JP5944594B2 - 電気機械用回転子、電気機械、および電気機械の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電気機械用回転子に関する。本発明はまた、前記回転子を備える電気機械および電気機械の製造方法に関する。

回転子の円周に沿ってほぼ等しい間隔で配置された複数の磁極が設けられた電気機械回転子では、各々の磁極は、直接極軸または直軸を有する。２つの隣接する直接極軸は、横軸によって２等分される角度をなす。直接極軸に対応するリアクタンスは直軸リアクタンスと呼ばれ、横軸に対応するリアクタンスは横軸リアクタンスと呼ばれる。リラクタンス・トルクは、横軸リアクタンスおよび直軸リアクタンスの逆数値の差に比例し、この差は１／Ｘ_ｑ−１／Ｘ_ｄと書ける。したがって、リラクタンス・トルクは、直軸リアクタンスを増大させることによって、または横軸リアクタンスを低減させることによって増大され得る。

リラクタンス電動機の既知の回転子は、軸方向に積み重ねられた複数の同一の回転子シートを有する回転子コアを備える。複数の回転子シートの各々は、回転子シートの円周方向に沿って位置する複数の磁束ガイド部を備え、複数の磁束ガイド部の各々は、高導磁率の材料で作製された複数の磁束通路と、低導磁率の材料で作製された複数の磁束バリアとを備える。磁束通路および磁束バリアは、磁束ガイド部の径方向に沿って交互に位置する。機械的理由により、隣接する磁束通路を連結する、高導磁率の材料で作製されたブリッジが存在する。対応する磁束ガイド部内の回転子シートの中心軸の最も近くに位置する各々の磁束バリアは、ほぼ磁束ガイド部の横軸において磁束バリアと交差するブリッジを有する。さらに、対応する磁束ガイド部内の回転子シートの中心軸の次に近くに位置する各々の磁束バリアは、ほぼ磁束ガイド部の横軸において磁束バリアと交差するブリッジを有する。

上記ブリッジは、ある磁束通路から別のものへの望ましくない漏れ磁束を回避するために、できるだけ狭くなければならない。漏れ磁束は、効率および最大トルクを低減させ、無負荷電流を増大させ、それによって電気機械の電気特性を劣化させる。したがって、ブリッジが狭くなるほど、電気機械の電気特性は良好になる。

従来、リラクタンス電動機の回転子は、磁束バリアおよび他の必要とされる開口部を強磁性シートに打ち抜き、これらのシートを積み重ねて回転子コアを形成することによって製造されている。打ち抜きによって製造された複数の回転子シートは、端部プレートの間に積み重ねられ、複数の回転子シートは、回転子シートを貫通して延びるボルトによって端部プレートに取り付けられる。

打ち抜きに関連付けられる問題は、それによって狭いブリッジを形成することができないということである。

本発明の１つの目的は、打ち抜きによって得ることが可能でありながら、その回転子シートがブリッジを備えている電気機械の電気特性を改良することである。本発明のこの目的は、独立請求項１に記載されているものを特徴とする回転子によって達成される。本発明の好適な実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明は、少なくとも２つのタイプの磁束ガイド部を備える回転子シートを提供するという着想に基づき、各々の前記タイプの磁束ガイド部は、他のタイプと比較して異なる数のブリッジを備えた磁束バリアを有する。回転子内では、回転子シートは、第１のタイプの磁束ガイド部に軸方向に隣接して、第２のタイプの磁束ガイド部が存在するように配置される。回転子シートは、互いに軸方向に押し付けられるため、第１の磁束ガイド部の磁束バリア内のブリッジはまた、第１の磁束ガイド部に軸方向に隣接して位置する第２の磁束ガイド部の磁束バリアをも支持することができる。磁束バリアの軸方向の列では、一部の磁束バリアはブリッジを有し、他のものはブリッジを有さない。したがって、磁束バリアの軸方向列内の平均のブリッジ幅は、磁束バリアの軸方向列内の実際のブリッジの平均ブリッジ幅より小さい。

本発明の１つの有利な効果は、磁束バリアと交差するブリッジを備える回転子シートを有する電気機械の電気特性が、ブリッジの幅を低減することを必要とせずに改良され得ることである。見方によれば、本発明は、ブリッジの実際の幅を低減することを必要とせずにブリッジの有効幅を低減する。

以下では、添付の図を参照して、好ましい実施例によって、本発明がより詳細に説明される。

本発明の一実施例による回転子の４つの連続する回転子シートを示す図である。 本発明の別の実施例による回転子の回転子シートを示す図である。 軸方向に積み重ねられた、４枚の図２の回転子シートを示す図である。 図３の回転子シートの積み重ねを備える回転子を示す図である。

図１は、本発明の一実施例による、４極回転子の回転子コアの連続する回転子シートである回転子シートＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３、ＲＳ４を示す。回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４は、同期リラクタンス電動機のために作製される。回転子コア内では、回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４は、回転子シートＲＳ２が回転子シートＲＳ１とＲＳ３との間に積み重ねられ、回転子シートＲＳ３が回転子シートＲＳ２とＲＳ４との間に積み重ねられるように軸方向に積み重ねられる。

回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４の各々は、回転子シートの円周方向に沿って位置する磁束ガイド部ＦＧ１、ＦＧ２、ＦＧ３、ＦＧ４を備える。磁束ガイド部ＦＧ１〜ＦＧ４の各々は、高導磁率の材料で作製された磁束通路Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４と、低導磁率の材料で作製された磁束バリアＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４とを備える。磁束通路および磁束バリアは、対応する磁束ガイド部の径方向に沿って交互に位置する。

磁束通路Ｐ１〜Ｐ４は、磁束を磁束通路の第１の末端からその第２の末端まで導くように配置され、第１の末端および第２の末端の両方は、回転子表面において終端し、回転子表面においてその円周方向に互いから離間されている。磁束通路Ｐ１〜Ｐ３は、円周方向の末端、すなわち上記では第１および第２の末端と称されるものが、その磁束通路の中心部分の外側表面よりも、回転子の中央軸からかなり大きい径方向距離にあるように成形される。磁束通路Ｐ１〜Ｐ３は、内向きに湾曲させられている。

各々の磁束バリアＢ１〜Ｂ４は、直軸リアクタンスの横軸リアクタンスに対する比を増大させるように配置される。換言すれば、各々の磁束バリアＢ１〜Ｂ４は、高導磁率の材料で作製された隣接する要素間に高い磁気抵抗をもたらすように配置される。

回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４の各々は、さらに、中心部ＲＣＳを備える。中心部ＲＣＳは、ほぼＸ字の形状にされ、このときＸの各々の先端部は、回転子の表面まで延びる。各々の磁極の直接極軸ｄ_Ａは、回転子表面まで延びる中心部ＲＣＳの部分を通り抜ける。中心部ＲＣＳの中央には、回転子軸を受け入れるように配置された穴ＲＨが存在する。

中心部ＲＣＳは、高導磁率の材料で作製される。したがって、中心部ＲＣＳは、各々の磁束ガイド部のための中央磁束通路Ｐ０を形成する。各々の中央磁束通路Ｐ０は、それぞれの磁束バリアＢ１に隣接して位置し、中央磁束通路の第１の末端からその第２の末端まで磁束を導くように配置され、第１の末端および第２の末端の両方は回転子表面において終端する。

回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４は、互いに同一である。回転子コア内では、連続する回転子シートは、回転子シートＲＳ２の磁束ガイド部ＦＧ４は、回転子シートＲＳ１の磁束ガイド部ＦＧ１と回転子シートＲＳ３の磁束ガイド部ＦＧ３との間に積み重ねられ、回転子シートＲＳ３の磁束ガイド部ＦＧ３は、回転子シートＲＳ２の磁束ガイド部ＦＧ４と回転子シートＲＳ４の磁束ガイド部ＦＧ２との間に積み重ねられるように、π／４ラジアン（９０°）だけずらされる。

磁束ガイド部ＦＧ１内では、磁束バリアＢ１〜Ｂ４のいずれも、磁束バリアをさえぎるブリッジを有さない。磁束ガイド部ＦＧ２内では、ブリッジＢＲ２１が磁束バリアＢ１をさえぎり、ブリッジＢＲ２２が磁束バリアＢ２をさえぎり、ブリッジＢＲ２３が磁束バリアＢ３をさえぎる。磁束ガイド部ＦＧ３内では、ブリッジＢＲ３１が磁束バリアＢ１をさえぎる。磁束ガイド部ＦＧ４内では、ブリッジＢＲ４１が磁束バリアＢ１をさえぎり、ブリッジＢＲ４２が磁束バリアＢ２をさえぎる。ブリッジの数以外では、磁束ガイド部ＦＧ１、ＦＧ２、ＦＧ３、ＦＧ４は、互いに同一である。

図１の実施例では、ブリッジの各々は、回転子の横軸がブリッジを横断するように位置決めされている。回転子シートＲＳ１の磁束ガイド部ＦＧ１を横断する横軸ｑ_Ａだけが、横軸ｑ_Ａによって２等分される角度を形成する２つの直接極軸ｄ_Ａと共に、図１に示されている。ブリッジの各々は、対応する横軸に関して対称である。さらに、各々のブリッジの幅は、ほぼ同じである。

回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４の各々は、回転子シートの中心軸から遠くよりも回転子シートの中心軸の近くに、より多くのブリッジを備える。回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４の各々では、最も内側の磁束バリアＢ１は、合計で３つのブリッジを有するが、磁束バリアＢ２は、合計で２つのブリッジを有し、磁束バリアＢ３は、合計で１つのブリッジを有する。

回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４の各々は、複数の連結孔を備える。各磁束通路Ｐ１は連結孔ＣＡ１を備え、各磁束通路Ｐ２は連結孔ＣＡ２を備え、各磁束通路Ｐ３は連結孔ＣＡ３を備える。連結孔は、積み重ねの回転子シートを一体に押さえるためのボルトまたは棒を受け入れるようにされている。あるいは、回転子シートは、たとえば糊付けによって互いに取り付けられてよい。

図２は、本発明の別の実施例による回転子の回転子シートＲＳ１’を示す。回転子シートＲＳ１’は、回転子シートＲＳ１’の円周方向に沿って位置する磁束ガイド部ＦＧ１’、ＦＧ２’、ＦＧ３’、ＦＧ４’を備える。磁束ガイド部ＦＧ１’〜ＦＧ４’の各々は、高導磁率の材料で作製された磁束通路Ｐ１’、Ｐ２’、Ｐ３’、Ｐ４’と、低導磁率の材料で作製された磁束バリアＢ１’、Ｂ２’、Ｂ３’、Ｂ４’とを備える。磁束通路および磁束バリアは、対応する磁束ガイド部の径方向に沿って交互に位置している。

磁束ガイド部ＦＧ１’内では、磁束バリアＢ１’〜Ｂ４’のいずれも、磁束バリアをさえぎるブリッジは有さない。磁束ガイド部ＦＧ３’は、磁束ガイド部ＦＧ１’と同一である。磁束ガイド部ＦＧ３’は、磁束ガイド部ＦＧ１’からπラジアン（１８０°）離れて位置している。磁束ガイド部ＦＧ２’内では、ブリッジＢＲ２１’が磁束バリアＢ１’をさえぎり、ブリッジＢＲ２２’が磁束バリアＢ２’をさえぎる。磁束ガイド部ＦＧ４’内では、ブリッジＢＲ４１’が磁束バリアＢ１’をさえぎり、ブリッジＢＲ４２’が磁束バリアＢ２’をさえぎる。磁束ガイド部ＦＧ４’は、磁束ガイド部ＦＧ２’と同一である。磁束ガイド部ＦＧ４’は、磁束ガイド部ＦＧ２’からπラジアン（１８０°）離れて位置している。ブリッジ以外では、磁束ガイド部ＦＧ１’およびＦＧ２’は、互いに同一である。

磁束ガイド部ＦＧ２’およびＦＧ４’内のブリッジは、回転子の横軸がこれらを横断するように位置決めされている。ブリッジＢＲ２１’、ＢＲ２２’、ＢＲ４１’、ＢＲ４２’の各々は、対応する横軸に関して対称である。各々のブリッジの幅はほぼ同じである。

回転子シートＲＳ１’は、垂直線および水平線の両方に関して対称であり、垂直線は磁束ガイド部ＦＧ１’を２等分する横軸と一致し、水平軸は磁束ガイド部ＦＧ２’を２等分する横軸と一致している。

回転子シートＲＳ１’は、回転子シートの中心軸から遠くよりも回転子シートの中心軸の近くに、より多くのブリッジを備える。最も内側の磁束バリアＢ１’は、合計で２つのブリッジを有する。磁束バリアＢ２’もまた、合計で２つのブリッジを有する。最も外側の磁束バリアＢ３’およびＢ４’は、いかなるブリッジも有さない。

回転子シートＲＳ１’は、複数の連結孔を備える。各磁束通路Ｐ１’は連結孔ＣＡ１’を備え、各磁束通路Ｐ２’は連結孔ＣＡ２’を備える。連結孔は、積み重ねの回転子シートを一体に押さえるためのボルトを受け入れるようにされている。

図３は、４枚の回転子シートの積み重ねを示し、回転子シートの各々は、図２に示す回転子シートＲＳ１’と同一である。連続する回転子シートは、π／４ラジアン（９０°）だけずらされている。

別の実施例では、回転子コアは軸方向に積み重ねられた複数の回転子シートを有し、複数の回転子シートは複数の回転子シートの群に配置される。各々の回転子シートの群は少なくとも１枚の回転子シートを備え、各々の群の回転子シートは軸方向に互いに連続して位置する。各々の回転子シートの群の回転子シートは、互いに同一である。回転子シートの群の回転子シートの位置もまた同一であり、これは、２枚以上の回転子シートを備える回転子シートの群の各々の磁束ガイド部が、同一の磁束ガイド部に隣接して位置することを意味する。換言すれば、同一の磁束ガイド部が回転子シートの群内で揃っており、隣接する回転子シートの群では、対応する磁束ガイド部は予め定められた角度αだけずれている。予め定められた角度αは、方程式

によって定義されてよく、式中、Ｎ_ＦＧＳは、回転子シート内の磁束ガイド部の数である。回転子シート内の磁束ガイド部の数は、極の数に等しい。

一部の実施例では、予め定められたオフセット角度α_１は隣接する極の間の角度とは異なり得る。しかし、予め定められた角度α_１は、常に、隣接する極の間の角度の半分より大きい。

図１および図２は、４極回転子の回転子シートを表す。しかし、本発明は、いかなる数の極にも使用することができる。

図１および図２に表す各々の回転子シートは、周縁ブリッジの組立てを備える。周縁ブリッジの組立ては、高導磁率の材料で作製された複数の周縁ブリッジを備える。周縁ブリッジは、磁束通路の外側部分とともに、高導磁率の材料で作製された切れ目の無いリングを形成し、この切れ目の無いリングは、対応する回転子シートの外側円周を画定する。切れ目の無いリングにより、回転子シートの構造が強化される。

図１および図２に示すブリッジは、対応する磁束ガイド部の横軸に位置する、径方向のブリッジである。代替の実施例は、接線ブリッジのような異なるタイプのブリッジを備えることができる。また、ブリッジの場所も、図１および図２に示されるものとは異なってもよい。

低導磁率の材料は、電気機械のタイプに基づいて選択される。リラクタンス・モータでは、磁束バリアには、磁束および電気の両方に関して弱伝導性である固体または粉末状物質が充填され得る。実施例に応じて、樹脂、プラスチック、炭素繊維が有用な物質に含まれる。当然ながら、一部の実施例では、低導磁率の材料は空気でよい。

本発明は、リラクタンス電動機に限定されない。たとえば、本発明による回転子を永久磁石電動機に使用することも可能である。基本的には、本発明を、ブリッジを有するいかなる積み重ねられた回転子にも使用することが可能である。

図４は、図３の回転子シートの積層体を備える回転子を示す。この回転子は、端部プレートＰＬ１’およびＰＬ２’をさらに備える。端部プレートＰＬ１’は回転子の第１の端部に位置し、端部プレートＰＬ２’は回転子の第２の端部に位置する。４枚の回転子シートが、端部プレートＰＬ１’とＰＬ２’との間で、連結孔ＣＡ１’およびＣＡ２’を貫通して延びるボルトＢＴ’によって押さえられている。

図１に示す回転子シートＲＳ１〜ＲＳ４および図２に示す回転子シートＲＳ１’は、打ち抜きによって強磁性プレートから製造され得る。回転子シートは、単一の打ち抜きプロセスによって形成可能であり、この場合、磁束バリアのブリッジもまた、この単一の打ち抜きプロセスによって形成される。回転子は、もっぱら１つのタイプの回転子シートを備えることができるが、この場合、この回転子シートは、１つの打ち抜き工具によって形成され得る。１つのタイプの前記回転子シートは、積み重ねるために自動的に回転され得る。

本発明の概念がさまざまな方法で実施され得ることは、当業者に明らかであろう。本発明およびその実施例は、上記で説明した実例に限定されず、特許請求の範囲内で様々であり得る。

Claims (13)

1. 軸方向に積み重ねられた複数の回転子シート（ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３、ＲＳ４）を有する回転子コアを備える電気機械用の回転子であって、前記複数の回転子シート（ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３、ＲＳ４）の各々が、前記回転子シートの円周方向に沿って位置する複数の磁束ガイド部（ＦＧ１、ＦＧ２、ＦＧ３、ＦＧ４）を備え、前記複数の磁束ガイド部（ＦＧ１、ＦＧ２、ＦＧ３、ＦＧ４）の各々が、前記磁束ガイド部の径方向に沿って交互に位置する、高導磁率の材料で作製された複数の磁束通路（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４）と、低導磁率の材料で作製された複数の磁束バリア（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）とを備え、前記複数の磁束ガイド部（ＦＧ１、ＦＧ２、ＦＧ３、ＦＧ４）が、第１の数の前記複数の磁束バリア（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）が、前記磁束バリア（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）をさえぎるブリッジ（ＢＲ１）を有する第１の磁束ガイド部（ＦＧ１）と、第２の数の前記複数の磁束バリア（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）が、前記磁束バリア（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４）をさえぎるブリッジ（ＢＲ２）を有する第２の磁束ガイド部（ＦＧ２）とを備え、前記ブリッジの各々が高導磁率の材料で作製される回転子において、前記第１の数が前記第２の数とは異なることを特徴とする、回転子。
2. 前記複数の回転子シート（ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３、ＲＳ４）が複数の回転子シートの群に配置され、各々の回転子シートの群は少なくとも１つの回転子シートを備え、各々の群の回転子シートは軸方向に互いに対して連続して位置し、第１の磁束ガイド部（ＦＧ１）が各々の回転子シートの群内で揃っており、ある群の第１の磁束ガイド部（ＦＧ１）が、隣接する群の第１の磁束ガイド部と比較して予め定められた角度（α）だけずらされていることを特徴とする、請求項１に記載の回転子。
3. 前記予め定められた角度（α）が、方程式
   
   によって定義され、ここで、Ｎ_ＦＧＳは、回転子シート内の磁束ガイド部の数であることを特徴とする、請求項２に記載の回転子。
4. 前記複数の回転子シート（ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３、ＲＳ４）の各々が、前記複数の回転子シートの他のものと同一であることを特徴とする、請求項２または３に記載の回転子。
5. 各々の磁束ガイド部（ＦＧ１、ＦＧ２、ＦＧ３、ＦＧ４）が、他の磁束ガイド部と比較して、等しい数の磁束通路および等しい数の磁束バリアを有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一項に記載の回転子。
6. 各々のブリッジの幅が、ほぼ同じであることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一項に記載の回転子。
7. 前記ブリッジの各々が、前記回転子の横軸（ｑ_Ａ）が前記ブリッジを横断するように位置決めされることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか一項に記載の回転子。
8. 前記複数の回転子シート（ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３、ＲＳ４）の各々が、前記回転子シートの前記中心軸から遠くよりも前記回転子シートの前記中心軸の近くに、より多くのブリッジを備えることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一項に記載の回転子。
9. 前記回転子が一対の端部プレートをさらに備え、各々の端部プレート（ＰＬ１’、ＰＬ２’）は前記回転子のそれぞれの端部に位置し、前記複数の回転子シート（ＲＳ１’）が前記端部プレート（ＰＬ１’、ＰＬ２’）の間に積み重ねられることを特徴とする、請求項１から８までのいずれか一項に記載の回転子。
10. 前記複数の回転子シート（ＲＳ１’）の各々が複数の連結孔（ＣＡ１’、ＣＡ２’）を備え、前記複数の回転子シート（ＲＳ１’）が、前記端部プレート（ＰＬ１’、ＰＬ２’）の間で、前記連結孔（ＣＡ１’、ＣＡ２’）を貫通して延びるボルト（ＢＴ’）によって押さえられることを特徴とする、請求項９に記載の回転子。
11. 前記回転子が、リラクタンス電動機用の回転子であることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか一項に記載の回転子。
12. 回転子および固定子を備える電気機械であって、当該電気機械の当該回転子が、請求項１から１１までのいずれか一項に記載の回転子であることを特徴とする、電気機械。
13. 請求項１２に記載の電気機械を製造するための方法であって、前記複数の回転子シートを提供するステップを含み、当該ステップが打ち抜きプロセスを含むことを特徴とする、方法。