JP2005278236A - 励磁機およびそれを用いた回転機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヨーク部とティース部が分割されている励磁機（ステータ）の磁気抵抗と鉄損を低減し、磁束（Ｂ）を増大することができる励磁機、およびそれを用いた回転機を提供する。
【解決手段】 電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機であって、前記励磁機は、ヨーク部およびティース部を有しており、該ヨーク部と該ティース部をそれぞれ螺旋加工により形成する励磁機およびそれを用いた回転機。また、ティース部のヨーク部と接する側が連続し、かつヨーク部と接する部位に嵌合する形状を有する励磁機。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流を通じることにより移動磁界を発生させる励磁機およびそれを用いた回転機に関する。具体的には、例えば励磁機としてのステータおよびそれを用いた永久磁石同期機に代表される回転機に関する。

回転機の代表的な一例である永久磁石同期機は、ステータ（固定子）に電流を流すことにより発生する磁場が、ロータ（回転子）に埋め込まれた永久磁石に働いてロータが回転する同期機であって、保守性、制御性、耐環境性に優れ、高効率、高力率運転が可能な電動機として産業・民生家電分野を問わず広く用いられている。
この場合、電気エネルギーを同期機に流して、回転駆動力を得るようにするのが同期電動機であり、逆に同期機を回転させて電気エネルギーを同期機より取り出す場合は、同期発電機となる。ここでは両者を想定し、あわせて同期機としている。両者の構造は基本的には同じなので、以下の詳細説明では同期電動機の例を中心に説明する。

同期機に用いられる電磁鋼板の種類については、特許文献１に、ステータのティースとヨークを分割する構造とし、ヨークには周方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板（ＧＯ）を用い、ティースには、径方向を磁化容易方向とする方向性電磁鋼板を用いることにより、鉄損を低減する方法が開示されている。
しかしこの従来技術は、ステータコアのティース部とヨーク部とを分割すると共に、さらにヨーク部を円周方向に分割し、このヨーク部にも方向性電磁鋼板を磁化容易軸方向が周方向に合致するようにして使用した技術である。このようにすれば、ステータコアに形成される磁束の方向と材料の磁化容易軸方向を合致させることが可能で、材料の無駄も防止することができる。
しかしながら、ステータコアがあまりにも多数に分割されているために、部品点数が多すぎて製造すること自体が容易でないばかりか、製造工数および製造コストの増大を招くという問題がある。しかも、ヨーク部が円周方向に細かく分割されているので、ステータコア全体の強度ないし剛性が低下するという問題もある。

また特許文献２には、ヨークが方向性けい素鋼板をその幅方向に螺旋巻きした方向性けい素鋼板または方向性けい素鋼線で形成され、ティースは軸方向に積層されたけい素鋼板よりなり、分割ヨークの問題を改善した発明が開示されている。しかしこの場合でも、ヨークとティースとの接合部における回転磁界発生の問題は解決されていない。
特開平７−６７２７２号公報 特開２０００−２７８８９１号公報

本発明は、前記のような従来技術の問題点を解決し、ステータ等の励磁機の磁気抵抗と鉄損を低減し、磁束（Ｂ）を増大し、かつ安価に製造することが可能な励磁機およびそれを用いた同期機を提供することを課題とする。
なお、本発明において鋼板とは、冷延鋼板、電磁鋼板の他、アモルファス等の軟磁性材料も含める。また、ティース部とはティースを含む部材をいい、ヨーク部とはティースを含まない部材をいう。

本発明は、ヨーク部とティース部をそれぞれ螺旋加工により形成されるステータ等の励磁機の磁気抵抗と鉄損を低減し、磁束（Ｂ）を増大し、かつ安価に製造することが可能な励磁機およびそれを用いた同期機を提供するものであり、その要旨は特許請求の範囲に記載した通りの下記内容である。

（１） 分割されたティース部およびヨーク部を有した励磁機であって、鋼板を板面内で曲げて一層毎に分割して積層された積層体と、鋼板を板面内で曲げて複数層分を螺旋状に整形して積層された積層体の一種または二種を組み合わせることにより、前記ティース部および／または該ヨーク部が形成されることを特徴とする励磁機。
（２） 前記ティース部の回転子側が接続されていることを特徴とする（１）記載の励磁機。
（３） 前記ティース部のヨーク部と接する側が連続し、かつ該ヨーク部と接する部位に嵌合する形状を有することを特徴とする（１）記載の励磁機。
（４） 前記ヨーク部を構成する電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティース部を構成する鋼板の磁化容易方向が前記励磁機の径方向であることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか１項に記載の励磁機。
（５） 前記ティース部またはヨーク部を構成する電磁鋼板の少なくも一つが方向性電磁鋼板であることを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか１項に記載の励磁機。
（６） 前記ティース部、ヨーク部の何れか一方が単位鉄芯に打抜かれた積層体であることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれか１項に記載の励磁機。
（７） （１）乃至（６）のいずれか１項に記載の励磁機を有することを特徴とする回転機。

本発明によれば、請求項毎に次のような効果を奏する。
請求項１に記載の発明によれば、ティース部ならびにヨーク部は、鋼板を螺旋状に複数回巻回して形成しているので、部品点数が少なくなる。また、１枚の円環状に打抜いたもののように無駄な材料の発生を抑え、材料費の低減も図れる。
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の効果に加え、分割されたティース部とヨーク部にギャップが生じ、ティース部がヨーク部との連結部で連続していないため、ヨーク根元部分での回転磁界による鉄損増加がさらになくなる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の効果に加え、ティース部の回転子側（内周側）が連続していないため、ティースの回転子側の間に短絡して流れる磁束が減少するため、励磁機から回転子への磁束量が増加することにより、回転トルクを高くすることができる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の効果に加え、磁束の方向と磁化容易方向を一致させるためにステータコアの鉄損が低減され、磁束が通り易くなるため、これを用いた回転機の効率および回転トルクを向上させることができる。
請求項５に記載の発明によれば、請求項１乃至４の効果に加え、ティース部またはヨーク部の少なくとも一部に方向性電磁鋼板を使用するので、励磁機内での磁束を著しく増加させることができ、これを用いた回転機の効率および回転トルクを向上させることができる。
請求項６に記載の発明によれば、ティース部、ヨーク部の何れかを通常の積層体を適用することにより、請求項１乃至５に記載の効果を得ることが可能となる。
請求項７に記載の発明によれば、回転機に対して、請求項１乃至５に記載の効果を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態を、図１〜図２と図６〜図９を用いて詳細に説明する。
図１および図２は、本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図である。図１、図２において、１はヨーク部、２はティース部、３はヨーク部とティース部の境界線を示す。
ステータは、外周部のヨーク部１とティース部２から主に構成される。

従来は、図３に示すように、ヨークとティースが分割されておらず一体に構成されていたため、磁束がヨークとティースとの境界部を通過するときに、同じ平面内磁束の向きが変ることから、この部分に磁気抵抗の大きい回転磁界が発生し、これによって鉄損が著しく低下していた。
ここに回転磁界とは、図７に示すように、例えばｘ―ｙ平面内の位置によって磁気特性が曲線的に変化する磁界をいい、図６に示すような、直線的に変化する交番磁界と反対の概念である。

発明者らは、種々の形態のステータについて鉄損を測定したところ、この回転磁界は、平面内で磁束の方向が変化する場所で発生し易いことを見出した。
そこで、この回転磁界の発生を防止するためには、ティースとヨーク間にギャップを設ければよいことに想到し、ヨーク１とティース２を分割し、ギャップを設けることによって平面内での磁束の方向転換を少なくしたところ、回転磁界の発生が抑制され、鉄損を著しく低減することができた。ギャップとしては５μｍ以上８０μｍが好ましく、さらには１０μｍ以上５０μｍであることが好ましい。

具体的には、図１および図２に示すように、ヨーク部１とティース部２は分割されている。これらヨーク部および／またはティース部の素材は、帯状の鋼板をその幅方向の一側面を板面内に曲げることにより得られる。ヨーク部１の場合は、前記板面内に曲げられた鋼板の１枚または２枚以上の積層体で、板厚方向に積層されている。

ヨーク部１は、図１及び図２あるいは図９に示すように、螺旋加工もしくは積層にて板厚方向に積層してもよい。またティース部２の場合は、前記板面内に曲げられた鋼板の１枚または２枚以上の積層体で、板厚方向に積層されている。またティース部２は、図１に示すようにティース先端を接合させ、図９に示すように螺旋加工もしくは積層にて板厚方向に積層してもよいし、図２に示すようにヨーク部１との接合部付近を接合させ、図９に示すように螺旋加工もしくは、積層にて板厚方向に積層してもよい。

ヨーク部１を螺旋加工すると、部品点数が少なくなる。また、１枚の円環状に打抜いたもののように無駄な材料の発生を抑え、材料費の低減も図れる。
また本発明では、ティース部の回転子側（内周側）が連続していると、さらに鉄損を低減することが可能となる。これは、分割されたティース部とヨーク部にギャップが生じ、ティース部がヨーク部との連結部で連続していないため、ヨーク根元部分での回転磁界が低減するからである。

また、ティース部のヨーク部と接する側が連続し、かつヨーク部と接する部位に嵌合する形状を有していると、更に回転トルクを高めることが可能となる。これは、ティース部の回転子側（内周側）が連続していないため、ティースの回転子側の間に短絡して流れる磁束が減少するため、励磁機から回転子への磁束量が増加するからである。また、ティース部単独の状態で巻線密度を高めることによる効果も享受することが可能である。

具体的には、図１および図２に示すように、ヨーク部１を構成する電磁鋼板は方向性電磁鋼板であることが望ましく、また、該方向性電磁鋼板の磁化容易軸は周方向であることが望ましく、ティース部２を構成する電磁鋼板についても方向性電磁鋼板であることが望ましく、また、該方向性電磁鋼板の磁化容易軸は径方向であることが望ましい。
磁束の流れる方向と方向性電磁鋼板の磁化容易方向とを合わせることにより、磁束の流れをスムーズにし、磁束（Ｂ）を強化することができる。

ここに、方向性電磁鋼板は、磁化容易方向が特定の方向である電磁鋼板であり、磁化容易方向については、無方向性電磁鋼板より優れた磁気特性を有する。
例えば図８に示すように、方向性電磁鋼板は、圧延方向の比透磁率μＲが、非圧延方向の比透磁率μＴに比べて著しく大きくなっており、圧延方向に磁束を流し易い性質を持っている。

方向性電磁鋼板を用いることにより、磁束の流れをスムーズにし、その結果、磁束（Ｂ）を強化できることができるうえ、磁束が交差する部分に生じる磁気抵抗の大きい回転磁界の発生を防止することができ、ステータ（励磁機）における鉄損を低減することができる。
なお、本実施形態では励磁機をステータとしたが、ロータに電流を流すことによって、励磁機をロータとすることもできる。
本実施形態に示す励磁機を回転機に適用することによって、鉄損が少なく出力トルクが大きい回転機を提供することができる。

本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図で、 （ａ）は斜視図、（ｂ）は部分拡大図である。 本発明の第１の実施形態であるステータ（励磁機）の構造を示す図で、 （ａ）は斜視図、（ｂ）は部分拡大図である。 従来の同期機のステータ（励磁機）の構造を示す図である。 従来の同期機の断面図である。 従来の同期機の断面図である。 交番磁界の説明図である。 回転磁界の説明図である。 本発明に用いる方向性電磁鋼板の比透磁率（μ）の特性を示す図である。 螺旋加工を示す図である。

符号の説明

１：ヨーク部
２：ティース部
３：ヨーク部とティース部の境界線
７：ステータ（励磁機）
８：ロータ（界磁機）
９：永久磁石

Claims (7)

1. 分割されたティース部およびヨーク部を有した励磁機であって、鋼板を板面内で曲げて一層毎に分割して積層された積層体と、鋼板を板面内で曲げて複数層分を螺旋状に整形して積層された積層体の一種または二種を組み合わせることにより、前記ティース部およびヨーク部の一方又は両方が形成されることを特徴とする励磁機。
2. 前記ティース部の回転子側が接続されていることを特徴とする請求項１記載の励磁機。
3. 前記ティース部のヨーク部と接する側が連続し、かつ該ヨーク部と接する部位に嵌合する形状を有することを特徴とする請求項１記載の励磁機。
4. 前記ヨーク部を構成する電磁鋼板の磁化容易方向を前記励磁機の周方向とし、前記ティース部を構成する鋼板の磁化容易方向が前記励磁機の径方向であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の励磁機。
5. 前記ティース部またはヨーク部を構成する電磁鋼板の少なくとも一つが方向性電磁鋼板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の励磁機。
6. 前記ティース部、ヨーク部の何れか一方が単位鉄芯に打抜かれた積層体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の励磁機。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載の励磁機を有することを特徴とする回転機。
   

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