JP6233497B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、電動機や発電機のように回転子を有する電機の高速かつ大トルク化を実現する技術に関する。

回転子（以下、「ロータ」と呼ぶ場合がある）を有する電機（以下、回転電機）の大トルク化を実現するための方策としては、ロータ長を長くすること挙げられる。しかし、ロータ長を長くすると危険速度が低下する。危険速度とは、回転子の偏心に起因して生じる回転子のシャフトの撓みの大きさが、理論上、無限大に発散してしまう回転速度（単位時間当たりの回転数）のことをいう。回転電機を危険速度近辺で定常稼働させることは危険であるため、回転電機は、定常稼働域の上限（以下、最大回転速度）の１．２倍程度が危険速度となるように設計されていることが多い。

このように、ロータ長を長くすることで回転電機の大トルク化を実現する方策は危険速度の低下を招くため、例えば毎分２００００回転以上といった高速回転を要求される高速電動機などに採用する際には危険速度が定常稼働域に入ることが無いように充分に配慮しなければならない。また、この種の高速電動機については、回転子のシャフトを支持するベアリングなどの軸受の剛性にも充分に配慮する必要がある。非特許文献１では、jefcottロータなどの弾性ロータの曲げ危険速度について解説されている。非特許文献１の第３章には、ロータ支持系の剛性が危険速度に与える影響について記載されている。これによると、軸受の剛性がシャフトの剛性の１０倍以上あれば剛軸受として扱って良いが、これ以下の場合は剛軸受の場合と比較して危険速度が著しく低下する。例えば軸受の剛性がシャフトの剛性と同程度であれば、剛軸受の場合に比較して危険速度が２０％程度も低下する。

回転体の力学、森北出版株式会社

以上説明したように、回転電機の高速かつ大トルク化を実現する際には、ロータ長や軸受の剛性に充分に配慮する必要があることが従来より知られていたのであるが、本願発明者の行った実験によって、これらに配慮するだけでは不十分であることが判明した（この実験の詳細については本発明の実施形態の説明において明らかにする）。

本発明は上記実験に基づくものであり、予期せぬ危険速度の低下を生じさせることなく、回転電機の高速かつ大トルク化を実現する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、回転電機において、回転子のシャフトを支持するシールドの内側および外側の面の両方に当該シールドの中心側から外に向けて放射状に延びるリブを設け、前記シールドの外側の面に設けられたリブの内周側端面の位置が、前記シールドの内側の面に設けられたリブの外周側端面から所定の間隔を隔てた位置となるように各リブが設けられており、前記シールドは、前記シールドの外側の面に設けられたリブの内周側端面と前記シールドの内側の面に設けられたリブの外周側端面の間の部分が肉厚となるように形成されていることを特徴とする。このようなリブをシールドに設けるのは、シールドの剛性を高め、回転子と当該回転子のシャフトを支持する軸受と当該軸受を支持するハウジングの設けられたシールドとからなる振動系の固有振動に応じた回転速度（すなわち、危険速度）が最大回転速度以下に低下しないようにする（換言すれば、当該固有振動数に応じた危険速度が当該回転電機の定常稼働域に入らないようにする）ためである。

前述したように、上記振動系の固有振動は本願発明者の行った実験により初めて発見されたものであり、シールドの剛性が高いほど上記危険速度の低下が抑えられることが本発明者の行った実験により判明した。したがって、最大回転速度が大きいほど（すなわち、高速回転を要求されるほど）、シールドの剛性を高める必要があり、リブの数を増やす、リブの厚みを厚くする、リブの高さを高くする、リブの裾幅を広くするようにすれば良い。また、リブを設ける代わりに（或いはリブを設けることと併用して）、シールドの厚みを厚くするといった方策を採用しても良く、回転子のシャフトの剛性や軸受の剛性を高めるといった従来技術をさらに併用しても勿論良い。

一般的な電動機の構成例を示す図である。 本実施形態の電動機の要部を説明するための図である。 同電動機に用いられるシールドの斜視図である。 本実施形態の電動機の要部を説明するための図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。 リブの設置態様の一例を示す図である。

（Ａ：実施形態）
本発明の理解を容易にするため、まず、一般的な電動機の構成を簡単に説明する。
図１は、一般的な電動機の回転軸を含む平面による断面図である。図１に示すように、電動機は、シャフト１２と当該シャフト１２の周囲に巻きつけられた鉄心１４とよりなる回転子１０を有している。図１では詳細な図示を省略したが、鉄心１４には例えば銅線などにより形成されたコイルが巻きつけられている。鉄心１４を挟んで対向する２枚のシールド４０は円盤状に形成された部材であり、フレーム３０とともに電動機の筐体を形成する。シールド４０の中心にはシャフト１２を貫通させる貫通孔が設けられており、シールド４０の内側の面（鉄心１４側の面）には、ベアリングなどの軸受２０を収納するためのハウジング４２が上記貫通孔を取り囲むように設けられている。フレーム３０には、回転子１０を取り囲むように複数の鉄心３２が設けられている。図１では、詳細な図示を省略したが、鉄心３２にも銅線などにより形成されたコイルが巻きつけられており、当該コイルに与える電流を制御することで回転磁界が形成される。図１に示す電動機では、この回転磁界による磁力を受けて回転子１０がシャフト１２を回転軸として回転する。

図２は、本発明の一実施形態の電動機の要部の構成例を示す図である。
図２に示すように、本実施形態の電動機は、シールド４０の内側の面に当該シールド４０の剛性を高めるためのリブ４４を設けたことにその特徴がある。図３は、本実施形態の電動機におけるシールド４０の外観を示す図である。図３に示すように、本実施形態の電動機のシールド４０には、ハウジング４２からシールド４０の外周方向に向けて放射状に伸びる８本のリブ４４が設けられている。
このようなリブをシールドの内側の面に設けた理由は以下の通りである。

電動機のトルクを増大させるための手法としてはロータ長を増やすことが考えられるものの、毎分２００００回転以上などの高速稼働を要求仕様として課される場合には危険速度の問題から、慎重な設計が必要とされることは前述した通りである。ここで、危険速度の低下を抑える手法としては、シャフト１２の高剛性化、回転子１０の軽量化、軸受２０の高剛性化が一般に知られている。本実施形態においても、これら一般的な手法は全て盛り込み済みである。

従来、電動機の設計は、シールド４０を剛体と見做して行われるのが一般的であった。本出願人も当初、シールド４０を剛体と見なし、回転子１０の偏心に起因する振動の固有振動数を５６５．７［Ｈｚ］、最大回転速度を２８，２８５［回転／分］として設計を行った。なお、最大回転速度を上記値としたのは当該値の１．２倍が上記固有振動数に応じた回転速度（すなわち、危険速度）となるからである。ところが試作した電動機を稼働させて固有振動数を実測してみると、３８３［Ｈｚ］に固有振動数が存在し、最大回転速度を１９，１５０［回転／分］とせざるを得ないことが判明した。後に精査したところ、３８３［Ｈｚ］という振動数は、回転子１０および軸受２０にシールド４０も含めた振動系の固有振動数であることが明らかとなった。

つまり、高速回転を要求される電動機では、シールド４０を無条件に剛体と見做すことはできず、シールド４０の剛性を確保するために充分配慮を払わねばならないことが本出願の行った実験により判明した。本実施形態において、シールド４０の内側の面にリブ４４を設けたのは、シールド４０の剛性を高め、回転子１０および軸受２０にシールド４０も含めた振動系の固有振動数が充分に高い値となるようにする（すなわち、当該固有振動数に応じた回転数が電動機の要求仕様等に応じて定まる最大回転速度を下回らないようにする）ためである。なお、本出願人の行った実験によれば、シールド４０の剛性はシャフト１２の剛性と同等（±３０［％］）以上であることが好ましいことも判明した。

図３に示すように、本実施形態では、シールド４０の内側の面に、ハウジング４２の外周面から外側に向かって放射状に伸びる８本のリブ４４が設けられている。このようにリブ４４を設けたことにより、リブ４４を設けなかった場合に比較して固有振動数を３８３［Ｈｚ］から５０８．２［Ｈｚ］まで高めることができた。固有振動数が５０８．２［Ｈｚ］であれば、危険速度は３０，４９２［回転／分］であるから、例えば安全率を１．２倍とした場合であっても、最大回転速度は２５，４１０［回転／分］となる。なお、図２および図３に示すようにシールド４０の内側の面にリブ４４を設けるのではなく、図４に示すようにシールド４０の外側の面にリブ４４を設けても勿論良い。シールド４０の剛性向上という観点からすれば、シールド４０の内側の面にリブ４４を設ける方が効果的と考えられるが、シールド４０の外側の面にリブ４４を設けるようにすれば、外気に触れるシールド４０の表面積が大きくなり、放熱性能も同時に向上すると期待される。また、シールド４０の内側の面にリブ４４を設ける場合に比較して、コイルエンドとの干渉に配慮を払わなくても良い、といった利点もある。

リブ４４は、シールド４０と一体成型される態様であっても良いが、シールド４０とは別個に設計・製作したリブ４４を溶接等によりシールド４０に取り付けるようにすることが好ましい。その理由は以下の通りである。リブ４４の形状、大きさ、シールド４０に取り付ける個数および取り付け位置については、まず、最大回転速度に応じてシールド４０の剛性をどの程度にすれば良いかを伝達マトリクス法等を用いて正確に算出し、その算出結果に応じて適宜定めるようにすれば良い。リブ４４をシールド４０とは別個に設計し、溶接などによりシールド４０に取り付けるようにすれば、リブ４４の設計および製作により電動機に対する要求仕様にきめ細やかに対応することが可能になり、電動機の設計・製作効率が高まると期待される。

シールド４０の外側（或いは内側）の面に取り付けられるリブ４４の大きさや形状（裾幅（シールド４０の半径方向のリブ４４の寸法）Ｗ、高さ（シールド４０の法線方向のリブ４４の寸法））Ｈ、および厚みＤ）については種々の態様が考えられる。基本的には、最大回転速度が大きい程、裾幅Ｗを長く、或いは高さＨを高く、或いは厚みＤを厚くすることが好ましい。リブ４４の裾幅Ｗが長いほど、或いは高さＨが高いほど、或いは厚みＤが厚いほど、シールド４０の剛性は高くなるからである。また、最大回転速度が大きいほどシールド４０の設けるリブ４４の数を多くすることも考えられる。ただし、リブ４４の数を多くするほど、裾幅Ｗを長く、或いは高さＨを高く、或いは厚みＤを厚くするほどシールド４０の質量が増加する点に配慮する必要があることは言うまでもない。

また、リブ４４の具体的な設置態様としては、図５に示すようにリブ４４の外周側端面４４ａとフレーム３０の内周面３０ａとの間に間隔が空いている態様であっても良く、図６に示すようにリブ４４の外周側端面４４ａがフレーム３０の内周面３０ａよりも外周側に位置している態様であっても良い。シールド４０の剛性の向上という観点から見ると、上記間隔を設けない方が好ましいが、リブ４４の裾幅Ｗを長くするとその分だけシールド４０の質量が増加し、固有振動数が低下する虞がある。したがって、図５に示す態様と図６に示す態様の何れを採用するのかについては、最大回転速度に対する要求仕様との兼ね合いで適宜好適な方を採用するようにすれば良い。

図５では、リブ４４の外周側端面４４ａとフレーム３０の内周面３０ａとの間隔ｔｒ１がフレーム３０の厚みｔｆよりも小さい場合について例示されている。シールド４０の剛性向上という観点からは、間隔ｔｒ１がフレーム３０の厚みｔｆよりも小さい方が好ましいからである。なお、図５に示すように、リブ４４の外周側端面４４ａとフレーム３０の内周面３０ａとの間に間隔を設ける態様においては、図７に示すように、リブ４４の外周側端面４４ａとフレーム３０の内周面３０ａとの間の部分４６の厚みがその他の部分よりも肉厚になるようにシールド４０を形成しても良い。

リブ４４の内周側端面４０ｂの位置についても種々の態様が考えられる。例えば、図８に示すように、リブ４４の内周側端面４４ｂとハウジング４２の外周面４２ａとの間に間隔が空いている態様であっても良く、図９に示すように、リブ４４の内周側端面４４ｂがハウジング４２の外周面４２ａよりも内周側に位置している態様であっても良い。リブ４４の内周側端面４４ｂとハウジング４２の外周面４２ａとの間に間隔を設ける場合においても、当該間隔の長さｔｒ２はハウジング４２の厚みｔｈよりも小さいことが好ましい。また、上記間隔を設ける場合には、図１０に示すように、リブ４４の内周側端面４４ｂとハウジング４２の外周面４２ａとの間の部分４６の厚みがその他の部分よりも肉厚になるようにシールド４０を形成しても良い。

また、シールド４０の内側の面と外側の面の何れか一方にリブ４４を設けるのではなく、図１１に示すように、シールド４０の外側の面にはリブ４４−１を設け、同内側の面にはリブ４４−２を設けるようにしても良い。この場合、図１２に示すように、リブ４４−１の内周側端面とリブ４４−２の外周側端面との間に間隔が空いていても良く、また、図１１に示すように、当該間隔を空けずにリブ４４−１および４４−２を設けても良い。なお、前者の態様においては、上記間隔の長さｔｒ３はシールド４０の厚みｔｓよりも小さいことが好ましく、図１３に示すように、リブ４４−１の内周側端面とリブ４４−２の外周側端面の間の部分４６の厚みがその他の部分よりも肉厚になるようにシールド４０を形成しても良い。

以上説明したように、本実施形態によれば、回転子１０および軸受２０に加えてシールド４０も含めた振動系の固有振動に起因する危険速度の低下を回避し、電動機の大トルク化および高速化を実現することが可能になる。また、本実施形態によれば、シールド４０の外側および内側の面の少なくとも一方にシールド４０とは別個独立に設計されたリブ４４を溶接により取り付けることでシールド４０の剛性の向上を実現しているため、電動機の設計・製作効率が向上するといった効果もある。

（Ｂ：変形）
以上本発明の一実施形態について説明したが、以下の変形を加えても勿論良い。
（１）上記実施形態では、電動機への適用例を説明したが、発電機に適用しても勿論良い。要は、回転電機であれば本発明を適用することが可能である。

（２）上記実施形態では、シールド４０の内側および外側の面の少なくとも一方にリブ４４を設けることでシールド４０の剛性を高めたが、シールド４０を厚くすることで剛性を高めても良く、ハウジング４２が回転子１０のコイルエンドよりも内側に入り込むようにすること、或いはシャフト１２の回転軸に直交する方向のハウジング４２の振動を抑制することにより、シールド４０の剛性を高めても良い。なお、シャフト１２の回転軸に直交する方向のハウジング４２の振動の抑制の具体的な実現方法としては、ハウジング４２を肉厚にすることや、上記振動を抑制する手段を別途設けることが考えられる。例えば、図１１〜図１３におけるリブ４４−２は、上記振動を抑制する手段としての役割も担っている。また、固有振動数が高くなるように回転子１０の剛性を高めても良い。さらに、シールド４０の肉厚の調整、シャフト１２の回転軸に直交する方向のハウジング４２の振動の抑制、および回転子１０の剛性の向上のうちの任意の複数を組み合わせて採用しても良く、さらに、上記実施形態と組み合わせて採用しても良い。

１０…回転子、１２…シャフト、１４…鉄心、２０…軸受、３０…フレーム、３２…鉄心、４０…シールド、４２…ハウジング、４４…リブ。

Claims (17)

1. 回転子のシャフトを支持するシールドの内側の面と外側の面の両方に前記シールドの中心側から外に向けて放射状に延びるリブを設け、
   前記シールドの外側の面に設けられたリブの内周側端面の位置が、前記シールドの内側の面に設けられたリブの外周側端面から所定の間隔を隔てた位置となるように各リブが設けられており、
   前記シールドは、前記シールドの外側の面に設けられたリブの内周側端面と前記シールドの内側の面に設けられたリブの外周側端面の間の部分が肉厚となるように形成されている
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記回転子の最大回転速度が大きいほど、多くの前記リブが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。
3. 前記回転子の最大回転速度が大きいほど、前記リブが厚く形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記回転子の最大回転速度が大きいほど、前記リブが高く形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の回転電機。
5. 前記回転子の最大回転速度が大きいほど、前記リブの裾幅が長く形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の回転電機。
6. 前記リブの外周側端面の位置が、前記シールドの外周に沿って設けられたフレームの内周面から所定の間隔を隔てた位置となるように前記リブが設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の回転電機。
7. 前記シールドは、前記リブの外周側端面と前記フレームの内周面の間の部分が肉厚となるように形成されていることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
8. 前記シールドの内側の面には、前記シャフトを支持する軸受を収納するハウジングが設けられており、前記リブの内周側端面の位置が前記ハウジングの外周面から所定の間隔を隔てた位置となるように前記リブが設けられていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の回転電機。
9. 前記シールドは、前記リブの内周側端面と前記ハウジングの外周面の間の部分が肉厚となるように形成されていることを特徴とする請求項８に記載の回転電機。
10. 内側の面に設けられたリブは前記ハウジングの外側に放射状に延びていることを特徴とする請求項８または９の何れか１項に記載の回転電機。
11. 前記ハウジングが、回転子のコイルエンドよりも内側に入り込んでいることを特徴とする請求項８〜１０の何れか１項に記載の回転電機。
12. 回転軸に直交する方向の前記ハウジングの振動を抑制する手段を設けたことを特徴とする請求項８〜１１の何れか1項に記載の回転電機。
13. 前記回転子の最大回転速度が大きいほど、前記ハウジングが肉厚に形成されていることを特徴とする請求項８〜１２の何れか１項に記載の回転電機。
14. 前記回転子の最大回転速度が大きいほど、前記シールドが肉厚に形成されていることを特徴とする請求項１〜１３の何れか１項に記載の回転電機。
15. 前記シールドとは別個に成形された部材を前記シールドに取り付けて前記リブを形成したことを特徴とする請求項１〜１４の何れか１項に記載の回転電機。
16. 回転子のシャフトを支持するシールドの剛性を前記シャフトの剛性と同等以上としたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
17. 回転子のシャフトを支持する軸受を収納するハウジングが内側の面に設けられたシールドを有する回転電機において、前記ハウジングが回転子のコイルエンドよりも内側に入り込んでいることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。