JP2005027369A

JP2005027369A - 電動機

Info

Publication number: JP2005027369A
Application number: JP2003186759A
Authority: JP
Inventors: Hisaaki Horiuchi; 寿晃堀内; Tokuaki Hino; 徳昭日野; Junya Kaneda; 潤也金田; Matahiro Komuro; 又洋小室; Motoya Ito; 元哉伊藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】回転方向が一方向の電動機において、固定子の磁束の疎密のばらつきを抑えるとともに、固定子鉄心の鉄損の高い部分をなるべく生じさせないようにすることによって鉄損を低減した高効率・高性能の電動機を提供する。
【解決手段】回転方向が一方向の電動機において、ティース先端部分（傘部）が左右非対称となっており、かつその先端部分が回転子の回転方向に伸びて隣り合うティースの先端部分近傍に到達する固定子鉄心を有する電動機とする。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固定子と回転子で構成される、回転方向が一方向の電動機の固定子構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動機の効率向上・高性能化のためには、固定子の鉄損を低減することが重要である。このための従来技術として、固定子のヨーク部とティースを分割し、それらを無方向性電磁鋼板ではなく方向性電磁鋼板を用いて、それぞれの磁束方向（ティースは径方向、ヨーク部は周方向）に沿うように別々に製造したものを組み合わせるというステータコア（固定子鉄心）が特開平７−６７２７２号公報（特許文献１）、特開２０００−２３２７４０号公報（特許文献２）、特開２００１−１２８３９５号公報（特許文献３）、特開２００１−１９００３８号公報（特許文献４）に開示されている（従来技術１）。
【０００３】
また、特開２０００−６９６９３号公報（特許文献５）には、電磁鋼板固着のためのカラマセ部をティース中心からロータ回転前進方向寄りに設け、磁路の妨げを防いで鉄損を増加させないようにしたステータコアが開示されている（従来技術２）。
【０００４】
また、特開２０００−１８４６３２号公報（特許文献６）には、ティース形状が周方向一方側へ連続的に傾斜した形状を持つステータコアが開示されている（従来技術３）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−６７２７２号公報
【特許文献２】
特開２０００−２３２７４０号公報
【特許文献３】
特開２００１−１２８３９５号公報
【特許文献４】
特開２００１−１９００３８号公報
【特許文献５】
特開２０００−６９６９３号公報
【特許文献６】
特開２０００−１８４６３２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の発明者等は、回転中の電動機の固定子に生じる磁界、磁束及び鉄損を動的にその場測定できる装置を使用して、運転時の固定子における鉄損を評価した。
【０００７】
図１、図２、及び図３は、回転子の回転方向を反時計回りとして、種々の条件下において固定子における鉄損の二次元分布を計測し、その結果を示した図である。より色の濃い部分が鉄損の値が高い部分となっている。発明者等の試験結果によれば、図１に示すように、鉄損の分布はティース１においてその周方向中心に対して左右対称とはなっておらず、回転子の回転方向後進側が先進側に対してより高い値になっている。
【０００８】
また、図２に示すように、高い鉄損を生じる部分はティース１の回転子の回転方向後進側から回転子の回転方向に沿ってヨーク部２へと伝播している。さらに、図３に示すように、ヨーク部２の鉄損はその径方向中心よりも中心側、かつティース周方向中心よりも回転子の回転方向先進側の方が、径方向中心よりも外周側、ティース周方向中心よりも回転子の回転方向後進側に対してより高い値になっている。
【０００９】
従って、固定子の鉄損を低減し、高効率・高性能の電動機を実現するためには、磁束の流れを決めるティース先端部分３の形状を最適化し、磁束の疎密のばらつきを抑えるとともに、固定子形状の最適化や固定子電磁鋼板固着位置の最適化により鉄損の高い部分をなるべく生じさせないようにするのが効果的である。これに加えて、これらの最適化により固定子の機械的強度が損なわれたり、電動機としての経済性が著しく損なわれたりしないようにするのも重要である。
【００１０】
しかしながら、従来技術１のステータコアは、鉄損の低減には有効であるが、ティースとヨーク部を分割するために非分割型の固定子と比較してどうしても機械的強度の低下が避けられない。
【００１１】
さらに、分割したティースとヨーク部を組み合わせる工程が追加されるため、非分割型の固定子と比較して経済性が低下してしまうという問題が生じる。従来技術２のステータコアは、カラマセ部をティース中心からロータ回転前進方向寄りに設けることは磁路の妨げの防止には効果的であるが、ティースの先端部分の形状が周方向中心に対して左右対称となっているため、固定子に生じる磁束の左右非対称性を抑制することができず、固定子の鉄損の低減に対して充分な効果が得られないのが問題である。
【００１２】
従来技術３のステータコアは、ティースの形状が周方向中心に対して左右非対称となっているが、これは固定子へのコイル巻装作業の高効率化とコイル巻装に起因するコイルの銅損の低減を目的とした技術であり、固定子の鉄損の低減に対しては充分な効果が得られるものではない。
【００１３】
そこで、本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解消し、回転方向が一方向の電動機において、固定子の磁束の疎密のばらつきを抑えるとともに、固定子の鉄損の高い部分をなるべく生じさせないようにすることによって鉄損を低減し、さらには従来の電動機と比較して固定子の機械的強度や電動機としての経済性を損なうことなく高効率・高性能の電動機を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固定子鉄心に固定子巻線を巻装する固定子と、回転子とを備え、固定子鉄心は、環状のヨーク部と、このヨーク部に立設され、かつ固定子巻線が巻装されるティースと、巻装される固定子巻線が収まる奥側の広いスロット溝と、ティースの先端側に設けられる傘部とを有し、傘部は回転子の回転方向側に偏って延びる左右非対称の形状をなすことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、回転子の回転方向先進側にあたるティースの付け根がヨーク部に近づくにつれて太くなることを特徴とする。
【００１６】
さらに、本発明は、固定子鉄心が電磁鋼板を積層して構成され、各電磁鋼板を加締結合する固着部をティースに設け、固着部が前記ティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向先進側位置に存在することを特徴とする。
【００１７】
さらにまた、本発明は、固定子鉄心が電磁鋼板を積層して構成され、各電磁鋼板を加締結合する固着部をヨーク部に設け、固着部がヨーク部の径方向厚みの中間を通るヨーク部中間円形線に対し、外周側に存在することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明は、固定子鉄心が二つ以上に分割されていることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明は、上記の通りの特徴を持っているが、その特徴や他の特徴を実施例の図面を引用して詳しく説明する。
【００２０】
まず、本発明は、ティースの先端側に設ける傘部が回転子の回転方向側に偏って延びる左右非対称の形状をなし、かつ傘部の延びた先端が回転方向側に存在するティースの先端側面近傍に到達するようにしている。
【００２１】
図１に示すものでは、ティース１の先端部分３（傘部）がティースの中心を放射方向に貫けるティース中心線に対し、左右対称となっている固定子鉄心にあっては、回転子の回転方向後進側に、先進側に対してより密な磁束が流れ、高い鉄損の値を示す。
【００２２】
また、同図からも明らかなように、ティース先端部分３（傘部）の鉄損の値は他の部分と比べて高く、ティース先端部分３（傘部）の形状は固定子の鉄損の分布に大きく影響を及ぼす。
【００２３】
しかし、ティース先端部分３（傘部）を図４に示すような形状とすることにより、鉄損が改善される。すなわち、ティース１の先端側に設ける傘部（先端部分３）が回転子の回転方向側に隣り合せるティース１の先端側面に向って偏在するように延びる左右非対称の形状をなし、かつ傘部の延びた先端が隣に存在するティース１の先端側面近傍に到達するようにした。このような構成にすることで、磁束の流れが密になりやすい回転子の回転方向後進側からの磁束の流入を抑制し、同時に磁束の流れが疎になりやすい回転子の回転方向先進側からの磁束の流入を増大させて固定子の磁束の疎密のばらつきを抑え、鉄損の高い部分をなるべく生じさせないようにすることによって固定子鉄心の鉄損の低減が図られる。
【００２４】
図１１は、図４に示す固定子鉄心の鉄損等について実測した計測値のデータを示している。時計回り、反時計回りは回転子の回転方向を示す。反時計回りが本発明にあたるものである。鉄損は０．２Ｗ、銅損は０．３Ｗ、漂遊損は５．２Ｗ、機械損は０．８Ｗ低減され、電動機の効率が約１％向上することが、確認された。
【００２５】
また、本発明は、回転子の回転方向先進側にあたるティースの付け根がヨーク部に近づくにつれて太くなるようにした。つまり、その付け根部分である回転子の回転方向先進側が、テーパ形状等により後進側に比べて広い面積となるような構成にした。
【００２６】
図２に示すものでは、ティース１の回転子の回転方向後進側から流入した磁束は、主として回転子の回転方向に沿ってヨーク部２へと伝播し、高い鉄損の値を示す。
【００２７】
しかし、ティースのヨーク側付け根部分４を図５に示すような形状とすることにより、鉄損が改善される。すなわち、ティースの付け根がヨーク部に近づくにつれて太くなるようにすることにより、磁路の確保が容易になり、磁束が密となることが抑制されて高い鉄損を生じる部分が減少し、固定子の鉄損の低減が図られることになる。
【００２８】
なお、図５においては、回転子の回転方向先進側にあたるティースのヨーク側付け根部分４が直線テーパ形状になっているが、例えば円弧のような曲線形状等でも鉄損の低減が期待できる。
【００２９】
さらに、図４と図５に示す本発明の特徴を併せて採用することにより、鉄損の低減を更に図ることができる。
【００３０】
また、本発明は、各電磁鋼板を加締結合する固着部をティースに設け、その固着部がティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向先進側位置に存在するようにしている。
【００３１】
熱加締等によって電磁鋼板に加工のひずみや熱が加わると、電磁鋼板の磁気特性は劣化する。磁気特性劣化部ではより大きな鉄損が生じるために、磁気特性劣化部における磁束はできるだけ疎な方が好ましい。図１ないし図３から明らかなように、ティース１の磁束は回転子の回転方向後進側で密となり、回転方向先進側において疎となる傾向がある。従って、電磁鋼板を固着するためにティースに設けられる熱かしめ等の固着部位置５を、図６に示すようにティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向先進側位置にすることによって、磁束が密となりやすい回転方向後進側における電磁鋼板の磁気特性劣化を抑制することができ、固定子の鉄損の低減が図られることになる。
【００３２】
図２に示すように、ティースの回転子の回転方向先進側にあたるヨーク側付け根部分は磁路の関係で磁束が密となっており、また、ティース先端部分３の磁束も密であるので、ティースにおける熱加締等の固着部位置５はティース先端部とヨーク側付け根部の中間に位置することが好ましい。また、熱かしめ等の形状は、図６に示すように長方形をなし、その長手方向が径方向となるようにすることが望ましい。さらに、図６からも明らかなように、図４、図５、図６に示す本発明の特徴を併せて採用することにより、固定子鉄心の鉄損の低減効果をさらに向上させることができる。
【００３３】
さらに、本発明は、固定子鉄心が電磁鋼板を積層して構成され、各電磁鋼板を加締結合する固着部をヨーク部に設け、その固着部がティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向後進側位置に存在するようにしている。
【００３４】
図３に示すように、ヨーク部２の磁束は、主としてその径方向中心よりも中心側を回転子の回転方向に沿って伝播し、鉄損はヨーク部２の中心側、かつティース１の周方向中心よりも回転方向先進側でより高い値になっている。上記の通り、熱加締等を行う位置は磁束ができるだけ疎な場所であることが好ましいので、電磁鋼板を固着するためにヨーク部２に設けられる熱加締等の位置６は、図７に示すようにヨーク部２の径方向厚みの中間を通るヨーク部中間円形線に対し、外周側に存在させ、かつティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向後進側位置に来るようにする。
【００３５】
このような位置を選ぶことによって、磁束が密となりやすい部分における電磁鋼板の磁気特性劣化を抑制することができ、固定子の鉄損の低減が図られることになる。また、熱加締等の形状は、図７に示すように長方形をなし、長手方向が周方向となるようにすることが好ましい。さらに、図７からも明らかなように、図４、図５、図６、図７に示す本発明の特徴を併せて採用することにより、固定子鉄心の鉄損の低減効果をさらに向上させることができる。
【００３６】
さらにまた、本発明は、固定子鉄心が二つ以上に分割されたブロックから構成される。
【００３７】
固定子鉄心図８に示すようにいくつかのティースに分割（ブロックに分割）することによって、非分割で固定子鉄心を構成する場合と比較して、部品形状が小型化・単純化されるために、加工時の寸法精度の向上と、加工に起因する残留応力の低減効果が期待できる。加工による残留応力は電磁鋼板の磁気特性を劣化させるので、固定子鉄心を分割することによって固定子の鉄損の低減が図られることになる。また、打ち抜き等によって電磁鋼板を製造する場合、固定子鉄心を分割することによって、打ち抜き残部面積を減少させることもできるので、経済的にも優れた効果を発揮する。
【００３８】
さらに、図８からも明らかなように、図４、図５、図６、図７、図８に示す本発明の特徴を併せて採用することにより、固定子鉄心の鉄損の低減効果をさらに向上させることができる。
【００３９】
さらに、本発明の電動機は、製造工程数の増加や特殊な製造技術を必要としないため、生産における経済性は従来のものと変わらない。
【００４０】
これにより固定子の機械的強度や電動機としての経済性を損なうことなく、電動機における固定子の鉄損が低減され、回転方向が一方向であるエアコンの電動機や車載電動機の高効率・高性能化が可能となる。さらには、高効率な電動機の実現によるランニングコストの低下に加え、省資源化及び地球環境の保護等の優れた効果も期待できる。
【００４１】
図９に示す本発明の実施例は、直流ブラシレス電動機に係わるものである。この電動機は、図４に示す固定子鉄心と回転子を併せたもので、１２ストット溝／８極の直流ブラシレス電動機である。
【００４２】
図中には示されていないが、ティース１のそれぞれの周りには銅線の固定子コイルが巻装される。回転子軸７、回転子鉄心８及び永久磁石９からなる回転子は図示の如く反時計回りに回転する。この直流ブラシレス電動機は、ティース先端部分３（傘部）が回転子の回転方向側に偏って延びる左右非対称の形状をしているので、ティース１における磁束の疎密のばらつきが抑えられ、固定子の鉄損が低減されて高効率・高性能な電動機として機能する。
【００４３】
図１０に示す本発明の実施例は、固定子鉄心が分割されているブロックを組み合わせて形成される。この分割の固定子鉄心においても、ティース先端部分３（傘部）が回転子の回転方向側に偏って延びる左右非対称の形状をしているので、ティース１における磁束の疎密のばらつきが抑えられる。
【００４４】
また、本実施例は、回転子の回転方向先進側にあたるティースの付け根がヨーク部２に近づくにつれて太くなるようにしたので、固定子鉄心の主たる磁路における磁束が密となることが抑制されて高い鉄損を生じる部分が減少する。
【００４５】
これに加えて、熱加締による各電磁鋼板のティースにおける固着部５及びヨーク部における固着部６は、固定子鉄心において磁束が疎な位置に設定されている。このことによって、磁束が密となりやすい部分における電磁鋼板の磁気特性劣化は抑制されている。また、固定子鉄心が１２個のティース（ブロック）に分割される構造が採用されていることにより、打ち抜きによって電磁鋼板を製造する際の打ち抜き残部面積は減少している。従ってこの電動機は、固定子の鉄損が著しく低減されて高効率・高性能な電動機として機能するとともに、優れた経済性も発揮する。
【００４６】
もちろん、この発明は以上の例に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能であることは言うまでもない。
【００４７】
【発明の効果】
以上詳しく説明した通り、本発明によれば、固定子鉄心の鉄損を低減した高効率・高性能の電動機が提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固定子鉄心の鉄損について、鉄損その場測定装置で計測した鉄損の二次元分布の計測結果（１）を示す図。
【図２】固定子鉄心の鉄損について、鉄損その場測定装置で計測した鉄損の二次元分布の計測結果（２）を示す図。
【図３】固定子鉄心の鉄損について、鉄損その場測定装置で計測した鉄損の二次元分布の計測結果（３）を示す図。
【図４】本発明の第１の実施例に係わるもので、固定子鉄心を部分的に示す図。
【図５】本発明の第２の実施例に係わるもので、固定子鉄心を部分的に示す図。
【図６】本発明の第３の実施例に係わるもので、固定子鉄心を部分的に示す図。
【図７】本発明の第４の実施例に係わるもので、固定子鉄心を部分的に示す図。
【図８】本発明の第５の実施例に係わるもので、固定子鉄心を部分的に示す図。
【図９】本発明の実施例に係わるもので、図４に示した固定子鉄心と回転子を併せて示した図。
【図１０】本発明の実施例に係わるもので、図８に示した固定子鉄心と回転子を併せて示した図。
【図１１】本発明の実施例に係わるもので、鉄損その場測定装置で計測した鉄損値を示す図。
【符号の説明】
１…ティース、２…ヨーク部、３…ティース先端部分、４…ティースのヨーク側付け根部分、５…ティースに設けられる熱加締等の固着部位置、６…ヨーク部に設けられる熱加締等の固着部位置、７…回転子軸、８…回転子鉄心、９…永久磁石。

Claims

固定子鉄心に固定子巻線を巻装する固定子と、回転子とを備え、前記固定子鉄心は、環状のヨーク部と、前記固定子巻線が巻装されるティースと、巻装される固定子巻線が収まる奥側の広いスロット溝と、前記ティースの先端側に設けられる傘部とを有し、
前記傘部は前記回転子の回転方向側に偏って延びる左右非対称の形状をなすことを特徴とする電動機。
請求項１に記載された電動機にあって、
前記傘部の延びた先端が、前記回転方向側に存在する前記ティースの先端側面近傍に到達することを特徴とする電動機。
固定子鉄心に固定子巻線を巻装する固定子と、回転子とを備え、前記固定子鉄心は、環状のヨーク部と、このヨーク部に立設され、かつ前記固定子巻線が巻装されるティースと、巻装される固定子巻線が収まる奥側の広いスロット溝と、前記ティースの先端側に設ける傘部を有し、
前記回転子の回転方向先進側にあたる前記ティースの付け根が、前記ヨーク部に近づくにつれて太くなることを特徴とする電動機。
請求項１から３の何れか一つに記載された電動機にあって、
前記固定子鉄心は電磁鋼板を積層して構成され、
前記各電磁鋼板を加締結合する固着部をティースに設け、
前記固着部が、前記ティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向先進側位置に存在することを特徴とする電動機。
請求項１から３の何れか一つに記載された電動機にあって、
前記固定子鉄心は電磁鋼板を積層して構成され、
前記各電磁鋼板を加締結合する固着部を前記ヨーク部に設け、
前記固着部が、前記ティースの中心を放射方向に貫くティース中心線に対し、回転子の回転方向後進側位置に存在することを特徴とする電動機。
請求項１から３の何れか一つに記載された電動機にあって、
前記固定子鉄心は電磁鋼板を積層して構成され、
前記各電磁鋼板を加締結合する固着部を前記ヨーク部に設け、
前記固着部が前記ヨーク部の径方向厚みの中間を通るヨーク部中間円形線に対し、外周側に存在することを特徴とする電動機。
請求項１から６の何れか一つに記載された電動機にあって、
前記固定子鉄心は二つ以上に分割されていることを特徴とする電動機。
請求項７に記載された電動機にあって、
前記固定子鉄心を分割する分割面は前記ヨーク部に設け、この分割面は前記スロット溝のほぼ中央を放射方向に貫くスロット溝中央線に沿って形成したことを特徴とする電動機。
請求項１から８の何れか一つに記載された電動機にあって、
前記回転子は複数の永久磁石を有することを特徴とする電動機。