JP4374507B2

JP4374507B2 - 電動機

Info

Publication number: JP4374507B2
Application number: JP16762599A
Authority: JP
Inventors: 久間昌史佐
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2019-06-15
Also published as: JP2000358341A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子鉄芯のスロットにコイルを挿入したステータ，固定子鉄芯を保持するフレームおよびロータ軸受を保持するブラケットから構成される電動機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４に、この種の電動機の１つであるＳＲモータ（スイッチドリラクタンスモータ）の縦断面を示す。このＳＲモータは、ステータポール数６、ロータポール数４であり、珪素鋼板を厚肉円筒状に積層し内面に６個の、軸心が延びる方向ｙに延びるスロットを刻み、これにより６個の突極を内空間に突出させた形の固定子鉄芯３に、各突極を周回する６組の電気コイル４が装着されている。すなわち、各電気コイル４の、鉄芯３の軸心が延びる方向ｙに平行な長辺が鉄芯３のスロットに挿入され、該軸心を中心とする回転方向ＣＷ（時計方向）／ＣＣＷ（反時計方向）すなわち紙面に垂直な方向、に延びる短辺が、鉄芯３の端面の外にある。鉄芯３の端面外にあるコイル部分をコイルエンドと称す。
【０００３】
回転軸１には、珪素鋼板を厚肉円筒状に積層し外面に４個の、軸心が延びる方向ｙに延びるスロットを刻み、これにより４個の突極を外方に突出させたロータが、図示しないキー等によって固定されている。回転軸１はベアリング８および９を介して、ブラケット５および６で回転自在に支持されている。これらのブラケット５および６は、鉄芯３を支持するフレームＦｒの端部に固着されている。ブラケット５，６およびフレームＦｒは、アルミ等（金属材料）であり、導電性が高い。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
(1)導電性が高い材質のブラケット，フレームを用いる場合、それらの直近のコイルエンドに流れる電流に誘導される磁界を介して渦電流が発生し、発熱，電力効率低下等を生ずる。したがって、フレームＦｒの内面とコイルエンドとの距離Ｌ１，ブラケット５，６の内面とコイルエンドとの距離Ｌ２およびベアリング支持スリーブの外周面とコイルエンドとの距離Ｌ３を、渦電流等による発熱，効率低下が問題にならない範囲で、設定している。この観点から、コイル４のコイルエンドと構造部材５，６，Ｆｒとの間隔Ｌ１〜Ｌ３には、下限値を定めている。
【０００５】
(2)一方、冷却方式が自然空冷や、フレームに水路を設ける水冷の場合、コイルの冷却ならびにモータ小型化のために、コイル４のコイルエンドと構造部材５，６，Ｆｒとの間隔Ｌ１〜Ｌ３を極力狭くするのが望ましい。
【０００６】
以上の(1)および(2)を両立させるように、間隔Ｌ１〜Ｌ３が設定されるが、(1)の渦電流による発熱と電力効率低下が、間隔Ｌ１〜Ｌ３を短くするのに妨げとなり、モータ小型化に限界があった。
【０００７】
本発明は、渦電流による発熱を低減し電力効率を高くすることを第１の目的とし、電動機を小型化することを第２の目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
ステータコイルに流れる電流Ｉは、ロータ回転に伴い、変化する。それに伴い、コイル回りには、変動する磁界φが発生する。当磁界中に、電気抵抗の低い物が有るとそこには、渦電流Ｉｅが流れ、その結果、モータの電力効率が低下する。
【０００９】
ところで、ステータコイルは固定であるため、発生する磁界分布φは、強弱と向き以外は、一定である。その結果、発生する渦電流Ｉｅの方向も一定である。
従って、渦電流の流れる方向に、電気抵抗の低い物が、分断されるように配置すれば、渦電流を小さく出来る。
【００１０】
（１）そこで本発明は、ステータコイル(4)、および、ステータコイル(4)を受入れた複数の、回転軸心を中心とする回転方向に分布するスロット、を有する固定子鉄芯(3)；該固定子鉄芯(3)を保持する、金属材料のフレーム(5s,6s)；固定子鉄芯(3)が囲む空間にあるロータ(2)；ならびに、ロータ軸受(8,9)を保持する、金属材料のブラケット(5e,6e)；を備える電動機において、
前記フレーム(5s,6s)あるいはブラケット(5e,6e)の、前記スロット外のコイルエンドに対向する内面に、コイルエンドに流れる電流の方向(CW/CCW)に分布しそれぞれが該方向に垂直な方向(r,y)に延びる複数の凹凸（10a,r,s,11a,r,s)；を有し、
コイルエンドの、ロータ回転方向(CW/CCW)に沿う方向の電流による磁界を強く受ける内面の凸部（10a,s，11a,sのLp)とコイルエンドの最短距離よりも、コイルエンドの、ロータ軸が延びる方向(y)に沿う部分の電流による磁界を強く受ける内面の凸部（10a,s，11a,sのSp)とコイルエンドの最短距離が、大きい；
ことを特徴とする。
【００１１】
なお、理解を容易にするためにカッコ内には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、参考までに付記した。以下も同様である。
【００１２】
これによれば、コイルエンドに流れる電流の方向に対し、垂直方向に延びる凹凸（10a,r,s,11a,r,s)が、該電流の方向に分布するので、これらの凹凸が渦電流路を分断し、渦電流レベルを抑制する。その結果、フレーム(5s,6s)あるいはブラケット(5e,6e)の、コイルエンドに隣接対向する凹凸を、コイルエンドに接近させる事が出来る。すなわちＬ１〜Ｌ３を短くできる。したがってモータを小型化出来る。加えて、短くすると、発熱体であるコイルエンドと放熱体であるフレーム(5s,6s)あるいはブラケット(5e,6e)との間の熱抵抗が低下し、コイルエンドの冷却能力が向上する。従って、コイル電流密度を高く設定できるようになり、モータを小型化出来る。
【００１３】
更に、構造部材であるフレーム(5s,6s)あるいはブラケット(5e,6e)に凹凸（10a,r,s,11a,r,s)があるので、構造部材の厚みを薄くしても機械的強度は高く、モータを小型化出来る。又、一般に構造部材のモータ外側に設けられるリブ等の強度部材を省略することもできる。
【００１４】
一方、各コイルエンドは、ロータの回転方向ＣＷ／ＣＣＷに沿う一短辺と、それに連続する、ロータ軸が延びる方向ｙに延びる二長辺のスロット外部分とで構成されるコの字形部分である。その短辺部分に流れる電流の方向は回転方向ＣＷ／ＣＣＷであり、該方向に垂直な方向(r，y)に延びる複数の凹凸（10a,r,s,11a,r,s)が、短辺に流れる電流起因の渦電流を有効に抑制する。しかし、コイルエンドの、前記スロット外部分の二長辺に対向する、凸条（Sp)は、二長辺に流れる電流の方向が軸方向ｙであるので、その電流により誘起される渦電流を抑制する効果は無く、逆に、凸条（Sp)がコイルに近く、渦電流路を与えてしまう。そこで本発明は更に、コイルエンドの、ロータ回転方向に沿う方向の端部分の電流による磁界を強く受ける内面の凸条とコイルエンドの最短距離よりも、コイルエンドの、ロータ軸が延びる方向に沿う部分の電流による磁界を強く受ける内面の凸条とコイルエンドの最短距離を、大きくした。これにより、前記スロット外部分の二長辺に対向する、凸条（Sp)による渦電流の増大が避けられる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（２）前記フレーム(5s)と片側ブラケット(5e)とが連続一体でカップ状の構造体(5)であり、該構造体(5)は、前記コイルエンドに対向する内面に、ロータ軸が延びる方向(y)から回転の半径方向(r)に連続して延び(10s,10r,10a)、回転方向(CW/CCW)に分布する複数の凹凸（10s〜10a)を有する。これらの凹凸（10s〜10a)が、フレーム(5s)から片側ブラケット(5e)に及んで連続の内面リブとして、フレーム(5s)と片側ブラケット(5e)との連続部分の機械的強度を高くする。したがってフレーム(5s)および片側ブラケット(5e)を薄肉にしモータを小型にすることができる。
【００１６】
（３）前記片側ブラケット(5e)と対向するもう１つのブラケット(6e)は、コイルエンドを受入れる浅底カップ状の構造体(6)であり、この構造体(6)も、コイルエンドに対向する内面に、ロータ軸が延びる方向(y)から回転の半径方向(r)に連続して延び(11s,11r,11a)、回転方向(CW/CCW)に分布する複数の凹凸（11s〜11a)を有する。この構造体(6)でも、凹凸（11s〜11a)が、カップの筒部分すなわちフレーム部分(6s)と底部分すなわちブラケット(6e)に及んで連続の内面リブとして、筒部分(6s)と底部分(6e)との連続部分の機械的強度を高くする。したがって筒部分(6s)と底部分(6e)を薄肉にしモータを小型にすることができる。
【００１７】
（４）前記凹凸（10a,r,s,11a,r,s)とコイルエンド間を絶縁伝熱体で埋める。これにより、コイルエンドの熱をフレーム(5s,6s)あるいはブラケット(5e,6e)に伝えやすくなるので、コイルの放熱効果が高くなり、モータを小型化することができる。
【００１８】
本発明の他の目的および特徴は、図面を参照した以下の実施例の説明より明らかになろう。
【００１９】
【実施例】
図１に本発明の一実施例の縦断面を示す。この電動機は、大要では図４に示す従来例と同様な構造の、ステータポール数６、ロータポール数４のＳＲモータであるが、細かくは、フレーム５ｓとブラケット５ｅとが一体連続であって、カップ状の構造体５となっている。フレーム５ｓは、固定子鉄芯３の全体を保持しその左側端面の位置まで延びている。構造体５の、コイル４のコイルエンドに対向する内面に、フレーム５ｓの内面にあって軸方向ｙに延びる部分１０ｓ，ブラケット５ｅの内面にあってロータ回転の半径方向ｒに延びる部分１０ｒおよびべアリング８を受けるスリーブの外周面にあって軸方向ｙに延びる部分１０ａが一体連続の、多数の凸条があり、ロータ回転方向ＣＷ／ＣＣＷに等ピッチで分布している。すなわち、ロータの回転軸に関して半径方向に放射状に分布している。
【００２０】
もう一方の構造体６は、固定子鉄芯３左側端面の位置まで延びてフレーム５ｓに連なる浅い円筒６ｓとブラケット６ｅとが一体連続であって、カップ状である。構造体６の、コイル４のコイルエンドに対向する内面に、円筒６ｓの内面にあって軸方向ｙに延びる部分１１ｓ，ブラケット６ｅの内面にあってロータ回転の半径方向ｒに延びる部分１１ｒおよびべアリング９を受けるスリーブの外周面にあって軸方向ｙに延びる部分１１ａが一体連続の、多数の凸条があり、ロータ回転方向ＣＷ／ＣＣＷに等ピッチで分布している。すなわち、ロータの回転軸に関して半径方向に放射状に分布している。
【００２１】
構造体６は、それを貫通し構造体５のフレーム５ｓにねじ込まれた複数のボルト７によって、構造体５に固着されている。
【００２２】
図２に、ブラケット６ｅのベアリング支持スリーブの外周面とコイルエンドとの間に外周が位置する仮想筒状に電動機を破断し、破断面を図１上の２Ｒ−２Ｒ矢印線方向に見た平面展開図を示す。ブラケット６ｅは回転方向ＣＷ／ＣＣＷに沿って破断しているので、多数の凸条１１ｒがＣＷ／ＣＣＷ方向全周（３６０度）に分布し、凸条間に凹溝ができている。固定子鉄芯３のスロットには電気コイル４の長辺が挿入されている。電気コイル４のＣＷ／ＣＣＷに延びる短辺が、凸条１１ｒに最も近く、そこをＣＷ／ＣＣＷ方向に流れる電流がＣＷ／ＣＣＷ方向に延びる仮想線（短辺）を中心にループ磁束を生じ、この磁束によってそれを中心に紙面（図２）に平行な渦電流（旋回中心が半径方向ｒ）が誘起される。この渦電流の方向は、ブラケット６ｅの内表面部ではＣＷ／ＣＣＷ方向であり、この方向には凸条１１ｒが分布し凸条間の凹溝によって渦電流路が制限され、渦電流が抑制される。すなわち、渦電流値が小さくなり、発熱量が下がる。したがって凸条１１ｒの頂点とコイルエンドとの距離を、従来のブラケット内表面／コイルエンド間距離よりも短くすることができる。もう一方のブラケット５ｅの凸条１０ｒも上述の凸条１１ｒと同等の効果をもたらす。
【００２３】
図３に、ブラケット６ｅのベアリング支持スリーブ，コイルエンドおよび円筒６ｓにまたがる、軸心方向ｙに垂直な平面で電動機を破断し、破断面を図１上の３Ｙ−３Ｙ矢印線方向に見た、円周を直線にするように展開した断面展開図を示す。この実施例では、固定子鉄芯３のスロットの深さを、１個の電気コイルの長辺がぴったりはまる幅としているので、１つのスロットの周方向に、隣り合う２個の電気コイルの各長辺が重なり合っている。該長辺の部位を流れる電流は図３紙面と垂直な方向であり、軸心ｙを中心とし紙面に平行な旋回磁束を生じ、これによってＣＷ／ＣＣＷ方向に延びる直線を中心に旋回する渦電流が、構造体５，６に流れようとする。この渦電流の方向は凸条１１ａ，１１ｓ／１０ａ，１０ｓが延びる方向ｙであり、これらの凸条間の凹溝はこの渦電流の抑制に寄与せず、凸条がコイルエンドの長辺部に近いことにより、かえってそれに流れる渦電流が増えるおそれがある。
【００２４】
そこでこの実施例では、コイルエンドの長辺部に対向する凸条Ｓｐの高さを、短辺に対向する凸条Ｌｐの高さよりも低くして、コイルエンドとの最短距離を大きくすることにより、凸条Ｓｐでの渦電流の増大を回避した。なお、コイルエンドの長辺部に対向する部位は凹溝のみとし、凸条Ｓｐを削除してもよい。
【００２５】
コイルエンドの短辺（図３上ではコイル４の、Ａ部位）に流れる電流によって、ＣＷ／ＣＣＷ方向の線を中心とする旋回磁束を生じこの磁束がｙ軸を中心とし紙面に平行な渦電流を、構造体６（５も同様）に誘起する。この渦電流は、構造体６のブラケット６ｅのベアリング受けスリーブの外周面および円筒６ｓの内周面では凸条１１ａ（の中のＬｐ）および１１ｓ（の中のＬｐ）が延びる方向ｙと直交する方向であるので、凸条間の凹溝によって渦電流路が制限され、渦電流が抑制される。すなわち、渦電流値が小さくなり、発熱量が下がる。したがって凸条Ｌｐの頂点とコイルエンドとの距離を、従来の構造体内面／エンドコイル間距離よりも短くすることができる。もう一方の構造体５の凸条も上述と同等の効果をもたらす。
【００２６】
以上に説明した構造体５および６はいずれも、アミルダイカスト製品であり、凸条が、構造体５および６の一部として一体連続に形成されている。しかし、構造体５および６を、上述の多数の凸条を間に凹溝を置いて一体に形成した介挿材と、それを受入れる基体の組合せとして、基体に介挿材を圧入して両構造体を固定子鉄芯３と共に一体に固着してもよい。また、該凸凹部とコイルエンド間を絶縁良熱伝導体で埋めるのもよい。この場合には、コイル放熱の吸収と構造体への伝熱の効率が高く、コイルエンドの放熱効果が更に高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の縦断面図である。
【図２】図１に示すブラケット６ｅのベアリング支持スリーブの外周面とコイルエンドとの間に外周が位置する仮想筒状に電動機を破断し、破断面を図１上の２Ｒ−２Ｒ矢印線方向に見た平面展開図を示す。
【図３】図１に示すブラケット６ｅのベアリング支持スリーブ，コイルエンドおよび円筒６ｓにまたがる、軸心方向ｙに垂直な平面で電動機を破断し、破断面を図１上の３Ｙ−３Ｙ矢印線方向に見た、円周を直線にするように展開した断面展開図を示す。
【図４】従来の一形式の電動機の縦断面図である。
【符号の説明】
１：回転軸２：ロータ
３：固定子鉄芯４：電気コイル
５：構造体Ｆｒ，５ｓ：フレーム
５ｅ：ブラケット６：構造体
６ｅ：ブラケット６ｓ：円筒
７：ボルト８，９：ベアリング
10a,10r,10s/11a,11r,11s/Lp,Sp：凸条

Claims

ステータコイル、および、ステータコイルを受入れた複数の、回転軸心を中心とする回転方向に分布するスロット、を有する固定子鉄芯；該固定子鉄芯を保持する、金属材料のフレーム；固定子鉄芯が囲む空間にあるロータ；ならびに、ロータ軸受を保持する、金属材料のブラケット；を備える電動機において、
前記フレームあるいはブラケットの、前記スロット外のコイルエンドに対向する内面に、コイルエンドに流れる電流の方向に分布しそれぞれが該方向に垂直な方向に延びる複数の凹凸；を有し、
コイルエンドの、ロータ回転方向に沿う方向の電流による磁界を強く受ける内面の凸部とコイルエンドの最短距離よりも、コイルエンドの、ロータ軸が延びる方向に沿う部分の電流による磁界を強く受ける内面の凸部とコイルエンドの最短距離が、大きい；
ことを特徴とする電動機。
前記フレームと片側ブラケットとが連続一体でカップ状の構造体であり、該構造体は、前記コイルエンドに対向する内面に、ロータ軸が延びる方向から回転の半径方向に連続して延び、回転方向に分布する複数の凹凸を有する、請求項１記載の電動機。
前記片側ブラケットと対向するもう１つのブラケットは、コイルエンドを受入れる浅底カップ状の構造体であり、この構造体も、コイルエンドに対向する内面に、ロータ軸が延びる方向から回転の半径方向に連続して延び、回転方向に分布する複数の凹凸を有する、請求項２記載の電動機。