JP2009232594A - 回転電機用ロータ及び回転電機及び回転電機用ロータの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機用ロータ及び回転電機において、回転電機の性能を有効に確保できるようにし、かつ、回転電機用ロータの製造コストの低減を図ることである。
【解決手段】回転電機用ロータである、ロータ１８は、軸方向に形成された複数の埋め込み用孔３２を有するロータ導電体２８と、各埋め込み用孔３２に埋め込まれた磁性材製のロータコア３０とを備える。ロータ導電体２８の中心部に、回転軸を挿通するための軸挿通用孔３６を形成する。円板状の銅、アルミニウム等の導電材製の導電体素材に、埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、ロータ導電体２８を構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、導電体と磁性材製のコアとを備える回転電機用ロータと、回転電機と、回転電機用ロータの製造方法とに関する。

従来から、誘導電動機、同期電動機等の回転電機において、ロータとステータとを軸方向に対向させるアキシャル型回転電機が考えられている。例えば、特許文献１に、２つのロータがステータを両側から挟むようにして設けられたアキシャルモータが記載されている。

特許文献１に記載されたアキシャルモータの場合、各ロータは、導電性金属により形成されたロータ本体と、ロータ本体に埋め込まれた複数の回転子磁心とを備えている。また、各ロータを製造する場合に、ロータ本体を鋳造等の金型成型により形成しておき、ロータ本体を成型用の型として用いて固定子磁心を形成して行われる。すなわち、ロータ本体の埋め込み部内に圧粉磁心材料を充填し、埋め込み部を成型用の型として用いて、その圧粉磁心材料をプレス機構で圧縮し、その後加熱処理することにより、埋め込み部内に埋め込まれた回転子磁心が形成される。ロータ本体は、回転軸に固定されている。

また、ステータは、略円板状のステータ本体と、ステータ本体の周方向複数個所に設けられた孔に挿入される複数の集中巻きコイルと、コイルの内側に配置される固定子磁心とを備え、ケーシング等の固定部に固定されている。ステータ本体は、中心部に回転軸を遊挿させ、ステータの両側にロータを対向させている。

また、特許文献２に、ロータとステータとを軸方向に対向させる誘導電動機において、ロータは、導電性材料の円板部に複数の孔を備え、孔に複数のティース部を嵌合させることが記載されている。

特開２００５−２３７０８６号公報 特開２００４−５６８６０号公報

特許文献１に記載されたロータは、導電性金属により形成したロータ本体に回転子磁心を埋め込むことにより構成しているが、ロータ本体は、鋳造等の金型成型により形成するとされている。このため、ロータの製造コストの低減を図る面から改良の余地がある。例えば、ロータ本体を構成する導電性材料を高温下で溶融し、鋳造することによりロータ本体を造ることが考えられるが、このように鋳造によりロータ本体を造る場合に、例えば導電性材料を銅のように融点の高い金属材料とすると、その製造がかなり困難になるため、製造コストの低減を図る面から改良の余地がある。また、別の方法として、ロータを製造する場合に、プレス加工で成形した鉄心を型内に配置し、型内に溶融したアルミニウムを流し込む鋳造を行う等により、ロータを鋳造により造ることも考えられる。ただし、ロータを鋳造により造る場合には、鋳造機械の汎用性が低く、ロータの製造に要する時間もかかり、ロータの製造コストが高くなる原因となる。また、ロータを構成する導電性材料を銅等の融点の高い導電材とする場合、ロータ本体を棒材と環状部材または円板状部材とにより構成し、棒材と環状部材または円板状部材とを、それぞれの間に鉄心をはめ込んだ状態で、銀ロウで電気的に接続することも考えられている。ただし、このような製造方法により製造するロータでは、部品点数が多くなるとともに、加工や組み付けに要する工数が多くなり、製造作業に手間を要し、製造コストが高くなる原因となる。

また、特許文献２には、ロータを構成する導電性材料の円板部は開示されているが、この円板部を製造する際に、製造コストの低減を図るために孔の加工を工夫することは開示されていない。

また、ロータ本体を導電性材料の鋳造により造る場合には、複数のロータ本体を成形する際の複数のロータ本体同士での導電性材料の加圧の圧力ばらつきが生じる、すなわち、ロータ本体製造時の加圧時の圧力誤差が生じると、完成したロータ本体で充填率のばらつきが生じる可能性がある。このように充填率のばらつきが生じると、回転電機の性能ばらつきが生じ、回転電機の性能を有効に確保する面から改良の余地がある。

本発明の目的は、回転電機用ロータ及び回転電機及び回転電機用ロータの製造方法において、回転電機の性能を有効に確保できるようにし、かつ、回転電機用ロータの製造コストの低減を図ることである。

本発明に係る回転電機用ロータは、軸方向または径方向に形成された孔を有する導電体と、孔に埋め込まれた磁性材製のコアと、を備え、導電体は、導電材製の素材に、孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成していることを特徴とする回転電機用ロータである。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、好ましくは、導電体は、導電材製の薄板素材に、孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成する導電体素子を、複数枚積層することにより構成している。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、好ましくは、導電体は、複数枚の導電体素子を、それぞれの導電体素子に形成した孔の回転方向に関する位置が、隣り合う導電体素子同士でずれるように積層することにより構成している。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、好ましくは、コアは、磁性材製の薄板コア素子を複数枚積層することによりブロック状に構成している。

また、本発明に係る回転電機用ロータにおいて、好ましくは、コアは、圧粉磁心によりブロック状に成形している。

また、本発明に係る回転電機は、本発明に係る回転電機用ロータと、回転電機用ロータの軸方向両側または径方向両側に回転電機用ロータを介して対向させた２個のステータと、を備え、各ステータは、周方向複数個所に設けられたティースと、各ティースに巻回されたステータ巻線とを有し、各ステータ巻線は、複数のティースのうち、周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線であることを特徴とする回転電機である。

また、本発明に係る回転電機用ロータの製造方法は、本発明に係る回転電機用ロータの製造方法であって、導電材製の素材に、軸方向または径方向に孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、孔を有する導電体を造る工程と、導電体が有する孔に磁性材製のコアを埋め込む工程と、を備えることを特徴とする回転電機用ロータの製造方法である。

本発明に係る回転電機用ロータの製造方法等により得られる、本発明に係る回転電機用ロータ及び回転電機によれば、回転電機用ロータを構成する導電体を、導電材製の素材に、孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成しているため、孔を有する導電体を鋳造により製造する場合と異なり、製造コストを低減できるとともに、回転電機の性能を有効に確保できる。

また、導電体は、導電材製の薄板素材に、孔を形成するためのプレスの打ち抜き加工を施すことにより構成する導電体素子を、複数枚積層することにより構成している構成によれば、導電性を高くするために全体の厚さを大きくすることが必要になる場合でも、電流が複数の導電体素子に流れるため、電流が表皮効果により導電体の表面部分に過度に集中するのを防止して、回転電機用ロータにより構成する回転電機の性能が低下するのを有効に防止できる。すなわち、導電体の導電性を高くするために導電体の厚みを大きくすることが考えられるが、導電体の厚みを大きくすると、表皮効果により電流が表面に過度に集中しやすくなり、回転電機の性能を有効に確保する面からは改良の余地がある。これに対して、導電体は、導電材製の薄板素材に、孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成する導電体素子を、複数枚積層することにより構成する構成によれば、表皮効果による影響を抑制して、このような不都合を解消でき、回転電機の性能をより有効に確保できる。

また、導電体は、複数枚の導電体素子を、それぞれの導電体素子に形成した孔の回転方向に関する位置が、隣り合う導電体素子同士でずれるように積層することにより構成している構成によれば、導電体の孔周辺部を流れる誘導電流である、２次電流の電気的な短絡幅と呼ばれる、孔において、導電体素子の周方向に関する幅を調整することにより、２次電流に重畳する高調波を抑制できる。このため、磁束漏れや２次導体損失を低減でき、回転電機の効率向上を図れる。

また、コアは、磁性材製の薄板コア素子を複数枚積層することによりブロック状に構成している構成によれば、コアを流れる渦電流が表皮効果によりコアの表面部分に過度に集中するのを防止して、コア部分での渦電流の過度の集中を防止できるとともに、渦電流の発生を抑制できる。

また、コアは、圧粉磁心によりブロック状に成形している構成によれば、コア部分での渦電流の発生を抑制できる。

［第１の発明の実施の形態］
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。図１から図５は、本発明の第１の実施の形態を示している。図１は、第１の実施形態の回転電機を示す略断面図である。図２は、一部を省略して示す図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、同じ相のステータ巻線の電気角が互いにずれている様子を説明するためのステータの周方向一部の周方向を左右方向に伸ばして示す図である。図４は、ロータの製造時において、孔形成のためのプレス加工を施す工程を順に示す断面図である。図５は、図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、発生磁束の分布を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態の回転電機１０は、誘導電動機として使用可能とするもので、ケーシング１２に固定された２個のステータである片側ステータ１４及び他側ステータ１６と、両ステータ１４，１６の間に所定の空隙を空けて各ステータ１４，１６と軸方向に対向配置され、各ステータ１４，１６に対し回転可能な１個のロータ１８とを備える。すなわち、回転電機１０は、１個のロータ１８と、１個のロータ１８の軸方向両側にロータ１８を介して対向させた２個のステータ１４，１６とを備える。図１は、ステータ１４，１６とロータ１８とが軸方向に対向するように配置された、アキシャル型の回転電機の例を示している。

各ステータ１４，１６は、複数の電磁鋼板を積層する等により構成するステータコア２０と、複数相である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータ巻線２２とを備える。ステータ巻線２２は、１次導体に対応する。各ステータコア２０の互いに対向する軸方向片側面の周方向複数個所の等間隔位置に、軸方向に突出するようにティース２４を設けている。例えば、各ステータコア２０に複数のティース２４を設けるために、ステータコア２０の周方向複数個所に軸方向の孔部を形成するとともに、孔部に、鋼板等の磁性材製のティース構成部材を挿入し、ティース構成部材のステータコア２０の片側面から突出した部分により、複数のティース２４を構成することもできる。

そして、各ティース２４にステータ巻線２２を巻回している。各ステータ巻線２２は、複数のティース２４のうち、周方向に隣り合うティース２４同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線としている。また、図１において、各ステータ巻線２２の内側に示した○の中に・または×を示した記号は、ステータ巻線２２を流れる電流の向きを表しており、○の中に・を示したものは、電流が図の表側に流れることを、○の中に×を示したものは電流が図の裏側に流れることを表している（後述する図３、図１５で同様とする）。

また、図２に示すように、ロータ１８は、回転軸２６（図１）の軸方向中間部外径側に固定される円板状のロータ導電体２８と、ロータ導電体２８の周方向複数個所の等間隔位置に設けられた磁性材製のロータコア３０とを有する。ロータ導電体２８は、銅やアルミニウム等により構成する円板状の導電材製の導電体素材に、プレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、周方向複数個所に埋め込み用孔３２を、ロータ導電体２８の中心部に回転軸２６及び後述する筒部３４を挿通するための軸挿通用孔３６を、それぞれ軸方向（図２の表裏方向）に貫通するように設けている。そして、ロータ導電体２８に形成した複数の埋め込み用孔３２に圧粉磁心、鉄等の磁性材製のブロック状のロータコア３０を埋め込んでいる。したがって、ロータ導電体２８の周方向複数個所に、ロータ導電体２８の軸方向全長にわたってロータコア３０が設けられ、ロータ１８が構成される。ロータ導電体２８は、２次導体に対応し、ロータ１８の周方向複数個所にロータ巻線を設ける場合の、ロータ巻線と同様の機能を有する。ロータ導電体２８は、ロータ１８の軸方向全長にわたって設けている。なお、本実施の形態では、ロータ導電体２８の加工方法を工夫しているが、これについては、後述する。

図１に戻り、このようなロータ１８は、回転軸２６の軸方向中間部外径側に円筒状の筒部３４を介して固定している。そして、筒部３４の外径側でロータ１８の軸方向両側に部分円錐状の抑え部材３８を固定し、抑え部材３８によりロータ１８を軸方向両側から狭持している。なお、抑え部材３８の代わりに、ロータ１８の軸方向両側で、筒部３４とロータ１８との間の周方向複数個所に板状等の補強部材を固定することにより、補強部材によりロータ１８を軸方向両側から狭持することもできる。なお、回転軸２６の外径側にロータ１８を、筒部３４を介さずに直接固定することもできる。また、回転軸２６の軸方向に離れた２個所位置と、ケーシング１２の２個所位置に設けた開口部との間に一対の軸受４０を設けて、ケーシング１２に回転軸２６を回転可能に支持している。

また、図３に示すように、ロータ１８（図１、図２）の軸方向両側に設ける片側ステータ１４及び他側ステータ１６は、両ステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２が発生する磁束の向きを、軸方向である図３の上下方向に関して互いに逆方向、すなわち、図３に示すように対向する方向、または外側に向く方向としている。図３において、ティース２４の内側に配置した矢印の向きは、ステータ１４，１６の周方向一部に設けたティース２４から出る磁束の向きを表している。なお、実際には、片側ステータ１４及び他側ステータ１６の間にロータ１８が配置されるが、図３では図示を省略している。また、図３では、ステータ１４，１６の周方向が図の左右方向となっている。図３に示すように、片側ステータ１４及び他側ステータ１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されている。なお、上記の図１で示した２個のステータ１４，１６において、ステータ巻線２２の周方向に関する配置関係は、実際の関係を表すものではなく、実際には、図３に示すように２個のステータ１４，１６同士でステータ巻線２２の周方向に関する位置がずれている。

また、本実施の形態では、図２に示すロータ１８を構成するロータ導電体２８の加工方法を工夫している。すなわち、ロータ導電体２８を製造する場合、導電性材製の素材からプレス加工の打ち抜き等により、円板状の導電体素材４２（図４（ａ））を形成する。次いで、図４（ａ）（ｂ）に示すように、円板状の導電体素材４２にプレス加工の打ち抜き加工を施す。この場合、図４（ａ）に示すように、プレス加工装置４４を構成するダイ４６の上に円板状の導電体素材４２を設置し、導電体素材４２の外形を維持するように導電体素材４２の外周面をプレス加工装置４４の一部により抑え付けた状態で、プレス加工装置４４を構成する複数の打ち抜きパンチ４８を上方から図４（ａ）の矢印Ｐ方向に下降させ、導電体素材４２を打ち抜くことにより、図４（ｂ）に示すように、埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を有するロータ導電体２８を造る。このように、本実施の形態では、ロータ導電体２８を製造するためのすべての加工作業を、プレス加工のみにより行う。

そして、図２に示すように、ロータ導電体２８に形成した複数の埋め込み用孔３２に圧粉磁心等の磁性材製のロータコア３０を埋め込む。この場合、例えば、埋め込み用孔３２に圧粉磁心材料を充填した後、ロータ導電体２８を成型用の型として用いて、圧粉磁心材料をプレス加工装置（図示せず）で圧縮し、その後加熱処理することにより、ロータ導電体２８にロータコア３０が埋め込まれたロータ１８を造る。すなわち、本実施の形態の回転電機用ロータである、ロータ１８の製造方法は、導電材製の導電体素材４２に、軸方向に埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を有するロータ導電体２８を造る工程と、ロータ導電体２８が有する埋め込み用孔３２に磁性材製のロータコア３０を埋め込む工程と、を備える。

このようにして造られたロータ１８を含む回転電機１０は、次のようにして回転駆動する。すなわち、図１に示すように、３相のステータ巻線２２に３相の交流電流を流すことで各ステータ１４，１６により生成された回転磁界がロータ１８に作用すると、ロータコア３０の周囲であるロータ１８の周方向複数個所のロータ導電体２８に誘導電流が流れる。この誘導電流によりロータ１８に電磁力が発生し、ロータ１８は、各ステータ１４，１６の回転磁界と同じ方向に回転駆動する。

また、本実施の形態の回転電機１０によれば、１個のロータ１８の軸方向両側にロータ１８を介して対向させた２個のステータ１４，１６を備え、各ステータ１４，１６は、周方向複数個所に設けられたティース２４と、各ティース２４に巻回されたステータ巻線２２とを有し、各ステータ巻線２２は、複数のティース２４のうち、周方向に隣り合うティース２４同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線であり、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２が発生する磁束の向きは、軸方向に関して互いに逆方向としており、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されている。このため、それぞれ集中巻巻線のステータ巻線２２を有する２個のステータ１４，１６によりロータ１８を挟み、２個のステータ１４，１６による空間高調波磁束をロータ１８で互いに相殺させることができる。このため、ロータ１８で発生する誘導電流である、２次電流において、高調波電流の発生を抑えることができ、さらに各ステータ巻線２２の各ステータ１４，１６の周方向に関する幅が小さくならないため、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束が低減しない。したがって、ステータ巻線２２を集中巻巻線とした場合に、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させることにより、ロータ１８側の２次銅損等の２次導体損失を大幅に低減でき、これにより、回転電機１０の性能を大きく向上させることができる。また、ロータ１８を２個のステータ１４，１６で軸方向の両側から挟むため、ステータ１４，１６からロータ１８に流れる磁束量を調整しやすくできる。

図５は、互いに対向する片側ステータ１４（図１、図３）と他側ステータ１６（図１、図３）とにおいて、発生磁束の分布を相対的に示す図である。なお、以下の本実施の形態の説明において、図１から図３に示した要素と同一の要素には、同一の符号を用いて説明する。図５において、実線αは、すべての次数の高調波と基本波とを合成して得られる発生磁束を表す矩形波である。また、一点鎖線βは、発生磁束の基本波磁束、すなわち１次の磁束であり、破線γは、発生磁束の一部の次数の高調波である、２次の高調波磁束である。図５に示すように、片側ステータ１４と他側ステータ１６とで、ステータ巻線２２を集中巻巻線としている場合には、各ステータ１４，１６が生成する磁束の基本波に対して偶数倍の次数の空間高調波磁束が多く含まれ、特に２次の空間高調波磁束が多く含まれる。このような基本波以外の高調波磁束は、ロータ１８に鎖交すると、不必要な誘導電流である渦電流を生じさせ、銅損等の２次導体損失を増大させる原因となる等、回転電機の性能を劣化させる原因となる。

図６は、従来から考えられている一般的な誘導電動機の電機子巻線である、ステータ巻線を集中巻巻線にした場合の、ステータから出てロータに鎖交する鎖交磁束と時間との関係を示す図である。また、図７は、図６の鎖交磁束に対応して、２次側導体である、ロータ側のロータ巻線に発生する誘導電流と時間との関係を示す図である。図６、図７から明らかなように、ロータ巻線には、集中巻線型のステータを使用する場合に特有の空間高調波磁束が鎖交する。すなわち、ステータに回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線の配置や、ステータの形状に起因して、基本波のみの正弦波分布とならず、高調波成分を含むものとなる。特に、ステータ側のティースにステータ巻線を集中巻きで巻装する場合には、ステータの起磁力分布に生じる高調波成分の振幅レベルが増大する。

このようなステータ巻線の配置やステータの形状に起因する、高調波成分を含む磁束は、空間高調波磁束と呼ばれる。空間高調波磁束が鎖交したロータ巻線には、図７に示すような高調波成分を含む誘導電流である高調波電流が発生する。高調波電流は、２次銅損等の２次導体損失を増加させ、電動機の性能を悪化させる原因となる。このため、従来から、ステータが発生する磁束から誘導電流を発生させる誘導電動機において、ロータに鎖交する高調波磁束を抑えることが望まれている。

これに対して、本実施の形態では、上記のように互いにロータ１８を介して対向する２個のステータ１４，１６で同じ相のステータ巻線２２の電気角を１８０度ずれて配置している。このため、図５に示すように、両ステータ１４，１６の発生磁束の基本波は電気角の位相が同じで、かつ、同じ大きさとなるが、基本波でない２次の高調波の磁束は、同じ電気角で大きさが同じであるが、向きが反対になる。このため、片側ステータ１４と他側ステータ１６とから出る磁束のうち、特に影響が大きい２次の高調波の磁束を、ロータ１８で互いに相殺することができる。したがって、片側ステータ１４と他側ステータ１６とからロータ１８に鎖交する磁束において、主に基本波磁束だけが残ることになり、ロータ１８に高調波磁束に基づいて高調波電流が誘導されるのを抑制することができる。この結果、高調波電流によるロータ１８側の銅損等の導体損失を低減して、ロータ１８の発熱を抑えることができる。また、誘導電動機として使用される回転電機１０の性能向上を図れる。

また、各ステータ巻線２２の各ステータ１４，１６の周方向に関する幅が小さくならないため、各ステータ１４，１６が発生する基本波磁束が低減しない。すなわち、本実施の形態の回転電機によれば、本実施の形態のように、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２が発生する磁束の向きは、軸方向に関して互いに逆方向とし、かつ、２個のステータ１４，１６同士で同じ相のステータ巻線２２は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置される構成を備えることにより、ロータ１８で発生する誘導電流において、高調波電流の発生を抑えることができ、さらに各ステータ巻線２２の各ステータ１４，１６の周方向に関する幅が小さくならないため、ステータ１４，１６が発生する基本波磁束が低減しない。したがって、回転電機１０の性能を大きく向上させることができる。また、ロータ１８を２個のステータ１４，１６で軸方向の両側から挟むため、ステータ１４，１６からロータ１８に流れる磁束量を調整しやすくできる。

また、本実施の形態では、ロータ１８は、軸方向に形成された埋め込み用孔３２を有するロータ導電体２８と、埋め込み用孔３２に埋め込まれた磁性材製のロータコア３０と、を備え、ロータ導電体２８は、導電材製の導電体素材４２に、埋め込み用孔３２を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成している。このため、埋め込み用孔３２を有するロータ導電体２８を鋳造により製造する場合と異なり、製造コストを低減できる。すなわち、本実施の形態によれば、埋め込み用孔３２を有するロータ導電体２８を鋳造により製造する場合と異なり、製造時間の短縮を図れるとともに、形状が異なる複数種類の導電体を製造する場合や、従来から使用されているプレス加工装置を使用する場合でも、プレス用の型だけを変えればよく、設備の汎用性を持たせることができるため、製造コストを低減できる。また、加工や組み付けに要する工数を低減できるとともに、部品点数も少なくできて、この面からも製造コストを低減できる。また、ロータ導電体２８を鋳造により製造する必要がなくなるため、導電性材料の加圧のばらつきが生じることがなく、回転電機１０の性能を有効に確保できる。

また、本実施の形態で、ロータコア３０を、圧粉磁心によりブロック状に成形する場合には、ロータコア３０部分での渦電流の発生を抑制できる。

なお、本実施の形態では、ロータ導電体２８を製造する場合、導電性材製の素材からプレス加工の打ち抜き等により、円板状の導電体素材４２を形成し、次いで、円板状の導電体素材４２にプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、導電体素材４２に埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を形成し、ロータ導電体２８を造っている。ただし、本実施の形態の場合と異なり、平板状の導電材製の素材に円板状の外形を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工と、埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工とを同時に行うこともでき、外形を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を、埋め込み用孔３２及び軸挿通用孔３６を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工の後に行うこともできる。また、埋め込み用孔３２を形成するための打ち抜き加工と、軸挿通用孔３６を形成するための打ち抜き加工とを、別の工程とすることもできる。

［第２の発明の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態において、ロータを示す断面図である。図９は、図８を左方から右方に見た図である。図１０は、図８の左半部を構成する片側導電体素子のみを取り出して、図８の左方から右方に見た図である。図１１は、図８の右半部を構成する他側導電体素子のみを取り出して、図８の左方から右方に見た図である。図１２は、本実施の形態において、ロータに鎖交するロータ鎖交磁束の基本波成分及び５次の高調波成分と電気角との関係を示す図である。図８に示すように、本実施の形態の場合、ロータ導電体２８ａを、片側導電体素子５０と他側導電体素子５２との２枚の導電体素子５０，５２を積層することにより構成するとともに、ロータ導電体２８ａの周方向複数個所にロータコア３０を設けることにより、ロータ１８ａを構成している。

また、図９に示すように、各導電体素子５０，５２の周方向複数個所に軸方向に貫通する長孔５４を形成しており、２枚の導電体素子５０，５２を、それぞれの導電体素子５０，５２に形成した長孔５４の回転方向、すなわち周方向に関する位置が、隣り合う導電体素子５０，５２同士でずれるように積層することにより、ロータ導電体２８ａを構成している。

図１０に示す片側導電体素子５０と、図１１に示す他側導電体素子５２とは、互いに同一形状で同じ大きさを有する。図１０、図１１に示す、各導電体素子５０，５２を製造する場合には、導電材製の円板状の薄板素材（図示せず）の周方向等間隔複数個所に、長孔５４を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すとともに、中心部に回転軸２６（図１参照）を挿通するための軸挿通用孔５６をプレス加工の打ち抜き加工で形成することにより、各導電体素子５０，５２を構成する。各長孔５４は、互いに同一の形状及び大きさを有し、上記の第１の実施の形態のロータ１８を構成するロータ導電体２８に形成した各埋め込み用孔３２の周方向長さＬ１（図２参照）に比べて、各長孔５４の周方向長さＬ２（図１０、図１１）を大きくしている（Ｌ１＜Ｌ２）。各導電体素子５０，５２において、周方向に隣り合う長孔５４同士の間に、外周部と内周部とを連結する柱部５８が位置している。

図９に示すように、ロータ導電体２８ａを構成する場合には、片側導電体素子５０の隣り合う長孔５４の間に位置する柱部５８（図１０）が、他側導電体素子５２の各長孔５４の周方向中央位置に対向するように、互いの長孔５４の回転方向、すなわち周方向に関する位相をずらした状態で積層する。この状態で、各導電体素子５０，５２に形成した各長孔５４において、２枚の導電体素子５０，５２の両方で整合する、すなわち軸方向に対向する空間部分にロータコア３０を埋め込むことにより、ロータ１８ａを構成している。この結果、ロータ１８ａに配置されるロータコア３０の数は、上記の図２に示した第１の実施の形態のロータ１８に配置されるロータコア３０の数と同じになる。

このような本実施の形態によれば、ロータ１８ａの導電性を高くするために全体の厚さを大きくすることが必要になる場合でも、電流が２枚の導電体素子５０，５２に流れるため、電流が表皮効果により導電体素子５０，５２の表面部分に過度に集中するのを防止して、ロータ１８ａにより構成する回転電機の性能が熱損失等により低下するのを有効に防止できる。すなわち、ロータ導電体２８ａの導電性を高くするためにロータ導電体２８ａの厚みを大きくすることが考えられるが、ロータ導電体２８ａの厚みを大きくすると、表皮効果により電流がロータ導電体２８ａの表面に過度に集中しやすくなり、回転電機の性能を有効に確保する面からは改良の余地がある。これに対して、本実施の形態のように、ロータ導電体２８ａは、導電材製の薄板素材に、長孔５４及び軸挿通用孔５６を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成する導電体素子５０，５２を、２枚積層することにより構成する構成によれば、表皮効果による影響を抑制して、このような不都合を解消でき、回転電機の性能をより有効に確保できる。

また、ロータ導電体２８ａは、２枚の導電体素子５０，５２を、それぞれの導電体素子５０，５２に形成した長孔５４の回転方向に関する位置が、隣り合う導電体素子５０，５２同士でずれるように積層することにより構成しているので、ロータ導電体２８ａの長孔５４周辺部を流れる誘導電流である、２次電流の電気的な短絡幅と呼ばれる、長孔５４において、導電体素子５０，５２の周方向に関する幅Ｌ２（図１０、図１１）を調整することにより、２次電流に重畳する高調波を抑制できる。

すなわち、図１２に示すように、ロータ鎖交磁束である、片側ステータ１４（図１参照）または他側ステータ１６（図１参照）に回転磁界を発生させる起磁力の分布は、各相のステータ巻線２２（図１参照）や、ステータ１４，１６の形状に起因して、基本波のみの正弦波分布とならず高調波成分を含むものとなり、ステータ巻線２２が集中巻きである場合には、高調波成分の振幅レベルが増大する。なお、以下の説明では、図８から図１１に示した要素と同一の要素には同一の符号を用いて説明する。図１２は、ロータ鎖交磁束から、基本波成分と５次の高調波成分とを取り出して示している。本実施の形態では、上記の図１に示した第１の実施の形態の場合と同様に、ロータ１８ａの両側に２個のステータ１４，１６を、ロータ１８ａを介して対向させ、２個のステータ１４，１６で同じ相のステータ巻線２２の電気角を１８０度ずれて配置しているため、２次等の偶数次数の高調波を低減することはできるが、５次等の奇数次数の高調波を低減するためにはまだ改良の余地がある。これに対して、本実施の形態では、例えば、ロータ鎖交磁束のうち、５次等、振幅レベルの高い高調波成分の１周期分の電気角θ１と、各導電体素子５０，５２の長孔５４の短絡幅である、周方向長さＬ２（図１０、図１１）に対応する電気角とを一致させ、各導電体素子５０，５２の各長孔５４を通過する磁束の５次成分の周方向に関する積分値が０となるように、各長孔５４の周方向長さＬ２を設定することもできる。このような構成によれば、例えば、ロータ鎖交磁束の５次成分の各長孔５４に対する位相にかかわらず、各長孔５４を通過する磁束の５次成分の周方向に関する積分値が常に０となり、２次電流に重畳する高調波成分を抑制できる。例えば、図１２に斜線部で示すように、各長孔５４を通過する、５次成分の正の磁束の積分値と負の磁束の積分値とが互いに相殺されて０となる。この結果、ロータ１８ａの磁束漏れや２次導体損失を低減でき、回転電機の効率向上を図れる。

なお、２枚の導電体素子５０，５２同士は、かしめや接着により結合することができる。例えば、かしめにより、２枚の導電体素子５０，５２同士を結合する場合には、各導電体素子５０，５２の整合する位置に軸方向に貫通するかしめ用孔部を形成し、かしめ用孔部に挿入部材とその両側のかしめ用部材とを挿入し、挿入部材が２枚の導電体素子５０，５２に掛け渡された状態で、各かしめ用部材を押し広げてかしめ用孔部に結合することにより、２枚の導電体素子５０，５２を結合することもできる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様であるため、重複する説明は省略する。

なお、本実施の形態のように、長孔５４の周方向長さＬ２をロータ鎖交磁束の５次成分の周期に対応させず、ロータ鎖交磁束の他の成分（例えば５次以外の奇数次数の高調波成分）の周期に対応させて、長孔５４の周方向長さＬ２を設定することもできる。また、本実施の形態では、２枚の導電体素子５０，５２によりロータ導電体２８ａを構成しているが、３枚以上の複数枚の導電体素子を積層することによりロータ導電体を構成することもできる。例えば、４枚以上の偶数枚の導電体素子によりロータ導電体を構成する場合に、本実施の形態のように、各長孔５４の周方向に関する位相をずらして積層した２枚の導電体素子５０，５２を１組としたものを複数組、隣り合う導電体素子５０，５２同士で各長孔５４の周方向に関する位相をずらして積層することにより、ロータ導電体を構成することもできる。

［第３の発明の実施の形態］
図１３は、本発明の第３の実施の形態において、ロータを示す、図２のＢ部拡大断面に対応する図である。本実施の形態の場合には、ロータ導電体２８に形成した複数の埋め込み用孔３２に埋め込む複数のロータコア３０ａを、それぞれ磁性材製の薄板コア素子６０を複数枚積層することにより、全体でブロック状に構成している。図示の例の場合には、埋め込み用孔３２内で、複数枚の薄板コア素子６０を、ロータ１８ｂの径方向に積層している。

このような本実施の形態では、ロータコア３０を流れる渦電流が表皮効果によりロータコア３０の表面部分に過度に集中するのを防止して、ロータコア３０部分での渦電流の過度の集中を防止できるとともに、渦電流の発生を抑制できる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図５に示した第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

［第４の発明の実施の形態］
図１４は、本発明の第４の実施の形態において、ロータを示す、図２のＢ部拡大断面に対応する図である。本実施の形態の場合には、ロータ導電体２８の複数の埋め込み用孔３２に埋め込む複数のロータコア３０ｂを、それぞれ磁性材製の薄板コア素子６０ａを、ロータ１８ｃの周方向に複数枚積層することにより、全体でブロック状に構成している。すなわち、薄板コア素子６０ａの積層方向が異なる以外は、上記の図１３に示した第３の実施の形態と同様である。その他の構成及び作用は、上記の図１から図５に示した第１の実施の形態、または上記の第３の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する図示及び説明を省略する。

［第５の発明の実施の形態］
図１５は、本発明の第５の実施の形態の回転電機を示す略断面図である。本実施の形態の回転電機１０ａは、上記の図１から図５に示した第１の実施の形態と同様に、誘導電動機として使用可能とする。特に、本実施の形態では、２個の片側ステータである外側ステータ６２と、他側ステータである内側ステータ６４とを、１個のロータ１８ｄを介して径方向に対向させている。すなわち、本実施の形態の回転電機１０ａは、ステータ６２，６４とロータ１８ｄとが径方向に対向するように配置された、ラジアル型の誘導電動機としている。

すなわち、回転電機１０ａは、ケーシング１２の内周面に円筒状の外側ステータ６２を嵌合固定し、ケーシング１２の内面の軸方向片側面に軸方向に突出する状態で、内側ステータ６４を固定している。外側ステータ６２と内側ステータ６４との間に、所定の径方向の空隙を空けている。各ステータ６２，６４は、複数の電磁鋼板を積層する等により構成するステータコア６６，６８と、複数相である、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のステータ巻線７０とを備える。各ステータコア６６，６８の互いに対向する径方向片側面の周方向複数個所の等間隔位置に、径方向に突出するようにティース７２，７４を設けている。例えば、各ステータコア６６，６８に複数のティース７２，７４を設けるために、ステータコア６６，６８の周方向複数個所に径方向の孔部を形成するとともに、孔部に、鋼板等の磁性材製のティース構成部材を挿入し、ティース構成部材のステータコア６６，６８の径方向片側面から突出した部分により、複数のティース７２，７４を構成することもできる。

そして、各ティース７２，７４にステータ巻線７０を巻回している。各ステータ巻線７０は、複数のティース７２，７４のうち、周方向に隣り合うティース７２，７４同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線としている。

また、ロータ１８ｄは、回転軸２６の軸方向中間部外径側に固定された有底円筒状のロータ導電体７６と、ロータ導電体７６を構成する筒部７８の周方向複数個所の等間隔位置に設けられた磁性材製のロータコア８０とを有する。ロータコア８０は、筒部７８の径方向全長にわたって設けている。このために、筒部７８の周方向複数個所の等間隔位置に、ロータコア８０を埋め込むための埋め込み用孔８２を、径方向に貫通するように設けている。

このようなロータ１８ｄは、回転軸２６の軸方向中間部外径側に、ロータ導電体７６を構成する底板部８４に設けた軸挿通用孔８６を嵌合することにより固定している。また、ロータ１８ｄの径方向両側に設ける外側ステータ６２及び内側ステータ６４は、両ステータ６２，６４同士で同じ相のステータ巻線７０が発生する磁束の向きを、径方向に関して互いに逆方向としている。また、外側ステータ６２及び内側ステータ６４同士で同じ相のステータ巻線７０は、周方向に互いに電気角で１８０度ずれて配置されている。なお、図１５で示した２個のステータ６２，６４において、ステータ巻線７０の周方向に関する配置関係は、実際の配置関係を表すものではなく、実際には、２個のステータ６２，６４同士でステータ巻線７０の周方向に関する位置がずれている。

また、本実施の形態の場合、ロータ１８ｄを構成するロータ導電体７６は、銅やアルミニウム等により構成する円板状の導電材製の導電体素材に、プレス加工の絞り加工等を施すことにより、有底円筒状に形成し、底板部８４の中心部に軸挿通用孔８６を、プレス加工の打ち抜き加工により形成するとともに、円筒状の筒部７８の周方向複数個所に、プレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、筒部７８の周方向複数個所に埋め込み用孔８２を形成している。そして、ロータ導電体７６に形成した複数の埋め込み用孔３２に圧粉磁心等の磁性材製のロータコア８０を埋め込むことにより、ロータ１８ｄを構成する。この場合、例えば、埋め込み用孔８２に圧粉磁心材料を充填した後、ロータ導電体７６を成型用の型として用いて、圧粉磁心材料をプレス加工装置で圧縮し、その後加熱処理することにより、ロータ導電体７６にロータコア８０が埋め込まれたロータ１８ｄを造る。

このような本実施の形態の場合も、上記の図１から図５に示した第１の実施の形態と同様に、ステータ巻線７０を集中巻巻線とした場合に、ステータ６２，６４が発生する基本波磁束を低減させることなく起磁力高調波を低減させることにより、ロータ１８ｄ側の２次銅損等の２次導体損失を大幅に低減でき、回転電機１０ａの性能を大きく向上させることができる。

また、ロータ１８ｄは、径方向に形成された埋め込み用孔８２を有するロータ導電体７６と、埋め込み用孔８２に埋め込まれた磁性材製のロータコア８０と、を備え、ロータ導電体７６は、導電材製の導電体素材に、埋め込み用孔８２を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成しているため、埋め込み用孔８２を有するロータ導電体７６を鋳造により製造する場合と異なり、製造コストを低減できる。また、加工や組み付けに要する工数を低減できるとともに、部品点数を少なくできるため、この面からも製造コストを低減できる。また、ロータ導電体７６を鋳造により製造する場合と異なり、回転電機１０ａの性能を有効に確保できる。その他の構成及び作用については、上記の第１の実施の形態と同様であるため、同等部分には同一符号を付して重複する説明を省略する。

なお、図示は省略するが、上記の図８から図１２に示した第２の実施の形態と、上記の図１５に示した第５の実施の形態とを組み合わせた構成とすることもできる。すなわち、上記の図１５に示した第５の実施の形態において、ロータ導電体を複数枚の導電体素子の筒部７８に対応する部分を径方向に積層し、底板部８４に対応する部分を軸方向に積層することもできる。

また、図示は省略するが、上記の図１５に示した第５の実施の形態において、ロータ導電体７６の埋め込み用孔８２に埋め込むロータコアを、複数枚の薄板コア素子を筒部７８の軸方向または周方向に積層することにより構成することもできる。

本発明の第１の実施形態の回転電機を示す略断面図である。 一部を省略して示す図１のＡ−Ａ断面図である。 図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、同じ相のステータ巻線の電気角が互いにずれている様子を説明するためのステータの周方向一部の周方向を左右方向に伸ばして示す図である。 ロータの製造時において、孔形成のためのプレス加工を施す工程を順に示す断面図である。 図１の片側ステータ及び他側ステータにおいて、発生磁束の分布を示す図である。 従来から考えられている一般的な誘導電動機の電機子巻線である、ステータ巻線を集中巻巻線にした場合の、ステータから出てロータに鎖交する鎖交磁束と時間との関係を示す図である。 図６の鎖交磁束に対応して、２次側導体である、ロータ側のロータ巻線に発生する誘導電流と時間との関係を示す図である。 本発明の第２の実施の形態において、ロータを示す断面図である。 図８を左方から右方に見た図である。 図８の左半部を構成する片側導電体素子のみを取り出して、図８の左方から右方に見た図である。 図８の右半部を構成する他側導電体素子のみを取り出して、図８の左方から右方に見た図である。 本発明の第２の実施の形態において、ロータに鎖交するロータ鎖交磁束の基本波成分及び５次の高調波成分と電気角との関係を示す図である。 本発明の第３の実施の形態において、ロータを示す、図２のＢ部拡大断面に対応する図である。 本発明の第４の実施の形態において、ロータを示す、図２のＢ部拡大断面に対応する図である。 本発明の第５の実施の形態の回転電機を示す略断面図である。

符号の説明

１０，１０ａ 回転電機、１２ ケーシング、１４ 片側ステータ、１６ 他側ステータ、１８，１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ ロータ、２０ ステータコア、２２ ステータ巻線、２４ ティース、２６ 回転軸、２８，２８ａ ロータ導電体、３０，３０ａ，３０ｂ ロータコア、３２ 埋め込み用孔、３４ 筒部、３６ 軸挿通用孔、３８ 抑え部材、４０ 軸受、４２ 導電体素材、４４ プレス加工装置、４６ ダイ、４８ 打ち抜きパンチ、５０ 片側導電体素子、５２ 他側導電体素子、５４ 長孔、５６ 軸挿通用孔、５８ 柱部、６０，６０ａ 薄板コア素子、６２ 外側ステータ、６４ 内側ステータ、６６，６８ ステータコア、７０ ステータ巻線、７２，７４ ティース、７６ ロータ導電体、７８ 筒部、８０ ロータコア、８２ 埋め込み用孔、８４ 底板部、８６ 軸挿通用孔。

Claims (7)

1. 軸方向または径方向に形成された孔を有する導電体と、
   孔に埋め込まれた磁性材製のコアと、を備え、
   導電体は、導電材製の素材に、孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成していることを特徴とする回転電機用ロータ。
2. 請求項１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   導電体は、導電材製の薄板素材に、孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより構成する導電体素子を、複数枚積層することにより構成していることを特徴とする回転電機用ロータ。
3. 請求項２に記載の回転電機用ロータにおいて、
   導電体は、複数枚の導電体素子を、それぞれの導電体素子に形成した孔の回転方向に関する位置が、隣り合う導電体素子同士でずれるように積層することにより構成していることを特徴とする回転電機用ロータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   コアは、磁性材製の薄板コア素子を複数枚積層することによりブロック状に構成していることを特徴とする回転電機用ロータ。
5. 請求項１から請求項３のいずれか１に記載の回転電機用ロータにおいて、
   コアは、圧粉磁心によりブロック状に成形していることを特徴とする回転電機用ロータ。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１に記載の回転電機用ロータと、
   回転電機用ロータの軸方向両側または径方向両側に回転電機用ロータを介して対向させた２個のステータと、を備え、
   各ステータは、周方向複数個所に設けられたティースと、各ティースに巻回されたステータ巻線とを有し、
   各ステータ巻線は、複数のティースのうち、周方向に隣り合うティース同士で異なる相の巻線が巻き付けられる集中巻巻線であることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１に記載の回転電機用ロータの製造方法であって、
   導電材製の素材に、軸方向または径方向に孔を形成するためのプレス加工の打ち抜き加工を施すことにより、孔を有する導電体を造る工程と、
   導電体が有する孔に磁性材製のコアを埋め込む工程と、
   を備えることを特徴とする回転電機用ロータの製造方法。

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