JP4644875B2 - 電動機および電動機の回転子に用いられるエンドプレート - Google Patents

Description

本発明は、電動機および電動機の回転子に用いられるエンドプレートに関わり、特に、エンドプレートに発生する渦電流を抑制することによって、渦電流損を改善する技術に関わるものである。

従来の電動機は、例えば、図１０に示すような構造のものが一般的である。図１０において、（ａ）は側面図、（ｂ）は縦（Ａ−Ａ）断面図である。図１０に示す電動機は、界磁束発生源である回転子１０と、この回転子１０を回転させる回転磁界を発生するための固定子１２とから構成されている。

回転子１０は、回転子軸１４と、この回転子軸１４の軸方向に磁性鋼板を複数積層して形成される積層鉄心１６と、積層鉄心１６の軸方向の両端に配され、積層鉄心１６の軸方向の動きを規制する２つのエンドプレート１８と、から構成されている。また、積層鉄心１６の周方向には、所定の間隔を介して軸方向に開口して形成される複数の開口部が配置されており、これら複数の開口部のそれぞれには、磁石１９が嵌挿されている。したがって、２つのエンドプレート１８は、積層鉄心１６の開口部に嵌挿された磁石１９に対しても、軸方向の動きを規制する役割を担っている。

一方、固定子１２は、磁性鋼板を複数積層して形成される固定子鉄心２０を有しており、この固定子鉄心２０が備えるティース２１に対して複数相の固定子コイル２２が複数組巻回されることによって構成されている。この複数相の固定子コイル２２を用いて回転磁界を発生させることにより、回転子１０を回転させることができるようになっている。

このような電動機にあっては、近年、製造コスト低減と電動機効率向上の要請が非常に高くなっており、この要請の高まりに応じて種々の技術が創案され、開示されている（例えば、下記特許文献１〜３参照）。

ところで、従来の電動機において、回転子１０に使用されるエンドプレート１８については、一般的に銅製のものが用いられていた。そして、このエンドプレート１８には、プレート面に対して垂直方向に磁束が流れ込み（図１１中の矢印参照）、しかもこの磁束には変動があるため、エンドプレート面に渦電流が発生し、渦電流損を生じさせてしまうという問題が存在していた。この渦電流損の存在は、電動機効率の低下をもたらしてしまうものであり、その改善が求められていた。

そこで、下記特許文献４では、製造コスト低減と電動機効率向上を目的として、電動機の回転子に使用されるエンドプレートについて、磁石に接触しない部分をコストの安い磁性体で構成し、磁石に接触する部分を非磁性体で構成するという技術が開示されている。かかる技術は、コストの高い非磁性体の使用量を減らし、製造コストを低減するとともに、磁石からの磁束の漏洩を低減して渦電流損の低減を図り、電動機効率の向上を実現することができるというものである。

特開２００２−１１２４８１号公報 特開２００２−１３６０１３号公報 特開２００２−１３６０６７号公報 特開２００２−３４５１８６号公報

しかしながら、上記特許文献４に開示されている発明は、コスト低減効果を有する一方で、磁性体への漏れ磁束によってトルク低下が発生するという問題を抱えるものである。これは、磁石が接触しない部位においても磁性体が近くにあることで漏れ磁束の量が増加するためであり、特に、集中巻きのＰＭモータ（永久磁石式同期電動機）に上記特許文献４に係る発明を適用した場合には、トルクの低下に加えてエンドプレートでの渦電流損の増加が顕著となる。

本発明は、上記のような課題を解決するために成されたものであり、製造コスト低減と電動機効率向上を同時に実現できる電動機および電動機の回転子に用いられるエンドプレートを提供するものである。

本発明に係る電動機の回転子に用いられるエンドプレートは、回転子軸の軸方向に磁性鋼板を積層して形成される積層鉄心と、前記積層鉄心の周方向に所定の間隔を介して配置される磁石と、を備える電動機の回転子において、積層鉄心と磁石を軸方向の両側から挟持することによって、積層鉄心と磁石の軸方向の動きを規制するようにした電動機の回転子に用いられるものであって、前記積層鉄心の外周側および磁石を軸方向に押さえるために円環状に形成される第１のプレートと、前記積層鉄心の内周側および前記第１のプレートを軸方向に押さえるための第２のプレートと、から構成され、前記第１のプレートと第２のプレートとは、異なる材料で形成されており、前記第２のプレートの外径は、前記回転子軸の軸心を中心として前記磁石の内側面に接する内接円の直径以下となるように形成されていることを特徴とする。

また、本発明に係るエンドプレートにおいて、前記第１のプレートは非磁性材料で構成され、前記第２のプレートは金属材料で構成されていることが好適である。

すなわち、従来のエンドプレートが積層鉄心および磁石に接触していた部分のうち、磁石の内側面から積層鉄心の外周側までの範囲が最も渦電流損が発生しやすいので、かかる範囲に接触するエンドプレートの材質を非磁性材料とすることにより、渦電流の発生を抑制して電動機効率を向上させるのである。渦電流損低減のためにエンドプレートに設けられた非磁性材料については、セラミックスなどの電気抵抗率の高い材料を採用することが可能である。一方、エンドプレートのうち非磁性材料以外の部分については、金属材料を採用することにより、回転子のバランス調整の際の切削代とすることができる。この金属材料については、鉄、ステンレス、銅などが好適である。

さらに、本発明に係るエンドプレートでは、前記第１のプレートの膨張係数が前記第２のプレートの膨張係数より小さいことが好適である。

このような構成を採用することによって、高速回転にも耐えうるエンドプレートを得ることができる。

かかる条件に従ったエンドプレートを採用することにより、積層鉄心および磁石において最も渦電流損が発生しやすい範囲と接触する箇所を非磁性材料とし、積層鉄心および磁石の軸方向の動きを規制するという役割を維持し、さらには金属材料部分を切削代として回転子のバランス調整をも満足することが可能となる。

本発明に係る電動機は、界磁束発生源である回転子と、前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、を含むものであって、前記回転子は、回転子軸と、磁性鋼板を前記回転子軸の軸方向に積層して形成される積層鉄心と、前記積層鉄心の周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部と、前記複数の開口部にそれぞれ嵌挿される磁石と、積層鉄心の軸方向の両端に配され、積層鉄心と磁石の軸方向の動きを規制する２つのエンドプレートと、を含み、さらに、前記それぞれのエンドプレートは、本発明に係るエンドプレートであることを特徴とする。

また、本発明に係る電動機において、前記第１のプレートは非磁性材料で構成され、前記第２のプレートは金属材料で構成されていることが好適である。

さらに、本発明に係る電動機では、前記第１のプレートの膨張係数が前記第２のプレートの膨張係数より小さいことが好適である。

なお上記発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。

本発明によれば、製造コスト低減と電動機効率向上を同時に実現できる電動機および電動機の回転子に用いられるエンドプレートを提供することが可能となる。

以下、本発明を実施するための好適な実施形態について、図面を用いて説明する。なお、以下の実施形態は、各請求項に係る発明を限定するものではなく、また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、背景技術で示した部材と同一又は類似の部材については、同一符号を付して説明を省略する。

図１は、本発明が適用される回転子１０の外観形状を例示する縦断面図である。かかる回転子１０において、まず発明者は、積層鉄心１６やエンドプレート１８の磁束密度分布を調査・研究することにより、従来のエンドプレートの積層鉄心および磁石に接触している部分のうち、磁石の内側面から積層鉄心の外周側までの範囲が最も渦電流損が発生しやすいという知見を得た。

図２は、図１におけるｓ１断面の一部分を示す図であり、積層鉄心１６と磁石１９が示されている。この積層鉄心１６の外周部であるＡ点やＢ点と、磁石１９より内周側に位置するＣ点の磁束密度を測定すると、Ａ点やＢ点といった積層鉄心１６の外周部における磁束の変動が大きいことが明らかとなった（図３参照）。

また、積層鉄心１６からエンドプレート１８に対して磁束が漏れ出すことにより、エンドプレート１８の外周部でも磁束変動が大きくなることが確認された。図４は、図１における矢印ｓ２方向から見た場合のエンドプレート１８の磁束変動の結果を示す図であり、外周部であるＡ点やＢ点といった積層鉄心１６の外周部における磁束の変動が大きいことが示されている。さらに、図５は、図１における矢印ｓ３方向から見た場合のエンドプレート１８の磁束変動の結果を示す図であり、図４の場合と同様に、外周部であるＡ点やＢ点といった積層鉄心１６の外周部における磁束の変動が大きい。

したがって、エンドプレート１８上では、Ａ点やＢ点といった積層鉄心１６の外周部においてより多くの渦電流が発生してしまうので、図６に示すような外周部分、特に、磁石１９の内側面に接する内接円の外側部分に渦電流による損失が発生してしまうことが明らかとなった。

以上の知見を得たことから、発明者は、エンドプレートが本来有している、(1)積層鉄心１６と磁石１９の固定、および、(2)回転子１０の回転バランスを修正するための削り代、という機能を損なうことなく渦電流損失を低減することのできるエンドプレートを創案した。以下に、かかる要求を実現したエンドプレートについて、具体的に説明する。

［本発明に関する参考例］
本発明に関する参考例に係るエンドプレートを図７Ａおよび図７Ｂを用いて説明する。なお、図７Ａは、本参考例に係るエンドプレート３８を取り外した状態の積層鉄心１６と磁石１９の構成を示す側面図であり、図７Ｂは、図７Ａで示した積層鉄心１６と磁石１９に対して、本参考例に係るエンドプレート３８を取り付けた状態を示す図である。

図７Ｂにおいて示されるように、本参考例に係るエンドプレート３８は外周側に切欠部３９が設けられており、磁石上および磁石間に切欠部以外の部分４０が配置されるように形成されている。

また、本参考例に係るエンドプレート３８は、回転子軸の軸心を中心として切欠部３９の底面に接する内接円の直径（図７Ｂにおけるβ）が、回転子軸の軸心を中心として磁石１９の内側面に接する内接円の直径（図７Ａにおけるα）以下となるように形成されていることが好適である。

つまり、渦電流損失が発生しやすい範囲であるの積層鉄心１６の外周側および磁石１９上に接触するエンドプレートの接触面積を低減することにより、渦電流の発生を抑制して電動機効率を向上させることができるのである。なお、接触面積低減のためにエンドプレートに設けられた切欠部３９については、平歯車形状や開口部を設けた形状など、様々な態様を採用することが可能である（図７Ｃおよび図７Ｄ参照）。

［第１の実施形態］
続いて、第１の実施形態に係るエンドプレートを図８Ａおよび図８Ｂを用いて説明する。なお、図８Ａは、本実施形態に係る回転子１０の外観形状を示す縦断面図であり、図８Ｂは、本実施形態に係るエンドプレート４２，４４を示す外観側面図である。

本実施形態に係るエンドプレート４２，４４は、積層鉄心１６の外周側および磁石を軸方向に押さえるために円環状に形成される第１のプレート４２と、積層鉄心１６の内周側および第１のプレート４２を軸方向に押さえるための第２のプレート４４とから構成されている。これら第１のプレート４２と第２のプレート４４とは、異なる材料で形成されていることを特徴とするものである。

また、第２のプレート４４の外径（図８Ｂにおけるγ）は、回転子軸の軸心を中心として磁石１９の内側面に接する内接円の直径以下となるように形成している。

すなわち、従来のエンドプレートが積層鉄心１６および磁石１９に接触していた部分のうち、磁石１９の内側面から積層鉄心１６の外周側までの範囲が最も渦電流損が発生しやすいので、かかる範囲に接触するエンドプレート（第１のプレート４２）の材質を非磁性材料とすることにより、渦電流の発生を抑制して電動機効率を向上させることができるのである。渦電流損低減のためにエンドプレートに設けられた非磁性材料については、セラミックスや樹脂などの電気抵抗率の高い材料を採用することが可能である。一方、エンドプレートのうち非磁性材料以外（第２のプレート４４）の部分については、金属材料を採用することにより、回転子のバランス調整の際の切削代とすることができる。この金属材料については、鉄、ステンレス、銅などが好適である。

さらに、第１のプレート４２の膨張係数が第２のプレート４４の膨張係数より小さくなるように構成することが好適である。このような構成を採用することによって、高速回転にも耐えうるエンドプレートを得ることができるからである。

以上のような条件に従ったエンドプレート４２，４４を採用することにより、積層鉄心１６および磁石１９において最も渦電流損が発生しやすい範囲と接触する箇所を非磁性材料とし、積層鉄心１６および磁石１９の軸方向の動きを規制するという役割を維持し、さらには金属材料部分を切削代として回転子のバランス調整をも実施することが可能となる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態は、上述した第１の実施形態の変形例を示すものであり、同様の効果を得ることができる。図９Ａおよび図９Ｂが第２の実施形態に係るエンドプレート４６，４８を示しており、上述した第１の実施形態に係るエンドプレート４２，４４と異なる形状を有していることが明らかである。なお、図９Ａは、本実施形態に係る回転子１０の外観形状を示す縦断面図であり、図９Ｂは、本実施形態に係るエンドプレート４６，４８を示す外観側面図である。

本実施形態に係るエンドプレート４６，４８が上述した第１の実施形態に係るエンドプレート４２，４４と異なる点は、外周側に位置する第１のプレート４６の厚みが薄くなっており、設置状態において第２のプレート４８に覆われた状態となる処である。

その他の条件については上述した第１の実施形態の場合と同様であり、第１のプレート４６の材質を非磁性材料とすることにより、渦電流の発生を抑制して電動機効率を向上させ、第２のプレート４８の部分については、金属材料を採用することにより回転子のバランス調整の際の切削代とすることができる。また、第２のプレート４８の外径（図９Ｂにおけるδ）は、回転子軸の軸心を中心として磁石１９の内側面に接する内接円の直径以下となるように形成している。さらに、第１のプレート４６の膨張係数が第２のプレート４８の膨張係数より小さくなるように構成することが好適である。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態には、多様な変更又は改良を加えることが可能である。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

本発明が適用される回転子の外観形状を例示する縦断面図である。 図１におけるｓ１断面の一部分を示す図である。 積層鉄心と磁石における磁束の変動を示す図である。 図１における矢印ｓ２方向から見た場合のエンドプレートの磁束変動の結果を示す図である。 図１における矢印ｓ３方向から見た場合のエンドプレートの磁束変動の結果を示す図である。 エンドプレート上に発生する渦電流損失を示す分布図である。 本発明に関する参考例に係るエンドプレートを取り外した状態の積層鉄心と磁石の構成を示す側面図である。 図７Ａで示した積層鉄心と磁石に対して、参考例に係るエンドプレートを取り付けた状態を示す図である。 参考例に係るエンドプレートが採ることのできる一形態を例示する図である。 参考例に係るエンドプレートが採ることのできる一形態を例示する図である。 第１の実施形態に係る回転子の外観形状を示す縦断面図である。 第１の実施形態に係るエンドプレートを示す外観側面図である。 第２の実施形態に係る回転子の外観形状を示す縦断面図である。 第２の実施形態に係るエンドプレートを示す外観側面図である。 従来における一般的な電動機の構造を例示する図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は縦（Ａ−Ａ）断面図である。 従来のエンドプレートに流れ込む磁束の様子を示す図である。

１０ 回転子、１２ 固定子、１４ 回転子軸、１６ 積層鉄心、１８，３８ エンドプレート、１９ 磁石、２０ 固定子鉄心、２１ ティース、２２ 固定子コイル、３９ 切欠部、４０ 切欠部以外の部分、４２，４４ エンドプレート、４２，４６ 第１のプレート、４４，４８ 第２のプレート、４６，４８ エンドプレート。

Claims (4)

1. 回転子軸の軸方向に磁性鋼板を積層して形成される積層鉄心と、
   前記積層鉄心の周方向に所定の間隔を介して配置される磁石と、
   を備える電動機の回転子において、積層鉄心と磁石を軸方向の両側から挟持することによって、積層鉄心と磁石の軸方向の動きを規制するようにした電動機の回転子に用いられるエンドプレートであって、
   前記積層鉄心の外周側および磁石を軸方向に押さえるために円環状に形成される第１のプレートと、
   前記積層鉄心の内周側および前記第１のプレートを軸方向に押さえるための第２のプレートと、
   から構成され、
   前記第１のプレートと第２のプレートとは、異なる材料で形成されており、
   前記第２のプレートの外径は、前記回転子軸の軸心を中心として前記磁石の内側面に接する内接円の直径以下となるように形成されていることを特徴とするエンドプレート。
2. 請求項１に記載のエンドプレートにおいて、
   前記第１のプレートは非磁性材料で構成され、
   前記第２のプレートは金属材料で構成されていることを特徴とするエンドプレート。
3. 請求項１又は２に記載のエンドプレートにおいて、
   前記第１のプレートの膨張係数が前記第２のプレートの膨張係数より小さいことを特徴とするエンドプレート。
4. 界磁束発生源である回転子と、
   前記回転子を回転させる回転磁界を発生する複数相の固定子コイルが複数組固定子鉄心に巻回されて構成された固定子と、
   を含む電動機であって、
   前記回転子は、
   回転子軸と、
   磁性鋼板を前記回転子軸の軸方向に積層して形成される積層鉄心と、
   前記積層鉄心の周方向に所定の間隔を介して配置されるとともに、軸方向に開口して形成される複数の開口部と、
   前記複数の開口部にそれぞれ嵌挿される磁石と、
   積層鉄心の軸方向の両端に配され、積層鉄心と磁石の軸方向の動きを規制する２つのエンドプレートと、
   を含み、さらに、
   前記それぞれのエンドプレートは、
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のエンドプレートであることを特徴とする電動機。