(57)【要約】【課題】発電時に所望される定格電圧を得るための界磁電流を抑制しつつ、固定子側で生じる電圧の線間電圧ひずみ率を抑制できる回転電機を提供する。【解決手段】回転子１０の軸方向で見たとき、磁極頭部４２は、磁極胴部４１の周方向の中心を通って径方向に延びる磁極中心軸ｄに対する直交方向Ｐｄを向く側面４２Ｓを有している。側面４２Ｓを構成する端縁ＰＩ，ＰＥのうちの磁極胴部４１側の端縁ＰＩが、磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥよりも磁極中心軸ｄに近い位置に形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁極鉄心に界磁コイルが巻き回された磁極を有し、当該磁極が固定子に向けて突出する突極型の回転子を備え、
前記磁極鉄心は、前記界磁コイルが巻き回される磁極胴部と、前記磁極胴部における前記固定子側の端部に接続される磁極頭部と、を有し、
前記回転子の軸方向で見たとき、前記磁極頭部は、前記磁極胴部の周方向の中心を通って径方向に延びる磁極中心軸に対する直交方向を向く側面を有しており、
前記側面を構成する端縁のうちの前記磁極胴部側の端縁（ＰＩ）が、前記磁極胴部側とは反対側の端縁（ＰＥ）よりも前記磁極中心軸に近い位置に形成されている、回転電機。
【請求項２】
前記直交方向で前記磁極中心軸から最も離れる前記側面における先端部は、前記磁極中心軸からの電気角が６５度以上８０度以下となる範囲に位置している、請求項１に記載の回転電機。
【請求項３】
前記側面は、前記磁極中心軸に平行な方向における前記磁極胴部側の端縁と前記磁極胴部側とは反対側の端縁との間に、前記磁極中心軸の側へ凹となる窪み部を有している、請求項１又は２に記載の回転電機。
【請求項４】
前記磁極中心軸の側へ向けた前記窪み部の最深位置を含む底面の前記固定子側の端点又は最深位置から、前記磁極頭部の前記固定子側の面までの前記磁極頭部の厚さが、前記磁極胴部の外周面と前記磁極頭部との接続位置から、前記磁極頭部の前記固定子側の面までの前記磁極頭部の厚さに対して、６０％未満である、請求項３に記載の回転電機。
【請求項５】
前記窪み部は、前記直交方向で前記磁極中心軸から離れるに従い前記固定子に近づく傾斜面を有している、請求項３又は４に記載の回転電機。
【請求項６】
前記磁極頭部は、前記磁極胴部に対する張り出し部分に、当該張り出し部分における磁気抵抗を増加させる非磁性体部を有している、請求項１乃至５のいずれかに記載の回転電機。
【請求項７】
前記非磁性体部は、前記磁極中心軸からの電気角が５０度以上７０度以下となる範囲に設けられている、請求項６に記載の回転電機。
【請求項８】
前記非磁性体部は、前記張り出し部分の前記固定子側の面から凹となる切欠きである、請求項６又は７に記載の回転電機。
【請求項９】
前記非磁性体部は、前記張り出し部分の前記固定子側とは反対側の面から凹となる切欠きである、請求項６又は７に記載の回転電機。
【請求項１０】
前記非磁性体部は、前記張り出し部分の内部に形成された空所である、請求項６又は７に記載の回転電機。
【請求項１１】
前記磁極胴部は、その外周面と前記磁極頭部との接続位置から前記磁極中心軸の側へ凹となる応力緩和溝を有している、請求項１乃至１０のいずれかに記載の回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電機や電動機などの回転電機は、回転軸を有する回転子と、固定子とを備える。回転電機は、インナロータ型とアウタロータ型とに大別され、このうちインナロータ型の回転電機では、固定子が、回転子を囲む筒状の固定子鉄心と、この固定子鉄心の内周側に保持された固定子コイルとを有する。回転子には円筒型と突極型とがあり、突極型回転子は固定子に向けて突出する磁極を有する。
【０００３】
水車発電機などの低速発電機では、多くの場合、突極型回転子が採用される。突極型回転子の磁極は、例えばヨークから径方向の外側に突出する磁極鉄心と、磁極鉄心に巻き回される界磁コイルとを有する。一般に、磁極鉄心は複数の積層鉄心を積層することで形成され、積層鉄心は薄板状の電磁鋼板を所望の形状に打ち抜くことで形成されている。
【０００４】
図１４は、一般的な突極型回転子を備える回転電機の径方向に沿う断面図である。この回転電機は、回転子１０と、回転子１０を径方向の外側から囲む固定子１００とを備える。回転子１０は、図示省略した回転軸に対し径方向の外側に配置された円環状のヨーク２０と、ヨーク２０の外周面から径方向の外側に突出する複数の磁極３０’とを含む。複数の磁極３０’は周方向に等間隔を空けて配置され、各磁極３０’は、ヨーク２０に固定された磁極鉄心４０と、磁極鉄心４０に巻き回された界磁コイル５０とを有している。一方、固定子１００は、円筒状の固定子鉄心１０１を備える。固定子鉄心１０１の内周面には周方向に並ぶ複数のスロット１０２が形成され、スロット１０２内には固定子コイル１０３が保持されている。
【０００５】
図１５は、図１４に示した磁極３０’を拡大して示している。磁極３０’の磁極鉄心４０は詳しくは、径方向の内側の端部でヨーク２０に固定されるとともにヨーク２０から径方向の外側に突出する磁極胴部４１と、磁極胴部４１の径方向の外側の端部（すなわち固定子１００側の端部）に接続される磁極頭部４２とを有し、磁極頭部４２は、磁極胴部４１の突出方向に対する直交方向で磁極胴部４１から張り出している。界磁コイル５０は磁極胴部４１に巻き回されており、磁極頭部４２が磁極胴部４１に対して張り出すことで界磁コイル５０の径方向外側への移動が規制されている。
【０００６】
磁極胴部４１における周方向（厳密に言うと、回転子１０の周方向）の中心を通って径方向に延びる軸は、磁極中心軸と呼ばれ、周方向に隣り合う磁極間の中心を通って径方向に延びる軸は、胴体間中心軸と呼ばれる場合がある。図１５において磁極中心軸は、符号ｄで示され、胴体間中心軸は、符号ｑで示されている。磁極中心軸は一般にｄ軸と呼ばれ、胴体間中心軸は一般にｑ軸と呼ばれる。隣り合うｄ軸とｑ軸とがなす角度は、磁極の極数によらず電気角で常に９０度となる。
【０００７】
このような回転電機を発電機として機能させる場合には、例えば水車によって回転子１０を回転させ、この際、回転子１０の界磁コイル５０に電流を供給することで磁極３０’から固定子鉄心１０１に向かう磁束を発生させる。これにより、回転子１０の軸方向で見た際に、固定子コイル１０３により形成されるループの中を磁極３０’からの磁束が横切ることで、固定子コイル１０３に誘導電流が流れ、その結果、発電が行われる。
【０００８】
ところで、図１６は、図１５をさらに拡大して示している。この磁極３０’では、回転子１０の軸方向で見たときに、磁極頭部４２が磁極中心軸ｄに対する直交方向で磁極中心軸ｄの側とは反対側を向く側面４２Ｓを有しており、この側面４２Ｓは、固定子１００に近づくに従い磁極中心軸ｄに近づく傾斜状を有している。より詳細に説明すると、側面４２Ｓは磁極頭部４２において固定子１００側を向く一定の曲率で形成された外面の端縁から胴体間中心軸ｑの側に延びる面であって、磁極中心軸ｄに対する直交方向で磁極中心軸ｄの側とは反対側を向く。この側面４２Ｓの磁極胴部４１側の端縁ＰＩから磁極中心軸ｄまでの長さＢは、磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥから磁極中心軸ｄまでの長さＡよりも長くなっている。
【０００９】
上記の形状によれば、磁極３０’からの磁束分布が正弦波の山部分の形状に近づくことで、発電時に固定子１００側で生じる電圧が正弦波に近づき、発電される電力の線間電圧ひずみ率を抑制することができる。なお、線間電圧ひずみ率は、発電時の電圧の波形が正弦波に一致する程度（レベル）を評価する指標であり、その値が大きいほど、正弦波に対して大きく歪んでいることを示す。線間電圧ひずみ率は、線間端子電圧ひずみ率と呼ばれる場合もある。
【００１０】
このような突極型回転子の磁極に関連する技術としては、例えば磁極頭部の周方向の外側の部分を径方向の外側から内側に向けて大きく切欠くことで、磁極頭部と固定子との間の空隙の周方向外側部分を磁極頭部の中心側に対して大幅に大きくする構造を有する磁極が知られている。このような磁極においても、線間電圧ひずみ率の抑制を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１６６１３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
図１４乃至図１６に示した回転電機では、磁極頭部４２の固定子１００側の外面が曲面であり、この外面の曲率は固定子鉄心１０１の内周面の曲率よりも大きくなっている。そのため、磁極頭部４２と固定子１００との間の空隙が磁極中心軸ｄから胴体間中心軸ｑへ向かうに従い大きくなる。また、上記外面に接続される側面４２Ｓは固定子１００から更に大きく離れるため、空隙は側面４２Ｓの始点（磁極中心軸ｄ側の端点）から終点（胴体間中心軸ｑ側の端点）にかけて急激に大きくなる。その結果、空隙における磁気抵抗が特に磁極頭部４２の張り出し部分の先端側で大きくなることで、発電時に所望される定格電圧を得るために界磁コイル５０に通電する定格界磁電流が増加し、界磁銅損が大きくなるという問題がある。
【００１３】
この問題に対し、磁極頭部４２の外面の曲率を固定子鉄心１０１の内周面の曲率と等しくすれば、空隙の磁気抵抗を小さくできる。しかしながら、この場合には、磁極３０’からの磁束が台形状になるため、線間電圧ひずみ率が大きくなる虞がある。
【００１４】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、発電時に所望される定格電圧を得るための界磁電流を抑制しつつ、固定子側で生じる電圧の線間電圧ひずみ率を抑制できる回転電機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】
【００１５】
実施の形態にかかる回転電機は、磁極鉄心に界磁コイルが巻き回された磁極を有し、当該磁極が固定子に向けて突出する突極型の回転子を備える。前記磁極鉄心は、前記界磁コイルが巻き回される磁極胴部と、前記磁極胴部における前記固定子側の端部に接続される磁極頭部と、を有する。前記回転子の軸方向で見たとき、前記磁極頭部は、前記磁極胴部の周方向の中心を通って径方向に延びる磁極中心軸に対する直交方向を向く側面を有している。前記側面を構成する端縁のうちの前記磁極胴部側の端縁（ＰＩ）が、前記磁極胴部側とは反対側の端縁（ＰＥ）よりも前記磁極中心軸に近い位置に形成されている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、発電時に所望される定格電圧を得るための界磁電流を抑制しつつ、固定子側で生じる電圧の線間電圧ひずみ率を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子と固定子とを拡大して示した断面図である。
【図２Ａ】図１に示す回転電機における回転子の磁極から固定子に向かう磁束の流れを示す図である。
【図２Ｂ】一般的な回転電機における回転子の磁極から固定子に向かう磁束の流れを示す図である。
【図３】図１に示す回転電機における磁極の磁極頭部の端部位置に対応する電気角と、線間電圧ひずみ率及び界磁銅損との関係を表すグラフを示した図である。
【図４】第２の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図５】図４に示す回転子の磁極における磁極頭部の窪み部よりも固定子側の部分の厚さの磁極頭部の全体厚さに対する比率と、線間電圧ひずみ率との関係を表すグラフを示した図である。
【図６】第３の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図７】第４の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図８】第５の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図９】図８に示した回転電機における電気角と回転子の磁極からの磁束密度との関係、及び、図７に示した回転電機における電気角と回転子の磁極からの磁束密度との関係を表すグラフを示した図である。
【図１０】図８に示した回転電機における線間電圧ひずみ率と、図７に示した回転電機における線間電圧ひずみ率とを比較したグラフを示す図である。
【図１１】第６の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図１２】第７の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図１３】第８の実施の形態にかかる回転電機の径方向に沿う断面図であって、回転子を拡大して示した断面図である。
【図１４】一般的な突極型回転子を備える回転電機の径方向に沿う断面図である。
【図１５】図１５は、図１４に示す回転電機の回転子に設けられた磁極の拡大図である。
【図１６】図１６は、図１５に示す磁極をさらに拡大した拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に、添付の図面を参照して各実施の形態を詳細に説明する。以下に説明する各実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００１９】
＜第１の実施の形態＞
図１は、第１の実施の形態にかかる回転電機１の径方向に沿う断面図であって、回転子１０と固定子１００とを拡大して示している。回転電機１は発電機として機能し得る回転電機であって、回転子１０と、回転子１０を径方向の外側から囲む固定子１００と、を備えている。回転子１０は突極型の回転子であり、本例では図示省略した回転軸に対して径方向の外側に配置された円環状のヨーク２０と、ヨーク２０の外周面から径方向の外側に突出する複数の磁極３０と、を有する。なお、図１においては１つの磁極３０のみが示されている。
【００２０】
複数の磁極３０は周方向に等間隔を空けて配置されており、各磁極３０は、径方向の内側に形成されたダブテール部３１をヨーク２０の外周面に形成されたダブテール溝２１に嵌め込むことでヨーク２０に保持される。磁極３０は、固定子１００に向けて突出する磁極鉄心４０と、磁極鉄心４０に巻き回された界磁コイル５０と、を有している。
【００２１】
一方、固定子１００は、円筒状の固定子鉄心１０１を備える。固定子鉄心１０１の内周面には周方向に並ぶ複数のスロット１０２が形成され、スロット１０２内に固定子コイル１０３が保持されている。
【００２２】
なお、本実施の形態及び後述する他の実施の形態の説明においては、単に軸方向と言う場合、その方向は、回転子１０の回転軸の中心軸線上の方向又は当該中心軸線に平行な方向を意味する。また、単に径方向と言う場合、その方向は、回転子１０の回転軸の中心軸線に対して直交する方向を意味する。また、単に周方向と言う場合、その方向は、回転子１０の回転軸の中心軸線を中心とする回転方向に沿う方向を意味する。
【００２３】
磁極鉄心４０は、界磁コイル５０が巻き回される磁極胴部４１と、磁極胴部４１における固定子１００側の端部に接続される磁極頭部４２と、を有している。本実施の形態では、磁極胴部４１と磁極頭部４２とが一体物であるが、図１においては、説明の便宜のために磁極胴部４１と磁極頭部４２との境界が二点鎖線で示されている。なお、磁極胴部４１と磁極頭部４２とはそれぞれ別の部材から形成されてもよく、この場合、例えばボルト等の締結部材によって磁極胴部４１と磁極頭部４２とが結合されてもよい。
【００２４】
また、磁極頭部４２の内部には、軸方向に延びる導体の複数のバー部材が設けられてもよい。このようなバー部材を用いて閉回路状部分を形成した場合には、故障等によって固定子１００側から回転子１０に侵入しようとする磁束が発生した場合に、バー部材に渦電流が流れることで磁束が回転子１０の内部に侵入することを抑制することができる。
【００２５】
図１において、符号ｄは磁極中心軸を示し、符号ｑは胴体間中心軸を示しいている。上述したように、磁極中心軸ｄは磁極胴部４１における周方向の中心を通って径方向に延びる軸であり、胴体中心軸ｑは周方向に隣り合う磁極３０，３０間の周方向の中心を通って径方向に延びる軸である。
【００２６】
回転子１０の軸方向で見たとき、磁極頭部４２は、磁極中心軸ｄに対する直交方向Ｐｄで磁極胴部４１から両側に張り出し、この直交方向Ｐｄで磁極胴部４１から両側に離間した位置のそれぞれに磁極中心軸ｄの側とは反対側を向く一対の側面４２Ｓを有している。ここで、本実施の形態における各側面４２Ｓでは、磁極中心軸ｄに平行な方向における側面４２Ｓの両端縁ＰＩ，ＰＥのうちの磁極胴部４１側の端縁ＰＩが、磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥよりも磁極中心軸ｄに近い位置に形成されている。
【００２７】
詳しくは、各側面４２Ｓにおいては、磁極胴部４１側の端縁ＰＩから磁極中心軸ｄまでの直交方向Ｐｄにおける長さＢが、磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥから磁極中心軸ｄまでの長さＡよりも短くなっている。これにより、本実施の形態では、磁極頭部４２の磁極胴部４１からの張り出し部分が概して先細り形状をなし、当該張り出し部分は磁極中心軸ｄに対する直交方向Ｐｄで磁極中心軸ｄから離れるに従い、径方向において磁極胴部４１から次第に離れるようになっている。
【００２８】
本実施の形態では側面４２Ｓにおける磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥが、磁極中心軸ｄから最も離れる先端部４２Ｔを形成することで、側面４２Ｓの全体が、直交方向Ｐｄで磁極中心軸ｄから離れるに従い固定子１００に近づく傾斜面を形成している。なお、側面４２Ｓは端縁ＰＥが先端部４２Ｔを形成しない形状に形成されてもよく、すなわち、端縁ＰＥは先端部４２Ｔよりも磁極中心軸ｄに近いに位置に形成されてもよい。ただし、先端部４２Ｔは、磁極中心軸ｄに平行な方向における側面４２Ｓの中心位置よりも固定子１００の側に形成されることが望ましい。また、側面４２Ｓにおける磁極胴部４１側の端縁ＰＩは直交方向Ｐｄで界磁コイル５０の最外周よりも内側に位置するが、このような端縁ＰＩの位置も特に限られるものではない。
【００２９】
図１における符号Ｌは、回転子１０の中心軸線と側面４２Ｓの端縁ＰＥが形成する先端部４２Ｔとを通る直線を示している。この直線Ｌと磁極中心軸ｄとがなす角度αは、電気角に換算した際に６５度以上８０度以下となることが好ましい。すなわち、側面４２Ｓの先端部４２Ｔは、磁極中心軸ｄからの電気角が６５度以上８０度以下となる範囲に位置していることが好ましく、具体的に本実施の形態では７５度になっている。
【００３０】
また、本実施の形態では、磁極頭部４２において固定子１００側に位置する外面４２Ｅが曲面で形成され、外面４２Ｅの曲率と固定子鉄心１０１の内周面の曲率とが同一になっている。外面４２Ｅの曲率は固定子鉄心１０１の内周面の曲率と同一でなくてもよいが、曲率が同一の場合には、磁極頭部４２と固定子鉄心１０１との間の空隙の径方向距離が周方向の全域で小さく抑えられるため、固定子コイル１０３に鎖交する磁束が効果的に増加しうる。
【００３１】
次に、本実施の形態の作用について説明する。
【００３２】
図２Ａは、本実施の形態にかかる回転電機１における回転子１０の磁極３０から固定子１００に向かう磁束の流れを示す図であり、図２Ｂは、図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機における回転子１０の磁極３０’から固定子１００に向かう磁束の流れを示す図である。以下においては、図２Ａ及び図２Ｂに示される磁束の流れを対比しつつ、本実施の形態の作用を説明する。図２Ａ及び図２Ｂに描画される矢印は磁束の流れを示している。
【００３３】
まず、図２Ｂにおける一般的な回転電機では、磁極頭部４２の固定子１００側の外面の曲率が固定子鉄心１０１の内周面の曲率よりも大きいことで、磁極頭部４２と固定子鉄心１０１との間の空隙が磁極中心軸ｄから胴体間中心軸ｑへ向かうに従い大きくなっている。さらに、磁極頭部４２の側面４２Ｓにおいては、磁極中心軸ｄから磁極胴部４１側の端縁ＰＩまでの長さＢが、磁極中心軸ｄから磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥまでの長さＡよりも長くなっているため（図１６も参照）、側面４２Ｓは、磁極頭部４２の外面からさらに固定子１００から離れるように延びることで、空隙は側面４２Ｓの位置から胴体間中心軸ｑへ向かうに従いさらに大きくなっている。
【００３４】
この場合、磁極３０’からの磁束分布が正弦波の山部分の形状に近づくことで、発電時に固定子１００側で生じる電圧が正弦波に近づくため、発電される電力の線間電圧ひずみ率を抑制することができる。しかしながら、磁極頭部４２と固定子鉄心１０１との間の空隙が例えば領域ＲＡ’に示す位置で大きくなって、磁気抵抗が周方向外側で大きくなる。これにより、磁束ＢＡ’のような固定子鉄心１０１に進入せずに回転子１０の内部に循環する磁束が増加してしまい、その結果、発電時に所望される定格電圧を得るために界磁コイル５０に通電する定格界磁電流が増加することで、界磁銅損が大きくなる。
【００３５】
これに対して、本実施の形態では、磁極中心軸ｄに平行な方向における側面４２Ｓの両端縁ＰＩ，ＰＥのうちの磁極胴部４１側の端縁ＰＩが、磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥよりも磁極中心軸ｄに近い位置に形成される。これにより、図２Ａに示すように、磁極頭部４２の磁極胴部４１からの張り出し部分は、磁極中心軸ｄに対する直交方向Ｐｄで磁極中心軸ｄから離れるに従い、径方向において磁極胴部４１から次第に離れる、概して先細り形状をなす。
【００３６】
この場合、磁極頭部４２の張り出し部分は、磁束ＢＡのような磁極中心軸ｄから逸れる方向に流れる磁極胴部４１側からの磁束に沿う形状となるため、このような磁束を固定子１００に近い側に誘導し易くなる。また、磁極頭部４２と固定子鉄心１０１との間の空隙は領域ＲＡに示す位置で、一般的な回転電機の場合に比較して小さくなり、空隙の周方向外側の位置での磁気抵抗が低減される。また、領域ＲＢで示す位置では、固定子１００へ向かわずに回転子１０の内部に循環しようとする磁束に対する磁気抵抗が増加する。その結果、固定子コイル１０３に鎖交する磁束が効果的に増加することで、定格電圧を得るための定格界磁電流を抑制することが可能となり、界磁銅損の抑制が可能となる。
【００３７】
また、側面４２Ｓの両端縁ＰＩ，ＰＥのうちの磁極胴部４１側の端縁ＰＩが、その反対側の端縁ＰＥよりも磁極中心軸ｄに近い位置に形成される場合には、概して先細り形状をなす磁極頭部４２の張り出し部分の先端側に磁束が集中するため、領域ＲＣに示す位置で磁気飽和が発生し、領域ＲＣから固定子１００側へ向かう磁路の磁気抵抗が増加する。その結果、磁極頭部４２の張り出し部分の先端側から固定子１００側へ向かう磁束の磁束密度は、図２Ｂに示される一般的な構成に比較して増加する一方で、磁束中心軸ｄ側の磁束密度に対しては相対的に小さくなる。これにより、磁極頭部４２の全体から固定子１００側へ向かう磁束は正弦波の山部分の形状に近づくため、発電時に固定子１００側で生じる電圧の線間電圧ひずみ率を軽減することが可能となる。
【００３８】
以上により、本実施の形態によれば、発電時に所望される定格電圧を得るための界磁電流を抑制しつつ、固定子側で生じる電圧の線間電圧ひずみ率を抑制できることになる。
【００３９】
また、上述したように磁極頭部４２における側面４２Ｓの先端部４２Ｔは、磁極中心軸ｄからの電気角が６５度以上８０度以下となる範囲に位置していることが好ましく、この場合には、定格電圧を得るための定格界磁電流及び界磁銅損、並びに線間電圧ひずみ率を効果的に抑制することができる。
【００４０】
図３は、回転電機１における磁極３０の磁極頭部４２の端部位置である先端部４２Ｔに対応する電気角と、線間電圧ひずみ率及び界磁銅損との関係を表すグラフを示した図である。図３において、横軸は電気角を示し、縦軸は、線間電圧ひずみ率及び界磁銅損の値を示す。先端部４２Ｔの位置に対応する電気角に応じた回転電機１における線間電圧ひずみ率の値は破線で示され、先端部４２Ｔの位置に対応する電気角に応じた回転電機１における界磁銅損の値は実線で示されている。縦軸に示される線間電圧ひずみ率及び界磁銅損の値は、図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機に対する比で表しており、その値が１よりも小さい場合には、図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機よりも線間電圧ひずみ率及び界磁銅損が改善されている。比較対象である一般的な回転電機では磁極頭部４２の端部位置が或る角度（電気角）に固定されている。
【００４１】
図３に示されるように、第１の実施の形態では、側面４２Ｓの先端部４２Ｔの位置が電気角で８０度以下となる場合に、界磁銅損、したがって定格界磁電流の抑制効果が認められ、電気角７５度以下のときに特に効果的に定格界磁電流を抑制可能であることが認められる。一方、側面４２Ｓの先端部４２Ｔの位置が電気角で６５度以上８５度以下となる場合には、線間電圧ひずみ率の抑制効果が認められ、電気角７０度以上８０度以下のときに特に効果的に線間電圧ひずみ率を抑制可能であり、とりわけ電気角７５度のときに線間電圧ひずみ率を顕著に抑制可能であることが認められる。
【００４２】
したがって、磁極中心軸ｄからの電気角が６５度以上８０度以下となる範囲に側面４２Ｓの先端部４２Ｔが位置する場合には、定格界磁電流及び界磁銅損、並びに線間電圧ひずみ率を効果的に抑制することができる。また、側面４２Ｓの先端部４２Ｔは、磁極中心軸ｄからの電気角が７０度以上７５度以下となる範囲に位置していることがより好ましく、電気角が７５度であることが特に好ましい。なお、このような好ましい数値範囲の傾向は、本実施の形態のみならず後述の他の実施の形態においても同様に当てはまる。
【００４３】
＜第２の実施の形態＞
次に、第２の実施の形態について図４及び図５を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分および第１の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００４４】
図４に示すように、本実施の形態における磁極頭部４２の側面４２Ｓは、その磁極中心軸ｄに平行な方向における磁極胴部４１側の端縁ＰＩと磁極胴部４１側とは反対側の端縁ＰＥとの間に磁極中心軸ｄの側へ凹となる窪み部６０を有している。本実施の形態は、この点において第１の実施の形態と相違している。
【００４５】
窪み部６０の最深位置６１は、側面４２Ｓの磁極胴部４１側の端縁ＰＩよりも磁極中心軸ｄに近くなっている。すなわち、磁極中心軸ｄから窪み部６０の最深位置６１までの長さＣは、磁極中心軸ｄから側面４２Ｓの磁極胴部４１側の端縁ＰＩまでの長さＢよりも短い。このような最深位置６１の形成位置は特に限られるものではないが、磁極中心軸ｄに対する直交方向Ｐｄで、磁極胴部４１の外周面と側面４２Ｓの先端部４２Ｔとの中心位置よりも胴体間中心軸ｑ側となる位置に設定することが好ましい。
【００４６】
また、図４における符号ＴＡは、窪み部６０の最深位置６１を含む底面の固定子１００側の端点から磁極頭部４２の固定子１００側の外面４２Ｅまでの磁極中心軸ｄに平行な方向における磁極頭部４２の厚さを示している。また、符号ＴＢは、磁極胴部４１の外周面と磁極頭部４２との接続位置８０から磁極頭部４２の固定子１００側の外面４２Ｅまでの磁極中心軸ｄに平行な方向における磁極頭部４２の厚さ（以下、全体厚さＴＢと呼ぶ場合がある。）を示している。ここで、厚さＴＡは、全体厚さＴＢに対して６０％未満であることが好ましい。
【００４７】
本実施の形態における窪み部６０の最深位置６１は平坦な底面に含まれ、この底面から側面４２Ｓの端縁ＰＥ，ＰＩ側に延びる側面は、底面と角度をなして接続されている。また、窪み部６０の底面は磁極中心軸ｄと平行になっている。しかしながら、このような窪み部６０の形状は特に限られるものではない。ただし、窪み部６０の形状によっては、厚さＴＡの測定手法が本実施の形態の測定手法に対して異なる状況が生じる。具体的には後述の第３の実施の形態のように窪み部６０が曲面状の凹部となる場合には、その最深位置６１は断面で見た際に点になる。この場合には、最深位置に対応する点から磁極頭部４２の固定子１００側の外面４２Ｅまでの距離が、厚さＴＡになる。
【００４８】
以上に説明した本実施の形態では、窪み部６０が設けられることで磁極頭部４２の張り出し部分における窪み部６０を挟んで固定子１００側の部分の厚さが小さくなり、当該部分において確実に磁気飽和を生じさせることが可能となる。これにより、磁極頭部４２の全体から固定子１００側へ向かう磁束を正弦波の山部分の形状に近づくように調整できることで、線間電圧ひずみ率を効果的に抑制することができる。特に窪み部６０の最深位置６１から磁極頭部４２の固定子１００側の外面４２Ｅまでの厚さＴＡが全体厚さＴＢに対して６０％未満となるように窪み部６０を形成することが好ましく、この場合には、線間電圧ひずみ率を特に効果的に抑制することができる。
【００４９】
図５は、窪み部６０よりも固定子１００側の磁極頭部４２の厚さＴＡの全体厚さＴＢに対する比率と、線間電圧ひずみ率との関係を表すグラフを示している。図５において、横軸は厚さＴＡの全体厚さＴＢに対する比率（％表記）を示し、縦軸は、線間電圧ひずみ率の値を示す。比率ＴＡ／ＴＢに対する線間電圧ひずみ率の値は実線で示されている。縦軸に示される線間電圧ひずみ率の値は、図１に示した第１の実施の形態にかかる回転電機１における線間電圧ひずみ率に対する比で表しており、その値が１よりも小さい場合には、第１の実施の形態にかかる回転電機１よりも線間電圧ひずみ率が改善されている。
【００５０】
図５に示すように、比率ＴＡ／ＴＢが６０％未満の場合には、線間電圧ひずみ率が大幅に改善される。したがって、厚さＴＡが、全体厚さＴＢに対して６０％未満である場合には、線間電圧ひずみ率を特に効果的に抑制することができる。なお、図５から明らかなように、窪み部６０が設けられる場合には、窪み部６０が無い場合よりも線間電圧ひずみ率を抑制することができるため、窪み部６０は比率ＴＡ／ＴＢの値によらず有用であると言える。
【００５１】
＜第３の実施の形態＞
次に、第３の実施の形態について図６を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分ならびに第１及び第２の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００５２】
図６に示すように、本実施の形態では、窪み部６０が径方向に沿う断面視で円弧状をなす。本実施の形態は、この点において第２の実施の形態と相違している。本実施の形態では、窪み部６０における応力集中が緩和する。そのため、回転電機を運転可能な回転数範囲の拡大を図ることができるとともに、運転時の信頼性を高めることができる。
【００５３】
＜第４の実施の形態＞
次に、第４の実施の形態について図７を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分および第１乃至第３の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００５４】
図７に示すように、本実施の形態における窪み部６０は、磁極中心軸ｄに対する直交方向Ｐｄで磁極中心軸ｄから離れるに従い固定子１００に近づく傾斜面６２を有している。傾斜面６２は、最深位置６１を含む窪み部６０の底面を形成している。より詳しくは、磁極中心軸ｄに平行な方向における傾斜面６２の磁極胴部４１側の端縁から磁極中心軸ｄまでの長さＦは、傾斜面６２の磁極胴部４１側とは反対側の端縁から磁極中心軸ｄまでの長さＧよりも小さくなっている。本実施の形態は、以上の点において第２の実施の形態と相違している。
【００５５】
本実施の形態では、窪み部６０の傾斜面６２が、磁極中心軸ｄから逸れる方向に流れる磁極胴部４１側からの磁束に沿う形状となるため、第２の実施の形態のように窪み部６０の底面が磁極中心軸ｄに平行となる場合に比較して磁極頭部４２内の磁気抵抗が抑制される。これにより、窪み部６０の形成によって固定子１００側へ向かう磁束が不所望に減少することを抑制することができ、線間電圧ひずみ率の抑制と定格界磁電流の抑制とを好適に両立することができる。
【００５６】
＜第５の実施の形態＞
次に、第５の実施の形態について図８乃至図１０を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分および第１乃至第４の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００５７】
図８に示すように、本実施の形態における磁極頭部４２は、その張り出し部分に当該張り出し部分における磁気抵抗を増加させる非磁性体部としての切欠き７１を有している。切欠き７１は、磁極頭部４２の張り出し部分の固定子１００側の外面から凹となるように形成されている。また切欠き７１は、磁極中心軸ｄからの電気角が５０度以上７０度以下となる範囲に設けられている。すなわち、直線Ｌ’と磁極中心軸ｄとがなす角度は、電気角に換算した際に５０度以上７０度以下になっている。本実施の形態は、以上の点において第４の実施の形態と相違している。
【００５８】
磁極頭部４２から固定子１００側に向かう磁束においては、電気角が５０度以上７０度以下となる位置に高調波成分が多く含まれる傾向があり、このような高調波成分によって磁束が台形状に近づくことで、線間電圧ひずみ率が高くなる傾向がある。本実施の形態では、高調波成分が多く含まれる傾向のある電気角が５０度以上７０度以下となる位置に切欠き７１を設けることで、高調波成分を有する磁束が固定子１００側に流れることを抑制する。これにより、磁極頭部４２から固定子１００側に向かう磁束が正弦波の山部分の形状に近づくことで、線間電圧ひずみ率を効果的に抑制することができる。
【００５９】
図９は、本実施の形態にかかる回転電機における電気角と回転子１０の磁極３０からの径方向の磁束密度（以下、径方向磁束密度）との関係、及び、図７に示した第４の実施の形態にかかる回転電機における電気角と回転子１０の磁極３０からの径方向磁束密度との関係を表すグラフを示している。図９において、横軸は電気角を示し、縦軸は径方向磁束密度を示す。本実施の形態にかかる電気角と磁束密度との関係は実線で示され、第４の実施の形態にかかる電気角と磁束密度との関係は破線で示されている。
【００６０】
図９に示されるように、切欠き７１が設けられていない第４の実施の形態では、電気角が絶対値で５０度以上７０度以下となる範囲における磁束密度が、切欠き７１が設けられている第５の実施の形態の同範囲の磁束密度に比べて高くなっている。この結果からも確認されるように、電気角が５０度以上７０度以下となる位置に切欠き７１を設けた場合には、磁極頭部４２から固定子１００側に向かう磁束を正弦波の山部分の形状に近づけることができる。そして、図１０に示されるように、第５の実施の形態では第４の実施の形態よりも線間電圧ひずみ率を抑制することができる。図１０では、縦軸が線間電圧ひずみ率の大きさを示しており、第５の実施の形態で生じ得る線間電圧ひずみ率は、第４の実施の形態で生じ得る線間電圧ひずみ率よりも小さい。このような結果からも、切欠き７１が線間電圧ひずみ率の抑制のために有用であることを確認することができる。
【００６１】
＜第６の実施の形態＞
次に、第６の実施の形態について図１１を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分および第１乃至第５の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００６２】
図１１に示すように、本実施の形態における非磁性体部としての切欠き７１は、磁極頭部４２の張り出し部分における固定子１００側とは反対側の面から凹となるように形成されている。本実施の形態は、この点において第５の実施の形態と相違している。より詳しくは、切欠き７１は、磁極胴部４１の外周面と磁極頭部４２との接続位置８０に近接している。
【００６３】
第５の実施の形態では、切欠き７１が磁極頭部４２の外面４２Ｅに設けられることで、回転電機の運転状態によっては磁極頭部４２の外面４２Ｅにおける応力集中が過度に大きくなる虞がある。これに対し、本実施の形態では切欠き７１が磁極頭部４２の張り出し部分における固定子１００側とは反対側の面に設けられることで、磁極頭部４２の外面４２Ｅ側に生じ得る応力集中が緩和される。したがって、本実施の形態によれば、磁極頭部４２の外面４２Ｅにおいて応力集中が生じ易い場合に、内面側の切欠き７１に応力を分配することで外面４２Ｅに対する負荷を軽減することができる。
【００６４】
＜第７の実施の形態＞
次に、第７の実施の形態について図１２を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分および第１乃至第６の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００６５】
図１２に示すように、本実施の形態における磁極頭部４２は、その張り出し部分の内部に非磁性体部としての空所７２を有している。本実施の形態は、この点において第５及び第６の実施の形態と相違している。
【００６６】
本実施の形態では、磁極頭部４２の外面４２Ｅ及びその反対側の内面における応力集中を空所７２に分散することができる。これにより、磁極頭部４２の外面４２Ｅ及びその反対側の内面に対する負荷を軽減することができる。
【００６７】
＜第８の実施の形態＞
次に、第８の実施の形態について図１３を用いて説明する。本実施の形態における構成部分のうちの図１４乃至図１６に示した一般的な回転電機の構成部分および第１乃至第７の実施の形態の構成部分と同様のものには、同一の符号を付し、共通する部分の説明については省略する場合がある。
【００６８】
図１３に示すように、本実施の形態における磁極胴部４１は、その外周面と磁極頭部４２との接続位置８０から磁極中心軸ｄの側へ凹となる応力緩和溝８１を有している。本実施の形態は、この点において第４の実施の形態と相違している。
【００６９】
本実施の形態では、遠心力によって界磁コイル５０が磁極頭部４２を押し出すことにより生じる接続位置８０における応力集中を、応力緩和溝８１が緩和する。これにより、回転電機を運転可能な回転数範囲の拡大を図ることができるとともに、定格回転時の信頼性を高めることができる。
【００７０】
以上、各実施の形態を説明したが、上記の各実施の形態は、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。この新規な実施の形態は、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。この実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
【符号の説明】
【００７１】
１…回転電機、１０…回転子、２０…ヨーク、２１…ダブテール溝、３０…磁極、３１…ダブテール部、４０…磁極鉄心、４１…磁極胴部、４２…磁極頭部、４２Ｓ…側面、４２Ｔ…先端部、４２Ｅ…外面、５０…界磁コイル、６０…窪み部、６１…最深位置、６２…傾斜面、７１…切欠き、７２…空所、８０…接続位置、８１…応力緩和溝、１００…固定子、１０１…固定子鉄心、１０２…スロット、１０３…固定子コイル、ＰＩ…側面の磁極胴部側の端縁、ＰＥ…側面の磁極胴部側とは反対側の端縁、ｄ…磁極中心軸、ｑ…胴体間中心軸、Ｐｄ…磁極中心軸に対する直交方向
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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