JP2018068090A - 同期リラクタンス型回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】空洞部内の一部に導体を確実に配置でき、駆動効率を向上させることができる同期リラクタンス型回転電機を提供することである。
【解決手段】実施形態の同期リラクタンス型回転電機は、シャフトと、回転子鉄心と、回転子鉄心押さえと、複数の導体バーと、短絡環と、を持つ。シャフトは、回転軸線回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに固定され、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が複数層形成されている。回転子鉄心押さえは、回転子鉄心を回転軸線方向両側から押さえて保持する。複数の導体バーは、空洞部に配置され、回転軸線に沿って延び両端が回転子鉄心押さえを介して突出している。短絡環は、複数の導体バーの両端に設けられ、複数の導体バーを連結する。そして、回転子鉄心押さえに、導体バーが固定されている。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、同期リラクタンス型回転電機に関する。

同期リラクタンス型回転電機は、回転子と、固定子と、を備えている。回転子は、回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるシャフトと、シャフトに外嵌固定される回転子鉄心と、を備えている。固定子は、回転子鉄心の外周に回転子鉄心と間隔をあけて配置され、互いに周方向に間隔をあけて配列された複数のティースを有する固定子鉄心と、複数のティースにそれぞれ巻回された複数極の多相の電機子巻線と、を備えている。

回転子鉄心には、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が複数層形成されている。このように空洞部を形成することにより、回転子鉄心に、磁束の流れ易い方向と磁束の流れにくい方向とが形成される。そして、同期リラクタンス型回転電機は、空洞部によって発生するリラクタンストルクを利用し、シャフトを回転させる。

ところで、同期リラクタンス型回転電機の始動時には、固定子鉄心と回転子鉄心との相対位置を検出し、この相対位置に基づいて所定の電機子巻線に給電を行う必要がある。このため、同期リラクタンス型回転電機を始動するためにインバータが必要になり、これが同期リラクタンス型回転電機のコストを増大させる可能性があった。
そこで、インバータを用いずに同期リラクタンス型回転電機を始動できるように、空洞部に非磁性の導体を設け、誘導トルクを発生させるいわゆる自己始動型の同期リラクタンス型回転電機が提案されている。

ここで、空洞部は、回転子鉄心の外周部での漏れ磁束を低減するために、可能な限り回転子鉄心の外周面に近づけて形成されている。また、空洞部に導体を固定させるために、溶融された導体を空洞部内に鋳込む場合があった。空洞部内に導体を鋳込むことにより、空洞部全体が導体で満たされることになる。このような場合、固定子のティースのピッチに応じて脈動する磁束が導体と鎖交するため、回転子の回転に寄与しない高調波電流が導体に流れてしまう。この高調波電流は、ジュール熱に変換され、この分、同期リラクタンス型回転電機の効率を下げる可能性があった。

特開２００３−９４８４号公報

本発明が解決しようとする課題は、空洞部内の一部に導体を確実に配置でき、駆動効率を向上させることができる同期リラクタンス型回転電機を提供することである。

実施形態の同期リラクタンス型回転電機は、シャフトと、回転子鉄心と、回転子鉄心押さえと、複数の導体バーと、短絡環と、を持つ。シャフトは、回転軸線回りに回転する。回転子鉄心は、シャフトに固定され、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が複数層形成されている。回転子鉄心押さえは、回転子鉄心を回転軸線方向両側から押さえて保持する。複数の導体バーは、空洞部に配置され、回転軸線に沿って延び両端が回転子鉄心押さえを介して突出している。短絡環は、複数の導体バーの両端に設けられ、複数の導体バーを連結する。そして、回転子鉄心押さえに、導体バーが固定されている。

第１の実施形態の同期リラクタンス型回転電機の一部の構成を示す断面図。 第１の実施形態の回転子を示す側面図。 第１の実施形態における第１の変形例の回転子を示す側面図。 第１の実施形態における第２の変形例の回転子を示す側面図。 第１の実施形態における第３の変形例の回転子を示す側面図。 第１の実施形態における第４の変形例の導体バーの概略構成図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ異なる変形例を示す。 第１の実施形態における第５の変形例の導体バーを示す一部拡大側面図。 図７のＡ−Ａ線に沿う断面図。 第１の実施形態における第６の変形例の回転子鉄心の一部の構成を示す断面図。 第１の実施形態における第７の変形例の回転子鉄心の一部の構成を示す断面図。 第２の実施形態の回転子鉄心の一部の構成を示す断面図。 第２の実施形態の回転子鉄心と導体の分解斜視図。 第３の実施形態の回転子鉄心の一部の構成を示す断面図。 第３の実施形態の回転子を示す側面図。

以下、実施形態の同期リラクタンス型回転電機を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、回転電機１の一部の構成を示すシャフト１４（中心軸Ｏ）に直交する断面図である。なお、図１では、回転電機１の１／４セクター、すなわち、１／４周の周角度領域分のみを示している。
同図に示すように、回転電機１は、略円筒状の固定子３と、固定子３よりも径方向内側に設けられ、固定子３に対して回転自在に設けられた回転子４と、を備えている。なお、固定子３および回転子４は、それぞれの中心軸線が共通軸上に位置した状態で配置されている。以下、共通軸を中心軸（回転軸線）Ｏと称し、中心軸Ｏに直交する方向を径方向と称し、中心軸Ｏ回りに周回する方向を周方向と称する。

固定子３は、略円筒状の固定子鉄心１０を有している。固定子鉄心１０は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心１０の内周面には、中心軸Ｏに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数のティース１１が一体成形されている。ティース１１は、断面略矩形状に形成されている。そして、隣接する各ティース１１間には、それぞれスロット１２が形成されている。これらスロット１２を介し、各ティース１１に電機子巻線１３が巻回されている。

図２は、回転子４を示すシャフト１４の径方向からみた側面図である。
図１、図２に示すように、回転子４は、固定子鉄心１０よりも径方向内側に配置されている。回転子４は、中心軸Ｏに沿って延びるシャフト１４と、シャフト１４に外嵌固定された略円柱状の回転子鉄心１５と、を備えている。
回転子鉄心１５は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。回転子鉄心１５の外径は、径方向で対向する各ティース１１との間に、所定のエアギャップＧが形成されるように設定されている。また、回転子鉄心１５の径方向中央には、中心軸Ｏ方向に貫通する貫通孔１６が形成されている。この貫通孔１６に、シャフト１４が圧入等され、シャフト１４と回転子鉄心１５とが一体となって回転する。

さらに、回転子鉄心１５には、１／４周の周角度領域のそれぞれに、４層の空洞部（フラックスバリア）２１，２２，２３，２４（第１空洞部２１、第２空洞部２２、第３空洞部２３、第４空洞部２４）が径方向に並んで形成されている。すなわち、最もシャフト１４に近い位置（回転子鉄心１５の径方向最内側）に第１空洞部２１が形成され、この第１空洞部２１から、シャフト１４から離間する方向（径方向外側）に向かって順に第２空洞部２２、第３空洞部２３、第４空洞部２４が並んで形成されている。そして、第４空洞部２４が、シャフト１４から最も離間した位置（径方向最外側）に配置されている。

また、各空洞部２１〜２４は、電機子巻線１３に通電した際に形成される磁束の流れに沿うように形成されている。つまり、各空洞部２１〜２４は、周方向の中央が最も径方向内側に位置するように（径方向内側に向かって凸形状となるように）、湾曲形成されている。これにより、回転子鉄心１５には、磁束の流れ易い方向と磁束の流れにくい方向が形成される。なお、以下の説明では、中心軸Ｏ方向からみて各空洞部２１，２２，２３，２４の長手方向（図１において、ほぼ左右方向）を、単に空洞部２１，２２，２３，２４の長手方向と称して説明する場合がある。

ここで、本実施形態において、磁束の流れ易い方向をｑ軸と称する。また、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と称する。すなわち、各空洞部２１〜２４は、ｄ軸に沿った径方向において、多層構造となる。
より詳しくは、回転子鉄心１５においてｑ軸方向は、各空洞部２１〜２４によって磁束の流れが妨げられない方向をｑ軸と称する。すなわち、回転子鉄心１５の外周面１５ａの任意の周角度位置に正の磁位（例えば磁石のＮ極を近づける）、これに対して１極分（本実施形態の場合は機械角で９０度）ずれた他の任意の周角度位置に負の磁位（例えば磁石のＳ極を近づける）を与え、任意の位置を周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の中心軸Ｏから任意の位置に向かう方向をｑ軸と定義する。そして、各空洞部２１〜２４の長手方向がｑ軸である。

一方、各空洞部２１〜２４によって磁束の流れが妨げられる方向、すなわちｑ軸に対して磁気的に直交する方向をｄ軸と称する。本実施形態では、各空洞部２１〜２４によって、中心軸Ｏに近い領域と遠い領域に分離された２つの回転子鉄心部分が対向する方向に対して平行な方向がｄ軸である。また、本実施形態のように各空洞部２１〜２４が多層に形成されている場合（本実施形態では４層）、層の重なり方向がｄ軸である。本実施形態では、ｄ軸は、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交するのに限らず、直交する角度からある程度の角度幅（例えば機械角で１０度程度）をもって交わってよい。

このように、回転子鉄心１５は、４極に構成されており、１極当り（回転子鉄心１５の１／４周の周角度領域）に４層の空洞部２１〜２４が形成されていることになる。そして、１極とは、ｑ軸間の領域をいう。つまり、各空洞部２１〜２４は、ｄ軸上が最も径方向内側に位置するように、径方向内側に向かって湾曲形成されている。

また、各空洞部２１〜２４は、中心軸Ｏ方向からみて長手方向両端が回転子鉄心１５の外周部に位置するように湾曲形成されている。そして、各空洞部２１〜２４は、長手方向両端に近い箇所ほどｑ軸に沿うように、且つ長手方向中央に近い箇所ほどｄ軸と直交するように形成されている。
また、ｑ軸方向において、各空洞部２１〜２４の長手方向両端と回転子鉄心１５の外周面１５ａとの間には、それぞれブリッジ２６，２７，２８，２９（第１ブリッジ２６、第２ブリッジ２７、第３ブリッジ２８、第４ブリッジ２９）が形成されている。

ここで、各空洞部２１〜２４のうち、第３空洞部２３および第４空洞部２４には、それぞれ３つの導体バー４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が挿入されている。３つの導体バー４１は、対応する空洞部２３，２４内に長手方向に沿って等間隔で配置されている。より具体的には、各空洞部２３，２４のｄ軸上に、３つの導体バー４１のうちの１つ（導体バー４１ｂ）が配置されている。また、各空洞部２３，２４の長手方向両側に、それぞれ１つずつ導体バー４１（導体バー４１ａ，４１ｃ）が配置されている。各空洞部２３，２４の長手方向両側に配置された導体バー４１ａ，４１ｃは、対応するブリッジ２８，２９との間に所定間隔をあけて配置されている。

導体バー４１は、中心軸Ｏ方向に直交する断面形状が略矩形状で、且つ細長い板状の部材である。また、導体バー４１は、例えばアルミ合金や銅合金等の非磁性で且つ導電性を有する材料により形成されている。さらに、導体バー４１は、中心軸Ｏ方向両端が、それぞれ回転子鉄心１５の中心軸Ｏ方向両端から突出するように形成されている。これら導体バー４１の両端は、それぞれ短絡環４５によって短絡されている。

短絡環４５は、回転子鉄心１５から中心軸Ｏ方向両方に離間して配置された環状の部材である。短絡環４５の径方向中心も中心軸Ｏに一致している。短絡環４５は、導体バー４１と同様に、非磁性で且つ導電性を有する材料により形成されている。具体的には、短絡環４５の材料は、導体バー４１と同じ材料で例えばアルミ合金や銅合金により形成されることが好ましい。しかしながら、これに限られるものではない。

短絡環４５の回転子鉄心１５側の内面には、各導体バー４１に対応する位置に、これら導体バー４１が挿入可能な凹部４６が形成されている。これら凹部４６に各導体バー４１が圧入、または挿入され、さらに融着等により短絡環４５と各導体バー４１とが接続固定される。
なお、短絡環４５と各導体バー４１の固定方法は、上記の方法に限られるものではない。例えば、短絡環４５を鋳物構造とすることにより、この短絡環４５の成形時に短絡環４５と各導体バー４１とを固定するようにしてもよい。

また、回転子鉄心１５の中心軸Ｏ方向両端には、それぞれ鉄心押さえ４２が設けられている。鉄心押さえ４２は、非磁性材（例えば、硬質樹脂等）により略円板状に形成されたものであって、シャフト１４に対する回転子鉄心１５の中心軸Ｏ方向への移動を規制したり、電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心１５を一体化させたりする。
鉄心押さえ４２の径方向中央には、シャフト１４を圧入可能な貫通孔４２ａが形成されている。これにより、シャフト１４に鉄心押さえ４２が固定され、さらに、シャフト１４に対する回転子鉄心１５の中心軸Ｏ方向への移動が規制される。

また、鉄心押さえ４２には、導体バー４１に対応する位置に、導体挿通孔４２ｂが形成されている。この導体挿通孔４２ｂには、対応する導体バー４１が圧入されている。これにより、鉄心押さえ４２に導体バー４１が固定される。そして、導体挿通孔４２ｂを介し、鉄心押さえ４２の中心軸Ｏ方向両方（短絡環４５側）に導体バー４１が突出している。

このような構成のもと、回転電機１を駆動する場合、固定子３の電機子巻線１３に三相交流を供給する。すると、所定のティース１１に磁束が形成される。そして、磁束が形成されるティース１１が回転子４の回転方向（周方向）に沿って順次切り替えられる（形成される磁束が回転移動する）。
このとき、停止した状態の回転子４が固定子３側の磁束の回転移動に同期して回転するまでの非同期状態において、回転子鉄心１５に設けられた導体バー４１に誘導電流が生じる。つまり、各導体バー４１は、二次コイルとして機能し、固定子３との間で、回転子４を回転させるための始動トルクを発生する。

ここで、各空洞部２３，２４の長手方向両側に配置された導体バー４１（導体バー４１ａ，４１ｃ）は、それぞれ対応するブリッジ２８，２９との間に所定間隔をあけて配置されている。このため、固定子３と回転子４との間のエアギャップＧで生じるトルクリップルに起因した高調波磁束が各導体バー４１ａ，４１ｃと鎖交しにくく、高調波二次銅損が発生しにくい。

したがって、上述の第１の実施形態によれば、回転電機１を始動するにあたって、インバータを必要としないので、回転電機１の商品コストを低減できる。
また、上述の第１の実施形態では、回転子鉄心１５の中心軸Ｏ方向両端に設けられた鉄心押さえ４２に導体バー４１が固定されている。このため、回転子鉄心１５の各空洞部２１〜２４に非磁性で且つ導電性を有する導体を鋳込むことなく、空洞部２１〜２４の一部にのみ導体バー４１を確実に固定することができる。
この結果、導体バー４１を最小限に抑えることができるので、回転電機１の製造コストも低減できる。また、導体バー４１を最小限に抑えつつ効率よく回転子４を回転させるための始動トルクを得ることができ、回転電機１の駆動効率を向上させることができる。

さらに、鉄心押さえ４２に導体バー４１を固定するので、各空洞部２３，２４の長手方向両側に配置された導体バー４１（導体バー４１ａ，４１ｃ）を、それぞれ対応するブリッジ２８，２９との間に所定間隔をあけて配置することが可能になる。このため、回転子４の回転に寄与しない高調波磁束が導体バー４１と鎖交してしまうことを、できる限り抑制しつつ、高い始動トルクを得ることが可能になる。よって、回転電機１の駆動効率を確実に向上させることができる。

（第１の実施形態の変形例）
なお、上述の第１の実施形態では、鉄心押さえ４２に導体バー４１を固定するにあたり、鉄心押さえ４２に形成された導体挿通孔４２ｂに、導体バー４１を圧入する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、鉄心押さえ４２に導体バー４１を固定できれば、さまざまな構成を採用することが可能である。
例えば、圧入に代わって、鉄心押さえ４２の導体挿通孔４２ｂに、導体バー４１を焼嵌め固定してもよい。その他、例えば以下の変形例のような構成を採用することが可能である。

（第１の実施形態の第１の変形例）
図３は、第１の実施形態における第１の変形例の回転子４を示す側面図であって、前述の図２に対応している。なお、前述の第１の実施形態と同一態様には、同一符号を付して説明を省略する（以下の変形例、および実施形態についても同様）。
同図に示すように、鉄心押さえ４２の導体挿通孔４２ｂの開口面積は、導体バー４１の導体挿通孔４２ｂに対応する箇所における中心軸Ｏに直交する断面積（以下、単に断面積という）よりも若干大きく設定されている。そして、導体挿通孔４２ｂと導体バー４１との間に形成される隙間には、固定用杭５１が打ち込まれている。固定用杭５１は、いわゆる楔状に形成されている。固定用杭５１を打ち込むことにより、鉄心押さえ４２と導体バー４１とが固定される。

したがって、本第１の変形例によれば、導体挿通孔４２ｂや導体バー４１の加工寸法を高精度に設定する必要なく、確実に鉄心押さえ４２と導体バー４１とを固定できる。このため、鉄心押さえ４２や導体バー４１の加工コストを抑えることが可能になる。

（第１の実施形態の第２の変形例）
図４は、第１の実施形態における第２の変形例の回転子４を示す側面図であって、前述の図２に対応している。
同図に示すように、鉄心押さえ４２の外周面４２ｃには、導体挿通孔４２ｂの近傍に、複数のカシメ部（カシメ痕）７１が周方向に沿って形成されている。各カシメ部７１は、鉄心押さえ４２の外周面４２ｃをカシメることによって形成される。鉄心押さえ４２の外周面４２ｃにカシメ部７１を形成することにより、導体挿通孔４２ｂの径方向外側が僅かに押し潰された形になる。これにより、鉄心押さえ４２に導体バー４１がカシメ固定される。

したがって、本第２の変形例によれば、前述の第１の変形例と同様の効果に加え、固定用杭５１等の部品も必要なくなるので、鉄心押さえ４２や導体バー４１の加工コストをさらに抑えることが可能になる。

（第１の実施形態の第３の変形例）
図５は、第１の実施形態における第３の変形例の回転子４を示す側面図であって、前述の図２に対応している。
同図に示すように、鉄心押さえ４２の貫通孔４２ａは、シャフト１４の周囲を取り囲むように、且つシャフト１４の外周面との間に径方向で所定の間隔Ｋ１があくように円環状に形成されている。

そして、鉄心押さえ４２の貫通孔４２ａには、導体挿通孔４２ｂの近傍に、複数のカシメ部（カシメ痕）７２が周方向に沿って形成されている。各カシメ部７２は、鉄心押さえ４２の貫通孔４２ａをカシメることによって形成される。鉄心押さえ４２の貫通孔４２ａにカシメ部７２を形成することにより、導体挿通孔４２ｂの径方向内側が僅かに押し潰された形になる。これにより、鉄心押さえ４２に導体バー４１がカシメ固定される。

なお、本第３の変形例では、鉄心押さえ４２にシャフト１４が圧入されないので、シャフト１４に鉄心押さえ４２が固定されていない。しかしながら、回転子鉄心１５は中心軸Ｏ方向両側から鉄心押さえ４２に挟持された形になり、さらに、鉄心押さえ４２と導体バー４１とが固定されている。このため、電磁鋼板を複数枚積層して構成される回転子鉄心１５であっても、この回転子鉄心１５が分解してしまうことがない。また、本第３の変形例のような鉄心押さえ４２を用いる場合、シャフト１４に回転子鉄心１５を圧入等により固定すればよい。
したがって、本第３の変形例によれば、前述の第２の変形例と同様の効果を奏することができる。

なお、上述の第２の変形例では、鉄心押さえ４２の外周面４２ｃにカシメ部７１を形成し、上述の第３の変形例では、鉄心押さえ４２の貫通孔４２ａにカシメ部７２を形成した場合について説明した。しかしながら、鉄心押さえ４２に２つのカシメ部７１，７２を形成してもよい。このように構成することで、鉄心押さえ４２への導体バー４１の固着力をさらに高めることができる。

（第１の実施形態の第４の変形例）
図６は、第１の実施形態における第２の変形例の導体バー４１の中心軸Ｏ方向端部の概略構成図であって、（ａ）、（ｂ）はそれぞれ導体バー４１の異なる変形例を示す。
導体バー４１の中心軸Ｏ方向端部には、端部に向かうに従って徐々に先細りとなる先細り部５２が一体成形されている。先細り部５２は、図６（ａ）に示すように、一辺のみが傾斜して先細りになっていてもよいし、図６（ｂ）に示すように、対向する二辺が傾斜して先細りになっていてもよい。

ここで、導体バー４１に先細り部５２が一体成形されている場合において、鉄心押さえ４２の導体挿通孔４２ｂの開口面積は、導体バー４１の空洞部２３，２４に挿通されている箇所であるバー本体４３の断面積よりも小さく設定されている。また、導体挿通孔４２ｂの開口面積は、先細り部５２の先端５２ａにおける断面積よりも大きく設定されている。

このような構成のもと、鉄心押さえ４２の導体挿通孔４２ｂに導体バー４１を挿入する際、導体挿通孔４２ｂの開口面積が先細り部５２の先端５２ａの断面積よりも大きいので、導体挿通孔４２ｂに先細り部５２をスムーズに挿入させることができる。そして、そのまま導体挿通孔４２ｂにさらに導体バー４１を差し込むことにより、導体挿通孔４２ｂにスムーズに導体バー４１を圧入できる。
したがって、本第４の変形例によれば、回転子４の組立作業を容易化できる。

（第１の実施形態の第５の変形例）
図７は、第１の実施形態における第３の変形例の導体バー４１を示すシャフト１４の径方向からみた一部拡大側面図である。図８は、図７のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
図７、図８に示すように、鉄心押さえ４２に導体バー４１を固定するにあたり、鉄心押さえ４２から中心軸Ｏ方向に突出した導体バー４１に捩じり部５３を形成してもよい。捩じり部５３は、導体バー４１を軸方向回りに捩じることにより形成される。このように構成することで、導体挿通孔４２ｂの向きに対する捩じり部５３の断面形状の向きがずれる。このため、鉄心押さえ４２からの導体バー４１の抜け方向が規制されるので、鉄心押さえ４２に導体バー４１を固定することができる。

（第１の実施形態の第６の変形例）
図９は、第１の実施形態における第６の変形例の回転子鉄心１５の一部の構成を示すシャフト８に直交する断面図であって、前述の図１に対応している。
同図に示すように、回転子鉄心１５の導体バー４１が配置されている箇所に、それぞれ各空洞部２３，２４に臨む突出部３１を形成してもよい。そして、これら突出部３１によって、それぞれ導体バー４１を挟持するように構成してもよい。このように構成することで、各空洞部２３，２４内に導体バー４１をより強固に固定できる。

なお、本第６の変形例では、回転子鉄心１５の導体バー４１が配置されている箇所のそれぞれに突出部３１を形成する場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、任意の導体バー４１が配置されている箇所のみに突出部３１を形成し、突出部３１によって任意の導体バー４１のみを挟持するように構成してもよい。

（第１の実施形態の第７の変形例）
図１０は、第１の実施形態における第７の変形例の回転子鉄心１５の一部の構成を示すシャフト８に直交する断面図であって、前述の図１に対応している。
同図に示すように、各導体バー４１には、各空洞部２３，２４内に位置している箇所に、中心軸Ｏ方向全体に渡って凸条部７３が形成されている。凸条部７３は、導体バー４１の厚さ方向両面のうちの一方の面（図１０におけるシャフト１４側の面）に、導体バー４１の厚さ方向に突出している。換言すれば、凸条部７３は、各空洞部２３，２４に臨むように突出形成されている。

一方、回転子鉄心１５には、各凸条部７３に対応する位置に、この凸条部７３を受け入れる凹部７４が中心軸Ｏ方向全体に渡って形成されている。つまり、各凹部７４に、それぞれ対応する凸条部７３が嵌り込む。
したがって、本第７の変形例によれば、各空洞部２３，２４内に導体バー４１をより強固に固定できると共に、各空洞部２３，２４内における導体バー４１の位置を精度よく決定させることができる。

なお、本第７の変形例では、導体バー４１の厚さ方向両面のうちの一方の面（図１０におけるシャフト１４側の面）に、凸条部７３が突出形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、導体バー４１の厚さ方向両面に、それぞれ凸条部７３を形成してもよい。この場合、回転子鉄心１５に、各凸条部７３を受け入れる凹部７４を形成すればよい。

また、本第７の変形例では、各導体バー４１に形成された凸条部７３が、各空洞部２３，２４内に位置している箇所の中心軸Ｏ方向全体に渡って形成されている場合について説明した。また、回転子鉄心１５に形成されている凹部７４は、凸条部７３の形状に対応するように、中心軸Ｏ方向全体に渡って形成されている場合について説明した。しかしながら、これらに限られるものではなく、回転子鉄心１５の中心軸Ｏ方向の長さよりも凸条部７３の長さを短く設定してもよい。また、この長さの短い凸条部７３を、中心軸Ｏ方向に沿って複数並べてもよい。この場合、回転子鉄心１５に形成される凹部７４の形状は、凸条部７３の形状に対応するように形成すればよい。

さらに、各導体バー４１に凸条部７３を形成し、回転子鉄心１５に凹部７４を形成するのに限られるものではなく、凸条部７３と凹部７４を逆に形成してもよい。すなわち、回転子鉄心１５に導体バー４１に向かって突出する凸条部７３を形成し、導体バー４１に凹部７４を形成してもよい。

また、上述の第１の実施形態では、各空洞部２１〜２４のうち、第３空洞部２３および第４空洞部２４に、それぞれ３つの導体バー４１（４１ａ，４１ｂ，４１ｃ）が挿入されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、任意の空洞部２１〜２４に導体バー４１を挿入してよい。但し、少なくとも任意の空洞部２１〜２４の長手方向両側に対応するブリッジ２６〜２９との間に所定間隔をあけて導体バー４１を配置する。これにより、各導体バー４１が二次コイルとして適正に機能し、固定子３との間で、回転子４を回転させるための始動トルクを発生させることができる。

（第２の実施形態）
次に、図１１、図１２に基づいて、第２の実施形態について説明する。
図１１は、第２の実施形態における回転子鉄心２１５の一部の構成を示すシャフト８に直交する断面図である。
同図に示すように、第２の実施形態における回転子鉄心２１５には、空洞部２３，２４にそれぞれ導体バー４１が挿入されておらず、この導体バー４１に代わって導体２４１が鋳込まれている。この点、前述の第１の実施形態と相違する。

回転子鉄心２１５の各空洞部２１〜２４には、各々長手方向両側に対応するブリッジ２６〜２９との間に所定間隔をあけて仕切りブリッジ６１〜６４が形成されている。これら仕切りブリッジ６１〜６４により、各空洞部２１〜２４が仕切られる。そして、各空洞部２１〜２４の長手方向両側に、それぞれ鋳込みスペース６６〜６９が形成される。これら鋳込みスペース６６〜６９に、導体２４１が鋳込まれている。導体２４１は、前述の第１の実施形態と同様に、例えばアルミ合金や銅合金等の非磁性で且つ導電性を有する材料により形成されている。

次に、図１２に基づいて、導体２４１の成形方法について説明する。
図１２は、回転子鉄心２１５と導体２４１の分解斜視図である。
同図に示すように、各空洞部２１〜２４に形成された鋳込みスペース６６〜６９に導体２４１を鋳込む際、回転子鉄心２１５に中心軸Ｏ方向端部にマスクプレート８０を配置する。

マスクプレート８０は、回転子鉄心２１５の仕切りブリッジ６１〜６４よりも径方向内側（貫通孔１６側）を閉塞するように平面視略四角形状に形成された板材である。すなわち、マスクプレート８０は、各辺が対応する仕切りブリッジ６１〜６４に沿うように略四角形状に形成されている。これにより、各空洞部２１〜２４のうち、鋳込みスペース６６〜６９以外がマスクプレート８０によって閉塞される。
また、マスクプレート８０には、回転子鉄心２１５の貫通孔１６に対応する位置に、貫通孔８０ａが形成されている。この貫通孔８０ａの内径は、回転子鉄心２１５の貫通孔１６の内径とほぼ同一に設定されている。

続いて、回転子鉄心２１５にマスクプレート８０を配置した状態で、回転子鉄心２１５の鋳込みスペース６６〜６９に溶融された導体２４１を流し込む。この際、各空洞部２１〜２４は、マスクプレート８０によって鋳込みスペース６６〜６９以外が閉塞されているので、この鋳込みスペース６６〜６９以外の空洞部２１〜２４に、導体２４１が漏れてしまうことが防止される。

続いて、回転子鉄心２１５の中心軸Ｏ方向両端に、略円環状の短絡環８１を形成する。この短絡環８１は、導体２４１と同じ材料により金型等で成形される。短絡環８１は、導体２４１に対応する位置に形成され、径方向内側にマスクプレート８０と同一形状の四角形状の開口部８１ａが形成される。短絡環８１は、各導体２４１の中心軸Ｏ方向端部と接続される。これにより、短絡環８１を介して各導体２４１が短絡される。
そして、導体２４１および短絡環８１が冷却硬化された後、マスクプレート８０を取り外す。これにより、導体２４１の成形が完了する。

したがって、上述の第２の実施形態によれば、各空洞部２１〜２４に仕切りブリッジ６１〜６４を設けることにより、各空洞部２１〜２４に導体２４１を鋳込む場合であっても空洞部２１〜２４全体が導体２４１で満たされてしまうことを防止できる。このため、導体２４１の材料コストを低減できる。

（第２の実施形態の変形例）
なお、上述の第２の実施形態では、金型等により短絡環８１を形成した場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、例えばアルミ合金や銅合金等の非磁性で且つ導電性を有する板材にプレス加工を施して短絡環８１を形成してもよい。そして、この短絡環８１を導体２４１と接合するように構成してもよい。このように構成することで、短絡環８１を形成する際に金型等が必要なくなり、設備コストを低減できる。

また、上述の第２の実施形態では、仕切りブリッジ６１〜６４による各空洞部２１〜２４の仕切り範囲が、全体として中心軸Ｏ方向からみて略四角形状になっている場合について説明した。さらに、上述の第２の実施形態では、仕切りブリッジ６１〜６４に対応して形成されるマスクプレート８０が、中心軸Ｏ方向からみて略四角形状に形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、仕切りブリッジ６１〜６４による各空洞部２１〜２４の仕切り範囲、およびマスクプレート８０の形状は、任意に設定することが可能である。

また、上述の第２の実施形態では、仕切りブリッジ６１〜６４により形成された鋳込みスペース６６〜６９に、導体２４１を鋳込む場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、鋳込みスペース６６〜６９に前述の第１の実施形態における導体バー４１を配置してもよい。このように構成した場合であっても、各空洞部２１〜２４の所望の箇所に、導体バー４１を配置固定することができる。
さらに、各空洞部２１〜２４のそれぞれに仕切りブリッジ６１〜６４を設けなくてもよく、任意の空洞部２１〜２４に仕切りブリッジ６１〜６４を形成し、これによって形成された鋳込みスペース６６〜６９に導体２４１を成形すればよい。

（第３の実施形態）
次に、図１３、図１４に基づいて、第３の実施形態について説明する。
図１３は、第３の実施形態における回転子鉄心３１５の一部の構成を示すシャフト８に直交する断面図である。図１４は、第３の実施形態における回転子３０４を示すシャフト１４の径方向からみた側面図である。
図１３、図１４に示すように、第３の実施形態における回転子鉄心３１５には、各空洞部２１〜２４内に導体バー４１が挿入されておらず、これに代わって回転子鉄心３１５の空洞部２１〜２４を避けた位置に貫通孔１７（１７ａ〜１７ｌ）が形成されている。そして、これら貫通孔１７に、導体バー３４１が設けられている。この点、前述の第１の実施形態と相違する。

より具体的には、回転子鉄心３１５には、ｄ軸上において第４空洞部よりも回転子鉄心３１５の外周面３１５ａ寄りに、貫通孔１７ａが形成されている。また、回転子鉄心３１５には、各空洞部２１〜２４の間に、それぞれ３つずつ貫通孔１７ｂ〜１７ｊが形成されている。さらに、第１空洞部２１とシャフト１４が挿通される貫通孔１６との間には、ｑ軸側にそれぞれ２つの貫通孔１７ｋ，１７ｌが形成されている。

各貫通孔１７ａ〜１７ｌは、回転子鉄心３１５の中心軸Ｏ方向に沿って貫通されており、その中心軸Ｏに直交する断面形状は、略矩形状になっている。また、各貫通孔１７ａ〜１７ｌのうち、各空洞部２１〜２４の間に形成された貫通孔１７ｂ〜１７ｊは、各空洞部２１〜２４の長手方向に沿って等間隔で配置されている。つまり、回転子鉄心３１５のｄ軸上に、それぞれ１つずつ貫通孔１７ｃ，１７ｆ，１７ｉが配置されている。また、回転子鉄心３１５の外周面３１５ａ寄りに、それぞれ１つずつ貫通孔１７ｂ，１７ｄ，１７ｅ，１７ｇ，１７ｈ，１７ｊが配置されている。

このように形成された各貫通孔１７ａ〜１７ｌに、それぞれ導体バー３４１が挿入されている。導体バー３４１は、回転子鉄心３１５の磁束が通る経路上に配置されることになるので、磁束の流れを妨げることない磁性体で且つ導電性を有する材料により形成されている。例えば、導体バー３４１は、鉄やパーメンジュール等の高透磁率材料により形成されていることが望ましい。また、導体バー３４１は、各貫通孔１７ａ〜１７ｌの断面形状とほぼ同一の断面形状となるように略矩形状に形成されている。そして、導体バー３４１は、各貫通孔１７ａ〜１７ｌに対して隙間なく配置されている。さらに、導体バー３４１は、中心軸Ｏ方向両端が、それぞれ回転子鉄心３１５の中心軸Ｏ方向両端から突出するように形成されている。

ところで、各貫通孔１７ａ〜１７ｌは、導体バー３４１が挿入されない状態では、各空洞部２１〜２４と同様に機能する。しかしながら、各貫通孔１７ａ〜１７ｌに導体バー３４１を挿入することにより、これら導体バー３４１と回転子鉄心３１５とが一体となり、導体バー３４１が磁気障壁となることがない。

各導体バー３４１の両端は、それぞれ回転子鉄心３１５の中心軸Ｏ方向両端に設けられた鉄心押さえ３４２に接合されて短絡されている。この鉄心押さえ３４２も導体バー３４１と同様に、磁性体で且つ導電性を有する材料により形成されている。

鉄心押さえ３４２には、各導体バー３４１に対応する位置に、それぞれ導体挿通孔３４２ｂが形成されている。これら導体挿通孔３４２ｂに、対応する導体バー３４１が圧入固定されている。なお、鉄心押さえ３４２に導体バー３４１を固定するにあたり、圧入に代わって導体挿通孔３４２ｂに導体バー３４１を焼嵌め固定してもよい。その他、前述の実施形態および変形例のように、固定用杭５１を用いたり各導体バー３４１の両端部を捩じったりして固定してもよい。

このような構成のもと、各導体バー３４１は鉄心押さえ３４２と共に二次コイルとして機能し、固定子３（図１３、図１４では不図示）との間で、回転子３０４を回転させるための始動トルクを発生する。

したがって、上述の第３の実施形態によれば、前述の第１の実施形態と同様、回転子３０４を始動するにあたってインバータを必要としないので、商品コストを低減できると共に、駆動効率を向上させることができる。
また、停止した状態の回転子３０４が固定子３側の磁束の回転移動に同期して回転するまでの非同期状態において、回転子鉄心３１５に設けられた導体バー３４１に誘導電流が生じる。この誘導電流は、導体バー３４１の周辺部を磁気飽和させる。この磁気飽和により、ｑ軸磁路の磁気抵抗が高くなり、突極比が小さくなる。

一方、回転子３０４の始動時（固定子３側の磁束の回転移動速度に対して回転子３０４の回転速度が遅い場合）には、回転子３０４の突極性に起因した逆相電流が流れる。そして、回転子３０４の回転数が同期速度の１／２以上となる回転数では、始動トルクを妨げる方向にトルクを発生させる。これに対し、回転子鉄心３１５に導体バー３４１を設けると、始動時の突極比が小さくなる。
このため、逆相電流が緩和され、始動トルクの低下を抑えることができる。なお、同期運転時には、導体バー３４１には電流が殆ど発生しないので、突極比が低下することなく、トルク特性や力率等が低下しない。

なお、上述の第３の実施形態では、回転子鉄心３１５の空洞部２１〜２４を避けた、あらゆる位置に導体バー３４１を設けることが可能であるが、回転子鉄心３１５の外周面３１５ａに近い位置に、導体バー３４１を設けることが望ましい。但し、導体バー３４１に不所望な高調波電流が流れない好適な距離で、回転子鉄心３１５の外周面３１５ａから内側に所定間隔をあけて導体バー３４１を配置することが望ましい。

また、上述の実施形態では、回転子鉄心１５，２１５，３１５には、１／４周の周角度領域のそれぞれに（１極当りに）、４層の空洞部２１〜２４が形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、４層以上の複数層の空洞部が形成されていてもよい。空洞部が４層以上形成されている場合であっても、任意の空洞部に導体バー４１を挿入したり導体２４１を成形したりすればよい。

さらに、上述の実施形態では、各空洞部２１〜２４は、周方向の中央が最も径方向内側に位置するように（径方向内側に向かって凸形状となるように）、湾曲形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、各空洞部２１〜２４は、径方向内側に向かって凸形状に形成されていればよい。すなわち、各空洞部２１〜２４が湾曲形成されていなくてもよい。
また、上述の実施形態では、回転子鉄心１５，２１５，３１５は、４極に構成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転子鉄心１５，２１５，３１５を４極以上で構成してもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、回転電機１を始動するにあたって、インバータを必要としないので、回転電機１の商品コストを低減できる。なお、インバータを用いて回転電機１を始動させることも当然可能である。
また、回転子鉄心１５の空洞部２１〜２４の一部にのみ、導体バー４１および導体２４１を固定することができる。このため、回転電機１の製造コストも低減できる。また、導体バー４１および導体２４１を最小限に抑えつつ効率よく回転子４を回転させるための始動トルクを得ることができ、回転電機１の駆動効率を向上させることができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１…同期リラクタンス型回転電機、１４…シャフト、１５，２１５，３１５…回転子鉄心、２１…第１空洞部（空洞部）、２２…第２空洞部（空洞部）、２３…第３空洞部（空洞部）、２４…第４空洞部（空洞部）、３１…突出部、４１，４１ａ，４１ｂ，４１ｃ…導体バー、４２…鉄心押さえ（回転子鉄心押さえ）、４２ｂ…導体挿通孔（挿通孔、貫通孔）、４３…バー本体、４５，８１…短絡環、５１…固定用杭、５２…先細り部、５３…捩じり部、７１…カシメ部（外周カシメ部）、７２…カシメ部（内周カシメ部）、７３…凸条部、７４…凹部、２４１…導体、Ｏ…中心軸（回転軸線）

Claims (8)

1. 回転軸線回りに回転するシャフトと、
   前記シャフトに固定され、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が複数層形成されている回転子鉄心と、
   該回転子鉄心を前記回転軸線方向両側から押さえて保持する回転子鉄心押さえと、
   前記空洞部に配置され、前記回転軸線に沿って延び両端が前記回転子鉄心押さえを介して突出している複数の導体バーと、
   該複数の導体バーの前記両端に設けられ、複数の前記導体バーを連結する短絡環と、
   を備え、
   前記回転子鉄心押さえに、前記導体バーが固定されている
   同期リラクタンス型回転電機。
2. 前記回転子鉄心押さえは、前記複数の導体バーが挿通される複数の挿通孔を有し、
   前記複数の挿通孔と前記複数の導体バーとの間に、前記回転子鉄心押さえと前記導体バーとを固定するための固定用杭が設けられている
   請求項１に記載の同期リラクタンス型回転電機。
3. 前記回転子鉄心押さえは、前記複数の導体バーが挿通される複数の挿通孔を有し、
   前記導体バーの前記回転子鉄心押さえに対応する位置に、前記導体バーを捩じってなる捩じり部が形成されている
   請求項１または請求項２に記載の同期リラクタンス型回転電機。
4. 前記回転子鉄心押さえは、前記複数の導体バーが挿通される複数の挿通孔を有し、
   前記回転子鉄心押さえの外周部には、該外周部をカシメて前記回転子鉄心押さえに前記導体バーを固定する外周カシメ部が形成されている
   請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の同期リラクタンス型回転電機。
5. 前記回転子鉄心押さえは、前記シャフトの周囲を取り囲むように且つ前記シャフトの外周面との間に径方向で所定の間隔があくように円環状に形成されていると共に、前記複数の導体バーが挿通される複数の挿通孔を有し、
   前記回転子鉄心押さえの内周部には、該内周部をカシメて前記回転子鉄心押さえに前記導体バーを固定する内周カシメ部が形成されている
   請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の同期リラクタンス型回転電機。
6. 前記回転子鉄心押さえの前記導体バーに対応する位置に、それぞれ貫通孔が形成されており、
   前記導体バーは、前記空洞部に挿入されるバー本体と、前記バー本体の前記回転軸線方向両端に設けられ先細り状に形成された先細り部と、を有し、
   前記貫通孔の開口面積は、前記バー本体の前記回転軸線方向に直交する断面積よりも小さく、且つ前記先細り部の先端部における前記回転軸線方向に直交する断面積よりも大きく設定されている
   請求項１に記載の同期リラクタンス型回転電機。
7. 前記回転子鉄心の前記導体バーに対応する位置には、前記空洞部に臨むように突出し、前記導体バーの位置決めを行う突出部が形成されている
   請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の同期リラクタンス型回転電機。
8. 前記導体バーの前記空洞部内に位置している箇所、および前記回転子鉄心の前記導体バーに対応する箇所の何れか一方には、軸方向の少なくとも一部に、他方に向かって突出する凸条部が形成され、
   前記導体バーの前記空洞部内に位置している箇所、および前記回転子鉄心の前記導体バーに対応する箇所の何れか他方には、一方に形成されている前記凸条部を受け入れる凹部が形成されている
   請求項１〜請求項６の何れか１項に記載の同期リラクタンス型回転電機。

Images