JP2012175894A

JP2012175894A - かご形回転子および回転電機

Info

Publication number: JP2012175894A
Application number: JP2011038714A
Authority: JP
Inventors: Manabu Oshida; 学押田
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2011-02-24
Filing date: 2011-02-24
Publication date: 2012-09-10
Anticipated expiration: 2031-02-24
Also published as: US9281732B2; WO2012115044A1; JP5632308B2; US20130328436A1

Abstract

【課題】エンドリングに加わる応力集中を緩和して、エンドリングの損傷を防止することのできるかご形回転子を提供する。
【解決手段】回転子は、スロットが複数形成された回転子鉄心２５２と、回転子鉄心２５２の各スロット内に収容され、両端部が回転子鉄心２５２の軸方向端面から突出される複数の導体バー２５４と、回転子鉄心２５２の両端に配置され、導体バー２５４の両端部が嵌合される複数の嵌合部２２７を有する一対のエンドリング２２６とを備え、導体バー２５４は、軸方向と直交する面内の断面形状のうち回転子中心軸側の形状が円弧に形成され、軸方向と直交する面内において、導体バー２５４が嵌合された嵌合部２２７の回転子中心軸側には空隙が設けられ、この空隙のうち回転子中心軸側には曲線部が形成され、空隙の曲線部は、導体バー２５４の回転子中心軸側の円弧の半径よりも大きい半径を有する円弧を含むことを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、かご形回転子およびそのかご形回転子を用いた回転電機に関する。

従来、回転子鉄心に多数の導体バーとエンドリングとを組み付けて溶接あるいはろう付けなどで接合する組立式のかご形回転子であって、磁力線の通路となるティースの幅を一定にしたかご形回転子が知られている（特許文献１参照）。

特開２００８−１６１０２４号公報

特許文献１に記載の回転子のように、ティースの幅が一定とされると、スロットの幅が中心側に向かうほど狭くなる。したがって、スロットに挿入される導体バー、および導体バーを保持するエンドリングの嵌合部の形状も同様の形状とされ、嵌合部の中心側端部は半径の小さな円弧状とされていた。

このような回転子を高速で回転させると、エンドリングに大きな回転遠心力が加わり、エンドリングの嵌合部における中心側端部に過度な応力が集中するため、エンドリングが破損してしまうといった問題点があった。

請求項１に係る発明は、軸方向に延在するスロットが周方向に複数形成された回転子鉄心と、回転子鉄心の各スロット内に収容され、両端部が回転子鉄心の軸方向端面から突出される複数の導体バーと、回転子鉄心の両端に配置され、回転子鉄心の軸方向端面から突出した導体バーのそれぞれの両端部が嵌合される複数の嵌合部をそれぞれが有する一対のエンドリングとを備え、導体バーは、軸方向と直交する面内の断面形状のうち回転子中心軸側の形状が円弧に形成され、軸方向と直交する面内において、導体バーが嵌合された嵌合部の回転子中心軸側には空隙が設けられ、この空隙のうち回転子中心軸側には曲線部が形成され、空隙の曲線部は、導体バーの回転子中心軸側の円弧の半径よりも大きい半径を有する円弧を含むことを特徴とするかご形回転子である。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のかご形回転子であって、空隙の曲線部は、導体バーの回転子中心軸側の円弧の半径よりも大きい半径の円弧として形成されていることを特徴とするかご形回転子である。
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のかご形回転子であって、軸方向と直交する面内における導体バーの断面形状は、回転子の外周側から中心側に向かって徐々に厚さが薄くなる形状であり、空隙の曲線部は、導体バーの中心軸側の端部の円弧と対峙して設けられていることを特徴とするかご形回転子である。
請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のかご形回転子と、かご形回転子の外周側に隙間をあけて設けられた固定子とを備えたことを特徴とする回転電機である。

本発明によれば、エンドリングの嵌合部に加わる応力集中を緩和して、エンドリングの損傷を防止することのできるかご形回転子およびそのかご形回転子を用いた回転電機を提供することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るかご形回転子を備えた回転電機を搭載したハイブリッド型電気自動車の概略構成を示す図である。図１の電力変換装置を示す回路図である。本発明の第１の実施の形態に係る回転電機を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るかご形回転子の外観斜視図である。本発明の第１の実施の形態に係るかご形回転子の分解斜視図である。本発明の第１の実施の形態に係るかご形回転子のエンドリングを示す部分拡大平面模式図である。従来のかご形回転子のエンドリングを示す部分拡大平面模式図である。従来のかご形回転子のエンドリングの応力分布を示す図である。本発明の第１の実施の形態に係るかご形回転子のエンドリングの応力分布を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係るかご形回転子のエンドリングを示す部分拡大平面模式図である。本発明の第２の実施の形態に係るかご形回転子のエンドリングの空隙部を示す部分拡大図である。本発明の第２の実施の形態に係るかご形回転子のエンドリングの応力分布を示す図である。円弧状部の半径とエンドリングに発生する最大応力の関係を示すグラフである。

［第１の実施の形態］
本発明による回転電機の第１の実施の形態について説明する。
［回転電機全体］
第１の実施の形態を備えた回転電機は、以下に説明するように、高回転化が可能であることから、例えば、電気自動車の走行用モータとして好適である。本発明による回転電機は、回転電機のみによって走行する純粋な電気自動車や、エンジンと回転電機の双方によって駆動されるハイブリッド自動車に適用できる。以下ではハイブリッド自動車を例に説明する。

図１に示すように、ハイブリッド自動車（以下、車両）１００には、エンジン１２０と、第１、第２の回転電機２００，２０２と、高電圧のバッテリ１８０とが搭載されている。

バッテリ１８０は、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの二次電池で構成され、２５０ボルトから６００ボルト、あるいはそれ以上の高電圧の直流電力を出力する。バッテリ１８０は、力行走行時には回転電機２００，２０２に直流電力を供給し、回生走行時には回転電機２００，２０２からバッテリ１８０に直流電力が供給される。バッテリ１８０と回転電機２００，２０２との間の直流電力の授受は、電力変換装置６００を介して行われる。

車両１００には低電圧電力（例えば、１４ボルト系電力）を供給するバッテリ（不図示）が搭載されており、以下に説明する制御回路に直流電力を供給する。

エンジン１２０および回転電機２００，２０２による回転トルクは、変速機１３０とデファレンシャルギア１６０を介して前輪１１０に伝達される。変速機１３０は変速機制御装置１３４により制御され、エンジン１２０はエンジン制御装置１２４により制御され、バッテリ１８０は、バッテリ制御装置１８４により制御される。

変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、バッテリ制御装置１８４および電力変換装置６００には、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０が接続されている。

統合制御装置１７０は、エンジン１２０および回転電機２００，２０２の出力トルクの管理、エンジン１２０の出力トルクと回転電機２００，２０２の出力トルクとの総合トルクやトルク分配比の演算処理、その演算処理結果に基づく変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４および電力変換装置６００への制御指令の送信を行う。

そのため、統合制御装置１７０には、変速機制御装置１３４、エンジン制御装置１２４、電力変換装置６００およびバッテリ制御装置１８４から、それぞれの状態を表す情報が、通信回線１７４を介して入力される。これらの制御装置は、統合制御装置１７０より下位の制御装置である。統合制御装置１７０は、これらの情報に基づき各制御装置の制御指令を演算する。演算された制御指令は通信回線１７４を介してそれぞれの制御装置へ送信される。

バッテリ制御装置１８４は、バッテリ１８０の充放電状況やバッテリ１８０を構成する各単位セル電池の状態を、通信回線１７４を介して統合制御装置１７０に出力する。統合制御装置１７０は、バッテリ制御装置１８４からの情報に基づいて電力変換装置６００を制御し、バッテリ１８０の充電が必要と判断したときは、電力変換装置６００に発電運転の指示を出す。

電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からのトルク指令に基づき、指令通りのトルク出力あるいは発電電力が発生するように回転電機２００，２０２を制御する。そのため、電力変換装置６００にはインバータを構成するパワー半導体が設けられている。電力変換装置６００は、統合制御装置１７０からの指令に基づきパワー半導体のスイッチング動作を制御する。このようなパワー半導体のスイッチング動作により、回転電機２００，２０２が電動機としてあるいは発電機として運転される。

回転電機２００，２０２を電動機として運転する場合は、高電圧のバッテリ１８０からの直流電力が電力変換装置６００のインバータの直流端子に供給される。電力変換装置６００は、パワー半導体のスイッチング動作を制御することにより、供給された直流電力を三相交流電力に変換し回転電機２００，２０２に供給する。

一方、回転電機２００，２０２を発電機として運転する場合には、回転子が外部から加えられる回転トルクで回転駆動され、固定子巻線に三相交流電力が発生する。発生した三相交流電力は電力変換装置６００で直流電力に変換され、その直流電力が高電圧のバッテリ１８０に供給されることにより充電が行われる。

［電力変換装置］
図２に示すように、電力変換装置６００には、第１の回転電機２００のための第１のインバータ装置と、第２の回転電機２０２のための第２のインバータ装置とが設けられている。第１のインバータ装置は、パワーモジュール６１０と、パワーモジュール６１０の各パワー半導体素子２１のスイッチング動作を制御する第１の駆動回路６５２と、回転電機２００の電流を検知する電流センサ６６０とを備えている。駆動回路６５２は駆動回路基板６５０に設けられている。

第２のインバータ装置は、パワーモジュール６２０と、パワーモジュール６２０における各パワー半導体素子２１のスイッチング動作を制御する第２の駆動回路６５６と、回転電機２０２の電流を検知する電流センサ６６２とを備えている。駆動回路６５６は駆動回路基板６５４に設けられている。

電流センサ６６０，６６２、駆動回路６５２，６５６は、制御回路基板６４６に設けられた制御回路６４８に接続され、さらに、制御回路６４８には、送受信回路６４４を介した通信回線１７４が接続されている。送受信回路６４４は、送受信回路基板６４２に設けられ、第１、第２のインバータ装置で共通に使用される。送受信回路６４４は、電力変換装置６００と外部の制御装置との間を電気的に接続するためのもので、図１の通信回線１７４を介して他の装置と情報の送受信を行う。

制御回路６４８は各インバータ装置の制御部を構成しており、パワー半導体素子２１を動作（オン・オフ）させるための制御信号（制御値）を演算するマイクロコンピュータによって構成されている。制御回路６４８には、統合制御装置１７０からのトルク指令信号（トルク指令値）、電流センサ６６０，６６２のセンサ出力、回転電機２００，２０２に搭載された回転センサ、すなわちレゾルバ２２４（図３参照）のセンサ出力が入力される。制御回路６４８はそれらの入力信号に基づいて制御値を演算し、駆動回路６５２，６５６にスイッチングタイミングを制御するための制御信号を出力する。

駆動回路６５２，６５６には、各相の各上下アームのゲートに供給する駆動信号を発生する集積回路がそれぞれ６個設けられており、６個の集積回路を１ブロックとして構成されている。駆動回路６５２，６５６で発生した駆動信号は、対応するパワーモジュール６１０，６２０の各パワー半導体素子２１のゲートにそれぞれ出力される。

パワーモジュール６１０，６２０における直流側の端子には、コンデンサモジュール６３０が電気的に並列に接続され、コンデンサモジュール６３０は、パワー半導体素子２１のスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するための平滑回路を構成する。コンデンサモジュール６３０は、第１、第２のインバータ装置で共通に使用される。

パワーモジュール６１０，６２０は、それぞれバッテリ１８０から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、その電力を対応する回転電機２００，２０２の電機子巻線である固定子巻線に供給する。パワーモジュール６１０，６２０は、回転電機２００，２０２の固定子巻線に誘起された交流電力を直流に変換し、高電圧バッテリ１８０に供給する。

パワーモジュール６１０，６２０は図２に記載のごとく三相ブリッジ回路を備えており、三相に対応した直列回路が、それぞれバッテリ１８０の正極側と負極側との間に電気的に並列に接続されている。各直列回路は上アームを構成するパワー半導体素子２１と下アームを構成するパワー半導体素子２１とを備え、それらのパワー半導体素子２１は直列に接続されている。

パワーモジュール６１０とパワーモジュール６２０とは、略同様に構成されており、ここではパワーモジュール６１０を代表して説明する。

パワーモジュール６１０は、スイッチング用パワー半導体素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）を用いている。ＩＧＢＴは、コレクタ電極、エミッタ電極およびゲート電極の３つの電極を備えている。ＩＧＢＴのコレクタ電極とエミッタ電極との間にはダイオード３８が電気的に接続されている。ダイオード３８は、カソード電極およびアノード電極の２つの電極を備えており、ＩＧＢＴのエミッタ電極からコレクタ電極に向かう方向が順方向となるように、カソード電極がＩＧＢＴのコレクタ電極に、アノード電極がＩＧＢＴのエミッタ電極にそれぞれ電気的に接続されている。

各相のアームは、ＩＧＢＴのエミッタ電極とＩＧＢＴのコレクタ電極とが電気的に直列に接続されて構成されている。
なお、図２では、各相の各上下アームのＩＧＢＴを１つしか図示していないが、制御する電流容量が大きいので、実際には複数のＩＧＢＴが電気的に並列に接続されて構成されている。

各相の各上アームのＩＧＢＴのコレクタ電極はバッテリ１８０の正極側に、各相の各下アームのＩＧＢＴのエミッタ電極はバッテリ１８０の負極側にそれぞれ電気的に接続されている。各相の各アームの中点（上アーム側ＩＧＢＴのエミッタ電極と下アーム側のＩＧＢＴのコレクタ電極との接続部分）は、対応する回転電機２００，２０２の対応する相の電機子巻線（固定子巻線）に電気的に接続されている。

回転電機２００，２０２は略同様に構成されているので、以下、回転電機２００を代表的に説明する。

［回転電機の構成］
図３に示すように、回転電機２００はハウジング２１２と、ハウジング２１２の内部に保持された固定子２３０とを有し、固定子２３０は固定子鉄心２３２と固定子巻線２３８とを備えている。固定子鉄心２３２の内側には、回転子２５０が隙間２２２を介して回転可能に保持されている。回転子２５０は、回転子鉄心２５２と、導体バー２５４と、エンドリング２２６とを備えており、回転子鉄心２５２は円柱状のシャフト（回転軸体）２１８に固定されている。

ハウジング２１２は、軸受２１６が設けられた一対のエンドブラケット２１４を有しており、シャフト２１８はこれらの軸受２１６により回転自在に保持されている。シャフト２１８には、回転子２５０の回転位置や回転速度を検出するレゾルバ２２４が設けられ、レゾルバ２２４の出力は、図２に示した制御回路６４８に入力される。

図２を参照して説明すると、制御回路６４８は、レゾルバ２２４の出力に基づいて駆動回路６５２を制御する。駆動回路６５２はパワーモジュール６１０をスイッチング動作させて、バッテリ１８０から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。制御回路６４８は、同様にして駆動回路６５６を介してパワーモジュール６２０もスイッチング動作させ、バッテリ１８０から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。この三相交流電力は固定子巻線２３８に供給され、固定子２３０に回転磁界が発生する。三相交流電流の周波数はレゾルバ２２４の検出値に基づいて制御され、三相交流電流の回転子２５０に対する位相も同じくレゾルバ２２４の検出値に基づいて制御されて、固定子巻線２３８に三相交流電力が供給される。

［固定子］
図３に示すように、固定子２３０は、円筒状の固定子鉄心２３２と、この固定子鉄心２３２に挿着される固定子巻線２３８とを備えている。固定子鉄心２３２は、円環形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。固定子鉄心２３２を構成する電磁鋼板は厚さ０．０５〜１．０ｍｍ程度であって、打ち抜き加工またはエッチング加工により成形される。

固定子鉄心２３２は、固定子鉄心２３２の軸方向に延在する複数のスロット（不図示）が周方向に等間隔となるように電磁鋼板を積層して形成されている。スロットには、スロット形状に対応した絶縁紙（不図示）が設けられ、固定子巻線２３８を構成するＵ，Ｖ，Ｗ相の相巻線が収容されている。スロットの間に形成されるティースは、固定子巻線２３８によって発生した回転磁界を回転子２５０に導き、回転子２５０に回転トルクを発生させる。

なお、本実施の形態では、固定子巻線２３８の巻き方として分布巻を採用している。分布巻とは、複数のスロットを跨いで離間した２つのスロットに各相の相巻線が収納されるように、相巻線が固定子鉄心２３２に巻かれる巻線方式である。

［回転子］
図４および図５は、本発明の第１の実施の形態に係る回転子２５０の外観斜視図および分解斜視図である。図６は、本発明の第１の実施の形態に係る回転子２５０のエンドリング２２６を示す部分拡大平面模式図である。なお、シャフト２１８は省略している。図４および図５に示すように、本実施の形態に係る回転子２５０は、回転子鉄心２５２に多数の導体バー２５４と一対のエンドリング２２６とを組み付けて、回転子２５０の軸方向両端部においてエンドリング２２６と導体バー２５４とが溶接により接合されている組立式のかご形回転子である。

本発明の第１の実施の形態では、予め導体バー２５４の先端部（中心側端部２５４ａ）よりも一回り大きい円弧状の空隙部２２８をエンドリング２２６の嵌合部２２７に形成しておくことで（図６参照）、回転子２５０を高速回転させたときに発生する回転遠心力に起因するエンドリング２２６に加わる応力集中を緩和する。以下、回転子２５０の構成、ならびに、導体バー２５４とエンドリング２２６の構成について、詳しく説明する。

図４および図５に示すように、回転子２５０は、シャフト２１８（図３参照）が挿通される貫通孔２５１を有する円筒形状とされ、円筒形状の回転子鉄心２５２と、回転子鉄心２５２のスロット２５２ｂに挿着される複数の導体バー２５４と、回転子鉄心２５２の両端に配置され、導体バー２５４に溶接により電気的に接続される一対のエンドリング２２６とを備えている。

［回転子鉄心］
回転子鉄心２５２は円環形状の電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。回転子鉄心２５２を構成する電磁鋼板は厚さ０．０５〜１．０ｍｍ程度であって、打ち抜き加工またはエッチング加工により成形される。回転子鉄心２５２には、軸方向に平行な複数のティース２５２ａとスロット２５２ｂがそれぞれ周方向に等間隔となるように形成されている。

回転子鉄心２５２のティース２５２ａの幅（円周方向長さ）は、回転中心側（根元部）から径方向外方に向かってほぼ一定の幅とされている。その結果、隣接するティース２５２ａにより区画されるスロット２５２ｂの幅は、外周側（開口側）が最大で、外周側から径方向内方に向かって徐々に幅が狭くなり、回転中心側で最小となっている。

各スロット２５２ｂ内には長尺平板状の導体バー２５４が収容され、導体バー２５４の長手方向の両端部は回転子鉄心２５２の両端に配置される一対のエンドリング２２６に嵌合されている。

［導体バーおよびエンドリング］
導体バー２５４は、銅やアルミニウム等の金属からなり、回転子２５０の軸方向に延在する長尺平板状部材である。導体バー２５４は、回転子鉄心２５２のスロット２５２ｂの形状とほぼ同じ外形形状を有し、スロット２５２ｂ内に収容される。導体バー２５４は、回転子２５０の回転中心軸方向と直交する面内における断面形状が回転子２５０の外周側から中心側に向かって徐々に厚さが薄くなる先細り形状とされ、回転子中心軸側の形状が円弧に形成されている。

具体的には、図６に示すように、導体バー２５４は、回転子２５０の外周側から中心側に向かって徐々に厚さが薄くなるように平坦な側面が形成され、両側面から回転子２５０の中心側に向かって延在するように円弧状の中心側端部２５４ａが形成され、両側面から回転子２５０の径方向外方に向かって延在するように円弧状の外側端部が形成されている。

図４に示すように、導体バー２５４は回転子鉄心２５２の軸方向長さよりも長く形成されており、導体バー２５４の両端部は回転子鉄心２５２の軸方向端面から外方に向かって突出している。

一対のエンドリング２２６は、導体バー２５４と同様に銅やアルミニウム等の金属からなり、回転子鉄心２５２の両端に配置される。各エンドリング２２６は、回転子鉄心２５２の軸方向端面から突出した導体バー２５４の端部が嵌合される嵌合部２２７を複数有している。嵌合部２２７は、回転子鉄心２５２のスロット２５２ｂに対応して周方向に等間隔となるように複数形成されている。各嵌合部２２７は、軸方向に平行な貫通孔であって外周側が開放された溝状に形成されている。

各エンドリング２２６の各嵌合部２２７には導体バー２５４の長手方向の端部が嵌合され、溶接によって導体バー２５４がエンドリング２２６に接合され、円環状の接合部２２０が形成されている。

［嵌合部］
エンドリング２２６の嵌合部２２７の形状について、図６を参照して詳しく説明する。嵌合部２２７は、導体バー２５４とほぼ同じ断面形状とされており、導体バー２５４を保持する保持部２２９と、保持部２２９から回転子２５０の中心側に向かって延設される空隙部２２８とを有している。

空隙部２２８は、導体バー２５４の中心側端部２５４ａである円弧の半径よりも大きい半径を有する円弧状部２２８ａとして形成されている。図６に示すように、嵌合部２２７における回転子２５０の中心側端部に設けられる空隙部２２８（円弧状部２２８ａ）の半径Ｒ２１と導体バー２５４の中心側端部２５４ａの半径Ｒ１１との関係は、Ｒ２１＞Ｒ１１とされ、本実施の形態では、Ｒ２１≒１．８×Ｒ１１とされている。

図６に示すように、導体バー２５４は、空隙部２２８（円弧状部２２８ａ）と導体バー２５４の中心側端部２５４ａとが対峙するように、エンドリング２２６の嵌合部２２７に嵌合されている。このとき、軸方向と直交する面内において、導体バー２５４の中心側端部２５４ａと空隙部２２８（円弧状部２２８ａ）との間には隙間が形成されている。

以上説明した本実施の形態によれば、以下のような作用効果を奏することができる。
エンドリング２２６の嵌合部２２７に導体バー２５４の中心側端部２５４ａよりも大きい半径を有する空隙部２２８（円弧状部２２８ａ）を設けた。回転子２５０が高速回転することによりエンドリング２２６には遠心力が加わり、周方向に引張応力が発生する。空隙部２２８を導体バー２５４の中心側端部２５４ａよりも半径の大きい円弧状に形成したことにより、エンドリング２２６の空隙部２２８（円弧状部２２８ａ）に加わる応力集中が緩和される。したがって、回転子２５０を高速で回転させることにより発生する回転遠心力に起因するエンドリング２２６の損傷を防止することができる。

［従来との比較］
上述した応力集中を緩和させる効果について、従来のエンドリング２２６と第１の実施の形態のエンドリング２２６とに対する数値解析結果を比較して説明する。図７は、従来の回転子２５０のエンドリング２２６を示す部分拡大平面模式図である。図中、第１の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。図８は、図７に示した従来の回転子２５０のエンドリング２２６の応力分布を示す図であり、図９は、本発明の第１の実施の形態に係る回転子２５０のエンドリング２２６の応力分布を示す図である。なお、図８および図９は、図８に示す従来のエンドリング２２６における最大応力σｍａｘ＝σ０の値を１００％として、２０％間隔で応力変化を表示した解析結果のコンター図である。

図７に示すように、従来の回転子２５０では、導体バー２５４や回転子鉄心２５２は本発明の第１の実施の形態と同様とされるが、エンドリング２２６の嵌合部２２７の形状が異なっており、従来のエンドリング２２６の嵌合部２２７の中心側端部は導体バー２５４の中心側端部２５４ａとほぼ同じ形状とされている。すなわち、Ｒ２０（嵌合部２２７の中心側端部の半径）≒Ｒ１０（導体バー２５４の中心側端部２５４ａの半径）とされている。

図８および図９に示すように、回転子２５０が回転すると、嵌合部２２７における最も中心側の部分に最大応力σｍａｘが生じる。

図９に示すように、第１の実施の形態に係るエンドリング２２６の嵌合部２２７に加わる最大応力σｍａｘ＝σ１は、従来に対して８２％まで低減されている。さらに、図８および図９に示すように、第１の実施の形態では、従来に比べて応力変化も緩やかになっているため、エンドリング２２６の全体に加わる応力が抑制され、応力集中が緩和されている。

［第２の実施の形態］
次に本発明に係る回転子２５０および回転電機２００の第２の実施の形態を図１０および図１１を参照して説明する。図１０は、回転子２５０のエンドリング２２６を示す部分拡大平面模式図であり、図１１は、回転子２５０のエンドリング２２６の空隙部２２８を示す部分拡大図である。第２の実施の形態の空隙部２２８は、第１の実施の形態における空隙部２２８の形状に比べて全体として扁平な形状とされている。なお、図中、第１の実施の形態と同一もしくは相当部分には同一符号を付し、説明を省略する。

図１０および図１１に示すように、第２の実施の形態では、空隙部２２８全体を円弧として形成せずに、空隙部２２８の中心側端部を比較的大きな半径を有する円弧状部２２８ａとして形成している。円弧状部２２８ａの半径Ｒ２２は、導体バー２５４の中心側端部２５４ａの半径Ｒ１２よりも大きい。すなわち、Ｒ２２＞Ｒ１２とされ、本実施の形態では、Ｒ２２≒４．１×Ｒ１２とされている。

回転子２５０の軸方向と直交する面内における空隙部２２８の断面形状について説明する。図１１に示すように、空隙部２２８のうち、最も回転中心側に位置する円弧状部２２８ａは周方向における所定幅まで広がっている。円弧状部２２８ａの両端部には、導体バー２５４側に湾曲する湾曲部２２８ｂが設けられ、この湾曲部２２８ｂから導体バー２５４側に直線部２２８ｃが延在している。さらに、直線部２２８ｃからは湾曲部２２８ｄが導体バー２５４を保持する保持部２２９まで延在している。このように、円弧状部２２８ａの両端部から湾曲部２２８ｂを介して導体バー２５４側に向かう直線部２２８ｃを設けているため、隣り合う空隙部２２８の直線部２２８ｃ同士の間で所定の幅ｗが確保されている（図１０参照）。

図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る回転子２５０のエンドリング２２６の応力分布を示す図である。図１２は、図８に示す従来のエンドリング２２６における最大応力σｍａｘ＝σ０の値を１００％として、２０％間隔で応力変化を表示した解析結果のコンター図である。

第２の実施の形態では、図１２に示すように、空隙部２２８のうち最も回転中心側に位置する部分に加わる最大応力σｍａｘ＝σ２が、従来に対して５７％まで低減され、応力変化も緩やかになっているため、エンドリング２２６の全体に加わる応力が抑制され、応力集中が緩和されている。

このように、第２の実施の形態によれば、周方向に隣接する空隙部２２８の直線部２２８ｃ同士の間で所定の幅ｗ（図１０参照）を確保することで電気抵抗を増加させることなく、第１の実施の形態よりも大きな半径の円弧状部２２８ａを形成することができる。その結果、第１の実施の形態よりも応力集中を緩和することができる。

［円弧状部の効果］
図１３は、従来ならびに第１および第２の実施の形態のエンドリングに対する数値解析結果（最大応力値）を示すグラフであり、嵌合部２２７の中心側端部（円弧状部２２８ａ）の半径と、エンドリング２２６に発生する最大応力との関係を示している。図１３では、従来の回転子２５０に加わる最大応力σｍａｘ＝σ０＝１．０、従来の回転子２５０における嵌合部２２７の中心側端部の半径Ｒ２０＝１．０として、σ０に対する第１および第２の実施の形態における最大応力値σ１，σ２の応力比と、Ｒ２０に対する第１および第２の実施の形態における半径Ｒ２１，Ｒ２２の半径比をプロットした。図１３に示すように、円弧状部２２８ａの半径が大きくなるほど最大応力値が減少する傾向を確認することができ、本発明の実施の形態に係る空隙部２２８の有効性を検証することができた。

次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
（１）導体バー２５４とエンドリング２２６との接合方法は溶接に限定されるものでもなく、摩擦攪拌接合（ＦＳＷ）やロウ付け、超音波半田付けなどの接合方法により導体バー２５４とエンドリング２２６とを接合してもよい。

（２）第２の実施の形態において、空隙部２２８を構成する湾曲部２２８ｂ，２２８ｄおよび直線部２２８ｃは種々の形状を採用することができる。円弧状部２２８ａの半径が導体バー２５４の中心側端部２５４ａの半径よりも大きければよく、円弧状部２２８ａと保持部２２９とを接続する部分の形状は、角部を形成しなければ、どんな形状であってもよい。直線部２２８ｃを設けることなく、円弧状部２２８ａと保持部２２９とを複数の湾曲部によって連続的に接続した形状としてもよい。

（３）スイッチング用パワー半導体素子としては、ＩＧＢＴに代えて、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体型電界効果トランジスタ）を用いてもよい。ＭＯＳＦＥＴは、ドレイン電極、ソース電極およびゲート電極の３つの電極を備えている。ＭＯＳＦＥＴの場合には、ソース電極とドレイン電極との間に、ドレイン電極からソース電極に向かう方向が順方向となる寄生ダイオードを備えているので、図２のダイオード３８を設ける必要がない。

本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

２００，２０２回転電機、２２０接合部、２２２隙間、２２６エンドリング、２２７嵌合部、２２８空隙部、２２８ａ円弧状部、２２８ｂ湾曲部、２２８ｃ直線部、２２８ｄ湾曲部、２２９保持部、２３０固定子、２３２固定子鉄心、２３８固定子巻線、２５０回転子、２５２回転子鉄心、２５４導体バー、２５４ａ中心側端部

Claims

軸方向に延在するスロットが周方向に複数形成された回転子鉄心と、
前記回転子鉄心の各スロット内に収容され、両端部が前記回転子鉄心の軸方向端面から突出される複数の導体バーと、
前記回転子鉄心の両端に配置され、前記回転子鉄心の軸方向端面から突出した導体バーのそれぞれの両端部が嵌合される複数の嵌合部をそれぞれが有する一対のエンドリングとを備え、
前記導体バーは、前記軸方向と直交する面内の断面形状のうち前記回転子中心軸側の形状が円弧に形成され、
前記軸方向と直交する面内において、前記導体バーが嵌合された前記嵌合部の回転子中心軸側には空隙が設けられ、この空隙のうち前記回転子中心軸側には曲線部が形成され、
前記空隙の曲線部は、前記導体バーの前記回転子中心軸側の円弧の半径よりも大きい半径を有する円弧を含むことを特徴とするかご形回転子。
請求項１に記載のかご形回転子であって、
前記空隙の曲線部は、前記導体バーの前記回転子中心軸側の円弧の半径よりも大きい半径の円弧として形成されていることを特徴とするかご形回転子。
請求項１または請求項２に記載のかご形回転子であって、
前記軸方向と直交する面内における前記導体バーの断面形状は、前記回転子の外周側から中心側に向かって徐々に厚さが薄くなる形状であり、
前記空隙の曲線部は、前記導体バーの中心軸側の端部の円弧と対峙して設けられていることを特徴とするかご形回転子。
請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のかご形回転子と、
前記かご形回転子の外周側に隙間をあけて設けられた固定子とを備えたことを特徴とする回転電機。