回転電機
【課題】固定子を効率よく冷却し、かつ磁気特性の高い回転電機を得る。
【解決手段】回転子３を囲むように配設されコイル５が巻回された固定子４と、固定子４が焼き嵌めにより固定される筒状のリング部材６と、リング部材６の外周側にリング部材６とギャップ８を介して配置されるフレーム７とを備えている。ギャップ８の寸法は温度変化による固定子４とリング部材６との熱膨張により可変であり、固定子４とリング部材６との熱膨張時にリング部材６の外周面がフレーム７に接触して冷却される。
間を設けている。
【解決手段】回転子３を囲むように配設されコイル５が巻回された固定子４と、固定子４が焼き嵌めにより固定される筒状のリング部材６と、リング部材６の外周側にリング部材６とギャップ８を介して配置されるフレーム７とを備えている。ギャップ８の寸法は温度変化による固定子４とリング部材６との熱膨張により可変であり、固定子４とリング部材６との熱膨張時にリング部材６の外周面がフレーム７に接触して冷却される。
間を設けている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機の構造に関し、固定子を効率的に冷却し、かつ磁気特性の高い回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の交流モータは、ステータコイルが巻回された複数の独立したステータ片をリング状に配列して構成されたステータと、ステータが開口部に圧入固定されるステータ保持リングとを備え、ステータ保持リングとモータハウジングがネジ止め固定されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の回転電動機は、円筒状のアルミ製のハウジングと、ハウジングの円筒内周面に固定配置された円筒状の鉄製スリーブと、鉄製スリーブの円筒内周面に密着するように固定配置された、磁性体からなる複数のステータ片を周方向に連続して配置してなる環状のステータを備え、鉄製スリーブはハウジングに対して焼き嵌めにより固定されている（例えば、特許文献２参照）。
また、従来の外被冷却形回転電機は、ステータフレームに冷却媒体通路を形成しており、ステータフレームの内径部はステータコアを保持する（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０２５１８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８４２６９号公報
【特許文献３】特開平０６−２６９１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の交流モータは、ステータ保持リングとモータハウジングがネジ止め固定されており、ステータ保持リングの外周面とモータハウジングとの間には厚い空気層が介在している。このため、交流モータの駆動により温度が上昇したステータ、ステータ保持リングの放熱がされにくく、冷却が十分になされないという問題があった。
また、上記従来の回転電動機は、鉄製スリーブがハウジングに対して焼き嵌めにより固定されており、鉄製スリーブの外周面とハウジングの内周面が密着している。このため、回転電動機の駆動時の温度上昇により鉄製スリーブが熱膨張し、ハウジングと鉄製スリーブ間に圧縮の面圧が増加する。このため、鉄製スリーブの内周面に密着するように配置されたステータに圧縮応力が生じ、ステータの鉄損が増大して磁気特性が低下するという問題があった。
また、上記従来の外被冷却形回転電機は、ステータフレームに冷却媒体通路を形成している。このため、回転電機の駆動時には、ステータは温度上昇により熱膨張するのに対し、ステータフレームは冷却媒体により冷却されるため、ステータフレームとステータ間の面圧の増加が顕著であり、ステータの鉄損の増大による磁気特性の低下という問題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子を効率よく冷却し、かつ磁気特性の高い回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る回転電機は、回転軸を有し回転自在に配置される回転子と、上記回転子を囲むように配設されコイルが巻回された固定子と、上記固定子の外周側に上記固定子とギャップを介して配置されるフレームとを備えている。上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子の熱膨張により可変であり、上記固定子の熱膨張時に上記固定子の外周面が上記フレームに接触して冷却される。
【発明の効果】
【０００６】
この発明に係る回転電機は、回転軸を有し回転自在に配置される回転子と、上記回転子を囲むように配設されコイルが巻回された固定子と、上記固定子の外周側に上記固定子とギャップを介して配置されるフレームとを備え、上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子の熱膨張により可変であり、上記固定子の熱膨張時に上記固定子の外周面が上記フレームに接触して冷却される。このため、回転電機の駆動時の温度変化による固定子の熱膨張時に固定子を効率よく冷却でき、かつ、固定子とフレーム間の面圧の増加を抑制して固定子の鉄損の増大を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】この発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図である。
【図２】図１の部分Ａを拡大して示す部分拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるフレームの構成を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるフレームと固定子との温度変化に対する直径変化量を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるフレームと固定子との温度差と、締め代増加量との関係を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における組み立て時のギャップ寸法とフレームに生じる円周応力との関係を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１におけるフレームとリング部材の支持構造の別例を模式的に示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態２におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態３におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態４におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態４における回転電機の構成を模式的に示す部分断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態５における回転電機の構成を模式的に示す部分断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態５における変形例の回転電機の構成を模式的に示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図である。
図１に示すように、回転電機１は、回転軸２に取り付けられた回転子３と、回転子３の外周を囲むように配置される環状の固定子４を備えている。固定子４は材質を鉄とし、コイル５が巻回された複数の固定子片を環状に配列して構成された分割構造の固定子である。分割構造の固定子４は、外周側に固定子４の材質と同じ材質である鉄で形成された筒状で薄肉のリング部材６を備えており、リング部材６に対し固定子４が焼き嵌めされてリング部材６と固定子４とが同軸固定されている。リング部材６の外周側には円筒状に形成されたアルミ製のフレーム７が配置されている。フレーム７の内径はリング部材６の外径よりも大きい寸法に設定されてフレーム７にリング部材６が隙間嵌めされており、フレーム７の内周面とリング部材６の外周面との間には微少なギャップ８（図２参照）が設けられている。フレーム７の内部には冷却媒体を流すための流路７１が設けられ、回転電機１の駆動によりコイル５で発生する熱は、固定子４、リング部材６、フレーム７を介して、流路７１内を流通する冷却媒体により冷却される。
【０００９】
図２〜図４を参照し、固定子４、リング部材６、フレーム７の構成を詳細に説明する。図２は、図１の点線で囲んだ部分Ａを拡大して示す拡大図、図３はリング部材６の構成を示す斜視図、図４はフレーム７の構成を示す斜視図である。
上述の通り、固定子４は外周側にリング部材６を備え、固定子４は薄肉のリング部材６に焼き嵌めされて固定され、リング部材６の内周面と固定子４の外周面は密着している。なお、リング部材６は薄肉であるため熱容量が小さく、例えば誘導加熱などによって加熱することができ、加熱効率が高い。このため固定子４のリング部材６への焼き嵌めは、短時間で容易に行え、焼き嵌めをするための大型設備も不要である。焼き嵌めにより固定される固定子４とリング部材６は、共に材質を鉄としているため、熱膨張係数が一致する。このため、回転電機１の駆動時の温度変化に対し、固定子４とリング部材６とは同じように膨張、収縮し、固定子４とリング部材６との接合面に緩みが生じるようなことはない。なお、本実施の形態１ではリング部材６の材質は固定子４の材質と同じ鉄としているが、熱膨張係数が実質的に一致する材質とすればよく、これにより回転電機１の駆動時の温度変化に対する固定子４、リング部材６の膨張収縮により、両者の接合面に緩みが生じることを防止できる。また、本実施の形態１ではリング部材６と固定子４は焼き嵌めにより行われているが、圧入等の方法で行ってもよい。
【００１０】
リング部材６は、外周面から径方向外側に突出する支持部としてのフック部６１を備え、フック部６１は、軸方向に３個、径方向に４個、整列して配置されている。フック部６１は、リング部材６の一部に切り込みを入れ、切り込み部分を径方向外側に屈曲させた、切起こしにより形成されている。詳細には、フック部６１は、四角形の４辺のうち軸方向上側の辺を除く３辺に設けられた切り込み部分を起こして形成されている。このようにして設けられたフック部６１はバネ性を有している。リング部材６は、例えば、薄肉の鉄板にフック部６１を形成した後、鉄板を円筒曲げし、溶接部６２を溶接することで形成することができる。なお、フック部６１の配置位置や個数は上記例に限られず、必要に応じて適宜設定すればよい。また、フック部の形状も、必要に応じて変更すればよく、上述のように、鉄板にフック部６１を形成した後に円筒曲げをしてリング部材６を形成する方法であれば、リング部材６に複雑な形状のフック部を容易に設けることができる。
【００１１】
フレーム７の内周面には、リング部材６のフック部６１と対応する位置に凹部７２が設けられている。フレーム７にリング部材６が挿入されることでフック部６１が凹部７２に嵌まり係止され、リング部材６とフレーム７との軸方向および径方向の位置決めが同時に行われる。フック部６１のバネ性により、フック部６１の端部が凹部７２を径方向に押圧し、リング部材６がフレーム７に均一なギャップ８を介した状態で支持される。また、フック部６１のバネ性により、リング部材６やフレーム７の寸法のばらつきを吸収し、リング部材６とフレーム７の軸芯を容易に一致させることができる。回転電機１の駆動時には振動を吸収し騒音を低減することができる。
【００１２】
上述の通り、回転電機１を構成する固定子４や、リング部材６、フレーム７等の各部材の組み付け時には、フレーム７とリング部材６とがギャップ８を介して支持されているが、回転電機１の駆動時には、温度変化による固定子４やリング部材６やフレーム７の熱膨張によりギャップ８の寸法は変化するものである。ギャップ８の寸法は、固定子４等の各部材の温度が放熱が必要とされる温度範囲に達した時、リング部材６の外周面がフレーム７の内周面に密着しリング部材６の冷却が可能となるような寸法に設定されている。ギャップ８の寸法の設定について以下で検討する。
【００１３】
ここでは、ギャップ８の寸法を、仮に、回転電機１の組み付け時にリング部材６外周面とフレーム７の内周面とが接触している場合、すなわちギャップ寸法０で支持されていると想定した場合の、温度変化によるリング部材６とフレーム７との締め代増加量に基づいて考える。ここで、リング部材６とフレーム７との締め代とは、リング部材６の外径とフレーム７の内径との差を指す。リング部材６とフレーム７とがギャップ寸法０で支持されている時に締め代０であり、温度変化によりリング部材６とフレーム７が熱膨張することで締め代が増加する。以下の検討例でこの締め代の増加量を求める。
検討例として、固定子４の寸法が内径Φ１７３ｍｍ、外径Φ２００ｍｍ、フレーム７の寸法が内径Φ２０４ｍｍ、外径Φ２１６ｍｍ、リング部材６が厚み２ｍｍとした回転電機１を採用し、締め代増加量を求める。なお、フレーム７の材料であるアルミの線膨張率は２．１×１０−５し、リング部材６や固定子４の材料である鉄の線膨張率は１．３×１０−５とする。また、回転電機１の組み付け時の温度を２０℃とし、回転電機１の駆動時におけるフレーム７の想定温度を−３０℃から４０℃までとする。
図５は、フレーム７と固定子４との温度変化に対する直径変化量を示す図である。なお、固定子４とリング部材６とは同じ材料である鉄により形成され、かつ焼き嵌めにより一体に固定されているため、固定子４の温度とリング部材６の温度は同じになるものとし、固定子４の直径変化量はリング部材６の厚みも含む直径変化量とする。回転電機１の組み付け時の温度である２０℃を基準とし、温度２０℃でフレーム７、固定子４ともに直径変化量が０である。例えばフレーム７が４０℃、固定子４が１００℃の場合の両者の直径変化量の差Ａは約０．１２ｍｍ、フレーム７が−３０℃、固定子４が３０℃の場合の両者の直径変化量の差Ｂは約０．２４ｍｍとなる。
【００１４】
上述の通り、組み付け時にリング部材６とフレーム７とがギャップ寸法０で支持されていると想定した場合、図５で説明したフレーム７と固定子４との直径変化量の差が、温度変化時のリング部材６とフレーム７との締め代増加量となる。図６に、フレーム７が−３０℃の場合（図中上側実線）と４０℃の場合（図中下側実線）における、フレーム７と固定子４との温度差と、締め代増加量との関係を示す。例えば、図６中のＣ点は、フレーム７が４０℃、固定子４が１００℃の時、締め代増加量が約０．１２ｍｍであることを示している。また、図６中Ｄ点はフレーム７が−３０℃、固定子４が３０℃の時、締め代増加量が約０．２４ｍｍであることを示している。
ここで、回転電機１の内部部品の耐熱性等を考慮し、放熱が必要と想定される範囲をフレーム７と固定子４の温度差が６０℃以上とし、上限は温度差１００℃とする。その範囲を図６中斜線で示す。斜線で示す範囲内で、締め代増加量が最小となるのは、図６中のＣ点であり、上述の通り、フレーム７が４０℃、固定子４が１００℃、締め代増加量は約０．１２ｍｍである。
この検討例の検討結果から、本実施の形態１において、放熱が必要とされる温度範囲において、フレーム７の内周面にリング部材６の外周面が密着するようなギャップ８の寸法を最大値は０．１２ｍｍと設定することができる。すなわち、ギャップ８の寸法を０．１２ｍｍ以下とすれば、放熱が必要と想定される全範囲でリング部材６の外周面が冷却媒体用の流路７１を備えたフレーム７に接触して、固定子４およびリング部材６の冷却が効果的に行われる。
【００１５】
一方、図６において、放熱が必要と想定される斜線の範囲内で、締め代増加量が最大となるのは、図６中Ｅ点である。Ｅ点はフレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の時であり、締め代増加量は約０．３４ｍｍである。締め代増加量が最大となるということは、この時にフレーム７とリング部材６との間の面圧が最も増大するということである。
そこで、図７で、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の場合における、組み立て時のギャップ寸法とフレーム７に生じる円周応力との関係を実線で示す。図６のＧ点において締め代増加量が約０．３４ｍｍであったことから、組み立て時のギャップ寸法が０．３４ｍｍであればフレーム７に生じる円周応力は０であり、仮に組み立て時のギャップ寸法が０の場合には、ほぼ１００ＭＰａの円周応力がフレーム７に生じる。
フレーム７が例えばＡＤＣ材（アルミニウムダイカスト材）であるとすると、円周応力に対する耐力は１８０ＭＰａである。安全率２以上で使用する場合、つまりフレーム７にかかる円周応力を９０ＭＰａ（図７中点線Ｆで示す）以下とする場合、組み立て時のギャップ寸法を０．０３ｍｍ以上にすれば良い。
ここで、ギャップ寸法を０．０３ｍｍと設定し、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の時に、固定子４の外周面に生じる圧縮応力を計算すると約７５ＭＰａである。なお、この圧縮応力は、固定子４をリング部材６に焼き嵌めすることにより生じる面圧と、温度上昇時の各部材の熱膨張によりフレーム７から受ける面圧とによるものである。
比較例として、仮に、内径Φ１７３ｍｍ、外径Φ２００ｍｍの固定子を、内径２００ｍｍ、外径２１６ｍｍのフレームに直接焼き嵌めしている回転電機の場合、フレームが−３０℃、固定子が７０℃の時のフレームに生じる円周応力は約１７５ＭＰａ（図７中一点鎖線Ｇで示す）であり、本実施の形態１の構成でギャップ寸法を０．０３ｍｍとした場合のフレーム７にかかる円周応力の値は、比較例に比べて非常に小さいことがわかる。そしてこの比較例の場合における固定子外周面に生じる圧縮応力を計算すると約１０７ＭＰａであり、固定子外周面の圧縮応力の値も、本実施の形態１の構成でギャップ寸法を０．０３ｍｍとした場合の方が、比較例の場合よりも低いことがわかる。なお、比較例の場合の圧縮応力は、固定子をフレームに焼き嵌めすることにより生じる面圧と、温度上昇時の各部材の熱膨張によりフレームから受ける面圧とによるものである。
このように、ギャップ８の寸法を０．０３ｍｍ以上とすることで、温度上昇時でも、フレーム７に過剰な円周応力を生じさせることがなく、固定子４外周面の圧縮応力の増加を抑制できる。
【００１６】
以上の検討結果から、本実施の形態１の構成において、ギャップ寸法を０．０３ｍｍ以上０．１２ｍｍ以下とすることで、放熱が必要と想定される全範囲でリング部材６の外周面がフレーム７の内周面に接触して効果的に冷却を行うことができるとともに、固定子４やリング部材６、フレーム７の熱膨張による固定子４外周面の圧縮応力の増加を抑制することができる。本検討例において、例えばギャップ寸法を０．０３ｍｍと設定する場合は、上記厚さ２ｍｍのリング部材６の外周面を０．０３ｍｍ研磨加工することにより、リング部材６とフレーム７との間に０．０３ｍｍのギャップ８を設けることができる。
なお、上記検討では、ギャップ寸法を設定するための条件として、例えば回転電機１の駆動時におけるフレーム７の想定温度を−３０℃から４０℃としたり、放熱が必要と想定される範囲をフレーム７と固定子４の温度差が６０℃以上１００℃以下と設定したが、これらの条件は、回転電機１の動作環境や使用目的により適宜変更すればよい。
【００１７】
ここで、リング部材６の最適な厚みについて説明する。
本実施の形態１の構成は、固定子４がリング部材６に焼き嵌めされるため、固定子４の外周面には焼き嵌めによる面圧がかかり、リング部材６の厚みが大きくなるほど、固定子４の焼き嵌めによる面圧が増大する。上記検討例において、ギャップ８の寸法が０．０３ｍｍ、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の時の固定子４外周面に生じる圧縮応力は約７５ＭＰａであったが、この圧縮応力は、固定子４をリング部材６に焼き嵌めすることによる面圧と、温度上昇時の各部材の熱膨張によりフレーム７から受ける面圧とによるものである。このため、焼き嵌めによる面圧が増大すると、固定子４外周面の圧縮応力も増大する。そこで、ギャップ寸法０．０３ｍｍ、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の条件で、リング部材６の厚みを徐々に増大させ、固定子４の圧縮応力を求めたところ、固定子４の外径Φ２００ｍｍに対してリング部材６の厚みを５ｍｍ、すなわちリング部材６の厚みを固定子４の外径の２．５％とした場合、固定子４の外周面に生じる圧縮応力が比較例の場合とほぼ同じ値となった。これにより、リング部材６の最適な厚みは固定子４の外径の２．５％以下である。
【００１８】
以上のように、本実施の形態１では、リング部材６とフレーム７とがギャップ８を介して配置され、温度変化によるリング部材６の熱膨張によりギャップ８の寸法は可変であり、この寸法変化によりリング部材６の外周面がフレーム７に接触して冷却される構成である。
このため、放熱が必要な時には、固定子４、リング部材６の冷却を効率的に行うことができ、加えて、固定子４やリング部材６やフレーム７の熱膨張による固定子４の外周面の圧縮応力の増加を抑制して固定子４の鉄損の増加を防止し、回転電機１の磁気特性の向上を図ることができる。また、フレーム７に過剰な円周応力を生じさせないため、回転電機１の耐久性も向上する。また、リング部材６の外周面とフレーム７が接触することにより、回転電機１の駆動時におけるリング部材６の回り止めの効果も得ることができる。
また、リング部材６とフレーム７とは、焼き嵌めや圧入で固定されるのではなく、ギャップ８を介した隙間嵌めで支持されるので、従来必要であった、焼き嵌めや圧入のための大型の設備が不要でとなり、設備の環境負荷を低減することができる。
【００１９】
また、リング部材６のフレーム７への支持を、リング部材６に設けられたバネ構造のフック部６１とフレーム７に設けられた凹部７２により行うため、簡単な構成でリング部材６をフレーム７に均一なギャップ８を介して支持することができる。また、リング部材６とフレーム７との軸方向および径方向の位置決めも容易である。また、回転電機１の駆動時におけるフレーム７に対するリング部材６の回り止めも確実に行える。
さらに、フック部６１がバネ構造を有することにより、リング部材６やフレーム７の加工精度による寸法のばらつきを吸収し、リング部材６とフレーム７の軸芯を容易に一致させることができる。回転電機１の駆動時には振動を吸収し騒音を低減することもできる。
【００２０】
なお、本実施の形態１ではフレーム７に凹部７２を設けてリング部材６のフック部６１を凹部７２に嵌めて係止する構成としたが、フレーム７に凹部７２を設けないで、リング部材６のフック部６１のバネ反力のみによってリング部材６をフレーム７に支持する構造としてもよい。また、リング部材６のフレーム７への支持構造は、フック部６１によるものに限られず、リング部材の外周面が熱膨張によりフレームに接触するようなギャップを介してリング部材とフレームとを支持することができる支持構造であればどのようなものでもよい。例えば、図８に示すように、リング部材６Ａの外周面上端から径方向外側に突出する支持部としてのフランジ部６１Ａを設け、このようなリング部材６Ａをフレーム７Ａに挿入し、フランジ部６１Ａをフレーム７Ａにネジ止めしたり、接着することにより、リング部材６Ａをフレーム７Ａにギャップ８Ａを介して支持する構造としてもよい。
【００２１】
また、本実施の形態１のように、フレーム７に凹部７２を設けてリング部材６のフック部６１を凹部７２に嵌めて係止する構成とした場合、リング部材６の押圧力により凹部７２に対し局所的に応力が生じることが考えられる。このため、フレーム７の内周側に鉄を鋳込むなどすることで、フレーム７の強度を高くして、応力によりフレーム７に永久歪が生じることを防止することができる。
【００２２】
また、本実施の形態１では、フレーム７の内部に冷却媒体を流すための流路７１が設けられているが、流路を設ける場所はこれに限られるものではない。例えば、冷却媒体用の流路がフレームの外周面に設けられる構成であってもよく、フレームの近傍に流路を設けることでフレームを冷却することができればよい。また、フレームに冷却媒体用の流路が設けられていれば、非常に効率よく固定子やリング部材を冷却することができるが、フレームに冷却媒体用の流路が設けられていない場合であってもよく、フレームは外気と接触しているため、フレームとリング部材が接触することで、固定子やリング部材の冷却を行うことができる。
【００２３】
また、本実施の形態１では、固定子４は分割構造としたが、必ずしも分割構造の固定子を使用する必要はない。例えば分割構造でない一体型の環状鉄心から形成される固定子をリング部材に焼き嵌め後、リング部材とフレームとを微少なギャップを介して支持する構成としても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
なお、仮に、分割構造ではない一体型の環状鉄心から形成される固定子を使用する場合には、リング部材を設けない構成とすることもできる。リング部材を設けずに固定子を直接フレームにギャップを介して支持する構造とし、温度変化時に固定子が膨張して固定子の外周面がフレームと接触するようにすれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２における回転電機１Ｂのリング部材６Ｂの構成を示す斜視図である。リング部材６Ｂは上記実施の形態１のリング部材６の構成に加えてさらに支持部としての第２フック部６３を備えている。第２フック部６３は、フック部６１に比べて切起こす向きが９０度回転しており、本実施の形態２では、第２フック部６３はリング部材６Ｂの軸方向上端に設けられている。リング部材６Ｂを支持するフレーム７Ｂには、第２フック部６３に対応する位置に、第２フック部６３を係止するための第２凹部が設けられている。それ以外の構成については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
【００２５】
以上のように、本実施の形態２では、切起こし方向の異なる２種類のフック部６１と第２フック部６３が、フレーム７Ｂの凹部７２と第２凹部にそれぞれ嵌り係止されるため、上記実施の形態１の効果に加え、さらに回転電機１Ｂの駆動時におけるフレーム７Ｂに対するリング部材６Ｂの回り止めを強固に行うことができる。
【００２６】
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３における回転電機１Ｃのリング部材６Ｃの構成を示す斜視図である。本実施の形態３では、リング部材６Ｃをトレランスリングで形成している。トレランスリングはリング全体がバネ性を有する構造であり、ここではリング部材６Ｃの外周面に軸方向に伸びる複数の突起部６４が設けられたトレランスリングを採用している。フレーム７Ｃは、上記実施の形態１のリング部材６のような凹部７２は有しておらず、単純な薄肉筒状である。複数の突起部６４はリング部材６Ｃをフレーム７Ｃに支持する支持部としての役割をなし、支持部としての突起部６４がフレーム７Ｃの内周面と接して、リング部材６Ｃがフレーム７Ｃにギャップを介して支持される。それ以外の構成については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
【００２７】
以上のように、本実施の形態３では、リング部材６Ｃをトレランスリングとしているため、支持部としての突起部６４を含むリング全体がバネ性を有する構造である。従って、上記実施の形態１と同様の効果に加え、リング全体のバネ性により、フレーム７Ｃの加工精度による寸法のばらつきを吸収し、リング部材６とフレーム７Ｃの軸芯を容易に一致させることができる。このため組み立ても容易である。また、回転電機１Ｃの駆動時には振動を吸収し騒音を低減することができる。
【００２８】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４における回転電機１Ｄのリング部材６Ｄの構成を示す斜視図であり、図１２は、回転電機１Ｄの構成を模式的に示す部分断面図である。図１２は、回転電機１Ｄの回転軸２と直交する面で切断した断面であり、固定子４を構成する複数の固定子片のうち、一の固定子片４０の近傍を拡大している。
図に示すように、本実施の形態４のリング部材６Ｄは、上記実施の形態１のリング部材６と支持部の構成が異なっている。リング部材６Ｄの支持部６５は、リング部材６Ｄの外周面上に設けられた軸方向に延びる断面逆台形状の凸部の内周面側にあり溝６６が形成された形状である。例えば、薄肉の鉄板を断面略台形状となるように折り曲げ加工した後、円筒曲げをして、溶接部６２を溶接することで、支持部６５を有するリング部材６Ｄを形成することができる。本実施の形態４ではこのような支持部６５が３本形成されている。フレーム７Ｄの内周面は、上記実施の形態１のような凹部は設けられておらず、リング部材６Ｄの支持部６５の端面がフレーム７Ｄの内周面と接することで、リング部材６Ｄがフレーム７Ｄにギャップ８Ｄを介して支持される。なお、支持部６５の折り曲げ角度や、リング部材６Ｄの厚みを調整し、支持部６５に適度なバネ性を持たせた構造としてもよい。これ以外の構成については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
以上のように、本実施の形態４では、リング部材６Ｄ外周面に設けられた支持部６５は、軸方向に延びる断面逆台形状の凸部の内周面側にあり溝６６が形成された形状であるため、上記実施の形態１の効果に加え、支持部６５の端面とフレーム７Ｄとの接触による固定子片４０へかかる圧縮応力が、直接固定子片４０に伝わることを防止し、圧縮応力を固定子片４０の外周面全体に分散することができる。このため、局所的な圧縮応力の増加による回転電機１Ｄの磁気特性の低下を防止することができる。
なお、支持部６５の内周面側のあり溝６６に弾性部材を設置してもよく、弾性部材により支持部６５の強度を高め、リング部材６Ｄのフレーム７Ｄへの支持が確実となる。
図１２では、支持部６５の構成をわかりやすくするため、支持部６５を誇張して描いているが、ギャップ８Ｄは上記実施の形態１で述べたような微少なギャップであり、当然、リング部材６Ｄの熱膨張時にはリング部材６Ｄの外周面がフレーム７の内周面に接触し、フレーム７によりリング部材６Ｄの冷却が可能である。
なお、固定子片４０の外周面に設けられた切り欠き４１は、複数の固定子片４０を環状に配置する際に一般的によく使用される切り欠き４１である。本実施の形態４のように、リング部材６Ｄの支持部６５を切り欠き４１に対応する位置に設けることとすれば、支持部６５の端面とフレーム７との接触による固定子片４０への圧縮応力をより確実に分散することができる。
【００３０】
実施の形態５．
図１３は、この発明の実施の形態５における回転電機１Ｅの構成を模式的に示す部分断面図であり、回転電機１Ｅの回転軸２と直交する面で切断した断面である。固定子４を構成する複数の固定子片のうち、一の固定子片４０の近傍を拡大している。
本実施の形態５は上記実施の形態４の構造の変形例であり、リング部材６Ｅの形状は上記実施の形態４のリング部材６Ｄの形状と同じである。本実施の形態５では、フレーム７Ｅの内周面にリング部材６Ｅの支持部６５と嵌合するあり溝７３を設け、支持部６５をあり溝７３に嵌合させることで、リング部材６Ｅがフレーム７Ｅにギャップ８Ｅを介して支持される。
【００３１】
以上のように、本実施の形態５では、フレーム７Ｅにあり溝７３を設け、リング部材６Ｅの支持部６５とあり溝７３とが嵌合する。このため、上記実施の形態４の効果に加え、フレーム７Ｅに対するリング部材６Ｅの回り止めを強固に行うことができる。
なお、上記実施の形態５の変形例の回転電機１Ｆとして、例えば図１４のように、ギャップ８Ｆを、フレーム７Ｆのあり溝７３Ｆとリング部材６Ｆの支持部６５との間にも設ける構成としてもよい。この場合、リング部材６Ｆのフレーム７Ｆへの支持は、例えばリング部材６Ｆの外周面に上記実施の形態１で示したフック部を設けることにより行うことができる。
【００３２】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１，１Ｂ〜１Ｆ 回転電機、２ 回転軸、３ 回転子、４ 固定子、５ コイル、
６，６Ａ〜６Ｆ リング部材、７，７Ａ〜７Ｆ フレーム、
８，８Ａ，８Ｄ〜８Ｆ ギャップ、６１ 支持部としてのフック部、
６１Ａ 支持部としてのフランジ部、６３ 支持部としての第２フック部、
６４ 支持部としての突起部、６５ 支持部、７１ 流路、７２ 凹部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、回転電機の構造に関し、固定子を効率的に冷却し、かつ磁気特性の高い回転電機に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の交流モータは、ステータコイルが巻回された複数の独立したステータ片をリング状に配列して構成されたステータと、ステータが開口部に圧入固定されるステータ保持リングとを備え、ステータ保持リングとモータハウジングがネジ止め固定されている（例えば、特許文献１参照）。
また、従来の回転電動機は、円筒状のアルミ製のハウジングと、ハウジングの円筒内周面に固定配置された円筒状の鉄製スリーブと、鉄製スリーブの円筒内周面に密着するように固定配置された、磁性体からなる複数のステータ片を周方向に連続して配置してなる環状のステータを備え、鉄製スリーブはハウジングに対して焼き嵌めにより固定されている（例えば、特許文献２参照）。
また、従来の外被冷却形回転電機は、ステータフレームに冷却媒体通路を形成しており、ステータフレームの内径部はステータコアを保持する（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−０２５１８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２８４２６９号公報
【特許文献３】特開平０６−２６９１４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の交流モータは、ステータ保持リングとモータハウジングがネジ止め固定されており、ステータ保持リングの外周面とモータハウジングとの間には厚い空気層が介在している。このため、交流モータの駆動により温度が上昇したステータ、ステータ保持リングの放熱がされにくく、冷却が十分になされないという問題があった。
また、上記従来の回転電動機は、鉄製スリーブがハウジングに対して焼き嵌めにより固定されており、鉄製スリーブの外周面とハウジングの内周面が密着している。このため、回転電動機の駆動時の温度上昇により鉄製スリーブが熱膨張し、ハウジングと鉄製スリーブ間に圧縮の面圧が増加する。このため、鉄製スリーブの内周面に密着するように配置されたステータに圧縮応力が生じ、ステータの鉄損が増大して磁気特性が低下するという問題があった。
また、上記従来の外被冷却形回転電機は、ステータフレームに冷却媒体通路を形成している。このため、回転電機の駆動時には、ステータは温度上昇により熱膨張するのに対し、ステータフレームは冷却媒体により冷却されるため、ステータフレームとステータ間の面圧の増加が顕著であり、ステータの鉄損の増大による磁気特性の低下という問題があった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、固定子を効率よく冷却し、かつ磁気特性の高い回転電機を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係る回転電機は、回転軸を有し回転自在に配置される回転子と、上記回転子を囲むように配設されコイルが巻回された固定子と、上記固定子の外周側に上記固定子とギャップを介して配置されるフレームとを備えている。上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子の熱膨張により可変であり、上記固定子の熱膨張時に上記固定子の外周面が上記フレームに接触して冷却される。
【発明の効果】
【０００６】
この発明に係る回転電機は、回転軸を有し回転自在に配置される回転子と、上記回転子を囲むように配設されコイルが巻回された固定子と、上記固定子の外周側に上記固定子とギャップを介して配置されるフレームとを備え、上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子の熱膨張により可変であり、上記固定子の熱膨張時に上記固定子の外周面が上記フレームに接触して冷却される。このため、回転電機の駆動時の温度変化による固定子の熱膨張時に固定子を効率よく冷却でき、かつ、固定子とフレーム間の面圧の増加を抑制して固定子の鉄損の増大を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】この発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図である。
【図２】図１の部分Ａを拡大して示す部分拡大図である。
【図３】この発明の実施の形態１におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１におけるフレームの構成を示す斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１におけるフレームと固定子との温度変化に対する直径変化量を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態１におけるフレームと固定子との温度差と、締め代増加量との関係を示す図である。
【図７】この発明の実施の形態１における組み立て時のギャップ寸法とフレームに生じる円周応力との関係を示す図である。
【図８】この発明の実施の形態１におけるフレームとリング部材の支持構造の別例を模式的に示す斜視図である。
【図９】この発明の実施の形態２におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図１０】この発明の実施の形態３におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図１１】この発明の実施の形態４におけるリング部材の構成を示す斜視図である。
【図１２】この発明の実施の形態４における回転電機の構成を模式的に示す部分断面図である。
【図１３】この発明の実施の形態５における回転電機の構成を模式的に示す部分断面図である。
【図１４】この発明の実施の形態５における変形例の回転電機の構成を模式的に示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す断面図である。
図１に示すように、回転電機１は、回転軸２に取り付けられた回転子３と、回転子３の外周を囲むように配置される環状の固定子４を備えている。固定子４は材質を鉄とし、コイル５が巻回された複数の固定子片を環状に配列して構成された分割構造の固定子である。分割構造の固定子４は、外周側に固定子４の材質と同じ材質である鉄で形成された筒状で薄肉のリング部材６を備えており、リング部材６に対し固定子４が焼き嵌めされてリング部材６と固定子４とが同軸固定されている。リング部材６の外周側には円筒状に形成されたアルミ製のフレーム７が配置されている。フレーム７の内径はリング部材６の外径よりも大きい寸法に設定されてフレーム７にリング部材６が隙間嵌めされており、フレーム７の内周面とリング部材６の外周面との間には微少なギャップ８（図２参照）が設けられている。フレーム７の内部には冷却媒体を流すための流路７１が設けられ、回転電機１の駆動によりコイル５で発生する熱は、固定子４、リング部材６、フレーム７を介して、流路７１内を流通する冷却媒体により冷却される。
【０００９】
図２〜図４を参照し、固定子４、リング部材６、フレーム７の構成を詳細に説明する。図２は、図１の点線で囲んだ部分Ａを拡大して示す拡大図、図３はリング部材６の構成を示す斜視図、図４はフレーム７の構成を示す斜視図である。
上述の通り、固定子４は外周側にリング部材６を備え、固定子４は薄肉のリング部材６に焼き嵌めされて固定され、リング部材６の内周面と固定子４の外周面は密着している。なお、リング部材６は薄肉であるため熱容量が小さく、例えば誘導加熱などによって加熱することができ、加熱効率が高い。このため固定子４のリング部材６への焼き嵌めは、短時間で容易に行え、焼き嵌めをするための大型設備も不要である。焼き嵌めにより固定される固定子４とリング部材６は、共に材質を鉄としているため、熱膨張係数が一致する。このため、回転電機１の駆動時の温度変化に対し、固定子４とリング部材６とは同じように膨張、収縮し、固定子４とリング部材６との接合面に緩みが生じるようなことはない。なお、本実施の形態１ではリング部材６の材質は固定子４の材質と同じ鉄としているが、熱膨張係数が実質的に一致する材質とすればよく、これにより回転電機１の駆動時の温度変化に対する固定子４、リング部材６の膨張収縮により、両者の接合面に緩みが生じることを防止できる。また、本実施の形態１ではリング部材６と固定子４は焼き嵌めにより行われているが、圧入等の方法で行ってもよい。
【００１０】
リング部材６は、外周面から径方向外側に突出する支持部としてのフック部６１を備え、フック部６１は、軸方向に３個、径方向に４個、整列して配置されている。フック部６１は、リング部材６の一部に切り込みを入れ、切り込み部分を径方向外側に屈曲させた、切起こしにより形成されている。詳細には、フック部６１は、四角形の４辺のうち軸方向上側の辺を除く３辺に設けられた切り込み部分を起こして形成されている。このようにして設けられたフック部６１はバネ性を有している。リング部材６は、例えば、薄肉の鉄板にフック部６１を形成した後、鉄板を円筒曲げし、溶接部６２を溶接することで形成することができる。なお、フック部６１の配置位置や個数は上記例に限られず、必要に応じて適宜設定すればよい。また、フック部の形状も、必要に応じて変更すればよく、上述のように、鉄板にフック部６１を形成した後に円筒曲げをしてリング部材６を形成する方法であれば、リング部材６に複雑な形状のフック部を容易に設けることができる。
【００１１】
フレーム７の内周面には、リング部材６のフック部６１と対応する位置に凹部７２が設けられている。フレーム７にリング部材６が挿入されることでフック部６１が凹部７２に嵌まり係止され、リング部材６とフレーム７との軸方向および径方向の位置決めが同時に行われる。フック部６１のバネ性により、フック部６１の端部が凹部７２を径方向に押圧し、リング部材６がフレーム７に均一なギャップ８を介した状態で支持される。また、フック部６１のバネ性により、リング部材６やフレーム７の寸法のばらつきを吸収し、リング部材６とフレーム７の軸芯を容易に一致させることができる。回転電機１の駆動時には振動を吸収し騒音を低減することができる。
【００１２】
上述の通り、回転電機１を構成する固定子４や、リング部材６、フレーム７等の各部材の組み付け時には、フレーム７とリング部材６とがギャップ８を介して支持されているが、回転電機１の駆動時には、温度変化による固定子４やリング部材６やフレーム７の熱膨張によりギャップ８の寸法は変化するものである。ギャップ８の寸法は、固定子４等の各部材の温度が放熱が必要とされる温度範囲に達した時、リング部材６の外周面がフレーム７の内周面に密着しリング部材６の冷却が可能となるような寸法に設定されている。ギャップ８の寸法の設定について以下で検討する。
【００１３】
ここでは、ギャップ８の寸法を、仮に、回転電機１の組み付け時にリング部材６外周面とフレーム７の内周面とが接触している場合、すなわちギャップ寸法０で支持されていると想定した場合の、温度変化によるリング部材６とフレーム７との締め代増加量に基づいて考える。ここで、リング部材６とフレーム７との締め代とは、リング部材６の外径とフレーム７の内径との差を指す。リング部材６とフレーム７とがギャップ寸法０で支持されている時に締め代０であり、温度変化によりリング部材６とフレーム７が熱膨張することで締め代が増加する。以下の検討例でこの締め代の増加量を求める。
検討例として、固定子４の寸法が内径Φ１７３ｍｍ、外径Φ２００ｍｍ、フレーム７の寸法が内径Φ２０４ｍｍ、外径Φ２１６ｍｍ、リング部材６が厚み２ｍｍとした回転電機１を採用し、締め代増加量を求める。なお、フレーム７の材料であるアルミの線膨張率は２．１×１０−５し、リング部材６や固定子４の材料である鉄の線膨張率は１．３×１０−５とする。また、回転電機１の組み付け時の温度を２０℃とし、回転電機１の駆動時におけるフレーム７の想定温度を−３０℃から４０℃までとする。
図５は、フレーム７と固定子４との温度変化に対する直径変化量を示す図である。なお、固定子４とリング部材６とは同じ材料である鉄により形成され、かつ焼き嵌めにより一体に固定されているため、固定子４の温度とリング部材６の温度は同じになるものとし、固定子４の直径変化量はリング部材６の厚みも含む直径変化量とする。回転電機１の組み付け時の温度である２０℃を基準とし、温度２０℃でフレーム７、固定子４ともに直径変化量が０である。例えばフレーム７が４０℃、固定子４が１００℃の場合の両者の直径変化量の差Ａは約０．１２ｍｍ、フレーム７が−３０℃、固定子４が３０℃の場合の両者の直径変化量の差Ｂは約０．２４ｍｍとなる。
【００１４】
上述の通り、組み付け時にリング部材６とフレーム７とがギャップ寸法０で支持されていると想定した場合、図５で説明したフレーム７と固定子４との直径変化量の差が、温度変化時のリング部材６とフレーム７との締め代増加量となる。図６に、フレーム７が−３０℃の場合（図中上側実線）と４０℃の場合（図中下側実線）における、フレーム７と固定子４との温度差と、締め代増加量との関係を示す。例えば、図６中のＣ点は、フレーム７が４０℃、固定子４が１００℃の時、締め代増加量が約０．１２ｍｍであることを示している。また、図６中Ｄ点はフレーム７が−３０℃、固定子４が３０℃の時、締め代増加量が約０．２４ｍｍであることを示している。
ここで、回転電機１の内部部品の耐熱性等を考慮し、放熱が必要と想定される範囲をフレーム７と固定子４の温度差が６０℃以上とし、上限は温度差１００℃とする。その範囲を図６中斜線で示す。斜線で示す範囲内で、締め代増加量が最小となるのは、図６中のＣ点であり、上述の通り、フレーム７が４０℃、固定子４が１００℃、締め代増加量は約０．１２ｍｍである。
この検討例の検討結果から、本実施の形態１において、放熱が必要とされる温度範囲において、フレーム７の内周面にリング部材６の外周面が密着するようなギャップ８の寸法を最大値は０．１２ｍｍと設定することができる。すなわち、ギャップ８の寸法を０．１２ｍｍ以下とすれば、放熱が必要と想定される全範囲でリング部材６の外周面が冷却媒体用の流路７１を備えたフレーム７に接触して、固定子４およびリング部材６の冷却が効果的に行われる。
【００１５】
一方、図６において、放熱が必要と想定される斜線の範囲内で、締め代増加量が最大となるのは、図６中Ｅ点である。Ｅ点はフレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の時であり、締め代増加量は約０．３４ｍｍである。締め代増加量が最大となるということは、この時にフレーム７とリング部材６との間の面圧が最も増大するということである。
そこで、図７で、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の場合における、組み立て時のギャップ寸法とフレーム７に生じる円周応力との関係を実線で示す。図６のＧ点において締め代増加量が約０．３４ｍｍであったことから、組み立て時のギャップ寸法が０．３４ｍｍであればフレーム７に生じる円周応力は０であり、仮に組み立て時のギャップ寸法が０の場合には、ほぼ１００ＭＰａの円周応力がフレーム７に生じる。
フレーム７が例えばＡＤＣ材（アルミニウムダイカスト材）であるとすると、円周応力に対する耐力は１８０ＭＰａである。安全率２以上で使用する場合、つまりフレーム７にかかる円周応力を９０ＭＰａ（図７中点線Ｆで示す）以下とする場合、組み立て時のギャップ寸法を０．０３ｍｍ以上にすれば良い。
ここで、ギャップ寸法を０．０３ｍｍと設定し、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の時に、固定子４の外周面に生じる圧縮応力を計算すると約７５ＭＰａである。なお、この圧縮応力は、固定子４をリング部材６に焼き嵌めすることにより生じる面圧と、温度上昇時の各部材の熱膨張によりフレーム７から受ける面圧とによるものである。
比較例として、仮に、内径Φ１７３ｍｍ、外径Φ２００ｍｍの固定子を、内径２００ｍｍ、外径２１６ｍｍのフレームに直接焼き嵌めしている回転電機の場合、フレームが−３０℃、固定子が７０℃の時のフレームに生じる円周応力は約１７５ＭＰａ（図７中一点鎖線Ｇで示す）であり、本実施の形態１の構成でギャップ寸法を０．０３ｍｍとした場合のフレーム７にかかる円周応力の値は、比較例に比べて非常に小さいことがわかる。そしてこの比較例の場合における固定子外周面に生じる圧縮応力を計算すると約１０７ＭＰａであり、固定子外周面の圧縮応力の値も、本実施の形態１の構成でギャップ寸法を０．０３ｍｍとした場合の方が、比較例の場合よりも低いことがわかる。なお、比較例の場合の圧縮応力は、固定子をフレームに焼き嵌めすることにより生じる面圧と、温度上昇時の各部材の熱膨張によりフレームから受ける面圧とによるものである。
このように、ギャップ８の寸法を０．０３ｍｍ以上とすることで、温度上昇時でも、フレーム７に過剰な円周応力を生じさせることがなく、固定子４外周面の圧縮応力の増加を抑制できる。
【００１６】
以上の検討結果から、本実施の形態１の構成において、ギャップ寸法を０．０３ｍｍ以上０．１２ｍｍ以下とすることで、放熱が必要と想定される全範囲でリング部材６の外周面がフレーム７の内周面に接触して効果的に冷却を行うことができるとともに、固定子４やリング部材６、フレーム７の熱膨張による固定子４外周面の圧縮応力の増加を抑制することができる。本検討例において、例えばギャップ寸法を０．０３ｍｍと設定する場合は、上記厚さ２ｍｍのリング部材６の外周面を０．０３ｍｍ研磨加工することにより、リング部材６とフレーム７との間に０．０３ｍｍのギャップ８を設けることができる。
なお、上記検討では、ギャップ寸法を設定するための条件として、例えば回転電機１の駆動時におけるフレーム７の想定温度を−３０℃から４０℃としたり、放熱が必要と想定される範囲をフレーム７と固定子４の温度差が６０℃以上１００℃以下と設定したが、これらの条件は、回転電機１の動作環境や使用目的により適宜変更すればよい。
【００１７】
ここで、リング部材６の最適な厚みについて説明する。
本実施の形態１の構成は、固定子４がリング部材６に焼き嵌めされるため、固定子４の外周面には焼き嵌めによる面圧がかかり、リング部材６の厚みが大きくなるほど、固定子４の焼き嵌めによる面圧が増大する。上記検討例において、ギャップ８の寸法が０．０３ｍｍ、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の時の固定子４外周面に生じる圧縮応力は約７５ＭＰａであったが、この圧縮応力は、固定子４をリング部材６に焼き嵌めすることによる面圧と、温度上昇時の各部材の熱膨張によりフレーム７から受ける面圧とによるものである。このため、焼き嵌めによる面圧が増大すると、固定子４外周面の圧縮応力も増大する。そこで、ギャップ寸法０．０３ｍｍ、フレーム７が−３０℃、固定子４が７０℃の条件で、リング部材６の厚みを徐々に増大させ、固定子４の圧縮応力を求めたところ、固定子４の外径Φ２００ｍｍに対してリング部材６の厚みを５ｍｍ、すなわちリング部材６の厚みを固定子４の外径の２．５％とした場合、固定子４の外周面に生じる圧縮応力が比較例の場合とほぼ同じ値となった。これにより、リング部材６の最適な厚みは固定子４の外径の２．５％以下である。
【００１８】
以上のように、本実施の形態１では、リング部材６とフレーム７とがギャップ８を介して配置され、温度変化によるリング部材６の熱膨張によりギャップ８の寸法は可変であり、この寸法変化によりリング部材６の外周面がフレーム７に接触して冷却される構成である。
このため、放熱が必要な時には、固定子４、リング部材６の冷却を効率的に行うことができ、加えて、固定子４やリング部材６やフレーム７の熱膨張による固定子４の外周面の圧縮応力の増加を抑制して固定子４の鉄損の増加を防止し、回転電機１の磁気特性の向上を図ることができる。また、フレーム７に過剰な円周応力を生じさせないため、回転電機１の耐久性も向上する。また、リング部材６の外周面とフレーム７が接触することにより、回転電機１の駆動時におけるリング部材６の回り止めの効果も得ることができる。
また、リング部材６とフレーム７とは、焼き嵌めや圧入で固定されるのではなく、ギャップ８を介した隙間嵌めで支持されるので、従来必要であった、焼き嵌めや圧入のための大型の設備が不要でとなり、設備の環境負荷を低減することができる。
【００１９】
また、リング部材６のフレーム７への支持を、リング部材６に設けられたバネ構造のフック部６１とフレーム７に設けられた凹部７２により行うため、簡単な構成でリング部材６をフレーム７に均一なギャップ８を介して支持することができる。また、リング部材６とフレーム７との軸方向および径方向の位置決めも容易である。また、回転電機１の駆動時におけるフレーム７に対するリング部材６の回り止めも確実に行える。
さらに、フック部６１がバネ構造を有することにより、リング部材６やフレーム７の加工精度による寸法のばらつきを吸収し、リング部材６とフレーム７の軸芯を容易に一致させることができる。回転電機１の駆動時には振動を吸収し騒音を低減することもできる。
【００２０】
なお、本実施の形態１ではフレーム７に凹部７２を設けてリング部材６のフック部６１を凹部７２に嵌めて係止する構成としたが、フレーム７に凹部７２を設けないで、リング部材６のフック部６１のバネ反力のみによってリング部材６をフレーム７に支持する構造としてもよい。また、リング部材６のフレーム７への支持構造は、フック部６１によるものに限られず、リング部材の外周面が熱膨張によりフレームに接触するようなギャップを介してリング部材とフレームとを支持することができる支持構造であればどのようなものでもよい。例えば、図８に示すように、リング部材６Ａの外周面上端から径方向外側に突出する支持部としてのフランジ部６１Ａを設け、このようなリング部材６Ａをフレーム７Ａに挿入し、フランジ部６１Ａをフレーム７Ａにネジ止めしたり、接着することにより、リング部材６Ａをフレーム７Ａにギャップ８Ａを介して支持する構造としてもよい。
【００２１】
また、本実施の形態１のように、フレーム７に凹部７２を設けてリング部材６のフック部６１を凹部７２に嵌めて係止する構成とした場合、リング部材６の押圧力により凹部７２に対し局所的に応力が生じることが考えられる。このため、フレーム７の内周側に鉄を鋳込むなどすることで、フレーム７の強度を高くして、応力によりフレーム７に永久歪が生じることを防止することができる。
【００２２】
また、本実施の形態１では、フレーム７の内部に冷却媒体を流すための流路７１が設けられているが、流路を設ける場所はこれに限られるものではない。例えば、冷却媒体用の流路がフレームの外周面に設けられる構成であってもよく、フレームの近傍に流路を設けることでフレームを冷却することができればよい。また、フレームに冷却媒体用の流路が設けられていれば、非常に効率よく固定子やリング部材を冷却することができるが、フレームに冷却媒体用の流路が設けられていない場合であってもよく、フレームは外気と接触しているため、フレームとリング部材が接触することで、固定子やリング部材の冷却を行うことができる。
【００２３】
また、本実施の形態１では、固定子４は分割構造としたが、必ずしも分割構造の固定子を使用する必要はない。例えば分割構造でない一体型の環状鉄心から形成される固定子をリング部材に焼き嵌め後、リング部材とフレームとを微少なギャップを介して支持する構成としても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
なお、仮に、分割構造ではない一体型の環状鉄心から形成される固定子を使用する場合には、リング部材を設けない構成とすることもできる。リング部材を設けずに固定子を直接フレームにギャップを介して支持する構造とし、温度変化時に固定子が膨張して固定子の外周面がフレームと接触するようにすれば、上記実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００２４】
実施の形態２．
図９は、この発明の実施の形態２における回転電機１Ｂのリング部材６Ｂの構成を示す斜視図である。リング部材６Ｂは上記実施の形態１のリング部材６の構成に加えてさらに支持部としての第２フック部６３を備えている。第２フック部６３は、フック部６１に比べて切起こす向きが９０度回転しており、本実施の形態２では、第２フック部６３はリング部材６Ｂの軸方向上端に設けられている。リング部材６Ｂを支持するフレーム７Ｂには、第２フック部６３に対応する位置に、第２フック部６３を係止するための第２凹部が設けられている。それ以外の構成については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
【００２５】
以上のように、本実施の形態２では、切起こし方向の異なる２種類のフック部６１と第２フック部６３が、フレーム７Ｂの凹部７２と第２凹部にそれぞれ嵌り係止されるため、上記実施の形態１の効果に加え、さらに回転電機１Ｂの駆動時におけるフレーム７Ｂに対するリング部材６Ｂの回り止めを強固に行うことができる。
【００２６】
実施の形態３．
図１０は、この発明の実施の形態３における回転電機１Ｃのリング部材６Ｃの構成を示す斜視図である。本実施の形態３では、リング部材６Ｃをトレランスリングで形成している。トレランスリングはリング全体がバネ性を有する構造であり、ここではリング部材６Ｃの外周面に軸方向に伸びる複数の突起部６４が設けられたトレランスリングを採用している。フレーム７Ｃは、上記実施の形態１のリング部材６のような凹部７２は有しておらず、単純な薄肉筒状である。複数の突起部６４はリング部材６Ｃをフレーム７Ｃに支持する支持部としての役割をなし、支持部としての突起部６４がフレーム７Ｃの内周面と接して、リング部材６Ｃがフレーム７Ｃにギャップを介して支持される。それ以外の構成については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
【００２７】
以上のように、本実施の形態３では、リング部材６Ｃをトレランスリングとしているため、支持部としての突起部６４を含むリング全体がバネ性を有する構造である。従って、上記実施の形態１と同様の効果に加え、リング全体のバネ性により、フレーム７Ｃの加工精度による寸法のばらつきを吸収し、リング部材６とフレーム７Ｃの軸芯を容易に一致させることができる。このため組み立ても容易である。また、回転電機１Ｃの駆動時には振動を吸収し騒音を低減することができる。
【００２８】
実施の形態４．
図１１は、この発明の実施の形態４における回転電機１Ｄのリング部材６Ｄの構成を示す斜視図であり、図１２は、回転電機１Ｄの構成を模式的に示す部分断面図である。図１２は、回転電機１Ｄの回転軸２と直交する面で切断した断面であり、固定子４を構成する複数の固定子片のうち、一の固定子片４０の近傍を拡大している。
図に示すように、本実施の形態４のリング部材６Ｄは、上記実施の形態１のリング部材６と支持部の構成が異なっている。リング部材６Ｄの支持部６５は、リング部材６Ｄの外周面上に設けられた軸方向に延びる断面逆台形状の凸部の内周面側にあり溝６６が形成された形状である。例えば、薄肉の鉄板を断面略台形状となるように折り曲げ加工した後、円筒曲げをして、溶接部６２を溶接することで、支持部６５を有するリング部材６Ｄを形成することができる。本実施の形態４ではこのような支持部６５が３本形成されている。フレーム７Ｄの内周面は、上記実施の形態１のような凹部は設けられておらず、リング部材６Ｄの支持部６５の端面がフレーム７Ｄの内周面と接することで、リング部材６Ｄがフレーム７Ｄにギャップ８Ｄを介して支持される。なお、支持部６５の折り曲げ角度や、リング部材６Ｄの厚みを調整し、支持部６５に適度なバネ性を持たせた構造としてもよい。これ以外の構成については上記実施の形態１と同様であり、同一符号を付して説明を省略する。
【００２９】
以上のように、本実施の形態４では、リング部材６Ｄ外周面に設けられた支持部６５は、軸方向に延びる断面逆台形状の凸部の内周面側にあり溝６６が形成された形状であるため、上記実施の形態１の効果に加え、支持部６５の端面とフレーム７Ｄとの接触による固定子片４０へかかる圧縮応力が、直接固定子片４０に伝わることを防止し、圧縮応力を固定子片４０の外周面全体に分散することができる。このため、局所的な圧縮応力の増加による回転電機１Ｄの磁気特性の低下を防止することができる。
なお、支持部６５の内周面側のあり溝６６に弾性部材を設置してもよく、弾性部材により支持部６５の強度を高め、リング部材６Ｄのフレーム７Ｄへの支持が確実となる。
図１２では、支持部６５の構成をわかりやすくするため、支持部６５を誇張して描いているが、ギャップ８Ｄは上記実施の形態１で述べたような微少なギャップであり、当然、リング部材６Ｄの熱膨張時にはリング部材６Ｄの外周面がフレーム７の内周面に接触し、フレーム７によりリング部材６Ｄの冷却が可能である。
なお、固定子片４０の外周面に設けられた切り欠き４１は、複数の固定子片４０を環状に配置する際に一般的によく使用される切り欠き４１である。本実施の形態４のように、リング部材６Ｄの支持部６５を切り欠き４１に対応する位置に設けることとすれば、支持部６５の端面とフレーム７との接触による固定子片４０への圧縮応力をより確実に分散することができる。
【００３０】
実施の形態５．
図１３は、この発明の実施の形態５における回転電機１Ｅの構成を模式的に示す部分断面図であり、回転電機１Ｅの回転軸２と直交する面で切断した断面である。固定子４を構成する複数の固定子片のうち、一の固定子片４０の近傍を拡大している。
本実施の形態５は上記実施の形態４の構造の変形例であり、リング部材６Ｅの形状は上記実施の形態４のリング部材６Ｄの形状と同じである。本実施の形態５では、フレーム７Ｅの内周面にリング部材６Ｅの支持部６５と嵌合するあり溝７３を設け、支持部６５をあり溝７３に嵌合させることで、リング部材６Ｅがフレーム７Ｅにギャップ８Ｅを介して支持される。
【００３１】
以上のように、本実施の形態５では、フレーム７Ｅにあり溝７３を設け、リング部材６Ｅの支持部６５とあり溝７３とが嵌合する。このため、上記実施の形態４の効果に加え、フレーム７Ｅに対するリング部材６Ｅの回り止めを強固に行うことができる。
なお、上記実施の形態５の変形例の回転電機１Ｆとして、例えば図１４のように、ギャップ８Ｆを、フレーム７Ｆのあり溝７３Ｆとリング部材６Ｆの支持部６５との間にも設ける構成としてもよい。この場合、リング部材６Ｆのフレーム７Ｆへの支持は、例えばリング部材６Ｆの外周面に上記実施の形態１で示したフック部を設けることにより行うことができる。
【００３２】
なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１，１Ｂ〜１Ｆ 回転電機、２ 回転軸、３ 回転子、４ 固定子、５ コイル、
６，６Ａ〜６Ｆ リング部材、７，７Ａ〜７Ｆ フレーム、
８，８Ａ，８Ｄ〜８Ｆ ギャップ、６１ 支持部としてのフック部、
６１Ａ 支持部としてのフランジ部、６３ 支持部としての第２フック部、
６４ 支持部としての突起部、６５ 支持部、７１ 流路、７２ 凹部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸を有し回転自在に配置される回転子と、
上記回転子を囲むように配設されコイルが巻回された固定子と、
上記固定子の外周側に上記固定子とギャップを介して配置されるフレームとを備え、
上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子の熱膨張により可変であり、上記固定子の熱膨張時に上記固定子の外周面が上記フレームに接触して冷却されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記固定子は外周側に上記固定子が固定される筒状のリング部材を備え、上記リング部材と上記フレームとが上記ギャップを介して配置され、
上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子と上記リング部材との熱膨張により可変であり、上記固定子と上記リング部材との熱膨張時に上記リング部材の外周面が上記フレームに接触して冷却されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
上記リング部材は外周面から突出する支持部を備え、上記支持部が上記フレームに接することにより上記リング部材が上記フレームに上記ギャップを介して支持されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
上記支持部は上記フレームを径方向に押圧するバネ構造を有することを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
上記支持部は上記リング部材の一部を切起こして設けられたフック部であることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
【請求項６】
上記フレームの内周面には上記支持部を係止するための凹部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
【請求項７】
上記リング部材はトレランスリングであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機。
【請求項８】
上記リング部材の材質は上記固定子の材質と同じであることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項９】
上記リング部材の厚みは上記固定子の外径の２．５％以下の厚みであることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１０】
上記フレームは冷却媒体が流れる流路を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１】
回転軸を有し回転自在に配置される回転子と、
上記回転子を囲むように配設されコイルが巻回された固定子と、
上記固定子の外周側に上記固定子とギャップを介して配置されるフレームとを備え、
上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子の熱膨張により可変であり、上記固定子の熱膨張時に上記固定子の外周面が上記フレームに接触して冷却されることを特徴とする回転電機。
【請求項２】
上記固定子は外周側に上記固定子が固定される筒状のリング部材を備え、上記リング部材と上記フレームとが上記ギャップを介して配置され、
上記ギャップ寸法は温度変化による上記固定子と上記リング部材との熱膨張により可変であり、上記固定子と上記リング部材との熱膨張時に上記リング部材の外周面が上記フレームに接触して冷却されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
上記リング部材は外周面から突出する支持部を備え、上記支持部が上記フレームに接することにより上記リング部材が上記フレームに上記ギャップを介して支持されることを特徴とする請求項２に記載の回転電機。
【請求項４】
上記支持部は上記フレームを径方向に押圧するバネ構造を有することを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
上記支持部は上記リング部材の一部を切起こして設けられたフック部であることを特徴とする請求項４に記載の回転電機。
【請求項６】
上記フレームの内周面には上記支持部を係止するための凹部が形成されていることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
【請求項７】
上記リング部材はトレランスリングであることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の回転電機。
【請求項８】
上記リング部材の材質は上記固定子の材質と同じであることを特徴とする請求項２ないし請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項９】
上記リング部材の厚みは上記固定子の外径の２．５％以下の厚みであることを特徴とする請求項２ないし請求項８のいずれか１項に記載の回転電機。
【請求項１０】
上記フレームは冷却媒体が流れる流路を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の回転電機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−９０４０５（Ｐ２０１３−９０４０５Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２７７７４（Ｐ２０１１−２２７７７４）
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月１７日（２０１１．１０．１７）
【出願人】（０００００６０１３）三菱電機株式会社 (33,312)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]