JP2004222410A

JP2004222410A - モータのステータ鉄心

Info

Publication number: JP2004222410A
Application number: JP2003006596A
Authority: JP
Inventors: Takashi Mogi; 尚茂木
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】積層間の反発力を弱めることを図った各種モータのステータ鉄心に関し、板厚とティース幅の形状を規定して、接着コーティングで固定された積層鋼板の振動を低減したモータのステータ鉄心を提供すること。
【解決手段】コイルが巻回されるティースを備えたステータを複数枚積層して用いるモータのステータ鉄心において、積層する電磁鋼板の板厚を０．２ｍｍ以下にし、ロータに近いティース端部の幅Ｗ３をティース根元幅Ｗ１の１．５倍以上とし、かつその中間部のティース幅Ｗ２が（Ｗ１＋Ｗ３）／２≦Ｗ２になるようにモータのステータ鉄心を構成すること。
【選択図】図８

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は各種モータのステータ鉄心に関し、詳しくはモータのステータを形成する際に積層シートのティース先端部の接着状態を劣化させない技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば三相同期モータのステータは、電磁鋼板を回転軸の軸方向に積層して構成されている。積層されるシートの表面には、表面に絶縁層が、稀にはさらに接着層が形成されており、積層後に機械的にかしめたり、接着層を加熱溶融することで積層シートが固定される。こうしたモータの一例としては、特許文献１に示された「可変リラクタンスモータ」などが知られている。
【０００３】
こうしたステータの材料として通常は無方向性電磁鋼板が採用されている。これは、次の理由による。ステータ側に形成される磁束を考えると、ティースの部位では磁束はモータの径方向となり、ヨークの部位では周方向となる。このようにティースとヨークで磁束の方向はほとんど９０°異なる。さらに各ティースは中心方向を向き、それぞれ中心角分だけずれている配置になるため、磁束の流れる方向もずれることになる。磁束の方向がバラバラなステータにおいて、全体として鉄損を小さくしようとすると、磁化の容易な方向が存在する一方向性電磁鋼板では鉄損や磁束を効率よく流す組み合わせは簡単ではないため、無方向性電磁鋼板を使用することが通常採用されている。
【０００４】
一方、モータコアは電磁鋼板を積層して、かしめや溶接することにより積層コアとして一体化し、固定するのが一般的であるが、かしめや溶接等の加工を施した場合、コアの磁気特性劣化が問題となる。しかしながら、かしめや溶接等の積層シートの固定方法では、部分的に固定するため固定されていない部分が、振動や騒音の原因となる可能性がある。
【０００５】
ところで、電磁鋼板の表面には、渦電流損の低減を目的として絶縁被膜が施されている。この絶縁被膜には、本来の絶縁性のほかに耐食性や打抜き性などの各種機能が付与されているが、これらの被膜特性にさらに接着剤としての機能を付与することが可能で、古くから様々な技術が提案されている。すなわち、例えば、特許文献２に開示されているように電磁鋼板に塗布されている絶縁被膜を加圧と同時に加熱することにより被膜が溶融・融着して鋼板同士を固定し、コアを固定できるいわゆる接着コーティングが開発されている。通常、接着コーティングには絶縁被膜としての特性と接着剤としての特性を両立させる必要から有機樹脂が用いられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平２−１１９５６１号公報
【特許文献２】
特公昭５５−９８１５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
モータの効率の向上、例えば三相同期モータの出力トルクの増大、形状の小型化を図るためには、ティース部において磁束密度を高くする方法があり、また回転数を上げる方法もある。反対に、出力を一定にしてモータ形状を小さくするためにはティース部の磁束密度を高くする方法が採用される。この場合、コアの積層シートから磁束がロータへ渡るが、磁束が外部へ出る個々の積層シートには同極の磁極が発生し、それらが強く反発するため、積層間に隙間ができる。特に磁極が発生するティース先端で顕著である。この状態において長期間高温で使用した場合、鋼板層間の接着強度が劣化し、部分的に隙間が開いて、機械強度が落ちる。
また、隙間が発生することによる板の自由度が増すため、振動起因による騒音が発生する。本発明ではコア積層シート間の接着強度の劣化を防ぎ、前記のごとき問題を解消することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の具体的な手段は以下の通りである。
（１）コイルが巻回されるティースを備えたステータを複数枚積層して用いるモータのステータ鉄心において、積層の固定のために接着コ−ティングを用い、積層する電磁鋼板の板厚を０．２ｍｍ以下にし、ヨークの近傍のティース幅Ｗ１に対し、ロータに近いティース端部の幅Ｗ３を１．５倍以上とし、かつその中間部のティース幅Ｗ２が（Ｗ１＋Ｗ３）／２≦Ｗ２を満たすことを特徴とするモータのステータ鉄心。
【０００９】
【発明の実施の形態】
すでに述べたように、これまでモータの効率向上、出力トルクの増大、形状の小型化を図るために、ティースにおける高磁束密度化が図られている。この場合、ティース先端において磁束密度が増すために同極の強い磁極が発生し、それらが強く反発するため、積層間に離れる力が加わり接着強度が弱まる。本発明者らはこれらの部位の構造に注目し、積層シートの接着強度を劣化させない手法を効果的に実現するため鋭意研究を行った。
【００１０】
以下実験にもとづき説明する。
本発明者らはティース先端に加わる積層シート間の反発力を計算し、これを基に測定した。以下に計算例を示す。ティース先端の自由度はステータの他の部分より一番高いため、この部分に加わる反発力を計算した（図１）。ティース先端間での反発力を（１）式に表す。
Ｆ＝τ^２／２πμ_０ｒ（１）
ここでティース先端における磁荷は幅方向に均一に分布していると仮定した。Ｆは鋼板間の反発力（Ｎ）、τは単位長さあたりの線磁荷（Ｗｂ／ｍ）で、ここではティースの幅方向に一様とした。μ_０は真空の透磁率（Ｈ／ｍ）、ｒは線磁荷間の距離（ｍ）で、このモデルでは鋼板の板厚に等しい。線磁荷はφ／Ｗと表され（φ＝ＢＳ；Ｓ：ティース断面積（ｍ^２））、磁束密度Ｂに比例する。ここでＷはティース幅（ｍ）とする。
【００１１】
単位長さあたり、板厚０．５ｍｍ、磁束密度１．０Ｔで鋼板間に働く反発力Ｆは６３．３Ｎとなり、ティース先端から板厚長さ分、内側へ入り込んだ面積に対する反発力は０．１２６ＭＰａと表される。この関係を図２に示す。反発力は磁束密度の２乗に比例し、板厚が薄くなると小さくなる。板厚との関係を図３に示す。板厚に対して反発力は比例する。これらの結果から板厚を薄くし、磁束密度を下げることで同極の磁極を弱めて反発力を小さくすることで接着強度の劣化を防ぐことができる。
【００１２】
図４はティース先端の磁束密度を小さくする構造である。ここでＷ１はコアバックヨークに接しているティース幅、Ｗ２はティース長さＬの１／２の位置である中間部のティース幅、Ｗ３はティース先端のティース幅である。Ｗ１はティースからステータのヨーク側に一番深く入り込んだ巻線スロットの位置におけるティースの幅とする。
ティース先端部での磁束密度を小さくし、Ｗ３をＷ１より大きくし、かつティース先端における磁束を均一に分布させるため、（２）式の条件をつけた。
Ｗ２≧（Ｗ１＋Ｗ３）／２（２）
【００１３】
図５はティース幅比（Ｗ２／Ｗ１）による磁束密度比（Ｂｗ３／Ｂｗ１）の変化を示した。ここでＢｗ１はコアバックヨークに接しているティースにおける磁束密度、Ｂｗ３はティース先端部における磁束密度を示す。（Ｗ２／Ｗ１）が１．５より大きいと磁束密度比が低位安定になり、磁荷を小さくでき積層シート間の反発力が小さくなり、接着強度の劣化を抑えられる。
また、形状に関してはティース先端部で幅が急に広くなると磁束が均一に分布しないため、局所的にＢの大きい部分が発生して効果が見られない。幅を徐々に広げた方が均一に磁束密度が小さくなり、全体的な反発力が小さく接着強度の劣化が抑えられる。
【００１４】
以下、実施例にもとづき本発明を説明する。
【実施例】
［実施例１］
図６に本発明を適用したモータのステータの断面図を示す。図６において、ステータ鉄心の中心に円形の電磁鋼板を固定し、回転させない状態で磁気回路を形成した。鋼板厚さ０．２ｍｍで、積層厚が２０ｍｍになるように重ねた。雰囲気温度を１００〜６００℃に変え、ティース形状をＡ型（Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３）とＢ型（２×Ｗ１＝Ｗ２＝Ｗ３）でティース近傍にマイクロフォンを２０ｍｍに近づけ騒音を測定した（図７）。Ａ型では連続励磁下６００℃で騒音が２０ｄＢから６０ｄＢへ増加した。これは鋼板間の接着強度か落ちたためと考えられる。一方、本発明の条件を満たすＢ型では騒音に実質的な変化は見られず、接着強度の劣化が小さいことを確認できた。
【００１５】
［実施例２］
以下本発明の第２の実施例について、図面を参照しながら説明する。
図８は０．２ｍｍ厚の鋼板をティースに打抜いて２０ｍｍ厚に接着し積層したもので、温度を１００〜６００℃に、また（Ｗ２／Ｗ１）比を１〜２に変え、１．５Ｔで６０日間励磁した後、ティース先端における積層シート間の隙間を観察した。この結果を表１に示す。
【００１６】
【表１】

【００１７】
ここで、○は隙間発生無し、△は一つのコアにおいて隙間が２０％発生、×は２０％を越えて発生したことを表す。１００℃の場合では目視で殆ど隙間に変化は見られないが、温度が３００℃において、ティースの形状が細長い（Ｗ２／Ｗ１＝１）と途中磁束の先端で部分的に接着強度が弱くなり２０％程度隙間が発生した。これはティース先端で十分磁束が均一化せず、局所的にＢの大きい部分が発生し、これから振動によって隙間が発生すると考えられる。Ｗ２／Ｗ１＝２の条件では温度にかかわらず殆ど積層間の隙間は見られなかった。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、積層シート間の固定のために接着コ−ティングを用い、積層する電磁鋼板の板厚を０．２ｍｍ以下にすることで、コアの積層シート間に働く強い反発力を抑えることができ、長い期間高温で使用した場合の、コアの積層シート間に隙間が開くことを避けることが図れる。
また、ロータに近いティース端部の幅Ｗ３をティース根元幅Ｗ１の１．５倍以上とし、かつその中間部のティース幅Ｗ２が（Ｗ１＋Ｗ３）／２≦Ｗ２を満たすことにより、上記と同様に振動から発生する騒音を著しく低減させる効果もある。
【図面の簡単な説明】
【図１】反発力を計算するためのティースの横断面を示す図である。
【図２】磁束密度と鋼板間反発力の関係を示す図である。
【図３】板厚と鋼板間反発力の関係を示す図である。
【図４】ティースの形状を規定するパラメータを示す図である。
【図５】ティースの形状とティース根元と先端の磁束密度比を示す図である。
【図６】ティース振動を測定するコアを示す図である。
【図７】励磁時間とティース振動による騒音を示す図である。
【図８】振動によって発生するティースの隙間を観察する図である。

Claims

コイルが巻回されるティースを備えたステータを複数枚積層して用いるモータのステータ鉄心において、積層の固定のために接着コーティングを用い、積層する電磁鋼板の板厚を０．２ｍｍ以下にし、ヨーク近傍のティース幅Ｗ１に対し、ロータに近いティース端部の幅Ｗ３を１．５倍以上とし、かつその中間部のティース幅Ｗ２が（Ｗ１＋Ｗ３）／２≦Ｗ２を満たすことを特徴とするモータのステータ鉄心。