JP5146698B2

JP5146698B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5146698B2
Application number: JP2010059770A
Authority: JP
Inventors: 泰明神木
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2013-02-20
Anticipated expiration: 2030-03-16
Also published as: CN102195428B; CN202068292U; US8344567B2; US20110227437A1; JP2011193697A; CN102195428A

Description

本発明は、回転電機に関する。

従来から、大容量化に適した回転電機として、特許文献１記載のものが知られている。この回転電機は、永久磁石型同期モータとして好適な極数とコイル数の組合せにより、誘起電圧波形を正弦波に近づけることができ、しかもコギングトルクの振幅を小さくすることで必要なスキュー角度も小さくすることができるというものである。したがって、この回転電機は、大容量化してもアンバランス吸引力の影響が小さいという特長を有している。

特開２００２−２８１７２１号公報

しかしながら、上記特許文献１には、大容量化に伴い大型化する回転電機に適した構造が開示されていなかった。

そこで、本発明は、大容量化に伴う大型化に適した軽量構造を有す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ため、本発明の一の観点によれば、中空形状のフレームの軸方向の一端部に設けられたフランジ部と、シャフトを有し当該シャフトが前記フランジ部に回転自在に支持されたロータ部と、前記フレームの内部に固定され前記ロータを取り囲んで設けられたステータ部と、を備え、前記ロータ部が、前記軸方向に配置され当該軸方向に凹部が形成された第１のロータコアおよび第２のロータコアを有しており、前記ステータ部が、前記軸方向に配置された第１のステータコアおよび第２のステータコアを有しており、前記第１のロータコア及び前記第２のロータコアは、最外周側に位置し、前記第１のステータコア及び第２のステータコアの内周側にそれぞれ対向するロータコア外周部と、最内周側に位置し、前記ロータコア外周部よりも小さな軸方向寸法を備えたロータコア内周部と、前記ロータコア外周部と前記ロータコア内周部とを径方向に接続するロータコア中央部と、をそれぞれ備えており、前記シャフトは、最大径を与えるロータコア取付部、及び、前記ロータコア取付部より小径の小径部、を有する段付き形状を備えており、前記第１のロータコア及び前記第２のロータコアの前記ロータコア内周部は、前記小径部に取り付けられており、互いに軸方向に対向する前記第１のロータコアおよび前記第２のロータコアの前記ロータコア外周部及び前記ロータコア中央部と、前記シャフトの前記ロータコア取付部と、の間に位置する、凹部によって形成されるロータコア空間部を備えたことを特徴とする回転電機が適用される。

本発明によれば、大容量化に伴う大型化に適した軽量構造の回転電機を提供することができる。

回転電機の側面図である。回転電機の正面図である。回転電機の上面図である。回転電機の側断面図である。ステータ部の部分断面図である。カバーを外した回転電機の側面図である。ファンによる冷却の模式図である。ロータ部のスキューの模式図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
まず、図１から図３を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る回転電機の外観構成について説明する。図１は回転電機の側面図、図２は回転電機の正面図、図３は回転電機の上面図である。

図１から図３に示すように、非常に大きな出力を有する大型のモータである回転電機１０は、シャフト１１を水平にした状態で、板状のフランジ部１２を介してブラケットＢに図示せぬボルトで固定されている。回転電機１０の上部には、回転電機１０をクレーンで吊り上げるための吊り輪１３が４つ取り付けられている。回転電機１０の表面は、カバー１４で覆われており、回転電機１０の両側面には、それぞれ冷却用のファン１５が４つずつ設けられている。回転電機１０の後部には、モータの位置、速度を制御するエンコーダ部１６が設けられており、エンコーダ部１６部の上方には、電源を供給するコネクタ部１７が設けられている。
なお、ファン１５は、シャフト１１の軸方向から回転電機１０を平面視して回転電機１０の対抗する側面に対向して配置されている。

（回転電機１０の内部構造）
次に、図４を用いて、回転電機１０の内部構造について説明する。図４は、回転電機の側断面図である。回転電機１０の回転軸には、シャフト１１が軸方向に貫通して設けられている。回転電機１０は、略角形状かつ中空形状のフレーム２０の軸方向一端部にフランジ部１２を備えている。また、フレーム２０の軸方向他端部には蓋部１８を備えている。シャフト１１は、フランジ部１２および蓋部１８に設けられた軸受部２１、２２によって、回転自在に支持されている。

（ロータ部３０の構成）
シャフト１１には、ロータ部３０が固定されており、ロータ部３０はシャフト１１と一体となって回転するようになっている。ロータ部３０は、第１のロータコア３１Ａおよび第２のロータコア３１Ｂを含んでおり、第１のロータコア３１Ａと第２のロータコア３１Ｂは軸方向に並んで配置されている。第１のロータコア３１Ａおよび第２のロータコア３１Ｂの外周表面には、磁石３２が備えられている。磁石３２は、永久磁石である。シャフト１１は、異なる外径を備えた段付形状となっている。シャフト１１の軸方向中央付近の最も外径が大きな部分には、ロータコア取付部１１ａが設けられており、ロータコア取付部１１ａの軸方向両側面のロータコア取付面１１ｂ、１１ｃにはそれぞれロータコア３１Ａ、３１Ｂがボルト３３によって固定されている。固定の方法は特に限定されるものではなく、キーやシュパンリングなどを使用して固定してもよい。

それぞれのロータコア３１Ａ、３１Ｂは、磁石３２が取り付けられるロータコア外周部３４と、ロータコア３１Ａ、３１Ｂをロータコア取付部１１aに取り付けるためのロータコア内周部３５と、ロータコア外周部３４とロータコア内周部３５とを連結するロータコア中央部３６とを含んでいる。ロータコア外周部３４は、ロータコア中央部３６から軸方向両側に延出する形状となっている。したがって、第１のロータコア３１Ａと第２のロータコア３１Ｂは、軸方向に凹部が形成された形状となっている。
ロータ部３０には、主にロータコア外周部３４とロータコア中央部３６とロータコア取付部１１aとによって、ロータコア空間部３７が形成されている。言い換えると、ロータ部３０には、第１のロータコア３１Ａおよび第１のロータコア３１Ｂの対抗する凹部によってロータコア空間部３７が形成されている。このロータコア空間部３７が存在することにより、ロータ部３０の軽量化が図られており、ロータ部３０のイナーシャの低減が実現され、高効率のモータが実現されている。このような構成により、大容量化に伴う大型化に適した軽量化構造を有する回転電機を提供することができる。

（ステータ部４０の構成）
ロータ部３０の外周には、空隙を介してロータ部３０を取り囲むように、ステータ部４０が設けられている。ステータ部４０は、第１のステータコア４１Ａと第２のステータコア４１Ｂを含んでおり、第１のステータコア４１Ａと第２のステータコア４１Ｂは軸方向に並んで配置されている。第１のステータコア４１Ａおよび第２のステータコア４１Ｂは、フレーム２０の内部に固定されている。
第１のステータコア４１Ａと第２のステータコア４１Ｂの間には、フランジ部１２と略平行に、鋼板またはステンレス鋼などの金属で形成された補強板４２が設けられている。このような構成により、大容量化に伴う大型化に適した高剛性構造を有する回転電機を提供することができる。
なお、第１のステータコア４１Ａ、第２のステータコア４１Ｂ、および補強板４２は、ピン４３が挿入されることによって、それぞれ位置決めされ、フレーム２０に対して固定されている。これにより、ステータ部４０の高剛性化が図られている。
また、ピン４３は、単一の部材であり、かつ、フレーム２０の軸方向の一端部から、第１のステータコア４１Ａ、補強板４２、および第２のステータコア４１Ｂを貫通して、フレーム２０の軸方向の他端部まで到達しているので、ステータ部４０の剛性をより一層高めている。

（補強板の詳細形状説明）
次に、図５を参照して、補強板の詳細形状を説明する。図５は、ステータ部の部分断面図であり、図５（ａ）は、図４におけるＡ−Ａ‘断面、図５（ｂ）は、図４におけるＢ−Ｂ‘断面である。図５（ａ）に示すように、第１のステータコア４１Ａには、複数のティース５１が形成されており、ティース５１の周囲には図示せぬコイルが巻回されている。また、図５（ｂ）に示すように、補強板４２には、コイルが巻回されたティース５１よりもやや幅が大きく高さが高い複数の舌部５２が形成されている。これにより、ティース５１の変形を防止でき、簡便にコイルの挿入ができるという効果がある。したがって、このような構成により、製造容易な回転電機を提供することができる。

（補強バーによる補強構造の説明）
次に、図６を参照して、回転電機の補強バーによる補強構造を説明する。図６は、カバーを外した回転電機の側面図である。回転電機１０の軸方向中央部には、前述の補強板４２が設けられており、シャフト１１の軸方向からフレーム２０を平面視してフレーム２０の対向する両方の側面には、補強板４２に直交して、軸方向の補強バー６１がフレーム２０に取り付けられている。また、フレーム２０の対角を結ぶように斜め方向の補強バー６２ａ、６２ｂが互いに交差してフレーム２０に取り付けられている。
このような構成により、大容量化に伴う大型化に適した高剛性構造を有する回転電機を提供することができる。すなわち、上述した補強バーによる補強構造を採用することにより、フレーム２０が強力に補強される結果、非常に大型で大重量のモータにもかかわらず、シャフト１１を略水平にした状態において、フランジ部１２をブラケットＢに固定したフランジ固定による回転電機１０の片持ち支持が可能となっている。

（ファンによる冷却動作）
次に、図７を参照しつつ、ファンによる冷却動作について説明する。図７は、ファン冷却の模式図である。図７に示すように、ファン１５は回転電機１０の内部に送風するようにファン１５の回転方向が設定されている。ファン１５は、ロータ部３０の軸線に対して対称に配置されている。上部（軸線に対して一方側）に設定されたファン１５による風は、ステータ部４０に当たってステータ部４０から熱を奪った後、跳ね返って、回転電機１０の上部から排出される。また、下部（軸線に対して他方側）に設定されたファン１５による風は、ステータ部４０に当たってステータ部４０から熱を奪った後、跳ね返って、回転電機１０の下部から排出される。回転電機１０はフランジ部１２でブラケットＢに片持ち固定されており、回転電機１０の上下には障害物が存在しないため、ステータ部４０に当たった冷却風は、回転電機１０から円滑に流れ出るようになっている。したがって、非常に高出力で高熱を発生する回転電機１０を、効果的に冷却できるようになっている。このような構成により、大容量化に伴う発熱を効果的に冷却する構造を有する回転電機を提供することができる。

なお、ファン１５はフレーム２０または補強バー６２ａ、６２ｂに固定されるが、補強バー６２ａ、６２ｂ上にファン１５を配置すると、ファン１５による送風が補強バー６２ａ、６２ｂに当たって拡散されることにより、冷却効率が更に向上するので望ましい。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電機１０は、フレーム部に補強板４２、あるいは、補強バー６２ａ，６２ｂを有することにより、フランジ固定による片持ち支持をすることができる。更に、ファン１５を適切な位置に配置することになり、冷却の効果をより一層高めることができる。また、フレーム２０の側面にファン１５を設けることにより、ファン１５が側面の補強部材として機能するので、フレームの剛性をより一層高めることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、いわゆる当業者であればこの実施形態から適宜変更が可能であることは言うまでも無く、このような変更が施された場合でも、本発明の技術的範囲に含まれることも付言しておく。

（ロータスキューの説明）
例えば、上記実施形態では、ロータ部３０をスキューしない例を説明したが、ロータ部３０をスキューすることも可能である。ここで、図８を参照して、ロータ部３０のスキューを説明する。図８は、ロータ部３０のスキューの模式図である。図８（ａ）はロータコア取付面７２を示し、図８（ｂ）はロータコア内周部３５を示している。ロータコア取付面１１ｂまたは１１ｃを表しているロータコア取付面７２には、雌ネジ部７１が円周上に等ピッチで形成されている（図８（ａ）では２４箇所）。また、ロータコア内周部３５には、円周上に耐トルクに必要な数のボルト挿入用の孔（第１の孔７３ａ）が等ピッチで形成されている（図８（ｂ）では６箇所）。さらに、第１の孔から所定の角度（α、β、γ）ずらした位置にも、耐トルクに必要な数のボルト挿入用の孔（第２の孔７３ｂ、第３の孔７３、第４の孔７３ｄ）が等ピッチで形成されている。このような構成により、比較的自由度が大きな状態で、ロータ部３０をスキューすることができる。また、この構造を第１のロータコア３１Ａと第２のロータコア３１Ｂの両側へ施すことにより、上述した所定の角度（α、β、γ）とは異なる角度（例えば（α−β）や（α＋β）等）にロータ部３０をスキューすることも可能となる。ロータ部３０をスキューすることにより、コギング推力を軽減し、スムーズな制御を可能とするという効果が得られる。

なお、上記実施形態では、ファン１５をカバー１４あるいはフレーム２０に取り付けたものを示したが、ファンを斜め方向の補強バー６２ａ、６２ｂに取り付けると、ファン１５が構造部材として機能し、フレーム２０の剛性が更に向上するので望ましい。また、ファン１５の中央部に斜め方向の補強バー６２ａ、６２ｂが位置するようにすると、冷却風が補強バー６２ａ、６２ｂの両側にほぼ均等に流れ、冷却効率が更に向上するので望ましい。
また、回転電機１０はモータに限られるものではなく、発電機なども含むものである。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用してもよい。

その他、一々例示はしないが、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１０回転電機
１１シャフト
１２フランジ部
２０フレーム
３０ロータ部
４０ステータ部
４１Ａ第１のステータコア
４１Ｂ第２のステータコア
４２補強板
６１，６２ａ，６２ｂ補強バー

Claims

中空形状のフレームの軸方向の一端部に設けられたフランジ部と、
シャフトを有し当該シャフトが前記フランジ部に回転自在に支持されたロータ部と、
前記フレームの内部に固定され前記ロータを取り囲んで設けられたステータ部と、
を備え、
前記ロータ部が、
前記軸方向に配置され当該軸方向に凹部が形成された第１のロータコアおよび第２のロータコアを有しており、
前記ステータ部が、
前記軸方向に配置された第１のステータコアおよび第２のステータコアを有しており、
前記第１のロータコア及び前記第２のロータコアは、
最外周側に位置し、前記第１のステータコア及び第２のステータコアの内周側にそれぞれ対向するロータコア外周部と、
最内周側に位置し、前記ロータコア外周部よりも小さな軸方向寸法を備えたロータコア内周部と、
前記ロータコア外周部と前記ロータコア内周部とを径方向に接続するロータコア中央部と、
をそれぞれ備えており、
前記シャフトは、
最大径を与えるロータコア取付部、及び、前記ロータコア取付部より小径の小径部、を有する段付き形状を備えており、
前記第１のロータコア及び前記第２のロータコアの前記ロータコア内周部は、前記小径部に取り付けられており、
互いに軸方向に対向する前記第１のロータコアおよび前記第２のロータコアの前記ロータコア外周部及び前記ロータコア中央部と、前記シャフトの前記ロータコア取付部と、の間に位置する、凹部によって形成されるロータコア空間部を備えたことを特徴とする回転電機。
請求項１記載の回転電機において、
前記第１のロータコア及び前記第２のロータコアの前記ロータコア内周部の軸方向寸法は、前記ロータコア外周部の軸方向寸法よりも短く、
前記ロータコア内周部は、
前記シャフトの前記ロータコア取付部の軸方向両側に接触して設けられている
ことを特徴とする回転電機。
請求項２記載の回転電機において、
前記第１のロータコア及び前記第２のロータコアの前記ロータコア内周部は、
当該ロータコア内周部を軸方向に貫通するボルトにより、前記ロータコア取付部の軸方向両側のロータコア取付面に対し軸方向に固定されている
ことを特徴とする回転電機。