JP2015220950A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造時やメンテナンス時において、回転電機のロータ鋼板がステータに接触しての変形するのを防止することを可能にする。
【解決手段】
ステータ２の回転軸方向の長さＬ２は、ロータ３の回転軸方向の長さＬ３よりも長く、ロータ３と両端の端板７の回転軸方向の合計の長さＬ３＋２×Ｌ７よりも短い。端板７の回転中心軸４ａに垂直な径方向の長さＤ７は、ロータ３の径方向の長さＤ３よりも長く、ステータ２の径方向の長さＤ２よりも短い。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電動機や発電機等、ロータを有する回転電機に関する。

図３は、従来の永久磁石埋め込み式回転電機１の構成を示す縦断面図である。図３において、ステータフレーム８は、永久磁石埋め込み式回転電機全体を覆う筐体であり、鉄、アルミ、ステンレスなどにより構成されている。ステータフレーム８の内側には、中空円筒状のステータ２が設けられている。このステータ２は、けい素鋼板を積層してなるものである。このステータ２には、筒状のヨーク部から内径方向に突出された複数のティース部が設けられており、このティース部には銅線などによるステータ巻線が巻回されている（図示略）。ステータ２の内側には、ステータ２との間に所定のギャップを挟んだ状態で、回転側鉄心であるロータ３が挿通されている。このロータ３は、けい素鋼板を積層してなるものであり、その内部には永久磁石が埋め込まれている。ロータ３は、その中心を鉄などによるシャフト４が貫通している。理想的には、シャフト４の中心軸がロータ３の回転中心軸４ａとなる。そして、ロータ３は、その軸方向両端の２枚の端板７に挟まれた状態でシャフト４に固定されている。そして、シャフト４は、ベアリング鋼などからなる転がり軸受け５を介して、ステータフレーム８の前後両端に設けられたシールド６に支持されている。

この永久磁石埋め込み式回転電機１では、ステータ２の回転軸方向の長さＬ２とロータ３の回転軸方向の長さＬ３は等しい。これは、ステータ２とロータ３の間の磁束密度分布を回転軸方向に一様にして、２次元的な磁束密度分布をとるようにするためである。さらに、端板７の回転中心軸４ａに垂直な径方向の長さＤ７は、ロータ３の径方向の長さＤ３と等しい（図３）、もしくはロータ３の径方向の長さよりも短い。このため、従来の永久磁石埋め込み式回転電機１は、ロータ３の材料を有効活用し、出力トルク損失を低減することができる。なお、この種の永久磁石埋め込み式回転電機は例えば特許文献１に開示されている。

特開２００５−３１８７４４号公報

ところで、上述した従来の回転電機１の転がり軸受け５のベアリングの交換等のメンテナンス時に、シールド６をステータフレーム８から取り外す場合がある。その際、ロータ３に永久磁石が埋め込まれている場合には、この永久磁石の磁力により、ロータ３がステータ２の内周面に接触する場合がある。ここで、ロータ３の強度が十分でない場合には、ロータ３表面がステータ２表面に強く押し当てられ、ロータ３鋼板が変形することがある。また、永久磁石を有さない例えば誘導モータやリラクタンスモータ等の場合でも、ロータ３の自重により、ロータ３表面がステータ２表面に強く押し当てられ、ロータ３鋼板が変形することがある。このようにロータ３が変形すると、回転電機１の本来の機能が損なわれる問題が発生する。さらに回転電機１の製造時にも、ロータ３をステータ２に挿通するときにステータ２の内周面に接触する場合があり、同様な問題が発生する。

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、製造時やメンテナンス時にロータがステータに接触して変形するのを防止することができる回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するために、この発明は、中空円筒状のステータと、前記ステータ内に収容された状態で回転自在に支持されたロータとを有する回転電機において、前記ロータは回転軸方向両端に２枚の端板を有し、前記ロータの回転軸方向の長さは、前記ステータの前記回転軸方向の長さよりも短く、前記端板の径は前記ロータの径よりも大きいことを特徴とする回転電機を提供する。

この発明によれば、製造時やメンテナンス時において、ロータがステータに近づくとき、端板がステータに接触することによってロータのステータへの接触を阻止し、ロータ鋼板の変形を防止することができる。

この発明の一実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機の構成を示す縦断面図である。 同実施形態のロータの１極分の構成を示す断面図である。 従来の永久磁石埋め込み式回転電機の構成を示す縦断面図である。

以下、図面を参照しつつこの発明の実施形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態である永久磁石埋め込み式回転電機１ａの構成を示す縦断面図である。なお、この図１において、前掲図３に示された各部と対応する部分には共通の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態の特徴は、ロータ３とステータ２と端板７の寸法の関係にある。本実施形態において、ステータ２の回転軸方向の長さＬ２は、ロータ３の回転軸方向の長さＬ３よりも長い。また、ロータ３の回転軸方向の長さＬ３に前後の端板７の回転軸方向の長さ２Ｌ７を加えた長さＬ３＋２Ｌ７は、ステータ２の回転軸方向の長さＬ２よりも長い。従って、ステータ２内にロータ３が設置された状態において、ロータ３の前後両端に設けられた各端板７の側面は、ステータ２の回転軸方向両端と対向する。さらに、端板７の回転中心軸４ａに垂直な径方向の長さＤ７は、ロータ３の径方向の長さＤ３よりも長い。また、ステータ２の内周の回転中心軸４ａに垂直な径方向の長さＤ２は、端板７の回転中心軸４ａに垂直な径方向の長さＤ７よりも長い。すなわち、本実施形態において、各寸法Ｌ３、Ｌ２、Ｌ７、Ｄ３、Ｄ７およびＤ２間には次の関係がある。
Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ３＋２×Ｌ７ ……（１）
Ｄ３＜Ｄ７＜Ｄ２ ……（２）

このような構成によれば、永久磁石埋め込み式回転電機回転電機１ａの製造時に、ステータ２へロータ３を挿通する際、ステータ２の内周面にロータ３の外周面は接触しない。詳述すると、ステータ２へのロータ３の挿通時に、ロータ３に埋め込まれた永久磁石の磁力により、ロータ３がステータ２に近づくとき、端板７の側面がステータ２の内周面に接触して、ロータ３のステータ２への接触を阻止する。従って、ロータ３鋼板が変形することはない。

永久磁石埋め込み式回転電機回転電機１ａの転がり軸受け５のベアリングの交換といったメンテナンス時には、シールド６をステータフレーム８から取り外すと、ロータ３に埋め込まれた永久磁石の磁力により、ロータ３がステータ２の内周面に近づく。しかし、この構成では、ロータ３がステータ２に近づくとき、端板７の側面がステータ２の回転軸方向端部に接触して、ロータ３のステータ２への接触を阻止する。従って、ロータ３が変形することはない。

さらに、製造時やメンテナンス時にシャフト４と一体となったロータ３を床に置く場合、端板７の径方向の長さＤ７はロータ３の径方向の長さＤ３よりも長いため、ロータ３よりも先に端板７の側面が床と接触する。そのため、床とロータ３が接触することがなく、ロータ３の自重によりロータ３が変形するのを防止することができる。

なお、ステータ２の回転軸方向の長さＬ２と、ロータ３の回転軸方向の長さＬ３との差があまりに大きいと、ステータ２とロータ３が対向している回転軸方向の長さが短くなるので、永久磁石埋め込み式回転電機回転電機１ａの出力トルクが低下する。従って、ステータ２の回転軸方向の長さＬ２に対してロータ３の回転軸方向の長さＬ３を減少させる場合に、永久磁石埋め込み式回転電機回転電機１ａの出力トルクが許容限度を越えて低下しないように、ロータ３の回転軸方向の長さＬ３の減少分を決定する必要がある。

また、端板７は、ロータ３に埋め込まれた永久磁石の磁束が端板７を経由して漏れるのを抑制するために非磁性材により構成することが望ましい。さらに、端板７がステータ２や床などに接触することを考慮すると、ある程度の強度を持つ非磁性金属により端板７を構成することが望ましい。

図２は本実施形態の適用が望ましい永久磁石埋め込み式回転電機回転電機１ａのロータ３の構成例を示す断面図である。なお、図２では、ロータ３の構成の理解を容易にするため、１極分の構成に加えて、その回転方向両隣の極の構成を破線により示した。ロータ３は、回転中心軸４ａ寄りの芯部３１と、極毎に設けられた２個の永久磁石３４ａおよび３４ｂと、回転中心軸４ａからみて永久磁石３４ａおよび３４ｂの外側のロータ鋼材からなる各極の外周縁部３３と、芯部３１と外周縁部３３とを各々繋ぐ各極のセンタブリッジ３２と、極間に設けられたｑ軸突起３７と、位置決め突起３８ａおよび３８ｂに大別することができる。

１極分の外周縁部３３は、略円弧状の断面形状を有しており、ロータ回転方向中央において、センタブリッジ３２を介して芯部３１と繋がっている。この外周縁部３３の外周面は、回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離よりも小さい曲率半径を有している。このような形状により、トルクの高調波成分が削減され、その削減された分だけロータ３に発生するトルクの基本波成分が増加する。なお、外周縁部３３の全部ではなく、外周縁部３３の一部の曲率半径を回転中心軸４ａからロータ最外周部までの距離より小さくしてもよい。

外周縁部３３の内側には、永久磁石３４ａを保持するための磁石埋め込み穴３５ａと、永久磁石３４ｂを保持するための磁石埋め込み穴３５ｂが設けられている。この磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、外周縁部３３、センタブリッジ３２および芯部３１により３方向から囲まれている。外周縁部３３は、ロータ３の回転時に永久磁石３４ａおよび３４ｂに働く遠心力に対抗して永久磁石３４ａおよび３５ｂを回転中心軸４ａ側に支持する。各極に対応した各外周縁部３３は、隣のものとの間に隙間を挟んでロータ回転方向に並んでいる。２個の外周縁部３３間の隙間は、極間の中央に位置している。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、この２個の外周縁部３３間の隙間を介してロータ外周に連通している。

磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂは、逆Ｖ字状に配列されている。そして、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内周壁における回転中心軸４ａ側の領域（芯部３１）は、隣接する極間の中心から離れて２個の磁石埋め込み穴の間（すなわち、センタブリッジ３２）に近づくに従って回転中心軸４ａから離れる方向に傾いている。このため、センタブリッジ３２は、ロータ３の全ての磁石埋め込み穴３５ａ、３５ｂの内接円３６からロータ半径方向外側に離れた位置にある。

ｑ軸突起３７は、芯部３１の極間の中央の位置において２個の外周縁部３３間の隙間を通過して遠心方向（回転中心軸４ａから離れる方向）に突き出している。このｑ軸突起３７は、強いリラクタンストルクを生むことができ、ロータに発生するトルクの増加に貢献する。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂには、このｑ軸突起３７側への永久磁石３４ａおよび３４ｂの移動を規制する位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。この位置決め突起３８ａおよび３８ｂは、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内壁のうち永久磁石３４ａおよび３４ｂからみてロータ半径方向外側にある領域、すなわち、外周縁部３３の内側のｑ軸突起３７側の端部において、回転中心軸４ａに向けて突出している。永久磁石３４ａおよび３４ｂは、この位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てられ、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂ内に固定される。

以上の構成において、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ３の外周に連通させた理由は次の通りである。モータの製造では、焼き嵌めなどの締り嵌めによって、シャフトとロータ鋼材を組み立てる方法が一般的である。この締り嵌めの工程において、ロータ鋼材には周方向に残留応力が残留する。この残留応力は、ロータの高速回転中にも残ったままである。本願発明者らが有限要素法により計算したところ、この残留応力は、ロータ鋼材に穴や窪みなどのある部分と同じ半径を持つ円周上には殆ど発生しない（すなわち、穴も窪みもなく、リング状につながっている部分でないと応力は残存しない）。

一方、ロータの回転時、特に高速回転時には、ロータの各部分に強大な遠心力が発生する。その際、仮に磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ３の外周に連通させず、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂとロータ３の外周との間にロータ鋼板の薄肉部分（以下、サイドブリッジという）を設けた場合、センタブリッジ３２とサイドブリッジの両方に大きな遠心応力が発生する。この場合、ロータの回転により発生する遠心力により、センタブリッジ３２に引っ張り応力が働くのに対し、サイドブリッジにはせん断応力が発生する。このため、高速回転によるロータの破損を防止するためには、センタブリッジよりはむしろサイドブリッジの強度を十分に高くする必要があり、この点がロータの強度設計を難しくしていた。

そこで、ロータ３の構成として、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ３外周に連通した図２のような構成、すなわち、サイドブリッジのない構成（サイドブリッジレス構成）を採用した。このロータ３は、最外周にサイドブリッジを有していないため、ロータ３の最外周には組み立て残留応力が残存しない。ロータ３の回転時の遠心力により発生する遠心応力はセンタブリッジ３２に集中するが、このセンタブリッジ３２に働く遠心応力は引っ張り応力であるため、センタブリッジ３２の幅の調整等によりセンタブリッジ３２が破損に至らないように対処することが容易である。しかも、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂがロータ３外周に連通したロータ３の構成は、以下に述べる大きな利点をもたらす。

まず、図２のサイドブリッジレス構造のロータ３は、サイドブリッジのあるロータに比して磁束の漏れ経路が少ない。このため、磁石磁束が巻線に鎖交しやすく、これが永久磁石埋め込み式回転電機１ａの出力トルクの増加に貢献する。

さらに図２のサイドブリッジレス構造のロータ３には冷却面でも利点がある。すなわち、ロータ３は、回転軸方向の風通しがよく、冷却、とりわけ磁石冷却に有利である。従って、サイドブリッジレス構造によるロータ３を採用することにより、モータ容量に関する規制を緩和することができる。

さらに全ての磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂをロータ３外周に連通させた場合には、永久磁石３４ａおよび３４ｂは、外周縁部３３により全長に亙って均一な応力で支えられることになる。このため、永久磁石３４ａおよび３４ｂの内部に応力が発生しにくく、永久磁石３４ａおよび３４ｂを破損から保護することができる。

また、図２に示すロータ３において、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配列した理由は、次の通りである。シャフト４のロータ３への締り嵌め工程において、ロータ鋼材には周方向に引張応力が残留する。この残留応力は、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂと同じ半径を持つ円周上には殆ど発生しない。従って、図２のロータ３では、磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂの内接円３６よりもロータ半径方向外側には、組み立て残留応力は殆ど残存しない。一方、ロータ３の回転時には、遠心力による引っ張り応力（遠心応力）がセンタブリッジ３２に発生する。磁石埋め込み穴３５ａおよび３５ｂを逆Ｖ字状に配列した場合、このセンタブリッジ３２の位置は、残留応力が主に発生する内接円３６内よりもロータ半径方向外側に遠ざかっている。このように、ロータ３の回転時に遠心応力が集中するセンタブリッジ３２は、締り嵌め加工による残留応力が主に発生する内接円３６内から遠ざかっているため、ロータ３の回転時におけるセンタブリッジ３２の強度を高めることができる。

また、図２のロータ３では、永久磁石３４ａおよび３４ｂからみて半径方向外側にある外周縁部３３に位置決め突起３８ａおよび３８ｂが設けられている。従って、永久磁石３４ａおよび３４ｂを位置決め突起３８ａおよび３８ｂに押し当てて固定することで、１極をなす２つの永久磁石３４ａおよび３４ｂに発生する遠心力のアンバランスを防ぐとともに、各永久磁石が発生する磁束分布のアンバランスを防ぐことができる。
以上が、ロータ３の構成の詳細である。

図２のようなサイドブリッジレス構造のロータ３は、各種の利点を有する。しかし、このサイドブリッジレス構造のロータ３は、外周縁部３３がセンタブリッジ３２のみにより芯部３１と繋がっている。そのため、サイドブリッジを有するロータに比べると、外周縁部３３はロータ３外部からの衝撃に弱く、ロータ３がステータ２の内周面や床と接触すると変形する可能性が高い。そこで、図２のようなサイドブリッジレス構造のロータ３を有する永久磁石埋め込み式回転電機には本実施形態を適用することが好ましい。上述したように、本実施形態によれば、ロータ３がステータ２に近づくとき、端板７がステータ２に接触して、ロータ３のステータ２への接触を阻止する。従って、図２のロータ３を保護し、ロータ３鋼板の変形を防止することができる。

なお、上記ではロータに永久磁石が埋め込まれた永久磁石埋め込み式回転電機を例に挙げて説明したが、永久磁石をロータ表面に張り付けた表面磁石式回転電機であってもよいし、リラクタンスモータや誘導モータ等であっても同様の効果を得ることができる。

１……永久磁石埋め込み式回転電機、２……ステータ、３……ロータ、３１……芯部、３２……センタブリッジ、３３……外周縁部、３４ａ，３４ｂ……永久磁石、３５ａ，３５ｂ……磁石埋め込み穴、３６……内接円、３７……ｑ軸突起、３８ａ，３８ｂ……位置決め突起、４……シャフト、４ａ……回転中心軸、５……ベアリング、６……シールド、７……端板、８……ステータフレーム、Ｌ２……ステータの回転軸方向の長さ、Ｌ３……ロータの回転軸方方向の長さ、Ｌ７……端板の回転軸方向の長さ、Ｄ２……ステータの内周面の径方向長さ、Ｄ３……ロータの径方向長さ、Ｄ７……端板の径方向長さ。

Claims (4)

1. 中空円筒状のステータと、前記ステータ内に収容された状態で回転自在に支持されたロータとを有する回転電機において、
   前記ロータは回転軸方向両端に２枚の端板を有し、
   前記ロータの回転軸方向の長さは、前記ステータの前記回転軸方向の長さよりも短く、
   前記端板の径は前記ロータの径よりも大きいことを特徴とする回転電機。
2. 前記ロータとその両側の端板を併せた前記回転軸方向の長さは、前記ステータの前記回転軸方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記ロータは内部に永久磁石が埋め込まれ、前記永久磁石を収容する磁石埋め込み穴が前記ロータ外周と連通していることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
4. 前記端板が非磁性金属により構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転電機。

Images