JP6814694B2 - 回転子鉄心及び同期リラクタンス回転電機 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、回転子鉄心及び同期リラクタンス回転電機に関する。

同期リラクタンス回転電機は、回転子に永久磁石や導体を有しない回転電機である。同期リラクタンス回転電機では、回転子鉄心のｑ軸磁束の流れに沿った形状の空洞部（フラックスバリア）により磁束の流路を制御することにより、いわゆる突極性を確保している。

この回転子鉄心は、回転子鉄心の径方向端部において、フラックスバリアをブリッジにより閉じることにより、回転子鉄心の強度を保持するようにしている。
また、同期リラクタンス回転電機では、運転時における回転子の温度上昇が課題となっている。

特開平０６−０６１０６９号公報

そこで、運転時の温度上昇を抑制することが可能な回転子鉄心及びこれを用いた同期リラクタンス回転電機を提供する。

実施形態に係る回転子鉄心は、複数のフラックスバリアと、前記フラックスバリアと外周面との間に設けられたブリッジと、を備え、少なくとも複数の前記ブリッジのうちの一つに、その一部を切り欠く、切り欠き部を備える。

実施形態に係る同期リラクタンス回転電機の概略構成を示す一部断面斜視図 同期リラクタンス回転電機の回転中心軸方向から見た回転子鋼板の概略構成を示す平面図 回転子の概略構成を示す斜視図 図２のＡ部の拡大図 回転子鉄心の応力分布を示す図 切り欠き部を拡大して示す図

以下、実施形態について図面に基づいて説明する。以下の説明において、回転中心軸Ｏに対して平行な方向を軸方向と称する。また、回転中心軸Ｏの周りを回転中心軸Ｏに対して同軸に周回する方向を周方向と称する。また、回転中心軸Ｏに対して直行する方向を径方向と称する。

図１は、同期リラクタンス回転電機１の概略構成を示す一部断面斜視図である。図１に示すように、同期リラクタンス回転電機１は、ハウジング２と、固定子３と、回転子４を備える。

ハウジング２は、フレーム５と、その上下にブラケット６とを備える。フレーム５は上下に開口部５ａを有する略円筒形状を呈しており、開口部５ａは円板状のブラケット６により閉塞されている。各ブラケット６は中央部に貫通孔６ａを備えており、貫通孔６ａには、貫通孔６ａの一部を形成するようにベアリング８が設けられている。固定子３は固定子鉄心１０及び電機子巻線１３を備えており、ハウジング２内に固定されている。

図２は、同期リラクタンス回転電機１の回転中心軸Ｏ方向から見た回転子鋼板１５ｂの概略構成を示す平面図である。図２では、同期リラクタンス回転電機１の１／４セクター、すなわち１／４周角度領域、言い換えれば磁極の一極分を示している。

固定子３は、略円筒状の固定子鉄心１０を有している。この固定子鉄心１０の外周面が図１に示すようにフレーム５の内周面に嵌合固定されている。固定子鉄心１０の径方向中心は、回転中心軸Ｏと一致している。

固定子鉄心１０は、例えば、電磁鋼板を複数枚積層して形成されている。また、軟磁性粉を加圧成型して形成してもよい。固定子鉄心１０の内周面には、回転中心軸Ｏに向かって突出し、周方向に等間隔で配列された複数のティース１１が一体成型されている。各ティース１１は、固定子鉄心１０の回転中心軸Ｏに対して点対称に、放射状に配置されている。各ティース１１は、断面略矩形状に形成されている。隣接する各ティース１１間には、それぞれスロット１２が形成されている。これらスロット１２を介し、各ティース１１には、巻線１３が集中巻き方式で巻回されてコイルが形成されている。

図３は回転子４を示す斜視図である。図１から図３にも示すように、回転子４は、固定子鉄心１０の径方向内側に配置されている。回転子４は軸方向に延びる回転軸１４と、回転軸１４の外周に嵌合固定された略円柱状の回転子鉄心１５と、を備えている。回転軸１４は回転中心軸Ｏの周りに配置されたベアリング８により回転自在に支持される。これにより回転子４がベアリング８に支持される。なお、図１から３に示す矢印は回転子４の回転方向を示している。すなわち、実施形態においては、同期リラクタンス回転電機１の回転子鉄心１５の回転方向は図３の上方向から見て時計回り方向となっている。

回転子鉄心１５は、複数の薄板円板状の回転子鋼板１５ｂを積層することにより形成されている。回転子鋼板１５ｂは、例えば軟磁性粉を略円板状に加圧整形し、貫通孔１６、係合溝１８やフラックスバリア２０等を打ち抜くことにより形成される。貫通孔１６には係合溝１８が貫通孔１６の一部を構成するように形成されている。係合溝１８は回転中心軸Ｏ内側方向が開放した矩形溝形状を呈している。この係合溝１８の位置は、ｄ軸に対して一致又は所定の角度ずれて設けられている。これについては後述する。

回転子鉄心１５の外周面１５ａは径方向で対向する各ティース１１との間に、所定のエアギャップＧが形成されるように設定されている。また、回転子鉄心１５の径方向中央には、軸方向に貫通する貫通孔１６が形成されている。この貫通孔１６に、回転軸１４が圧入されている。また、回転軸１４には回転子鋼板１５ｂの係止用のキー１４ａが、回転軸１４側面に、その延伸方向が回転中心軸Ｏ方向となるようにして設けられている。回転軸１４と回転子鉄心１５とは、回転軸１４のキー１４ａと、複数の回転子鉄心１５の係合溝１８とが共通に係合することにより回り止め嵌合されるため一体となって回転可能に構成される。

回転子鉄心１５には、１／４周の周角度領域のそれぞれに４層の空洞部であるフラックスバリア２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが径方向に並んで形成されている。実施形態においては４つのフラックスバリア２０が形成されている。以下の説明において、フラックスバリア２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを総称して示す場合は、フラックスバリア２０と称する。フラックスバリア２０において、回転中心軸Ｏを基準として径方向最外側に第１フラックスバリア２０ａが形成され、この第１フラックスバリア２０ａから径方向内側に向かって順に第２フラックスバリア２０ｂ、第３フラックスバリア２０ｃ、第４フラックスバリア２０ｄが並んで形成されている。そして、第４フラックスバリア２０ｄが回転中心軸Ｏを基準として径方向最内側に配置されている。

フラックスバリア２０は電機子巻線１３に通電した際に形成される磁束の流れに沿うように形成されている。フラックスバリア２０は周方向の中央が最も径方向内側に位置するように湾曲して構成されている。フラックスバリア２０は、径方向内側に向かって凸形状となる三日月形状を呈して湾曲形成されている。これにより、回転子鉄心１５には、磁束の流れやすい方向と磁束の流れにくい方向が形成される。

本実施形態において、１／４周の周角度領域に配置されたフラックスバリア２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄをひとまとまりのフラックスバリア２０と考えた場合に、隣接するフラックスバリア２０間は、磁束が流れやすい方向、すなわち、各フラックスバリア２０によって磁束の流れが妨げられない方向となっている。この磁束が流れやすい方向に沿った仮想的な線をｑ軸と称する。ｑ軸に対して、電気的、磁気的に直行する径方向に延伸する仮想的な線をｄ軸と称する。ｄ軸はフラックスバリア２０の中央部の径方向に延伸する線となる。また、ｄ軸に直行する方向をフラックスバリア２０の長手方向と称する。各フラックスバリア２０は、ｄ軸に沿った径方向において多層構造となる。実施形態の場合、フラックスバリア２０は４層構造となっている。また、回転子鉄心１５の１極とは、隣接するｑ軸間の領域を意味する。

ここで、同期リラクタンス回転電機１の運転時に、回転子鉄心１５において励起される磁束の方向をｄ軸とし、ｄ軸に対して電気的磁気的に直交する方向をｑ軸とする。本実施形態では、ｄ軸は、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直行する場合に限らず、直行する角度からある程度の角度幅、例えば機械角で１０度程度の角度を備えてもよい。

各フラックスバリア２０は、ｄ軸と交わる個所において最も径方向内側に位置するように、径方向内側すなわち貫通孔１６方向に向かって凸となる略三日月形状となるように湾曲形成されている。また、各フラックスバリア２０は、その長手方向両端が、回転子鉄心１５の外周部に位置するように湾曲した形状となっている。各フラックスバリア２０は、長手方向両端に近い箇所ほどｑ軸に沿うような向きに、且つ、長手方向中心に近い箇所ほどｄ軸と直行するような向きに形成されている。

ｑ軸方向において、各フラックスバリア２０の長手方向両端と、回転子鉄心１５の外周面１５ａとの間の薄肉部は、それぞれブリッジ２６、２７となっている。ここで、ブリッジ２６はｄ軸を基準として回転子鉄心１５の回転方向に対して後側、ブリッジ２７は回転方向に対して前側に配置するものとする。ブリッジ２６については、個々のブリッジ２６に符号２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄ（第１ブリッジ２６ａ、第２ブリッジ２６ｂ、第３ブリッジ２６ｃ、第４ブリッジ２６ｄ）を付与している。回転子鉄心１５の外周面１５ａには、第４ブリッジ２６ｄに、切り欠き部３０が形成されている。

図５に示すように、同期リラクタンス回転電機１を運転させた場合の回転子鋼板１５ｂにおける応力集中部Ｆを網掛けにより示している。図５は、同期リラクタンス回転電機１の運転時に、回転子鉄心１５に発生する応力集中部Ｆを、シミュレーションにより計算した結果により示している。この場合の応力は遠心応力である。応力集中部Ｆは、Ｘ線による応力測定法による測定結果をもとにして応力集中部Ｆを特定することができる。回転子鉄心１５には、同期リラクタンス回転電機１の運転により、回転による遠心力が発生し、これによって発生する遠心応力が、応力に対して弱い箇所に集中する。回転子鋼板１５ｂにおいては、フラックスバリア２０は空洞になっているためその外周部に応力が集中する場所が存在することになり、これが応力集中部Ｆとなる。

図５に示すように、応力集中部Ｆは主にフラックスバリア２０と外周面１５ａとの間の周辺に集中している。第４フラックスバリア２０ｄの径方向外側に位置する第４ブリッジ２６ｄにおいては、フラックスバリア２０が存在しない場所であるｑ軸に隣接しているため、他のブリッジ２６（２６ａ、２６ｂ、２６ｃ）に比較して、応力が集中していない場所である応力非集中部Ｄが存在する。この応力非集中部Ｄは、回転子鋼板１５ｂの平面図において、外周面１５ａと、第４フラックスバリア２０ｄの長手方向の輪郭の延長線Ｅ１、Ｅ２に囲まれた領域すなわち第４ブリッジ２６ｄに存在する。

図６は、切り欠き部３０の拡大図を示している。切り欠き部３０の回転中心軸Ｏ方向すなわち図において上方向から見た形状は、略直角三角形となっている。ここで、この略直角三角形の略直角となっている角を挟む２辺のうち、回転子鋼板１５ｂの略円周の一部となっている片をＰ１とし、回転子鉄心１５の回転方向の反対方向側で、延長線Ｅ１の一部となっている片を辺Ｐ２とする。この場合、切り欠き部３０の辺Ｐ２は、回転子鋼板１５ｂの円周と延長線Ｅ２との交点における接線Ｓに対して略直角となっている。ここで、回転子鉄心１５の回転方向は時計回り方向なので、辺Ｐ２は回転方向の後側となり、且つ、辺Ｐ２の角度は回転子鉄心１５の外周面１５ａと空気とが接する際に、空気に対して抵抗が大きくなる角度となる。従って、回転子鉄心１５が回転する際に、辺Ｐ２によって、周りの空気を巻き込む作用が大きくなっている。

ここで、応力集中部Ｆは、この部分で応力が大きくなっているため、そこに切り欠き部を設けると回転子鉄心１５が破損する可能性が高くなる。しかし、応力非集中部Ｄは応力が低い部分であるため、この部分に切り欠き部を設けても、回転子鉄心１５の破損耐性が劣化することはない。また、延長線Ｅ１、Ｅ２の外側は磁束が通る場所であるため、この分に切り欠き部を設けると、同期リラクタンス回転電機１の運転特性を劣化させてしまう。そこで、本実施形態においては、切り欠き部３０は、図５、図６に示すように、応力非集中部Ｄに設けられている。

さらに、図３に示すように、切り欠き部３０は、回転子鉄心１５の外周面１５ａにおいて、回転中心軸Ｏに対して所定の角度を設けて斜めに構成されたスキュー構造３２を構成している。回転子鉄心１５は、複数の回転子鋼板１５ｂが回転中心軸Ｏ方向に積層されて構成されている。切り欠き部３０は回転子鋼板１５ｂの径方向端部に設けられている。ここで、例えば回転子鉄心１５が１００枚の回転子鋼板１５ｂにより構成されている場合を想定する。切り欠き部３０は、積層された回転子鋼板１５ｂの外周面１５ａに連続して配置された連続スキュー構造３２となっている。スキュー構造３２は、回転中心軸Ｏ方向に対して捻じれ角を与える構成であり、回転子鉄心１５の磁極を回転軸１４周りに螺旋状に配置するものである。

切り欠き部３０は、外周面１５ａにおいて、回転中心軸Ｏに対して傾いて連続するスキュー構造３２を設けるようにして配置されている。これにより、切り欠き部３０は、回転中心軸Ｏに対して斜めに傾いたスキュー構造３２を構成している。回転子鉄心１５にスキュー構造３２を設けるということは、回転子鉄心１５の磁極をスキューすることになる。これにより同期リラクタンス回転電機１の運転時のコギング、トルクリプルを抑制し、振動、騒音を低減できる。

スキュー構造３２は以下のようにして構成されている。回転子鉄心１５の貫通孔１６に設けられた係合溝１８は、ｄ軸に対して、所定の角度ずらして形成されている。例えば、回転子鋼板１５ｂが１００枚積層されることにより回転子鉄心１５が構成されている場合を想定する。スキュー構造３２は例えば一つのスロット１２の幅の中でずれ幅が完結するように構成される。ここで、例えば一つのスロット１２幅に対する対応角が１０度であるとすると、１００枚の回転子鉄心１５について、係合溝１８を設ける位置をｑ軸に対して０．１度、０．２度、０．３度、、、９．９度、１０．０度というように０．１度ずつずらした回転子鋼板１５ｂを１００枚準備する。この１００枚の回転子鋼板１５ｂの係合溝１８を共通にキー１４ａに係合して組み立てれば、回転子鋼板１５ｂの一枚一枚の磁極に対する回転角が０．１度幅でずれてキー１４ａに係合する。このようにして、切り欠き部３０が連続してずれてキー１４ａに係合し、スキュー幅がスロット１２の１個分の幅に収まるスキュー構造３２が形成される。

また、スキュー構造３２は、図１、図３において、回転子鉄心１５の回転方向に対して、下から上に向かって後ろにずれていくように構成されている。図２においては、同期リラクタンス回転電機１の１／４セクター、すなわち、１／４周角度領域を図示している。従って、同期リラクタンス回転電機１全体で少なくとも４個のスキュー構造３２を備えている。

実施形態に係る同期リラクタンス回転電機１によれば以下の効果を奏する。
回転子鋼板１５ｂの切り欠き部３０を、応力集中部Ｆ以外の領域であって、延長線Ｅ１、Ｅ２内の領域すなわち第４ブリッジ２６ｄの応力非集中部Ｄに設けた。このため、回転子鉄心１５が破損することを抑制することができる、また、磁束が通る領域の境界である延長線Ｅ１、Ｅ２の外側に切り欠き部３０を設けていないため、同期リラクタンス回転電機１の回転特性を劣化させることがない。

また、回転子鋼板１５ｂの外周部に設けられた切り欠き部３０は、回転中心軸Ｏ方向から見た形状が略直角三角形となっており、回転子鋼板１５ｂの略円周の一部となっている片をＰ１とし、延長線Ｅ１の一部となっている片を辺Ｐ２とする。この場合、辺Ｐ２は、回転子鉄心１５の円周と延長線Ｅ１との交点における接線Ｓに対して略直角となっている。従って、回転子鉄心１５の回転方向に対して、辺Ｐ２は回転方向の後側となる。そして、辺Ｐ２の角度は回転子鉄心１５の外周面１５ａと空気とが接する際に、空気に対して抵抗が高くなる角度となる。従って、回転子鉄心１５が回転する際に、辺Ｐ２によって、周りの空気を巻き込む作用が大きくなっているため、同期リラクタンス回転電機１の運転時に、回転子鉄心１５を冷却する効果を向上させることができる。

また、回転子鉄心１５は回転子鋼板１５ｂにおいて、スキュー構造３２を備えている。スキュー構造３２は、回転子鉄心１５の回転軸１４に沿った方向すなわち図１、図３において下から上に向かって後ろにずれていくように構成されている。これによって、回転子鉄心１５の回転時には、回転子鉄心１５周りの空気がスキュー構造３２により巻き込まれて、下から上方向に流れる空気の流れを作り出すことができる。さらに、上述のように、回転子鉄心１５の回転方向の後側に、外周面１５ａの接線Ｓに対して略直角を構成する辺Ｐ２が存在するため、回転子鉄心１５周りの空気に対して大きな抵抗で巻き上げることができる。従って、回転子鉄心１５の回転により、回転子鉄心１５周りの空気を、効率的に上方向に流すことができるため、同期リラクタンス回転電機１内の換気効率を向上させることができる。これにより、同期リラクタンス回転電機１の冷却効果を向上させることができる。従って、運転時の温度上昇を抑制することが可能な回転子鉄心及びこれを用いた同期リラクタンス回転電機を提供することができる。

上記に説明した実施形態において、切り欠き部３０を第４ブリッジ２６ｄに形成した例を示して説明したが、これに限ることはない。応力非集中部Ｄが存在するのであれば、他のブリッジ２６である第１ブリッジ２６ａ、第２ブリッジ２６ｂ、第３ブリッジ２６ｃに設けてもよい。また、これにより、複数のスキュー構造３２を設けるようにしてもよい。複数のスキュー構造３２を設けた場合、より一層、同期リラクタンス回転電機１の冷却効果を向上させることができる。

また、スキュー構造３２は、回転子鉄心１５の上から見て左巻きとなるように構成した例を示したが、これに限定されない。回転子鉄心１５の上から見て右巻きとなるように構成してもよい。

以上のように、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…同期リラクタンス回転電機、３…固定子、４…回転子、１０…固定子鉄心、１４…回転軸、１４ａ…キー、１５…回転子鉄心、１５ａ…外周面、１５ｂ…回転子鋼板、１８…係合溝、２０…フラックスバリア２０、２０ａ…第１フラックスバリア、２０ｂ…第２フラックスバリア、２０ｃ…第３フラックスバリア、２０ｄ…第４フラックスバリア、２６、２７…ブリッジ、２６ａ…第１ブリッジ、２６ｂ…第２ブリッジ、２６ｃ…第３ブリッジ、２６ｄ…第４ブリッジ、３０…切り欠き部、３２…スキュー構造

Claims (6)

1. 複数のフラックスバリアと、
   前記フラックスバリアと外周面との間に設けられたブリッジと、を備え、
   少なくとも複数の前記ブリッジのうちの一つに、その一部を切り欠く、切り欠き部を備える、回転子鉄心。
2. 前記回転子鉄心は円筒形状であり、
   回転軸に対して直行する断面における前記切り欠き部は、回転子鉄心の外周面側面における接線に対して略直角となる辺を備える請求項１に記載の回転子鉄心。
3. 前記回転子鉄心の外周面において、前記切り欠き部は、スキュー構造を構成する請求項１又は２に記載の回転子鉄心。
4. 前記切り欠き部は、前記フラックスバリアの幅を超えない領域に形成されている請求項１から３の何れか一項に記載の回転子鉄心。
5. 前記スキュー構造は連続スキュー構造である請求項１から４の何れか一項に記載の回転子鉄心。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載した回転子鉄心を用いた同期リラクタンス回転電機。

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