JPWO2017038837A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

漏れ磁束を減少させて、有効磁束を増加させることにより、電気的特性を向上させることができる回転電機を提供する。そのため、界磁巻線（２４）を押さえるための磁極頭部（２３）に、その界磁巻線（２４）のコイルエンド（２４ｂ）のみを押さえる押さえ部（３１）を設け、この押さえ部（３１）を、固定子鉄心（１１）の軸方向両端面（１１ａ）よりも軸方向外側または軸方向内側に配置すると共に、当該押さえ部（３１）に、磁極頭部（２３）における固定子鉄心（１１）の内周面（１１ｂ）と径方向において対向する径方向外側端面（２３ａ）よりも径方向内側に配置される傾斜面（３１ａ）と、径方向外側端面（２３ａ）と傾斜面（３１ａ）とを径方向において繋ぐ段差（３１ｂ）とを、形成する。

Description

本発明は、界磁巻線のコイルエンドを磁極頭部によって押さえるようにした回転電機に関する。

従来から、回転電機の１つとして、突極形回転子構造を備えた回転電機が提供されている。このような突極形回転子構造においては、回転子の中心部を構成する磁極鉄心の外周部に、径方向外側に向けて突出する複数の突部を、周方向に沿って配置し、それらの突部に界磁巻線を巻き付けるようにしている。

このとき、突部の頂面には、磁極頭部が設けられており、突部に巻き付けられた界磁巻線を、その磁極頭部によって押さえるようにしている。これにより、界磁巻線が、回転子の回転による遠心力によって、突部から逸脱することを、防止するようにしている。

そして、上述したような、従来の回転電機としては、例えば、特許文献１，２に開示されている。

特開平６−３５１２０３号公報 特開平７−７５２６７号公報

ここで、上記従来の回転電機のように、巻き付けた界磁巻線を、そのコイルエンドまで、磁極頭部によって押さえるようにすると、磁極頭部の軸方向長さが比較的長くなり、場合によっては、磁極頭部の軸方向長さが、その磁極頭部と径方向において対向する固定子鉄心の軸方向長さよりも、長くなってしまう。即ち、磁極頭部の軸方向両端部は、固定子鉄心の軸方向両端面よりも、軸方向外側に位置することになる。

また、界磁巻線に励磁電流を流すと、界磁巻線の内側には磁束が発生し、この磁束は、突部内及び磁極頭部内を通過して、固定子鉄心の内周面に向かうことになる。このとき、上述したように、磁極頭部の軸方向両端部が固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向外側に位置していると、その磁極頭部の軸方向両端部が、固定子鉄心の内周面と径方向において対向していないため、当該軸方向両端部を通過した磁束は、固定子鉄心の内周面以外の部位に向ってしまう。

このような、固定子鉄心の内周面以外の箇所に向った磁束は、漏れ磁束と称されており、例えば、固定子鉄心の軸方向両端面や、固定子鉄心の周囲構造物に向って流れてしまう。そして、漏れ磁束が多くなると、渦電流損が増加することになるため、回転電機の電気的特性を低下させるおそれがある。

従って、本発明は上記課題を解決するものであって、漏れ磁束を減少させて、有効磁束を増加させることにより、電気的特性を向上させることができる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る回転電機は、
円筒状をなす固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の径方向内側において回転可能に支持され、径方向外側に向けて突出した複数の突部が、周方向に沿って配置される磁極鉄心と、
前記突部の側周面に巻き付けられる界磁巻線と、
前記突部の頂面に設けられ、前記界磁巻線の巻軸方向外側端面に接触して当該界磁巻線を押さえる磁極頭部とを備え、
前記磁極頭部の軸方向両端部に形成され、前記界磁巻線のコイルエンドにおける前記巻軸方向外側端面に接触して、前記コイルエンドを押さえる押さえ部を設け、
前記押さえ部は、
前記固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向外側に配置され、
前記磁極頭部における前記固定子鉄心の内周面と径方向において対向する径方向外側端面よりも径方向内側に配置され、軸方向外側に向かうに従って径方向内側に向けて漸次傾斜する傾斜面と、
前記径方向外側端面の軸方向外側端部と前記傾斜面の軸方向内側端部とを、径方向において繋ぐ段差とを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る回転電機は、
円筒状をなす固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の径方向内側において回転可能に支持され、径方向外側に向けて突出した複数の突部が、周方向に沿って配置される磁極鉄心と、
前記突部の側周面に巻き付けられる界磁巻線と、
前記突部の頂面に設けられ、前記界磁巻線の巻軸方向外側端面に接触して当該界磁巻線を押さえる磁極頭部とを備え、
前記磁極頭部の軸方向両端部に形成され、前記界磁巻線のコイルエンドにおける前記巻軸方向外側端面に接触して、前記コイルエンドを押さえる押さえ部を設け、
前記押さえ部は、
前記固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向内側に配置され、
前記磁極頭部における前記固定子鉄心の内周面と径方向において対向する径方向外側端面よりも径方向内側に配置され、軸方向外側に向かうに従って径方向内側に向けて漸次傾斜する傾斜面と、
前記径方向外側端面の軸方向外側端部と前記傾斜面の軸方向内側端部とを、径方向において繋ぐ段差とを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る回転電機は、
前記突部と前記磁極頭部とは、別部材である
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る回転電機は、
前記段差は、前記押さえ部の幅方向全域に形成される
ことを特徴とする。

従って、本発明に係る回転電機によれば、磁極頭部の軸方向両端部に設けた押さえ部を、固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向外側または軸方向内側に配置し、この押さえ部に、傾斜面及び段差を形成することにより、押さえ部の傾斜面と固定子鉄心の内周面との間の径方向距離を、長くすることができるので、それらの間の磁気抵抗を大きくすることができる。これにより、押さえ部の傾斜面を通過する漏れ磁束を、減少させる一方、磁極頭部の径方向外側端面を通過して固定子鉄心の内周面に向かう有効磁束を、増加させることができるので、電気的特性を向上させることができる。

本発明に係る回転電機を軸方向から見た正面図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図であって、磁極頭部の押さえ部を固定子鉄心の軸方向端面よりも軸方向外側に配置したときの漏れ磁束発生の様子を示した図である。 図１のＡ−Ａ矢視断面図であって、磁極頭部の押さえ部を固定子鉄心の軸方向端面よりも軸方向内側に配置したときの漏れ磁束発生の様子を示した図である。 磁極頭部の押さえ部に段差を設けることなく傾斜面を形成したときの漏れ磁束発生の様子を示した断面図である。 （ａ）は水平面が形成された押さえ部の正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 （ａ）は水平面及び凸面が形成された押さえ部の正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。 （ａ）傾斜面が形成された押さえ部の正面図、（ｂ）は同図（ａ）のＤ−Ｄ矢視断面図である。

以下、本発明に係る回転電機について、図面を用いて詳細に説明する。

図１及び図２に示すように、突極形の回転電機１には、突極形回転子１２が、円筒状をなす固定子鉄心１１の径方向内側において、回転可能に支持されている。このとき、固定子鉄心１１は、磁性体鋼板（例えば、電磁鋼板）を打ち抜いたものを、軸方向に積層して、一体化させたものとなっている。一方、突極形回転子１２は、回転軸２１、磁極鉄心２２、磁極頭部２３、及び、界磁巻線（コイル）２４等から構成されている。

つまり、突極形回転子１２は、回転軸２１を回転中心として、回転するものとなっており、その回転軸２１は、磁極鉄心２２の中心孔に嵌め込まれている。

また、磁極鉄心２２は、積層されていない塊状の磁性材料から、横断面が略十字状となるように加工されたものとなっている。これにより、磁極鉄心２２の外周部には、複数の（４つ）の突部２２ａが、径方向外側に向けて突出すると共に、周方向において等角度間隔で配置されている。そして、それらの突部２２ａは、磁極鉄心２２の軸方向全域に亘って軸方向に延在しており、当該突部２２ａの軸方向長さは、固定子鉄心１１の軸方向長さと同じ長さとなっている。

更に、突部２２ａの側周面には、界磁巻線２４が巻き付けられている。即ち、突部２２ａに巻き付けられた界磁巻線２４のコイルエンド２４ｂは、固定子鉄心１１の軸方向両端面１１ａよりも、軸方向外側に配置されている。

これに対して、突部２２ａの径方向外側端面（頂面）には、磁極頭部２３が複数のボルト（図示省略）によって固定されている。この磁極頭部２３は、横断面及び縦断面が共に略台形をなすと共に、径方向外側端面（頂面）２３ａが、固定子鉄心１１の内周面１１ｂと径方向において対向している。このとき、磁極頭部２３の軸方向長さは、固定子鉄心１１の軸方向長さよりも長くなっている。

そして、磁極頭部２３の側周部は、突部２２ａの側周面よりも外側に向けて張り出しており、その張り出した部分は、界磁巻線２４の巻軸方向外側端面２４ａを径方向外側から覆うように、これと接触している。

つまり、磁極頭部２３は、突部２２ａに巻き付けられた界磁巻線２４を、径方向外側から径方向内側に向けて押さえ付けるものとなっている。これにより、界磁巻線２４が、突極形回転子１２の回転による遠心力によって、突部２２ａから径方向外側に向けて逸脱することを、防止することができる。

ここで、磁極頭部２３の軸方向両端部となる張り出し部分は、突部２２ａに巻き付けられた界磁巻線２４のコイルエンド２４ｂにおける巻軸方向外側端面２４ａ全域のみを押さえるための押さえ部３１を形成している。この押さえ部３１は、固定子鉄心１１の軸方向両端面１１ａよりも、軸方向外側に配置されると共に、磁極頭部２３の幅方向全域に形成されている。

また、押さえ部３１の径方向外側端面は、傾斜面３１ａをなしている。この傾斜面３１ａは、軸方向内側から軸方向外側に向かうに従って、径方向内側に向けて漸次傾斜しており、固定子鉄心１１の内周面１１ｂとは径方向において対向していない。

更に、押さえ部３１は、径方向外側端面２３ａよりも径方向内側に形成されている。つまり、傾斜面３１ａの軸方向内側端部と径方向外側端面２３ａの軸方向外側端部とは、段差３１ｂによって繋がっており、この段差３１ｂの段差方向は、径方向と同じ方向となっている。

そして、傾斜面３１ａ及び段差３１ｂは、押さえ部３１の径方向外側部分を削ることによって、形成されたものであって、当該押さえ部３１（磁極頭部２３）の幅方向全域に形成されている。このように、押さえ部３１に傾斜面３１ａ及び段差３１ｂを形成することにより、詳細は後述するが、漏れ磁束の減少及び有効磁束の増加を図ることができるだけでなく、押さえ部３１の軽量化についても、図ることができる。これにより、磁極頭部２３に対して、突極形回転子１２の回転による遠心力が作用しても、押さえ部３１の軽量化を図った分、その磁極頭部２３を固定するためのボルトに対する応力負担を軽減させることができる。

更に、段差３１ｂを設けることにより、傾斜面３１ａの傾斜角度を小さくすることができるので、当該傾斜面３１ａを固定子鉄心１１の内周面１１ｂから径方向内側に向けて遠ざけることができる。即ち、傾斜面３１ａと内周面１１ｂとの間の径方向距離Ｄを、長くすることができる。なお、傾斜面３１ａの傾斜角度とは、軸方向に対する傾斜角度であって、詳細には、界磁巻線２４（コイルエンド２４ｂ）の巻軸方向外側端面２４ａ、及び、突部２２ａの径方向外側端面（頂面）に対する傾斜角度のことである。

以上より、図１に示すように、磁極鉄心２２の突部２２ａ、磁極頭部２３、及び、界磁巻線２４によって、磁極２５が形成されることになり、筒状に巻かれた界磁巻線２４に励磁電流を流すことにより、当該界磁巻線２４の内側に、磁界を発生させることができる。そして、固定子（固定子鉄心１１）側において発生した磁界（回転磁界）と、突極形回転子１２側において発生した上記磁界との間における、反発力及び吸引力を利用することにより、突極形回転子１２を固定子鉄心１１に対して回転させることができる。

このとき、図２に示すように、界磁巻線２４によって発生された磁界における磁束Φは、突部２２ａ内から磁極頭部２３内を介して固定子鉄心１１の内周面１１ｂに向かう方向に流れている。即ち、磁界を形成する磁束Φは、界磁巻線２４の内側を径方向外側に向けて通過している。

ここで、図４に示すように、例えば、押さえ部３１が段差３１ｂを備えていないときの磁束Φの流れについて説明する。つまり、押さえ部３１の径方向外側端面は、傾斜面３１ｃをなしている。この傾斜面３１ｃは、軸方向内側から軸方向外側に向かうに従って、径方向内側に向けて漸次傾斜しており、固定子鉄心１１の内周面１１ｂとは径方向において対向していないものの、径方向外側端面２３ａと段差３１ｂを介することなく直接的に繋がっている。

よって、傾斜面３１ｃと内周面１１ｂとの間の径方向距離Ｄｏは、径方向外側端面２３ａと内周面１１ｂとの間の径方向距離と同じ距離となるため、傾斜面３１ｃと内周面１１ｂとの間の磁気抵抗は、径方向外側端面２３ａと内周面１１ｂとの間の磁気抵抗と、ほぼ同じになる。これにより、界磁巻線２４によって発生された磁束Φの中でも、特に、最も軸方向外側（最も押さえ部３１側）を通る磁束Φは、漏れ磁束Φとして、径方向外側端面２３ａを通過することなく、傾斜面３１ｃを通過する場合がある。

このように、固定子鉄心１１の内周面１１ｂと径方向において対向していない押さえ部３１（傾斜面３１ｃ）を通過した漏れ磁束Φは、例えば、漏れ磁束ΔΦ１〜ΔΦ３に分岐して、固定子鉄心１１の軸方向端面１１ａに向けて流れたり、固定子鉄心１１以外のその他の部材に向けて流れたりする。これにより、漏れ磁束ΔΦ１〜ΔΦ３を中心とした渦電流が発生することになり、特に、固定子鉄心１１においては、軸方向端面１１ａにおける渦電流損が増加することになるため、回転電機１の電気的特性を低下させるおそれがある。

これに対して、図２に示すように、押さえ部３１に、段差３１ｂを用いて傾斜面３１ａを形成すると、傾斜面３１ａの傾斜角度を小さくすることができるので、当該傾斜面３１ａを固定子鉄心１１の内周面１１ｂから径方向内側に向けて遠ざけることができる。即ち、傾斜面３１ａと内周面１１ｂとの間の径方向距離Ｄを、径方向外側端面２３ａと内周面１１ｂとの間の径方向距離よりも長くすることができるので、傾斜面３１ａと内周面１１ｂとの間の磁気抵抗を、径方向外側端面２３ａと内周面１１ｂとの間の磁気抵抗よりも大きくすることができる。

これにより、固定子鉄心１１の内周面１１ｂと径方向において対向していない押さえ部３１（傾斜面３１ａ）を通過した漏れ磁束Φは、例えば、漏れ磁束ΔΦ２，ΔΦ３だけとなり、漏れ磁束ΔΦ１の軸方向端面１１ａへの流れを抑えることができる。

従って、固定子鉄心１１の軸方向端面１１ａにおける渦電流損を低減させることができる。即ち、磁極頭部２３の径方向外側端面２３ａを通過して固定子鉄心１１の内周面１１ｂに到達する有効磁束Φ（ΔΦ１）を、増加させることができるので、回転電機１の電気的特性を向上させることができる。

なお、上述した実施形態においては、押さえ部３１の傾斜面３１ａを、固定子鉄心１１の軸方向端面１１ａよりも軸方向外側に配置しているが、その傾斜面３１ａを、軸方向端面１１ａよりも軸方向内側に配置して、内周面１１ｂと径方向において対向させるようにしても構わない。

具体的には、図３に示すように、磁極鉄心２２を、突部２２ａの軸方向長さが固定子鉄心１１の軸方向長さよりも短くなるように加工する。そして、それらの突部２２ａの側周面に界磁巻線２４を巻き付け、その界磁巻線２４のコイルエンド２４ｂを押さえ部３１によって押さえる。これにより、傾斜面３１ａ及び段差３１ｂは、固定子鉄心１１の軸方向端面１１ａよりも軸方向内側に配置されると共に、固定子鉄心１１の内周面１１ｂと径方向において対向する。

このような構成を採用することにより、傾斜面３１ａを通過した漏れ磁束ΔΦ２，ΔΦ３の一部分となる漏れ磁束ΔΦ４を、有効磁束Φとして、固定子鉄心１１の内周面１１ｂに到達させることができる。従って、有効磁束Φ（ΔΦ１，ΔΦ４）を増加させることができるので、回転電機１の電気的特性を向上させることができる。

なお、上述した実施形態においては、押さえ部３１に傾斜面３１ａ及び段差３１ｂを形成しているが、このうち、内周面１１ｂとの間における径方向距離の延長化を図るための段差３１ｂを、少なくとも備えていれば良く、その段差３１ｂの軸方向外側に隣接する面が、傾斜面３１ａとは異なる形態の面であっても構わない。

例えば、図５（ａ），（ｂ）に示すように、押さえ部３１における段差３１ｂに隣接して、水平面３１ｄを形成しても構わない。この水平面３１ｄは、径方向と直交する面となっており、押さえ部３１の幅方向に延在している。

また、図６（ａ），（ｂ）に示すように、押さえ部３１における段差３１ｂに隣接して、水平面３１ｄ及び凸面３１ｅを形成しても構わない。この凸面３１ｅは、径方向と直交する面となっており、水平面３１ｄよりも径方向外側で、且つ、水平面３１ｄの幅方向中央部に配置されている。

更に、図７（ａ），（ｂ）に示すように、押さえ部３１における段差３１ｂに隣接して、２つの傾斜面３１ｆを形成しても構わない。これらの傾斜面３１ｆは、幅方向内側から幅方向外側に向かうに従って、径方向内側に向けて漸次傾斜しており、幅方向において隣接している。これにより、２つの傾斜面３１ｆは、全体として、三角形状をなしている。

１ 回転電機、１１ 固定子鉄心、１１ａ 軸方向端面、１１ｂ 内周面、１２ 突極形回転子、２１ 回転軸、２２ 磁極鉄心、２２ａ 突部、２３ 磁極頭部、２３ａ 径方向外側端面、２４ 界磁巻線、２４ａ 巻軸方向外側端面、２４ｂ コイルエンド、２５ 磁極、３１ 押さえ部、３１ａ 傾斜面、３１ｂ 段差、３１ｃ 傾斜面、３１ｄ 水平面、３２ｅ 凸面、３２ｆ 傾斜面

上記課題を解決する第１の発明に係る回転電機は、
円筒状をなす固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の径方向内側において回転可能に支持され、径方向外側に向けて突出した複数の突部が、周方向に沿って配置される磁極鉄心と、
前記突部の側周面に巻き付けられる界磁巻線と、
前記突部の頂面に設けられ、前記界磁巻線の巻軸方向外側端面に接触して当該界磁巻線を押さえる磁極頭部とを備え、
前記磁極頭部の軸方向両端部に当該磁極頭部と共に一体的に形成され、前記界磁巻線のコイルエンドにおける前記巻軸方向外側端面に接触して、前記コイルエンドを押さえる押さえ部を設け、
前記押さえ部は、
前記固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向外側に配置され、
前記磁極頭部における前記固定子鉄心の内周面と径方向において対向する径方向外側端面よりも径方向内側に配置され、軸方向外側に向かうに従って径方向内側に向けて漸次傾斜する傾斜面と、
前記径方向外側端面の軸方向外側端部と前記傾斜面の軸方向内側端部とを、径方向において繋ぐ段差とを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る回転電機は、
円筒状をなす固定子鉄心と、
前記固定子鉄心の径方向内側において回転可能に支持され、径方向外側に向けて突出した複数の突部が、周方向に沿って配置される磁極鉄心と、
前記突部の側周面に巻き付けられる界磁巻線と、
前記突部の頂面に設けられ、前記界磁巻線の巻軸方向外側端面に接触して当該界磁巻線を押さえる磁極頭部とを備え、
前記磁極頭部の軸方向両端部に当該磁極頭部と共に一体的に形成され、前記界磁巻線のコイルエンドにおける前記巻軸方向外側端面に接触して、前記コイルエンドを押さえる押さえ部を設け、
前記押さえ部は、
前記固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向内側に配置され、
前記磁極頭部における前記固定子鉄心の内周面と径方向において対向する径方向外側端面よりも径方向内側に配置され、軸方向外側に向かうに従って径方向内側に向けて漸次傾斜する傾斜面と、
前記径方向外側端面の軸方向外側端部と前記傾斜面の軸方向内側端部とを、径方向において繋ぐ段差とを有する
ことを特徴とする。

Claims (4)

1. 円筒状をなす固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の径方向内側において回転可能に支持され、径方向外側に向けて突出した複数の突部が、周方向に沿って配置される磁極鉄心と、
   前記突部の側周面に巻き付けられる界磁巻線と、
   前記突部の頂面に設けられ、前記界磁巻線の巻軸方向外側端面に接触して当該界磁巻線を押さえる磁極頭部とを備え、
   前記磁極頭部の軸方向両端部に形成され、前記界磁巻線のコイルエンドにおける前記巻軸方向外側端面に接触して、前記コイルエンドを押さえる押さえ部を設け、
   前記押さえ部は、
   前記固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向外側に配置され、
   前記磁極頭部における前記固定子鉄心の内周面と径方向において対向する径方向外側端面よりも径方向内側に配置され、軸方向外側に向かうに従って径方向内側に向けて漸次傾斜する傾斜面と、
   前記径方向外側端面の軸方向外側端部と前記傾斜面の軸方向内側端部とを、径方向において繋ぐ段差とを有する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 円筒状をなす固定子鉄心と、
   前記固定子鉄心の径方向内側において回転可能に支持され、径方向外側に向けて突出した複数の突部が、周方向に沿って配置される磁極鉄心と、
   前記突部の側周面に巻き付けられる界磁巻線と、
   前記突部の頂面に設けられ、前記界磁巻線の巻軸方向外側端面に接触して当該界磁巻線を押さえる磁極頭部とを備え、
   前記磁極頭部の軸方向両端部に形成され、前記界磁巻線のコイルエンドにおける前記巻軸方向外側端面に接触して、前記コイルエンドを押さえる押さえ部を設け、
   前記押さえ部は、
   前記固定子鉄心の軸方向両端面よりも軸方向内側に配置され、
   前記磁極頭部における前記固定子鉄心の内周面と径方向において対向する径方向外側端面よりも径方向内側に配置され、軸方向外側に向かうに従って径方向内側に向けて漸次傾斜する傾斜面と、
   前記径方向外側端面の軸方向外側端部と前記傾斜面の軸方向内側端部とを、径方向において繋ぐ段差とを有する
   ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１または２に記載の回転電機において、
   前記突部と前記磁極頭部とは、別部材である
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の回転電機において、
   前記段差は、前記押さえ部の幅方向全域に形成される
   ことを特徴とする回転電機。

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