JP6660121B2

JP6660121B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP6660121B2
Application number: JP2015167403A
Authority: JP
Inventors: 愼治杉本; 大祐郡; 直希國廣; 正敏小池
Original assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Products Ltd
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2020-03-04
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: JP2017046466A

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来、回転電機内で作る磁束が回転子鉄心に鎖交した際に発生する渦電流による損失を抑制するため、0.5mm以下の板厚の薄い電磁鋼板を軸方向に積層して回転子鉄心を構成することが知られている。このように、板厚の薄い電磁鋼板を軸方向に積層する場合、軸方向に押さえ保持することが必要となってくる。

特許文献１では、永久磁石式回転電機の回転子において、鉄板を積層して成るヨーク４の軸方向両端にフランジ３を設け、さらにヨーク４およびフランジ３を貫通する通しボルト１１を設けて固定する構造を開示している。

特開２００６−２７１１３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明は永久磁石式回転電機を対象としたものであり、特許文献１に記載の構造を例えば誘導電動機に適用しようとすると、誘導電動機の回転子の二次導体を構成する導体棒（ロータバー）の両端に接続する短絡環（エンドリング）がフランジと干渉するため、回転子鉄心の軸方向両端にあるフランジよりもさらに軸方向外側に短絡環を設けることになる。

また、回転子鉄心内に配置する導体棒は、回転子鉄心の軸方向両端の短絡環に達する長さが必要であるが、短絡環をフランジよりも軸方向外側に設ける構成では、その分、導体棒を長くする必要があり、これにより回転子の二次側の抵抗が大きく、誘導電動機の回転子側で発生する二次銅損が大きくなり、効率が低下してしまうという問題があった。

本発明の目的は、信頼性を高く保ちつつ、高効率化した回転電機を提供することにある。

本発明は上記の目的を達成するために、固定子と、前記固定子に空隙を介して対向配置された回転子と、を有する回転電機において、前記固定子は、環状のヨーク鉄心および該ヨーク鉄心から径方向に突出した複数のティース鉄心で構成される固定子鉄心と、前記複数のティース鉄心の間に設けられた固定子スロットに収められているとともに前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線と、を備え、前記回転子は、回転可能に保持された回転子鉄心と、前記回転子鉄心に形成された複数の回転子スロットの内部に収められた複数の導体棒と、を備え、前記回転子鉄心は、複数の鋼板が軸方向に積層されて成る積層鋼板で構成され、前記回転子鉄心の軸方向両端には、前記導体棒と別部品である環部材が一つずつ設けられ、前記環部材のそれぞれは、環状の導体であって、前記回転子鉄心の軸方向一端に設けられた前記環部材は前記導体棒の一端と電気的に接続され、前記回転子鉄心の軸方向他端に設けられた前記環部材は前記導体棒の他端と電気的に接続され、前記回転子鉄心は、該回転子鉄心を軸方向に貫通する押さえ部材および前記環部材によって、軸方向に挟まれて保持されており、前記回転電機は、誘導電動機または誘導発電機として運転可能なものであり、前記環部材は、前記回転子の回転のバランス調整に用いられるバランス調整部を有し、前記バランス調整部は、前記環部材と同一部材である、ことを特徴とする。

本発明によれば、信頼性を高く保ちつつ、高効率化した回転電機を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１による回転電機１の軸方向断面図。本発明の実施例２による回転子鉄心７の周方向断面図。本発明の実施例３による回転子鉄心７の周方向断面図。本発明の実施例４による環部材１４を軸方向から見た図。本発明の実施例５による環部材１４を軸方向から見た図。本発明の実施例６による回転電機１の軸方向断面図。本発明の実施例７による回転電機１の軸方向断面図。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態に係る回転電機について詳細に説明する。

まず、本発明の実施例１について、図１を用いて説明する。図１は、本発明の実施例１による回転電機１の軸位置での軸方向断面図である。なお、軸より下側の図示は省略している。

回転電機１の固定子２は、ヨーク鉄心４ａおよびこのヨーク鉄心４ａから径方向内側に突出した複数のティース鉄心４ｂで構成される固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面で保持するハウジング１１と、を有して構成されている。固定子鉄心４は、薄い板厚の複数の電磁鋼板を積層されて構成され、固定子鉄心４を押さえるための固定子鉄心押さえ板１６によって軸方向に固定されている。複数のティース鉄心４ｂによって複数の固定子スロット４ｃを形成する。

回転電機１の回転子３は、回転子鉄心７と、二次導体を構成するロータバーとしての複数の導体棒１３と、短絡環の役割を果たす環部材１４と、通しボルト２３と、シャフト８と、ベアリング１０と、を有して構成されている。

回転子３は、固定子２に対して空隙を介して対向配置されている。

回転子鉄心７は、薄い板厚の複数の電磁鋼板を積層されて構成されている。ベアリング１０は、シャフト８を回転可能に保持するものであって、エンドブラケット９によって支持されている。エンドブラケット９は、ハウジング１１に固定されている。回転子３は、時計方向、反時計方向に回転可能であり、回転電機１は、誘導電動機または誘導発電機として運転可能なものである。回転子鉄心７には導体棒１３を挿入する複数の回転子導体棒挿入部２８を設けており、この回転子導体棒挿入部２８によって複数の回転子スロット７ａを形成する。

また、回転子鉄心７は、積層された複数の電磁鋼板（以下、「積層鋼板」ともいう）から成る回転子鉄心７を押えるための環部材１４および通しボルト２３によって軸方向に固定している。通しボルト２３は、回転子鉄心７と環部材１４とを軸方向に貫通した穴に挿入されている。通しボルト２３の両端は不図示のナットで固定する構成としてもよい。

環部材１４は、回転子鉄心７の軸方向両端に一つずつ設けられており、そのそれぞれは回転子鉄心７の周方向に一周する環状の導体である。導体棒１３は、例えば銅製の棒状の導体である。環部材１４と導体棒１３とは、別部品で構成されており、回転子鉄心７の軸方向一端に設けられた環部材１４は複数の導体棒１３の一端と、例えばろう付けや溶接することによって電気的に接続され固定され、回転子鉄心７の軸方向他端に設けられた環部材１４は複数の導体棒１３の他端と、例えばろう付けや溶接することによって電気的に接続され固定されている。

本実施例では、回転子鉄心７が、導体棒１３と電気的に接続された環部材１４と通しボルト２３によって軸方向に挟まれて保持された構成としている点を特徴としている。なお、本発明は、通しボルト２３に限らず、回転子鉄心７を軸方向に貫通する棒状の押さえ部材２５を設け、回転子鉄心７は、この押さえ部材２５および環部材１４によって軸方向に挟まれて保持されている構成としてもよい。

本実施例によれば、回転子鉄心７を押さえるためのフランジを不要としながらも、回転子鉄心７は、通しボルト２３（押さえ部材２５の一例）および環部材１４によって軸方向に挟まれて保持されているので、信頼性を高く保つことができる。

また、本実施例によれば、回転子鉄心７を押さえるためのフランジが不要となり、且つ導体棒１３の軸方向長さを、フランジを設けた場合と比べて短くすることができる。これにより、二次抵抗を小さくし、二次銅損を低減することができるため、回転電機１の効率を向上することができる。

なお、通しボルト２３は、ステンレス鋼の材料で構成された金属であることが望ましい。

このようにすることにより、通しボルト２３が錆びにくく、回転子鉄心７を軸方向に保持する強度が低下しにくくなることで、回転電機１の信頼性を向上することができる。

さらに、通しボルト２３の表面に絶縁塗料でコーティングして絶縁層２３ａを形成する、又は環部材１４と通しボルト２３との間に絶縁部材２３ｂを挟みこんだ構成とすることが望ましい。

環部材１４と通しボルト２３とが電気的に接続されていた場合には、通しボルト２３に鎖交する磁束が発生した際、環部材１４と通しボルト２３との間に電流が流れることで通しボルト２３に損失が発生してしまう。通しボルト２３と環部材１４との間を電気的に絶縁することで、この損失が発生せず、回転子鉄心７を軸方向に押さえる強度を確保しつつ、回転電機１の効率を向上することができる。

また、本実施例によれば、導体棒１３はその両端において、環部材１４に接続されて固定され、さらに環部材１４は、回転子鉄心７を貫通する通しボルト２３によって固定されるので、回転子鉄心７を軸方向に押さえることができるとともに、回転子３がシャフト８を軸に回転した際に遠心力によって導体棒１３が抜けないように強度を確保することができ、回転電機１の信頼性を向上することができる。

なお、回転子の二次導体をアルミダイキャストで一体成型する構成が考えられるが、この場合、本実施例のように、導体棒１３と環部材１４とを別体に製作し、導体棒１３の一端の環部材１４と他端の環部材１４とを別体に製作し、導体棒１３を銅材料で構成する回転子と比べて、二次導体の抵抗が大きくなり、誘導電動機の効率が低下してしまう。また、アルミダイキャストではなく、銅ダイキャストでの回転子の製作が考えられるが、銅ダイキャストの場合、銅の融点が１０００℃程度であるため、回転子をこの温度付近まで加熱する必要があり、銅ダイキャストの製造装置が大型化し、製作コストが高いという課題がある。さらに、回転子を１０００℃付近に加熱すると、回転子鉄心に使用されている電磁鋼板の両面に塗布されている絶縁材料が劣化する懸念があり、これにより、積層された回転子鉄心においても、回転電機内で作る磁束が鎖交した際に発生する渦電流が大きくなることで、回転子鉄心内で損失が発生することで、誘導電動機の効率が低下してしまう。

次に、本発明の実施例２について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の実施例２による回転子鉄心７の周方向断面図であり、他の構成部材は、図１と同様であるため、図示省略している。

回転子鉄心７は、導体棒１３を挿入する貫通穴である回転子導体棒挿入部２８と、通しボルト２３を挿入する貫通穴である通しボルト挿入部２４と、シャフト８を挿入する貫通穴であるシャフト孔１９と、を有した構成となっている。

図２に示すように、回転子導体棒挿入部２８は、径方向外側の中央の一部が開放しており、径方向内側では中央の一部が通しボルト挿入部２４と繋がっている。ボルト挿入部２４は、回転子導体棒挿入部２８と同じ数だけ配置している。

ボルト挿入部２４は、複数の回転子スロット７ａを形成する回転子導体棒挿入部２８の径方向で最も内側の位置（以下、「最内周位置」ともいう）よりも径方向内側に位置している。すなわち、通しボルト２３は回転子スロット７ａの最内周位置よりも径方向内側に位置する。

本実施例では、通しボルト挿入部２４が、回転子導体棒挿入部２８の内周側の位置よりも径方向内側に位置している点を特徴としている。

本実施例によれば、通しボルト２３が導体棒１３よりも径方向内側に位置することで、通しボルト２３に鎖交する磁束を大幅に減少することができ、通しボルト２３に発生する渦電流を抑えることができるため、回転子鉄心７を軸方向に押さえる強度を確保しつつ、回転電機１の効率を向上することができる。

次に、本発明の実施例３について、図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施例３による回転子鉄心７の周方向断面図であり、他の構成部材は、図１と同様であるため、図示省略している。

本実施例においても、通しボルト２３は回転子スロット７ａの最内周位置よりも径方向内側に位置する。

本実施例において、図２に示した実施例２と異なる点は、通しボルト挿入部２４が回転子導体棒挿入部２８と繋がっておらず、別々に設けられている点である。

本実施例によれば、径方向内側に位置する通しボルト２３が挿入される貫通穴である通しボルト挿入部２４と、導体棒１３を挿入する貫通穴である回転子導体棒挿入部２８とを別々に設けることで、通しボルト２３に鎖交する磁束を大幅に減少することができ、通しボルト２３に発生する渦電流を抑えることができるため、回転子鉄心７を軸方向に押さえる強度を確保しつつ、回転電機１の効率を向上することができる。

次に，本発明の実施例４について、図４を用いて説明する。図４は、本発明の実施例４による環部材１４を軸方向から見た図であり、他の構成部材は、図１、図３と同様であるため、図示省略している。

環部材１４は、導体棒１３を挿入する貫通穴である回転子導体棒挿入部２８と、ボルト２３を挿入する貫通穴である通しボルト挿入部２４と、回転バランス調整用の凸凹部２７と、を有して構成される。通しボルト挿入部２４は、回転子導体棒挿入部２８と繋がっておらず、別々に設けられている。回転子導体棒挿入部２８は、径方向外側が開放した凹形状の凹部２８ａとなっている。

本実施例では、環部材１４に設けられた回転子導体棒挿入部２８が凹形状となっている点と、回転子３の回転のバランス調整に用いられるバランス調整部として凸凹部２７が設けられている点を特徴としている。回転バランス調整用の凸凹部２７は、軸方向に凹凸を有するものであり、この凹凸で重量を調整することによって回転のバランス調整を行う。

本実施例によれば，環部材１４の回転子導体棒挿入部２８に凹部２８ａを設けたことで、導体棒１３と環部材１４とを接続する際のろう付け作業や溶接作業等に使用する材料が導体棒１３と環部材１４との間に入りやすくなることで、導体棒１３と環部材１４との接続部の強度が確保でき、回転電機１の信頼性が向上する。また、回転バランス調整用の凸凹部２７を環部材１４に設けたことで、回転バランス調整用の部材が他に必要なくなり、回転電機１を低コスト化できる。

次に、本発明の実施例５について、図５を用いて説明する。図５は、本発明の実施例５による環部材１４を軸方向から見た図であり、他の構成部材は、図１、図３と同様であるため、図示省略している。

本実施例において、図４に示した実施例４と異なる点は、環部材１４に回転バランス調整用の凸凹部２７を設けていない点のほかに、環部材１４の回転子導体棒挿入部２８が径方向において開放しておらず、軸方向にのみ貫通している孔形状の貫通穴２８ｂとなっている点である。

本実施例によれば、環部材１４に設けられた回転子導体棒挿入部２８が、このような孔形状の貫通穴２８ｂになっていることで、導体棒１３と環部材１４との接触面積を大きくとることができ、導体棒１３と環部材１４との間の抵抗を小さくすることができるため、導体棒１３と環部材１４とに発生する損失を低減することができる、回転子鉄心７を軸方向に押さえる強度を確保しつつ、回転電機１の効率を向上することができる。

次に、本発明の実施例６について、図６を用いて説明する。図６は，本発明の実施例６による回転電機１の軸位置での軸方向断面図である。なお、軸より下側の図示は省略している。

本実施例において、図１に示した実施例１と異なる点は、導体棒１３の長さを、回転子鉄心７の軸方向両端にある環部材１４の間の距離よりも軸方向に長くしている点である。すなわち、導体棒１３は、回転子鉄心７の軸方向一端の環部材１４の軸方向外側の面から、回転子鉄心７の軸方向他端の環部材１４の軸方向外側の面までの距離よりも長く、導体棒１３は環部材１４の軸方向外側の面よりもさらに軸方向外側に突出している。

本実施例によれば、導体棒１３の長さを回転子鉄心７の軸方向両端にある環部材１４の間の距離よりも軸方向に長くしていることで、回転電機１が運転している際に、回転子３の回転に伴い、環部材１４よりも軸方向外側に突出している導体棒１３も回転することで、この突出部分によって回転電機１の内部の冷媒が攪拌され、回転電機１の冷媒の熱伝達率が向上し、回転電機１の内部の熱抵抗が低減され、回転電機１の内部の温度上昇値が抑制される。これにより、回転電機１が高冷却化できることで、回転子鉄心７を軸方向に押さえる強度を確保しつつ、回転電機１を高出力化することができる。

次に、本発明の実施例７について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施例７による回転電機１の軸位置での軸方向断面図である。なお、軸より下側の図示は省略している。

本実施例において、図１に示した実施例１と異なる点は、通しボルト２３の軸方向端部（通しボルト２３の頭２３ｃ）と環部材１４（環部材１４の軸方向端面）との間にあて板２６が設けられている点である。あて板２６は、強度を有し、塑性変形しづらい金属製の板であることが望ましい。

本実施例によれば、通しボルト２３の軸方向端部と環部材１４との間にあて板２６を設けたことで、通しボルト２３を締めた際に、通しボルト２３の軸力をあて板２６によって回転子鉄心７に効率よく伝えることができ、環部材１４に塑性変形が発生せずに、回転子鉄心７を軸方向に押さえる強度を確保することができる。

＜付記＞
なお、以上説明した本発明は、
１．
固定子と、
前記固定子に空隙を介して対向配置された回転子と、
を有する回転電機において、
前記固定子は、
環状のヨーク鉄心および該ヨーク鉄心から径方向に突出した複数のティース鉄心で構成される固定子鉄心と、
前記複数のティース鉄心の間に設けられた固定子スロットに収められているとともに前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線と、
を備え、
前記回転子は、
回転可能に保持された回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に形成された複数の回転子スロットの内部に収められた複数の導体棒と、
を備え、
前記回転子鉄心は、複数の鋼板が軸方向に積層されて成る積層鋼板で構成され、
前記回転子鉄心の軸方向両端には、前記導体棒と別部品である環部材が一つずつ設けられ、
前記環部材のそれぞれは、環状の導体であって、前記回転子鉄心の軸方向一端に設けられた前記環部材は前記導体棒の一端と電気的に接続され、前記回転子鉄心の軸方向他端に設けられた前記環部材は前記導体棒の他端と電気的に接続され、
前記回転子鉄心は、該回転子鉄心を軸方向に貫通する押さえ部材および前記環部材によって、軸方向に挟まれて保持されている、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
２．
１．に記載の回転電機において、
前記押さえ部材は、前記回転子鉄心を軸方向に貫通する通しボルトである、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
３．
２．に記載の回転電機において、
前記通しボルトは前記回転子スロットの最内周位置よりも径方向内側に位置する、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
４．
２．に記載の回転電機において、
前記回転子鉄心に設けられた前記通しボルトを通す貫通穴は、前記回転子スロットと別に設けられた穴である、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
５．
２．に記載の回転電機において、
前記通しボルトはステンレス鋼の材料で構成された金属である、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
６．
２．に記載の回転電機において、
前記通しボルトの表面には絶縁層を有する、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
７．
２．に記載の回転電機において、
前記通しボルトと前記環部材との間に絶縁部材を設けた、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
８．
１．に記載の回転電機において、
前記環部材は、前記回転子の回転のバランス調整に用いられるバランス調整部を有する、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
９．
１．に記載の回転電機において、
前記環部材は、前記導体棒が挿入される凹部を有する、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
１０．
１．に記載の回転電機において、
前記環部材は、前記導体棒が挿入される貫通穴を有する、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
１１．
１．に記載の回転電機において、
前記導体棒は、前記回転子鉄心の軸方向一端の前記環部材の軸方向外側の面から、前記回転子鉄心の軸方向他端の前記環部材の軸方向外側の面までの距離よりも長い、
ことを特徴とする回転電機、とした。

また本発明は、
１２．
２．に記載の回転電機において、
前記通しボルトの頭と前記環部材の軸方向端面との間に、金属製の板を挟んで成る、
ことを特徴とする回転電機、とした。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…回転電機、２…固定子、３…回転子、４…固定子鉄心、５…固定子巻線、７…回転子鉄心、８…シャフト、９…エンドブラケット、１０…ベアリング、１１…ハウジング、１３…導体棒、１４…環部材、１６…固定子鉄心押さえ板、１９…シャフト孔、２３…通しボルト、２４…通しボルト挿入部、２６…あて板、２７…回転バランス調整用の凸凹部、２８…回転子導体棒挿入部。

Claims

固定子と、
前記固定子に空隙を介して対向配置された回転子と、
を有する回転電機において、
前記固定子は、
環状のヨーク鉄心および該ヨーク鉄心から径方向に突出した複数のティース鉄心で構成される固定子鉄心と、
前記複数のティース鉄心の間に設けられた固定子スロットに収められているとともに前記固定子鉄心に巻回された固定子巻線と、
を備え、
前記回転子は、
回転可能に保持された回転子鉄心と、
前記回転子鉄心に形成された複数の回転子スロットの内部に収められた複数の導体棒と、
を備え、
前記回転子鉄心は、複数の鋼板が軸方向に積層されて成る積層鋼板で構成され、
前記回転子鉄心の軸方向両端には、前記導体棒と別部品である環部材が一つずつ設けられ、
前記環部材のそれぞれは、環状の導体であって、前記回転子鉄心の軸方向一端に設けられた前記環部材は前記導体棒の一端と電気的に接続され、前記回転子鉄心の軸方向他端に設けられた前記環部材は前記導体棒の他端と電気的に接続され、
前記回転子鉄心は、該回転子鉄心を軸方向に貫通する押さえ部材および前記環部材によって、軸方向に挟まれて保持されており、
前記回転電機は、誘導電動機または誘導発電機として運転可能なものであり、
前記環部材は、前記回転子の回転のバランス調整に用いられるバランス調整部を有し、
前記バランス調整部は、前記環部材と同一部材である、
ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記押さえ部材は、前記回転子鉄心を軸方向に貫通する通しボルトである、
ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記通しボルトは前記回転子スロットの最内周位置よりも径方向内側に位置する、
ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記回転子鉄心に設けられた前記通しボルトを通す貫通穴は、前記回転子スロットと別に設けられた穴である、
ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記通しボルトはステンレス鋼の材料で構成された金属である、
ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記通しボルトの表面には絶縁層を有する、
ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記通しボルトと前記環部材との間に絶縁部材を設けた、
ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記環部材は、前記導体棒が挿入される凹部を有する、
ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記環部材は、前記導体棒が挿入される貫通穴を有する、
ことを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記導体棒は、前記回転子鉄心の軸方向一端の前記環部材の軸方向外側の面から、前記回転子鉄心の軸方向他端の前記環部材の軸方向外側の面までの距離よりも長い、
ことを特徴とする回転電機。
請求項２に記載の回転電機において、
前記通しボルトの頭と前記環部材の軸方向端面との間に、金属製の板を挟んで成る、
ことを特徴とする回転電機。