WO2019082488A1

WO2019082488A1 - 回転電機及びこれを備えた電動機車両

Info

Publication number: WO2019082488A1
Application number: PCT/JP2018/031016
Authority: WO
Inventors: 愼治杉本; 暁史高橋; 和雄西濱; 達拡田村
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2019-05-02
Also published as: EP3703228A4; JP2019080461A; JP6965101B2; EP3703228A1

Abstract

従来は、スロット幅に対するギャップ幅が大きいために、磁性楔によって高調波損失は低減されるものの、電流増加によって銅損が増加するため、全損失が増加するといった課題があった。本発明、高調波損失及び銅損を低減し効率を向上させる回転電機を提供することを目的とする。そのために、本発明は、固定子１０１と、固定子１０１にギャップを介して配置された回転子１０５とを備え、固定子１０１は固定子巻線１０３と固定子鉄心１０２で構成され、固定子鉄心１０２は固定子巻線１０３を収納する固定子スロット１２３を備え、固定子スロット１２３には開放部が形成され、開放部には固定子巻線１０３を保持する楔１２４を備えた回転電機において、楔１２４は磁性を有すると共に、固定子スロット１２３の幅Ｓとギャップの幅δの比Ｓ／δを６～１１にした。

Description

回転電機及びこれを備えた電動機車両

　本発明は、回転電機及びこれを備えた電動機車両に関する。

　一般に、回転電機の損失要因には、固定子巻線に通電した際に発生する銅損、固定子及び回転子の鉄心に発生する鉄損、回転によって発生する機械損、固定子と回転子とのギャップの表面に発生する漂遊負荷損に大別される。

　回転電機には、固定子及び回転子のスロット数に起因したギャップ磁束密度の脈動によって、固定子及び回転子のギャップ表面に高周波の渦電流が発生し、これが高調波損失となる。漂遊負荷損にはこの高調波損失が含まれている。

　これらの損失低減方法が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１には、磁性を有する楔を固定子鉄心の表面からギャップ側に突出させた技術が開示されている。また、特許文献１では、スロット幅を１１．４ｍｍとし、ギャップ幅を６ｍｍとしたことが開示されている。

特開２００４－３１２８６８号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、スロット幅に対するギャップ幅が大きいために、磁性楔によって高調波損失は低減されるものの、電流増加によって銅損が増加するため、全損失が増加するといった課題があった。

　本発明の目的は、前記課題を解決し、高調波損失及び銅損を低減し効率を向上させる回転電機を提供することにある。

　前記目的を達成するために本発明の特徴とするところは、固定子と、前記固定子にギャップを介して配置された回転子とを備え、前記固定子は固定子巻線と固定子鉄心で構成され、前記固定子鉄心は前記固定子巻線を収納する固定子スロットを備え、前記固定子スロットには開放部が形成され、前記開放部には前記固定子巻線を保持する楔を備えた回転電機において、前記楔は磁性を有すると共に、前記固定子スロットの幅Ｓとギャップの幅δの比Ｓ／δを６～１１としたことにある。

　本発明によれば、高調波損失及び銅損を低減し効率を向上させる回転電機を提供することができる。

本発明の第１実施例に係る回転電機を軸方向の切断した断面図である。本発明の第１実施例に係る回転電機を軸方向と直交する方向に切断した断面図である。本発明の第１実施例に係る固定子と回転子間のギャップ幅δと固定子スロットの幅Ｓとの比と、損失の合計値との関係を示す図である。ギャップ幅に発生する磁束密度のＢmaxとＢminの関係を示す図である。磁性を持たない楔を適用した固定子、回転子のスロット部及びティース部の拡大図である。本発明の第１実施例に係る固定子、回転子のスロット部及びティース部の拡大図である。本発明の第２実施例に係る回転電機を軸方向と直交する方向に切断した断面図である。本発明の第３実施例に係る固定子スロットの断面拡大図である。本発明の第４実施例に係る回転電機を用いた鉄道車両の構成図である。

　以下、本発明に係る回転電機の実施例を図面に基づいて説明する。本発明は以下の実施例に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例もその範囲に含むものである。

　本発明の第１実施例について、図１～図４に基づいて説明する。本実施例の回転電機としては、誘導電動機、永久磁石式電動機、スイッチトリラクタンス電動機などを対象としている。図１は、本発明の第１実施例に係る回転電機を軸方向の切断した断面図である。

　回転電機１００の固定子１０１は、固定子鉄心１０２と、この固定子鉄心１０２に巻回された多相の固定子巻線１０３と、固定子鉄心１０２をその内周面で保持するハウジング１０４から構成されている。

　回転子１０５は、回転子鉄心１０６、エンドプレート１０７、シャフト１０８及びベアリング１０９によって構成されており、ベアリング１０９はシャフト１０８に対し、回転可能に保持されている。ベアリング１０９は、エンドブラケット１１０によって支持されており、エンドブラケット１１０は、ハウジング１０４に固定されている。また、回転子鉄心１０６はエンドプレート１０７によって軸方向両端部で軸方向に抑えられている。

　回転子１０５の回転子鉄心１０６には、導体からなる回転子導体棒１１１を挿入するための複数の回転子スロット１１２が設けられている。また、回転子導体棒１１１は回転子の両軸端部でエンドリング１１３と接続されている。

　エンドプレート１０７には、回転電機１００内の空気を循環するための内扇ファン１１４が接続されている。回転子鉄心１０６の内周部に軸方向に貫通した通風孔１１５が形成されている。また、固定子１０１の外周側には、通風用ダクト１１６が形成されている。
通風孔１１５と通風用ダクト１１６との間には、それぞれ空間１１７、１１８が形成されている。回転子１０５に設けられた内扇ファン１１４（ファン）が回転すると、矢印で示すように、空間１１７、通風用ダクト１１６、空間１１８、通風孔１１５の順に風が流れ、固定子１０１、回転子１０５を冷却する。

　図２は、本発明の第１実施例に係る回転電機を軸方向と直交する方向に切断した断面図である（ハウジングは図示省略している）。図２において、回転電機１００は、固定子１０１と回転子１０５とから構成されている。固定子１０１は、固定子鉄心１０２と固定子巻線１０３から構成されている。固定子巻線１０３は固定子鉄心１０２に巻回されている。

　固定子鉄心１０２は、円筒状の固定子ヨーク部１２１と、固定子ヨーク部１２１の内周表面から径方向内側に突出し、固定子ヨーク部１２１の内周面に沿って軸方向に延びた複数の固定子ティース部１２２を備えている。固定子ティース部１２２は固定子ヨーク部１２１の内周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。

　固定子ティース部１２２の間には固定子巻線１０３が収納される固定子スロット１２３が形成されている。固定子スロット１２３には、開放部が形成され、回転子１０５側が開放している。固定子スロット１２３には固定子巻線１０３が収納されている。固定子スロット１２３の開放部には、固定子１０１と回転子１０５の間のギャップに固定子巻線１０３が脱落しないように楔１２４が設けられている。この楔１２４によって固定子巻線１０３が固定子スロット１２３内に保持されている。楔１２４は、磁性粉を含有した樹脂で構成されている。

　回転子１０５は、複数枚の電磁鋼板が積層されて構成した回転子鉄心１０６と、回転子鉄心１０６に複数設けられた回転子スロット１１２と、回転子スロット１１２に挿入された回転子導体棒を備えている。

　回転子鉄心１０６は、円筒状の回転子ヨーク部１２５と、回転子ヨーク部１２５の外周表面から径方向外側に突出し、回転子ヨーク部１２５の外周面に沿って軸方向に延びた複数の回転子ティース部１２６を備えている。回転子ティース部１２６は回転子ヨーク部１２５の外周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。また、回転子ティース部１２６間には、回転子導体棒１１１を収めるための複数の回転子スロット１１２が周方向に等間隔で配置されている。

　また、回転子鉄心１０６には、回転子鉄心１０６の径方向内側に位置し軸方向に貫通した通風孔１１５（孔）と、シャフト１０８を通す孔が形成されている。通風孔１１５とシャフト１０８を通す孔は、通風孔１１５とシャフト１０８を通す孔は、電磁鋼板を打ち抜いて形成される。打ち抜かれた電磁鋼板を積層して形成されたシャフト１０８を通す孔には、シャフト１０８が挿入されて回転子１０５を構成する。回転子１０５は、時計方向、反時計方向に回転し、電動機として運転するものとする。

　次に、回転電機１００の全損失を低減させる手段について説明する。図３は、本発明の第１実施例に係る固定子と回転子間のギャップ幅δと固定子スロットの幅Ｓとの比と、損失の合計値との関係を示す図である。

　図３に記載の損失は、固定子巻線１０３に電圧を印加することで固定子巻線１０３に電流が通電されこの際に発生する銅損Ｗｓと、固定子鉄心１０２及び回転子鉄心１０６のギャップ表面に発生する高調波損失Ｗｈとの合計値（Ｗｓ+Ｗｈ）である。また、この合計値において、楔１２４に磁性がある場合とない場合について表記している。

　また、図３において、楔１２４に磁性楔を適用し、従来技術の固定子スロットの幅Ｓとギャップ幅δとした場合の損失を1.0ｐ.u（per unit）として表記している。

　これらの損失の算出方法を述べる。まず、銅損Ｗｓ導出について述べる。銅損Ｗｓは負荷電流の二乗に比例して大きくなるので、式（１）で表わすことができる。

　ここで、Ｒｓは固定子巻線１０３の一相分の抵抗値、Ｉは固定子巻線１０３に通電される一相分の電流値である。電流値Iは式（２）で表わすことができる。

　Ｋｃは式（３）で表わすことができる。

　また、γ、ｔは式（４）（５）で表わすことができる。

　ここで、Ｒｓｉは固定子１０１の内側の半径、Ｎｓは固定子スロット１２３の数である。以上から、ギャップ幅δが小さければ小さいほど電流値が低減できるため、銅損Ｗｓが低減できる。

　次に、高調波損失はＷｈの導出について述べる。高調波損失Ｗｈは式（６）で表される。

　ここで、μは固定子鉄心１０２の透磁率、ｎは回転子１０５の回転数、Ｌｃは固定子鉄心１０２の軸方向長さ、Ｂmaxはギャップ幅δに発生する磁束密度の最大値である。また、ギャップ幅に発生する磁束密度の脈動率βは式（７）で表わすことができる。

　ここで、Ｂminはギャップ幅に発生する磁束密度の最小値である。また、ギャップ幅の磁束密度ＢmaxとＢminは式（８）から求めることができる。

　以上から、高調波損失Ｗｈは、ギャップ幅δと固定子スロット１２３の幅Ｓの比であるＳ／δが小さいほど低減できることが分かる。

　ここで、銅損Ｗｓ及び高調波損失Ｗｈについて磁性楔を適用した場合について述べる。
磁性楔の透磁率が空気よりも大きいために、磁性楔を適用した場合の固定子スロット１２３の幅方向の磁気抵抗は、楔に磁性がない場合と比べ小さくなる。このため、固定子スロット１２３の幅Ｓ’は磁性がない場合のスロット幅Ｓに比べ小さくなる。図３に示す磁性楔を適用した場合の損失には、これを考慮した場合の損失としている。

　図４にギャップ幅に発生する磁束密度のＢmaxとＢminの関係を図示する。固定子スロットに装着する楔として、非磁性の楔を使用した場合は、図４に示すように、ギャップ幅に発生する磁束密度のＢmaxとＢmin の差が大きくなる。このため、ギャップ幅に発生する磁束密度の高調波成分が多く含まれることになり、高調波損失が増大する。これに対して、一般的に、ギャップ幅を大きくすることにより、ギャップ幅に発生する磁束密度のＢmaxとＢminの両者を小さくすると共に、ＢmaxとＢminの差を小さくし、高調波損失を低減することが知られている。

　一方で、本実施例では、楔に磁性があるため、ＢmaxとＢminの差が小さくなることにより、ギャップ幅に発生する磁束密度の高調波成分を低減でき、高調波損失を低減することが可能となる。また、本実施例では、前記に加え、従来技術で大きくしていたギャップ幅を小さくすることにより、ＢmaxとＢminの両者を大きくし、固定子巻線１０３に通電する電流値を抑制しているので、銅損の低減も可能となる。

　従来技術では、高調波損失を低減させるために、ギャップ幅を拡大して高調波低減を図っており、図３の磁性楔なしに示すように、銅損と高調波損失の和が低減できる範囲はＳ／δの比が6未満であった。

　一方、本実施例では、楔１２４に磁性を持つ楔とし、高調波損失と基本波損失の合計値を低減するためには、固定子１０１と回転子１０５のギャップ幅δを固定子スロット１２３の幅Ｓの比を６～１１が好適であることを見出した。

　次に図５を用いて、磁性を持たない楔を適用した時の構成について説明する。図５は、磁性を持たない楔を適用した固定子、回転子のスロット部及びティース部の拡大図である。便宜上、本実施例と共通する符号を付している。

　楔１２４に磁性を持たない楔を適用すると、回転子鉄心１０６及び回転子導体棒１１１に磁束φcが鎖交し、隣り合う固定子ティース部１２２に磁束が流れる。このため、回転子鉄心１０６及び回転子導体棒１１１で高調波損失が発生し効率を低下させる要因となっていた。この対策として、先行技術文献に記載の従来構造では、固定子１０１と回転子１０５のギャップ幅δの幅を固定子スロット１２３の幅Ｓと比べ大きくすることにより、図４に示した磁束φｃを低減し、高調波損失を低減させてきた。しかしながら、先行技術文献に記載の技術では、電流を増加させる必要があり、これに伴い銅損が増加するため、全損失が増加するといった課題があった。

　この課題を解決する本実施例の構成について、図６を用いて説明する。図６は、本発明の第１実施例に係る固定子、回転子スロット及びティース部の拡大図である。

　本実施例の特徴は、固定子１０１の楔１２４に磁性を持つ楔を適用している点に加え、固定子１０１と回転子１０５間のギャップ幅δに対して、固定子スロット１２３の幅Ｓを小さく点にある。本実施例では、固定子１０１でつくられた磁束Φｎが楔１２４を介して隣り合う固定子ティース部１２２に流れる。これにより、回転子鉄心１０６及び回転子導体棒１１１に鎖交する磁束量が低減するので、高調波損失が低減でき、効率を向上することができる。また、本実施例では、電流を増加させる必要がないので、それに伴う銅損の増加も抑制できる。

　以上説明したように、本実施例によれば、固定子１０１の楔１２４に磁性を持つ楔を用い、固定子１０１と回転子１０５間のギャップ幅δと、固定子スロット１２３の幅Ｓとの比Ｓ／δを6～11としたので、高調波損失と銅損の低減の両立が可能となり、回転電機を高効率化することができる。

　次に本発明の第２実施例について図７を用いて説明する。図７は、本発明の第２実施例に係る回転電機を軸方向と直交する方向に切断した断面図である（ハウジングは図示省略している）。

　図７において、通風孔１１５の形状以外は、図２と同様であるので、重複する説明は省略する。第２実施例では、通風孔１１５の形状を、径方向外側にある辺が径方向内側にある辺より大きい台形形状になるようにしている。

　本実施例では、回転電機の効率を向上させつつ、ギャップ幅を小さくすることが可能となるため、固定子内径を変更しない場合には、回転子外径が大きくすることが可能となる。

　通風孔１１５が丸孔形状では、隣り合う通風孔１１５の間のブリッジ部１３０の幅を一定にした場合、回転子１０５の外径を大きくしても、丸孔の径を大きくすることはできない。

　一方、本実施例では、通風孔１１５を台形にすることで、隣り合う通風孔１１５の間のブリッジ部１３０の幅を一定に保ちつつ、回転子１０５の外径側に通風孔１１５を広げることができる。

　本実施例によれば、通風孔１１５の面積を大きくできるので、通風孔１１５に流れる風の量が増加し、冷却性能を向上することができる。

　また、本実施例によれば、通風孔１１５の体積が増加するので、回転子鉄心１０６の使用量が減少し、回転子１０５及び回転電機１００を軽量化することができる。

　次に本発明の第３実施例について図８を用いて説明する。図８は、本発明の第３実施例に係る固定子スロットの断面拡大図である。ハウジング及び回転子は図示省略している。

　図８の構成は図６に示す固定子スロットの構成と同等のものである。図８において、回転子１０５の軸中心をＸとした時、楔１２４のギャップ側の面（径方向内側）における半径をＲｗｉ、回転子１０５の中心Ｘから固定子鉄心１０２の径方向内側の半径をＲｓｉとする。本実施例の特徴とするところは、磁性を持つ楔１２４のギャップ側の面（径方向内側）における半径Ｒｗｉを、固定子鉄心１０２の径方向内側の半径Ｒｓｉより大きくしている点にある。

　固定子巻線１０３の温度上昇に伴って楔１２４が高温になった場合、磁性をもつ楔１２４は樹脂に磁性をもつ材料が添加されて構成されているため、楔１２４は熱劣化し、体積が減少する。楔１２４の体積が減少した場合、楔１２４が磁性を持つために、固定子１０１がつくる漏れ磁束によって、楔１２４が振動するため、楔１２４が破損する恐れがある。

　そこで本実施例では、磁性をもつ楔１２４のギャップ側の面（径方向内側）における半径Ｒｗｉを、固定子鉄心１０２の径方向内側の半径Ｒｓｉより大きくしている。この構成により、楔１２４の内径側とギャップの通風面積が大きくなり、ギャップの通風量が増加する。そして、楔１２４の冷却効果が高められ、楔１２４の温度上昇を抑制することができる。

　本実施例によれば、楔１２４の温度を低減させることができるため、楔１２４の熱劣化を抑制でき、回転電機１００の信頼性を向上させることができる。

　次に本発明の第４実施例について図８を用いて説明する。本実施例の特徴とするところは、磁性をもつ楔１２４と固定子巻線１０３の間に楔１２４よりも熱伝導率が低い低熱伝導材1４０を設けた点にある。

　磁性を持つ楔１２４と固定子巻線１０３の間に低熱伝導材料を挟むことにより、楔１２４と固定子巻線１０３との間の熱抵抗を大きくすることができ、固定子巻線１０３が高温になった場合、固定子巻線１０３の熱が楔１２４に伝熱されにくくなり、楔１２４の温度を抑制することができる。

　本実施例によれば、楔１２４の温度上昇を抑制することで、楔１２４が破損を抑制し、回転電機１００の信頼性を向上させることができる。

　図９を用いて本発明の第５実施例について説明する。第５実施例では、第１実施例乃至第４実施例で用いた回転電機１００を電動機車両に適用した例を説明する。電動機車両の一例として、第５実施例では鉄道車両に用いた例を説明する。

　図９は、本発明の第５実施例に係る回転電機を用いた鉄道車両の構成図である。

　鉄道車両２００は、レール３０１上を走行する複数の車輪２０１と、複数の車輪２０１のうち、少なくとも一つの車輪２０１を駆動する回転電機１００と、架線３０２から電力を集電する集電装置２０２と、集電装置２０２で集電された電力を変換して回転電機１００に交流電力を供給する電力変換装置２０３とを備えている。

　回転電機１００は鉄道車両２００の車軸と連結されており、回転電機１００を制御することにより鉄道車両２００の走行が制御される。電気的なグランドはレール３０１を介して行われている。ここで、架線３０２の電圧は直流及び交流のどちらでもよい。また、給電方式は、架線３０２からの給電に代えて、鉄道車両２００内にバッテリーを搭載し、このバッテリーから電力を供給するようにしても良い。

　そして、第５実施例の回転電機１００には、第１実施例乃至第４実施例で説明した技術が適用されている。

　第５実施例によれば、第１実施例乃至第４実施例の回転電機１００を鉄道車両システムに搭載することにより、鉄道車両の駆動システムの小型化を図れると同時に、高効率に運転することが可能となる。

　また、第５実施例によれば、鉄道車両の軽量化が図れ、電力消費量を低減することができる。さらに、第５実施例によれば、鉄道車両の軽量化により、高速運転に好適な鉄道車両を提供することができる。さらにまた、第５実施例によれば、鉄道車両の軽量化により、レールへの負担が抑制でき、保線作業の軽減を図ることができる。

　なお、本発明は、上述した各実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易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するものではない。

１００　回転電機、１０１　固定子、１０２　固定子鉄心、１０３　固定子巻線、１０４　ハウジング、１０５　回転子、１０６　回転子鉄心、１０７　エンドプレート、１０８　シャフト、１０９　ベアリング、１１０　エンドブラケット、１１１　回転子導体棒、１１２　回転子スロット、１１３　エンドリング、１１４　内扇ファン、１１５　通風孔、１１６　通風用ダクト、１１７　空間、１１８　空間、１２１　固定子ヨーク部、１２２　固定子ティース部、１２３　固定子スロット、１２４　楔、１２５　回転子ヨーク部、１２６　回転子ティース部、１３０　ブリッジ部、１４０　低熱伝導材、２００　鉄道車両、２０１　車輪、２０２　集電装置、２０３　電力変換装置、３０１　レール、３０２　架線

Claims

　固定子と、
　前記固定子にギャップを介して配置された回転子とを備え、
　前記固定子は固定子巻線と固定子鉄心で構成され、
　前記固定子鉄心は前記固定子巻線を収納する固定子スロットを備え、
　前記固定子スロットには開放部が形成され、前記開放部には前記固定子巻線を保持する楔を備えた回転電機において、
　前記楔は磁性を有すると共に、前記固定子スロットの幅Ｓとギャップの幅δの比Ｓ／δを６～１１としたことを特徴とする回転電機。
　請求項１において、
　前記回転子の回転子鉄心には、径方向内側に位置し軸方向に貫通する孔が形成され、前記孔を台形形状としたことを特徴とする回転電機。
　請求項２において、
　前記孔は、径方向外側にある辺が径方向内側にある辺より大きい台形形状としたことを特徴とする回転電機。
　請求項２において、
　前記回転子にはファンが設けられ、前記ファンの回転により前記孔を風が流れることを特徴とする回転電機。
　請求項１において、
　前記回転子の軸を中心とした時、前記楔のギャップ側の面における半径は、前記固定子鉄心の径方向内側の半径よりも大きくしたことを特徴とする回転電機。
　請求項１において、
　前記楔と前記固定子巻線との間には、前記楔の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する部材を設けたことを特徴とする回転電機。
　請求項１乃至６の何れか１項において、
　前記回転電機は誘導電動機、永久磁石式同期電動機、スイッチトリラクタンス電動機の何れかであることを特徴とする回転電機。
　複数の車輪と、前記複数の車輪のうち、少なくとも一つの車輪を駆動する回転電機と、電力を変換して前記回転電機に交流電力を供給する電力変換装置とを備えた電動機車両において、
　請求項１乃至６の何れか１項に記載の回転電機を備えたことを特徴とする電動機車両。
　請求項８において、
　架線から電力を集電する集電装置を備え、前記電力変換装置は前記集電装置で集電された電力を変換することを特徴とする電動機車両。
　請求項８において、
　バッテリーを備え、前記電力変換装置は前記バッテリーから供給された電力を変換することを特徴とする電動機車両。