JP2021126007A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストかつ量産が容易な構造で、冷却性能を向上した回転電機を提供することにある。【解決手段】複数のスロットと前記スロットに配置されるコイルとを有する固定子と、固定子に対してギャップを介して回転可能な回転子と、固定子を保持する固定子フレームと、を備えた回転電機であって、コイルは、回転子の軸方向における端部よりも軸方向に突出したコイルエンドを有し、固定子フレームは、軸方向においてコイルエンドに対向し、コイルエンドから遠ざかる方向に窪んだ凹部を有し、非導電性部材が、コイルエンドと凹部の両方と密着するように配置された回転電機である。【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、回転電機に関する。

回転電機の小型化（高トルク密度化）の手段の一つとして、外転型回転電機がある。外転型回転電機は、回転子が、固定子の外周側に配置されており、回転子−固定子間の間隙（ギャップ）の半径を大きくでき、また、回転子が外側にあるため１極分の周長が長くなり大きな磁石を配置できるという特徴があり、内転型回転電機に対し、小型化（高トルク密度化）が可能となる。

外転型回転電機に関する技術について特許文献１が知られている。特許文献１に示された回転電機の構造は、コイルと固定子フレームを一体で非導電性部材モールドしており、冷却性能向上が期待される。

特開２０１８−１９８５２１

外転型回転電機は、回転電機の主な発熱源であるコイルが内径側に位置するため、コイルの配置スペースが小さくなることで放熱面積も小さくなり、回転電機の機内温度が高くなる。これにより磁石温度やコイル温度が上昇し、回転電機効率の低下を招くため、これを補うための軸長や磁石量の増加が必要となり、小型・軽量化が困難である。よって、小型・軽量の回転電機のためには、外転型回転電機の冷却性能向上が必要となる。

特許文献１では、回転電機の冷却性能向上策としてコイルと固定子フレームを一体で非導電性部材モールドをするために、モールド用の治具が必要となる。エレベータ駆動用巻上機のモータのような大型のモータでは、専用のモールド用の治具も大型のものを作成する必要があり、コスト増加につながることが考えられる。

また、固定子と固定子フレームを組立て後、回転子及び回転子フレームと組み合わせる前に非導電性部材モールドの工程を入れる必要がある。このため、既存の量産設備を変更する必要が生じ、量産性の悪化を招く。

また、コイルと固定子フレームの間に基板などのパーツを有することや、固定子フレームが複数のパーツにより構成されていることで、冷却性能は悪化する。

本発明の目的は、低コストかつ量産が容易な構造で、冷却性能を向上した回転電機を提供することにある。

本発明の好ましい一例としては、複数のスロットと前記スロットに配置されるコイルとを有する固定子と、前記固定子に対してギャップを介して回転可能な回転子と、前記固定子を保持する固定子フレームと、を備えた回転電機であって、
前記コイルは、
前記回転子の軸方向における端部よりも前記軸方向に突出したコイルエンドを有し、
前記固定子フレームは、
前記軸方向において前記コイルエンドに対向し、前記コイルエンドから遠ざかる方向に窪んだ凹部を有し、
非導電性部材が、前記コイルエンドと前記凹部の両方と密着するように配置された回転電機である。

本発明によれば、低コストかつ量産が容易な構造で、冷却性能を向上した回転電機を得ることができる。

実施例１の外転型回転電機の径方向における構成図である。 組み立て中における外転型回転電機の斜視図を示す。 組み立て後における外転型回転電機の斜視図を示す。 比較例としての外転型回転電機の軸方向における構成図である。 実施例１の外転型回転電機の軸方向における構成図である。 図２Ａの一部の拡大図である。 実施例２の外転型回転電機の斜視図である。 実施例２の外転型回転電機の軸方向における構成図である。 図３Ｂの一部の拡大図である。 実施例２の変形例を示す図である。 実施例３の外転型回転電機の軸方向における構成図である。 図４Ａの一部の拡大図である。 実施例４における外転型回転電機の組立て途中の斜視図である。 実施例４における外転型回転電機の組立て後の軸方向における構成図である。 図５Ｂの一部の拡大図である。 実施例５の外転型回転電機の組立て後の軸方向における構成図である。 図６Ａの一部の拡大図である。 実施例６の外転型回転電機の組立て途中の斜視図である。 一体型スペーサの正面図である。

以下に、実施例を、図面を用いて説明する。

図１Ａから図１Ｃは、実施例１の外転型回転電機を示す。図１Ａは、実施例１の外転型回転電機１００の中心部における径方向の構成図である。径方向はＲで示す。

外転型回転電機１００は、回転子コア１と永久磁石２により構成された回転子３と、回転子３の内径側に所定の間隙を設けて配置され、固定子コア４とコイル５により構成された固定子６を備える。回転子３は、固定子６に対してギャップを介して回転軸９０を中心軸として回転可能に配置されている。

コイル５は、集中巻により固定子コア４に取り付けられることが望ましい。これにより、コイル５の軸方向短部の長さが短くなり、外転型回転電機１００の軸方向長さが短くなり、小型化できる。さらに、固定子コア４のコイル５が配置される部分（スロット７）はオープンスロットとすることが望ましい。これにより、コイル５の挿入が容易となり、組み立て性が向上する。さらに、固定子コア４の間隙付近（ティース先端）は半径より小さな曲率を持たせることが望ましい。これにより、周方向の磁気抵抗の変化率が低減でき、トルクリプルが低減できる。

コイル５は、回転子３の軸方向における端部よりも軸方向に突出したコイルエンド１３を有する。

図１Ｂは、組み立て中における外転型回転電機１００の斜視図を示す。図１Ｃは、組み立て後における外転型回転電機１００の斜視図を示す。図１Ｃに示すように、回転子３及び固定子６は回転子フレーム８及び固定子フレーム９の内部に収められた全閉構造になっており、回転子３及び固定子６に風を直接当てて空冷することができない。

図１Ｄは、比較例としての外転型回転電機１００の軸方向における構成図を示す。軸方向は、Ｘで示す。固定子コア４と固定子フレーム９は、斜線で示す接触面４ａで接触しており、コイル５で発生する熱の主な放熱経路は図１Ｄに矢印で示す。

固定子コア４、固定子フレーム９を介して伝わる放熱経路１２ａであり、固定子フレーム９の内周部１１に向かって熱が集まる。この内周部１１において空気が循環しづらく、熱がこもることが、図１Ｄに示した構造における放熱性悪化の要因となっている。この課題を解決する手段としては、内周部１１を固定子フレーム９と同素材あるいは別の素材で埋めることなども考えられるが、回転電機の重量化及びコスト増加につながる。

図２Ａおよび図２Ｂは、実施例１の外転型回転電機の構成を示す。図２Ａは外転型回転電機１００の軸方向における構成図である。図１Ｄに示す比較例との違いは、コイルエンド１３が固定子フレーム９に設けられた固定子フレームの軸方向凹部１９内に収まっており、固定子フレームの軸方向凹部１９に非導電性部材１４を注入することで、コイルエンド１３と固定子フレーム９の軸方向凹部１９の両方と密着するように非導電性部材１４が配置されている点である。コイル５は、回転子３の軸方向における端部よりも軸方向に突出したコイルエンド１３を有する。

図２Ｂは、図２Ａの一部の拡大図であり、コイルエンド１３と固定子フレーム９と固定子フレームの軸方向凹部１９と非導電性部材１４の拡大図を示す図である。斜線で示すのが非導電性部材１４で充填された箇所である。

コイルエンド１３および固定子フレーム９には製造誤差で寸法のバラツキが発生するが、このように密着させることで、製造誤差に関係なくコイルエンド１３から固定子フレーム９への熱伝導が向上する。

このような構成とすることで、コイル５で発生する熱の主な放熱経路は図２Ａに矢印で示す経路となる。コイルエンド１３、非導電性部材１４、固定子フレーム９を介して伝わる放熱経路１２ｂとなり、熱は軸方向の外側に向かう。軸方向の外側は空気が良く循環するため熱はこもらず、放熱性を改善することができる。

非導電性部材１４はエポキシなどの樹脂を用いても良いし、それ以外でも流動性、硬化性、耐熱性の複数またはいずれかに優れるものを用いても良い。非導電性部材１４は、充填される前の空隙を構成する大気の熱伝導率より高い熱伝導率の材料を用いる。

また、非導電性部材１４には熱伝導性が高い高熱伝導樹脂などを用いた方が、放熱性は改善する。これらに熱伝導率を向上させるフィラを配合したものであれば、さらに放熱性を向上できる。

固定子６と固定子フレーム９、回転子３と回転子フレーム８を組立て後に、放熱経路１２ｂの矢印の向きが鉛直下向きとなるように外転型回転電機１００を置き、ノズルなどを用いて、図２Ａにおける固定子フレーム９と回転子３の隙間Ｇから非導電性部材１４を注入することで、コイルと固定子フレーム９とを非導電性部材１４で密着する。そのような工程を有することで、既存の量産設備をそのまま流用することが可能であり、量産性を損なわない。

図２Ａは軸方向における構成図であり、固定子フレームの軸方向凹部１９の一部のみが図示されているが、固定子フレームの軸方向凹部１９は周方向全周に渡る一つながりの形状であっても良いし、コイルエンド１３が一つずつ収まるように区切られた形状であっても良い。コイルエンド１３と固定子フレームの軸方向凹部１９の間には非導電性部材１４が充填されており、放熱性向上の観点では、非導電性部材１４の充填箇所は広いほど良い。

ただし、構造上の制約により充填箇所が限定される場合でも、空隙であるよりも放熱性向上の効果を得ることができる。固定子フレーム９の材質は、鉄などの金属製の他、非導電性部材製でも良いが、金属製の方が放熱性は優れる。また、コイルエンド１３と固定子フレーム９はできるだけ近づけた方が放熱性は良くなるが、絶縁を考慮した距離とする必要がある。

実施例１によれば、固定子フレーム９は、軸方向においてコイルエンド１３に対向し、コイルエンド１３から遠ざかる方向に窪んだ凹部１９を有しており、非導電性部材１４と固定子フレーム９との接触面積は、特許文献１の構成に比べて、大きくなる。そのため、コイル５からの熱を、非導電性部材１４から固定子フレーム９に向かって、放熱しやすい構造となり冷却特性が向上する。

エレベータ駆動用巻上機のモータは、建築レイアウトの自由度向上の観点から、専用の機械室を無くして、昇降路内に設置することが望ましい。昇降路内は、その構造上、気密性は無く、ほこりや塵が入り込んでいる。ほこりや塵が、モータ摺動面等に入り込むことは、故障の原因となるため、信頼性の向上と保守負担軽減の観点から、昇降路内に設置されるエレベータ用のモータは、モータ自体に気密性を持たせた、全閉構造にする必要がある。

そこで、実施例１では、回転子３及び固定子６は回転子フレーム８及び固定子フレーム９の内部に収められた全閉構造およびエレベータ駆動用巻上機のモータに適用する例を示している。

図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄは、実施例２における外転型回転電機を説明する図である。図３Ａは実施例２における外転型回転電機１００の斜視図であり、図３Ｂは、実施例２の外転型回転電機１００の軸方向における構成図である。

また、図３Ｃは、図３Ｂにおける、コイルエンド１３と固定子フレーム９と固定子フレームの軸方向凹部１９と非導電性部材１４の拡大図である。図３Ｄは、実施例２の変形例を示す。図３Ｃと図３Ｄにおいて斜線で示すのが非導電性部材１４で充填された箇所である。

固定子フレーム９は軸方向に複数個の穴１７ａを有しており、この穴１７ａは内側の固定子フレームの軸方向凹部１９まで貫通している。この穴から非導電性部材１４を注入することができる。穴１７ａを設けた面を鉛直下向きに設置した状態で非導電性部材１４を注入することで、固定子６と固定子フレーム９、回転子３と回転子フレーム８のすべてを組み合わせた後の非導電性部材１４の流し込みがより容易に実施でき、量産性が改善する。

非導電性部材１４の充填量は固定子フレームの軸方向凹部１９の寸法から求めることができる。穴１７ａは、図３Ｂに示すようにフレーム外表面９ａから固定子フレームの軸方向凹部１９に貫通していれば良く、穴１７ａの位置は必ずしも固定子フレームの軸方向凹部１９の中央である必要はない。

また、穴１７ａはフレーム外表面９ａから固定子フレームの軸方向凹部１９を軸方向に貫通している。この構造に限られず、図３Ｄに示すように、固定子フレームの軸方向凹部１９を固定子フレームの径方向の内側面９ｂから貫通する穴１７ｂや固定子フレームの径方向の外側面９ｃから貫通する穴１７ｃでも良い。あるいは、これらのうちの２方向、または３方向の全てに穴をあけることで、非導電性部材の流量を増やして、生産にかかる時間を短縮することも考えられる。

図４Ａおよび図４Ｂは、実施例３の外転型回転電機を説明する図である。図４Ａは外転型回転電機１００の軸方向における構成図である。また、図４Ｂは、図４Ａにおける、コイルエンド１３と固定子フレーム９と固定子フレームの軸方向凹部１９と非導電性部材１４の拡大図であり、斜線で示すのが非導電性部材１４で充填された箇所である。

固定子フレーム９は凹部１９の内側面の一部が径方向の内側に膨らむ構成２０ａと、凹部１９の内側面の一部が径方向の外側に膨らむ構成２０ｂを有している。これにより、非導電性部材１４が軸方向に動いて剥がれることを防ぐことができるため、信頼性が向上する。

実施例３では、径方向の内側２０ａと径方向の外側２０ｂの両方を有しているが、どちらか一方のみでも同様の効果が期待できる。実施例３においても、実施例２のように複数個の穴１７ａ、穴１７ｂ、穴１７ｃを設けて、非導電性部材を注入する際の量産性を改善させても良い。穴１７ｂや穴１７ｃ内に樹脂を充填させることで、径方向の内側２０ａと径方向の外側２０ｂを設けるのと同様の効果も期待できる。

図５Ａ、図５Ｂ、および図５Ｃは、実施例４の外転型回転電機を説明する図である。図５Ａは、実施例４における外転型回転電機１００の組立て途中の斜視図である。図５Ｂは、実施例４における外転型回転電機１００の組立て後の軸方向における構成図である。

また、図５Ｃは、図５Ｂにおいて、コイルエンド１３と固定子フレーム９と非導電性部材１４の拡大図であり、斜線で示すのが非導電性部材１４で充填された箇所である。

外転型回転電機１００は固定子６と固定子フレーム９の間に円筒形状の内側スペーサ２１と外側スペーサ２２を有している。内側スペーサ２１の径方向の半径Ｄ１は外側スペーサ２２の半径Ｄ２より短い。

固定子コア４（固定子）の軸方向端面と固定子フレーム９は、互いに異なる径を有する第１のスペーサ（内側スペーサ）と第２のスペーサ（外側スペーサ）を介して軸方向で接続されており、径方向において、コイルエンド１３は、第１のスペーサと第２のスペーサの間に配置され、コイルエンド１３と固定子フレーム９と第１のスペーサと第２のスペーサとで囲まれる空間に、非導電性部材１４が配置されている。

回転子３、回転子フレーム８、固定子６、固定子フレーム９、および第１のスペーサと第２のスペーサを組み立てた後に、コイル５と固定子フレーム９と第１のスペーサと第２のスペーサとを非導電性部材１４で密着する工程を有することにより低コストで本実施例の回転電機を製造することが出来る。

また、この内側スペーサ２１と外側スペーサ２２の間に非導電性部材１４を、実施例１と同様に、固定子フレーム９と回転子３の隙間Ｇから注入することで、コイルエンド１３と固定子フレーム９を密着できる。

この構成は、固定子フレームの軸方向凹部１９を設ける必要がなく、比較例に示した構造の固定子フレーム９をそのまま使うことができる点において優れる。内側スペーサ２１と外側スペーサ２２の材料としては、エポキシなどの樹脂を用いても良いし、それ以外でも流動性、硬化性、耐熱性の複数またはいずれかに優れるものを用いても良い。熱伝導性が高い高熱伝導樹脂などを用いた方が、放熱性は改善する。また、鉄などの金属を用いることも考えられるが、絶縁を考慮した距離とする必要がある。

内側スペーサ２１と外側スペーサ２２の固定方法としては、コイルエンドの内周と外周の大きさに合わせた径とすることで固定ができる。また、固定子フレーム９に内側スペーサ２１と外側スペーサ２２が収まる溝を設けることで固定することも考えられる。あるいは、固定子フレーム９と内側スペーサ２１と外側スペーサ２２が一体となった構造も考えられる。

図６Ａおよび図６Ｂは、実施例５の外転型回転電機を説明する図である。図６Ａは、実施例５の外転型回転電機１００の組立て後の軸方向における構成図である。実施例４と異なる点は、固定子フレームの軸方向凹部１９を設けた固定子フレーム９としていることにある。

図６Ｂは、図６Ａにおいて、コイルエンド１３と固定子フレーム９と固定子フレームの軸方向凹部１９と非導電性部材１４の拡大図であり、斜線で示すのが非導電性部材１４で充填された箇所である。

固定子フレームの軸方向凹部１９により非導電性部材１４と固定子フレーム９との接触面積が大きくなる。これにより、この接触面における摩擦力も大きくなるため、非導電性部材１４が軸方向に動いて剥がれづらくなるため、信頼性が向上する。

図７Ａおよび図７Ｂは、実施例６の外転型回転電機を説明する図である。図７Ａは、実施例６の外転型回転電機１００の組立て途中の斜視図である。実施例４と異なる点は、外転型回転電機１００は固定子６と固定子フレーム９の間に円筒形状の内側スペーサ２１と外側スペーサ２２が複数本のリブ２６でつながった一体型スペーサ２５を有している点である。

図７Ｂは、外転型回転電機１００を構成する部品である一体型スペーサ２５の正面図である。一体型スペーサ２５とすることで剛性が増すため、信頼性が向上する。

実施例４、実施例５、実施例６においても、実施例２のように複数個の穴１７ａ、穴１７ｂ、穴１７ｃを設けて、非導電性部材１４を注入する際の量産性を改善させても良い。穴１７ｂや穴１７ｃを開ける場合は、内側スペーサ２１及び外側スペーサ２２の、穴１７ｂや穴１７ｃと一致する箇所に穴を開ければ良い。

また、実施例５、実施例６においても、実施例３のように、固定子フレームの軸方向凹部１９の内部に、固定子フレームの径方向の内側凹部２０ａと固定子フレームの径方向の外側凹部２０ｂを設けることで、非導電性部材１４が剥がれるのを防止して信頼性を向上させても良い。

コイルエンド１３と固定子フレーム９を非導電性部材１４で密着する前に、コイルエンド１３と固定子フレーム９の密着する個所を洗浄して油分を取る工程を入れることで、コイルエンド１３及び固定子フレーム９と非導電性部材１４との密着がより強固なものとなる。

回転子コア１及び固定子コア４の材質としては、鉄が主成分の電磁鋼板が考えられ、電磁鋼板からコア形状を打ち抜いたものを積層することで、回転子コア１及び固定子コア４を構成できる。回転子コア１及び固定子コア４は、図１で示すような一体型コアでも良いし、いくつかに分割したコアでも良い。分割コアであれば、電磁鋼板から打ち抜く際に無駄なく打ち抜くことができ、コストの低減を図ることができるが、一体型コアと比べて、分割部の隙間による磁束漏れにより、効率の低下が懸念される。コイル５の材質としては、銅やアルミを用いることが考えられる。

実施例では外転型回転電機を対象としているが、これに限定されるものではなく、内転型回転電機でも同様の効果を得られる。コイルの巻き方は集中巻でも分布巻でも良い。回転子は磁石を回転子コア表面に貼り付けることで形成した表面磁石型でも良いし、回転子コアが複数の磁石挿入孔を有し、磁石増入孔に磁石を挿入することで形成した埋込磁石型の回転子であっても良い。

また、磁石を用いない誘導モータや、シンクロナスリラクタンスモータ、スイッチドリラクタンスモータでも良い。

実施例では、磁石の極数４０、コイル数４８の３相駆動回転電機のときの説明をしたが、その他の極数・スロット数の組み合わせであっても良い。

１ 回転子コア３ 回転子
４ 固定子コア６ 固定子８ 回転子フレーム
９ 固定子フレーム１３ コイルエンド
１４ 非導電性部材
１９ 軸方向凹部
１００ 外転型回転電機

Claims (12)

1. 複数のスロットと前記スロットに配置されるコイルとを有する固定子と、
   前記固定子に対してギャップを介して回転可能な回転子と、
   前記固定子を保持する固定子フレームと、を備えた回転電機であって、
   前記コイルは、
   前記回転子の軸方向における端部よりも前記軸方向に突出したコイルエンドを有し、
   前記固定子フレームは、
   前記軸方向において前記コイルエンドに対向し、前記コイルエンドから遠ざかる方向に窪んだ凹部を有し、
   非導電性部材が、
   前記コイルエンドと前記凹部の両方と密着するように配置された回転電機。
2. 複数のスロットと前記スロットに配置されるコイルとを有する固定子と、
   前記固定子に対してギャップを介して回転可能な回転子と、
   前記固定子を保持する固定子フレームと、
   を備えた回転電機であって、
   前記コイルは、
   前記回転子の軸方向端部よりも軸方向に突出したコイルエンドを有し、
   前記固定子の軸方向端面と前記固定子フレームは、
   互いに異なる径を有する第１のスペーサと第２のスペーサを介して軸方向で接続されており、
   径方向において、前記コイルエンドは、前記第１のスペーサと前記第２のスペーサの間に配置され、
   前記コイルエンドと前記固定子フレームと前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとで囲まれる空間に、非導電性部材が配置されている回転電機。
3. 請求項２に記載の回転電機において、
   前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとは径方向に延びたリブで接続されている回転電機。
4. 請求項２又は３に記載の回転電機において、
   前記固定子フレームは、
   前記コイルエンドから遠ざかる方向に窪んだ凹部を有する回転電機。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記固定子フレームは、
   前記軸方向に貫通する複数個の穴を有する回転電機。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記固定子フレームは径方向の内側方向に貫通する穴を有する回転電機。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記固定子フレームは径方向の外側方向に貫通する穴を有する回転電機。
8. 請求項１又は請求項４乃至７のいずれか１項に記載の回転電機において、
   前記凹部は、
   前記凹部の内側面の一部が径方向の内側方向に膨らむ構成を有するか、
   前記凹部の内側面の一部が径方向の外側方向に膨らむ構成を有するか、
   またはその両方の構成を有する回転電機。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回転電機は、
   全閉型の外転型である回転電機。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回転電機を有するエレベータ用巻上機。
11. 複数のスロットと前記スロットに配置されるコイルとを有する固定子と、
    前記固定子に対してギャップを介して回転可能な回転子と、
    前記固定子を保持する固定子フレームと、前記回転子と回転軸とを接続する回転子フレームとを有する回転電機の製造方法であって、
    前記回転子、前記回転子フレーム、前記固定子、および前記固定子フレームを組み立てた後に、前記コイルと前記固定子フレームとを非導電性部材で密着する工程を有する回転電機の製造方法。
12. 請求項１１に記載の回転電機の製造方法において、
    前記回転電機は、前記固定子の軸方向端面と前記固定子フレームは、互いに異なる径を有する第１のスペーサと第２のスペーサを介して軸方向で接続されており、
    前記回転子、前記回転子フレーム、前記固定子、前記固定子フレーム、および前記第１のスペーサと前記第２のスペーサを組み立てた後に、前記コイルと前記固定子フレームと前記第１のスペーサと前記第２のスペーサとを非導電性部材で密着する工程を有する回転電機の製造方法。

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