(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子鉄心の内周側に固定子コイルを有する固定子と、回転子鉄心の長手方向に設けられた空洞部に永久磁石を挿入して複数の磁極部を円周方向に等間隔を存して形成すると共に、前記回転子鉄心の長手方向に通風冷却のための風穴を設け、且つ前記回転子鉄心の長手方向両端面に前記風穴に対応する部位に穴を有する磁気遮蔽板及び鉄心押えを配置した回転子とを備え、
前記回転子鉄心に設けられる風穴は、回転中心を中心とする直径Ｄ１の円上とこの直径Ｄ１より径の大きい直径Ｄ２の円を描いたとき、前記直径Ｄ１の円と前記磁極中心線との交点に中心を有する第1の風穴と、前記直径Ｄ２の円と磁極間中心線との交点に中心を有する第２の風穴としてそれぞれ極数の数だけ配置され、前記固定子鉄心の内周面と前記回転子鉄心の外周面との間に存する間隙とバイパスダクトの通風バランスを考慮して、前記第１及び第２の風穴の一部を入気又は排気側の前記磁気遮蔽板又は前記鉄心押えの少なくとも一方の該当部位の穴部を塞ぐことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項２】
請求項１記載の永久磁石同期電動機において、
前記第１の風穴と前記永久磁石の最短距離、前記第２の風穴と前記永久磁石の最短距離が前記磁極間中心線と前記永久磁石の最短距離とほぼ同じになるように前記第１の風穴及び第２の風穴の径をそれぞれ定めることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項３】
請求項１記載の永久磁石同期電動機において、
前記磁気遮蔽板又は前記鉄心押えの少なくとも一方で塞ぐ穴部は、前記第１の風穴に対応する穴部であることを特徴とする永久磁石同期電動機。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の永久磁石同期電動機において、
前記回転子鉄心をシャフトに装着するときのキー溝の中心位置を前記磁極間中心線としたことを特徴とする永久磁石同期電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、新幹線などの鉄道車両に使用される永久磁石同期電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
電車の駆動用電動機としては、一般に自己通風冷却形の誘導電動機が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図５は、かかる従来の誘導電動機の軸方向断面図である。
【０００４】
図５に示すようにフレーム２１の内周面には、円筒状の固定子鉄心２２が固定されている。この固定子鉄心２２の内周側には、円周上に等間隔を存して多数のスロットが形成され、これらのスロットには固定子コイル２３がそれぞれ収納されている。これらは固定子を構成している。
【０００５】
また、フレーム２１の両端部には、ブラケット２４を介してベアリングブラケット２５に取付けられている。このベアリングブラケット２５は、軸受２６を有しており、軸受２６はロータシャフト２７を回転自在に支持している。
【０００６】
上記ロータシャフト２７の中央部には、珪素鋼板を積層して円筒状に形成された回転子鉄心２８がその両端部に鉄心押え２９を配して装着されている。この回転子鉄心２８の外周部には、円周上に等間隔を存してスロットが形成され、これらのスロットには回転子バー３０がそれぞれ収納されている。各回転子バー３０の両端部は回転子鉄心２８のスロットから突出して、エンドリングにより一体的に結合されている。これらは回転子を構成している。
【０００７】
回転子鉄心２８には、図６に示すようにロータシャフト２７の中心から適宜離れた円周上に等間隔を存して軸方向に貫通した複数個の通風孔３１が設けられている。また、ロータシャフト２７の一方の軸受側には、図示しない通風ファンが取付けられ、この通風ファンにより冷却空気が回転子鉄心２８に設けられた通風孔３１及び固定子鉄心２２の内面と回転子鉄心２８の外面との間隙を通ってフレーム２１に設けられた排風口より外部へ排出されるようになっている。
【０００８】
しかし、このような構造の誘導電動機では、機械的強度を確保することができることから、高速回転に耐え得るものの、軽量化を図る上で難点があり、またロータシャフト２７の中心から適宜離れた円周上一列に設けられた複数個の通風孔３１に冷却風を流通させることで回転子鉄心２８を冷却しているが、固定子鉄心２２の内面と回転子鉄心２８の外面との間隙の通風量を増加するため、鉄心押え２９により通風孔３１の開口面積を調整すると、回転子鉄心２８の冷却性能が悪くなる。
【０００９】
最近、新幹線などの鉄道車両に搭載する高速回転用の電動機としては、軽量化を図り得ると同時に、冷却性能を向上させ得る構造の永久磁石同期電動機を採用している。
【００１０】
ところで、永久磁石同期電動機としては、図７に示すようなものがある（例えば、特許文献２）。
【００１１】
図７は永久磁石同期電動機における回転子の径方向断面図であり、図示しない電機子コイルを持つ固定子と微小ギャップを存して同軸的に配置され、軸受により回転軸４１ａを介して回転自在に支持された回転子４１は、珪素鋼板を積層して円筒状に形成した回転子鉄心４２と、この回転子鉄心４２に磁極４３ａとなる鉄心部分の側面に沿って設けられ、磁極４３ａ間でＶ字状になるように配置された径方向に細長い空洞部４４内に挿入された永久磁石４５とから構成される。この場合、空洞部４４は珪素鋼板を打抜いて加工される。
【００１２】
このような構成の永久磁石同期電動機によれば、磁極間に設けた永久磁石４５はほぼ円周方向に磁化されており、磁極４３ａ間の鉄心部分と磁極４３ａの側面に漏れる磁束を抑制することができ、有効な磁束を増加して高出力を得ることができる。同時に、回転子鉄心４２で囲まれた空洞部４４に永久磁石４５を埋め込むことにより強固に固定できるので、高速回転においても、十分耐え得るものとなる。
【特許文献１】特開２０００−１５２５６１号公報
【特許文献２】特許第３１７０２２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、上記構成の永久磁石同期電動機においては、高出力が得られると同時に、高速回転に耐え得るが、特に車両用電動機として採用するにはさらに通風構造の改良並びに軽量化を図る必要がある。
【００１４】
本発明は、上記のような要望に鑑みてなされたものであり、遠心力に対する回転子鉄心の機械的強度を確保しながら冷却性能の向上と軽量化を図ることができる永久磁石同期電動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】
本発明は上記の目的を達成するため、固定子鉄心の内周側に固定子コイルを有する固定子と、回転子鉄心の長手方向に設けられた空洞部に永久磁石を挿入して複数の磁極部を円周方向に等間隔を存して形成すると共に、前記回転子鉄心の長手方向に通風冷却のための風穴を設け、且つ前記回転子鉄心の長手方向両端面に前記風穴に対応する部位に穴を有する磁気遮蔽板及び鉄心押えを配置した回転子とを備え、前記回転子鉄心に設けられる風穴は、回転中心を中心とする直径Ｄ１の円上とこの直径Ｄ１より径の大きい直径Ｄ２の円を描いたとき、前記直径Ｄ１の円と前記磁極中心線との交点に中心を有する第1の風穴と、前記直径Ｄ２の円と磁極間中心線との交点に中心を有する第２の風穴としてそれぞれ極数の数だけ配置され、前記固定子鉄心の内周面と前記回転子鉄心の外周面との間に存する間隙とバイパスダクトの通風バランスを考慮して、前記第１及び第２の風穴の一部を入気又は排気側の前記磁気遮蔽板又は前記鉄心押えの少なくとも一方の該当部位の穴部を塞ぐ。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、遠心力に対する回転子鉄心の機械的強度を確保しながら冷却性能の向上と軽量化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は本発明による永久磁石同期電動機の第１の実施形態を示す軸方向断面図であり、図２は同実施形態における回転子鉄心の一部を拡大して示す径方向断面図である。
【００１９】
図1において、１はフレームで、このフレーム１の内周面には、円筒状の固定子鉄心２が固定されている。この固定子鉄心２の内周側には、円周上に等間隔を存して多数のスロットが形成され、これらのスロットには固定子コイル３がそれぞれ収納されている。これらは固定子を構成している。
【００２０】
また、フレーム１の両端部には、ブラケット４を介してベアリングブラケット５が取付けられている。このベアリングブラケット５は、軸受６を有しており、軸受６はロータシャフト７を回転自在に支持している。
【００２１】
上記ロータシャフト７の中央部には、珪素鋼板を積層して円筒状に形成された回転子鉄心８がキー溝９を介して装着され、その両端面に磁気遮蔽板１０を当接し、その外側に鉄心押え１１により一体的に固定されている。この場合、キー溝９の中心位置が後述する磁極間の中心線上に一致するようにして装着される。これらは回転子を構成している。
【００２２】
このような回転子において、図２に示すように回転子鉄心８の円周方向に等間隔を存して形成される磁極となる鉄心部分に円周側から鉄心内に向けて所定角度傾斜する断面がほぼ楕円形の空洞部１２をＶ字状になるようにそれぞれ設け、この空洞部１２内に永久磁石１３を埋め込んでこれらＶ字形に配置された永久磁石１３間の鉄心部分に磁極８ａを形成する。
【００２３】
また、回転子鉄心８において、鉄心部分にロータシャフト７の中心を中心Ｏとする直径Ｄ１の円上とこの直径Ｄ１より径の大きい直径Ｄ２の円を作図し、直径Ｄ１の円と磁極中心線（中心Ｏと磁極の中心を結ぶ線）Ｌ１との交点に中心を有する第1の風穴１４を極数の数だけ設け、また直径Ｄ２の円と磁極間中心線（キー溝の中心位置と磁極相互間の中心を結ぶ線）Ｌ２との交点に中心を有する第２の風穴１５を極数の数だけ設ける。
【００２４】
この場合、Ｖ字状に配置された永久磁石１３に対する第２の風穴１５との間の図示寸法Ｂと第1の風穴１４との間の図示寸法Ｃが磁極間中心線との間の図示寸法Ａにほぼ等しくなるように直径Ｄ１、Ｄ２及び風穴径が定められる。つまり、第１の風穴１４と永久磁石１３との最短距離Ｃ、第２の風穴１５と永久磁石１３との最短距離Ｂが磁極間中心線Ｌ２と永久磁石１３との最短距離Ａとほぼ同じになるように第１の風穴１４及び第２の風穴１５の径がそれぞれ定められる。
【００２５】
また、第1の風穴１４の径と第２の風穴１５の径は異なっていても良いが、同一列に設けられる風穴の径は全て同じ径とする必要がある。これは重量アンバランスや磁気的特性の極間アンバランスが生じないようにするためである。
【００２６】
これら空洞部１２、第1の風穴１４及び第２の風穴１５は、予め珪素鋼板を打抜くことで加工される。
【００２７】
一方、回転子鉄心８の両端面に当接される磁気遮蔽板１０及び鉄心押え１１には、第１の風穴１４と第２の風穴１５に対応させてこれらの風穴に連通する穴が設けられている。
【００２８】
このように第1の実施形態によれば、鉄心部分にロータシャフト７の中心を中心Ｏとする直径Ｄ１の円上とこの直径Ｄ１より径の大きい直径Ｄ２の円を作図し、直径Ｄ１の円と磁極中心線Ｌ１との交点に中心を有する第1の風穴１４を極数の数だけ設け、また直径Ｄ２の円と磁極間中心線Ｌ２との交点に中心を有する第２の風穴１５を極数の数だけ設け、且つＶ字状に配置された永久磁石１３に対する第２の風穴１５との間の図示寸法Ｂと第1の風穴１４との間の図示寸法Ｃが磁極間中心線との間の図示寸法Ａにほぼ等しくなるように直径Ｄ１、Ｄ２及び風穴径を定めるようにしたものである。
【００２９】
したがって、第１及び第２の風穴１４，１５相互間及び第１及び第２の風穴１４，１５と永久磁石１３間の鉄心部の幅を確保し、且つ突極性を向上する上で重要なｑ軸方向（磁極間方向）の磁路を確保しながら風穴の総面積を大きくとることができるので、冷却性能を向上させることができると共に、軽量化を図ることができる。
【００３０】
ところで、誘導電動機の場合、回転子鉄心に設けられる通風穴は、回転子鉄心の円周上の回転子バーにより形成される磁極は点対称になっているため、磁極位置と無関係に通風穴を設けても、磁気的なアンバランスを生じないが、永久磁石同期電動機の場合には、回転子鉄心に設けられたＶ字形の空洞部に永久磁石を埋め込んで、これらの永久磁石間の鉄心部分に磁極を形成しているため、軽量化のみを目的に風穴を設けると、磁気的にアンバランスが生じて磁気飽和による冷却性能の低下を招くおそれがある。
【００３１】
本実施形態では、回転子鉄心８に設けられる第１の風穴１４及び第２の風穴１５の位置及び大きさを上述したように定めるので、磁気的なアンバランスが生じて磁気飽和による冷却性能を低下させることなく、軽量化を図ることができる。
【００３２】
さらに、固定子鉄心２の内面と回転子鉄心８の外面との間に存する間隙とバイパスダクトの通風バランスを考慮して通風量を調整する必要がある場合には、回転子鉄心８の両端面に軸方向に対する漏洩磁束を防止するために設けられた磁束磁気遮蔽板１０の第１の風穴１４又は第２の風穴１５に対応する穴部１０ａを図３に点線にて示すように適宜塞ぐことにより、固定子鉄心２の内面と回転子鉄心８の外面との間のギャップ風量を調整することができる。
【００３３】
また、図４に点線にて示すように永久磁石１３から遠く、周速の低い内径側の第１の風穴１４に対応する磁束磁気遮蔽板１０の穴部１０ａを適宜塞ぐことで、発熱部位に対する冷却を損なうことなく、ギャップ風量の調整を行うことができる。
【００３４】
上記では磁束磁気遮蔽板１０の穴部を塞ぐようにしたが、鉄心押え１１の穴部を塞ぐようにしてもよく、また磁束磁気遮蔽板１０及び鉄心押え１１の双方の穴部を適宜塞ぐようにしても前述同様のギャップ風量の調整を行うことができる。
【００３５】
一方、図示点線のようにキー溝９の中心位置を磁極８ａの中心線上に一致させると、このキー溝９と第１の風穴１４との間の鉄心幅Ｄが小さくなり、遠心力に対する機械的強度を確保する上で問題があるが、本実施形態では、回転子鉄心８をロータシャフト７に装着する場合、キー溝９の中心位置を磁極８ａ相互間の中心線上に一致するようにしてあるので、磁極中心キー溝９と第１の風穴１４間の鉄心幅が小さくなることを防ぐことができ、遠心力に対する回転子鉄心８の機械的強度を確保することができる。
【００３６】
なお、本発明は上記し且つ図面に示す実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で種々変形して実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明による永久磁石同期電動機の第１の実施形態を示す軸方向断面図。
【図２】同実施形態における回転子鉄心の一部を拡大して示す径方向断面図。
【図３】同実施形態における回転子鉄心の第１及び第２の風穴に対応する磁束磁気遮蔽板の穴部が適宜塞がれた状態を示す図。
【図４】同実施形態における回転子鉄心の第１の風穴に対応する磁束磁気遮蔽板の穴部が適宜塞がれた状態を示す図。
【図５】従来の誘導電動機の一例を示す軸方向断面図。
【図６】同誘導電動機における回転子鉄心の一部を拡大して示す径方向断面図。
【図７】従来の永久磁石回転電機の回転子の径方向断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…フレーム、２…固定子鉄心、３…固定子コイル、４…ブラケット、５…ベアリングブラケット、６…軸受、７…ロータシャフト、８…回転子鉄心、８ａ…磁極部、９…キー溝、１０…磁気遮蔽板、１１…鉄心押え、１２…空洞部、１３…永久磁石、１４…第１の風穴、１５…第２の風穴
【図１】
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【図２】
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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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