特許 7335852 突極形回転子および突極形回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-22

(45)【発行日】2023-08-30

(54)【発明の名称】突極形回転子および突極形回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 3/52 20060101AFI20230823BHJP

   H02K 3/34 20060101ALI20230823BHJP

   H02K 3/18 20060101ALI20230823BHJP

【ＦＩ】

H02K3/52 F

H02K3/34 Z

H02K3/18 P

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2020085932

(22)【出願日】2020-05-15

(65)【公開番号】P2021180593

(43)【公開日】2021-11-18

【審査請求日】2022-07-08

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】神山 博夢

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】実開昭５７－１３５８７６（ＪＰ，Ｕ）

【文献】実開昭５７－０１４６４８（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特開昭５１－０４７２０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ３／００－ ３／５２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

突極形回転電機の突極形回転子であって、
軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、
前記ロータシャフトの径方向外側に取付けられて周方向に互いに間隔をおいて配されて軸方向に延びた複数の突極部が形成された回転子鉄心と、
前記突極部に巻回された回転子巻線と、
軸方向に互いに間隔をあけて配されて、互いに対向する前記回転子巻線を保持する複数のコイルブラケットと、
前記コイルブラケットを前記回転子鉄心に固定する複数のボルトと、
前記回転子巻線と前記コイルブラケット間に介在するコイルブラケット側絶縁と、
を備え、
前記回転子巻線は、
前記複数の突極部の長手方向に配されて、複数の第１導体と複数の第２導体とを有する側部導体部と、
前記複数の突極部の軸方向端部に配されて、前記側部導体部と接続する端部導体と、
を具備し、
前記複数の第１導体のそれぞれは、軸方向に延びた長方形であり、
前記複数の第２導体のそれぞれは、軸方向に延びた長方形であって、前記コイルブラケット側絶縁が設けられる軸方向位置に切り欠き部が形成され、前記切り欠き部における導体幅は前記第１導体の導体幅と実質的に等しく形成されており、
前記コイルブラケット側絶縁は、長方形で前記第２導体の前記切り欠き部に収納される長手部と、前記第１導体が設けられた部分において幅が広がっている支持部とを有する、
ことを特徴とする突極形回転子。

【請求項2】

前記突極部は、断面が長方形で径方向外側に延びるように形成された直方体部と、前記直方体部の径方向外側に形成されて周方向に広がったポールヘッドとを有し、
前記ポールヘッドの周方向の端部の周方向の位置は、前記側部導体部の外側位置と実質的に一致する位置あるいはそれより内側であることを特徴とする請求項１に記載の突極形回転子。

【請求項3】

前記支持部の径方向の外側に隣接する前記第２導体は、前記支持部からの荷重に抗する強度を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の突極形回転子。

【請求項4】

前記支持部は、前記長手部の径方向内側に配されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の突極形回転子。

【請求項5】

前記支持部は、前記長手部の径方向の中間位置に配されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の突極形回転子。

【請求項6】

請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の突極形回転子と、
前記回転子鉄心の径方向外側に空隙を介して配された固定子と、
前記回転子鉄心の軸方向の両側において前記ロータシャフトを回転可能に支持する軸受と、
前記固定子の径方向外側に配されて前記固定子および前記回転子鉄心を収納する筒状のフレームと、
前記フレームの軸方向の両端に取り付けられて、前記軸受のそれぞれを支持する軸受けブラケットと、
を備えることを特徴とする突極形回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、突極形回転子およびこれを用いた突極形回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

大型の回転電機では、径が大きいことから回転子に取り付けられている部材に働く遠心力が大きくなる。

【0003】

たとえば、突極形回転子の場合には、界磁巻線としての回転子巻線が遠心力により径方向外側に飛び出すのを防止するために、回転子巻線を拘束するコイルブラケットが設けられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】実開昭５５－８２０５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

コイルブラケットと回転子巻線の間には、絶縁板が設けられている。絶縁板にも遠心力がかかるが、従来、遠心力に抗するために、絶縁板の径方向の外側を、回転子鉄心の磁極部分の先端であるポールヘッドを周方向に広げたポールチップで押さえる構成がとられている。また、ポールチップが、さらにコイルブラケットを抑えるように周方向に長くなっている構成も知られている（特許文献１参照）。

【0006】

しかしながら、ポールチップが周方向に長くなるということは、互いに隣接する磁極間の間隔が減少することを意味する。この場合、互いに隣接する磁極間に生ずる磁束が増加する。この結果、回転子と固定子との結合に寄与しない漏れ磁束が増加することになり、回転電機の効率低下をもたらす。

【0007】

そこで、本発明は、回転電機の効率を低下させることなく絶縁板を拘束可能な突極形回転子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上述の目的を達成するため、本発明に係る突極形回転子は、突極形回転電機の突極形回転子であって、軸方向に延びて回転可能に支持されたロータシャフトと、前記ロータシャフトの径方向外側に取付けられて周方向に互いに間隔をおいて配されて軸方向に延びた複数の突極部が形成された回転子鉄心と、前記突極部に巻回された回転子巻線と、軸方向に互いに間隔をあけて配されて、互いに対向する前記回転子巻線を保持する複数のコイルブラケットと、前記コイルブラケットを前記回転子鉄心に固定する複数のボルトと、前記回転子巻線と前記コイルブラケット間に介在するコイルブラケット側絶縁と、を備え、前記回転子巻線は、前記複数の突極部の長手方向に配されて、複数の第１導体と複数の第２導体とを有する側部導体部と、前記複数の突極部の軸方向端部に配されて、前記側部導体部と接続する端部導体と、を具備し、前記複数の第１導体のそれぞれは、軸方向に延びた長方形であり、前記複数の第２導体のそれぞれは、軸方向に延びた長方形であって、前記コイルブラケット側絶縁が設けられる軸方向位置に切り欠き部が形成され、前記切り欠き部における導体幅は前記第１導体の導体幅と実質的に等しく形成されており、前記コイルブラケット側絶縁は、長方形で前記第２導体の前記切り欠き部に収納される長手部と、前記第１導体が設けられた部分において幅が広がっている支持部とを有する、
ことを特徴とする。

【0009】

また、本発明に係る突極形回転電機は、上述の突極形回転子と、前記回転子鉄心の径方向外側に空隙を介して配された固定子と、前記回転子鉄心の軸方向の両側において前記ロータシャフトを回転可能に支持する軸受と、前記固定子の径方向外側に配されて前記固定子および前記回転子鉄心を収納する筒状のフレームと、前記フレームの軸方向の両端に取り付けられて、前記軸受のそれぞれを支持する軸受けブラケットと、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、回転電機の効率を低下させることなく絶縁板を拘束可能な突極形回転子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係る突極形回転電機の構成を示す縦断面図である。

【図2】第１の実施形態に係る突極形回転子の構成を示す図３のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図である。

【図3】第１の実施形態に係る突極形回転子の構成を示す図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視断面図である。

【図4】第１の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線を構成する第１導体を示す平面図である。

【図5】第１の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線を構成する第２導体を示す平面図である。

【図6】第１の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線における第１導体と第２導体の積層状態を示す図７のＶＩ－ＶＩ線矢視断面図である。

【図7】第１の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線における第１導体と第２導体の積層状態を示す図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線矢視断面図である。

【図8】第１の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線における第１導体と第２導体の積層状態を示す図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線矢視断面図である。

【図9】第２の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線における第１導体と第２導体の積層状態を示す側面図である。

【図10】第３の実施形態に係る突極形回転子の回転子巻線における第１導体と第２導体の積層状態を示す側面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る突極形回転子および突極形回転電機について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には、共通の符号を付して、重複説明は省略する。

【0013】

［第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態に係る突極形回転電機２００の構成を示す縦断面図である。

【0014】

突極形回転電機２００は、突極形回転子１００、固定子２０、軸受３０、フレーム４０、および軸受ブラケット４５を有する。

【0015】

突極形回転子１００は、軸方向に延びたロータシャフト１１０、ロータシャフト１１０の径方向外側に取り付けられた回転子鉄心１２０を有する。ロータシャフト１１０は、軸方向の両側において軸受３０により回転可能に支持されている。ロータシャフト１１０には、内扇１５が取り付けられている。回転子鉄心１２０及びその周辺部分については、後に、図２および図３以降を参照しながら説明する。

【0016】

固定子２０は、回転子鉄心１２０の径方向外側に空隙１８を介して配された円筒形上の固定子鉄心２１と、固定子鉄心２１の径方向内側に形成された固定子スロット（図示しない）内を貫通して固定子鉄心２１に巻回される固定子巻線２２を有する。

【0017】

固定子２０の径方向外側には、固定子２０を囲むようにフレーム４０が設けられている。フレーム４０の軸方向の両側の端部にはそれぞれ軸受ブラケット４５が取り付けられている。それぞれの軸受ブラケット４５は、それぞれの軸受３０を静止支持する。

【0018】

図２は、第１の実施形態に係る突極形回転子１００の構成を示す図３のＩＩ－ＩＩ線矢視断面図、図３は、図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線矢視断面図である。なお、以降の説明の便のために、円筒座標系で座標の方向を示している。具体的には、中心軸Ｃから径方向をｒ方向、周方向をθ方向、軸方向をｚ方向と呼ぶこととする。

【0019】

回転子鉄心１２０は、たとえば、回転子鉄心１２０の軸方向（ｚ方向）に垂直な断面形状と同一形状に形成された電磁鋼板（図示しない）がｚ方向に積層された積層構造、あるいは、一体で形成された塊状構造である。

【0020】

回転子鉄心１２０は、周方向（θ方向）の４つの方向において、それぞれ径方向（ｒ方向）外側に向かって広がる突極部１２１を有する。

【0021】

それぞれの突極部１２１は、長方形の断面積でｒ方向に直線的に延びるように形成された直方体部１２４、直方体部１２４のｒ方向外側に設けられθ方向に広がるように形成されたポールヘッド１２２を有する。

【0022】

直方体部１２４には、界磁巻線としての回転子巻線１３０が巻回されている。図２では、回転子巻線１３０の側部導体部１３１が示されている。

【0023】

突極形回転子１００が回転中には、回転子巻線１３０には径方向（ｒ方向）外側に向かう遠心力が作用する。ポールヘッド１２２の周方向（θ方向）外側に突出する部分であるポールチップ１２３により回転子巻線１３０の側部導体部１３１の径方向外側への移動が阻止される。

【0024】

回転子巻線１３０は、突極部１２１側とθ方向に反対側の側部において、ｚ方向に互いに間隔をおいて配されたコイル押さえ部１５０により拘束されている。図３では、コイル押さえ部１５０が３か所に設けられている場合を例にとって示したが、これに限定されない。設置個所数は、配置上のスペースの条件、耐荷重条件、放熱条件等を考慮して設定される。

【0025】

コイル抑え部１５０は、コイルブラケット１５１およびボルト１５２を有する。コイルブラケット１５１は、θ方向に互いに対向する回転子巻線１３０間に配されて、これらの回転子巻線１３０の側部に接している。コイルブラケット１５１のｚ方向に垂直な断面の形状は、ほぼ二等辺三角形である。図２に示す４極の例では二等辺直角三角形である。コイルブラケット１５１のθ方向の中央にはボルト１５２の貫通用の図示しない貫通孔が形成されている。

【0026】

ボルト１５２は、コイルブラケット１５１の貫通孔を貫通して、ロータシャフト１１０に形成されためねじであるボルト孔１１１に螺合し、コイルブラケット１５１をロータシャフト１１０側に押し付けるように締め付け、回転子巻線１３０を回転子鉄心１２０側に押し付ける。

【0027】

回転子巻線１３０においては、側部導体部１３１と突極部１２１の側面との間にはポール側面側絶縁１３６が、側部導体部１３１とポールチップ１２３の径方向の内側面との間にはポールチップ側絶縁１３７が、また、側部導体部１３１の径方向内側にはコイル内側絶縁１３８が、設けられている。また、ｚ方向にコイルブラケット１５１が設けられている位置においては、側部導体部１３１とコイルブラケット１５１との間にはコイルブラケット側絶縁１４０が設けられている。この場合、ポール側面側絶縁１３６、ポールチップ側絶縁１３７およびコイルブラケット側絶縁１４０は、電気的な絶縁物である。

【0028】

図４は、第１の実施形態に係る突極形回転子１００の回転子巻線１３０を構成する第１導体１３２を示す平面図であり、図５は、第２導体１３３を示す平面図である。

【0029】

側部導体部１３１は、第１導体１３２および第２導体１３３を有する。第１導体１３２は、図４に示すように、θ方向の幅である導体幅がＷ_１、ｚ方向の長さがＬの長方形である。また、第２導体１３３は、図５に示すように、導体幅が第１導体の導体幅Ｗ_１より大きなＷ_２、ｚ方向の長さがＬの長方形であり、軸方向に間隔をおいて、切り欠き部１３３ａが形成されている。切り欠き部１３３ａのｚ方向の切り欠き幅ｄは、コイルブラケット側絶縁１４０のｚ方向の幅に対応している。切り欠き部１３３ａのθ方向の深さは、切り欠き後の第２導体１３３の導体幅が、第１導体１３２の導体幅Ｗ_１となる深さである。すなわち、切り欠き部１３３ａの深さは、（Ｗ_２－Ｗ_１）である。詳細には、切り欠き後の第２導体１３３は、第１導体１３２と実質的に同じ導体幅である。ここで、実質的にとは、製作および計測公差の範囲内であることを意味する。

【0030】

なお、第２導体１３３は、第１導体１３２とは、回転子巻線１３０の組み立て状態においては、電気的に互いに直列に結合されることから、限定はされないが、通常は同じ板厚である。

【0031】

図６は、第１の実施形態に係る突極形回転子１００の回転子巻線１３０における第１導体１３２と第２導体１３３の積層状態を示す図７のＶＩ－ＶＩ線矢視断面図、図７は、図６のＶＩＩ－ＶＩＩ線矢視断面図、また、図８は、図７のＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線矢視断面図である。

【0032】

図７は、突極部１２１のｒ方向に垂直な方向の断面であるが、図７に示されているように、直方体部１２４の周囲に、回転子巻線１３０が巻回されている。詳細には、直方体部１２４のθ方向の両側にｚ方向に延びるように第１導体１３２および第２導体１３３が配され、直方体部１２４のｚ方向の両側にθ方向に延びるように端部導体１３４が配されている。

【0033】

端部導体１３４は、第１導体１３２または第２導体１３３と接続されている。また、図６および図８に示すように、ｒ方向に積層されている。第１導体１３２または第２導体１３３とは、互いに交互に積層されているが、ｒ方向の内側部分においては、第１導体１３２のみが積層されている。

【0034】

この結果、図７を例にとれば、回転子巻線１３０の直方体部１２４の周囲に巻回される状況は、たとえば、反時計回りに、第１導体１３２（図７において直方体部１２４の右側）、端部導体１３４（図７において直方体部１２４の上側）、第２導体１３３（図７において直方体部１２４の左側）、端部導体１３４（図７において直方体部１２４の下側）、さらに、第２導体１３３（図７において直方体部１２４の右側）のように順次接続され、コイルが形成される。

【0035】

巻回されるこれらの導体の径方向の内外間は、図示しない絶縁材により電気的に絶縁されている。

【0036】

なお、図６および図８では、第１導体１３２または第２導体１３３とは、互いに交互に積層されている部分では、それぞれが１枚単位となっているが、これに限定されない。たとえば、第１導体１３２および第２導体１３３がそれぞれ２枚以上の所定の枚数ずつ単位で積層されたものが、交互に積層されることでもよい。さらに、第２導体１３３のｒ方向の最内層においては、第２導体１３３が複数枚積層されていることでもよい。第２導体１３３のｒ方向の最内層の枚数は、後述する支持部１４２からの径方向外側に向けての荷重に対して十分な強度を有する枚数とする。

【0037】

以上のように、第２導体１３３は、コイルブラケット側絶縁１４０の支持部１４２からの径方向外側に向けての荷重を保持する機能を有する。したがって、第２導体１３３は、例えば、コイルブラケット側絶縁１４０の支持部１４２のｒ方向外側に隣接する位置に１枚ないし複数枚、あるいは、たとえば２か所にそれぞれ１枚ないし複数枚が設けられていればよく、第１導体１３２と同数を積層する必要はない。

【0038】

図８に示すように、コイルブラケット側絶縁１４０は、長手部１４１および支持部１４２を有する。長手部１４１は、長方形の部分であり、第２導体１３３の切り欠き部１３３ａに収納される。支持部１４２は、長手部１４１のｒ方向の内側に成されており、第１導体１３２のみが積層されている部分で、ｚ方向の前後に広がっている。

【0039】

上述のように構成された本実施形態による突極形回転子１００においては、コイルブラケット側絶縁１４０は支持部１４２を有しており、コイルブラケット側絶縁１４０のｒ方向への移動は、第２導体１３３の支持部１４２に対する第２導体１３３のｒ方向の最内層の反力により阻止される。このため、従来のように、コイルブラケット側絶縁１４０の径方向の外側をポールチップ１２３で覆いコイルブラケット側絶縁１４０のｒ方向への移動を拘束する必要がなくなる。

【0040】

この結果、ポールチップ１２３のθ方向の端部位置は、コイルブラケット側絶縁１４０を覆う位置から、コイルブラケット側絶縁１４０を覆わない位置まで、さらには、回転子巻線１３０の周方向の幅全体を覆わずに周方向にその一部のみを覆う位置まで、短縮することができる。これは、θ方向に互いに隣接するポールチップ１２３間の間隔が広げることになり、磁極間に生ずる漏れ磁束を低減し、突極形回転子１００の効率向上をもたらすことになる。

【0041】

以上のように、本実施形態によれば、回転電機の効率を低下させることなく絶縁板を拘束可能な突極形回転子を提供することができる。

【0042】

［第２の実施形態］
図９は、第２の実施形態に係る突極形回転子１００の回転子巻線１３０ａにおける第１導体１３２と第２導体１３３の積層状態を示す側面図である。

【0043】

本第２の実施形態は、第１の実施形態の変形である。本第２の実施形態においては、第１の実施形態のコイルブラケット側絶縁１４０に代えてコイルブラケット側絶縁１４０ａが設けられ、これに対応して、第１導体１３２と第２導体１３３の積層状態が異なっている。これ以外の点では、第１の実施形態と同様である。

【0044】

本実施形態におけるコイルブラケット側絶縁１４０ａは、長手部１４１と支持部１４３を有するが、支持部１４３が、ｒ方向に長手部１４１の途中に形成されている。このため、少なくとも支持部１４３が形成されている範囲は第１導体１３２が積層されており、また、その径方向外側に隣接する位置には、１枚または複数枚の第２導体１３３が積層されている。

【0045】

このように構成された本実施形態により、第１導体１３２および第２導体１３３の積層の形態の多様性が確保でき、かつ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0046】

［第３の実施形態］
図１０は、第３の実施形態に係る突極形回転子１００の回転子巻線１３０ｂにおける第１導体１３２と第２導体１３３の積層状態を示す側面図である。

【0047】

本第３の実施形態は、第１の実施形態および第２の実施形態の組み合わせである。本第３の実施形態におけるコイルブラケット側絶縁１４０ｂは、長手部１４１と支持部１４４、１４５を有する。支持部１４４は、ｒ方向に長手部１４１の内側に形成されている。また、支持部１４５は、ｒ方向に長手部１４１の途中に形成されている。

【0048】

この結果、コイルブラケット側絶縁１４０ｂにかかる遠心力を、支持部１４４および支持部１４５に分散させることができ、遠心力を支持する第２導体１３３の負担を分散し、例えば、分散前に必要だった第２導体１３３の枚数を分割することができる。

【0049】

このように構成された本実施形態により、第１導体１３２および第２導体１３３の積層の形態のさらなる多様性が確保でき、かつ、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0050】

［その他の実施形態］
以上、本発明の実施形態を説明したが、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。

【0051】

また、実施形態は、組み合わせてもよい。さらに、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。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。

【符号の説明】

【0052】

１５…内扇、１８…空隙、２０…固定子、２１…固定子鉄心、２２…固定子巻線、３０…軸受、４０…フレーム、４５…軸受ブラケット、１００…突極形回転子、１１０…ロータシャフト、１１１…ボルト穴、１２０…回転子鉄心、１２１…突極部、１２２…ポールヘッド、１２３…ポールチップ、１２４…直方体部、１３０…回転子巻線，１３１…側部導体部、１３２…第１導体、１３３…第２導体、１３３ａ…切り欠き部、１３３ｂ…突出部、１３４…端部導体、１３５…導体間絶縁、１３６…ポール側面側絶縁、１３７…ポールチップ側絶縁、１３８…コイル内側絶縁、１４０、１４０ａ、１４０ｂ…コイルブラケット側絶縁、１４１…長手部、１４２、１４３、１４４、１４５…支持部、１５０…コイル押さえ部、１５１…コイルブラケット、１５２…ボルト、２００…突極形回転電機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】