JP7121071B2

JP7121071B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP7121071B2
Application number: JP2020090090A
Authority: JP
Inventors: 聡今盛; 雄介紺野
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2020-05-22
Publication date: 2022-08-17
Anticipated expiration: 2040-05-22
Also published as: JP2021184686A

Description

本発明は、回転電機に関するものである。

回転電機は、フレームに軟磁性体が用いられることが多い。近年、トルク密度を向上させるため、コアの磁束密度レベルが高くなる傾向にあり、コアが飽和すると、その外側に位置するフレームに磁束が漏れる。電磁鋼板等を積層したコアとは異なり、フレームは電磁気的に一体であるため、磁束が漏れると多量の渦電流が発生し、渦電流損によって回転電機の効率が低下してしまう。そのため、例えば特許文献１では、フレームの内周に溝やスリットを設けることで、漏れ磁束を防ぐと共に、渦電流の経路を切ることで効率の低下を抑制している。

特開２００６－３４０４９６号公報

フレームの内周に溝やスリットを設ける構成では、渦電流損失を十分に低減できない可能性があり、改善の余地があった。
本発明の目的は、回転電機において、磁束漏れに起因した渦電流損失を低減することである。

本発明の一態様に係る回転電機は、
固定子と、
固定子の径方向内側に配置された回転可能な回転子と、を備え、
固定子は、
磁性体によって形成された筒状のフレームと、
フレームの内側に設けられた筒状のヨークと、
フレームとヨークとの間に設けられた非磁性の弾性体と、を備える。

本発明の他の態様に係る回転電機は、
固定子と、
固定子の径方向内側に配置された回転可能な回転子と、を備え、
固定子は、
磁性体によって形成された筒状のフレームと、
フレームの内側に設けられた筒状のヨークと、を備え、
フレームの内周面、及びヨークの外周面の少なくとも一方に、非磁性化処理、又は弱磁性化処理を施す。

本発明の一態様によれば、フレームとヨークとの間に非磁性の弾性体を設けることで、磁束漏れに起因した渦電流損失を低減することができる。
本発明の他の態様によれば、フレームの内周面、及びヨークの外周面の少なくとも一方に、非磁性化処理、又は弱磁性化処理を施すことで、磁束漏れに起因した渦電流損失を低減することができる。

第一実施形態を示す回転電機の断面図である。固定ピンを用いた変形例１を示す断面図である。固定子の変形例２を示す断面図である。固定子の変形例３を示す断面図である。第二実施形態を示す回転電機の断面図である。第三実施形態を示す回転電機の断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図面は模式的なものであって、現実のものとは異なる場合がある。また、以下の実施形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであり、構成を下記のものに特定するものでない。すなわち、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

《第一実施形態》
《構成》
図１は、第一実施形態を示す回転電機の断面図である。
回転電機１１は、固定子１２と、回転子１３と、を備え、インナーロータ型である。
固定子１２は、フレーム２１と、ヨーク２２と、弾性体２３と、固定キー２４（固定部材）と、を備える。
フレーム２１は、軟磁性体で形成されており、円筒状である。フレーム２１は、軸方向から見た外周形状及び内周形状の夫々が円形である。

ヨーク２２は、環状の鋼板を積層して略円筒状に形成されており、フレーム２１の内側に設けられている。ヨーク２２は、軸方向から見た外周形状が円形であり、外径寸法がフレーム２１の内径寸法よりも小さい。ヨーク２２の内周側には、径方向内側に向かって突出した複数のティース２５が形成されている。ティース２５は、周方向に沿った所定の間隔で形成されており、周方向に隣り合うティース２５同士の間にスロット２６が形成される。各ティース２５には、巻線（図示省略）が巻き付けられる。

弾性体２３は、非磁性であり、フレーム２１とヨーク２２との間に挟み込まれている。弾性体２３は、例えばゴムシートを筒状にして用いてあり、厚さはフレーム２１とヨーク２２との隙間に対応しているが、フレーム２１やヨーク２２の寸法誤差を吸収できるように、フレーム２１とヨーク２２との径方向の隙間よりも厚くすることが好ましい。弾性体２３は、フレーム２１とヨーク２２との間のうち、周方向の全体、及び軸方向の全体に設けられている。

固定キー２４は、フレーム２１の内周面、及びヨーク２２の外周面の双方に嵌り合うことで、フレーム２１とヨーク２２とが周方向に相対変位しないように固定する。すなわち、フレーム２１の内周面には、軸方向の一端から他端まで延びるキー溝２７が形成され、ヨーク２２の外周面には、軸方向の一端から他端まで延び、キー溝２７に対向するキー溝２８が形成されている。キー溝２７及びキー溝２８は、深さが均一であり、固定キー２４は、平行キーである。固定キー２４の長さは、キー溝２７及びキー溝２８の長さと同一であるが、キー溝２７及びキー溝２８よりも短くてもよい。固定キー２４、キー溝２７、キー溝２８は、断面形状を矩形にしているが、任意の形状としてよい。固定キー２４のガタツキを抑制するためには、嵌め合いに締め代を設定し、圧入することが好ましい。周方向のうち、固定キー２４を設けた位置では、弾性体２３が途切れているが、これに限定されるものではない。すなわち、弾性体をキー溝２７又はキー溝２８の一方側に沿わせ、固定キー２４を迂回させることで、弾性体２３が周方向に途切れないようにしてもよい。固定キー２４は、周方向に複数あってもよい。

回転子１３は、固定子１２の径方向内側に配置されており、ロータコア３１と、永久磁石３２と、を備える。
ロータコア３１は、円形の鋼板を積層した円柱状に形成されており、軸受（図示省略）によって回転可能に支持されている。ロータコア３１は、軸方向から見た外周形状が円形であり、外径寸法がヨーク２２の内径寸法よりも小さい。
永久磁石３２は、板状であり、周方向に沿った所定の間隔でロータコア３１に埋め込まれている。すなわち、ロータコア３１には、径方向の外側となる位置に、軸方向に貫通した開口部３３が形成されており、開口部３３に永久磁石３２が挿入され、接着剤又は充填剤によって固定されている。

《作用》
次に第一実施形態の主要な作用について説明する。
近年、トルク密度を向上させるため、ヨーク２２の磁束密度レベルが高くなる傾向にあり、ヨーク２２が飽和すると、その外側に位置するフレーム２１に磁束が漏れる。電磁鋼板等を積層したヨーク２２とは異なり、フレーム２１は電磁気的に一体であるため、磁束が漏れると多量の渦電流が発生し、渦電流損によって回転電機の効率が低下してしまう。フレーム２１で発生する損失が、鉄損の中で大きな割合を示していることは、発明者らによって確認されている。

そこで第一実施形態では、フレーム２１とヨーク２２との間に、非磁性の弾性体２３を設けた。これにより、磁束漏れに起因した渦電流損失を低減することができる。また、フレーム２１とヨーク２２との間に働く応力を、弾性体２３によって緩和し、応力によるヨーク２２の磁気特性劣化を抑制することもできる。
フレーム２１とヨーク２２との間に弾性体２３を設けることで、フレーム２１によるヨーク２２の保持力が低下する。そこで、フレーム２１とヨーク２２とが周方向に相対変位しないように、固定キー２４を設ける。固定キー２４は、フレーム２１の内周面、及びヨーク２２の外周面の双方に嵌り合っているため、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止することができる。

《変形例１》
第１実施形態では、フレーム２１とヨーク２２とが周方向に相対変位しないように、固定キー２４を設けたが、これに限定されるものではない。例えば、径方向に延び、一端側がフレーム２１の内周面に嵌り合い、他端側がヨーク２２の外周面に嵌り合う固定ピン３６（固定部材）を設けてもよい。
図２は、固定ピンを用いた変形例１を示す断面図である。
フレーム２１には、軸方向における一方側の端面と内周面とが交わる角部に、凹溝３７が形成されている。ヨーク２２には、軸方向における一方側の端面と外周面とが交わる角部に、凹溝３７に対向する凹溝３８が形成されている。フレーム２１の凹溝３７、及びヨーク２２の凹溝３８に対して、固定ピン３６が軸方向の一方側から嵌め込まれる。凹溝３７、凹溝３８の夫々において、径方向に対応する長さ寸法、周方向に対応する幅寸法、及び軸方向に対応する深さ寸法は、固定ピン３６の外形寸法に対応している。固定ピン３６のガタツキを抑制するためには、嵌め合いに締め代を設定し、圧入することが好ましい。弾性体２３のうち凹溝３７、凹溝３８に対応する部位には、固定ピン３６との干渉を避けるために切り欠きを設けてある。

なお、軸方向における一方側の端面だけではなく、他方側の端面にも固定ピン３６を設けてもよい。軸方向における一方側の端面だけに、固定ピン３６を設ける場合は、組み付けやメンテナンスの容易性を考慮し、回転電機１１における図示しない筐体の開口側とすることが好ましい。さらに、軸方向における一方側又は他方側の端面ではなく、軸方向の中央に固定ピン３６を設けてもよい。この場合は、フレーム２１に径方向に貫通した貫通孔を設け、フレーム２１の径方向外側から固定ピン３６を挿入し、それからフレーム２１の貫通孔を閉塞する。
上記のように、固定ピン３６を設けることで、固定キー２４を設けた場合と同様に、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止することができる。また、凹溝３７、凹溝３８は、軸方向の端部だけに形成されるため、フレーム２１とヨーク２２との間の略全体に弾性体２３を設けやすい。したがって、磁束漏れに起因した渦電流損失を効果的に低減することができる。

《変形例２》
第１実施形態では、固定キー２４を設けることで、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止しているが、これに限定されるものではない。例えば、フレーム２１の内周形状、及びヨーク２２の外周形状を、軸方向から見て互いに嵌り合う多角形状にしてもよい。
図３は、固定子の変形例２を示す断面図である。
ここでは、フレーム２１の内周形状、及びヨーク２２の外周形状を、軸方向から見て互いに嵌り合う正六角形にしている。これにより、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止することができる。また、固定キー２４を省略できるので、部品点数の増加を抑制できる。

《変形例３》
第１実施形態では、固定キー２４を設けることで、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止しているが、これに限定されるものではない。例えば、フレーム２１の内周面にフレーム側凹部を形成し、ヨーク２２の外周面にフレーム側凹部に嵌り合うヨーク側凸部を形成してもよい。又は、フレーム２１の内周面にフレーム側凸部を形成し、ヨーク２２の外周面にフレーム側凸部に嵌り合うヨーク側凹部を形成してもよい。

図４は、固定子の変形例３を示す断面図である。
ここでは、フレーム２１の内周面にフレーム側凹部４１を形成し、ヨーク２２の外周面にフレーム側凹部４１に嵌り合うヨーク側凸部４２を形成している。フレーム側凹部４１、及びヨーク側凸部４２は、夫々、周方向に沿って９０度おきとなる四箇所に形成しているが、少なくとも一箇所にあればよい。これにより、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止することができる。また、固定キー２４を省略できるので、部品点数の増加を抑制できる。

《第二実施形態》
《構成》
第二実施形態は、フレーム２１の内周面に、非磁性化処理、又は弱磁性化処理を施すものである。ここでは、弾性体２３、固定キー２４を省略したことを除いては、前述した第一実施形態と同様であるため、共通する部分については詳細な説明を省略する。
図５は、第二実施形態を示す回転電機の断面図である。
フレーム２１の内周面には、例えばレーザ焼き入れや高周波焼き入れによって、非磁性化処理部５１を形成する。

《作用》
次に第二実施形態の主要な作用について説明する。
フレーム２１の内周面に、非磁性化処理部５１を形成する。これにより、磁束漏れに起因した渦電流損失を低減することができる。また、前述した弾性体２３を省略できるので、部品点数の増加を抑制できる。また、フレーム２１とヨーク２２との間に弾性体２３を設けることがないため、フレーム２１によるヨーク２２の保持力を維持することができる。したがって、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止する対策が不要となる。

《第三実施形態》
《構成》
第三実施形態は、ヨーク２２の外周面に、非磁性化処理、又は弱磁性化処理を施すものである。ここでは、弾性体２３、固定キー２４を省略したことを除いては、前述した第一実施形態と同様であるため、共通する部分については詳細な説明を省略する。
図６は、第三実施形態を示す回転電機の断面図である。
ヨーク２２の外周面には、例えばレーザ焼き入れや高周波焼き入れによって、非磁性化処理部５２を形成する。

《作用》
次に第三実施形態の主要な作用について説明する。
ヨーク２２の外周面に、非磁性化処理部５２を形成する。これにより、磁束漏れに起因した渦電流損失を低減することができる。また、前述した弾性体２３を省略できるので、部品点数の増加を抑制できる。また、フレーム２１とヨーク２２との間に弾性体２３を設けることがないため、フレーム２１によるヨーク２２の保持力を維持することができる。したがって、フレーム２１とヨーク２２との周方向の相対変位を阻止する対策が不要となる。
なお、第三実施形態と第二実施形態とを組み合わせれば、磁束漏れに起因した渦電流損失をより低減することができる。

以上、限られた数の実施形態を参照しながら説明したが、権利範囲はそれらに限定されるものではなく、上記の開示に基づく実施形態の改変は、当業者にとって自明のことである。

１１…回転電機、１２…固定子、１３…回転子、２１…フレーム、２２…ヨーク、２３…弾性体、２４…固定キー、２５…ティース、２６…スロット、２７…キー溝、２８…キー溝、３１…ロータコア、３２…永久磁石、３３…開口部、３６…固定ピン、３７…凹溝、３８…凹溝、４１…フレーム側凹部、４２…ヨーク側凸部、５１…非磁性化処理部、５２…非磁性化処理部

Claims

固定子と、
前記固定子の径方向内側に配置された回転可能な回転子と、を備え、
前記固定子は、
磁性体によって形成された筒状のフレームと、
前記フレームの内側に設けられた筒状のヨークと、
前記フレームと前記ヨークとの間に設けられた非磁性ゴムと、を備え、
前記フレームには、軸方向における端面と内周面とが交わる角部にフレーム側凹溝が形成され、
前記ヨークには、軸方向における端面と外周面とが交わる角部に、前記フレーム側凹溝に対向するヨーク側凹溝が形成され、
前記固定子は、
径方向に延び、一端側が前記フレーム側凹溝に嵌り合い、他端側が前記ヨーク側凹溝に嵌り合うことで、前記フレームと前記ヨークとが周方向に相対変位しないように固定する固定ピンを備え、
前記非磁性ゴムには、前記フレーム側凹溝及び前記ヨーク側凹溝に対応する部位に、前記固定ピンとの干渉を避ける切り欠きが形成されていることを特徴とする回転電機。