける突起１３の形状とすることで、回転子５のバランス確保において有効な構造を実現できる。すなわち、この突起１３に環状のバランスウェイトを取り付け、バランスウェイトを取り付けた後に突起の先端を変形させることでバランスウェイトの座として機能させることができる。

これらの各構造は、固定子５に混在させて用いてもよく、特に、導体バーの数が多い場合にはそれぞれに必要なものを用いればよい。

次に、本実施例による回転電機内部寸法に関し、図７を用いて説明する。図７は本実施例の回転電機内部の要部説明図である。回転電機においては固定子コイル３ｂとエンドブラケット２Ａ又は２Ｂとの隙間１５ａ及び回転子５から突出させた導体バー７ａとエンドブラケット２Ａ又は２Ｂとの隙間１５ｂは回転電機の安全上、構造的、電気的に十分確保されていることが必要である。しかし、回転電機の小型化においては可能な限り小さく設定することが望ましい。

本実施例による導体バー７ａの構造においては、回転子５からの突出長さを自由に設定できるほかに、導体バーの先端形状を上述した７ａ’のように、より冷却性能を高く出来る形状を選択できることから、固定子コイル３ｂの大きさに合せて最適な冷却性能を確保出来る。本実施例のように冷却性能の高い導体バーを用いることによって、図７に示すように、固定子コイル３ｂと導体バーの高さを合わせる構成も採用でき、さらには、導体バーを固定子コイル３ｂよりも低く設定することも可能である。

上述の実施例とはさらに異なる例に関し、図８を用いて説明する。図８は、上述の実施例とはさらに異なる例を示す要部説明図である。この実施例では、上述の実施例と同様に摩擦撹拌接合を行う接合ツール１０を差しこむ方向が、エンドリン７ｂまたは７ｃの外周方向であることから、エンドリング７ｂまたは７ｃの端面への制約がないため、回転電機の機内の雰囲気を撹拌し冷却に寄与する内扇１２、および回転子５の動バランスを良好にするための重りであるバランスウエイト１４を取りつけるための突起１３をエンドリング７ｂまたは７ｃの端面に設けることが出来る。

これによって設計の自由度が制限されることがなく、回転電機の仕様に合わせて内扇１２及びバランスウエイト１４を取りつける突起１３を実現できる。したがって、内扇１２とバランスウェイト１４とを導体バーと同軸に取り付けることができ、形状自由度の確保が可能となっている。

なお、上述の各実施例では、図２、図３、図５、図８に示す摩擦撹拌接合部１１は導体バー７ａの全域に渡るように、接合ツール１０の大きさ、材質、回転速度、差しこみ深さを調整することによって、導体バー７ａとエンドリング７ｂまたは７ｃの電気的接合において接合部の電気抵抗が高くならないように出来る。また、これによって機械的な接合も十分となる。また、導体バーに絶縁皮膜を設けてもよい。

以上説明した実施例によれば、エンドリング７ｂ、７ｃの外周部について、摩擦攪拌接合するようにするので、エンドリングの端部には、製品仕様に応じた様々な形状の内扇、バランスウエイト座、突起等の様様な部材を設けることが出来るようになる。

また、摩擦攪拌接合を行うにあたっても、エンドリング７ｂ、７ｃに設ける様々な部材が干渉などして、作業性を損なうことを低減できる。

また、導体バーをエンドリング７ｂ、７ｃよりも突出させ、そして、回転子５が回転することによって、導体バー７ａから熱を放熱させることも可能となり、その結果、回転電機の温度上昇を低減することも可能となる。

したがって、信頼性の向上が図られ、形状自由度の向上とともに、装置の大型化を抑えた回転電機を提供することができる。

本実施例の回転電機の構造図。 摩擦撹拌接合を用いた回転子構造側面図。 摩擦撹拌接合を用いて接合された回転子構造正面図。 内扇の形状の導体バーを示す図。 図４に示す導体バーを回転子に取り付けた構造を示す図 突起の形状の導体バーを示す図。 本実施例の回転電機内部の要部説明図。 上述の実施例とはさらに異なる例を示す要部説明図。

符号の説明

１…ハウジング、２…放熱フィン、３…固定子、３ａ…固定子鉄心、３ｂ…固定子コイル、４Ａ〜４Ｂ…エンドブラケット、５…回転子、５ａ…回転子鉄心（積層鉄心）、６…回転軸、７ａ（７ａ’、７ａ’’）…導体バー、７ｂ〜７ｃ…エンドリング、８…外扇、９…エンドカバー、９ａ…開口部、９ｂ…隙間、１０…接合ツール、１１…摩擦撹拌接合部、１２…内扇、１３…バランスウエイトを取りつける突起、１４…バランスウエイト、１５ａ〜１５ｂ…空間距離。

Claims (10)

1. 固定子と、この固定子に対向して配置されて軸周りに回転する回転子とを備え、
   この回転子は、鉄心と、この鉄心の軸方向に形成された複数の孔にそれぞれ挿通される複数の導体バーと、これらの導体バーの端部に設けられたエンドリングとを有してなる回転電機において、
   前記エンドリングの外周部と前記導体バーとが摩擦攪拌接合によって電気的及び機械的に接合され、前記導体バーの一端部が前記エンドリングよりも軸方向に突出した回転電機。
2. 請求項１記載の回転電機において、
   前記回転子の回転によって前記回転電機内部の雰囲気を攪拌する内扇を前記エンドリングに設けることを特徴とする回転電機。
3. 請求項１記載の回転電機において、
   前記回転子の動バランスを改善するバランスウエイトを取り付ける座又は突起を、前記エンドリング又は前記導体バーの突出部分に設けることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１記載の回転電機において、
   前記摩擦攪拌接合によって、前記導体バーの突出部分における一断面の全域が接合されることを特徴とする回転電機。
5. 請求項１記載の回転電機において、
   前記導体バー、又は前記エンドリングをアルミニウム、又はアルミニウム合金とすることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１記載の回転電機において、
   前記導体バー、又は前記エンドリングを銅、又は銅合金とすることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１記載の回転電機において、
   前記導体バーに絶縁皮膜を設けたことを特徴とする回転電機。
8. 請求項１記載の回転電機において、
   前記導体バーの前記鉄心からの突出高さを、前記固定子に巻回される固定子コイルの高さと同高さ又はこれよりも低い高さとしたことを特徴とする回転電機。
9. 請求項１記載の回転電機において、
   前記導体バーの一端部における前記エンドリングからの突出部分の形状を、前記孔よりも大きな形状としたことを特徴とする回転電機。
10. 請求項９記載の回転電機において、
    前記鉄心の一側から挿通される導体バーと他側から挿通される導体バーとを混在させ、
    前記導体バーの前記孔よりも大きな形状を有する部分を前記鉄心の両側に備えたことを特徴とする回転電機。

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