JP6709712B2 - 同期リラクタンス型回転電機 - Google Patents

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の始動時には、固定子鉄心と回転子鉄心との相対位置を検出し、この相対位置に基づいて所定の電機子巻線に給電を行う必要がある。このため、同期リラクタンス型回転電機を始動するためにインバータが必要になり、これが同期リラクタンス型回転電機のコストを増大させる可能性があった。
そこで、インバータを用いずに同期リラクタンス型回転電機を始動できるように、空洞部に非磁性の導体を設け、誘導トルクを発生させるいわゆる自己始動型の同期リラクタンス型回転電機が提案されている。

ここで、空洞部は、回転子鉄心の外周部での漏れ磁束を低減するために、可能な限り回転子鉄心の外周面に近づけて形成されている。このため、例えば空洞部における回転子鉄心の外周面側の端部を導体で満たすと、固定子のティースのピッチに応じて脈動する磁束が導体と鎖交するため、回転子の回転に寄与しない高調波電流が導体に流れてしまう。この高調波電流は、ジュール熱に変換され、この分、同期リラクタンス型回転電機の効率を下げる可能性があった。

また、回転子鉄心を流れる磁束は、この回転子鉄心の径方向中央に向かうほど磁束密度が低くなる。このため、例えば、空洞部全体を導体で満たす場合、この導体のなかで誘導トルクに殆ど寄与しない箇所が発生する。よって、無駄に回転子鉄心の重量が増大して製造コストが増大するばかりか、同期リラクタンス型回転電機の効率を下げる可能性があった。

特開２００３−９４８４号公報

本発明が解決しようとする課題は、コストを低減しつつ、駆動効率を向上させることが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、回転子鉄心と、複数の導体バーと、短絡環と、固定子鉄心と、多相の電機子巻線と、を持つ。回転子鉄心は、回転軸線回りに回転自在に設けられ、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。複数の導体バーは、各空洞部に配置され、回転子鉄心の回転軸線全体に渡って延びている。短絡環は、複数の導体バーの両端に設けられ、複数の導体バーを連結する。固定子鉄心は、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、周方向に間隔をあけて配列された複数のティースを持つ。多相の電機子巻線は、複数のティースにそれぞれ巻回されている。そして、回転子鉄心の回転軸線から最も離間した位置の第１層の空洞部を除いた第２層以降の全ての空洞部には、ブリッジ寄りの両端部に、ブリッジと所定間隔をあけて導体バーが配置されている。

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側面図。 図２のＡ部拡大図。 実施形態の変形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を示す側面図である。
図１〜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。つまり、各空洞部２１〜２４は、ｄ軸上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ｑ軸に沿うように、且つ長手方向中央に近い箇所ほどｄ軸と直交するように形成されている。
また、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。

ここで、各空洞部２１〜２４のうち、最上層の第１空洞部２１には、長手方向略中央に、第１導体バー４１が挿入されている。また、第１空洞部２１よりも１つ下層の第２空洞部２２から最下層の第４空洞部２４の３つの空洞部２２，２３，２４には、対応するブリッジ２７，２８，２９寄りの長手方向両端に、これらブリッジ２７，２８，２９との間に所定間隔Ｗをあけて、それぞれ導体バー４２，４３，４４（第２導体バー４２、第３導体バー４３、第４導体バー４４）が挿入されている。

各導体バー４１〜４４は、軸方向に直交する断面形状が略矩形状で、且つ細長い板状の部材である。また、各導体バー４１〜４４は、例えばアルミ合金や銅合金等の非磁性で且つ導電性を有する材料により形成されている。さらに、各導体バー４１〜４４は、軸方向両端が、それぞれ回転子鉄心１５の軸方向両端から突出するように形成されている。これら各導体バー４１〜４４の軸方向両端は、それぞれ短絡環４５によって短絡されている。

短絡環４５は、回転子鉄心１５の軸方向両端に配置された環状の部材である。短絡環４５は、各導体バー４１〜４４と同様に、非磁性で且つ導電性を有する材料により形成されている。具体的には、短絡環４５の材料は、各導体バー４１〜４４と同じ材料で例えばアルミ合金や銅合金により形成されることが好ましい。しかしながら、これに限られるものではない。

短絡環４５の回転子鉄心１５側の内面には、各導体バー４１〜４４に対応する位置に、これら導体バー４１〜４４が挿入可能な凹部４６が形成されている。これら凹部４６に各導体バー４１〜４４が圧入、または挿入され、さらに融着等により短絡環４５と各導体バー４１〜４４とが接続固定される。
なお、短絡環４５と各導体バー４１〜４４の固定方法は、上記の方法に限られるものではない。例えば、短絡環４５を鋳物構造とすることにより、この短絡環４５の成形時に短絡環４５と各導体バー４１〜４４とを固定するようにしてもよい。

このような構成のもと、回転電機１を駆動する場合、固定子３の電機子巻線１３に三相交流を供給する。すると、所定のティース１１に磁束が形成される。そして、磁束が形成されるティース１１が回転子４の回転方向（周方向）に沿って順次切り替えられる（形成される磁束が回転移動する）。
このとき、停止した状態の回転子４が固定子３側の磁束の回転移動に同期して回転するまでの非同期状態において、回転子鉄心１５に設けられた各導体バー４１〜４４に誘導電流が生じる。つまり、各導体バー４１〜４４は、二次コイルとして機能し、固定子３との間で、回転子４を回転させるための始動トルクを発生する。

ここで、第１導体バー４１は、第１空洞部２１の長手方向略中央に配置されているので、第１導体バー４１と第１ブリッジ２６との間には隙間が形成されている。また、第２導体バー４２、第３導体バー４３、および第４導体バー４４は、それぞれ対応する空洞部２２，２３，２４のうち、ブリッジ２７，２８，２９寄りの長手方向両端に所定間隔Ｗをあけて配置されている。このため、固定子３と回転子４との間のエアギャップＧで生じるトルクリップルに起因した高調波磁束が各導体バー４１〜４４と鎖交しにくく、高調波二次銅損が発生しにくい。

より詳しくは、回転電機１の始動トルクを高めるためには、固定子３から流れ込む磁束が効率よく各導体バー４１〜４４に鎖交する必要があるので、各導体バー４１〜４４は、できる限り回転子鉄心１５の外周面１５ａの近くに配置することが望ましい。一方で、回転子鉄心１５の外周面１５ａに各導体バー４１〜４４を近づけすぎると、高調波磁束が各導体バー４１〜４４と鎖交し易くなり、回転子４の回転に寄与しない高調波電流が流れてしまう。このため、第２導体バー４２、第３導体バー４３、および第４導体バー４４と、対応するブリッジ２７，２８，２９との間の所定間隔Ｗの寸法が重要になる。そこで、本実施形態では、所定間隔Ｗを以下のように設定している。

図４は、図２のＡ部拡大図である。
すなわち、同図に示すように、回転子鉄心１５の外周面１５ａと固定子鉄心１０（ティース１１）との間隔をＧ（エアギャップＧ）とし、空洞部２２〜２４（第２空洞部２２、第３空洞部２３、第４空洞部２４）の長手方向両端における外周面１５ａに沿う方向の幅（径方向に直交する方向の幅）をＬとし、回転子鉄心１５の飽和磁束密度をＢｓとし、ブリッジ２７〜２９（第２ブリッジ２７、第３ブリッジ２８、第４ブリッジ２９）の肉厚をＷｂとし、導体バー４２〜４４（第２導体バー４２、第３導体バー４３、第４導体バー４４）の電流密度をＪとし、導体バー４２〜４４の回転軸線Ｏに直交する方向の断面積をＳとし、空洞部２２〜２４の透磁率をμとしたとき、所定間隔Ｗは、
Ｇ＜Ｗ≦（Ｌ×Ｂｓ×Ｗｂ）／（μ×Ｊ×Ｓ）・・・（１）
を満たすように設定されている。

ここで、所定間隔Ｗは、各ブリッジ２７〜２９と対応する導体バー４２〜４４の間の間隔のうち、最少の値となる箇所の間隔をいう（図４のＷの寸法線参照）。
また、式（１）を決定するにあたり、空洞部２２〜２４を流れる漏れ磁束Φを、
Φ＝（μ×Ｊ×Ｓ×Ｗ）／Ｌ・・・（２）
とし、
ブリッジ２７〜２９を流れる漏れ磁束Φｂを、
Φｂ＝Ｂｓ×Ｗｂ （Ｂｓは回転子鉄心１５の飽和磁束密度）・・・（３）
としている。

すなわち、所定間隔Ｗが式（１）を満たすことにより、ブリッジ２７〜２９と導体バー４２〜４４との間の漏れ磁束Φが、ブリッジ２７〜２９を流れる漏れ磁束Φｂ程度となる。この結果、高調波磁束が各導体バー４１〜４４と鎖交してしまうことをできる限り抑制しつつ、高い始動トルクを得ることが可能になる。
また、所定間隔Ｗを決定すると、上記式（１）に基づいて（逆算することにより）、導体バー４２〜４４の断面積Ｓを算出することができる。このため、空洞部２２〜２４の長手方向両端において、導体バー４２〜４４が配置される範囲が決定される。

このように、上述の実施形態では、第２空洞部２２から第４空洞部２４の３つの空洞部２２，２３，２４には、対応するブリッジ２７，２８，２９寄りの長手方向両端に、これらブリッジ２７，２８，２９との間に所定間隔Ｗをあけて、それぞれ導体バー４２，４３，４４が挿入されている。このため、各空洞部２２〜２４全体を導体バー４２〜４４で埋めることなく、回転電機１の駆動効率を向上させることができる。また、回転電機１を始動するにあたって、インバータを必要としないので、回転電機１の商品コストを低減できる。さらに、導体バー４２〜４４を最小限に抑えることができるので、回転電機１の製造コストも低減できる。

さらに、第１空洞部２１にも第１導体バー４１が挿入されており、回転子鉄心１５の外周部全体に万遍なく導体バー４２〜４４が配置されている。このため、回転電機１は、高い始動トルクを得ることができる。
また、第２導体バー４２、第３導体バー４３、および第４導体バー４４と、対応するブリッジ２７，２８，２９との間の所定間隔Ｗを、上記式（１）を満たすように設定することにより、回転子４の回転に寄与しない高調波磁束が各導体バー４１〜４４と鎖交してしまうことをできる限り抑制しつつ、高い始動トルクを得ることが可能になる。このため、回転電機１の駆動効率をより確実に向上させることができる。

なお、上述の実施形態では、第１空洞部２１の長手方向略中央に、第１導体バー４１を挿入した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５に示すように、第１空洞部２１にも、他の空洞部２２〜２４と同様に、第１ブリッジ２６寄りの長手方向両端に、この第１ブリッジ２６との間に所定間隔Ｗをあけて、それぞれ第１導体バー４１を挿入してもよい。

また、上述の実施形態では、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、各空洞部にそれぞれ導体バーを挿入する。そして、少なくとも２層目以降の空洞部には、長手方向両端にそれぞれ対応するブリッジとの間に所定間隔Ｗをあけて導体バーを挿入する。

さらに、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。
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。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、第２空洞部２２から第４空洞部２４の３つの空洞部２２，２３，２４には、対応するブリッジ２７，２８，２９寄りの長手方向両端に、これらブリッジ２７，２８，２９との間に所定間隔Ｗをあけて、それぞれ導体バー４２，４３，４４が挿入されている。このため、各空洞部２２〜２４全体を導体バー４２〜４４で埋めることなく、回転電機１の駆動効率を向上させることができる。また、回転電機１を始動するにあたって、インバータを必要としないので、回転電機１の商品コストを低減できる。さらに、導体バー４２〜４４を最小限に抑えることができるので、回転電機１の製造コストも低減できる。

さらに、第１空洞部２１にも第１導体バー４１が挿入されており、回転子鉄心１５の外周部全体に万遍なく導体バー４２〜４４が配置されている。このため、回転電機１は、高い始動トルクを得ることができる。
また、第２導体バー４２、第３導体バー４３、および第４導体バー４４と、対応するブリッジ２７，２８，２９との間の所定間隔Ｗを、上記式（１）を満たすように設定することにより、回転子４の回転に寄与しない高調波磁束が各導体バー４１〜４４と鎖交してしまうことをできる限り抑制しつつ、高い始動トルクを得ることが可能になる。このため、回転電機１の駆動効率をより確実に向上させることができる。

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、１１…ティース、１３…電機子巻線、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）、４１…第１導体バー（導体バー）、４２…第２導体バー（導体バー）、４３…第３導体バー（導体バー）、４４…第４導体バー（導体バー）、４５…短絡環、Ｇ…エアギャップ、Ｏ…回転軸線、Ｗ…所定間隔

Claims (2)

1. 回転軸線回りに回転自在に設けられ、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と、
   各前記空洞部に配置され、前記回転子鉄心の前記回転軸線全体に渡って延びる複数の導体バーと、
   該複数の導体バーの両端に設けられ、前記複数の導体バーを連結する短絡環と、
   前記回転子鉄心の外周に前記回転子鉄心と間隔をあけて配置され、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、
   前記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、
   前記回転子鉄心の前記回転軸線から最も離間した位置の第１層の前記空洞部を除いた第２層以降の全ての前記空洞部には、前記ブリッジ寄りの両端部に、該ブリッジと所定間隔をあけて前記導体バーが配置されている
   同期リラクタンス型回転電機。
2. 前記ブリッジと前記導体バーとの所定間隔をＷとし、前記回転子鉄心の外周面と前記固定子鉄心との間隔をＧとし、前記空洞部の前記両端部における前記外周面に沿う方向の幅をＬとし、前記回転子鉄心の飽和磁束密度をＢｓとし、前記ブリッジの肉厚をＷｂとし、前記導体バーの電流密度をＪとし、前記導体バーの前記回転軸線に直交する方向の断面積をＳとし、前記空洞部の透磁率をμとしたとき、前記所定間隔Ｗは、
   Ｇ＜Ｗ≦（Ｌ×Ｂｓ×Ｗｂ）／（μ×Ｊ×Ｓ）
   を満たすように設定されている
   請求項１に記載の同期リラクタンス型回転電機。

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