JP6826412B2

JP6826412B2 - 同期リラクタンス型回転電機

Info

Publication number: JP6826412B2
Application number: JP2016199228A
Authority: JP
Inventors: 昌明松本; 荒木　貴志; 貴志荒木; 山本　雄司; 雄司山本; 活徳竹内; 真琴松下; 寿郎長谷部
Original assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Industrial Products and Systems Corp; Toshiba Infrastructure Systems and Solutions Corp
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: CN109983676B; JP2018061405A; US10637310B2; US20190229567A1; WO2018066647A1; CN109983676A

Description

本発明の実施形態は、同期リラクタンス型回転電機に関する。

同期リラクタンス型回転電機は、回転子と、固定子と、を備えている。回転子は、回転可能に軸支されて回転軸中心で軸方向に延びるシャフトと、シャフトに外嵌固定される回転子鉄心と、を備えている。固定子は、回転子鉄心の外周に回転子鉄心と間隔をあけて配置され、互いに周方向に間隔をあけて配列された複数のティースを有する固定子鉄心と、複数のティースにそれぞれ巻回された複数極の多相の電機子巻線と、を備えている。

回転子鉄心には、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が複数層形成されている。このように空洞部を形成することにより、回転子鉄心に、磁束の流れ易い方向と磁束の流れにくい方向とが形成される。そして、同期リラクタンス型回転電機は、空洞部によって発生するリラクタンストルクを利用し、シャフトを回転させる。

ところで、同期リラクタンス型回転電機は、さまざまな分野での適用が想定されており、さらなる高出力化や小型化が求められている。このことから、同期リラクタンス型回転電機の大容量化や高速回転化が望まれている。一方で、回転子鉄心に空洞部を形成すると回転子鉄心が変形しやすくなってしまう。このため、回転子鉄心を高速回転させると、これによって生じる遠心力により、回転子鉄心が変形してしまう可能性があった。

ここで、空洞部の長手方向両端と回転子鉄心の外周面との間に形成されるブリッジと称される箇所の肉厚を厚く設定することにより、回転子鉄心を変形しにくくすることが可能である。しかしながら、ブリッジの肉厚を厚く設定すると、ブリッジの箇所（磁気回路）において、磁束漏れが発生する可能性があった。このため、所望のリラクタンストルクを得にくく、同期リラクタンス型回転電機のトルク特性が低下してしまう可能性があった。

特開平９−３３１６６１号公報特開２００６−３２５２９７号公報特開２０１４−１７６２６３号公報

本発明が解決しようとする課題は、回転子鉄心を変形しにくくすると共に、トルク特性を向上できる同期リラクタンス型回転電機を提供することである。

実施形態の同期リラクタンス型回転電機は、回転子鉄心を持つ。回転子鉄心は、複数極有し、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が４層形成されていると共に、空洞部と外周面との間に、それぞれブリッジが形成されている。そして、隣接する２つの極の間の境界を極境界とし、１極のうちの周方向中央を極中心としたとき、空洞部は、軸方向からみて長手方向両端が回転子鉄心の外周部に位置すると共に、軸方向からみて長手方向両端に近い箇所ほど極境界に沿うように、且つ長手方向中央に近い箇所ほど極中心と直交するように湾曲形成されている。回転子鉄心の外周面には、４層の空洞部のうち２層の空洞部と外周面との間のブリッジのみに溝部が形成されている。溝部のうち、一方の層に形成された第１溝部は、ブリッジのうち最も極境界に近い位置の第４ブリッジの範囲内で、且つ極境界を挟んで両側に形成されている。溝部のうち、他方の層に形成された第２溝部は、ブリッジのうち最も極中心に近いブリッジの隣に位置する第２ブリッジの外周面に形成されている。

実施形態の同期リラクタンス型回転電機を示す一部断面斜視図。実施形態の回転電機の一部の構成を示す回転軸線に直交する断面図。実施形態の回転子を示す斜視図。図２のＡ部拡大図。図２のＢ部拡大図。実施形態の回転子鉄心にかかる応力分布図。参考例における回転電機の一部の構成を示す回転軸線に直交する断面図。

以下、実施形態の同期リラクタンス型回転電機を、図面を参照して説明する。

図１は、同期リラクタンス型回転電機（以下、単に回転電機という）１を示す一部断面斜視図である。
同図に示すように、回転電機１は、ハウジング２と、ハウジング２内に固定されている固定子３と、ハウジング２内に回転軸線Ｏ回りに回転自在に支持されている回転子４と、を備えている。なお、以下の説明では、回転軸線Ｏと平行な方向を単に軸方向と称し、回転軸線Ｏ回りに周回する方向を単に周方向と称し、回転軸線Ｏに直交する径方向を単に径方向と称する。

ハウジング２は、略円筒状のフレーム５と、フレーム５の軸方向両端の開口部５ａ，５ｂを閉塞するベアリングブラケット６，７と、を備えている。各ベアリングブラケット６，７は、略円板状に形成されている。各ベアリングブラケット６，７の径方向略中央には、それぞれ回転子４を回転自在に支持するためのベアリング８，９が設けられている。

図２は、回転電機１の一部の構成を示す回転軸線Ｏに直交する断面図である。なお、図２では、回転電機１の１／４セクター、すなわち、１／４周の周角度領域分のみを示している。
図１、図２に示すように、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、フレーム５の内周面に内嵌固定されている。固定子鉄心１０の径方向中心は、回転軸線Ｏと一致している。

また、固定子鉄心１０は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。固定子鉄心１０の内周面には、回転軸線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が一体成形されている。ティース１１は、断面略矩形状に形成されている。そして、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に電機子巻線１３が巻回されている。

図３は、回転子４を示す斜視図である。
図２、図３に示すように、回転子４は、固定子鉄心１０よりも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に外嵌固定された略円柱状の回転子鉄心１５と、を備えている。
回転子鉄心１５は、電磁鋼板を複数枚積層したり、軟磁性粉を加圧成形したりして形成することが可能である。回転子鉄心１５の外径は、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が圧入等され、回転軸１４と回転子鉄心１５とが一体となって回転する。

さらに、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（フラックスバリア）２１，２２，２３，２４（第１空洞部２１、第２空洞部２２、第３空洞部２３、第４空洞部２４）が径方向に並んで形成されている。すなわち、径方向最外側に第１空洞部２１が形成され、この第１空洞部２１から径方向内側に向かって順に第２空洞部２２、第３空洞部２３、第４空洞部２４が並んで形成されている。そして、第４空洞部２４が径方向最内側に配置されている。

また、各空洞部２１〜２４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。つまり、各空洞部２１〜２４は、周方向の中央が最も径方向内側に位置するように（径方向内側に向かって凸形状となるように）、湾曲形成されている。これにより、回転子鉄心１５には、磁束の流れ易い方向と磁束の流れにくい方向が形成される。なお、以下の説明では、回転軸線Ｏ方向からみて各空洞部２１，２２，２３，２４の長手方向（図２において、ほぼ左右方向）を、単に空洞部２１，２２，２３，２４の長手方向と称して説明する場合がある。

ここで、本実施形態において、磁束の流れ易い方向をｑ軸と称する。また、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交する径方向に沿った方向をｄ軸と称する。すなわち、各空洞部２１〜２４は、ｄ軸に沿った径方向において、多層構造となる。
より詳しくは、回転子鉄心１５においてｑ軸方向は、各空洞部２１〜２４によって磁束の流れが妨げられない方向をｑ軸と称する。すなわち、回転子鉄心１５の外周面１５ａの任意の周角度位置に正の磁位（例えば磁石のＮ極を近づける）、これに対して１極分（本実施形態の場合は機械角で９０度）ずれた他の任意の周角度位置に負の磁位（例えば磁石のＳ極を近づける）を与え、任意の位置を周方向へずらしていった場合に最も多くの磁束が流れる時の回転軸線Ｏから任意の位置に向かう方向をｑ軸と定義する。そして、各空洞部２１〜２４の長手方向がｑ軸である。

一方、各空洞部２１〜２４によって磁束の流れが妨げられる方向、すなわちｑ軸に対して磁気的に直交する方向をｄ軸と称する。本実施形態では、各空洞部２１〜２４によって、回転軸線Ｏに近い領域と遠い領域に分離された２つの回転子鉄心部分が対向する方向に対して平行な方向がｄ軸である。また、本実施形態のように各空洞部２１〜２４が多層に形成されている場合（本実施形態では４層）、層の重なり方向がｄ軸である。本実施形態では、ｄ軸は、ｑ軸に対して電気的、磁気的に直交するのに限らず、直交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）をもって交わってよい。

このように、回転子鉄心１５は、４極に構成されており、１極当り（回転子鉄心１５の１／４周の周角度領域）に４層の空洞部２１〜２４が形成されていることになる。そして、１極とは、ｑ軸間の領域をいう。
なお、以下の説明では、ｄ軸を極中心Ｃ１と称する。ｑ軸（１／４周の周角度領域の周方向両端）は、隣り合う２つの極の間の境界となるので、極境界Ｅ１と称する。

つまり、各空洞部２１〜２４は、極中心Ｃ１が最も径方向内側に位置するように、径方向内側に向かって湾曲形成されている。また、各空洞部２１〜２４は、軸方向からみて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形成されている。そして、各空洞部２１〜２４は、長手方向両端に近い箇所ほど極境界Ｅ１に沿うように、且つ長手方向中央に近い箇所ほど極中心Ｃ１と直交するように形成されている。

ｑ軸方向において、各空洞部２１〜２４の長手方向両端と回転子鉄心１５の外周面１５ａとの間には、それぞれブリッジ２６，２７，２８，２９（第１ブリッジ２６、第２ブリッジ２７、第３ブリッジ２８、第４ブリッジ２９）が形成されている。
回転子鉄心１５の外周面１５ａには、４つのブリッジ２６〜２９のうち、最下層の２つの第４ブリッジ２９に、それぞれ第１溝部３１が軸方向全体に渡って形成されている。また、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、最上層のブリッジ（第１ブリッジ２６）の１つ隣りに位置する２つの第２ブリッジ２７に、それぞれ第２溝部３２が軸方向全体に渡って形成されている。

図４は、図２のＡ部拡大図である。
同図に示すように、第１溝部３１は、第４ブリッジ２９の範囲内に形成されている。第１溝部３１の溝深さＨ１は、極境界Ｅ１に向かうに従って漸次深くなるように設定されている。また、第４ブリッジ２９は、第４空洞部２４側の側面２９ａが極境界Ｅ１に向かうに従って径方向内側に位置するように形成されている。これにより、第４ブリッジ２９は、ｑ軸方向の肉厚Ｔ１が全体に渡ってほぼ均一に形成される。また、第１溝部３１は、極境界Ｅ１側の内側面３１ａが極境界Ｅ１とほぼ平行となるように形成されている。

これにより、図３に詳示するように、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、極境界Ｅ１上を避けた位置で、且つ極境界Ｅ１を挟んで両側に、それぞれ第１溝部３１が形成される。換言すれば、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、極境界Ｅ１上に、軸方向に沿う凸条部３３が形成され、この凸条部３３の周方向両側に、それぞれ第１溝部３１が形成される。第１溝部３１の内側面３１ａは、極境界Ｅ１とほぼ平行になっているので、凸条部３３の軸方向に直交する断面形状は、略長方形状になる。

図５は、図２のＢ部拡大図である。
同図に示すように、第２溝部３２は、第２ブリッジ２７に形成されている。第２溝部３２の溝深さＨ２は、極中心Ｃ１に向かうに従って漸次深くなるように設定されている。また、第２ブリッジ２７は、第２空洞部２２側の側面２７ａが極中心Ｃ１に向かうに従って径方向内側に位置するように形成されている。これにより、第２ブリッジ２９は、ｑ軸方向の肉厚Ｔ２が全体に渡ってほぼ均一に形成される。
なお、第１ブリッジ２６および第３ブリッジ２８のｑ軸方向の肉厚も、全体に渡ってほぼ均一に形成されている。

ところで、各ブリッジ２６〜２９は、回転子鉄心１５を変形しにくくするためのものであると共に、磁束漏れの要因となる箇所でもある。
以下に、第２ブリッジ２７および第４ブリッジ２９に、それぞれ第２溝部３２および第１溝部３１を形成しない回転子鉄心（以下、従来の回転子鉄心という）において、各ブリッジ２６〜２９にかかる応力について説明する。なお、従来の回転子鉄心は、各溝部３１，３２が形成されていない構成以外は、本実施形態の回転子鉄心１５と同様であるので、説明を分かり易くするために、従来の回転子鉄心にも本実施形態の回転子鉄心１５と同様の符号を付して説明する。

図６は、従来の回転子鉄心１５を高速回転させた際に、この回転子鉄心１５にかかる応力分布図である。
同図のドットハッチに示すように、従来の回転子鉄心１５を拘束回転させた際、各ブリッジ２６〜２９に応力がかかる。これは、回転子鉄心を回転させた際に、各空洞部２１〜２４間の回転子鉄心１５にかかる遠心力を、各ブリッジ２６〜２９で受けることになるからである。ここで、本実施形態の第１溝部３１に相当する箇所、および第２溝部３２に相当する箇所（何れも図２参照）には、回転子鉄心１５を高速回転させることによる応力が殆どかかっていないことが確認できる。

すなわち、第１溝部３１や第２溝部３２を形成した場合であっても、回転子鉄心１５の変形のしにくさは、殆ど変化することがない。これに加え、第１溝部３１や第２溝部３２を形成する分、第２ブリッジ２７や第４ブリッジ２９で磁気飽和が生じやすくなり、磁束漏れを抑制できる。
したがって、上述の実施形態によれば、回転子鉄心１５を変形しにくくすると共に、回転電機１のトルク特性を向上できる。

また、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、極境界Ｅ１上を避けた位置で、且つ極境界Ｅ１を挟んで両側に、それぞれ第１溝部３１が形成される。換言すれば、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、極境界Ｅ１上に、軸方向に沿う凸条部３３が形成され、この凸条部３３の周方向両側に、それぞれ第１溝部３１が形成される。このため、第１溝部３１を形成しつつ、回転子鉄心１５の突極性（突極比、ｄ軸とｑ軸とのリラクタンス比）を十分確保することが可能になる。このため、回転電機１のトルク特性を確実に向上できる。

さらに、第１溝部３１や第２溝部３２は、回転子鉄心１５の外周面１５ａの軸方向全体に渡って形成されている。このため、第２ブリッジ２７や第４ブリッジ２９での磁束漏れを確実に抑制できる。
また、第４ブリッジ２９の範囲内に第１溝部３１を形成することにより、回転子鉄心１５における第４ブリッジ２９の周囲の強度を十分確保することが可能になる。このため、磁束漏れを抑制しつつ、回転子鉄心１５をより確実に変形しにくくすることができる。

なお、上述の実施形態では、第１溝部３１は、第４ブリッジ２９の範囲内に形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、第４ブリッジ２９の範囲を超えて第１溝部３１が形成されていてもよい。

また、第１溝部３１は、極境界Ｅ１側の内側面３１ａが極境界Ｅ１とほぼ平行となるように形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、内側面３１ａは極境界Ｅ１に対して斜めに形成されていてもよい。したがって、凸条部３３の軸方向に直交する断面形状も長方形状に限られるものではなく、例えば、径方向外側に向かって先細りとなるように軸方向に直交する断面形状が略台形状であってもよい。このように凸条部３３を形成する場合、第４ブリッジ２９をより確実に変形しにくくすることができると共に、回転子鉄心１５の突極性を十分確保できる。

さらに、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、極境界Ｅ１上を避けた位置で、且つ極境界Ｅ１を挟んで両側に、それぞれ第１溝部３１が形成されている場合について説明した。しかしながらこれに限られるものではなく、極境界Ｅ１を挟んで両側の少なくとも何れか一方に第１溝部３１が形成されていればよい。この場合、極境界Ｅ１上に凸条部３３は形成されないが、第１溝部３１が形成された第４ブリッジ２９の磁束漏れを抑制できるので、回転子鉄心１５を変形しにくくすると共に、回転電機１のトルク特性を向上できる。

また、上述の実施形態では、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、第４ブリッジ２９に第１溝部３１が形成されているのに加え、第２ブリッジ２７に第２溝部３２が形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、図７に示すように、第２ブリッジ２７に第２溝部３２を形成しなくてもよい。このように構成した場合であっても、第４ブリッジ２９の磁束漏れを抑制できるので、回転子鉄心１５を変形しにくくすると共に、回転電機１のトルク特性を向上できる。

さらに、第１溝部３１および第２溝部３２は、それぞれ回転子鉄心１５の軸方向全体に渡って形成されている場合について説明した。しかしながらこれに限られるものではなく、軸方向に間隔をあけて複数の第１溝部３１および第２溝部が形成されていてもよい。このような場合であっても、第１溝部３１や第２溝部が形成されていない場合と比較して第４ブリッジ２９や第２ブリッジ２７の磁束漏れを低減できる。
また、上述の実施形態では、回転子鉄心１５は、４極に構成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、回転子鉄心１５を４極以上で構成してもよい。

さらに、回転子鉄心１５には、１／４周の周角度領域のそれぞれに（１極当りに）、４層の空洞部２１〜２４が形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、４層以上の複数層の空洞部が形成されていてもよい。空洞部が４層以上形成されている場合であっても、極境界Ｅ１上を避けた位置で、且つ極境界Ｅ１を挟んで両側の少なくとも何れか一方に、上記第１溝部３１に相当する溝部を形成する。また、最も極中心Ｃ１に近いブリッジ（第１ブリッジ２６）よりも１つ隣り位置しているブリッジ（第２ブリッジ２７）の外周面１５ａに、第２溝部３２に相当する溝部を形成することが望ましい。

また、上述の実施形態では、各空洞部２１〜２４は、周方向の中央が最も径方向内側に位置するように（径方向内側に向かって凸形状となるように）、湾曲形成されている場合について説明した。しかしながら、これに限られるものではなく、各空洞部２１〜２４は、径方向内側に向かって凸形状に形成されていればよい。すなわち、各空洞部２１〜２４が湾曲形成されていなくてもよい。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、回転子鉄心１５の外周面１５ａには、極境界Ｅ１上を避けた位置で、且つ極境界Ｅ１を挟んで両側に、それぞれ第１溝部３１を形成することにより、第４ブリッジ２９における磁束漏れを抑制しつつ、回転子鉄心１５の突極性を十分確保することが可能になる。このため、回転電機１のトルク特性を確実に向上できる。
また、第１溝部３１は、溝深さＨ１が極境界Ｅ１に向かうに従って漸次深くなるように形成されている。さらに、第２ブリッジ２７に形成される第２溝部３２は、溝深さＨ２が極中心Ｃ１に向かうに従って漸次深くなるように形成されている。このため、回転子鉄心１５を変形しにくくしつつ、回転電機１のトルク特性を向上できる。

また、第１溝部３１や第２溝部３２は、回転子鉄心１５の外周面１５ａの軸方向全体に渡って形成されている。このため、第２ブリッジ２７や第４ブリッジ２９での磁束漏れを確実に抑制できる。
さらに、第４ブリッジ２９の範囲内に第１溝部３１を形成することにより、回転子鉄心１５における第４ブリッジ２９の周囲の強度を十分確保することが可能になる。このため、磁束漏れを抑制しつつ、回転子鉄心１５をより確実に変形しにくくすることができる。

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同様に、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ものである。

１…同期リラクタンス型回転電機、３…固定子、４…回転子、１５…回転子鉄心、１５ａ…外周面、２１…第１空洞部（空洞部）、２２…第２空洞部（空洞部）、２３…第３空洞部（空洞部）、２４…第４空洞部（空洞部）、２６…第１ブリッジ（ブリッジ）、２７…第２ブリッジ（ブリッジ）、２８…第３ブリッジ（ブリッジ）、２９…第４ブリッジ（ブリッジ）、３１…第１溝部（溝部）、３２…第２溝部、Ｃ１…極中心、Ｅ１…極境界、Ｏ…回転軸線

Claims

複数極有し、１極当りに径方向内側に向かって凸形状となる空洞部が４層形成されていると共に、前記空洞部と外周面との間に、それぞれブリッジが形成された回転子鉄心を備え、
隣接する２つの極の間の境界を極境界とし、１極のうちの周方向中央を極中心としたとき、
前記空洞部は、軸方向からみて長手方向両端が前記回転子鉄心の外周部に位置すると共に、軸方向からみて長手方向両端に近い箇所ほど前記極境界に沿うように、且つ長手方向中央に近い箇所ほど前記極中心と直交するように湾曲形成されており、
前記回転子鉄心の外周面には、４層の前記空洞部のうち２層の前記空洞部と前記外周面との間の前記ブリッジのみに溝部が形成されており、
前記溝部のうち、一方の層に形成された第１溝部は、前記ブリッジのうち最も前記極境界に近い位置の第４ブリッジの範囲内で、且つ前記極境界を挟んで両側に形成されており、
前記溝部のうち、他方の層に形成された第２溝部は、前記ブリッジのうち最も前記極中心に近い前記ブリッジの隣に位置する第２ブリッジの外周面に形成されている
同期リラクタンス型回転電機。
前記第１溝部および前記第２溝部は、前記回転子鉄心の回転軸線方向全体に渡って形成されている
請求項１に記載の同期リラクタンス型回転電機。
前記第１溝部の溝深さは、前記極境界に向かうに従って漸次深くなるように設定されており、
前記第４ブリッジは、前記空洞部側の側面が前記極境界に向かうに従って径方向内側に位置するように形成されている
請求項１または請求項２に記載の同期リラクタンス型回転電機。
前記第２溝部の溝深さは、前記極中心に向かうに従って漸次深くなるように設定されており、
前記第２ブリッジは、前記空洞部側の側面が前記極中心に向かうに従って径方向内側に位置するように形成されている
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の同期リラクタンス型回転電機。