JP2013223391A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機のエンドリングは径方向の幅が小さいのでエンドリングの表面を流れる電流の電流密度が大きくなってエンドリングの発熱量が大きくなり、このためエンドリングの熱膨張が大きくなって回転子バーに過大の応力を作用させていた。エンドリングの熱膨張を抑制して回転子バーとエンドリングにかかる応力を低減した回転電機を提供すること。
【解決手段】回転子鉄心２２とエンドリング２４の間に空隙を形成し、エンドリング２４の内周部が回転子鉄心２２の内径よりも小さくされてシャフトアーム２６を越えてシャフト２５側に延びている構成とした。これによって、エンドリング２４の始動電流による発熱を抑制して回転子バー２３に作用する応力を低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動機や発電機等の回転電機に係り、特に回転電機に用いられている回転子バー及びエンドリングの間に生じる応力を低減できる構造を備えた回転電機に関するものである。

電動機や発電機等の回転電機は多くの産業分野で使用されているが、社会的な傾向として省エネルギー、省資源の要請に応えた回転電機を提供することが求められている。このために、省エネルギー、省資源の要請に応えるための多くの改良技術が提案されているが、省エネルギー、省資源技術の一つとして回転電機の小型化、或いは軽量化に関する技術も大きな技術的な主題である。

そして、この回転電機の小型化や軽量化に関して回転子バーとエンドリングの間に生じる応力に耐えるため全体的に回転電機の剛性を強くしなければならず、結果として回転電機が大型化する、重量が重くなるといった課題があった。更に、応力が大きくなると回転子バーに過大の曲げの力が作用して回転子バーを破損させる恐れも生じてくることも想定されている。

このような回転子バーとエンドリングの間の応力はいくつかの原因によって生じており、具体的には電磁力、遠心力、熱膨張力が主な原因であるが、その中で熱膨張力が最も影響が大きいことがわかってきた。

この熱膨張力による応力を低減するために、例えば、特開２０１０−２６３７５８号公報(特許文献１)や特開昭５５−１５３２５５号公報（許文献２）には、エンドリングの内周面に放熱器を設けて冷却性能を向上させ、これによって熱膨張の影響を緩和することが提案されている。

また、特開平０９−６５６２７号公報（特許文献３）には、片側の回転子鉄心抑えと、回転子鉄心を介して対となるもう一方の回転子鉄心抑えの形状を非対称にすることで、回転子端部を冷却することで熱膨張の影響を軽減することが提案されている。更に、特開平０９−８４３１１号公報（特許文献４）には、回転子バーにかかる曲げ応力を緩和するために、回転子鉄心内部の回転子バーを切り欠き、熱膨張による曲げ応力を緩和することが提案されている。

特開２０１０−２６３７５８号公報 特開昭５５−１５３２５５号公報 特開平０９−６５６２７号公報 特開平０９−８４３１１号公報

ところで、最近では更なる応力の低減によって回転電機の小型化、或いは軽量化を図ることが必要となってきており、このため発明者等が回転子バーにかかる応力の発生原因を調査したところ、回転子バー間の電気的な通路であるエンドリングに流れる始動電流によってエンドリングに熱膨張が発生して回転子バーに大きな応力がかかるということを見出した。

回転電機の定格時においては、エンドリングの電気抵抗を小さくするため、一般的にエンドリングを軸方向に厚く構成し、電気的な通路面積を大きくしている。しかしながら、回転電機の始動時においては、回転子バー間にはエンドリングを介して交流電流が流れるため、交流電流はその性質からエンドリングの表面を流れるような挙動（表皮効果）を行う。このため、エンドリングの厚みを厚くして抵抗を小さくしようとしても始動時においては表皮効果の影響で抵抗低減効果が少なく、結果として、エンドリングの径方向の幅が小さいのでエンドリングの表面を流れる電流の電流密度が大きくなってエンドリングの発熱量が大きくなり、このためエンドリングの熱膨張が大きくなる。すなわち、エンドリングの表面に発生する銅損と呼ばれる電気的な損失によって多量の熱が発生してエンドリングを熱膨張させていたものである。

本発明の目的は、始動電流によるエンドリングの熱膨張を抑制して回転子バーとエンドリングにかかる応力を低減した回転電機を提供することである。

本発明の特徴は、回転子鉄心とエンドリングの間に空隙を形成し、エンドリングの内周部が回転子鉄心の内径よりも小さくされてシャフトアームを越えてシャフト側に延びている、ところにある。

本発明によれば、始動時において始動電流によるエンドリングに発生する銅損を低減してエンドリングの熱膨張による回転子バーにかかる応力を低減できるものである。

本発明の一実施例（第１の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 図１に示す回転子バーとエンドリングの部分拡大図である。 図１のＡ-Ａ断面を示す断面図である。 エンドリングの幅と表皮効果及び回転子端部の重量の関係を示すグラフである。 本発明の他の実施例（第２の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 図５のＡ-Ａ断面を示す断面図である。 本発明の他の実施例（第３の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 図７に示す回転子バーとエンドリングの部分拡大図である。 本発明の他の実施例（第４の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 本発明の他の実施例（第５の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 図１０に示す実施例の第１の変形例になる回転電機の一部縦断面図である。 図１０に示す実施例の第２の変形例になる回転電機の一部縦断面図である。 本発明の他の実施例（第６の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 本発明の他の実施例（第７の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。 本発明の他の実施例（第８の実施形態）になる回転電機の一部縦断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に従い詳細に説明するが、本発明においては複数の実施例を提案している。したがって参照番号が同一のものは同一の構成要件或いは類似の機能を備えた構成要件を示している。

図１は本発明の第１の実施形態における回転電機の部分断面を示したものである。図１において、固定子１０は周方向に所定の間隔を持って配設され、かつ軸方向に連続的に形成された複数の固定子スロット１１を内周部に設けた固定子鉄心１２と、複数の固定子スロット１１に巻装された固定子巻線１３を備えている。

固定子１０と空隙を介して同心軸上の内周側に位置する回転子２０は周方向に所定の間隔を持って配設され、軸方向に連続的に形成された複数の回転子スロット２１を外周部に設け、かつ電磁鋼板等の薄鋼板を軸方向に沿って複数枚積層された回転子鉄心２２を有している。

更に回転子２０は軸方向に延びる複数の回転子スロット２１に挿入された銅等の導体から成る回転子バー２３と、軸方向に対して回転子鉄心２２の両端側に設置され、かつ外周端部と回転子バー２３の端部がロウ付け等されることにより、複数の回転子バー２３を電気的に接続する円環状の導体である銅からなるエンドリング２４と、軸方向を長手方向とした回転子鉄心２２の内周側に配置されたシャフト２５と、回転子鉄心２２とシャフト２５との間に周方向に所定の間隔を持って配設されたシャフトアーム２６と、回転子鉄心２２の両端面に回転子鉄心抑え２７を備えている。シャフトアーム２６とシャフト２５及び回転子２２の間に形成される軸方向の空間には軸方向に空気が流れ、これによって軸流風が生じて内部を冷却するようになっている。

本実施例では回転子鉄心２２の端面とエンドリング２４は接触しておらず、両者の間に空気が流れる空隙Ｗを有し、かつエンドリング２４において、最も内径が小さくなる内周部位置でのエンドリング２４の内径Ｄｅｉが回転子鉄心２１の内径Ｄｃｉよりも小さくなっている。

つまり、エンドリング２４の内周部の径が小さく形成され、エンドリング２４の円環状の外表面の表面積が大きくなるように形成されるようになっている。

そして、シャフトアーム２６はエンドリング２４の内周部側と対向する側の部分が削られて小径部２６Ａとされており、シャフトアーム２６の大径部２６Ｂの両端は外径を小さくされた小径部２６Ａを備えた円柱構造としている。

したがってエンドリング２４の内周部はシャフトアーム２６の大径部２６Ｂを越えて小径部２６Ａに至ってシャフト２５の外周付近に近づいている。これによって本実施例ではエンドリング２４の円環状の外表面の表面積が大きくなるように形成されるようになっている。

以上において、特に大型の回転電機においては始動時に流れる始動電流の周波数が高いため、回転子バー２３間のエンドリング２４に流れる電流は表皮効果の影響によってエンドリング２４の軸方向外側の表面に集中するため、エンドリング２４の見かけ上の全体電気抵抗は大きくなる。

図２は図１に示したエンドリング２４と回転子バー２３を部分的に拡大して模式的に示したもので、回転子バー２３とエンドリング２４の表面を流れる電流３１はある所定の回転子バー２３の表面からエンドリング２４の表面を流れて他の所定の回転子バー２３に流れるようになる。

また、図３は エンドリング２４と回転子バー２３のＡ-Ａ断面を模式的に示したもので、エンドリング２４の外周縁に形成した収納溝２４Ａに回転子バー２３の一部が収納され、その他はエンドリング２４の外周縁から突出するようになっている
そして、図２にあるように始動電流はエンドリング２４の表面（所定の深さまで）を主に流れ、エンドリング２４の軸方向の幅ｂを大きくしてもエンドリング２４の銅損は実質的に低減しないようになる。

したがって、エンドリング２４の内周部の径が従来のように大きいと、回転子バー２３と接触するエンドリング２４の外周部とエンドリング２４の内周部の間の径方向の幅aが短くなって、ある所定の回転子バー２３から電流がエンドリング２４の表面を流れて他の所定の回転子バー２３に至る時のエンドリング２４の外表面積が小さいため、必然的にこの部分を通る電流密度が高くなって結果的に発熱量が増大するようになる。

そこで、本実施例においては、図１に示すようにシャフトアーム２６の両端に小径２６Ａを設け、この小径部２６Ａまでエンドリング２４の内周部を伸ばすことでエンドリング２４の径方向の幅ａを大きくすることができる。

このため、エンドリング２４の電流の流れる表面積を大きくできるので電気抵抗は小さくなり、エンドリング２４に発生する銅損と呼ばれる電気的な損失を低減する効果が得られるものである。もちろん、表皮効果はエンドリング２４の所定内部深さに至るまで及ぶので、実質的に電気抵抗は表面積と表皮効果の及ぶ内部深さにより決まるようになる。

これによって、エンドリング２４を流れる始動電流による発熱量が少なくなってエンドリング２４の径方向の熱膨張を抑制できるので、回転子バー２３にかかる応力を低減できるようになる。

また、仮にエンドリング２４の体積が一定になるように、エンドリング２４の軸方向の幅ｂを小さくし、エンドリング２４の径方向の幅ａを大きくした場合でも、エンドリング２４の軸方向外側の表面積は増加するため、エンドリング２４の電流密度を低減して銅損を低減することで発熱量を抑えて回転子バー２３にかかる応力を低減できるものである。

ここで、始動時のエンドリング２４に流れる電流の深さ（表皮効果による深さ）ｄは、エンドリング２４の電気抵抗率をρ，透磁率をμ，電源の周波数をｆとすると次式（１）で表せる。
ｄ＝（ρ／（π・μ・ｆ））^１/２……（１）
そして、エンドリング２４の軸方向の幅ｂに対して表皮効果の深さｄの関係をｂ＜ｄとすると、エンドリング２４の軸方向の幅ｂがエンドリング２４の表皮効果が及ぶ深さｄさより小さくなってしまい、この分だけ電流密度の増加を招くようになる。このため、エンドリング２４の銅損が増加して発熱量が増えて回転子バー２３の応力が増加してしまうため、エンドリング２４の軸方向の幅bは少なくともb＞dとすることが必要である。

また、図２に示すようにエンドリング２４に流れる電流３１はエンドリング２４の軸方向外側に集中するため、エンドリング２４で発生する損失の低減という観点で、エンドリング２４の径方向の幅aと軸方向の幅 bはa＜bの関係とするよりもa＞bの関係とするのが望ましく、これによってエンドリング２４の熱膨張を抑制して回転子バー２３にかかる応力を低減できるようになる。つまり、エンドリングの径方向の幅aとエンドリングの軸方向の幅ｂ、及び表皮効果の深さｄの関係はa＞b＞ｄの関係となっている。

以上のように、本実施例のようにエンドリング２４を構成することで始動時において、始動電流によるエンドリング２４に発生する銅損を低減してエンドリング２４の熱膨張による回転子バーにかかる応力を低減できるものである。

図４においては、本実施例と従来の回転電機におけるエンドリング２４によって回転子バー２３に作用する応力を同一とした時の本実施例による軽量化の度合いを示したものである。図４においては回転子端部重量が１００％を従来の回転電機の場合を示しており、エンドリング２４の軸方向の幅ｂと表皮効果の内部深さｂの比であるｂ/ｄが１.５乃至５.２程度の範囲で回転子端部重量が従来の回転電機に比べて軽量化が可能である。

更に、本実施例のようにエンドリング２４を構成することで以下に述べるような副次的な作用、効果を奏することができるようになる。

第１に、図２にあるように回転子鉄心２２とエンドリング２４の両者間の空隙Ｗを設けてことで、回転子バー２３の曲げ応力の支点と力点の距離を離すことができて回転子バー２３の撓みを大きくとれる。尚、この空隙Ｗは回転電機の設計仕様によって適宜選択されるものである。このため、始動時及び定常時においてもエンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる曲げ応力を緩和できる。このように、回転子バー２３の曲げ応力に余裕ができれば、その分をエンドリング２４の軽量化に割り当てることもできる。

第２に、エンドリング２４の径方向の幅aを大きくするとエンドリング２４の外周部の径は変わらず内周部の径が小さくなるため、始動時及び定常時においても回転子２０の回転中にエンドリング２４にかかる遠心力による内周応力を低減する効果も得られる。

第３に、定常時においてはエンドリング２４の内周側にも電流路ができるため、エンドリング２４の径方向の幅aを大きくするとエンドリング２４を介して回転子バー２３間を流れる電流は直線に近い形でより短い経路で流れる。このため、エンドリング２４の電気抵抗をさらに小さくできるのでエンドリング２４の損失が小さくなって効率を向上させる効果が得られる。このような構造にすることで、エンドリングの内周応力や効率に余裕ができれば、その分をエンドリング２４の軽量化に割り当てることもできる。

更に、図１の矢印４１は風の流れを示しており、エンドリング内径Ｄｅｉを回転子鉄心２１の内径Ｄｃｉよりも小さくしているため、エンドリング内径ＤｅｉをＤｅｉ＜Ｄｃｉが成り立つ範囲で適宜変化させることで、エンドリング２４の内周側を軸方向に抜ける風と、エンドリング２４と回転子鉄心２２との間の空隙Ｗを外周側に抜ける風の風量バランスを調整することが可能となり冷却性能の向上に寄与することができる。

また、エンドリング内径Ｄｅｉを一定とし、回転子鉄心２２の内径Ｄｃｉを大きくすることでＤｃｉ＞Ｄｅｉとすれば回転子鉄心２２を軽量化することもできる。回転子２０の重量を低減することで、回転電機の起動時間の短縮に寄与することができる。このような理由から、本実施例になる回転電機においては小形化及び軽量化を図ると共に、稼働効率が高く、高信頼性を持つ回転電機を提供できるようになる。

図５は第２の実施形態における回転電機の部分断面図であり、回転子バー２３の外径Ｄｂｏとエンドリング２４の外径Ｄｅｏの両者を等しくしている点で実施例１と異なっている。実施例１では図３にあるように回転子バー２３の一部はエンドリング２４の収納溝２４Ａに収納され、その他はエンドリング２４の外周縁から突出するようになっているのに対し、第２の実施の形態によれば図６にあるようにエンドリング２４の収納溝２４Ａに回転子バー２３の全体が収納されるようになって、エンドリング２４の外周と回転子バー２３の外周が同一面となっている。

このような構成とすることで、回転子バー２３とエンドリング２４の間で両者の接触面積を増加させることができ、エンドリング２４の外周側に発生する局所的な電流密度の増加を抑制できるためエンドリング２４全体の電気抵抗は小さくなる。すなわち、エンドリング２４で発生する銅損が小さくなり、この結果熱膨張も小さくなるため回転子バー２３にかかる応力を低減することができる。

図７は第３の実施形態における回転電機の部分断面図であり、回転子鉄心２２に覆われていない鉄心外部における回転子バー２３の先端の外周方向に向かう高さｈｂｏを回転子鉄心２２に覆われている回転子鉄心２２内部における回転子バー２３の高さｈｂｉより小さくしている点で実施例１と異なっている。

実施例１では、図１にあるように回転子バー２３の回転子鉄心２２から露出して先端部分まで軸方向に一様な高さを有しているのに対し、第３の実施の形態によれば図７にあるように回転子鉄心２２の端部からエンドリング２４の係合部に向けて傾斜を有した高さに形成されている。

この傾斜は直線的に高さが減少する形態、或いは段階的に高さが減少する形態、或いは曲線的に高さが減少する形態であって良く、設計仕様によって適切な形態が採用されるものである。図７に示す実施例では曲線的に高さが減少する例を示している。

尚、エンドリング２４の収納溝２４Ａに収納される部分においてはその高さは一様に構成されている。これは効率的に回転子バー２３の電流をエンドリング２４に流すためである。

図８に示すように、回転子鉄心２２外部の回転子バー２３に流れる始動電流３１は回転子バー２３の外周側に集中するが、回転子バー２３の形状が回転子鉄心２２の端部からエンドリング２４の係合部に向けて傾斜を有した高さに形成されているので、エンドリング２４との係合部において回転子バー２３の外周側を伝って流れる電流はエンドリング２４の外側表面２４Ｂと内側表面２４Ｃに流れるようになる。

このため、エンドリング２４における電流の偏りが緩和されることで電流密度が減少して銅損を低減する効果が得られ、エンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる応力を小さくすることができる。

また、エンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３に作用する応力はエンドリング２４の強制変位として考えることができるため、回転子バー２３の高さを小さくして曲げ剛性を小さくすることが望ましい。

本実施例では、回転子鉄心２２の外部における回転子バー２３の高さｈｂｏが、回転子鉄心２２の内部における回転子バー２３の高さｈｂｉより小さいため、回転子鉄心２２外部における回転子バー２３の曲げ剛性は小さくなり、その寸法比ｈｂｏ/ｈｂｉに応じた応力緩和効果が得られる。すなわち、回転子バー２３にかかる応力は図１に示す実施例に比べて低減できるので信頼性の高い回転電機を提供できるようになる。

図９は第４の実施形態における回転電機の部分断面図であり、シャフトアーム２６の軸方向外側でエンドリング２４に対向する対向部分を省略して図１に示してある小径部２６Ａを取り払った構成とすることで、シャフトアーム２６の軸方向長さＺｓとエンドリング２４の軸方向間隔ＺｅをＺｓ＜Ｚｅとしている点で実施例１と異なっている。つまり、左右のエンドリング２４の間にシャフトアーム２６が内包される形となっている。

このような構成とすることで、シャフトアーム２６の加工を必要としなくなり、製造工数の削減に繋がるので、回転電機の製造を簡素化することができる。また、エンドリング２４の体積を大きくすることができるため、エンドリング２４の電流密度及び銅損を低減してエンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる応力を緩和できるようになる

図１０、図１１、図１２は第５の実施形態、及びその変形例における回転電機の部分断面図であり、エンドリング２４の外周部側での軸方向の幅ｗｂｏと内周部側での軸方向の幅ｗｂｉがｗｂｏ＞ｗｂｉの関係になっている点で実施例１と異なっている。

そして、図１０においてはエンドリング２４の外周側での軸方向の幅ｗｂｏと内周側での軸方向の幅ｗｂｉがｗｂｏ＞ｗｂｉの関係になっていると共に、エンドリング２４の内側でエンドリング２４の幅を直線的に内周側に向かって短くなるように変化させている。

つまり、エンドリング２４の軸方向でみて外側面２４Ｂはシャフト２５に直交する方向に延びており、エンドリング２４の軸方向で見て内側面２４Ｃ、すなわち回転子鉄心２２に対向する側面はシャフト２５に傾斜を有して交わる方向に延びている。更に、この内側面はエンドリング２４の外周部に向かうにつれて軸方向の幅が大きくなるように傾斜している。

尚、シャフトアーム２６の外側端面においてはエンドリング２４の形状変化に合わせた形状に加工が施されている。

始動時にエンドリング２４に流れる電流は、エンドリング２４の外周側に集中するため、エンドリング２４の外周側ほど電流密度が高く、エンドリング２４の内周側ほど電流密度が低くなる。

そこで、図１０にある構成とすることで、エンドリング２４の外周側では断面積は大きく、内周側では断面積は小さくなるため、エンドリング２４の外周側と内周側で生じている電流密度の差を平滑化できる。

つまり、エンドリング２４全体の電気抵抗をより小さくすることができるので銅損を低減してエンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる応力を低減する効果が得られる。また、エンドリング２４の内周側での幅ｗｂｉを小さくできるため、シャフトアーム２６の加工量を少なくでき、加工の簡易性を向上させることができる。

図１１は図１０に示す実施形態の第１の変形例であって、図１０に示す実施例がエンドリング２４の内側でエンドリング２４の幅を直線的に内周部側に向かって短くなるように変化させているのに対して、この実施例は曲線的に変化させるようにした点で異なっている。

図１１においては、エンドリング２４の外周側での軸方向の幅ｗｂｏと内周側２４Ｃでの軸方向の幅ｗｂｉがｗｂｏ＞ｗｂｉの関係になっていると共に、エンドリング２４の内側でエンドリング２４の幅を内周部側に向かって曲線的に短くなるように変化させている。

つまり、エンドリング２４の軸方向でみて外側面はシャフト２５に直交する方向に延びており、エンドリング２４の軸方向で見て内側面２４Ｃ、すなわち回転子鉄心２２に対向する側面はシャフト２５に傾斜を有して交わる方向に延びている。更に、この内側面はエンドリング２４の外周部に向かうにつれて軸方向の幅が急激に大きくなるように曲線的に傾斜している。この曲線はエンドリング２４の外側面２４Ｂに向かって凹む形状を有している。

このため内周側の幅ｗｂｉから外周側の幅ｗｂｏ向かうエンドリング２４の幅の変化が図１０に実施例示すものより急峻となり、エンドリング２４の外周側と内周側で生じている電流密度の差をより平滑化することができる。

尚、シャフトアーム２６の外側端面においてはエンドリング２４の形状変化に合わせた形状に加工が施されている。

このように、エンドリング２４全体の電気抵抗をより小さくすることができるので銅損を低減してエンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる応力を低減する効果が得られる。また、エンドリング２４の内周側での幅ｗｂｉを小さくできるため、シャフトアーム２６の加工量を少なくでき、加工の簡易性を向上させることができる。

図１２は図１０に示す実施形態の第２の変形例であって、図１０に示す実施例がエンドリング２４の内側面２４Ｃでエンドリング２４の幅を直線的に内側に向かって短くなるように変化させているのに対して、この実施例はステップ的（段階的）に変化させるようにした点で異なっている。

図１２においては、エンドリング２４の外周側での軸方向の幅ｗｂｏと内周側での軸方向の幅ｗｂｉがｗｂｏ＞ｗｂｉの関係になっていると共に、エンドリング２４の内側でエンドリング２４の軸方向幅を内周側に向かって所定距離Ｌを置いてステップ的（段階的）に短くなるように変化させている。

つまり、エンドリング２４の軸方向でみて外側面２４Ｂはシャフト２５に直交する方向に延びており、エンドリング２４の軸方向で見て内側面２４Ｃ、すなわち回転子鉄心２２に対向する側面はシャフト２５に対して直交する方向に延びている。更に、この内側面２４Ｃはシャフト２５に向かって所定距離Ｌだけ内周側地点においてステップ的（段階的）に幅が急激に短くされている。

このため内周側の幅ｗｂｉから外周側の幅ｗｂｏ向かうエンドリング２４の幅の変化が図１０に実施例示すものより急峻となり、エンドリング２４の外周側と内周側で生じている電流密度の差をより平滑化することができる。

尚、シャフトアーム２６の外側端面においてはエンドリング２４の形状変化に合わせた形状に加工が施されている。

このように、エンドリング２４全体の電気抵抗をより小さくすることができるので銅損を低減してエンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる応力を低減する効果が得られる。また、エンドリング２４の内周側での幅ｗｂｉを小さくできるため、シャフトアーム２６の加工量を少なくでき、加工の簡易性を向上させることができる。

図１３は第６の実施形態における回転電機の部分断面図であり、エンドリング２４が比較的厚さの薄い単位エンドリング２４Ｄを複数枚だけ絶縁体２８を介して積層された構成とされている点で実施例１と異なっている。

そして、このような構成とすることで、複数の単位エンドリング２４Ｂ間では夫々が絶縁されているため、単位エンドリング２４Ｄはそれ自身で独立した導体として機能する。そして、夫々の単位エンドリング２４Ｄの表面に電流が流れることで単位エンドリング２４Ｄの集合が見かけ上エンドリング２４となって内部まで始動電流が流れた状態となってエンドリング２４の電流密度及び銅損を低減できる。

このように、エンドリング２４全体の電気抵抗をより小さくすることができるので銅損を低減してエンドリング２４の熱膨張による回転子バー２３にかかる応力を低減する効果が得られる。

図１４は第７の実施形態における回転電機の部分断面図であり、エンドリング２４の外側面２４Ｂに内周部と同心の円環状の凹凸部２４Ｅを形成している点で実施例１と異なっている。

そして、このような構成とすることで、エンドリング２４の外側の表面積を大きくでき、これによってエンドリング２４の円環状の凹凸部２４Ｅに流れる電流の流れる面積をより大きくすることができ、電流密度の低減及び銅損の低減効果が得られる。更に、エンドリング２４の表面積が増加することで、放熱効果も向上するため、エンドリング２４の熱膨張を抑制することから、回転子バー２３にかかる応力を低減する効果が得られるため、強度信頼性の高い回転電機を提供できる。

本実施例は今まで述べてきた実施例とは異なり、エンドリング２４による送風機能を向上させ、結果としてエンドリング２４の熱膨張を抑制する構成を提案している。もちろん実施例１乃至実施例７に示す実施例を本実施例８の一方側のエンドリングに適用することは可能である。

図１５において、回転子鉄心２２の端面とエンドリング２４は接触しておらず、両者の間に空気が流れる空隙Ｗを有し、一方のエンドリング２４１においては回転子２３の一端側に係合し、最も内径が小さくなる位置でのエンドリング２４の内径Ｄｅｉ１が回転子鉄心２１の内径Ｄｃｉよりも小さくなっている。つまり、エンドリング２４の内径が小さく形成され、エンドリング２４の円環状の外表面の表面積が大きく形成されるようになっている。

そして、シャフトアーム２６はエンドリング２４１の内側面２４１Ｃと対向する側の部分でその端が終了されている。したがってエンドリング２４１の内周部側はシャフトアーム２６を越えてシャフト２５の外周付近まで伸びている。これによって本実施例ではエンドリング２４の円環状の外表面の表面積が大きく形成されるようになっている。

一方、エンドリング２４２はエンドリング２４１に対して回転子鉄心２２を境にして他方の回転子バー２３に係合されており、最も内径が小さくなる位置でのエンドリング２４２の内径Ｄｅｉ２が回転子鉄心２１の内径Ｄｃｉよりも大きくなっている。つまり、エンドリング２４２の内周部側はシャフトアーム２６に対向するようにシャフトアーム２６の外周付近まで伸びている。尚、エンドリング２４２の軸方向の幅はエンドリング２４１の軸方向の幅より大きくされているが、それぞれの断面積は実質的にほぼ同じ値になるように寸法が決められている。

したがって、エンドリング２４１の内径Ｄｅｉ１と、回転子鉄心２２を介して対となるもう一方のエンドリング２４２の内径 Ｄｅｉ２と、回転子鉄心２２の内径Ｄｃｉの関係はＤｅｉ１＜Ｄｃｉで、かつ、Ｄｃｉ＜Ｄｅｉ２となっている。

そして、軸流冷却方式の回転電機では、通常、軸流風を遮断させるためにシャフトアーム２６の軸方向片側に遮蔽板を設けるが、図１５にあるような構成とすることで、内径Ｄｅｉ１を有するエンドリング２４１が遮蔽板の代わりに軸流風を遮蔽し、内径Ｄｅｉ２を有するエンドリング２４２は通風が可能となっている。したがって、エンドリング２４１によって従来の遮蔽板は不要となり、重量、製造工数の削減に繋がるようになる。

また、エンドリング２４１の内周部とシャフト２５との隙間はエンドリング２４２の内周部とシャフトアーム２６との隙間より小さくなっている。そして、空気はエンドリング２４２の内周部とシャフトアーム２６との隙間及び夫々のシャフトアーム２６により形成される隙間を通って内部に流れてくる。

したがって、空気の流れの一つはエンドリング２４２側のシャフトアーム２６から回転子２３の内部を通って回転子２３、固定子１２の間、及び固定子１２の内部を流れることで回転子２３、固定子１２を冷却する。

また、もう一つの空気の流れはシャフトアーム２６を軸方向に進みエンドリング２４１に遮蔽されて径方向に方向転換を行って空隙Ｗを通って固定子巻線１３を冷却する。このように、軸流風をエンドリング２４１に直角に当てることができるためコイル１３を効果的に冷却することが可能となる。

そして、空隙Ｗ＞０とすることで、エンドリング２４１と回転子鉄心抑え２７の間に通風路が確保され、エンドリング２４１と通風の接触面積が増加して効果的に冷却することが可能である。更に、固定子巻線１３にも冷却用の風が当たるため固定子巻線１３も効果的に冷却することが可能となる。

固定子巻線１３とエンドリング２４１の冷却性能が向上することで、温度上昇による電気抵抗の増加を抑制し、銅損を低減することで効率の向上も期待できる。すなわち、高効率、小形軽量、高信頼性を持つ回転電機を提供できる。

また、Ｄｅｉ１＜Ｄｅｉ２としているので、エンドリング２４２の内径Ｄｅｉ２側から空気を導入し、回転子鉄心２２内に備えられた周方向ダクトを抜ける風量も増加するため、温度上昇の高い回転子鉄心２２の冷却性能の向上に寄与するようになる。

もちろんこの実施例においても、エンドリング２４１がシャフトアーム２６を越えてシャフト２５の外周付近まで伸びているので、このエンドリング２４１においては実施例１と同様の作用、効果を奏することができるものである。

以上で説明した回転電機は、回転電機でコンプレッサを駆動するポンプシステム、回転電機で掘削用のドリル等を駆動する掘削システム、回転電機で切粉用のミル等を駆動する切粉システム、回転電機でファンを駆動するファンシステム、タービンの動力を電力に変換する回転電機で構成される発電機システム等に使用できる。

また、以上で説明したエンドリング２４は、薄い円板状としているため回転子の慣性は小さく、システムの起動時間の短縮に寄与する。

また、回転電機の駆動中に、回転電機に接続される負荷が瞬間的に大きく変動した場合に、エンドリング２４と鉄心外部の回転子バー２３の慣性力によって、回転子バー２３が捩れるように大きな周方向応力が発生する。

本実施例ではエンドリング２４の内径を小さくしていることで、エンドリング２４の慣性モーメントが小さくなり、周方向応力の低減ができ、システムの強度信頼性の向上に寄与する。そして、定常時においてもエンドリング２４で発生する損失を低減できるため、システムの高効率化も可能となるものである。

尚、本発明になる回転電機は、誘導電動機、誘導発電機、自己始動型永久磁石回転機及び、回転子にダンパバーを備えた回転電機等に適用が可能である。

１０…固定子、１１…固定子スロット、１２…固定子鉄心、１３…固定子巻線、２０…回転子、２１…回転子スロット、２２…回転子鉄心、２３…回転子バー、２４…エンドリング、２５…シャフト、２６…シャフトアーム、２７…回転子鉄心抑え、２８…絶縁体、３１…電流、４１…風の流れ、２４１…エンドリング、２４２…エンドリング。

Claims (13)

1. 固定子鉄心に巻装された固定子巻線よりなる中空状の固定子と、この固定子の中空部に配置され、周方向に所定の間隔で軸方向に連続的に形成された複数の収納溝を外周部に設けた回転子鉄心と、前記複数の収納溝に挿入された回転子バーと、前記回転子鉄心の内部に周方向に所定の間隔を有して軸方向に延びるシャフトアームと、前記シャフトアームを支持して前記回転子を回転自在に支持するシャフトと、前記複数の回転子バー間を電気的に接続するエンドリングと、を備えた回転子を持つ回転電機において、
   前記回転子鉄心と前記エンドリングの間に空隙を形成し、かつ前記エンドリングの内周部が前記回転子鉄心の内径よりも小さくされて前記シャフトアームを越えて前記シャフト側に延びていることを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載回転電機において、
   前記エンドリングの軸方向の幅bと、前記エンドリングの径方向の幅aと、以下の式により決まる始動時にエンドリングに流れる電流の表皮深さdの関係が、a＞b＞dとなることを特徴とする回転電機。
   ｄ＝（ρ／（π・μ・ｆ））^１/２
   ここで、ρは電気抵抗率、μは透磁率、ｆは電源の周波数
3. 請求項１乃至請求項２のいずれかに記載の回転電機において、
   前記回転子バーは前記エンドリングの外周より外側に突出しているか、或いはエンドリングの外周と同一面にあるように決められていることを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の回転電機において、
   前記回転子バーは前記回転子鉄心から前記エンドリングに向かって径方向の幅が減少することを特徴とする回転電機。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の回転電機において、
   前記シャフトアームは前記回転子の両端に配置されたエンドリングの間に配置されていることを特徴とする回転電機。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の回転電機において、
   前記エンドリングの外周部の軸方向の幅に対して内周部の軸方向の幅が小さくされていることを特徴とする回転電機。
7. 請求項６記載の回転電機において、
   前記エンドリングの外周部の軸方向の幅に対して内周部の軸方向の幅が小さくされ、その間の幅が直線状に減少されていることを特徴とする回転電機。
8. 請求項７記載の回転電機において、
   前記エンドリングの外周部の軸方向の幅に対して内周部の軸方向の幅が小さくされ、その間の幅が曲線状に減少されていることを特徴とする回転電機。
9. 請求項７記載の回転電機において、
   前記エンドリングの外周部の軸方向の幅に対して内周部の軸方向の幅が小さくされ、その間の幅がステップ的（段階的）に減少されていることを特徴とする回転電機。
10. 請求項１記載の回転電機において、
    前記エンドリングが複数の単位エンドリングより構成され、前記単位エンドリングの間に絶縁体が配置されていることを特徴とする回転電機。
11. 請求項１記載の回転電機において、
    前記エンドリングの回転子鉄心と対向する面とは反対側の外表面に前記エンドリングの内周部と同心の環状の凹凸面を形成したことを特徴とする回転電機。
12. 固定子鉄心に巻装された固定子巻線よりなる中空状の固定子と、この固定子の中空部に配置され、周方向に所定の間隔で軸方向に連続的に形成された複数の収納溝を外周部に設けた回転子鉄心と、前記複数の収納溝に挿入された回転子バーと、前記回転子鉄心の内部に周方向に所定の間隔を有して軸方向に延びるシャフトアームと、前記シャフトアームを支持して前記回転子を回転自在に支持するシャフトと、前記複数の回転子バー間を電気的に接続するエンドリングと、を備えた回転子を持つ回転電機において、
    前記回転子鉄心の両側に配置された一方のエンドリングの内周部の径が他方のエンドリングの内周部の径よりも大きく形成され、前記一方のエンドリングの内周部を通って空気が前記シャフトアームとシャフトと前記回転子鉄心の内周で形成される空間を流れて前記他方のエンドリングまで流れ、前記他方のエンドリングで方向転換されて前記固定子巻線に流れることを特徴とする回転電機。
13. 固定子鉄心に巻装された固定子巻線よりなる中空状の固定子と、この固定子の中空部に配置され、周方向に所定の間隔で軸方向に連続的に形成された複数の収納溝を外周部に設けた回転子鉄心と、前記複数の収納溝に挿入された回転子バーと、前記回転子鉄心の内部に周方向に所定の間隔を有して軸方向に延びるシャフトアームと、前記シャフトアームを支持して前記回転子を回転自在に支持するシャフトと、前記複数の回転子バー間を電気的に接続するエンドリングと、を備えた回転子を持つ回転電機において、
    前記回転子鉄心の両側に配置された一方のエンドリングの内周部が前記回転子鉄心の内径よりも小さくされて前記シャフトアームを越えて前記シャフト側に延び、他方のエンドリングの内周部が前記回転子鉄心の内径よりも大きくされて前記シャフトアームの外周に延びていることを特徴とする回転電機。

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