JP2005117711A - 同期電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】大型化を招くことなく出力トルクを実質的に向上させることのできる同期電動機を提供する。
【解決手段】同期電動機（１）は、鋼板を多数枚積層して構成される固定子鉄心（１２）を備え、その鋼板を継鉄部鋼板（３０）と歯部鋼板（４０）とに分割して構成する。歯部鋼板（４０）を、各歯（４１）の隣り合う歯先（４３）どうしが連結部（４４）を介して円形に連なる１枚の鋼板で形成する。また、各歯（４１）の歯先（４３）部分を磁気抵抗が大きくなる形状に形成した。
【選択図】図３

Description

この発明は同期電動機に関するものである。

一般に、同期電動機には、固定子の鉄心歯部にコイル（電機子コイル）が巻かれ、回転子に永久磁石が固着されたものがある。この種の同期電動機において、出力トルクを向上させるには、永久磁石を大きくするか、電機子コイルの巻数を増やすか、あるいは、固定子と回転子とのギャップを小さくするか、いずれかの方法がある。
特開２００１−１１９８７４号公報

しかしながら、永久磁石を大きくすることは、そのまま回転子の大型化に繋がり、電動機の大型化を招いてしまう。

また、電機子コイルの巻数についても、ただ単に増やすだけでは大型化に繋がる。しかも、電機子コイルに電流を流してトルクを発生させると、電機子電流による磁力すなわち電機子反作用起磁力が発生し、この電機子反作用起磁力が永久磁石による主磁束に対する反作用となる。

そのため、電機子コイルの巻数を増やすことは、発生する電機子反作用起磁力が増加することに繋がることから、増やした巻数分がそのまま出力トルクの向上に寄与することはありえず、電機子反作用起磁力による出力トルクの阻害原因も増やしてしまう。

また、固定子と回転子とのギャップを小さくすることには限界が存在するため、実際の許容量はかなり少ないといえる。

したがって、従来の方法では、電動機をかなり大型化しない限り、同期電動機の出力トルクを実質的に向上させることができないという問題があった。

この発明の課題は、上記従来のもののもつ問題点を排除して、大型化を招くことなく出力トルクを実質的に向上させることのできる同期電動機を提供することにある。

この発明は上記課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、鋼板を多数枚積層して構成される固定子鉄心を備えた同期電動機において、前記鋼板を継鉄部鋼板と歯部鋼板とに分割して構成し、前記歯部鋼板を、各歯の隣り合う歯先どうしが連結部を介して円形に連なる１枚の鋼板で形成し、各歯の歯先部分を磁気抵抗が大きくなる形状に形成した同期電動機である。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記歯部鋼板の各歯の歯先付近にスリットを形成し、このスリットにより前記歯先部分の等価エアギャップを増大させた同期電動機である。

請求項３に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記歯部鋼板の各歯の歯先付近に幅の狭い幅狭部を形成し、この幅狭部により前記歯先部分の等価エアギャップを増大させるとともに、隣り合う歯と歯の間に形成されるスロットの歯先部分の断面積を増加させた同期電動機である。

請求項４に係る発明は、請求項１記載の発明において、前記歯部鋼板の各歯の歯先付近に歯先に向かってテーパ状に狭まるテーパ部を形成し、このテーパ部により前記歯先部分の等価エアギャップを増大させるとともに、隣り合う歯と歯の間に形成されるスロットの歯先部分の断面積を増加させた同期電動機である。

この発明は以上のように、鋼板を多数枚積層して構成される固定子鉄心を備えた同期電動機において、前記鋼板を継鉄部鋼板と歯部鋼板とに分割して構成し、前記歯部鋼板を、各歯の隣り合う歯先どうしが連結部を介して円形に連なる１枚の鋼板で形成し、各歯の歯先部分を磁気抵抗が大きくなる形状に形成したので、固定子鉄心の歯先に集中する電機子反作用起磁力に対して磁気抵抗が大きく働いて、永久磁石による主磁束に対する反作用を軽減することができ、その結果、大型化を招くことなく同期電動機の出力トルクを実質的に向上させることができる効果がある。

この発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、この発明による同期電動機の一実施の形態を回転子を省略して示す概略的断面図、図２は、図１の同期電動機を一部破断にして示す側面図（平面図も同様）、図３は図１の要部の拡大図であり、回転子の一部も示してある。

この同期電動機１は、固定子１０の外側表面、すなわち固定子鉄心（磁気回路コア）１２の外側表面に多数の突起５０が形成してある。

図１に示すように、固定子１０は、四隅に切り欠きのある実質的に正方形の断面形状を有し、その中心部に回転子２０（図３参照）を回転自在に収容する円筒形の空洞１１を有している。また、固定子１０は、固定子鉄心１２と固定子コイル（電機子コイル）１６とで構成されている。

図１、図３に示すように、固定子鉄心１２は、継鉄（ヨーク）１３とその内側にある多数の歯（ティース）１４Ｔとで構成され、これらの歯（ティース）１４Ｔと歯（ティース）１４Ｔの間に形成される多数のスロット１５内に固定子コイル１６が収容されるものである。

固定子鉄心１２は、図４〜図６に示すような鋼板３０，４０を多数枚積層して構成されるものであり、この鋼板３０，４０を、継鉄（ヨーク）１３となる継鉄部鋼板３０と、歯（ティース）１４Ｔとなる歯部鋼板４０とに分割して構成してある。

図４に示すように、継鉄部鋼板３０は、固定子鉄心１２の中心Ｏから等距離の位置に互いに直交する４辺の外周縁３１を有し、固定子鉄心１２の中心Ｏを中心とする実質的に円形の内周縁を有する概略形状をしたものである。また、四隅の切り欠き部付近には、固定子１０を構成する際にボルトを通す通し孔１８（図１参照）となる孔３８が形成されている。

また、継鉄部鋼板３０は２種類の継鉄部鋼板３０Ａ，３０Ｂで構成される。継鉄部鋼板３０Ａは、図４（ａ）に示すように、４辺の外周縁３１がいずれも平坦な直線状のものである。一方、継鉄部鋼板３０Ｂは、図４（ｂ）に示すように、継鉄部鋼板３０Ａの４辺の外周縁３１に相当する位置から複数の突片３５が形成されたものである。継鉄部鋼板３０Ｂは、各突片３５の幅が一定で、隣り合う突片３５どうしの間隔が突片３５の幅とほぼ等しく形成されている。

そのため、このような継鉄部鋼板３０Ｂを任意枚数積層すると、重ね合わされた枚数分の突片３５により所要厚さＤ１の突起５０（図２参照）が構成される。また、このような任意枚数の継鉄部鋼板３０Ｂと、同様な任意枚数の継鉄部鋼板３０Ｂとの間に、継鉄部鋼板３０Ａを任意枚数積層してサンドイッチにすると、継鉄部鋼板３０Ｂの突片３５による所要厚さＤ１の突起５０と、同様な継鉄部鋼板３０Ｂの突片３５による所要厚さＤ１の突起５０との間に、突片３５のない間隔Ｄ２（図２参照）が形成されることとなる。

そして、このような継鉄部鋼板３０Ａ，３０Ｂを所定枚数ずつ交互に積層して、外周縁３１の各辺ごとに適宜数選んだ箇所に全枚数を通じて溶接を施すことで、継鉄部鋼板３０全体を一体化する。これにより、重ね合わされた所定枚数分の突片３５により構成される所要厚さＤ１の突起５０が外側表面に多数形成された継鉄（ヨーク）１３が完成することとなる。

このとき、継鉄（ヨーク）１３の外側表面に形成された多数の突起５０が、溶接の熱を逃がして溶接歪みを抑えることができる利点がある。

図５、図６（ｂ）に示すように、歯部鋼板４０は、多数の歯（ティース）１４Ｔとなる各鋼板歯４１の隣り合う歯先４３どうしが連結部４４を介して円形に連なる１枚の鋼板で形成されている。また、鋼板歯４１と鋼板歯４１との間には、スロット１５となる切り欠き４５が形成されている。

そして、各鋼板歯４１の歯先４３付近には、適宜の大きさのスリット４６が形成してある。このスリット４６により、固定子１０と回転子２０とのギャップＧ（図３参照）を変えずに歯先４３部分の等価エアギャップを増大させてあり、これによって、各鋼板歯４１の歯先４３部分が、磁気抵抗が大きくなる形状に形成されている。

また、各鋼板歯４１の歯元４２は、両側縁を歯元端に向かって（すなわち歯部鋼板４０の半径方向外方に向かって）広がるテーパ状に形成してある。

一方、図４、図６（ａ）に示すように、継鉄部鋼板３０の内周縁には、歯部鋼板４０の各鋼板歯４１の歯元４２形状と対応する係止溝３２が多数形成されている。すなわち、各係止溝３２の両側縁は、入口から奥に向かって（すなわち継鉄部鋼板３０の半径方向外方に向かって）広がるテーパ状に形成してある。

このような歯部鋼板４０を芯出ししながら、かつ、各鋼板歯４１および各切り欠き４５が通るように角度調整しながら所要枚数積層したうえ、例えば円周方向に数カ所選んだ切り欠き４５内に全枚数を通じて溶接を施すことで、歯部鋼板４０全体を一体化する。これにより、すべての歯（ティース）１４Ｔが一体化された一体歯（ティース）１４が構成される。

そして、この一体歯（ティース）１４の各スロット１５に固定子コイル１６を巻きながら収容し、適宜の仕上げ処理をすることで、固定子コイル付き歯（ティース）１４Ｃが完成することとなる（図７参照）。

このとき、積層されて列状に構成される各歯（ティース）１４Ｔは、円形の連結部４４から放射状に形成されるから、各スロット１５は底部（歯先４３側）に比べて入口部（歯元４２側）の方が断面積が広い。そのため、固定子コイル１６を各スロット１５に挿入する際、断面積の広い入口部（歯元４２側）から作業が行えるので、固定子コイル１６の挿入・組立が容易である利点がある。

また、各歯（ティース）１４Ｔの歯元４２はテーパ状に広がっているため、各スロット１５に挿入された固定子コイル１６がスロット１５から外方へ浮いてくることを抑制することができる利点がある。

さらに、例えば図７に示すように、テーパ状の押え部材４９を各歯（ティース）１４Ｔの適宜箇所に嵌合しておくことで、継鉄（ヨーク）１３に組み付けられるまでの間、固定子コイル付き歯（ティース）１４Ｃのすべてのスロット１５内の固定子コイル１６が半径方向外方へ浮いてくることを確実に防止できる利点がある。この押え部材４９の長さは、積層されて列状に構成される各歯（ティース）１４Ｔの長さ（図７で紙面と直交する方向の長さ）に比べて遙かに短いものでよい。

そのため、上記のようにして一体化した継鉄（ヨーク）１３に、上記のようにして一体化した固定子コイル付き歯（ティース）１４Ｃを、軸心を揃えて組み付けたうえ、両端に押え板１７を配し、通し孔１８に図示しないボルトを通して一体化することで、固定子１０が構成されることとなる（図２参照）。

すなわち、一体化した継鉄（ヨーク）１３に、一体化した固定子コイル付き歯（ティース）１４Ｃを組み付けるには、積層された歯部鋼板４０の各歯４１の歯元端に向かって広がるテーパ状の歯元４２形状を、積層された継鉄部鋼板３０の入口から奥に向かって広がるテーパ状の多数の係止溝３２に嵌め込むだけで、固定子鉄心１２を組み立てることができ、しかもこのとき、歯部鋼板４０の各歯４１に巻かれた固定子コイル１６は、各歯４１の歯元端に向かって広がるテーパ状の歯元４２形状によって、歯部鋼板４０の半径方向外方への浮き上がり傾向を抑制されるから、比較的簡単な作業で固定子１０の組み立てを行うことができる。

また、このとき、継鉄（ヨーク）１３の内周縁に形成された多数のテーパ状の係止溝３２に、固定子コイル付き歯（ティース）１４Ｃの外周縁に形成された多数のテーパ状の歯元４２が、固定子鉄心１２の軸線に沿って嵌め込まれていくことで、それまで固定子コイル１６の浮き上がりを抑えていた押え部材４９は、継鉄（ヨーク）１３に押されて歯元４２に沿って摺動していき、最後に歯元４２から抜け落ちる。

そのため、継鉄（ヨーク）１３への固定子コイル付き歯（ティース）１４Ｃの組み付けが終了する瞬間まで、押え部材４９による固定子コイル１６の浮き上がり抑止機能は持続する。

このようにして組み立て終わった固定子１０に、回転子２０を組み込んで同期電動機１を作製すると（図３参照）、各歯（ティース）１４Ｔが、回転子２０の周面に固着した永久磁石２１に吸引されて継鉄（ヨーク）１３に対して半径方向内側へ変位しようとする。

しかし、継鉄（ヨーク）１３の内周縁に形成された多数のテーパ状の係止溝３２に、各歯（ティース）１４Ｔのテーパ状に形成された歯元４２が嵌合しているため、また、各歯（ティース）１４Ｔが歯部鋼板４０ごとに連結部４４を介して円形に連なっているため、このような半径方向内側への変位を確実に防止することができる利点がある。

上記のようにして構成された同期電動機１の固定子コイル１６に電機子電流（３相交流電流）を流してトルクを発生させると、電機子電流による磁力すなわち電機子反作用起磁力が発生し、この電機子反作用起磁力が永久磁石２１による主磁束に対する反作用となる。

ところが、このような電機子反作用起磁力が集中する歯先４３部分にスリット４６が形成してあり、このスリット４６によって歯先４３部分の等価エアギャップを増大させることで、歯先４３部分の磁気抵抗が大きくなっている。そのため、固定子鉄心１２の歯先４３に集中する電機子反作用起磁力に対して磁気抵抗が大きく働いて、永久磁石２１による主磁束に対する反作用を軽減することができる。その結果、大型化を招くことなく同期電動機１の出力トルクを実質的に向上させることができる。

また、上記のようにして構成された同期電動機１は、運転にともなって自己発熱する。しかし、固定子鉄心１２の外側表面に多数の突起５０が形成されているため、これら多数の突起５０によって固定子鉄心１２の外側表面積を大幅に拡大することができる。これにより、実質的な体積増加を伴わずに高い放熱効率を達成することができる。

図８は、継鉄部鋼板の他の例を示す図であり、この継鉄部鋼板１３０は、互いに平行な２辺にのみ複数の突片１３５が形成され、他の２辺は外周縁１３１のままであるため、これ１種類だけで足りるものである。

すなわち、継鉄部鋼板１３０を所定枚数ごとに９０°向きを変えて積層することで、重ね合わされた所定枚数分の突片１３５により構成される所要厚さの突起５０を、固定子鉄心１２の外側表面に多数形成することができる。

この継鉄部鋼板１３０の場合も、係止溝１３２は、上記の係止溝３２と同様に両側縁が入口から奥に向かって広がるテーパ状に形成してあり、歯部鋼板４０の各鋼板歯４１の歯元４２形状と対応している。

図９は、継鉄部鋼板のさらに他の例を示す図であり、この継鉄部鋼板２３０は、比較的大型の同期電動機１に対応するため、１枚ではなく複数（図示の例では４枚）の鋼板片２３０Ｐに分割したものである。

なお、図４（ｂ）に示す継鉄部鋼板３０Ｂを例にして図示してあるが、図４（ａ）に示す継鉄部鋼板３０Ａおよび図８に示す継鉄部鋼板１３０についても、比較的大型の同期電動機１に対応させる場合は、１枚ではなく複数（例えば４枚または２枚）の鋼板片に分割することができる。

この鋼板片２３０Ｐは、４枚を組み合わせて１枚の継鉄部鋼板２３０を構成するものであり、各鋼板片２３０Ｐどうしの接合部を、先端に向かってテーパ状に広がる係止突片２３７と、入口から奥に向かってテーパ状に広がる係止溝２３８とによる接合構造としてある。

このように複数に分割された鋼板片２３０Ｐを１枚の継鉄部鋼板２３０として組み付けるには、例えば、継鉄部鋼板２３０の内接円と同径のドラムと、継鉄部鋼板２３０の孔２３８に通すポストとを直立させて備えた組み付け治具を用いて、ポストに鋼板片２３０Ｐの孔２３８を通して内接円をドラムの周面に沿わせながら落とし入れることで、容易に組み付けることが可能である。

しかも、この組み付け治具を用いることで、継鉄部鋼板２３０の積層も容易に実現することができる。

図１０は、この発明による同期電動機の他の実施の形態を示す要部の断面図である。この同期電動機３０１は、各鋼板歯３４１の歯先３４３付近に幅の狭い幅狭部３４７が形成してある。この幅狭部３４７により、固定子３１０と回転子３２０とのギャップＧを変えずに歯先３４３部分の等価エアギャップを増大させてあり、これによって、各鋼板歯３４１の歯先３４３部分が、磁気抵抗が大きくなる形状に形成されている。

また、幅狭部３４７により、隣り合う歯（ティース）３１４Ｔと歯（ティース）３１４Ｔの間に形成されるスロット３１５の歯先３４３部分の断面積を増加させてある。

この同期電動機３０１は、固定子コイル３１６に電機子電流（３相交流電流）を流してトルクを発生させると、電機子電流による磁力すなわち電機子反作用起磁力が発生し、この電機子反作用起磁力が永久磁石３２１による主磁束に対する反作用となる。

ところが、このような電機子反作用起磁力が集中する歯先３４３部分に幅狭部３４７が形成してあり、この幅狭部３４７によって歯先３４３部分の等価エアギャップを増大させることで、歯先３４３部分の磁気抵抗が大きくなっている。そのため、固定子鉄心３１２の歯先３４３に集中する電機子反作用起磁力に対して磁気抵抗が大きく働いて、永久磁石３２１による主磁束に対する反作用を軽減することができる。

しかも、この同期電動機３０１の場合は、各歯（ティース）３１４Ｔの歯先３４３付近に幅狭部３４７を形成することで、各スロット３１５の歯先３４３部分の断面積を増加させてあるから、固定子コイル３１６の巻数を増やすことができる。

その結果、大型化を招くことなく同期電動機３０１の出力トルクを実質的に向上させることができる。

図１１は、この発明による同期電動機のさらに他の実施の形態を示す要部の断面図である。この同期電動機４０１は、各鋼板歯４４１の歯先４４３付近に歯先に向かってテーパ状に狭まるテーパ部４４８が形成してある。このテーパ部４４８により、固定子４１０と回転子４２０とのギャップＧを変えずに歯先４４３部分の等価エアギャップを増大させてあり、これによって、各鋼板歯４４１の歯先４４３部分が、磁気抵抗が大きくなる形状に形成されている。

また、テーパ部４４８により、隣り合う歯（ティース）４１４Ｔと歯（ティース）４１４Ｔの間に形成されるスロット４１５の歯先４４３部分の断面積を増加させてある。

この同期電動機４０１は、固定子コイル４１６に電機子電流（３相交流電流）を流してトルクを発生させると、電機子電流による磁力すなわち電機子反作用起磁力が発生し、この電機子反作用起磁力が永久磁石４２１による主磁束に対する反作用となる。

ところが、このような電機子反作用起磁力が集中する歯先４４３部分にテーパ部４４８が形成してあり、このテーパ部４４８によって歯先４４３部分の等価エアギャップを増大させることで、歯先４４３部分の磁気抵抗が大きくなっている。そのため、固定子鉄心４１２の歯先４４３に集中する電機子反作用起磁力に対して磁気抵抗が大きく働いて、永久磁石４２１による主磁束に対する反作用を軽減することができる。

しかも、この同期電動機４０１の場合は、各歯（ティース）４１４Ｔの歯先４４３付近にテーパ部４４８を形成することで、各スロット４１５の歯先４４３部分の断面積を増加させてあるから、固定子コイル４１６の巻数を増やすことができる。

その結果、大型化を招くことなく同期電動機４０１の出力トルクを実質的に向上させることができる。

この発明による同期電動機の一実施の形態を回転子を省略して示す概略的断面図である。 図１の同期電動機を一部破断にして示す側面図である。 図１の要部の拡大図である。 ２種類の継鉄部鋼板を示す一部省略した平面図である。 歯部鋼板を示す一部省略した平面図である。 継鉄部鋼板と歯部鋼板の要部の拡大図である。 押え部材による固定子コイルの浮き上がりを防止する説明図である。 継鉄部鋼板の他の例を示す一部省略した平面図である。 継鉄部鋼板のさらに他の例を展開して示す一部省略した平面図である。 この発明による同期電動機の他の実施の形態を示す要部の断面図である。 この発明による同期電動機のさらに他の実施の形態を示す要部の断面図である。

符号の説明

１，３０１，４０１ 同期電動機
１０，３１０，４１０ 固定子
１１ 空洞
１２，３１２，４１２ 固定子鉄心（磁気回路コア）
１３，３１３，４１３ 継鉄（ヨーク）
１４ 一体歯（ティース）
１４Ｔ，３１４Ｔ，４１４Ｔ 歯（ティース）
１４Ｃ 固定子コイル付き歯（ティース）
１５，３１５，４１５ スロット
１６，３１６，４１６ 固定子コイル（電機子コイル）
１７ 押え板
１８ 通し孔
２０，３２０，４２０ 回転子
２１，３２１，４２１ 永久磁石
３０（３０Ａ，３０Ｂ），１３０，２３０ 継鉄部鋼板
３１，１３１ 外周縁
３２，１３２，２３２ 係止溝
３５，１３５，２３５ 突片
３８，１３８，２３８ 孔
４０ 歯部鋼板
４１，３４１，４４１ 鋼板歯
４２ 歯元
４３，３４３，４４３ 歯先
４４ 連結部
４５ 切り欠き
４６ スリット
４９ 押え部材
５０，３５０，４５０ 突起
２３０Ｐ 鋼板片
２３７ 係止突片
２３８ 係止溝
３４７ 幅狭部
４４８ テーパ部

Claims (4)

1. 鋼板を多数枚積層して構成される固定子鉄心を備えた同期電動機において、
   前記鋼板を継鉄部鋼板と歯部鋼板とに分割して構成し、
   前記歯部鋼板を、各歯の隣り合う歯先どうしが連結部を介して円形に連なる１枚の鋼板で形成し、各歯の歯先部分を磁気抵抗が大きくなる形状に形成したことを特徴とする同期電動機。
2. 前記歯部鋼板の各歯の歯先付近にスリットを形成し、このスリットにより前記歯先部分の等価エアギャップを増大させたことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
3. 前記歯部鋼板の各歯の歯先付近に幅の狭い幅狭部を形成し、この幅狭部により前記歯先部分の等価エアギャップを増大させるとともに、隣り合う歯と歯の間に形成されるスロットの歯先部分の断面積を増加させたことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。
4. 前記歯部鋼板の各歯の歯先付近に歯先に向かってテーパ状に狭まるテーパ部を形成し、このテーパ部により前記歯先部分の等価エアギャップを増大させるとともに、隣り合う歯と歯の間に形成されるスロットの歯先部分の断面積を増加させたことを特徴とする請求項１記載の同期電動機。

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