JP4024480B2

JP4024480B2 - 回転電機の回転子

Info

Publication number: JP4024480B2
Application number: JP2001042909A
Authority: JP
Inventors: 慎二西村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP2002247817A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は回転電機に係るものであり、特にその回転子構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１８は従来の回転電機を示す側面断面図、図１９はその回転子部分を示す斜視図である。
この回転電機は、アルミニウム製のフロントブラケット３１及びリヤブラケット３２から構成されたケース３３と、このケース３３内に設けられ、一端部にプーリ３４が固定されたシャフト３５と、このシャフト３５に固定されたランドル型の回転子３６と、この回転子３６の両側面に固定されたファン３７と、ケース３３内の内壁面に固定されたステータ３８と、シャフト３５の他端部に固定され、回転子３６に電流を供給するスリップリング３９と、このスリップリング３９に摺動する一対のブラシ４０と、このブラシ４０を収納したブラシホルダ４１と、ステータ３８に電気的に接続され、ステータ３８で生じた交流を直流に整流する整流器４２と、ブラシホルダ４１に嵌着されたヒートシンク４３と、このヒートシンク４３に接着され、ステータ３８で生じた交流電圧の大きさを調整するレギュレータ４４とを備えている。
【０００３】
ステータ３８は、ステータコア４５と、このステータコア４５に導線が巻回され、回転子３６の回転に伴い、後述の回転子コイルからの磁束の変化で交流が生じるステータコイル４６とを備えている。
回転子３６は、電流を流して磁束を発生する回転子コイル４７と、この回転子コイル４７を覆って設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア４８とを備えている。
【０００４】
ポールコア４８は一対の交互に噛み合った第一のポールコア体４９及びポールコア体５０とから構成されている。第一のポールコア体４９及びポールコア体５０は、鉄製で厚みのある円盤状の基部をベースとして、外縁部に均等に複数の爪型形状の爪状磁極５１，５２が一方向に突出して一体構成される。隣り合う各爪状磁極５１，５２は、両爪間で磁束が漏れないよう、ある一定の磁極間隙間Ｌが設けられて配設されている。
【０００５】
以上のようなクローポール型回転子においては、中心部ポールコア４８に巻かれた回転子コイル４７により磁束を発生させ、中心部ポールコア４８から、側板４８ａ、爪状ポール４８ｂという磁路を形成する。
そして、爪状磁極５１，５２が片持ち梁形状で構成されるとともに、爪状磁極５１と爪状磁極５２の間は空気である。
又、全体を鍛造で作るので精度が出ず、機械加工を必要とする。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の回転電機は以上のように構成されているので、隣り合った爪状磁極間において、
図１９に示すような斜め方向の磁束Ｍが発生し、この軸方向成分磁束
Ｍ_１により鉄損が増加してしまう。
又、磁束を増やすため固定子鉄心積み厚さを大きくしても、界磁コアが飽和して磁束が増えない。
更に回転子の表面はでこぼこに構成されているため、風切り音がするという問題点があった。
又、磁束を低減するために磁極間隙間Ｌに永久磁石を挿入していたが、この永久磁石の保持が困難であるという問題点もあった。
【０００７】
更に、爪状磁極が片持ち梁形状に構成されているため、遠心力により変形し易くなるとともに、磁気力により振動し、磁気音の原因となっていた。
又、回転子は塊磁極で構成されるため、表面に渦電流が発生し易く効率が悪くなり、精度を出すため機械加工を行なうが、切り粉がはさまってコイルを傷つけるという問題点があった。
【０００８】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、鉄損を少なくするとともに、風切り音並びに磁気音を低減させることができる回転電機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係る回転電機の回転子は、回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるものであって、鉄板には界磁コイル挿入部及び磁極の根本から先端に軸方向に磁極の幅が徐々に狭くなるように設定された磁極を分離するための穴を設けるとともに、穴を回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆ったものである。
【００１０】
この発明の請求項２に係る回転電機の回転子は、穴に永久磁石を挿入したものである。
【００１１】
この発明の請求項３に係る回転電機の回転子は、回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるものであって、鉄板には界磁コイル挿入部及び軸方向にわたって形の変わらない磁極を分離するための穴を設けるとともに、穴を回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆い、更に磁極の先端部であり径方向内側に永久磁石を配置したものである。
【００１２】
この発明の請求項４に係る回転電機の回転子は、鉄板の最外周を波形に形成したものである。
【００１３】
この発明の請求項５に係る回転電機の回転子は、回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるブラシレス構造の回転電機の回転子であって、鉄板には界磁コイル挿入部及び磁極の根本から先端に軸方向に磁極の幅が徐々に狭くなるように設定された磁極を分離するための穴を設けるとともに、穴を回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆い、更に界磁コイルを保持するための部材を設けたものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施形態を図に基づいて説明する。図１はこの発明の実施の形態１による回転電機を示す側面断面図であり、図２は薄皮部を除いた回転子部分を示す斜視図、図３は回転子部分を示す側面図である。
又、図４と図５は回転子を構成する各鉄板を示す断面図と斜視図である。
【００１５】
これらの図において、１は回転電機を構成する回転子、２は回転軸、３は回転子１に電流を供給するスリップリング、Ａ〜Ｅは回転子１を構成する各鉄板であり、端から端まで形状が徐々に変化している。ただし全ての鉄板の形状が異なる必要はなく、何枚か同じ形状のものを積み重ねるようにしてもよい。
【００１６】
又、４は鉄板内に設けられた界磁コイル挿入部、５は回転軸挿入部、６は磁極を分離して、Ｎ極からＳ極への漏れ磁束を妨げるための穴又は溝であり、空洞部となっている。
７は界磁コイルの外側に位置する鉄板、８は界磁コイルの内側に位置する鉄板、９は穴６を覆う鉄製の薄皮部、１０は各鉄板を接合するためのピン又はリベット、１１は各鉄板に設けられ、ピン又はリベット１０を通すための穴である。
更に、１２はスリップリング３に摺動する一対のブラシ、１３はステータ、１４は回転子１の両側面に固定されたファンである。
【００１７】
本発明においては、各鉄板Ａ〜Ｅを積層してクローポール形状を作るものであり、各鉄板を積層し、内部に設けられた界磁コイル挿入部４には、回転軸２の方向に巻かれた界磁コイルを納める。各積層鉄板Ａ〜Ｅは、ピン又はリベット１０により、図５に示すように、各鉄板の対応する部分を固定することにより、図２に示すような、段付き状の磁極を有するクローポール型回転子が得られる。
尚、上記においては、ピン又はリベット１０により固定する場合を示したが、溶着、接着、抜きかしめなどで固定してもよい。
【００１８】
中心部に設けられた回転軸挿入穴５には、回転軸２を挿入し、この回転軸２にスリップリング３を取り付け、界磁コイルの給電に使う。
界磁コイルの外側の鉄板７は、中空円盤状に形成され、各磁極を分離する穴６があいた形状となり、空中に浮いたようになるが、ピン、リベット、溶着、接着、抜きかしめなどの固定手段によって、隣の鉄板に支えられることとなる。
【００１９】
磁極と磁極をつなぐ鉄製の薄皮部９は、少しの磁束で飽和するので、飽和した後は磁気特性としては空気と同等になる。
以上のように各鉄板Ａ〜Ｅを積層しているので、回転子１の表面損（固定子スロットパーミアンスの変化による回転子表面の渦電流損）が低減できるとともに、鉄製の薄皮部９で回転子表面全てがつながっているので、回転子表面がなめらかとなり、風切り音が低減できる。
【００２０】
このようにして、本発明は、鉄板Ａ〜Ｅを軸方向に積層して回転子１を構成し、回転子１内部に軸方向に対し同心状に巻かれた界磁コイルを有し、この界磁コイルに電流を流して、軸方向にＮ極、Ｓ極を作る。
そして、界磁コイルの軸方向両端の積層鉄板Ａ，Ｅで磁束を回転子１の外側へ導き、界磁コイルの外側の鉄板７で、回転子１の外周へ導いた磁束を界磁コイルの外側へ導き、界磁コイルの外側の鉄板７は、Ｎ極、Ｓ極をなすとともに、Ｎ極からＳ極への漏れ磁束を妨げる穴または溝６を設けたものである。
更に、上記穴または溝６は、磁極の根本から先端へ、磁極の幅を徐々に狭くするように設けられている。
【００２１】
上記のように構成することにより、組立後の機械加工が不要となり、切り粉によるコイルショートがなくなる。又、回転子表面がなめらかで、風切り音が小さくなるとともに、鉄板による積層構造なので、表面損が少なくなる。
【００２２】
図６は外周曲率を小さくして、鉄板の外周を波形に構成した各鉄板を示す断面図であり、このように構成することにより、図示しないステータと回転子１との間のギャップに変化を持たせると、それに対応して磁束密度分布が正弦波状になり、磁気音が低減する。
又、従来の工法では、このような外周加工を施すのは困難であったが、本発明のように鉄板を積層して製造する方法では、打抜きで鉄板を形成するので、曲率のある外周を加工し易くなる。
更に、各鉄板の外周形状を軸方向に徐々に変化させ、各隣り合う鉄板との間に連続性を持たせて、でこぼこを無くすようにすると、風切り音が減少する。
【００２３】
実施の形態２．
図７はこの発明の実施の形態２による回転電機の回転子部分を示す側面図、図８は回転子を構成する各鉄板を示す断面図である。図において、回転子１における磁極と磁極の間に設けられた穴６に永久磁石１５を挿入したものである。このように永久磁石１５を挿入することにより、漏れ磁束を低減させ、特性を向上させることができる。尚、図８においては、鉄板Ｃに永久磁石１５を挿入した場合を示しているが、他の鉄板に永久磁石１５を挿入してもよい。
【００２４】
そして極と極の間が鉄製の薄皮部９でつながっているので、永久磁石１５の磁束で薄皮部９を飽和させることができる。
又、磁石穴の形状は、永久磁石１５の形に合わせて加工すればよく、このように構成することにより、永久磁石１５の保持が簡単となる。
【００２５】
実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３による回転電機の回転子部分を示す側面断面図、図１０は同じく正面図、図１１は回転子を構成する各鉄板を示す断面図、図１２は回転子を展開した状態を示す図である。図において、１６は漏れ磁束を低減するための永久磁石、１７は界磁コイル、１８は永久磁石１６による磁束が逃げないようにするための空洞部、１９は磁極を分離するための穴、Ｘは界磁コイル１７に電流を流さないときの永久磁石１６による磁束の方向、Ｙは界磁コイル１７に電流を流した場合の磁束の方向であり、本実施形態においては、磁極の幅が軸方向において変わらないよう構成されている。
本実施形態においては、磁極の先端部、径方向内側に永久磁石１６を挿入することにより、図１２に示すように、回転子周方向に千鳥状に永久磁石１６が配置されることとなる。又、穴１９の表面は上記実施形態と同様、鉄製の薄皮部９によって覆われている。
【００２６】
界磁電流を流さないとき、永久磁石１６の磁束は、Ｘ方向で示されるように、ロータコアを通って戻ってくる（全てが漏れ磁束）。界磁コイル１７に界磁電流を流すと、Ｙ方向で示されるように、永久磁石１６が作る磁束と反対方向の磁束を作り、永久磁石１６による磁束はロータコアの方へ行かず、ステータ側へ行く。
つまり、極の先端はＺ方向で示されるように、永久磁石１６→ステータ（図示せず）→ロータコア（磁石の隣の極）→永久磁石１６と帰ってくるので、回転子１の中心部のコアまで永久磁石１６による磁束は到達しない。
【００２７】
即ち、回転子中心のコア径を小さくでき、界磁コイル１７のスペースを大きくとれる。
又、永久磁石１６の形状を簡素化できるとともに、安価に生産することができる。
更に、図１３(ａ)に示すように、従来の磁極においては、軸方向に対して斜めの磁束Ｊが生じるため、軸方向成分の磁束Ｋが発生して鉄損の原因となっていたが、本実施形態においては、磁極の幅が軸方向において変わらないように構成されており、図１３(ｂ)に示すように、斜め方向の磁束が発生しないため、磁束分布が軸方向にほぼ均等になり、クローポールで生じるステータの軸方向磁束が減り、鉄損が低減する。
【００２８】
本実施形態においても、積層鉄板Ｆ〜Ｉを用いるので、図１４に示すように、回転子外周の曲率を自由に設定することにより、外周を波形に形成することができる。
従来クローポールでは、外周加工する必要があり、この場合円筒切削なら簡単であるが、曲率を変えるには特殊な工作機械が必要であった。これに対し、本発明では容易に製作できる。これにより、実施の形態１の場合と同様、磁束密度分布を正弦波にでき、電磁騒音を低く抑えることが可能となる。
更に、図１４に示すように、回転子１とステータ２０とのギャップを広げることにより、ｑ軸インダクタンスを低減できる。これにより、ステータコイルに電流が流れたとき、ｑ軸部分の磁気抵抗が大きいので、磁束が減り、電機子反作用が小さくなり、発電出力が大きい発電機を得ることができる。
【００２９】
実施の形態４．
図１５はこの発明の実施の形態４によるブラシレス構造の回転電機の回転子部分を示す側面断面図、図１６は回転子を構成する各鉄板を示す断面図であり、実施の形態１に比べて鉄板Ａの構造のみが異なっている。又、図１７は従来のブラシレス構造の回転電機を示す断面図である。
図１５，図１６において、２１は回転電機を構成する回転子、２２は回転軸、２３は界磁コイル、２４は磁性体からなるコイル保持部材、Ａ〜Ｅは回転子２１を構成する各鉄板である。
又、図１７において、２５はシャフト、２６は回転子、２６ａは第１の極となる爪状界磁磁極、２６ｂは第２の極となる爪状界磁磁極、２６ｃはリング状の非磁性体、２６ｄは回転界磁コア、２７は界磁コイル、２８は固定界磁コア、２９はステータ、２９ａはステータコイルである。
【００３０】
従来のブラシレス構造は、図１７に示すように、Ｎ極とＳ極の磁極を非磁性体２６ｃを間に介して溶接などで固定していたので、工作が難しかった。
これに対して本実施形態によれば、Ｎ極とＳ極は、はじめから鉄製の薄皮部９でつながっているので、非磁性体を用意する必要がなく、工作を容易に行なうことができる。
このように、本実施形態によれば、鉄板Ａ〜Ｅを積層し、これらを溶接またはかしめを施すことにより回転子を構成することができる。尚、漏れ磁束を低減させるための永久磁石は、実施の形態２で示すように設けてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
この発明の請求項１に係る回転電機の回転子によれば、回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるものであって、鉄板には界磁コイル挿入部及び磁極の根本から先端に軸方向に磁極の幅が徐々に狭くなるように設定された磁極を分離するための穴を設けるとともに、穴を回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆ったので、回転子表面の渦電流損を低減させることができるとともに、回転子表面がなめらかとなり、風切り音を低減させることができる。
【００３２】
この発明の請求項２に係る回転電機の回転子によれば、穴に永久磁石を挿入したので、永久磁石の保持が簡単にできる。
【００３３】
この発明の請求項３に係る回転電機の回転子によれば、回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるものであって、鉄板には界磁コイル挿入部及び軸方向にわたって形の変わらない磁極を分離するための穴を設けるとともに、穴を回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆い、更に磁極の先端部であり径方向内側に永久磁石を配置したので、界磁コイルのスペースを大きくとることができるとともに、鉄損を減少させることができる。
【００３４】
この発明の請求項４に係る回転電機の回転子によれば、鉄板の最外周を波形に形成したので、磁束密度分布を正弦波状にすることができ、磁気音を低減させることができる。
【００３５】
この発明の請求項５に係る回転電機の回転子によれば、回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるブラシレス構造の回転電機の回転子であって、鉄板には界磁コイル挿入部及び磁極の根本から先端に軸方向に磁極の幅が徐々に狭くなるように設定された磁極を分離するための穴を設けるとともに、穴を回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆い、更に界磁コイルを保持するための部材を設けたので、工作を容易に行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による回転電機を示す側面断面図である。
【図２】この発明の実施の形態１による回転電機の回転子部分を示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１による回転電機の回転子部分を示す側面図である。
【図４】回転子を構成する各鉄板を示す断面図である。
【図５】回転子を構成する各鉄板を示す斜視図である。
【図６】回転子を構成する各鉄板を示す断面図である。
【図７】この発明の実施の形態２による回転電機の回転子部分を示す側面図である。
【図８】この発明の実施の形態２による回転電機の回転子を構成する各鉄板を示す断面図である。
【図９】この発明の実施の形態３による回転電機の回転子部分を示す側面断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態３による回転電機の回転子部分を示す正面図である。
【図１１】回転子を構成する各鉄板を示す断面図である。
【図１２】回転子を展開した状態を示す図である。
【図１３】磁極部分を示す平面図(ａ)，(ｂ)である。
【図１４】この発明の実施の形態３による回転電機の回転子部分を示す正面図である。
【図１５】この発明の実施の形態４による回転電機の回転子部分を示す側面断面図である。
【図１６】この発明の実施の形態４による回転電機の回転子を構成する各鉄板を示す断面図である。
【図１７】従来の回転電機を示す側面断面図である。
【図１８】従来の回転電機を示す側面断面図である。
【図１９】従来の回転子部分を示す斜視図である。
【符号の説明】
１回転子、２回転軸、４界磁コイル挿入部、６穴、９薄皮部、
１５，１６永久磁石、１９穴、２３界磁コイル、２４コイル保持部材、
Ａ〜Ｉ鉄板。

Claims

回転軸に対して複数の鉄板を積層してなる回転電機の回転子であって、上記鉄板には界磁コイル挿入部及び磁極の根本から先端に軸方向に磁極の幅が徐々に狭くなるように設定された磁極を分離するための穴を設けるとともに、上記穴を上記回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆ったことを特徴とする回転電機の回転子。
穴に永久磁石を挿入したことを特徴とする請求項１記載の回転電機の回転子。
回転軸に対して複数の鉄板を積層してなる回転電機の回転子であって、上記鉄板には界磁コイル挿入部及び軸方向にわたって形の変わらない磁極を分離するための穴を設けるとともに、上記穴を上記回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆い、更に磁極の先端部であり径方向内側に永久磁石を配置したことを特徴とする回転電機の回転子。
鉄板の最外周を波形に形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の回転電機の回転子。
回転軸に対して複数の鉄板を積層してなるブラシレス構造の回転電機の回転子であって、上記鉄板には界磁コイル挿入部及び磁極の根本から先端に軸方向に磁極の幅が徐々に狭くなるように設定された磁極を分離するための穴を設けるとともに、上記穴を上記回転子表面全てがつながるように薄皮部で覆い、更に上記界磁コイルを保持するための部材を設けたことを特徴とする回転電機の回転子。