JP6856560B2 - 固定子、これを備える回転電機、および回転電機を備える車両 - Google Patents
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Description
なお、開示はあくまで一例にすぎず、当業者において、発明の主旨を保っての適宜変更であって容易に想到し得るものについては、当然に本発明の範囲に含有されるものである。また、図面は説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状等について模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。また、本明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略することがある。
本実施形態においては、回転電機の一例としてアキシャルギャップモータを開示する。ただし、本実施形態に示す構造の一部は、他種の回転電機に適用することも可能である。
図1は、第1の実施形態に係るアキシャルギャップモータM(以下、モータMと称す)の外観構成の一例を概略的に示す斜視図である。モータMは、4つのハウジング10A,10B,10C,10Dと、3つの矩形状のフレーム20A,20B,20Cと、ハウジング10A、10Dに回転自在に支持された回転シャフトSと、を備えている。
図2に示すように、モータMは、ハウジング10A、10B、10C、10Dにそれぞれ収容される4つの回転子1A、1B、1C、1Dを備えている。また、モータMは、フレーム20Aを含む固定子2Aと、フレーム20Bを含む固定子2Bと、フレーム20Cを含む固定子2Cと、を備えている。
固定子2Aは、第1および第2支持板3、4の間に配置された複数の第1鉄心81と、複数の第2鉄心82と、複数の第3鉄心83と、第1コイル91と、第2コイル92とを備えている。第1鉄心81、第2鉄心82および第3鉄心83は、回転シャフトSに対して径方向に順に並んでいる。第1コイル91は回転シャフトSと同軸に配置され、第1鉄心81と第2鉄心82の間に位置している。第2コイル92は回転シャフトSと同軸に配置され、第2鉄心82と第3鉄心83の間に位置している。各鉄心81〜83は、両端面が第1および第2支持板3、4からそれぞれ露出し、回転子1A、1Bと対向している。
固定子2B,2Cは、上記固定子2Aと同様に構成されている。そして、固定子2B,2Cにおいても同様の磁束が発生する。すなわち、本実施形態のモータMは、2つの回転子の間に固定子を配置した構造を3層備えている。固定子2A〜2Cの各コイル91,92には、それぞれ3相交流が供給される。
図4は、固定子を分解して示す固定子の分解斜視図である。図4に示すように、固定子2Aは、上述した第1支持板3、第2支持板4、フレーム20A、複数の第1鉄心81、複数の第2鉄心82、複数の第3鉄心83、第1コイル91および第2コイル92を備えている。さらに、固定子2Aは、第1押え部材5A、5Bと、第2押え部材6A、6Bと、第3押え部材7A、7Bと、を備えている。第1ないし第3押え部材は、非磁性かつ非導電性の材料で形成することが好ましく、例えば各種のプラスチックで形成することができる。
第1および第2支持板3、4は、剛性があり変形し難い必要があるため、非磁性の金属、例えば、ステンレス(SUS)等の金属板で形成されている。第1支持板3および第2支持板4は、互いに隙間を置いてほぼ平行にかつ同軸に対向配置される。他の構成部材は、第1支持板3と第2支持板4との間に配置および支持される。
第2支持板4は、外周縁に沿って設けられた複数の孔44と、中央開口40に沿って設けられた複数の孔45と、第2コイル92の素線を引き出すためのスリット46と、少なくとも2つの位置決め孔47とを有している。
複数の第2押え部材6A,6Bは、複数の第2鉄心82と同じピッチで環状に並んでいる。第2押え部材6A,6Bは、孔61を有している。第2押え部材6Aの孔61には雌ねじが設けられている。
第3押え部材7A,7Bは、例えば内径が各支持板3,4の中央開口30,40の径と等しい環状である。第3押え部材7A,7Bは、複数の第3鉄心83と同じピッチで並ぶ複数のノッチ70を外周側に有している。更に、第3押え部材7A,7Bは、隣り合うノッチ70の間に設けられた複数の孔71と、内周縁に沿って設けられた複数の孔72とを有している。第3押え部材7Aの孔71には雌ねじが設けられている。
上述の各円周C1〜C3、各支持板3,4の外周、各中央開口30,40、フレーム20の開口21および各コイル91,92等は、中心軸RXを中心とした同心円状である。
第1鉄心81は、鉄心本体81aと、一対の鍔部81bとを有している。鉄心本体81aは、例えば直方体である。一対の鍔部81bは、鉄心本体81aの周方向Cにおける両側面F11,F12から突出している。図示の例では、一対の鍔部81bの各々は、側面F11,F12の径方向Rにおける両端間の全体に亘って設けられている。すなわち、鍔部81bの径方向Rにおける幅と鉄心本体81aの径方向Rにおける幅とが一致している。鍔部81bの周方向Cにおける幅は、鉄心本体81aの周方向Cにおける幅よりも小さい。
積層された電磁鋼板810は、各鍔部81b(各第2部分810b)において互いに固定することができる。例えば、各鍔部81bと重畳する一対の固定位置81cにおいて、かしめや鋲打ちにより複数枚の電磁鋼板810を互いに固定してもよい。各鍔部81bで電磁鋼板810を固定すると、鉄心本体81aは変形しないので、鉄心本体81aの電磁特性を良好に保つことができる。
なお、電磁鋼板810の圧延方向Dは、軸方向Xと厳密に一致する必要はなく、軸方向Xと一定の鋭角(例えば10°以下の角度)で交わってもよい。また、電磁鋼板810は、無方向性電磁鋼板であってもよい。更に、第1鉄心81は、強磁性体の粉末を圧縮して固めた圧粉磁心で形成してもよい。
図4に示したように、第2鉄心82および第3鉄心83は、上述した第1鉄心81と同様に、直方体形状の鉄心本体82a、83aと、鉄心本体の両側面から突出した一対の鍔部82b、83bと、を有している。第2鉄心82および第3鉄心83は、それぞれ電磁鋼板の積層体で構成することができる。なお、第1、第2、第3鉄心82、83、84は、それぞれ表面全体を樹脂等でコーティングすることにより、電気的に絶縁される。
図6および図7に示すように、第1支持板3および第2支持板4の外周部は、フレーム20Aの内周側段部22を間に挟んで、互いに固定されている。ここでは、第1支持板3および第2支持板4の外周部の複数個所は、第1支持板3の孔44に挿通されたボルトB1とボルトB1にねじ込まれたナットN1とにより段差部22に共締めされている。また、第1支持板3および第2支持板4の内周部の複数個所は、ボルトB2およびナットN2により、互いに固定されている。これにより、第1支持板3および第2支持板4は、所定の間隔をおいて、互いに平行に対向している。第1支持板3の第1開口31、第2開口32、第3開口33は、それぞれ第2支持板4の第1開口41、第2開口42、第3開口43に対向している。
第3押え部材7A、7Bは、互いに対向した状態で第1支持板3と第2支持板4との間に配置されている。第3押え部材7Aの孔72および第3押え部材7Bの孔72に前述したボルトB2(図7参照)が挿通されている。これにより、第3押え部材7A、7Bは、第1支持板3および第2支持板4に対して、中央開口30、40の周囲の位置に位置決めされている。第3押え部材7Aのノッチ70および第3押え部材7Bのノッチ70は、互いに対向しているとともに、それぞれ第1支持板3の第3開口33および第2支持板4の第3開口43に対向している。更に、第3押え部材7Aおよび第3押え部材7Bは、それぞれ押え部材7A、7Bの孔71にねじ込まれたねじS3により、互いに締結されている。
図9に示すように、複数の第1鉄心81の鉄心本体81aは、それぞれ第1押え部材5A、5Bのノッチ50に嵌り込んでいる。図9および図10に示すように、第1鉄心81の一対の鍔部81bは、それぞれ第1押え部材5Aと第1押え部材5Bとの間に挟まれている。このように、複数の第1鉄心81は、それぞれ第1押え部材5A、5Bにより押えられ、円周方向の移動および軸方向の移動が規制されている。
複数の第3鉄心83の鉄心本体83aは、それぞれ第3押え部材7A、7Bのノッチ70に嵌り込んでいる。また、第3鉄心83の一対の鍔部83bは、それぞれ第3押え部材7Aと第3押え部材7Bとの間に挟まれている。このように、複数の第3鉄心83は、それぞれ第3押え部材7A、7Bにより押えられ、円周方向の移動および軸方向の移動が規制されている。
上記のように第1ないし第3押え部材により位置決め固定された第1鉄心81、第2鉄心82、第3鉄心83は、図6に示すように、中心軸RXを中心とした周方向において、例えば電気角で120°に相当する角度ずつ互いにずれて位置している。
第2コイル92は、第1支持板3および第2支持板4と同軸的に配置され、第2鉄心82と第3鉄心83との間に位置している。また、第2コイル92は、第1支持板3と第2支持板との間に保持されている。第2コイル92の一対のリード端部92aは、第2支持板4のスリット46およびフレーム20Aの孔を通して、フレーム20Aの外方に引出されている。
外方に引き出されたリード端部91a、92aは、外部で、他の固定子(2B、2C)から引き出されたリード端部と結合され、Y結線される。
なお、前述したように、高抵抗領域は、スリットに代えて、溝で構成してもよい。すなわち、支持板に第1溝、第2溝、第3溝、および連続溝を設ける構成としてもよい。溝を用いる場合、スリットを設ける場合に比較して、支持板の機械的強度を上げることができる。
台車120は、台車フレーム121と、台車フレーム121に取り付けられた複数の車輪122と、台車フレーム121と車体110の間に配置された空気ばね123とを備えている。駆動装置130は、主電動機としてモータMと、モータMを制御する制御装置を備えている。モータMの回転シャフトSの両軸端は、それぞれ車輪122に直接的に連結されている。パンタグラフ140は、架線150と接触している。パンタグラフ140を介して架線150から取り込まれる電力は駆動装置130に供給され、この電力によりモータMが回転する。このような車輪12をダイレクトドライブするモータMを用いることにより、伝動装置を使用する場合と比較して、駆動力の伝達ロスが低減し、エネルギ効率が向上するとともに、車両の小型化が可能となる。
なお、本実施形態に係るモータMは、鉄道車両だけでなく、回転動力を要する種々の装置に適用することができる。
(第2の実施形態)
図11は、第2の実施形態に係る回転電機の固定子を一部破断して示す平面図である。
前述した第1の実施形態では、高抵抗領域を構成する複数のスリットは、支持板の径方向に延びているのに対して、第2の実施形態では、複数のスリットは、支持板の周方向に延在している。
以上のように構成された第2の実施形態によれば、支持板に円周方向に延在する複数のスリットを設けることで、金属製の支持板に発生する渦電流損の経路を遮断し、渦電流損の発生を抑制することができる。これにより、回転電機の損失低減および出力向上を図ることができる。
図12は、第3の実施形態に係る回転電機の固定子を一部破断して示す平面図、図13は、固定子の断面図である。
本実施形態によれば、固定子2Aの第1支持板3および第2支持板4は、それぞれ複数枚、例えば、3枚の板を積層した積層板により形成している。図13に示すように、第1支持板3は、第1板55A、第2板55B、第3板55Cを有し、これらの板を順に積層した積層板により構成されている。第1板55A、第2板55B、第3板55Cはいずれもステンレス等の非磁性の金属板を用いている。同様に、第2支持板4は、第1板57A、第2板57B、第3板57Cを有し、これらの板を順に積層した積層板により構成されている。本実施形態において、第1板57A、第2板57B、第3板57Cはいずれもステンレス等の非磁性の金属板を用いている。第1支持板3および第2支持板4は、第3板55cおよび第3板57Cが互いに対向した状態に配置されている。これにより、第1支持板3の第1板55Aおよび第2支持板4の第1板57Aが固定子2の外面側に位置している。
隣り合う板の間、すなわち、第1板57Aと第2板57Bとの間、第2板57Bと第3板57Cとの間には、図示しない絶縁層、例えば、樹脂コーティングが設けられ、板間を電気的に絶縁している。
以上のように構成された第3の実施形態によれば、固定子の支持板に、高抵抗領域として機能する複数のスリットを設けることで、金属製の支持板に発生する渦電流損の経路を遮断し、渦電流損の発生を抑制することができる。これにより、回転電機の損失低減および出力向上を図る。また、本実施形態によれば、それぞれ複数のスリットが設けられた複数枚の板をスリット位置をずらして積層して支持板を構成することにより、支持板の機械的強度が向上する。
なお、本実施形態において、高抵抗領域は、スリットに限らず溝で構成してもよい。すなわち、第1、第2、第3、第4、第5スリットおよび連続スリットに代えて、第1溝、第2溝、第3溝、第4溝、第5溝および連続溝を形成してもよい。支持板は、3枚板に限らず、2枚あるいは3枚以上の板を積層して構成してもよい。
図14は、第4の実施形態に係る回転電機の固定子の断面図である。
前述した第3の実施形態と同様に、固定子2Aの第1支持板3および第2支持板4は、それぞれ複数枚、例えば、3枚の第1板、第2板、第3板を積層した積層板により形成している。図14に示すように、第1板は、高抵抗領域を構成する複数の第1スリット48A、複数の第2スリット48B、複数の第3スリット48C、および少なくとも1つの連続溝49を有している。第1スリット48Aは、第1開口41から第1板57Aの外周縁まで延在している。第2スリット48Bは、第2開口42から第1開口41まで延在している。第3スリット48Cは、第3開口43から第2開口42まで延在している。第1、第2、第3スリット48A、48B、48Cは、全組の第1、第2、第3開口41、42、43に対応して設けられている。少なくとも1つの連続スリット49は、第1板57Aの内周縁から外周縁まで連続して延びている。
なお、第7〜第9スリットは、支持板の径方向に限らず、円周方向に延在するように形成してもよい。この場合において、第7〜第9スリットは、第4〜第6スリットと重ならない位置に設けられる。
以上のように構成された第4の実施形態によれば、固定子の支持板に、高抵抗領域として機能する複数のスリットを設けることで、金属製の支持板に発生する渦電流損の経路を遮断し、渦電流損の発生を抑制することができる。これにより、回転電機の損失低減および出力向上を図る。また、本実施形態によれば、それぞれ複数のスリットが設けられた複数枚の板をスリット位置をずらして積層して支持板を構成することにより、支持板の機械的強度が向上する。
図15は、第4の実施形態に係る回転電機の固定子の断面図である。
本実施形態によれば、固定子2Aの第1支持板3および第2支持板4は、それぞれ複数枚、例えば、3枚の板を積層した積層板により形成している。図15に示すように、第1支持板3は、第1板55A、第2板55B、第3板55Cを有し、これらの板を順に積層した積層板により構成されている。第1板55A、第3板55Cはいずれもステンレス等の非磁性の金属板を用いている。第2板55Bは、繊維強化プラスチック(FRP)やセラミック等の非磁性、非導電の材料で形成された板を用いている。このように、第1支持板3は、金属製の第1板55Aと第3板55Cとの間に非磁性かつ非導電の第2板55Bを挟んだ構成としている。第2板55Bは、第1支持板3の高抵抗領域を構成している。すなわち、第1、第2、第3開口31、32、33は、それぞれ第1支持板3に貫通形成されている。そして、高抵抗領域として機能する第2板55Bは、第1支持板3の外周縁と第1開口31との間、第1開口31と第2開口32との間、第2開口32と第3開口33との間、第3開口33と内周縁との間の全てに延在している。
第1支持板3および第2支持板4は、第3板55cおよび第3板57Cが互いに対向した状態に配置されている。これにより、第1支持板3の第1板55Aおよび第2支持板4の第1板57Aが固定子2の外面側に位置している。
本実施形態において、固定子2Aの他の構成は、前述した第1の実施形態における固定子と同一である。なお、本実施形態において、支持板は、3枚板に限らず、2枚あるいは3枚以上の板を積層して構成してもよい。ただし、少なくとも1枚は、非磁性、非導電の板を用いる。
図16は、第6の実施形態に係る回転電機の固定子を一部破断して示す平面図である。
固定子2Aの第2支持板4を代表して、その構成を説明する。図16に示すように、本実施形態によれば、第2支持板4は、それぞれ貫通形成された複数の第1開口41、複数の第2開口42、および複数の開口43を有している。各第1開口41には第1鉄心81の一端部が隙間を持って挿通され露出している。各第2開口42には第2鉄心82の一端部が隙間を持って挿通され露出している。各第3開口43には第3鉄心83の一端部が隙間を持って挿通され露出している。
固定子2Aの第1支持板4は、上述した第2支持板4とほぼ同様に構成されている。
第1〜第4スリット48A〜48Dにより分断された第2支持板4の各分割板は、その外周部がボルトB1により外周側のフレーム20Aに固定され、内周部がボルトB2により内周フレーム97に固定されている。これにより、複数の分断板は、分解することなく一枚の支持板に保持されている。第1支持板5も上記と同様に、フレーム20Aおよび内周フレーム97に固定保持されている。
固定子2Aの他の構成は、前述した第1の実施形態に係る固定子と同様である。
以上のように構成された第6の実施形態によれば、支持板に円周方向に延在する第1〜第4のスリットを設け、支持板を複数の分割板に分断することで、金属製の支持板に発生する渦電流損の経路を遮断し、渦電流損の発生を抑制することができる。これにより、回転電機の損失低減および出力向上を図ることができる。
例えば、上述した実施形態においては、4つの回転子1A〜1Dと3つの固定子2A〜2Cを備える3相交流モータMを開示したが、モータMは、より多い数の固定子と回転子を備えてもよいし、より少ない数の固定子と回転子を備えてもよい。
2A〜2C…固定子、3…第1支持板、4…第2支持板、
5A,5B…第1押え部材、6A,6B…第2押え部材、
7A,7B…第3押え部材、10A〜10D…ハウジング、
20A〜20C…フレーム、31〜34,41〜43…開口、
48A…第1スリット、48B…第2スリット、48C…第3スリット、
49…連続スリット、55A、57A…第1板、55B、57B…第2板、
55C、57C…第3板
Claims (8)
- 回転電機の固定子であって、
非磁性の金属で形成され、内周縁と外周縁との間に剛構造を有する支持板と、前記支持板に支持されたコイルと、前記支持板の外周縁と前記コイルとの間に設けられた複数の第1鉄心と、前記支持板の内周縁と前記コイルとの間に設けられた複数の第2鉄心と、を備え、
前記支持板は、非磁性の金属で形成された第1板と、非磁性の金属で形成され前記第1板に積層された第2板と、前記複数の第1鉄心がそれぞれ露出する複数の第1開口と、前記複数の第2鉄心がそれぞれ露出する複数の第2開口と、前記複数の第1開口と第2開口との間および前記複数の第1開口と前記外周縁との間に位置する高抵抗領域と、を有し、
前記高抵抗領域は、前記第1板に形成された複数の第1スリットあるいは溝と、前記第1板に形成された複数の第2スリットあるいは溝と、それぞれ前記第2板に形成され、前記第1スリットあるいは溝、および前記第2スリットあるいは溝に対して、周方向にずれた位置に配置された複数のスリットあるいは溝と、を有している固定子。 - 前記第1スリットあるいは溝は、それぞれ前記第1開口から前記外周縁まで延び、前記第2スリットあるいは溝は、それぞれ前記第2開口から前記第1開口まで延び、前記高抵抗領域は、前記支持板に形成され前記内周縁から外周縁まで連続して延びる少なくとも1つの連続スリットあるいは連続溝を有している請求項1に記載の固定子。
- 前記第1スリットあるいは溝は、それぞれ隣合う2つの前記第1開口間を延び、前記第2スリットあるいは溝は、それぞれ隣合う2つの前記第2開口間を延び、前記高抵抗領域は、前記支持板に形成され前記内周縁から外周縁まで連続して延びる少なくとも1つの連続スリットあるいは連続溝を有している請求項1に記載の固定子。
- 前記第2鉄心と前記内周縁との間に配置される第2コイルと、前記支持板の内周縁と前記第2コイルとの間に設けられた複数の第3鉄心と、を更に備え、
前記支持板は、前記複数の第3鉄心がそれぞれ露出する複数の第3開口を有し、
前記高抵抗領域は、前記支持板に形成され前記第3開口から前記第2開口まで延びる複数の第3スリットあるいは溝を有している請求項1から3のいずれか1項に記載の固定子。 - 前記高抵抗領域は、それぞれ前記第3開口から前記支持板の内周縁まで延びる複数の第4スリットあるいは溝を含んでいる請求項4に記載の固定子。
- 前記第2板は、非磁性かつ非導電性の材料で形成され、前記高抵抗領域を構成している請求項1に記載の固定子。
- 回転シャフトと、
前記回転シャフトに取付けられた回転子と、
前記回転シャフトと平行な軸方向において前記回転子と隙間を置いて対向する請求項1に記載の固定子と、
を備えた回転電機。 - 請求項7に記載の回転電機と、
前記回転電機の回転シャフトの両側に設けられる車輪と、
を備える車両。
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