JP2012070597A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 渦電流の発生を抑えることで渦電流損が少なく、その分だけ効率の良い回転電機の提供。
【解決手段】 互いに同心に配置されたインナーコアおよびアウターコアを備え、前記インナーコアおよびアウターコアの何れか一方のコアが、コア本体にその周方向に離間して設けられコイルが巻回される複数の突極と、該各突極の先端部に該突極に対して拡幅させて設けた磁束通過部と、該磁束通過部の少なくとも一部に複数個の磁性体を積層してしかも表面を露出させた形態で設けられたラミネートコア部とから構成されている回転電機。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電機等に用いられ、互いに同心に配置されたインナーコアおよびアウターコアを備えた回転電機（モーター）に関する。

発電機等に用いられる回転電機として、下記特許文献１に示す技術（この場合インナーロータ型）が知られている。該特許文献１に開示された回転電機では、ローターコア（回転子）が、回転中心部であるコア本体と、その外周部に周方向に離間して配置された複数の突極と、各突極の先端部に該突極に対して拡幅させて設けた磁束通過部（「ポールシュー」とも呼ばれる）とから構成されている。この磁束通過部は磁性材料から一体物として形成されている。各突極にはコイルが巻回され、該コイルに通電することでローターコアが軸心回りに回転する。

特開平１０−３２２９５４号公報

上記回転電機では、コイルに通電することでローターコア（回転子）が回転する一方で、磁束通過部には渦電流が発生する。特に、磁束通過部が磁性材料から一体物として形成されていると大きな渦電流が発生してしまい、そうなると渦電流損によって回転電機の効率が著しく低下してしまうという課題があった。これはインナーロータ型に限らず、アウターロータ型の回転電機にも共通する課題である。

そこで本発明は、渦電流の発生を抑えることで渦電流損が少なく、その分だけ効率の良い回転電機の提供を目的とする。

本発明は、互いに同心に配置されたインナーコアおよびアウターコアを備えた回転電機であって、前記インナーコアおよびアウターコアの何れか一方のコアが、コア本体にその周方向に離間して設けられコイルが巻回される複数の突極と、該各突極の先端部に該突極に対して拡幅させて設けた磁束通過部と、該磁束通過部の少なくとも一部に複数個の磁性体を積層してしかも表面を露出させた形態で設けられたラミネートコア部とから構成されていることを特徴としている。

上記構成において、ラミネートコア部は磁性体からなるので、ラミネートコア部を磁束通過部に設けても、磁束通過部における磁束通過を大きく阻害することがない。また、ラミネートコア部は複数個の磁性体を積層して構成されているから、磁性体ごとに渦電流が発生しても隣り合う磁性体に発生した渦電流どうしがつながらず、ラミネートコア部に発生する渦電流が大きくならない。このため、磁束通過部を磁性材料から一体物として形成する場合に比べて、磁束通過部での大きな渦電流の発生が抑えられる。

本発明の回転電機では、磁束通過部の表面側の一部に装着凹部が形成され、該装着凹部にラミネートコア部が表面を露出させた形態で埋設されている構成を採用することができる。

上記構成において、ラミネートコア部は装着凹部に装着するといった作業で容易に磁束通過部に装着でき、ラミネートコア部は磁性体からなるので、ラミネートコア部を磁束通過部に埋設しても磁束通過部における磁束通過を大きく阻害することがなく、ラミネートコア部は複数個の磁性体を積層して構成しているから、その分だけ、磁束通過部を磁性材料から一体物として形成する場合に比べて、磁束通過部での渦電流の発生が抑えられる。

本発明の回転電機では、インナーコアはその軸心回りに回転するローターコアであって、各磁束通過部の径方向外側面は円弧状に形成され、各磁束通過部の周方向中心部にラミネートコア部が設けられている構成を採用することができる。

一般に、磁束通過部の径方向外側面を円弧状に形成すると、磁束通過部の周方向中心部は、磁束通過部の他の部分に比べて大きな渦電流が発生する部分となるが、このような大きな渦電流が発生する部分に、上記構成のように、ラミネートコア部を設けることにより、大きな渦電流が発生するのを回避することができる。

本発明の回転電機では、ラミネートコア部の表面と磁束通過部の表面とは面一である構成を採用することができる。この構成のように、ラミネートコア部の表面と磁束通過部の表面とを面一とすることで、磁束通過部の断面に空間部分が生じるのをなくすことができる。このため、磁束通過部で必要な磁束通過量を確保して、しかも大きな渦電流が発生するのを抑えられる。

磁性体を積層して構成したラミネートコア部は、磁束通過部の少なくとも一部に設けていれば、その分だけ渦電流の発生が抑えられる。しかしラミネートコア部は、磁束通過部の一部に設けることに限定されず、磁束通過部の全部（磁束通過部そのもの）をラミネートコア部から構成することも可能であって、この場合でも大きな渦電流の発生が抑えられる。

本発明の回転電機では、インナーコアまたはアウターコアに設けるラミネートコア部は磁性体からなるので、ラミネートコア部をインナーコアまたはアウターコアの磁束通過部に設けても、磁束通過部における磁束通過を大きく阻害することがなく、ラミネートコア部は複数個の磁性体を積層してなるから、磁性体ごとに渦電流が発生しても隣り合う磁性体に発生した渦電流どうしがつながらず、ラミネートコア部に発生する渦電流が大きくならない。このため、磁束通過部での大きな渦電流の発生が抑えられて、渦電流損を少なくすることができ、したがって効率の良い回転電機が得られる。

本発明の一実施形態を示す回転電機の突極形回転子（インナーコア）の軸心方向途中での一部断面図である。 同インナーコアの一部を示す径方向外方からの図（図１の平面図）である。

以下、本発明の一実施形態に係る回転電機を、図１および図２に基づいて説明する。この実施形態で例示する回転電機１００では、コアとして突極形回転子１１０と称されるインナーコアと、固定子１８０であるアウターコアとを備えている。

図１および図２に示すように、突極形回転子１１０および固定子１８０は互いに同心に配置されている。突極形回転子１１０は、その外側に配置した固定子１８０に対して、径方向に所定の幅に設定されたギャップをもって配置される。突極形回転子１１０は、所定の軸方向長さを有する回転子中心部（コア本体に相当する）１２３と、この回転子中心部１２３の外周部に複数設けられた突極１２１と、突極１２１毎に設けられた磁束通過部（以下「ポールシュー」という）１２２によって構成されている。

各突極１２１は、回転子中心部１２３の外周部から径方向外方に突出し、回転子中心部１２３に一体的に形成されている。また突極１２１は、回転子中心部１２３の周方向に等間隔（この場合、９０°置き）に配置されている。回転子中心部１２３および突極１２１は、鉄材のソリッドによって一体的に形成されている。

図１には回転電機１００（突極形回転子１１０および固定子１８０）の一部のみ表している。ここでは、各突極１２１の構成および各ポールシュー１２２の構成、ならびに突極１２１とポールシュー１２２の関係は同一であるから、ひとつの突極１２１およびポールシュー１２２についての説明をもって、他の突極１２１およびポールシュー１２２の説明に兼用する。

突極１２１は、回転子中心部１２３と等しい軸方向長さを有し、所定の周方向幅に形成されている。突極１２１の径方向外端面１２１ａは、回転子中心部１２３の軸心方向に沿う平面に形成されている。突極１２１の外周部にはコイル１６０が巻回される。

ポールシュー１２２は、突極１２１の径方向外端面１２１ａに取付けられている。ポールシュー１２２は全体が略扇形状の断面形状に形成されており、その径方向内端面１２２ａは回転子中心部１２３の軸心方向に沿う平面に形成されている。

ポールシュー１２２の径方向内端面１２２ａは、突極１２１の径方向外端面１２１ａに比べて周方向および軸心方向ともに広幅に形成されている。ポールシュー１２２の径方向外端面１２２ｂは、回転子中心部１２３側を中心とする円弧状に形成されている。すなわち、ポールシュー１２２は、周方向両側端部に比べて周方向中心部側が厚くなる形状に形成されている。

そして、突極１２１の径方向外端面１２１ａに、ポールシュー１２２の径方向内端面１２２ａが当接され、ポールシュー１２２は、その径方向外端面１２２ｂ側から突極１２１へボルト１４０を螺入することによって、突極１２１に固定されている。なお、ボルト１４０は、装着凹部１２２１（後述する）を回避するようその外周部に複数個配置されている。

ポールシュー１２２の表面側、すなわち径方向外端面１２２ｂの一部に前記装着凹部１２２１が形成されている。この装着凹部１２２１は、径方向外端面１２２ｂの周方向中心部で且つ軸心方向中心部を穿つようにして形成されている。装着凹部１２２１は、底面１２２１ａおよび側面１２２１ｂ，１２２１ｃを有し、底面１２２１ａはポールシュー１２２の径方向内端面１２２ａに平行な平面に形成され、側面１２２１ｂ，１２２１ｃは、底面１２２１ａの四隅端辺から直角方向に立上げて形成されている。この装着凹部１２２１を径方向外方視すると、矩形に形成されている。

装着凹部１２２１に、ラミネートコア部１３０が嵌合するように埋設されている。ラミネートコア部１３０は、複数個の磁性体を軸心方向に沿うよう積層して構成されている。この場合、複数個の磁性体は、複数枚の磁性板１３１である。各磁性板１３１はケイ素鋼板から形成され、その軸心方向の厚みは０．５ｍｍに設定されている。各磁性板１３１は装着凹部１２２１の断面形状（軸心方向に直交する径方向断面形状）に合致する板形状に形成されている。

ラミネートコア部１３０の外周面１３２を構成する各磁性板１３１の外周面の曲率は、ポールシュー１２２の径方向外端面１２２ｂの曲率に一致している。この構成により、ラミネートコア部１３０の外周面１３２は、ポールシュー１２２の径方向外端面１２２ｂと面一とされ、ラミネートコア部１３０の外周面１３２は露出して、アウターコアである固定子１８０の内周面１８０ａに径方向で対向している。

このような積層鋼板からなるラミネートコア部１３０は、磁性板１３１どうしを軸心方向でかしめて一体化されている。そして、ラミネートコア部１３０は、装着凹部１２２１にレーザー溶接等の手段によってポールシュー１２２に固定されている。ポールシュー１２２におけるラミネートコア部１３０以外の部分は、鉄材によって一体物として形成されている（積層鋼板によって形成されていない）。

ポールシュー１２２の一部に装着凹部１２２１を形成し、装着凹部１２２１にラミネートコア部１３０を埋設することでポールシュー１２２とし、ラミネートコア部１３０の外周面１３２を含むポールシュー１２２全体の径方向外端面１２２ｂを凹凸のない面一としている。このように構成することで、ポールシュー１２２の断面に空間部分をなくしている。

図中の符号１５０は、コイル変形防止金具を示している。このコイル変形防止金具１５０は、コイル支持部１５１,１５２を備えている。コイル変形防止金具１５０は、一方のコイル支持部１５１と他方のコイル支持部１５２とから断面略Ｌ字状に形成されている。コイル変形防止金具１５０のコイル支持部１５１，１５２は、隣り合う突極１２１のそれぞれの回転子中心部１２３側である基部に当接し、且つ該基部間にわたすようにして取付けられる。そして突極１２１毎に巻回されるコイル１６０の回転子中心部１２３側を支えることができる形状に形成されている。またコイル変形防止金具１５０は、埋込みボルト１７０（図１において一点鎖線で示す）を介して回転子中心部１２３に固定される。

上記突極形回転子１１０および固定子１８０を備えた回転電機１００は、その出力に応じて大型、中型、小型と呼ばれ、出力５０００ＫＷ、７．５ＫＷを基準に、５０００ＫＷを超えるものを大型、５０００ＫＷ〜７．５ＫＷを中型、７．５ＫＷを下回るものを小型、と呼んでいる。そしてこの実施形態における回転電機１００は、中型ないし大型に好適である。

上記構成において、コイル１６０に電力を供給すると、突極形回転子１１０がその軸心回りに回転する。このとき、ポールシュー１２２に渦電流が発生し得る状態となる。しかしながら、ポールシュー１２２の一部に、複数枚の磁性板を積層してなるラミネートコア部１３０が埋設され、ラミネートコア部１３０はケイ素鋼板（磁性体）からなる。このため、ラミネートコア部１３０をポールシュー１２２に埋設してあっても、ポールシュー１２２における磁束通過を阻害することがない。このように、ラミネートコア部１３０は複数枚の磁性板を積層して構成しているから、仮にケイ素鋼板一枚毎に渦電流が発生しても、これがつながらない。したがって、ポールシュー１２２に大きな渦電流が発生するのを抑えることができて、ポールシュー１２２の発熱を抑えることができる。

また、装着凹部１２２１に、ラミネートコア部１３０が嵌合するように埋設して、ラミネートコア部１３０の外周面１３２を含む、ポールシュー１２２全体の径方向外端面１２２ｂを面一としている。すなわち、ポールシュー１２２の断面（径方向断面および軸方向断面）に空間がない。このため、ポールシュー１２２では、必要な磁束通過量を確保でき、しかも大きな渦電流が発生するのを抑えられる。

また、一般に、ポールシュー１２２の径方向外端面１２２ｂを円弧形状に形成すると、その周方向中心部は他の部分に比べて大きな渦電流が発生する部分となる。しかしながら、この実施形態では、本来大きな渦電流が発生する周方向中心部に、ラミネートコア部１３０を設けている。この構成により、周方向中心部に大きな渦電流が発生するのを効果的に抑えることができる。よって、このような構成の突極形回転子１１０を備えた回転電機１００では、発熱による渦電流損（エネルギー損失）が極めて少ない、効率のよい回転電機となる。

また、ポールシュー１２２全体を積層鋼板から形成した構成ではなく、ポールシュー１２２の一部に装着凹部１２２１を設けて、これに磁性板１３１を積層してなるラミネートコア部１３０を装着する構成としている。このため、ポールシュー１２２全体を磁性材料から一体物として形成する場合に比べて、製造コストが嵩むのを抑えることができる。

さらに、ラミネートコア部１３０は、複数枚の磁性板１３１を同一形状に形成し、これを軸心方向に重ねて構成している。このため、磁性板１３１の製造型が一種類で済むという利点がある。

本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。その他、各部の具体的構成についても上記実施形態に限られるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。

例えば、上記実施形態ではラミネートコア部は、複数枚の磁性板を軸心方向に重ねて構成した。しかしながら、複数枚の均等な厚みの磁性板を周方向に重ねる構成としてもよい。この場合でも、ラミネートコア部全体の形状としては、上記実施形態と同様とし、その表面が露出するようにする。そしてこのように構成した場合でも、一枚毎の磁性板に発生した渦電流が重ねられた磁性板に発生する渦電流とつながらないので、大きな渦電流とはならない。このためポールシューあるいは突極形回転子の発熱が抑えられ、効率のよい回転電機を提供することができる。他の構成は上記実施形態と同様である。

また、上記実施形態ではラミネートコア部は、ポールシューの一箇所に装着凹部を形成して、該装着凹部に埋設した。しかしながら、ラミネートコア部は二箇所、あるいはそれ以上に設けることも可能であり、この場合でも、ラミネートコア部を設けないポールシューに比べて発熱量を抑えることができ、効率のよい回転電機を提供することができる。

上記各実施形態では、ポールシューに装着凹部を形成して、該装着凹部にラミネートコア部を埋設する形態とした。しかしながら、ポールシューの全部を磁性板の積層体から形成することも可能である。

また、ラミネートコア部を構成する磁性体はケイ素鋼板に限らず、鉄材であってもよい。但し磁性板（磁性体）として鉄材を用いると、磁性板毎に発生する渦電流がケイ素鋼板に比べてつながり易くなる。しかしながらこの場合でも、ラミネートコア部を設けない場合に比べれば、渦電流を小さく抑えることができる。

上記各実施形態では、回転電機をインナーロータ型として、ラミネートコア部をポールシューに埋設した形態を例に説明した。しかしながら本発明は、アウターロータ型の回転電機にも適用することができる。この場合では、ラミネートコア部を、アウターコアの突極の先端部（径方向内方側端部）に設けたポールシューに埋設し、ラミネートコア部をポールシューの径方向内端面と面一となるよう形成する。

１００…回転電機、１１０…突極形回転子、１２１…突極、１２２…ポールシュー、１３０…ラミネートコア部、１３１…磁性板、１６０…コイル、１８０…固定子、１２２１…装着凹部

Claims (4)

1. 互いに同心に配置されたインナーコアおよびアウターコアを備えた回転電機であって、
   前記インナーコアおよびアウターコアの何れか一方のコアが、コア本体にその周方向に離間して設けられコイルが巻回される複数の突極と、該各突極の先端部に該突極に対して拡幅させて設けた磁束通過部と、該磁束通過部の少なくとも一部に複数個の磁性体を積層してしかも表面を露出させた形態で設けられたラミネートコア部とから構成されていることを特徴とする回転電機。
2. 磁束通過部の表面側の一部に装着凹部が形成され、該装着凹部にラミネートコア部が表面を露出させた形態で埋設されていることを特徴とする請求項１記載の回転電機。
3. インナーコアはその軸心回りに回転するローターコアであって、各磁束通過部の径方向外側面は円弧状に形成され、各磁束通過部の周方向中心部にラミネートコア部が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の回転電機。
4. ラミネートコア部の表面と磁束通過部の表面とは面一であることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の回転電機。

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