WO2019187440A1 - 回転電機及び車両 - Google Patents

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WO2019187440A1
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rotor
wedge
rotating electrical
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愼治 杉本
暁史 高橋
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株式会社日立製作所
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    • H02K3/493—Slot-closing devices magnetic
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a rotating electrical machine and a vehicle, and is particularly suitable when applied to a rotating electrical machine including a magnetic wedge for reducing harmonic loss on the stator and rotor gap surfaces.
  • loss factors of rotating electrical machines include copper loss that occurs when the stator winding is energized, iron loss that occurs in the stator and rotor core, mechanical loss that occurs due to rotation, and stator and rotor It is roughly divided into stray load loss that occurs on the surface of the gap.
  • the loss included in this stray load loss is due to the fact that high-frequency eddy currents are generated on the stator and rotor gap surfaces due to the pulsation of the gap magnetic flux density due to the number of slots of the stator and rotor. And harmonic losses generated on the rotor gap surface.
  • prior art documents 1, 2, and 3 disclose a loss reduction method using a magnetic wedge.
  • the magnetic wedge is made of a material having a high magnetic permeability at both ends in the circumferential direction and a material having a low permeability at the center.
  • Patent Document 4 discloses a document that solves the problem of nonmagnetic wedge strength. Further, Patent Document 4 attempts to improve reliability by suppressing the concentration of stress with respect to the centrifugal force applied to a non-magnetic wedge used to fix the conductor portion of the rotor (see Patent Document 1). .
  • JP 2010-136460 A Japanese Utility Model Publication No. 5-9154 JP-A-6-311683 JP 2009-219277 A
  • the magnetic wedge is focused on for the purpose of reducing the harmonic loss.
  • the magnetic wedge has a circumferential direction and a radial direction due to the leakage magnetic flux in the slot portion. There is a problem that the magnetic wedge is damaged by applying an electromagnetic excitation force and vibrating.
  • Patent Document 4 is configured to suppress stress concentration with respect to centrifugal force, it is presumed that circumferential electromagnetic excitation force applied to the magnetic wedge is not considered. For this reason, when the structure disclosed in Patent Document 4 is applied to a magnetic wedge, there is a problem that the magnetic wedge is damaged with respect to the electromagnetic excitation force applied in the circumferential direction.
  • the present invention has been made in consideration of the above points, and intends to propose a rotating electrical machine and a vehicle that can achieve both high efficiency and low reliability reduction while reducing high-frequency loss using a magnetic wedge. To do.
  • a stator In order to solve such a problem, in the present invention, a stator, a rotor disposed through a gap so as to face the stator, a stator core having a plurality of teeth formed therein, A stator winding is housed between adjacent teeth among a plurality of teeth, the slot opening of the stator slot is larger than the width of the stator winding, and a magnetic wedge is fitted into the slot opening.
  • the magnetic wedge includes a fitting portion formed with a taper in which a circumferential width of the magnetic wedge becomes narrower toward an inner peripheral side.
  • a circumferential width W1 of the magnetic wedge at the end on the inner peripheral side of the taper, and the magnetic wedge is configured to have a convex shape from the peripheral end to the inner peripheral side. Pair with rotor
  • the width W2 of the circumferential surface to the width W3 of the slot opening characterized in that it is a relationship W1 ⁇ W2 ⁇ W3.
  • a stator In the present invention, a stator, a rotor disposed through a gap so as to face the stator, a stator core having a plurality of teeth formed therein, and the plurality of teeth
  • a stator slot in which a stator winding is housed between adjacent teeth, a slot opening of the stator slot is larger than a width of the stator winding, and a magnetic wedge is fitted into the slot opening.
  • the magnetic wedge includes a fitting portion formed with a taper in which a circumferential width of the magnetic wedge is narrowed toward an inner peripheral side.
  • the taper is configured to have a convex shape from the inner peripheral end of the taper toward the inner peripheral side, and the circumferential width W1 of the magnetic wedge at the inner peripheral end of the taper, and the magnetic wedge
  • the width W2 of the circumferential surface opposite to the rotor, the width W3 of the slot opening characterized in that it is a relationship W1 ⁇ W2 ⁇ W3.
  • FIG. 1 is an axial sectional view of the rotary electric machine 1 by 1st Embodiment.
  • the rotary electric machine 1 is illustrated as an induction motor, and will be described as an induction motor in the following embodiments.
  • the stator 2 holds the stator core 4, the multiphase stator winding 5 wound around the stator core 4, and the stator core 4 on the inner peripheral surface or inside thereof. And a housing 11.
  • the rotor 3 includes a rotor core 7, a holding plate 15, a shaft 8, and a bearing 10.
  • the bearing 10 is rotatably held.
  • the bearing 10 is supported by an end bracket 9, and the end bracket 9 is fixed to the housing 11.
  • the rotor core 7 is held in the axial direction at both ends in the axial direction by holding plates 15.
  • the rotor core 7 of the rotor 3 is provided with a plurality of rotor slots 6 for inserting a rotor conductor rod 13 made of a conductor.
  • the rotor conductor rod 13 is connected to the end ring 14 at both shaft ends of the rotor 3.
  • FIG. 2 shows the spirit of the cross-sectional configuration of the rotating electrical machine 1 shown in FIG.
  • the housing is not shown.
  • the rotating electrical machine 1 mainly includes a stator 2 and a rotor 3.
  • the stator 2 includes a stator core 4 and a stator winding 5.
  • the stator winding 5 is wound around the stator core 4.
  • the stator core 4 includes a cylindrical stator yoke 21 and a plurality of stator teeth 22.
  • the plurality of stator teeth 22 project radially inward from the inner peripheral surface of the stator yoke 21, and extend along the axial direction along the inner peripheral surface of the stator yoke 21.
  • the stator teeth 22 are arranged along the inner peripheral surface of the stator yoke 21 at equal intervals in the circumferential direction.
  • a stator slot 12 in which the stator winding 5 is accommodated is formed between the stator teeth 22.
  • the stator winding 5 is accommodated in the stator slot 12, and the stator winding 5 is fixed to the gap between the stator 2 and the rotor 3 by a wedge 20 so that the stator winding 5 does not fall off.
  • the wedge 20 is made of a magnetic material.
  • a rotor core 7 in which a plurality of electromagnetic steel plates are laminated is inserted into the rotor 3, and a rotor conductor rod 13 is inserted into a rotor slot 6 provided in the rotor core 7. ing.
  • the rotor core 7 includes a cylindrical rotor yoke 30 and a plurality of rotor teeth that protrude radially outward from the outer peripheral surface of the rotor yoke 30 and extend in the axial direction along the outer peripheral surface of the rotor yoke 30. 31.
  • the rotor teeth 31 are arranged along the outer peripheral surface of the rotor yoke 30 at equal intervals in the circumferential direction. Furthermore, between the rotor teeth 31, a plurality of rotor slots 6 for accommodating the rotor conductor rods 13 are arranged at equal intervals in the circumferential direction.
  • the rotor core 7 has a structure in which a hole through which the shaft 8 penetrating in the axial direction passes through the inner peripheral portion of the rotor core 7 is punched out.
  • the rotor 3 is configured such that the shaft 8 is inserted into a hole through which the shaft 8 that passes through the laminated magnetic steel plates through which the hole through which the shaft 8 passes is laminated.
  • the rotor 3 rotates clockwise and counterclockwise, and is operated as an electric motor or a generator.
  • FIG. 3 shows a configuration example of a general wedge 20A as a comparative example with the present embodiment.
  • a configuration example in the case where the fixed slot 12 and the wedge 20A are enlarged is shown.
  • the wedge 20 ⁇ / b> A is fitted into the stator teeth 22.
  • the wedge 20A is subjected to the gravity of the stator winding 5 (downward direction in the drawing), and the wedge 20A has magnetism, so that the vertical direction, the left-right direction, or a direction in which these directions are combined (shown in the drawing). Vibrates in response to electromagnetic force.
  • the wedge 20A receives these forces at the contact portion with the stator teeth 22, and there is a possibility that the wedge 20A breaks due to concentration of stress at the location A in the wedge 20A.
  • the width W1 at the fitting portion of the stator teeth 22 of the wedge 20 rather than the rotor-side opening width W3 of the stator slot 12 (see FIG. 5 described later). Is configured to be small.
  • the magnetic resistance R_g is expressed by the following formula.
  • R_g L / ( ⁇ ⁇ S)
  • ⁇ is the magnetic permeability
  • L is the magnetic path length
  • S is the cross-sectional area
  • the magnetic resistance R_g is increased, while in the case of a material having a relative permeability greater than 1, such as a magnetic wedge (hereinafter also referred to as “magnetic wedge”).
  • a magnetic wedge hereinafter also referred to as “magnetic wedge”.
  • FIG. 5 shows a configuration example in which the periphery of the wedge 20 is enlarged with respect to the circumferential cross section of the rotating electrical machine 1 according to the first embodiment.
  • the fitting portion of the wedge 20 has a taper shape such that the circumferential width of the wedge 20 becomes narrower toward the inner peripheral side, and the wedge 20 has an end on the inner peripheral side of the taper. From the inner circumferential side of the taper, and the circumferential width W1 of the wedge 20 at the end of the inner circumferential side of the taper is smaller than the opening of the stator slot 12 to concentrate stress. It is relaxed. Furthermore, in the present embodiment, the harmonic loss is reduced by making the circumferential width W2 of the surface of the wedge 20 facing the rotor larger than the circumferential width W1 of the wedge 20, thereby reducing the harmonic loss.
  • W3 the width of the opening
  • the rotating electrical machine includes a wedge 20 having a relationship of W1 ⁇ W2 ⁇ W3.
  • the portion where the wedge 20 is engaged with the stator teeth 22 (represented by the broken line in the figure, shown in FIG. 3 described above) due to the reduction of harmonic loss and the electromagnetic excitation force applied to the magnetic wedge. It is possible to alleviate the concentration of stress in the portion A shown), and to further reduce the harmonic loss, thereby improving the reliability of the rotating electrical machine 1 and improving the efficiency. Can do.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional configuration example of the rotating electrical machine according to the second embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG.
  • the relationship between the width of the wedge 20 and the opening of the stator slot 12 shown in FIG. 5 in the first embodiment is substantially the same.
  • a characteristic configuration in the second embodiment is that the wedge 20 is provided with a curved surface having a curvature R at a portion having a width W1 at the tapered inner peripheral end of the fitting portion of the wedge 20 with the stator tooth 22. is there.
  • the curved surface having such a curvature R is provided, when a force is applied to the wedge 20 in the direction in which the stator winding 5 is dropped off, or when an electromagnetic force is applied.
  • stress concentration can be alleviated.
  • the height in the radial direction of the wedge 20 can be reduced by providing the curved surface with the curvature R at the location A where the stress of the wedge 20 is concentrated and relaxing the stress concentration.
  • a rotating electrical machine according to the third embodiment has substantially the same configuration and operation as the rotating electrical machine according to each of the above-described embodiments, and thus the same configuration and operation will be described. In the following, the description will focus on the differences between the two.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional configuration example of the rotating electrical machine according to the third embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG.
  • the relationship between the width of the wedge 20 and the opening of the stator slot 12 shown in FIG. 5 in the first embodiment is substantially the same.
  • a characteristic configuration in the third embodiment is that a material 41 having a low relative permeability is used at the center of the wedge 20 and a material 40 having a high relative permeability is used on both sides thereof.
  • the material 20 having a low relative permeability is used for the wedge 20 on the central side as described above, and the material 40 having a high relative permeability is used on both sides of the wedge 20 so as to be fitted to the stator teeth 22.
  • the material 41 having a low relative permeability and the material 40 having a high relative permeability are joined by heat melting, the leakage flux at the wedge 20 is suppressed, and the harmonic component of the gap magnetic flux density. Can be reduced.
  • the material 40 having a high relative permeability and the material 41 having a low relative magnetic permeability can be joined by heat melting to increase the strength.
  • the portion in contact with the stator teeth 22 is made of a material having a high relative magnetic permeability. Therefore, the conduction loss generated in the rotating electrical machine 1 by reducing the leakage magnetic flux of the stator slot 12 at the wedge 20. And a reduction in harmonic loss can be achieved, and the rotating electrical machine 1 can be made highly efficient.
  • a rotating electrical machine according to the fourth embodiment has substantially the same configuration and operation as the rotating electrical machine according to each of the embodiments described above, and therefore the same configuration and operation will be described. In the following, the description will focus on the differences between the two.
  • FIG. 8 shows a cross-sectional configuration of the rotating electrical machine 1 according to the fourth embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG.
  • the configuration of the third embodiment with the width of the wedge 20 shown in FIG. 7 and the relationship with the opening of the stator slot 12 and the material having a high and low relative permeability is the same. .
  • the circumferential width W4 on the rotor side of the portion made of the material 41 having a low relative permeability of the wedge 20 is made smaller than the circumferential width W5 on the outer diameter side of the stator. Since the proportion of the material having a high relative permeability on the rotor side of the wedge 20 increases, the harmonic component of the magnetic flux density in the gap can be suppressed, and the harmonic loss can be reduced.
  • the circumferential width W4 on the rotor side of the portion made of the material 41 having a low relative permeability of the wedge 20 is made smaller than the circumferential width W5 on the outer diameter side of the stator.
  • FIG. 9 shows a sectional configuration of the rotating electrical machine according to the fifth embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG.
  • the relationship between the width of the wedge 20 and the opening of the stator slot 12 shown in FIG. 7 and the configuration having a material with a high relative permeability and a material with a low relative permeability are the same.
  • a characteristic configuration in the present embodiment is a distance R1 from the shaft center of a motor (not shown) to the rotor side of the material 40 having a high relative permeability in the wedge 20, and the material 41 having a low relative permeability from the shaft center.
  • the distance R2 to the rotor side is that R1 ⁇ R2.
  • the rotor side of the material 41 having a low relative permeability is made of air having a relative permeability of 1, the leakage magnetic flux at the wedge 20 is reduced and the stator winding 5 is conducted. Current can be reduced.
  • the rotor 41 of the material 41 having a low relative permeability of the wedge 20 is configured with air having a relative permeability of 1, thereby reducing the current caused by the leakage magnetic flux reduction. Since the generated conduction loss can be reduced, the rotating electrical machine 1 can be made highly efficient.
  • a rotating electrical machine according to the sixth embodiment has substantially the same configuration and operation as the rotating electrical machine according to each of the embodiments described above, and therefore the same configuration and operation will be described. In the following, the description will focus on the differences between the two.
  • FIG. 10 shows a cross-sectional configuration of the rotating electrical machine according to the sixth embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG.
  • the relationship between the width of the wedge 20 and the opening of the stator slot 12 shown in FIG. 7 and the configuration having a material with a high relative permeability and a material with a low relative permeability are the same.
  • a characteristic configuration in the present embodiment is a distance R3 from the motor shaft center to the outer diameter side of the material 40 having a high relative permeability of the wedge 20, and rotation of the material 41 having a low relative permeability of the wedge 20 from the shaft center.
  • the distance R4 to the child side is a point where R4 ⁇ R3.
  • a rotating electrical machine according to the seventh embodiment has substantially the same configuration and operation as the rotating electrical machine according to each of the above-described embodiments, and thus the same configuration and operation will be described. In the following, the description will focus on the differences between the two.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional configuration of the rotating electrical machine according to the seventh embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG. 5 in the first embodiment.
  • the relationship between the width of the wedge 20 shown in FIG. 5 and the opening of the stator slot 12 in the third embodiment is substantially the same.
  • the characteristic configuration in the present embodiment is that the distance R5 from the motor shaft center to the rotor side of the wedge 20 and the radius Rsi on the stator inner diameter side have a relationship of Rsi ⁇ R5.
  • the stator tooth inner diameter Rsi can be reduced, so that the stator 2 Since the distance between the rotor 3 and the rotor 3 is reduced, the current supplied to the stator winding 5 can be reduced.
  • the distance between the stator 2 and the rotor 3 can be reduced to reduce the current, thereby reducing the conduction loss that occurs in the rotating electrical machine 1. Can be realized.
  • a rotating electrical machine according to the eighth embodiment has substantially the same configuration and operation as the rotating electrical machine according to each of the embodiments described above, and therefore the same configuration and operation will be described. In the following, the description will focus on the differences between the two.
  • FIG. 12 shows a sectional configuration of the rotating electrical machine according to the eighth embodiment, and is an enlarged view of the periphery of the wedge 20 as in FIG.
  • the relationship between the width of the wedge 20 and the opening of the stator slot 12 shown in FIG. 5 in the first embodiment is the same.
  • the characteristic configuration in the present embodiment is that the circumferential dimension W2 on the rotor side of the wedge 20 is different in at least one of the plurality of stator slots 12.
  • the width W2 on the rotor side of the wedge 20 is different in at least one slot among the plurality of stator slots 12, the width of the wedge 20 is W2 and the width of the wedge 20 is W2 ′.
  • the phase of the harmonic component of the gap magnetic flux density changes, and the harmonic component of the gap magnetic flux density obtained by adding these can be canceled out.
  • the harmonic component of the gap magnetic flux density can be reduced, the harmonic loss generated in the rotating electrical machine according to the present embodiment can be reduced, and the rotating electrical machine 1 can be made high. It becomes possible to improve efficiency.
  • the shape of the wedge 20 has been described so far, but there is a manufacturing method using a three-dimensional printer as a method for manufacturing a complicated shape or a structure made of different metals at low cost.
  • a three-dimensional printer is not limited in shape and manufactured in large quantities, the magnetic wedge in this embodiment can be manufactured at low cost.
  • the rotary electric machine 1 which improved reliability and improved efficiency as mentioned above can be provided.
  • FIG. 13 shows a configuration example of a vehicle according to the ninth embodiment.
  • it is a rail vehicle as an example of the vehicle using the alternating current motor drive system carrying the rotary electric machine of each embodiment until now.
  • the electric power is supplied to the mounted drive device from the overhead wire 62 via the current collector, and AC power is supplied to the rotary electric machine 1 via the power conversion device 61.
  • the rotating electrical machine 1 is connected to the axle of the railway vehicle, and the rotating electrical machine 1 controls the travel of the railway vehicle.
  • the electrical ground is connected via the rail 63.
  • the voltage of the overhead wire 62 may be either DC or AC.
  • the rotating electric machine of each embodiment as described above is mounted on the railway vehicle system, and the drive system for the railway vehicle is operated with high efficiency as in the above-described embodiments. It becomes possible.
  • the rotating electrical machine according to the present embodiment has been described with respect to an example applied to a railway vehicle as described above, but in addition, an AC such as a dump truck for a construction machine, an excavator car, a wheel loader, a hybrid vehicle, or an electric vehicle. The same effect can be exhibited even when applied to a vehicle that operates at a variable speed with an electric motor drive system.
  • an AC such as a dump truck for a construction machine, an excavator car, a wheel loader, a hybrid vehicle, or an electric vehicle.
  • the present invention can be widely applied to a rotating electric machine having a magnetic wedge.

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Abstract

磁性楔は、磁性楔の周方向幅が内周側に向けて狭くなるテーパが形成された勘合部を有するとともに、テーパの内周側の終端からさらに内周側に向けて凸形状となるように構成されており、かつ、このテーパの内周側の終端における磁性楔の周方向の幅Ｗ１と、磁性楔が回転子に対向する面の周方向の幅Ｗ２と、スロット開口部の幅Ｗ３とが、Ｗ１≦Ｗ２＜Ｗ３の関係を有する。

Description

回転電機及び車両
　本発明は、回転電機及び車両に関し、特に、固定子及び回転子のギャップ表面に高調波損失を低減するための磁性楔を備える回転電機に適用して好適なものである。
　一般に、回転電機の損失要因には、固定子巻線に通電した際に発生する銅損、固定子及び回転子の鉄心に発生する鉄損、回転によって発生する機械損と固定子及び回転子のギャップの表面に発生する漂遊負荷損に大別される。この漂遊負荷損に含まれる損失には、固定子及び回転子のスロット数に起因したギャップ磁束密度の脈動によって、固定子及び回転子のギャップ表面に高周波の渦電流が発生することで、固定子及び回転子のギャップ表面に発生する高調波損失が含まれている。
　この高調波損失の低減方法として、磁性楔を用いた損失低減方法が先行技術文献１、２及び３に開示されている。特許文献１、２及び３に開示された回転電機では、磁性楔の周方向両端部に透磁率が高い材料、中央部には低い材料で構成されている。
　一方、特許文献４では、非磁性の楔の強度に対する課題に対し解決した文献が開示されている。また、特許文献４では、回転子の導体部を固定するために用いられる非磁性の楔に掛かる遠心力に関して応力が集中することを抑制し信頼性を向上させようとしている（特許文献１参照）。
特開２０１０－１３６４６０号公報 実開平５－９１５４号公報 特開平６－３１１６８３号公報 特開２００９－２１９２７７号公報
　しかしながら、先行技術文献１、２及び３の構成では、高調波損失の低減を目的として、磁性楔に着目した構成であるが、磁性楔にはスロット部での漏れ磁束によって周方向・径方向の電磁加振力が加わり、振動することで磁性楔が破損する課題がある。
　一方、特許文献４では、遠心力に対する応力集中を抑制する構成であるため、磁性楔に加わる周方向の電磁加振力に対しては考慮していないと推察される。このため、この特許文献４に開示された構造を磁性楔に適用した場合、周方向に加わる電磁加振力に対しては磁性楔が破損する課題がある。
　本発明は以上の点を考慮してなされたもので、磁性楔を用いて高周波損失を低減しつつも高効率化及び信頼性の低下抑制を両立することができる回転電機及び車両を提案しようとするものである。
　かかる課題を解決するため、本発明においては、固定子と、前記固定子に対向するように空隙を介して配置された回転子と、複数のティースが内部に形成された固定子鉄心と、前記複数のティースのうち隣り合うティース間に固定子巻線を収納するとともに、前記固定子スロットのスロット開口部が前記固定子巻線の幅よりも大きく、かつ、前記スロット開口部に磁性楔が勘合された固定子スロットと、を備えた回転電機において、前記磁性楔は、前記磁性楔の周方向幅が内周側に向けて狭くなるテーパが形成された勘合部を有するとともに、前記テーパの内周側の終端からさらに内周側に向けて凸形状となるように構成されており、かつ、前記テーパの内周側の終端における前記磁性楔の周方向の幅Ｗ１と、前記磁性楔が前記回転子に対向する面の周方向の幅Ｗ２と、前記スロット開口部の幅Ｗ３とが、Ｗ１≦Ｗ２＜Ｗ３の関係であることを特徴とする。
　また、本発明においては、固定子と、前記固定子に対向するように空隙を介して配置された回転子と、複数のティースが内部に形成された固定子鉄心と、前記複数のティースのうち隣り合うティース間に固定子巻線を収納するとともに、前記固定子スロットのスロット開口部が前記固定子巻線の幅よりも大きく、かつ、前記スロット開口部に磁性楔が勘合された固定子スロットと、を有する回転電機が搭載された駆動システムを備える車両において、前記磁性楔は、前記磁性楔の周方向幅が内周側に向けて狭くなるテーパが形成された勘合部を有するとともに、前記テーパの内周側の終端からさらに内周側に向けて凸形状となるように構成されており、かつ、前記テーパの内周側の終端における前記磁性楔の周方向の幅Ｗ１と、前記磁性楔が前記回転子に対向する面の周方向の幅Ｗ２と、前記スロット開口部の幅Ｗ３とが、Ｗ１≦Ｗ２＜Ｗ３の関係であることを特徴とする。
　本発明によれば、磁性楔を用いて高周波損失を低減しつつも高効率化及び信頼性の低下抑制を両立することができる。
第１の実施の形態による回転電機の軸方向断面図である。 第１の実施の形態による固定子及び回転子の周方向断面図である。 従来構造での固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 一般的な構造での固定子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図と回転子側からみたギャップ部の磁気抵抗の検証例を示す概略図である。 第１の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第２の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第３の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第４の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第５の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第６の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第７の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第８の実施の形態による固定子スロット及び回転子スロットの周方向断面の楔周辺を拡大した図である。 第９の実施の形態による電気鉄道車両に用いた交流電動機駆動システムの構成図である。
　以下、図面について、本発明の一実施の形態について詳述する。
　（１）第１の実施の形態
　図１は、第１の実施の形態による回転電機１の軸方向断面図である。ここで、回転電機１は、誘導電動機として図示しており、以下の実施の形態では誘導電動機であるものとして説明する。
　回転電機１では、固定子２が、固定子鉄心４と、この固定子鉄心４に巻回された多相の固定子巻線５と、固定子鉄心４をその内周面や内部で保持するハウジング１１と、を備えている。
　一方、回転子３は、回転子鉄心７、押さえ板１５、シャフト８及びベアリング１０を備えている。ベアリング１０は、回転可能に保持されている。ベアリング１０は、エンドブラケット９によって支持されており、エンドブラケット９は、ハウジング１１に固定されている。回転子鉄心７は、押さえ板１５によって軸方向両端部で軸方向に抑えられている。
　回転子３の回転子鉄心７には、導体からなる回転子導体棒１３を挿入するための複数の回転子スロット６が設けられている。この回転子導体棒１３は、回転子３の両軸端部でエンドリング１４と接続されている。
　図２は、図１に示す回転電機１の断面構成の地霊を示す。なお、ハウジングは図示が省略されている。図示の例において、回転電機１は、主として固定子２及び回転子３を備える。固定子２は、固定子鉄心４及び固定子巻線５を備えている。固定子巻線５は、固定子鉄心４に巻回されている。
　固定子鉄心４は、円筒状の固定子ヨーク２１及び複数の固定子ティース２２を備える。複数の固定子ティース２２は、固定子ヨーク２１の内周表面から径方向内側に突出しており、固定子ヨーク２１の内周面に沿って軸方向に沿って延びる構成となっている。
　固定子ティース２２は、固定子ヨーク２１の内周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。固定子ティース２２の間には、固定子巻線５が収納される固定子スロット１２が形成されている。固定子スロット１２には固定子巻線５が収納され、固定子２と回転子３の間のギャップに固定子巻線５が脱落しないように固定子巻線５が楔２０によって固定されている。楔２０は、磁性を有する材料で構成されている。
　回転子３には、複数枚の電磁鋼板が積層されている回転子鉄心７が挿入されているとともに、この回転子鉄心７に複数設けられた回転子スロット６に回転子導体棒１３が挿入されている。
　回転子鉄心７は、円筒状の回転子ヨーク３０と、回転子ヨーク３０の外周表面から径方向外側に突出しており回転子ヨーク３０の外周面に沿って軸方向に延びた複数の回転子ティース３１と、を備えている。
　この回転子ティース３１は、回転子ヨーク３０の外周面に沿って周方向に等間隔で配置されている。さらに回転子ティース３１間には、回転子導体棒１３を収めるための複数の回転子スロット６が周方向に等間隔で配置されている。
　回転子鉄心７には、回転子鉄心７の内周部に軸方向に貫通したシャフト８を通す孔が打ち抜かれた構造が採用されている。
　回転子３は、シャフト８を通す孔が打ち抜かれた電磁鋼板を積層して貫通するシャフト８を通す孔の中にシャフト８が挿入されて構成されている。この回転子３は、時計方向及び反時計方向に回転し、電動機または発電機として運転される。
　図３は、本実施の形態との比較例としての一般的な楔２０Ａなどの構成例を示す。図示の例では、固定スロット１２及び楔２０Ａを拡大した場合の構成例を示している。この楔２０Ａは、固定子ティース２２に勘合されている。
　この楔２０Ａには、固定子巻線５の重力（図示の下方向）が加わっており、さらに、楔２０Ａが磁性を有するため、上下方法、左右方向または、これらの方向を合成した方向（図示の電磁振動の方向）に電磁力を受けて振動する。この楔２０Ａは、これらの力を固定子ティース２２との接触部にて受け、楔２０Ａにおける箇所Ａにて応力が集中することにより破損するおそれがある。このような応力集中を緩和するため、本実施の形態では、固定子スロット１２の回転子側開口幅Ｗ３よりも楔２０の固定子ティース２２の勘合部での幅Ｗ１（後述する図５参照）が小さく構成されている。
　図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ、上記一般的な楔２０Ａの回転子ギャップ面側の寸法を変えた場合の回転子側から見たギャップ部の磁気抵抗の検証例を示す。なお、ここでは、回転子側の構造が考慮されていない。磁気抵抗Ｒ＿ｇは、以下の式で表される。
　Ｒ＿ｇ＝Ｌ／（μ・Ｓ）
　ここで、μは透磁率、Ｌは磁路長、Ｓは断面積である。
　これにより、比透磁率が１の空気の場合には磁気抵抗Ｒ＿ｇは高くなる一方、磁性を有する楔（以下「磁性楔」ともいう）のように比透磁率が１より大きい材料の場合には固定子スロットに多く占めた方が磁気抵抗の変動が少なく、すなわち高調波損失が少ない。このため、本実施ノン形態に係る回転電機１に発生する高調波損失を低減するためには、図４（Ａ）に示すように固定子スロット１２の開口部において楔２０が多く占める方が損失低減の効果が大きいといえる。
　図５は、第１の実施の形態に係る回転電機１の周方向断面に関して楔２０周辺を拡大した構成例を示す。
　本実施の形態では、楔２０の勘合部において、楔２０の周方向幅が内周側に向けて狭くなるようなテーパを有する形状とし、かつ、楔２０は、このテーパの内周側の終端からさらに内周側に向けて凸形状となるように構成され、このテーパの内周側の終端における楔２０の周方向の幅Ｗ１が固定子スロット１２の開口部よりも小さい構成として応力集中を緩和している。さらに本実施の形態では、楔２０が回転子に対向する面の周方向幅Ｗ２を上記楔２０の周方向の幅Ｗ１よりも大きくすることにより、高調波損失を低減しており、スロット１２の開口部の幅をＷ３と定義した場合、Ｗ１≦Ｗ２＜Ｗ３という関係とした楔２０を備えた回転電機としている点が特徴である。
　上述のような構成によれば、高調波損失の低減と磁性楔に加わる電磁加振力によって、固定子ティース２２に楔２０が勘合されている部分（図示の破線の箇所、前述した図３に示す箇所Ａに相当）に応力が集中してしまうことを緩和することができ、さらには高調波損失を低減することができるため、回転電機１の信頼性を向上させ、かつ効率を向上させることができる。
　（２）第２の実施の形態
　第２の実施の形態に係る回転電機は、第１の実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図６は、第２の実施の形態による回転電機の断面構成例を示し、図５と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、第１の実施の形態において図５に示す楔２０の幅、固定子スロット１２の開口部との関係はほぼ同様の構成である。第２の実施の形態において特徴的な構成は、楔２０の固定子ティース２２との勘合部のテーパ内周側終端において幅Ｗ１となる部位に楔２０に曲率Ｒの曲面を設けている点である。
　本実施の形態では、このような曲率Ｒの曲面を設けているため、楔２０に対して固定子巻線５の脱落（飛び出す）方向に力が加わった場合、または、電磁力を受けた場合でも、応力が集中することを緩和することができる。
　上述した実施の形態によれば、前述した楔２０の応力が集中する箇所Ａに曲率Ｒの曲面を設けて応力集中を緩和することにより楔２０の径方向の高さを低減することができるため、固定子巻線５の断面積を拡大させて回転電機１に発生する導通損を低減し、回転電機１を高効率化することが可能となる。
　（３）第３の実施の形態
　第３の実施の形態に係る回転電機は、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図７は、第３の実施の形態による回転電機の断面構成例を示し、図５と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、第１の実施の形態において図５に示す楔２０の幅及び固定子スロット１２の開口部との関係はほぼ同様の構成である。第３実施の形態において特徴的な構成は、楔２０の中央部に比透磁率が低い材料４１を用いるとともに、その両脇に比透磁率が高い材料４０を用いている点である。
　本実施の形態では、このように楔２０に中央部側に比透磁率が低い材料４１を用いるとともに、その両脇に比透磁率が高い材料４０が固定子ティース２２に勘合されるように用いられており、かつ、比透磁率が低い材料４１と比透磁率が高い材料４０とが熱溶解で接合されているため、楔２０での漏れ磁束を抑制しつつ、ギャップ磁束密度の高調波成分を低減することができる。しかも、このような比透磁率が高い材料４０及び低い材料４１は、熱溶解により接合されて強度を高めることができる。
　上述した実施の形態によれば、固定子ティース２２に接する部分が比透磁率の高い材料であるため、楔２０での固定子スロット１２の漏れ磁束を低減して回転電機１で発生する導通損と高調波損失の低減とを両立することができ、回転電機１を高効率化することができる。
　（４）第４の実施の形態
　第４の実施の形態に係る回転電機は、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図８は、第４の実施の形態による回転電機１の断面構成を示し、図７と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、第３の実施の形態において図７に示す楔２０の幅、固定子スロット１２の開口部との関係、及び、比透磁率が高い材料、低い材料を有する構成が同様である。
　本実施の形態において特徴的な構成は、楔２０の比透磁率が低い材料４１で構成された部分の回転子側の周方向の幅Ｗ４と、固定子の外径側の周方向幅Ｗ５とが、Ｗ４≦Ｗ５の関係となっている点である。
　本実施の形態では、楔２０の比透磁率が低い材料４１で構成された部分の回転子側の周方向の幅Ｗ４を固定子の外径側の周方向幅Ｗ５よりも小さくしているため、楔２０の回転子側に比透磁率が高い材料の占める割合が大きくなることで、ギャップの磁束密度の高調波成分を抑制することができ、高調波損失を低減できる。
　上述した実施の形態によれば、楔２０の比透磁率が低い材料４１で構成された部分の回転子側の周方向の幅Ｗ４を固定子の外径側の周方向幅Ｗ５よりも小さくして高調波損失を低減することができ、回転電機１を高効率化することが可能となる。
　（５）第５の実施の形態
　第５の実施の形態に係る回転電機は、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図９は、第５の実施の形態による回転電機の断面構成を示し、図７と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、図７に示す楔２０の幅、固定子スロット１２の開口部との関係、並びに、比透磁率が高い材料及び低い材料を有する構成は同様である。
　本実施の形態において特徴的な構成は、図示しないモータのシャフト中心から、楔２０における比透磁率が高い材料４０の回転子側までの距離Ｒ１、このシャフト中心から比透磁率が低い材料４１の回転子側までの距離Ｒ２が、Ｒ１≦Ｒ２の関係となっている点である。
　本実施の形態では、比透磁率が低い材料４１の回転子側を比透磁率が１である空気で構成しているため、楔２０での漏れ磁束を低減して固定子巻線５に導通する電流が低減することができる。
　上述した実施の形態によれば、楔２０の比透磁率が低い材料４１の回転子側を比透磁率が１の空気で構成することで、漏れ磁束低減による電流を低減し、回転電機１に発生する導通損を低減することができることで、回転電機１を高効率化することが可能となる。
　（６）第６の実施の形態
　第６の実施の形態に係る回転電機は、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図１０は、第６の実施の形態による回転電機の断面構成を示し、図７と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、図７に示す楔２０の幅、固定子スロット１２の開口部との関係、並びに、比透磁率が高い材料及び低い材料を有する構成は同様である。
　本実施の形態において特徴的な構成は、モータのシャフト中心から楔２０の比透磁率が高い材料４０の外径側までの距離Ｒ３、シャフト中心から楔２０の比透磁率が低い材料４１の回転子側までの距離Ｒ４が、Ｒ４≦Ｒ３の関係である点である。
　上述した実施の形態によれば、第５の実施の形態による効果とほぼ同等の効果が得られ、回転電機１に発生する導通損を低減して回転電機１を高効率化することが可能となる。
　（７）第７の実施の形態
　第７の実施の形態に係る回転電機は、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図１１は、第７の実施の形態による回転電機の断面構成を示し、第１の実施の形態における図５と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、第３の実施の形態において図５に示す楔２０の幅、固定子スロット１２の開口部との関係はほぼ同様である。
　本実施の形態において特徴的な構成は、モータのシャフト中心から楔２０の回転子側までの距離Ｒ５、及び、固定子内径側の半径Ｒｓｉが、Ｒｓｉ≦Ｒ５の関係を有する点である。
　本実施の形態では、楔２０の回転子側とモータシャフト中心との距離Ｒ５を固定子ティース内径Ｒｓｉよりも大きくしているため、固定子ティース内径Ｒｓｉを小さくすることができることで、固定子２と回転子３との間の距離を小さくなることから、固定子巻線５に通電する電流を低減することができる。
　このような構成によれば、固定子２と回転子３との間の距離を小さくして電流を低減して回転電機１で発生する導通損を低減することができ、回転電機１を高効率化することが可能となる。
　（８）第８の実施の形態
　第８の実施の形態に係る回転電機は、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作であるため、同様な構成及び動作については説明を省略し、以下、両者の異なる点を中心として説明する。
　図１２は、第８の実施の形態による回転電機の断面構成を示し、図４と同様に楔２０の周辺を拡大した図である。図示の例では、第１の実施の形態において図５に示す楔２０の幅、固定子スロット１２の開口部との関係は同様である。
　本実施の形態において特徴的な構成は、楔２０の回転子側の周方向寸法Ｗ２が、複数の固定子スロット１２のうち少なくとも一つのスロットにおいて異なっている点である。
　本実施の形態では、楔２０の回転子側の幅Ｗ２が複数の固定子スロット１２において少なくとも一つのスロットで異なるため、楔２０の幅がＷ２である場合と、楔２０の幅がＷ２’である場合とで、ギャップ磁束密度の高調波成分の位相が変わり、これらを足し合わたギャップ磁束密度の高調波成分を打ち消すことができる。
　上述した実施の形態によれば、ギャップ磁束密度の高調波成分を低減することができるため、本実施の形態に係る回転電機に発生する高調波損失を低減することができ、回転電機１を高効率化することが可能となる。
　以上のようにこれまでは楔２０の形状について説明してきたが、複雑な形状や異種金属での構成を低コストに製作する方法として、三次元プリンタによる製造方法がある。三次元プリンタにて形状に制約がなく大量に製造すると、本実施の形態における磁性楔を低コストに製造することができる。これにより、前述のように信頼性を向上させ、かつ効率を向上させた回転電機１を提供することができる。
　なお、本実施の形態に係る回転電機は、誘導電動機を例に説明したが、永久磁石式同期電動機及びスイッチトリラクタンス電動機のいずれかの交流電動機においても同様の効果が発揮できる。
　（９）第９の実施の形態
　第９の実施の形態では、前述した各実施の形態に係る回転電機とほぼ同様の構成及び動作である回転電機を搭載した交流電動機駆動システムを用いた車両について説明する。
　図１３は、第９の実施の形態に係る車両の構成例を示す。図示の例では、これまでの各実施形態の回転電機を搭載した交流電動機駆動システムを用いた車両の一例としての鉄道車両である。
　この鉄道車両では、搭載する駆動装置に、架線６２から集電装置を介して電力が供給され、電力変換装置６１を経由して交流電力が回転電機１に供給されることで、回転電機１を駆動する。この回転電機１は、鉄道車両の車軸と連結されており、回転電機１により鉄道車両の走行を制御する。電気的なグランドは、レール６３を介して接続されている。ここで、架線６２の電圧は、直流及び交流のどちらでもよい。
　上述した実施の形態によれば、以上のような各実施形態の回転電機を鉄道車両システムに搭載することで、前述した各実施の形態と同様に、鉄道車両の駆動システムを高効率に運転することが可能となる。
　（１０）その他の実施形態
　上記実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明をこれらの実施形態にのみ限定する趣旨ではない。本発明は、その趣旨を逸脱しない限り、様々な形態で実施することができる。
　本実施の形態に係る回転電機は、上述のように鉄道車両に適用された例について説明したが、その他にも、建機向けのダンプトラック、ショベルカー、ホイールローダ、ハイブリッド自動車または電気自動車といった交流電動機駆動システムで可変速運転する車両に適用されても同様の効果を発揮することができる。
　本発明は、磁性楔を備える回転電機に広く適用することができる。
　２……固定子、３……回転子、４……固定子鉄心、５……固定子巻線、６……回転子スロット、７……回転子鉄心、８……シャフト、９……エンドブラケット、１０……ベアリング、１１……ハウジング、１２……固定子スロット、１３……回転子導体棒、１４……エンドリング、１５……押え板、２０……楔、２０Ａ……楔（比較例）、２１……固定子ヨーク、２２……固定子ティース、３０……回転子ヨーク、３１……回転子ティース、４０……楔の比透磁率が高い部分、４１……楔の比透磁率が低い部分、３１……回転子ティース、６１……電力変換装置、６２……架線、６３……レール。

Claims (10)

  1. 　固定子と、前記固定子に対向するように空隙を介して配置された回転子と、複数のティースが内部に形成された固定子鉄心と、前記複数のティースのうち隣り合うティース間に固定子巻線を収納するとともに、前記固定子スロットのスロット開口部が前記固定子巻線の幅よりも大きく、かつ、前記スロット開口部に磁性楔が勘合された固定子スロットと、を備えた回転電機において、
    　前記磁性楔は、前記磁性楔の周方向幅が内周側に向けて狭くなるテーパが形成された勘合部を有するとともに、前記テーパの内周側の終端からさらに内周側に向けて凸形状となるように構成されており、かつ、
    　前記テーパの内周側の終端における前記磁性楔の周方向の幅Ｗ１と、前記磁性楔が前記回転子に対向する面の周方向の幅Ｗ２と、前記スロット開口部の幅Ｗ３とが、Ｗ１≦Ｗ２＜Ｗ３の関係である
    　ことを特徴とする回転電機。
  2. 　前記磁性楔の前記テーパの内周側の終端が曲率Ｒの曲面を有することを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  3. 　前記磁性楔は、比透磁率が異なる複数の材料で構成され、かつ、比透磁率が高い材料を有する部分が固定子ティースに勘合されている一方、比透磁率が低い材料を有する部分がスロット中央部側に配置されており、かつ、
    　前記比透磁率が低い材料と前記比透磁率が高い材料とが熱溶解で接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回転電機。
  4. 　前記比透磁率が低い材料を有する部分における前記回転子側の周方向の幅Ｗ４と、前記固定子の外径側の周方向幅Ｗ５とが、Ｗ４≦Ｗ５の関係であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
  5. 　モータのシャフト中心から前記比透磁率が高い材料を有する部分における前記回転子側までの距離Ｒ１と、前記シャフト中心から比透磁率が低い材料を有する部分における前記回転子側までの距離Ｒ２とが、Ｒ１≦Ｒ２の関係であることを特徴とする請求項３に記載の磁性楔を備えた回転電機。
  6. 　モータのシャフト中心から前記比透磁率が高い材料を有する部分の外径側までの距離Ｒ３と、前記シャフト中心から前記比透磁率が低い材料を有する部分における前記回転子側までの距離Ｒ４とが、Ｒ４≦Ｒ３の関係であることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
  7. 　モータのシャフト中心から前記磁性楔の回転子側までの距離Ｒ５と、前記固定子内径側の半径ＲＳｉとが、ＲＳｉ≦Ｒ５の関係であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の回転電機。
  8. 　前記磁性楔の回転子側の周方向寸法が複数の前記固定子スロット間で、少なくとも一つ以上異なることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の回転電機。
  9. 　誘導電動機、永久磁石式同期電動機及びスイッチトリラクタンス電動機のいずれかの交流電動機であることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
  10. 　固定子と、前記固定子に対向するように空隙を介して配置された回転子と、複数のティースが内部に形成された固定子鉄心と、前記複数のティースのうち隣り合うティース間に固定子巻線を収納するとともに、前記固定子スロットのスロット開口部が前記固定子巻線の幅よりも大きく、かつ、前記スロット開口部に磁性楔が勘合された固定子スロットと、を有する回転電機が搭載された駆動システムを備える車両において、
    　前記磁性楔は、前記磁性楔の周方向幅が内周側に向けて狭くなるテーパが形成された勘合部を有するとともに、前記テーパの内周側の終端からさらに内周側に向けて凸形状となるように構成されており、かつ、
    　前記テーパの内周側の終端における前記磁性楔の周方向の幅Ｗ１と、前記磁性楔が前記回転子に対向する面の周方向の幅Ｗ２と、前記スロット開口部の幅Ｗ３とが、Ｗ１≦Ｗ２＜Ｗ３の関係である
    　ことを特徴とする回転電機が搭載された駆動システムを備える車両。
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