JP5290118B2

JP5290118B2 - 回転電機及びこれに使用される回転子

Info

Publication number: JP5290118B2
Application number: JP2009239323A
Authority: JP
Inventors: 昭夫松井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2013-09-18
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: JP2011087426A

Description

この発明は、モータ、発電機等の回転電機とこれに使用される回転子に関するものである。

一般に、回転電機においては、鉄損を減らすために磁性体でできた薄板状のコア部材を積層して形成される積層鉄心が用いられている。ここで、回転子用の積層鉄心は回転軸を中心としてこれから放射状に配置された磁極ティース部を有しており、固定子用の積層鉄心はエアギャップを介して回転子の磁極ティース部の先端部と対向してこれを取り囲むように配置されている。

また、固定子用の積層鉄心と回転子用の積層鉄心は各々対向する部位において凹凸形状を有するため、回転子と固定子間の変動磁場について回転子の磁極数に対応する基本波以外の高調波成分を有している。この高調波成分は特に固定子と回転子の間のエアギャップ近傍、すなわち、磁極ティース部の先端部において、数百〜数千Ｈｚ程度以上の高周波数で変動して渦電流損失を誘導する。

従来の回転電機に使用される回転子においては、回転子の回転に伴って前記空隙の空気を軸方向の一方に流動させる推力を与えるための螺旋状の溝を設けることにより、これらの溝のみで、あるいは冷却用の送風機（ファン）を併用することにより、前記エアギャップ内を流れる空気の流量を増大させ、磁極ティース部の先端部における冷却効率の向上を図っていた。（例えば、特許文献１）。

特開平８−２７５４２１（３頁、図１）

上記のような回転子では、コア部材を積層して積層鉄心を形成した後、螺旋状の溝を設けるために積層鉄心の外周面を切削加工する必要がある。この切削加工によって積層されたコア部材の切削加工面において導通が生じるため、渦電流損失はさらに増大し、モータ効率の低下を招くと同時に、回転子の積層鉄心の冷却が十分に行えないという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、積層鉄心の磁極ティース部の先端部における発熱を効率よく冷却することができる回転子を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、回転軸を中心として放射状に配置された磁極ティース部を有する複数のコア部材が積層して形成された積層鉄心と、積層鉄心の磁極ティース部に巻回されたコイルとを備え、コイルから突出した積層鉄心の磁極ティース部の先端部に貫通穴が形成されるように、コア部材に予め凹部、切れ込み部、又は穴部が形成された回転子と、回転子の積層鉄心の磁極ティース部の先端部とエアギャップを介して対向し、回転子を取り囲むように配置された積層鉄心を有する固定子と、回転軸方向に気流を発生させるファンとを有し、回転子の積層鉄心は、貫通穴の一端が気流の上流側に設けられており、他端が一端よりも気流の下流側に設けられたことを特徴とする。

この発明に係る回転電機によると、回転子の磁極ティース部の先端部に貫通穴が形成されているため、特に渦電流損失による発熱の大きい磁極ティース部の先端部において周囲の空気と接触する面積を増やすことができ、この部分の冷却を強化することができる。
また、上記貫通穴が形成されるようにコア部材には予め凹部、切れ込み部又は穴部が形成されているため、従来技術のように積層後切削加工を施す必要もなく、切削加工によるコア部材間の導通が生じないため、渦電流損失が増大することもない。

本発明の実施の形態１による回転子の外形及び断面を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、図１のＡ−Ａ断面図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の部分拡大図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の断面を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の断面を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の形状を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の形状を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の形状を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の形状を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の形状を示す図である。本発明の実施の形態１による回転子について、ウェッジの形状を示す図である。本発明の実施の形態２による回転電機の内部構造を示す図である。本発明の実施の形態２による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の断面を示す図である。本発明の実施の形態２による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の断面を示す図である。本発明の実施の形態２による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の断面を示す図である。本発明の実施の形態２による回転子について、磁極ティース部の先端部に設けた貫通穴の断面を示す図である。

実施の形態１．
図１から図４は本発明の実施の形態１による回転電機の回転子１に関する構造を示す図面である。図１は回転軸の左半分が外形図、右半分が回転軸に沿った断面を示している。回転子は回転軸２の両端を軸受３ａ、３ｂにより回転可能に保持されており、両軸受３ａ、３ｂのほぼ中央部には積層鉄心４とコイル５が配置されている。

図２は図１のＡ−Ａ断面、図３は磁極ティース部の部分拡大図であるが、積層鉄心４は複数枚のコア部材６を回転軸２の方向に積層して構成されている。また、コイル５は積層鉄心４の磁極ティース部７の周囲を巻回して形成されおり、磁極ティース部７の先端部８にはコイル５が巻回されておらずコイル５から突出している。

図３に示すとおり、磁極ティース部７の先端部８において貫通穴９が形成されているが、この貫通穴９の一端１０から他端１１に至るＢ−Ｂ断面の一例を図４に示す。この貫通穴９は４枚のコア部材６ａ〜６ｄに渡って形成されており、このうち本図において上から２枚目の６ｂには板厚が薄くなった凹部１２ｂと、コア部材が全く欠落した切れ込み部１３ｂが形成されている。同様に上から３枚目のコア部材６ｃにも、凹部１２ｃと切れ込み部１３ｃとが形成されている。これらの凹部１２ｂ、１２ｃと切れ込み部１３ｂ、１３ｃとを適宜配置することにより、連通する貫通穴９が形成されている。

上記凹部１２ｂ、１２ｃについては、コア部材６を積層する前の単品の状態において、予め切削加工またはエッチング加工（ハーフエッチング）等により形成することが可能である。また切れ込み部１３ｂ、１３ｃについては、切削加工、エッチング加工に加えてパンチングによる打ち抜きによっても形成できる。ここで、切削加工やパンチングによって形成する場合には加工歪により磁気特性の劣化を引き起こす場合もあるが、エッチングによるとこのような磁気特性の劣化に伴って鉄損が増加することもないため、特に高効率なモータ機器を得ることができる。

又は、図５には別の形態の貫通穴９ａのＢ−Ｂ断面図を示すが、このように一枚のコア部材６ｃに凹部１２ｃのみを設けることによっても、連通する貫通穴９ａを形成することができる。この凹部１２ｃについてもコア部材６を積層する前の単品の状態において、予め切削加工またはエッチング加工（ハーフエッチング）等により形成することが可能である。

更に本実施の形態においては、図３に示すように貫通穴の一端１０が磁極ティース部７の先端部８において回転方向前面側１４に設けられており、他端１１が前記一端１０よりも反回転方向に設けられている。ここで、回転方向前面側１４とは図３において破線で示した部分であり、回転子１の回転に伴って磁極ティース部７に対して周囲に存在する空気が吹き付けられる面のことをいう。

このような貫通穴９の条件を満たすものの例を図６〜図１０に示す。図６に示すように貫通穴の一端１０ｂをコイル５の内側に配置してもよい。コイル５を構成する線材間には隙間があるため、貫通穴９ｂに導く空気流の一部についてコイル５を経由させることにより、コイル５の内部も冷却を行うことが可能である。また、貫通穴９内の空気が流れやすいように、図７に示すように貫通穴９ｃを適宜湾曲させたり、図８に示すように一端１０ｄから他端１１ｄに至るにつれて貫通穴９ｄの断面を大きくしたりしてもよい。また、図９に示すように回転方向とほぼ同一方向となるように貫通穴９ｅを形成してもよい。一方、回転方向が一方向に定まらず双方向に回転する場合には、図１０に示すように貫通穴９ｆが半径方向に向くように配置してもよい。

回転子１を高速回転する場合には、コイル５に作用する遠心力に抗するため図１０に示すようにウェッジ１５を設けることがあるが、このような場合にでもウェッジ１５に穴や切り欠き１６を設けておくことにより貫通穴９に空気の流れを導くことは可能である。

以上のとおり本実施の形態に係る回転子によると、磁極ティース部７の先端部８に貫通穴９が形成されているため、特に渦電流損失による発熱の大きい磁極ティース部７の先端部８において周囲の空気と接触する面積を増やすことができ、この部分の冷却を強化することができる。
また、上記貫通穴９が形成されるようにコア部材６には予め凹部１２又は切れ込み部１３が形成されているため、従来技術のように積層後切削加工を施す必要もなく、切削加工によるコア部材６間の導通が生じないため、渦電流損失が増大することもない。

更に本実施の形態においては、貫通穴の一端１０が磁極ティース部７の先端部８において回転方向前面側１４に設けられており、他端１１が前記一端１０よりも反回転方向に設けられているため、一端１０から他端１１へと貫通穴９の中にスムーズに空気の流れを導入することができる。このことにより冷却効率を更に向上させることが可能となる。

実施の形態２．
図１２は本実施の形態に係る回転電機５０に関する構造を示す図であり、この回転電機５０は、回転子５１、固定子５２、及び自励または他励のファン５３から構成される。回転子５１の構成は基本的には図１に示した回転子１と同じである。また、ファン５３によって回転子５１の回転軸の方向に気流が発生するが、その気流に大まかな方向を図中矢印にて示す。

本実施の形態においても、回転子５１の磁極ティース部７の先端部８に形成された貫通穴９の形状に特徴がある。すなわち図４に示す貫通穴９を例に挙げて説明すると、図４において上方にファン５３が配置されており気流が上方から下方に向かって発生している場合に、貫通穴９の一端１０がファン５３によって発生する気流の上流側に設けられており、他端１１が前記一端よりも前記気流の下流側に設けられている点である。

このような形状の貫通穴９としては、図４以外にも例えば図１３のように２枚のコア部材６ｂ、６ｃに凹部１２ｂ、１２ｃを形成したもの、図１４のように２枚のコア部材６ｂ、６ｃに切れ込み部１３ｂ、１３ｃを形成したもの、図１５のように３枚のコア部材６ｂ、６ｃ、６ｄに切れ込み部１３ｂ、１３ｄ及び穴部５４ｃしたものによっても実現可能である。

ここで図１３、１４、１５の各々に示したものを比較すると、図１３から図１５となるに従って貫通穴９内を気流が流れる方向と回転軸との成す角が小さくなるため、貫通穴９を通る気流の向きは図１５に示したものの方が貫通穴の外部の気流の向きに近づいてゆく。このため、貫通穴９の外部を流れる気流と合流した際の合流部での気流の乱れを低減でき、風損をより小さくさせることができる。また、図４と図１４を比較すると図４では凹部１２ｂ、１２ｃによって角が落とされているため、この部分の開口断面積が大きく、図１４よりも気流の流れをスムーズにすることができる。

以上のとおり本実施の形態に係る回転電機５０によると、回転軸方向に気流を発生させるファン５３を備え、回転子５１の積層鉄心４は、磁極ティース部７の先端部８の貫通穴９の一端１０が前記気流の上流側に設けられており、他端１１が前記一端１０よりも前記気流の下流側に設けられているため、貫通穴９を通過した気流は回転軸方向の速度成分を有し、貫通穴９の外部を流れる気流と合流した際に風損が少なくて済むため、ファン５３の回転駆動に要するパワーも含めた回転電機５０の総合効率を高めることができる。

更に図１６に示すように貫通穴９の一端１０をコイル５のコイルエンドのうち、気流の上流側に配置されたコイルエンド５５の近傍に配置することにより、コイルエンド５５が気流のガイドとして機能し、これに衝突した気流をコイルエンド５５に沿って貫通穴９に導入しやすくできるため、貫通穴９を通る気流を増やして磁極ティース部７の先端部８を更に効率的に冷却することができる。

１回転子
２回転軸
４積層鉄心
５コイル
６、６ａ〜６ｅコア部材
７磁極ティース部
８先端部
９、９ａ〜９ｉ貫通穴
１０、１０ａ〜１０ｉ一端
１１、１１ａ〜１１ｉ他端
１２ｂ、１２ｃ凹部
１３ｂ、１３ｃ切れ込み部
１４回転方向前面側
５０回転電機
５１回転子
５２固定子
５３ファン
５４ｃ穴部
５５コイルエンド

Claims

回転軸を中心として放射状に配置された磁極ティース部を有する複数のコア部材が積層して形成された積層鉄心と、前記積層鉄心の前記磁極ティース部に巻回されたコイルとを備え、前記コイルから突出した前記積層鉄心の前記磁極ティース部の先端部に貫通穴が形成されるように、前記コア部材に予め凹部、切れ込み部、又は穴部が形成された回転子と、
前記回転子の積層鉄心の前記磁極ティース部の先端部とエアギャップを介して対向し、前記回転子を取り囲むように配置された積層鉄心を有する固定子と、
前記回転軸の方向に気流を発生させるファンとを有し、
前記回転子の積層鉄心は、前記貫通穴の一端が前記気流の上流側に設けられており、他端が前記一端よりも前記気流の下流側に設けられたことを特徴とする回転電機。
前記回転子のコア部材は、凹部、切れ込み部又は穴部がエッチングにより形成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。
前記貫通穴の一端が前記磁極ティース部の先端部において回転方向前面側に設けられており、他端が前記一端よりも反回転方向に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記回転子の積層鉄心は、前記ファンによって発生した気流の上流側に配置されたコイルエンド近傍に前記貫通穴の一端が形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。