JP2019213371A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】効率と大きさとを維持したまま、軸受へ印加される電圧を低減して、軸受の電食を抑制した回転電機を得ること。【解決手段】回転電機１０は、円筒状に形成された固定子１１と、固定子１１の内側に配置された回転子１２と、回転子１２に固定された回転軸１３と、回転軸１３を回転可能に支持する第１軸受１４及び第２軸受１５と、固定子１１、第１軸受１４及び第２軸受１５を支持する外郭１６とを備え、固定子１１は、円環状のヨーク１７と、ヨーク１７の内周面から径方向に突出する複数のティース１８とを有する固定子鉄心１９と、固定子鉄心１９に絶縁物を介して巻回された巻線２０とを有し、ヨーク１７は、少なくとも１箇所で空隙部によって円周方向に分断されている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転子及び固定子を備えた回転電機に関する。

回転電機において、巻線の中性点電位変動などにより回転軸に電圧が発生すると、回転軸に発生した電圧は、回転子を支持する軸受に印加される。軸受に印加される電圧が軸受潤滑油の絶縁破壊電圧を超えた場合には、放電により軸受面が局部発熱して溶融痕が生じる電食現象が発生してしまう。

近年の回転電機は、高周波のインバータで駆動されるようになっており、インバータの変調方式による中性点基本波電圧の変動が増加している。また、インバータのスイッチングによる矩形波状の電圧が短周期で重畳されて波高値が高くなっている。インバータ制御の回転電機は、中性点基本波電圧の変動の増加及び波高値の増大に起因して放電回数が増加しており、短期間に電食が進行して異常な振動騒音が発生する場合がある。

この対策として特許文献１では固定子を軸方向に複数に分割して、各固定子間の電気的位相をずらすことにより、回転軸に発生する電圧を解消又は緩和することで軸受へ印加される電圧を低減する方法が提示されている。

特開２０１７−６３５３０号公報

しかしながら、上記従来の技術の場合には、トルク発生に寄与しない巻線のコイルエンドの数が増えてしまうために、回転電機の効率が悪くなるとともに回転電機の大きさが大きくなるという課題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、効率と大きさとを維持したまま、軸受へ印加される電圧を低減して、軸受の電食を抑制した回転電機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、円筒状に形成された固定子と、固定子の内側に配置された回転子と、回転子に固定された回転軸と、回転軸を回転可能に支持する第１軸受及び第２軸受と、固定子、第１軸受及び第２軸受を支持する外郭とを備える。固定子は、円環状のヨークと、ヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースとを有する固定子鉄心と、固定子鉄心に絶縁物を介して巻回された巻線とを有する。ヨークは、少なくとも１箇所で空隙部によって円周方向に分断されている。

本発明によれば、効率と大きさとを維持したまま、軸受へ印加される電圧を低減して、軸受の電食を抑制した回転電機を得られるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図 実施の形態１に係る回転電機の横断面図 実施の形態１に係る回転電機の固定子の斜視図 実施の形態１に係る回転電機のインバータと巻線との結線図 実施の形態１に係る回転電機の３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧と相間電圧と中性点電圧の基本波波形とを示す図 実施の形態１に係る回転電機の中性点電圧波形と軸受電圧波形との実例を示す図 本発明の実施の形態２に係る回転電機の横断面図 本発明の実施の形態３に係る回転電機の横断面図

以下に、本発明の実施の形態に係る回転電機を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の縦断面図である。図２は、実施の形態１に係る回転電機の横断面図である。図２は、図１中のII-II線に沿った断面を示している。図３は、実施の形態１に係る回転電機の固定子の斜視図である。回転電機１０は、円筒状に形成された固定子１１と、固定子１１の内側に空隙を介して配置された円筒状の回転子１２と、回転子１２に固定された回転軸１３と、回転軸１３を回転可能に支持する第１軸受１４及び第２軸受１５とを備えている。また、回転電機１０は、固定子１１、第１軸受１４及び第２軸受１５を支持する外郭１６を備えている。

固定子１１は、円環状のヨーク１７及びヨーク１７の内周面から径方向に突出する複数のティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６からなる固定子鉄心１９と、巻線２０とを有する。以下、ティース１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６全体を指してティース１８という。固定子鉄心１９は透磁率の高い磁性材料で形成される。ヨーク１７は、ヨーク部１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６を備える。ティース１８は、ヨーク１７から回転子１２に向けて突出している。ティース１８１とティース１８２とは、ヨーク部１７１で接続されている。ティース１８２とティース１８３とは、ヨーク部１７２で接続されている。ティース１８４とティース１８５とは、ヨーク部１７４で接続されている。ティース１８５とティース１８６とは、ヨーク部１７５で接続されている。巻線２０は、ティース１８に不図示の絶縁物を介して巻回されている。ティース１８３とティース１８４との間にあるヨーク部１７３及びティース１８６とティース１８１との間にあるヨーク部１７６は、空隙部２２が形成されており、空隙部２２によって円周方向に分断されている。

固定子１１は、Ｕ相の巻線２０が巻回されているティース１８１と、Ｖ相の巻線２０が巻回されているティース１８２と、Ｗ相の巻線２０が巻回されているティース１８３とが一つのセットをなしており、Ｕ相の巻線２０が巻回されているティース１８４と、Ｖ相の巻線２０が巻回されているティース１８５と、Ｗ相の巻線２０が巻回されているティース１８６とが一つのセットをなしている。ティース１８１に巻回された巻線２０は、コイルＵ１を形成している。ティース１８２に巻回された巻線２０は、コイルＶ１を形成している。ティース１８３に巻回された巻線２０は、コイルＷ１を形成している。ティース１８４に巻回された巻線２０は、コイルＵ２を形成している。ティース１８５に巻回された巻線２０は、コイルＶ２を形成している。ティース１８６に巻回された巻線２０は、コイルＷ２を形成している。

固定子鉄心１９は、外郭１６と、ヨーク１７間の空隙部２２にある介在物２１とによって位置決めがなされている。空隙部２２によって分割されたヨーク１７は、空隙部２２に配置された介在物２１によって一定の距離が保たれており、互いに接触していない。空隙部２２に存在している介在物２１は、ヨーク１７よりも透磁率の低い材料で形成されている。また、空隙部２２を挟んだヨーク１７同士の距離は、磁束を低減させるだけの距離となっている。

なお、空隙部２２に配置された介在物２１は、空隙部２２の距離を確保するためのものであるため、熱硬化性樹脂を充填させてもよいし、固形物を挟んだり、圧入したりしてもよい。

図４は、実施の形態１に係る回転電機のインバータと巻線との結線図である。Ｕ相は二つのコイルＵ１，Ｕ２が直列接続されている。Ｖ相は二つのコイルＶ１，Ｖ２が直列接続されている。Ｗ相は二つのコイルＷ１，Ｗ２が直列接続されている。Ｕ相のＵ１側、Ｖ相のＶ１側及びＷ相のＷ１側は、インバータ３０に接続されている。Ｕ相のＵ２側、Ｖ相のＶ２側及びＷ相のＷ２側は互いに接合されて中性点Ｎとなっており、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相は、Ｙ結線されている。

インバータ３０は、アームをなす６個のスイッチング素子３１，３２，３３，３４，３５，３６を備えている。上段のアームをなすスイッチング素子３１と下段のアームをなすスイッチング素子３４とが直列に接続されて第１のレグを構成している。上段のアームをなすスイッチング素子３２と下段のアームをなすスイッチング素子３５とが直列に接続されて第２のレグを構成している。上段のアームをなすスイッチング素子３３と下段のアームをなすスイッチング素子３６とが直列に接続されて第３のレグを構成している。第１のレグ、第２のレグ及び第３のレグは、直流電源４０に並列に接続されている。第１のレグから出力端子Ｒが出ており、回転電機１０のＵ相と接続されている。第２のレグから出力端子Ｓが出ており、回転電機１０のＶ相と接続されている。第３のレグから出力端子Ｔが出ており、回転電機１０のＷ相と接続されている。

直流電源４０は、商用電源といった交流給電であれば交流電源を整流素子で整流後、コンデンサで平滑することで得られる。直流電源４０は、電気自動車などによる直流給電であれば、蓄電池から直接得られるが、直流電圧変換器で電圧調整してもよい。

次に、軸受電食発生原理と、実施の形態１にかかる回転電機１０において電食が抑制される仕組みについて説明する。

インバータ３０は、直流電源４０の直流電圧Ｖ_ＤＣが印加される。インバータ３０は、スイッチング素子３１，３２，３３，３４，３５，３６をパルス幅変調信号に基づいてオン又はオフし、出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電位が直流電源４０のプラス側の電位ＶＳ及びマイナス側の電位ＰＳＣのいずれかとなるようにする。インバータ３０は、回転電機１０の巻線２０の相間電圧の平均値の位相差が１２０度ずれた３相正弦波電圧となるように動作する。電位ＰＳＣを基準に出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔの電圧波形を見ると、矩形波となる。

パルス幅変調は、原理的には巻線２０へ印加する所望の正弦波状基本波と三角波搬送波との大小を比較することで、各レグの上段のアームをオンするか下段のアームをオンするかを決める。ただし、直流電圧Ｖ_ＤＣの範囲の中で、相間電圧をできるだけ大きくとるために、巻線２０へ印加する正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳したものを三角波搬送波と比較することがある。

巻線２０へ印加する正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波を各相の相電圧へ重畳すると、相電圧の平均値は馬蹄形の波形となるが、相間では重畳した３倍の周波数の正弦波は差し引かれるため、相間電圧は正弦波電圧となる。

図５は、実施の形態１に係る回転電機の３倍の周波数の電圧を重畳した相電圧と相間電圧と中性点電圧の基本波波形とを示す図である。出力端子Ｒ，Ｓ，Ｔにおける電圧は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の相電圧を示している。出力端子Ｒと出力端子Ｓとの間の電圧は、Ｕ相とＶ相との相間電圧を示している。出力端子Ｓと出力端子Ｔとの間の電圧は、Ｖ相とＷ相との相間電圧を示している。出力端子Ｔと出力端子Ｒとの間の電圧は、Ｗ相とＵ相との相間電圧を示している。正弦波電圧の３倍の周波数の正弦波の電圧を巻線２０へ印加すると、零相電圧とよばれる巻線２０全体の電圧は、前述の重畳された３倍の周波数の正弦波で振れ、中性点Ｎの中性点電圧となって現れる。零相電圧により、ヨーク１７には円周方向に循環する磁束が発生する。そして、ヨーク１７を貫通している回転軸１３には電磁誘導による軸電圧が発生し、軸受の油膜に電圧が印加される。

このとき、前述したようにインバータ３０の出力電圧の基本波は正弦波状であるが、パルス幅変調された矩形波状の電圧のため、実際には巻線２０全体の電圧も矩形波状に変動している。したがって、軸受の油膜には基本波だけの場合に比べて波高値が高い高周波の矩形波状電圧が印加され、絶縁破壊による放電が頻繁に発生して、軸受面の劣化が急速に進む。

図６は、実施の形態１に係る回転電機の中性点電圧波形と軸受電圧波形との実例を示す図である。中性点電圧よりも鈍ってはいるが、中性点電圧の変動により誘起された軸電圧が６０マイクロ秒程度の周期で発生している。

ヨーク１７に設けた空隙部２２について説明する。ティース１８１，１８２，１８３のセット及びティース１８４，１８５，１８６のセットの各セット内では、回転子１２からの鎖交磁束の総和は基本的にはゼロである。したがって、ティース１８１，１８２，１８３がヨーク部１７１，１７２にて低い磁気抵抗で磁気的に結合されており、かつティース１８４，１８５，１８６がヨーク部１７４，１７５にて低い磁気抵抗で磁気的に結合されていれば、セット同士の間のヨーク部１７３及びヨーク部１７６に空隙部２２を設けて磁気抵抗を高くしても、回転子１２からの磁束の流れを各セット内でクローズしてコイルＵ１，Ｖ１，Ｗ１及びコイルＵ２，Ｖ２，Ｗ２へ有効に鎖交させることができる。

一方、軸電圧を発生させる磁束はヨーク１７を１周しようとする。ヨーク１７に、空隙部２２を形成することで、１周しようとする磁束が空隙部２２により低減され、軸電圧を低減することができる。

図１、図２、図３では、ティース１８３とティース１８４との間にあるヨーク部１７３の中央部、及びティース１８１とティース１８６との間にあるヨーク部１７６の中央部に空隙部２２が形成されている構成を示したが、ヨーク部１７３及びヨーク部１７６には有効磁束を通す必要がないため、ヨーク部１７３の中央部以外の部分及びヨーク部１７６の中央以外の部分に空隙部２２を設けても、軸電圧を低減する効果が得られる。また、３相分のコイルが巻回されたティース１８がヨーク１７で磁気的に結合されていればよいため、ヨーク部１７１及びヨーク部１７４に空隙部２２を形成してもよいし、ヨーク部１７２及びヨーク部１７５に空隙部２２を形成してもよい。また、上記ではヨーク１７の２箇所に空隙部２２を形成したが、１箇所であっても３箇所以上であってもよい。

実施の形態１に係る回転電機１０は、効率と大きさとを維持したまま、第１軸受１４及び第２軸受１５へ印加される電圧を低減して、第１軸受１４及び第２軸受１５の電食を抑制することができる。

実施の形態２．
図７は、本発明の実施の形態２に係る回転電機の横断面図である。実施の形態１では、ヨーク１７に空隙部２２を形成し、ヨーク１７の一部分を完全に分断した形態について説明したが、実施の形態２に係る回転電機１０では、ヨーク部１７３及びヨーク部１７６といった有効磁束を通す必要がない箇所において、ヨーク１７を完全に分断せず薄肉部２３で連結させた狭断面部を設けている。薄肉部２３は、ティース１８同士の間のヨーク部１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６の少なくとも一つに形成される。薄肉部２３は、径方向の厚さが他のヨーク部１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６よりも薄くなっている。したがって、薄肉部２３は、ティース１８同士の間の部分でありかつ薄肉部２３ではない部分よりも、ヨーク１７の径方向の断面積が小さい。すなわち、薄肉部２３であるヨーク部１７３，１７６は、ヨーク部１７１，１７２，１７４，１７５よりも、ヨーク１７の径方向の断面積が小さい。

実施の形態２に係る回転電機１０は、薄肉部２３には微小な有効磁束が通るが、飽和するため、軸電圧の発生に係るヨーク１７を１周しようとする磁束を低減できる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係る回転電機の横断面図である。実施の形態３に係る回転電機１０は、薄肉部２４を曲げることによってヨーク１７が円環状とされている。ヨーク部１７１，１７２，１７４，１７５は、ヨーク１７の薄肉部２４に加え、内周側でも薄肉部２４の両脇の部分同士が接触して導通している。一方、ヨーク部１７３，１７６は、薄肉部２４のみで導通している。

実施の形態３に係る回転電機１０は、ヨーク部１７３，１７６は、薄肉部２４で繋がっており分断されていないが、薄肉部２４を曲げることによる内部応力によりヨーク部１７３，１７６の透磁率が低くなるため、軸電圧の発生を抑制できる。

実施の形態１、実施の形態２及び実施の形態３において、固定子１１を格納している外郭１６が鉄製であった場合、外郭１６に磁束が流れ、軸電圧を生じさせる要因となるため、樹脂モールドを用いた外郭１６を用いることで、軸電圧を低減できる。また、ヨーク１７の分断箇所の外郭１６に切り込みを入れて磁路を長くし、磁気抵抗を大きくして磁束を流れにくくすることで軸電圧を低減することも可能である。

上記の各実施の形態においては、３相４極の永久磁石式同期電動機について説明したが、相数、極数及び電動機の種類は例示した構成に限定されるものではない。すなわち、本発明は、誘導電動機又はリラクタンス電動機といった交流電動機であれば適用可能である。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１０ 回転電機、１１ 固定子、１２ 回転子、１３ 回転軸、１４ 第１軸受、１５ 第２軸受、１６ 外郭、１７ ヨーク、１８，１８１，１８２，１８３，１８４，１８５，１８６ ティース、１９ 固定子鉄心、２０ 巻線、２１ 介在物、２２ 空隙部、２３，２４ 薄肉部、３０ インバータ、３１，３２，３３，３４，３５，３６ スイッチング素子、４０ 直流電源、１７１，１７２，１７３，１７４，１７５，１７６ ヨーク部。

Claims (6)

1. 円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に配置された回転子と、前記回転子に固定された回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する第１軸受及び第２軸受と、前記固定子、前記第１軸受及び前記第２軸受を支持する外郭とを備え、
   前記固定子は、
   円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースとを有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に絶縁物を介して巻回された巻線とを有し、
   前記ヨークは、少なくとも１箇所で空隙部によって円周方向に分断されていることを特徴とする回転電機。
2. 前記空隙部には、前記ヨークよりも透磁率が低い介在物が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記固定子は、前記外郭と前記介在物とによって位置決めされていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
4. 円筒状に形成された固定子と、前記固定子の内側に配置された回転子と、前記回転子に固定された回転軸と、前記回転軸を回転可能に支持する第１軸受及び第２軸受と、前記固定子、前記第１軸受及び前記第２軸受を支持する外郭とを備え、
   前記固定子は、
   円環状のヨークと、前記ヨークの内周面から径方向に突出する複数のティースとを有する固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心に絶縁物を介して巻回された巻線とを有し、
   前記ヨークは、前記ティース同士の間の部分の少なくとも一つに狭断面部が形成されており、
   前記狭断面部は、前記ティース同士の間の部分でありかつ前記狭断面部ではない部分よりも、前記ヨークの径方向の断面積が小さいことを特徴とする回転電機。
5. 前記ヨークは、薄肉部を曲げることで環状に形成されており、
   前記狭断面部は、前記薄肉部が曲げられた箇所において、前記薄肉部で繋がっている部分以外はヨーク間が接触していないことを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
6. 前記固定子は、前記外郭に樹脂モールドにより固定されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の回転電機。

Images