(57)【要約】【課題】ポールヘッド座面の滑りに起因する回転アンバランスを抑制する突極形回転子を提供する。【解決手段】回転軸と同心の主軸１１、及びこの主軸１１の外周に設けられた複数の磁極１２を有する突極形回転子１０で、各磁極１２は、ポールボディ１３と、コイル１４と、ポールヘッド１５とを備え、このポールヘッド１５をポールボディ１３に固定するボルト１６は、ポールボディ１３にねじ込まれており、ポールヘッド１５の熱伸び時に、熱伸び力Ｆ１よりボルト１６の反力Ｆ２を小さくなるようにして、ボルト１６の頭部１６ａを熱伸びに追従させ、ポールヘッド座面１５ａの滑りを防止して、突極形回転子１０の回転アンバランスを抑制する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸と同心の主軸、及びこの主軸の外周に軸中心から放射方向に突出する複数の磁極を有する突極形回転子であって、前記各磁極は、
前記主軸と一体で、それぞれ軸方向に添って形成されたポールボディと、
このポールボディの周囲に巻回されたコイルと、
このポールボディの前記軸方向の長さより長い板状で、その長さ方向に沿う複数個所が、それぞれボルトにより前記ポールボディの頂部に取り付けられたポールヘッドとを備え、
前記ボルトは、前記ポールヘッドの長さ方向複数個所に設けられた孔を貫通し、この孔に対向して前記ポールボディに設けられたネジ穴にねじ込まれており、
このボルトのネジ谷部の直径をＤ、同ボルトの前記ネジ穴にねじ込まれた部分の上端から前記ポールヘッドと接する頭部下面までの長さをＬ、前記ポールヘッドの前記長さ方向中心部から前記ネジ穴にねじ込まれたボルトの軸中心部までの距離をｌ、ボルトの材質によって決まる係数をｋとした場合、各ボルトについて下式を満足する関係に設定されていることを特徴とする突極形回転子。
【数３】
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【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、回転軸と同心の主軸、及びこの主軸の外周に、軸中心から放射方向に突出する複数の磁極を有する突極形回転子に関する。
【背景技術】
【０００２】
突極形同期電動機は、回転軸と同軸的に延びて回転可能に軸支された突極形回転子、及び突極形回転子の外周に間隔を空けて配設された固定子を有している（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００３】
突極形回転子は、回転軸と同心の主軸、及びこの主軸の外周に放射方向に突出する複数の磁極を有する。各磁極は、主軸と一体で、それぞれ軸方向に添って形成されたポールボディと、このポールボディの周囲に巻回されたコイルとを有する。ポールボディの頂部には、この頂部の軸方向長さより長い形状のポールヘッドが、複数のボルトにより一体的に取り付けられている。
【０００４】
複数のボルトは、ポールヘッドの長さ方向に沿って配列され（複数列でもよい）、ポールヘッドを、その長さ方向に沿う複数個所において、それぞれポールボディに取り付けている。すなわち、図４で示すように、各ボルト１６０は、ポールヘッド１５０の長さ方向に沿う複数個所に設けられた孔１８０を貫通し、この孔に対向してポールボディ１３０の頂部に設けられたネジ穴１９０にねじ込まれている。なお、図中１４０はコイル（界磁巻線）であり、ポールボディ１３０の周囲に巻回されている。
【０００５】
ここで、周知のように突極形同期電動機は、ポールヘッド１５０に流れる渦電流と図示しない固定子巻線との間に働く電磁力によって始動する。このように、突極形同期電動機の始動時に、そのポールヘッド１５０に渦電流が流れると、ポールヘッド１５０は高温になる。また、突極形回転子を有する発電機でも、制動が起きるとき（短絡時等）は発熱し、ポールヘッドは高温になる。このためポールヘッド１５０には、その長さ方向に伸びようとする熱伸び力が生じる。
【０００６】
すなわち、ポールヘッド１５０には、同期電動機の始動時に渦電流が流れるが、始動初期にすべり周波数が高い場合には、その渦電流が表皮効果の影響によってポールヘッド１５０の表面に集中して、ポールヘッド１５０が高温になってしまう。また、発電機の場合も上述した理由によりポールヘッド１５０は高温になる。このようにポールヘッド１５０が高温になると、図４に示したように熱伸びする。ポールヘッド１５０は軸方向（長さ方向）に延びた形状であるため、特に軸方向への伸びが顕著となる。
【０００７】
このようにポールヘッド１５０が伸びると、これに伴って締付ボルト頭部１６０ａに、ポールヘッド１５０の熱伸びによる力Ｆ１が働く。これに対して、ボルト１６０には、その剛性に基づき、上記力Ｆ１に対する反力が生じる。従来装置では、ボルト１６０の剛性を高め、熱伸びによる力Ｆ１に対するボルト反力Ｆ２を大きくして、ポールヘッド１５０の伸びを抑制するようにしていた。
【０００８】
熱伸びによる力Ｆ１は、ポールヘッド１５０に発生する熱により変化し、発生熱によって大きな力Ｆ１が発生することとなる。また、ボルト頭部１６０ａとポールヘッド１５０の座面１５０ａとの間には、ボルト１６０の締め付けによる摩擦力Ｆ３が生じるが、熱伸びによる力Ｆ１が摩擦力Ｆ３を越えると、ボルト反力Ｆ２が大きいことから、ポールヘッド１５０の座面１５０ａに滑りが生じる。ボルト１６０の締め付けによる摩擦力Ｆ３は均一でないため摩擦力の弱い個所から滑り始める。そして、滑り始めると一気に動き出すことから、この滑りは急激に衝撃を伴って生じる。したがって、突極形回転子の回転がアンバランスになってしまい振動の原因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平６−３４３２５０号公報
【特許文献２】特開平１０−３２２９４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
発明が解決しようとする課題は、ポールヘッド座面の滑りに起因する回転アンバランスを抑制する突極形回転子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の実施の形態に係る突極形回転子は、回転軸と同心の主軸、及びこの主軸の外周に軸中心から放射方向に突出する複数の磁極を有する突極形回転子であって、前記各磁極は、前記主軸と一体で、それぞれ軸方向に添って形成されたポールボディと、このポールボディの周囲に巻回されたコイルと、このポールボディの前記軸方向の長さより長い板状で、その長さ方向に沿う複数個所が、それぞれボルトにより前記ポールボディの頂部に取り付けられたポールヘッドとを備え、前記ボルトは、前記ポールヘッドの長さ方向複数個所に設けられた孔を貫通し、この孔に対向して前記ポールボディに設けられたネジ穴にねじ込まれており、このボルトのネジ谷部の直径をＤ、同ボルトの前記ネジ穴にねじ込まれた部分の上端から前記ポールヘッドと接する頭部下面までの長さをＬ、前記ポールヘッドの前記長さ方向中心部から前記ネジ穴にねじ込まれたボルトの軸中心部までの距離をｌ、ボルトの材質によって決まる係数をｋとした場合、各ボルトについて下式を満足する関係に設定されていることを特徴とする。
【数１】
2015165743.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る突極形回転子の縦断面図である。
【図２】図１で示したポールボディ及びポールヘッドとの関係を表す斜視図である。
【図３】本発明の要部構成であるボルトの締め付け部分を示す縦断面図である。
【図４】従来のボルト締め付け部分を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図１及び図２はこの実施の形態に係る突極形回転子の構造を示し、図３はその要部の詳細構成を示している。図１において、突極形回転子１０は、突極形同期電動機等の回転電機に用いられる４極又は６極形の塊状形突極形回転子であって、回転軸と同心の主軸１１、及びこの主軸１１の外周に、その軸中心に対する放射方向に突出する複数（４極の場合４つ、６極の場合６つ）の磁極１２を有する。
【００１５】
４つまたは６つの磁極１２は、主軸１１の軸方向に沿って延びて、かつ、主軸１１の周方向に互いに間隔を空けて配列されており、図２で示すように、主軸１１の一部であるポールボディ１３、コイル（界磁巻線）１４、及びポールヘッド１５を有している。
【００１６】
各磁極１２を構成するポールボディ１３は、主軸１１の軸方向に添って一体に形成されている。コイル１４は、ポールボディ１３の周囲に巻回されている。すなわち、主軸１１の回転軸と垂直を成す巻回軸周りに巻回されている。このポールボディ１３の頂部、すなわち、その半径方向の外側の面には、ポールヘッド１５が取り付けられている。このポールヘッド１５は、例えば、高張力鋼等の導電体からなり、ポールボディ１３の軸方向長さより長い形に形成されている。そして、その長さ方向に沿う複数個所が、それぞれボルト１６によりポールボディ１３の頂部に取り付けられている。
【００１７】
ポールヘッド１５には、図３で示すように、複数のボルト１６を挿入するための複数のボルト孔（単に孔とも呼ぶ）１８が形成されている。一方、ポールボディ１３の外面の、上記複数のボルト孔１８に対応する位置には、図３で示すように、それぞれ座グリ２０を介してネジ穴１９が形成されている。すなわち、各ボルト１６は、ポールヘッド１５の長さ方向複数個所に設けられた孔１８を貫通し、この孔１８に対向してポールボディ１３の頂部に設けられた座グリ部２０を介してネジ穴１９にねじ込まれており、ポールヘッド１５は、複数のボルト１６によってポールボディ１３に締付られ、固定される。
【００１８】
ここで、複数のボルト１６はポールヘッド１５の熱伸びによる力Ｆ１よりも、この熱伸びに対するボルト反力Ｆ２が小さくなるように選定する。すなわち、従来の突極形回転子における図４で示した締付ボルト１６０には、前述のように、ポールヘッド１５０の熱伸びによる力Ｆ１よりもこの熱伸びに対するボルト反力Ｆ２の大きいものが用いられていた。
【００１９】
前述のとおりポールヘッド１５（１５０）は、その表面に流れる渦電流によって高温になり、熱膨張（熱伸び）する。締付ボルト１６（１６０）へ加わる熱伸びによる力Ｆ１は温度変化量、ポールヘッド１５（１５０）の材質の熱膨張係数、寸法に比例する。一方、締付ボルト１６（１６０）の熱伸びに対する反力Ｆ２は、ボルト１６（１６０）の断面二次モーメントに比例する。
【００２０】
本実施形態に係る突極形回転子１０においては、ポールヘッド１５の熱伸びに対するボルト１６の反力Ｆ２を、ポールヘッド１５の熱伸び力Ｆ１よりも小さくすることにより、熱伸び時に締付ボルト１６の頭部１６ａをポールヘッド座面１５ａに追従させている。その結果、ポールヘッド座面１５ａが滑らなくなるため、突極形回転子１０の回転アンバランスを抑制できる。すなわち、ボルト１６の図示横方向の剛性を低くして撓み易くすることにより、熱伸び時にボルト１６の頭部１６ａをポールヘッド１５の熱伸びに追従させることができ、その座面１５ａの滑りを防止できる。
【００２１】
ここで、ボルト１６の図示横方向の剛性を低くするためには、ボルトが同じ材質であれば直径を細くすること、及びボルトを長くすることの２つが考えられる。ボルト１６はポールヘッド１５をポールボディ１３に固定するものであるから、突極形回転子１０としての回転時にポールヘッド１５に加わる遠心力に対して強固に固定する必要がある。この遠心力に対する固定力は、ボルト１６の直径により決まるので、従来と同等の固定力を得るためには、ボルト１６の直径を細くすることは不可である。
【００２２】
そこで、この実施の形態では、ボルト１６のねじ込み部からの頭部までの長さを従来より長くすることで、ボルト１６の図示横方向の剛性を従来より低くしている。なお、ポールヘッド１５の厚さは一定なので、ボルト１６のねじ込み部からの頭部までの長さを大きくするためには、図３で示したように、ポールボディ１３の対応箇所に、ボルト１６のネジ部と螺合しない座グリ２０を設け、その深さによりボルト１６のねじ込み部からの頭部までの長さを調整している。
【００２３】
具体的には、以下に示す関係に各部を設定することで、ボルト１６の反力Ｆ２を、ポールヘッド１５の熱伸び力Ｆ１よりも小さくし、熱伸び時にボルト１６の頭部１６ａをポールヘッド１５の熱伸びに追従させることが可能となる。
【００２４】
すなわち、ボルト１６のネジ谷部の直径をＤとし、同ボルト１６の、ネジ穴１９にねじ込まれた部分の上端（座グリ２０の底面でもある）から、ポールヘッド１５と接するボルト頭部１６ａの下面までの長さをＬとする。また、ボルト１６は、図１及び図２で示すように複数個所に設けられており、それらの設置位置により熱伸び量も異なってくるので、そのボルト設置位置も考慮する必要がある。ここでは、図１で示すように、ポールヘッド１５の長さ方向中心部からネジ穴１９にねじ込まれたボルト１６の軸中心部までの距離をｌとする。また、ボルト１６の剛性は、ボルト１６の材質によって異なる。通常、ボルトには鉄材（例えば、高張力鋼等）が用いられるが、ジュラルミンなどが用いられることも考えられる。そこで、これら各種の材質によって決まる係数をｋ（上述の各種材質の場合、ｋ：５〜１５、勿論、ボルトの材質が上述した鉄材やジュラルミン等以外であれば、ｋの値は上記数値以外の場合もある）とする。そして、これらが下式を満足する関係に設定されていることにより、ポールヘッド１５の熱伸び時に、ボルト１６の頭部１６ａをポールヘッド１５の熱伸びに追従させることが可能となる。
【数２】
2015165743.tif 000004
【００２５】
この結果、ポールヘッド１５の熱伸び時に、ボルト１６の頭部１６ａをポールヘッド１５の熱伸びに追従させることで、ポールヘッド座面１５ａの滑りを防止して、滑りに起因する回転アンバランスを抑制することができる。
【００２６】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、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】
【００２７】
１０・・・突極形回転子
１１・・・主軸
１２・・・磁極
１３・・・ポールボディ
１４・・・コイル
１５・・・ポールヘッド
１５ａ・・・座面
１６・・・ボルト
１６ａ・・・ボルト頭部
１８・・・孔
１９・・・ネジ穴
２０・・・座グリ
【図１】
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【図２】
2015165743.tif 000007
【図３】
2015165743.tif 000008
【図４】
2015165743.tif 000009