JP5379611B2

JP5379611B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5379611B2
Application number: JP2009202534A
Authority: JP
Inventors: 智宏別所; 展明三宅; 昭橋本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2029-09-02
Also published as: JP2011055645A

Description

この発明は、モータ、発電機等に使用され、磁性材であるコア部材を積層した積層コアを備えた回転電機に関するものである。

従来の積層コアの製造方法においては、まず電磁鋼板等の磁性材は、鋼鈑メーカで圧延後、表面に薄い絶縁処理コーティングを施され、帯状のコイル材として巻き取られ、モータ等の積層コアメーカへ供給される。その後積層コアメーカではこの磁性板材はコイル材から引き出されて高速プレス機へ供給され、パンチ（オス型）とダイ（メス型）で構成される金型内の工程へ送られ、所定の輪郭形状を有するコア部材として打ち抜かれる。このコア部材を板厚方向に積層し、積層面間を接着することによって一体化して積層コアが形成される。

モータ機器等の回転電機に使用される積層コアの内部は交番磁界による鉄損のために発熱することとなるが、近年モータ機器への小型化、高出力化のニーズが高まり、積層コア内部の単位体積当たりの発熱量が大きく増大している。
そこで従来の回転電機の積層コアにおいて例えばロータとして用いられるものについては、コア部材間にリング状の内周側スペーサ及び外周側スペーサを介在させて積層コアを形成し、内周側スペーサと外周側スペーサの側面には放射状に複数の孔を設けて、この孔を冷媒通路として冷媒を流すことにより積層コアの冷却を行っていた（例えば、特許文献１）。

特開平５−１３７２８３（２頁、図１−２）

上記のような積層コアでは、積層方向に所定の間隔をおいてスペーサが介在することになるため、スペーサに近い部分はよく冷却されるものの、スペーサとスペーサの丁度中間に位置するコア部材は十分に冷却することはできず、特に前述のとおり発熱密度が高い積層コアにおいては積層方向のコア部材間の温度差が大きく均一に冷却することができ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、積層コアの内部まで効率よく冷却することができ、かつ積層方向の温度分布を均一化することができる積層コアを備えた回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機は、主軸の周りを回転するロータと所定の間隙を挟んでこのロータの周囲に配置されたステータとを備えた回転電機であって、ロータは、円周方向に複数配置された板状の永久磁石と、この永久磁石を配置するための略長方形の貫通穴が形成され、円板形状の輪郭を有する磁性体でできたコア部材を積層して形成された積層コアとを有し、コア部材は積層面に溝が形成されており、この溝は、一端と他端がいずれも前記輪郭に通じ、かつ、貫通穴と略長方形の長辺に沿って連通するように形成さ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、コア部材の積層面に溝が形成されており、この溝の一端と他端がいずれも冷媒に接触するコア部材の輪郭に通じているため、この溝の一端から他端に、又はこの逆方向に冷媒を流すことができ、冷媒が接触している輪郭部分だけでなく貫通穴に挿入された板状の永久磁石を効率よく冷却することができる。

本発明の実施の形態１による回転電機のステータの外形図である。本発明の実施の形態１による回転電機のステータ用コア部材の外形図である。本発明の実施の形態１による回転電機のステータ用積層コアの外形図である。本発明の実施の形態１による回転電機のステータ用コア部材の外形図である。本発明の実施の形態２による回転電機のステータ用積層コアの外形図である。本発明の実施の形態３による回転電機の断面を示す図である。本発明の実施の形態４による回転電機の断面を示す図である。本発明の実施の形態４による回転電機のステータ用コア部材の外形図である。本発明の実施の形態５による回転電機のロータの外形図である。本発明の実施の形態５による回転電機のロータ用コア部材の外形図である。本発明の実施の形態５による回転電機の断面を示す図である。本発明の実施の形態６による回転電機の主軸に沿った断面図である。本発明の実施の形態６による回転電機の主軸に沿った断面図である。

実施の形態１．
図１から図４は本発明の実施の形態１による回転電機のステータ（固定子）１に関する構造を示す図面である。図１はステータ１の外形図を示しており、ステータ１は複数個（図では９個）の積層コア２の各々にコイル３を巻きつけたものを円環状に配置して構成されている。このステータ１の内周部の空間には、図示しないロータ（回転子）が配置され、このロータはステータ１の中心に主軸を備え回転可能なように構成されている。

積層コア２は図２に示す磁性体でできたコア部材４を各積層面において積層することにより構成されている。このコア部材４は、円形の外形を有しステータ１の外周円環部を形成するバックヨーク部５と、バックヨーク部５からロータの主軸の方向に突出し、周囲にコイル３が巻回されるティース部６の２つの部分を有し、この２つの部分によりコア部材４の輪郭が形成されている。またコア部材４の積層面には溝７が複数本（図では３本）形成されており、各溝７の一端はバックヨーク部５の外周側８に、他端がティース部６の内周側９に通じている。

溝７の形成は通常の機械加工によって行うこともできるが、加工の手間、費用がかかるのと同時に、コア部材４に加工歪が発生するため磁気特性が劣化するため好ましくない。この場合はエッチング技術、特に素材の厚みの途中までエッチングするハーフエッチング技術を用いて薄肉部の形成を行えば容易に加工厚みの制御が行え、しかも加工歪が発生しないため好適である。

図２に示すコア部材４を積層して積層コア２を形成したものを図３に示す。積層コア２は冷媒（通常は空気等の気体；図示しない）内に配置されるが、コア部材４の積層面に設けられた溝７と積層方向に隣接するコア部材４の積層面との間で、バックヨーク部５の外周側８からティース部６の内周側９に貫通穴１０が形成され、この貫通穴１０に冷媒を通ずることにより積層コア２の表面だけではなく内部まで冷却することが可能となる。

以上のとおり本実施の形態に係る回転電機のステータ１によると、コア部材４の積層面に溝７が形成されており、この溝７の一端と他端がいずれも冷媒に接触するコア部材４の輪郭に通じているため、この溝７の一端から他端に、又はこの逆方向に冷媒を流すことができ、冷媒が接触している輪郭部分だけでなく積層コア２の内部まで効率よく冷却することができる。

また、積層方向に所定の間隔をおいて配置されたスペーサの近くのコア部材だけがよく冷却されるのではなく、コア部材４の積層面に形成された溝７に冷媒を通じることにより各々のコア部材を一様に冷却することができるため、積層方向の温度分布を均一化することができる。

更に、図４に示すように溝７の一端と他端においてコーナ部にＲ形状１１を付与することにより、バックヨーク部５の外周側８の輪郭、及びティース部６の内周側９の輪郭と溝７の形状を滑らかに接続してもよい。このことにより、積層コア２の外部の冷媒が貫通穴１０に流れ込む際の抵抗を低減させ、さらに冷却効率を高めることができる。

なお、本実施の形態ではコイル３が巻回されたティース部６の磁束密度が比較的高く、発熱密度も高いため、この部分を重点的に冷却できるように溝７を形成しているが、この溝７の形状はいろいろな回転電機に適用されるステータ、ロータの形状、コイル配置等に応じて発熱部位が効率的に冷却されるように適宜変更してもよい。
本実施の形態では図１に示すように積層コア２は互いに隣接して円環状に配置されるため、バックヨーク部５において円周方向に隣接する積層コア２と接触する箇所に溝７の一端又は他端を設けても冷媒を積層コア２の内部に導入することはできないが、冷媒と接触する輪郭に通じるように溝７の形状を定める範囲において、本実施の形態に示したものに限られないことは言うまでもない。

実施の形態２．
図５には本実施の形態に係る回転電機の積層コア２ａの外形を示す。実施の形態１の図３に示す積層コア２とは、ティース部６の中心線に対して対称であるコア部材４自体の形状は同じであるが、一枚ごとに表裏が反対になるように積層されており溝７が向かい合わせになっている点が相違している。

また、本実施の形態に示したものとは異なり、ティース部６の中心線に対して対称ではないコア部材を使用した場合であっても、第１のコア部材として表側の積層面（第１の積層面）に第１の溝が形成されたものを使用し、第２のコア部材として裏側の積層面（第２の積層面）に前記第１の溝と積層方向から見て重なり合う位置に第２の溝が形成されたものを使用し、この第１のコア部材と第２のコア部材を交互に積層して積層コア２ａを形成してもよい。

実施の形態２の積層コア２ａを実施の形態１の積層コア２と比較すると、貫通穴１０ａの断面積は貫通穴１０の２倍になっているが、貫通穴の総数は半分となっている。ここで、貫通穴の入口と出口間で許容される圧力損失を一定に保った時に、この貫通穴１０、１０ａに各々流しうる冷媒の流量、及び積層コア２、２ａの温度上昇について下記に定量的に比較してみる。

冷媒の圧力損失の式：Δｐ＝ρλ（ｌ／ｄ）・ｖ²／２（式１）
ここで、ρ：流体の密度［ｋｇ／ｍ³］、λは管摩擦係数、ｌ：管の長さ［ｍ］、ｄ：管の等価内径［ｍ］、ｖ：流体の流速［ｍ／ｓ］である。
（式１）を流速ｖを表す形式に書き改めると、
ｖ＝（（２Δｐ／ρλ）・（ｄ／ｌ））^0.5 （式２）
管摩擦係数λはレイノルズ数Ｒｅによって決まるが、乱流状態においてこれをほぼ一定とすると、流速ｖは管の等価径ｄのルートにほぼ比例する。

ここで貫通穴の数ｎをＮ（貫通穴１０）からＮ／２（貫通穴１０ａ）と半減させ、等価的な穴の内径をｄ（貫通穴１０）から２^0.5ｄ（貫通穴１０ａ）とした場合、冷媒流量はＱ＝ｎ・Ｓ（穴の断面積）・ｖ［ｍ³／ｓ］で表されるので、
（１）ｎ＝Ｎの時の冷媒流量：
Ｑ１∝Ｎ・（π／４）ｄ²・ｄ^0.5＝０．２５πｎｄ^2.5 （式３）
（２）ｎ＝Ｎ／２の時の冷媒流量：
Ｑ２∝（Ｎ／２）・（π／４）２ｄ²・（２^0.5ｄ）^0.5＝０．３０πｎｄ^2.5 （式４）
以上より、Ｑ２＞Ｑ１とすることができる。

積層コアと冷媒との接触面において、十分に熱交換が行われるとすると、積層コアの温度上昇ΔＴ［Ｋ］は、積層コアの発熱量ｑ［Ｗ］を用いて、
ΔＴ［Ｋ］＝ｑ／（Ｑ・ｃ・ρ）（式５）
ここで、ｃ［Ｊ／ｋｇ・Ｋ］は冷媒の比熱である。
（式３）（式４）を（式５）に各々代入することにより、同じ差圧（Δｐ）を加えても、ｎ＝Ｎ／２（貫通穴１０ａ）の方が流量を多く取ることができるため、ΔＴを小さく抑えることが可能となることが判る。

以上のとおり本実施の形態に係る回転電機の積層コア２ａによると、実施の形態１に示す積層コア２と同じ効果を奏することに加えて、貫通穴の入口と出口管の圧力損失を同じにした場合に積層コア２よりも多くの冷媒を流すことができ、積層コア２の温度上昇を低く抑えることができるため、より冷却効果を高めることが可能となる。

実施の形態３．
本実施の形態に係る回転電機の断面を図６に示す。この回転電機は主軸１２の周りを回転するロータ１３とこのロータ１３と所定の間隙を挟んでこのロータ１３の周囲に配置されたステータ１とを備えている。このステータ１の積層コア２に使用されているコア部材４は実施の形態１に示したものと同じものであり、バックヨーク部５とティース部６を有しており、またコア部材４の積層面には溝７が複数本（図では３本）形成されており、各溝７の一端はバックヨーク部５の外周側８に、他端がティース部６の内周側９に通じている。ここで、ティース部６の内周側９がロータ１３と対向するように、ステータ１とロータ１３は配置されている。

次に動作について説明する。本図においてロータ１３が回転した場合には、ロータ１３の周囲の冷媒とロータ１３との間の摩擦により、ロータ１３の周囲に存在する冷媒には円周方向に駆動力が作用することになる。冷媒は回転の接線方向に運動を開始することになるが、この流れを貫通穴１０に導くことによりティース部６の内周側９とバックヨーク部５の外周側８との間の溝７を流れる冷媒の流れ１４を発生させることができる。

以上のとおり本実施の形態に係る回転電機によると、ロータ１３自身の回転によりロータ１３の周囲に存在する冷媒に回転の接線方向に対する駆動力を作用することができ、この流れをコア部材４の積層面に設けた溝７に導くことにより、ファンや加圧装置等の付加的な構成を必要とすることなくステータ１の積層コア２を冷却することが可能となる。従って、回転電機を構成する部品点数を削減することができるため、回転電機のコストを低減することができる。

実施の形態４．
本実施の形態に係る回転電機の断面を図７に、この回転電機のステータ１ａの積層鉄心を構成するコア部材４ａの外形を図８に示す。本実施の形態に係るステータ１ａのコア部材４ａは、実施の形態１又は３に示したコア部材４と異なり、積層面に形成された溝７ａの一端はバックヨーク部５の外周側８に通じているものの、他端はバックヨーク部５の内周側１５に通じている。それ以外の構成、配置については、実施の形態３に示す回転電機と同じである。

次に動作について説明する。図７においてロータ１３が回転した場合には、実施の形態３と同じくロータ１３の周囲の冷媒はロータ１３との摩擦により、ロータ１３の周囲に存在する冷媒には円周方向に駆動力が作用することになる。冷媒は回転の接線方向に運動を開始することになるが、この流れを隣接するティース部６の間隙１６に導くことにより、コイル３とコア部材４ａとの隙間、又はコイル３同士の隙間を経由して、バックヨーク部５の内周側１５から外周側８への冷媒の流れ１４ａを発生させることができる。

以上のとおり本実施の形態に係る回転電機によると、ロータ１３自身の回転によりロータ１３の周囲に存在する冷媒に回転の接線方向に対する駆動力を作用することができ、この流れを隣接するティース部６の間隙１６に導くことにより、ファンや加圧装置当の付加的な構成を必要とすることなく、積層コアと同時にコイル３も冷却することが可能となる。従って、回転電機を構成する部品点数を削減することができるため、回転電機のコストを低減することができる。

実施の形態５．
本実施の形態に係る回転電機のロータ１３の外形図を図９に示す。本図において積層コア１７は、図１０に示す複数枚のコア部材１８を積層して構成され、冷媒（通常は空気等の気体；図示しない）の中に配置されており、この積層コア１７の中心部には主軸１２が嵌入されている。円板形状の輪郭を有し磁性体でできたコア部材１８は、その円周上に積層方向に貫通する複数個の貫通穴１９が形成されており、この貫通穴１９の中には図９に示すように板状の永久磁石２０が配置されている。また、このコア部材１８の積層面に溝２１が形成されており、この溝２１の一端と他端がいずれも前記冷媒に接触するコア部材１８の輪郭に通じ、かつ、前記貫通穴１９と連通するように形成されている。

次に動作について説明する。永久磁石２０は積層コア２のように主軸１２の方向に分割して形成するのは非常に困難であるため、前述のとおり一枚の板状形状を有している。この永久磁石２０内では、主軸方向に大きなループの渦電流が発生するため、これによるジュール熱損失は大きい。また、永久磁石２０が温度上昇するとこの永久磁石２０の温度特性が変化し、モータの性能劣化を引き起こすため、永久磁石２０の温度上昇が極力小さくなるように冷却を強化する必要がある。そこで本実施の形態に係る回転電機において、図１１に示すようにロータ１３を反時計回りに回転すると、本図において永久磁石１８の左手にある溝２１から永久磁石２０の方に向かって流入し、右手にある溝２１から排出されるように冷媒の流れ２２を発生させることができるため、この冷媒の流れ２２の経路にある永久磁石２０を効果的に冷却することができる。

以上のとおり本実施の形態に係る回転電機のロータ１３によると、コア部材１８は積層面に溝２１が形成されており、この溝２１は永久磁石２０を配置するための貫通穴１９と冷媒に接触するコア部材１８の輪郭とが通じるように形成されているため、このロータ１３を回転させることにより永久磁石２０を冷却する冷媒の流れ２２を生成させることができ、永久磁石２０を効果的に冷却することができる。

実施の形態６．
本実施の形態に係る回転電機のロータ１３の主軸１２に沿った断面を図１２に示す。この回転電機においては、主軸１２の端部においてコンプレッサやファン等の加圧装置２３を設けており、この加圧装置２３によって回転電機の端部にある冷媒をステータ１やロータ１３の存在する回転電機の内部の方に強制的に導入するようになっている。

また、このようにして強制的に導入された冷媒は、例えば実施の形態３の図６で説明したようにコア部材４の溝７を経由してステータ１の外周側へ放出されるが、この放出された冷媒を再び加圧装置２３に還流させるように流路が形成されている。更に、この流路の途中には冷媒冷却器２４が設けてあり、ステータ１を通過することにより加熱された冷媒を冷却することができる。

図１３には、ステータ１全体をフレーム２５に嵌入することにより強度向上を図ったタイプの回転電機を示しているが、このタイプのものに例えば実施の形態１の図３に示した積層コア２を適用すると外部に冷媒を放出することができなくなり、図９に示すように冷媒を循環させることができない。従って図１３に示すようにステータ１の積層コア２のバックヨーク部５に、コア部材４に設けた溝７と連通し、積層方向に貫通する貫通穴２６を設けておくことにより、冷媒の還流路を確保することができる。

ロータ１３の回転運動に伴って冷媒を溝７に導入する実施の形態３ないし５に示した回転電機においては、冷媒に対する駆動力がモータの形状、サイズ、回転数等によって制約されるため、発熱密度が大きくなると対応困難な場合も生じる。一方、本実施の形態に係る回転電機によると、回転子１３の端部からステータ１又はロータ１３の積層コアに向けて冷媒を吹き付ける加圧装置１７を設け、この加圧装置によって冷媒流路に強制的に圧力差を設けてより多くの冷媒を流すことができるため、冷却効果をさらに高めることができる。

１、１ａステータ
２、２ａ積層コア
３コイル
４、４ａコア部材
５バックヨーク部
６ティース部
７、７ａ溝
８バックヨーク部外周側
９ティース部内周側
１２主軸
１３ロータ
１５バックヨーク部内周側
１７積層コア
１８コア部材
１９貫通穴
２０永久磁石
２１溝
２３加圧装置
２６貫通穴

Claims

主軸の周りを回転するロータと所定の間隙を挟んでこのロータの周囲に配置されたステータとを備えた回転電機であって、
前記ロータは、
円周方向に複数配置された板状の永久磁石と、
この永久磁石を配置するための略長方形の貫通穴が形成され、円板形状の輪郭を有する磁性体でできたコア部材を積層して形成され、冷媒の中に配置された積層コアとを有し、
前記コア部材は積層面に溝が形成されており、
この溝は、一端と他端がいずれも前記冷媒に接触する前記輪郭に通じ、かつ、前記貫通穴と前記略長方形の長辺に沿って連通するように形成されたことを特徴とする回転電機。
コア部材に形成された溝は、円周方向に複数配置された板状の永久磁石を配置するための略長方形の貫通穴に対し、その全ての貫通穴で前記略長方形の長辺に沿って連通するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
コア部材に形成された溝は、隣接する貫通穴間で円板形状の輪郭に通じ、かつ、円周方向に一体として形成されていることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
コア部材に形成された溝は、主軸中心に対し点対称であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。