JP2015027233A - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機の振動・騒音を低減しつつ、その生産性を向上させる。【解決手段】ロータコア２２は、複数のロータスロット２１それぞれの外周側に、回転電機軸方向の一端から他端に延びる開口部２５を有する。ロータコア２２は、周方向に隣接して配置される少なくとも第１領域及び第２領域を含む複数の領域を有し、第１領域における各ロータスロット２１に対する開口部２５の周方向の相対位置は全て同一であり、第２領域における各ロータスロット２１に対する開口部２５の周方向の相対位置は全て同一かつ第１領域における相対位置と比較して周方向にずれている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機に関する。

振動・騒音を抑えるために、誘導電動機では、ロータ導体を軸方向に対して斜めに配置するスキュー構造を採用するのが一般的である。しかしながら、スキュー構造を採用すると、ロータ導体間に横流が生じ、誘導電動機の効率が低下する。

このため、特許文献１は、ロータを軸方向に二つの領域に分け、一方の領域に形成されるスロットと他方の領域に形成されるスロットとを周方向にずらして配置する構造を提案している。各領域におけるスロットは軸方向に対して平行である。

この構造によれば、スキュー構造同様に振動・騒音を抑えることができ、また、各スロットがロータ軸に対して平行になので横流による誘導電動機の効率の低下を抑えることができるので、高効率かつ振動・騒音を低減した誘導電動機を実現することができる。

特許第２５７４４９０号公報

しかしながら、特許文献１が提案する上記構造では、スロットが軸方向途中で周方向にずれているため、誘導電動機の生産性が低下する。

これは、ロータ導体を、例えば、スロットに溶融したアルミニウムを注入するアルミダイキャストによってスロット内に配置する方法では、溶融したアルミニウムをロータの軸方向両側から充填する必要があり、また、スロットに導体棒を軸方向から挿入することでロータ導体をスロット内に配置する方法では、分割した導体棒をロータの軸方向両側から挿入する必要があるからである。

また、スロットが磁束漏れ防止用の開口部を有するセミクローズドスロットである場合は、開口部を形成するための工程（金型を用いて形成する工程又は機械加工によって形成する工程）が複雑化し、さらに生産性が低下する。

本発明は、このような技術的課題に鑑みてなされたもので、回転電機の振動・騒音を低減しつつ、その生産性を向上させることを目的とする。

本発明のある態様によれば、回転電機軸方向の一端から他端に延びる複数のロータスロットを有し複数のロータスロットにロータ導体が配置されるロータコアと、ロータコアの外側に配置されて回転電機軸方向の一端から他端に延びる複数のステータスロットを有し複数のステータスロットにコイルが配置されるステータコアとを備えた回転電機が提供される。

当該回転電機においては、ロータコアは、複数のロータスロットそれぞれの外周側に、回転電機軸方向の一端から他端に延びる開口部又は回転電機軸方向の一端から他端に延び周方向両側よりも肉厚が薄い薄肉部からなる磁束漏れ防止部を有する。

そして、ロータコアは、周方向に隣接して配置される少なくとも第１領域及び第２領域を含む複数の領域を有し、第１領域における各ロータスロットに対する磁束漏れ防止部の周方向の相対位置は全て同一であり、第２領域における各ロータスロットに対する磁束漏れ防止部の周方向の相対位置は全て同一かつ第１領域における前記相対位置と比較して周方向にずれている。

上記態様によれば、第１領域及び第２領域で発生するトルクリプルの位相がずれ、各領域のトルクリプルを相殺させることができるので、振動・騒音を低減することができる。開口部又は薄肉部からなる磁束漏れ防止部は、回転電機軸方向の一端から他端に延びているので、特許文献１のような生産性の低下は起こらず、高い生産性を実現することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転電機の正面図である。 ロータの側面図である。 各領域におけるロータスロットに対する開口部の相対位置、及び、領域間の相対位置のずらし量を示した図である。 各領域のトルクリプルの３６次成分とそれらの合成トルクとを示した図である。 第１実施形態に係る回転電機と比較例に係る回転電機のトルク波形図である。 トルクリプルの次数と振幅との関係を示した図である 第１実施形態に係る回転電機のロータの変形例を示した図である。 変形例の各領域におけるロータスロットに対する開口部の相対位置、及び、領域間の相対位置のずらし量を示した図である。 第２実施形態に係る回転電機のロータの正面図である。 第３実施形態に係る回転電機のロータの部分拡大図である。 第３実施形態の変形例を示した図である。 第３実施形態の別の変形例を示した図である。 第４実施形態のステータの部分拡大図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態に係る回転電機１をその軸方向から見たものである。回転電機１は、極数が８のかご形誘導電動機であり、同軸に配置されるロータ２及びステータ３を備える。なお、以下の説明において「軸方向」とは回転電機１の軸方向を意味する。

ロータ２は、かご形ロータであり、軸方向の一端から他端に延び、軸方向に対して平行な複数（この例では、３６本）のロータスロット２１を外周面に有するロータコア２２と、複数のロータスロット２１内に配置されるロータ導体２３と、ロータ導体２３の両端にそれぞれ接合され各導体を短絡するエンドプレート２４（図２参照）とを備える。

ロータコア２２は、複数のケイ素鋼板の円盤を積層して構成される。複数のロータスロット２１は、それぞれ軸方向の一端から他端に延び、ロータ外周面での磁束の漏れを防止するための開口部２５をステータ３側に有するセミクローズドスロットである。

ロータ導体２３は、例えば、アルミダイキャストによって複数のロータスロット２１に溶融したアルミニウムを注入することによって各ロータスロット２１内に配置される。

開口部２５は、軸方向の一端から他端まで同一形状であり、また、開口部２５の周方向の幅は全て同一である。開口部２５は、開口部２５となる部分にアルミダイキャスト時に金型を配置してアルミニウムが入り込まないようにするか、又は、開口部２５となる部分に入り込んだアルミニウムを機械加工によって除去することによって形成される。複数のロータスロット２１内にロータ導体２３を配置する方法はこれに限定されず、各ロータスロット２１に導体棒を挿入する方法であってもよい。

ステータ３は、ロータ２の外側に配置され、軸方向の一端から他端に延び、軸方向に対して平行な複数のステータスロット３１を内周面に有するステータコア３２と、複数のステータスロット３１内に配置されるコイル３３とを備える。

ステータコア３２は、複数のケイ素鋼板の円盤を積層して構成される。複数のステータスロット３１は、それぞれ軸方向の一端から他端に延び、ステータ内周面での磁束の漏れを防止するための開口部３４をロータ２側に有するセミクローズドスロットである。開口部３４は、軸方向の一端から他端まで同一形状であり、また、開口部３４の周方向の幅は全て同一である。

回転電機１は以上のように構成され、コイル３３に電流を流して回転磁界を発生させると、誘導電流がロータ導体２３に発生し、回転磁界と誘導電流との相互作用によって回転力が発生し、回転電機１が回転する。

このような回転電機１においては、振動・騒音を抑えることが重要であり、振動・騒音の原因の一つとしてトルクリプルがある。このため、第１実施形態に係る回転電機１においては、以下に説明するようにロータコア２２を複数の領域に分け、周方向に隣接する領域間でロータスロット２１に対する開口部２５の相対位置を異ならせることによってトルクリプルを抑制する。

具体的には、図１に示すように、ロータコア２２を周方向にＡ領域からＤ領域の４つに等分し、ロータスロット２１に対する開口部２５の周方向の相対位置を、同一領域内では全て同じになるように、かつ、周方向に隣接する領域間で異なるようにしている。

図３は、各領域におけるロータスロット２１に対する開口部２５の相対位置を示している。各領域におけるロータスロット２１に対する開口部２５の周方向の相対位置は次の通りである。

Ａ領域：開口部２５はロータスロット２１の周方向中心線に対して０．３１２５°反時計方向にずれている。

Ｂ領域：開口部２５はロータスロット２１の周方向中心線に対して０．３１２５°時計方向にずれている。

Ｃ領域：開口部２５はロータスロット２１の周方向中心線に対して０．９３７５°反時計方向にずれている。

Ｄ領域：開口部２５はロータスロット２１の周方向中心線に対して０．９３７５°時計方向にずれている。

これにより、周方向に隣接する領域間では、開口部２５の相対位置がそれぞれ０．６２５°の整数倍ずれ、Ａ〜Ｄ領域で発生するトルクリプルの３６次成分の位相がそれぞれ＋４５°、−４５°、＋１３５°、−１３５°ずれ、これらが合成されると各領域で発生するトルクリプルの３６次成分が図４に示すように相殺されて低減される。

図５は、第１実施形態に係る回転電機１、及び、比較例に係る回転電機それぞれのトルク波形を示している。比較例は、ロータスロット２１に対する開口部２５の相対位置を全領域で同じにしたものである。

図５に示されるように、第１実施形態に係る回転電機１では、比較例と比べてトルクリプルを低減できていることがわかる。また、これらのトルク波形をＦＦＴ解析してみると、図６に示されるように、トルクリプルの３６次成分が約７５％低減されていることがわかる。

なお、第１実施形態に係る回転電機１では、周方向に隣接する領域間での開口部２５の相対位置のずらし量を０．６２５°に設定しているが、このずらし量は、開口部２５の相対位置をずらしても開口部２５がロータスロット２１に接続することを条件として、回転電機１の極対数（極数の１／２）、領域の分割数、低減させるトルクリプルの次数（自然数）によって次式：
ずらし量＝３６０／（ｐ×ｍ×ｎ）［°］
ｐ：ロータコアの極対数
ｍ：領域の数
ｎ：低減したいトルクリプルの次数
によって演算される値の整数倍に設定される。

すなわち、第１実施形態に係る回転電機１では、極対数が４、領域の分割数が４、低減させるトルクリプルの次数が３６であるので、トルクリプルを低減するのに必要なずらし量は３６０／（４×４×３６）＝０．６２５°の整数倍となる。

ずらし量が０．６２５°の整数倍になる構成は、図１及び図３に示した構成に限らず、例えば、図７及び図８に示した構成であってもよい。

なお、図１及び図３に示した構成、図７及び図８に示した構成いずれの構成であってもトルクリプルの３６次成分を低減することができるが、ロータ２内の力の集中点が図１中ＸとＹの２点になる前者の構成は、ロータ２内の力の集中点が図７中Ｚの１点に集中する後者の構成に比べて回転中のロータ２の回転中心の偏心を抑えることができ、回転電機１の振動を抑制することができる。

領域の分割数を増やして８にした場合は、ずらし量は３６０／（４×８×３６）＝０．３１２５°となり、周方向に隣接する領域間で開口部２５の相対位置が０．３１２５°の整数倍だけずれるように各領域における各ロータスロット２１の周方向中心に対する開口部２５の周方向の相対位置を設定すればよい。これにより、各領域のトルクリプルの３６次成分の位相を４５°ずつずらすことができ、各領域のトルクリプルの３６次成分を相殺させて、トルクリプルを低減することができる。

以上説明したように、回転電機１においては、ロータコア２２が、周方向に隣接して配置される少なくとも第１領域及び第２領域（例えば、図１のＡ領域とＢ領域）を含む複数の領域を有し、第１領域における各ロータスロット２１に対する開口部２５の周方向の相対位置を全て同一であり、第２領域における各ロータスロット２１に対する開口部２５の周方向の相対位置は全て同一かつ第１領域における相対位置と比較して周方向にずれるようにした。

この構成によれば、第１領域及び第２領域で発生するトルクリプルの位相がずれて各領域のトルクリプルが相殺されるので、トルクリプルに起因する振動・騒音を低減することができる。これに対し、同一領域内で開口部２５の相対位置を異ならせた構成（例えば、スロット１つおきに開口部２５の位置をずらした構成）では各領域のトルクリプルは相殺されず、振動・騒音を低減することはできない。

また、開口部２５は、軸方向の一端から他端に延びているので、特許文献１のような生産性の低下は起こらず、高い生産性を実現することができる。

したがって、第１実施形態によれば、回転電機１の振動・騒音を低減しつつ、回転電機１の生産性を向上させることができる。

なお、各領域のトルクリプルを相殺させるには、ロータコア２２を等分するのが望ましく、回転電機１ではロータコア２２を周方向に４つの領域に等分しているので、各領域のトルクリプルを効果的に低減することができる。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、ロータコア２２を周方向に４つの領域に等分している。しかしながら、領域の数はこれに限定されず、回転電機１の極数の約数のうち２以上の数の中から選択するようにすれば、各領域で発生するトルクリプルを相殺させることが可能である。

例えば、極数が８の回転電機１では、極数の約数が２、４、８であるので、４分割の他、２分割、８分割であっても各領域で発生するトルクリプルを打ち消すことが可能である。

図９は、極数が８の回転電機１において、ロータコア２２を２つの領域に分割した第２実施形態を示している。領域Ｅにおいては各ロータスロット２１に対して開口部２５の周方向位置を時計回りに所定角ずらしており、領域Ｆにおいては各ロータスロット２１に対して開口部２５の周方向位置を反時計回りに所定角ずらしている。

このような分割態様であっても各領域で発生するトルクリプルを打ち消すことができる。

＜第３実施形態＞
第１実施形態及び第２実施形態では、磁束の漏れを防止するために、ロータスロット２１の外周側に開口部２５を設けているが、開口部２５に代えて、図１０に示すように、周方向両側よりも肉厚が薄い薄肉部２６を設けるようにしてもよい（第３実施形態）。

そして、このような第３実施形態においても、第１実施形態及び第２実施形態と同様に、ロータスロット２１に対する薄肉部２６の周方向の相対位置を、同一領域内では全て同じになるように、かつ、周方向に隣接する領域間で異なるようにすることで、トルクリプルを抑えることができる。また、開口部２５を形成する工程が不要になるので、回転電機１の生産性をさらに高めることができる。

トルクリプルを抑えるのに必要な周方向で隣接する領域間での薄肉部２６の相対位置のずらし量、領域の分割態様等に関する考え方は、第１実施形態及び第２実施形態と同じである。

なお、薄肉部２６は、図１０及び図１１に示すように、ロータスロット２１の径方向外側の内周面に凹部２７を形成することによって形成してもよいし、図１２に示すように、ロータコア２２の外周面に凹部２８を形成することによって形成するようにしてもよい。

＜第４実施形態＞
第１実施形態〜第３実施形態では、ロータスロット２１に対する開口部２５又は薄肉部２６の周方向の相対位置を、同一領域内では全て同じになるように、かつ、周方向に隣接する領域間で異なるようにすることでトルクリプルを抑えているが、ステータスロット３１に対する開口部３４の周方向位置を、同一領域内では全て同じになるように、かつ、周方向に隣接する領域間で異なるようにしても同様にトルクリプルを抑えることができる。

図１３は、ステータコア３２を２つの領域Ｇ、Ｈに分割し、領域Ｇにおいては各ステータスロット３１に対して開口部３４の周方向位置を時計回りに所定角ずらしており、領域Ｈにおいては各ステータスロット３１に対して開口部３４の周方向位置を反時計回りに所定角ずらしている。

このようにステータスロット３１に対する開口部３４の周方向の相対位置を周方向に隣接する領域間でずらすことによっても、各領域で発生するトルクリプルを打ち消すことができる。第３実施形態と同様に、開口部３４を薄肉部に置き換えることも可能である。

トルクリプルを抑えるのに必要な周方向で隣接する領域間での開口部３４又は薄肉部の相対位置のずらし量、領域の分割態様等に関する考え方は、第１実施形態及び第２実施形態と同じである。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したものに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、ロータスロット２１に対する開口部２５又は薄肉部２６の相対位置を周方向に隣接する領域間でずらす第１〜３実施形態とステータスロット３１に対する開口部３４又は薄肉部の相対位置を周方向に隣接する領域間でずらす第４実施形態とを組み合わせてもよい。すなわち、ロータスロット２１に対する開口部２５又は薄肉部２６の相対位置とステータスロット３１に対する開口部３４又は薄肉部の相対位置との両方が周方向に隣接する領域間で異なるようにしてもよい。

この場合、ロータコア２２側におけるずらし量とステータコア３２側のずらし量との和がトルクリプルを抑制するのに必要なずらし量の整数倍になっていればよい。本構成によれば、トルクリプルを抑制するのに必要なずらし量が大きい場合であっても、ロータコア２２側とステータコア３２側とで例えば半分ずつ分担することができ、開口部２５、３４等がロータスロット２１又はステータスロット３１からずれてしまうのを避けることができる。

また、開口部２５、３４や薄肉部２６のずらし量は最適な例を示したが、ずらし量が多少異なっていても、トルクリプルの一部を打ち消し合うことが可能である。よって、開口部２５、３４や薄肉部２６のずらし量が、上記実施形態で示したものとはある程度異なる態様であっても、本発明の技術的範囲に含まれる。

１ 回転電機
２ ロータ
２１ ロータスロット
２２ ロータコア
２３ ロータ導体
２４ エンドプレート
２５ 開口部
２６ 薄肉部
３ ステータ
３１ ステータスロット
３２ ステータコア
３３ コイル
３４ 開口部

Claims (6)

1. 回転電機軸方向の一端から他端に延びる複数のロータスロットを有し前記複数のロータスロットにロータ導体が配置されるロータコアと、前記ロータコアの外側に配置されて前記回転電機軸方向の一端から他端に延びる複数のステータスロットを有し前記複数のステータスロットにコイルが配置されるステータコアとを備えた回転電機であって、
   前記ロータコアは、前記複数のロータスロットそれぞれの外周側に、前記回転電機軸方向の一端から他端に延びる開口部又は前記回転電機軸方向の一端から他端に延び周方向両側よりも肉厚が薄い薄肉部からなる磁束漏れ防止部を有し、
   前記ロータコアは、周方向に隣接して配置される少なくとも第１領域及び第２領域を含む複数の領域を有し、前記第１領域における各ロータスロットに対する前記磁束漏れ防止部の周方向の相対位置は全て同一であり、前記第２領域における各ロータスロットに対する前記磁束漏れ防止部の周方向の相対位置は全て同一かつ前記第１領域における前記相対位置と比較して周方向にずれている、
   ことを特徴とする回転電機。
2. 請求項１に記載の回転電機であって、
   前記複数の領域は、前記ロータコアを周方向に等分割した領域である、
   ことを特徴とする回転電機。
3. 請求項１又は２に記載の回転電機であって、
   前記複数の領域の数は、前記回転電機の極数の約数のうち２以上の数の中から選択される、
   ことを特徴とする回転電機。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の回転電機であって、
   前記第１領域における前記相対位置に対する前記第２領域における前記相対位置の周方向のずらし量を、次式：
   ずらし量＝３６０／（ｐ×ｍ×ｎ）
   ｐ：極対数
   ｍ：領域の数
   ｎ：自然数
   で算出される値の整数倍に設定したことを特徴とする回転電機。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の回転電機であって、
   前記磁束漏れ防止部は前記薄肉部であり、
   前記薄肉部は、前記ロータコアの外周面に凹部を形成する、又は、前記ロータスロットの径方向外側の内周面に凹部を形成することによって形成される、
   ことを特徴とする回転電機。
6. 回転電機軸方向の一端から他端に延びる複数のロータスロットを有し前記複数のロータスロットにロータ導体が配置されるロータコアと、前記ロータコアの外側に配置されて前記回転電機軸方向の一端から他端に延びる複数のステータスロットを有し前記複数のステータスロットにコイルが配置されるステータコアとを備えた回転電機であって、
   前記ステータコアは、前記複数のステータスロットそれぞれの内周側に、前記回転電機軸方向の一端から他端に延びる開口部又は前記回転電機軸方向の一端から他端に延び周方向両側よりも肉厚が薄い薄肉部からなる磁束漏れ防止部を有し、
   前記ステータコアは、周方向に隣接して配置される少なくとも第１領域及び第２領域を含む複数の領域を有し、前記第１領域における各ステータスロットに対する前記磁束漏れ防止部の周方向の相対位置は全て同一であり、前記第２領域における各ステータスロットに対する前記磁束漏れ防止部の周方向の相対位置は全て同一かつ前記第１領域における前記相対位置と比較して周方向にずれている、
   ことを特徴とする回転電機。

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