JP2006246544A - 電動機の分割型固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】 分割型固定子の分割嵌合部に形成される不可避的な空隙に、磁性粉末を再配列可能になるように充填することで、透磁率を十分に高め、かつ、発熱による熱応力を緩和することにより、鉄損および励磁電流を低減する。
【解決手段】 電動機の巻き線を内蔵した固定子の内部に形成される磁路を切断するように分断された分割型固定子パーツからなる分割型固定子において、前記分割型固定子パーツの嵌合部に形成される空隙に磁性粉末を充填したことを特徴とする電動機の分割型固定子。
【選択図】 図２

Description

本発明は電動機の高効率化技術に係り、特に稼動時に内部に形成される磁路を切断するように分割されたパーツを組み立て製造される電動機の分割型固定子の鉄損低減および励磁電流低減技術に関する。

近年、省エネルギーの観点から各種電気機器の効率向上が求められている。電気機器の効率は各種要因に影響されるが、電動機の鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、従って最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板が使用される場合が増加している。
このような電磁鋼板を用いて、固定子の形状に一体で打抜き、積層し製造される電動機用固定子では、電磁鋼鈑から製造される製品の歩留まりが悪いため、歩留まりが高くなるように固定子の部分毎の形状で打抜き、積層したパーツを所定の形状になるよう組み立てる分割型固定子がある。

しかし、分割型固定子では、電動機の稼動時において、図９に示すように、固定子２１の内部に形成される磁路２０を切断するように各パーツの嵌合部１９が形成され、この嵌合部１９には不可避的な透磁率の低い空隙（隙間ともいう）が形成されてしまい、磁路全体の透磁率を低下させ、電動機としての効率を低下させてしまう。
このような分割型固定子の空隙による悪影響を減らす技術として、特許文献１がある。この技術は、固定子に形成された空隙に磁性粉末を混入した樹脂を充填し固化することで空隙の透磁率を向上し、電動機鉄心の鉄損や励磁電流を低減する技術である。

しかし、磁性粉末を樹脂に混入すると、樹脂の存在のため空隙に充填される磁性粉末の充填率が低くなることや、磁性粉末間に樹脂が介在することにより空隙に形成される磁気回路は磁気抵抗の観点から磁性粉末と樹脂の直列回路となり、十分な透磁率が得られず、電動機の特性は改善されない。また、特に、電動機の回転トルクが高い高励磁電流においては、巻線の温度が上昇することで、固定子のティース部の温度が上昇、固定子が熱膨張するが、このとき、樹脂によって各パーツが剛に結合されていると、熱ひずみを逃がすことができず、固定子内部に圧縮応力が生じる可能性がある。

ここで、磁束方向に圧縮応力が生じると鉄損が増加することが一般に知られている（例えば、非特許文献１参照）。嵌合部を樹脂固定していない場合、熱ひずみを逃がすことができるため、圧縮応力による鉄損増加は少ないと考えられるが、上記特許文献１に開示されている技術では、かえって鉄損を増加させてしまう。
特開平１０−４６４１号公報 電気学会回転機研究資料ＲＭ−９５−２７（１９９５年１月）、２７〜３６頁 イラスト・図解シリーズ「小型モータのすべて」、技術評論社、２００１年４月２３日発行、８３、８６頁（ＩＳＢＮ４−７７４１−１１９９−６）

本発明は、分割型固定子の分割嵌合部に形成される不可避的な空隙の透磁率を十分に高め、かつ、発熱による熱応力を緩和することにより鉄損の増加を抑制することで、鉄損および励磁電流が低い電動機用固定子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）電動機の巻き線を内蔵した固定子の内部に形成される磁路を切断するように分断された分割型固定子パーツからなる分割型固定子において、前記分割の嵌合部に形成される空隙に磁性粉末を充填したことを特徴とする電動機の分割型固定子。
（２）前記空隙において、前記磁性粉末が磁場印加時に空間的に再配列可能であることを特徴とする前記（１）に記載の電動機の分割型固定子。
（３）前記空隙における前記磁性粉末の体積充填率が５〜８０ｖｏｌ％以下であることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の電動機の分割型固定子。
（４）前記磁性粉末を充填した空隙における比透磁率が３０以上であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の電動機の分割型固定子。
（５）前記空隙における前記磁性粉末の粒径の分布が二つ以上のピークを持つことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の電動機の分割型固定子。

本発明に係る電動機の分割型固定子によれば、特許文献１で示されるような、固定子に形成された空隙に磁性粉末を混入した樹脂を充填し固化した電動機用固定子と比較して、鉄損で１５％、励磁電流においては１０％以上低減させることが可能である。

本発明者らは、図１に示す模式図の様に、固定子の分割より、分割型固定子パーツ１ａおよび１ｂの嵌合部に形成される不可避的な空隙３によって生じる鉄損の増加と励磁電流の増加を抑制するため、空隙３に透磁率が空気に比べ十分高い磁性粉末４を充填し、これを樹脂等で固定しないで移動自在とすることにより、図２に示す模式図の様に、電動機の稼動時において鉄心内に磁場が形成されると、空隙３内部の磁性粉末４は磁束線５の方向に直列に配置した磁性粉末連鎖６を形成し、分割型固定子パーツ１ａおよび１ｂの嵌合面２ａおよび２ｂを空隙３内部において磁性粉末４により磁気的に連結されることを見出した。磁束５は、空隙内において、磁性粉末連鎖６を選択的に通ることができ、空隙全体の透磁率は、磁性粉末を充填しないときに比べ大幅に上昇する。

しかし、特許文献１で提示される手法では磁性粉末が固定されており、磁束線に沿った再配列はできず、磁場が印加されても図１に示される状態に保たれる。そのため空隙内を通る磁束は、磁性粉末だけでなく樹脂部も通過しなければならず、空隙全体における透磁率は、ほとんど増加しない。

また本発明において、嵌合部を固定しないことにより、固定子が発熱による熱膨張を生じた場合にも、空隙３が狭まることによって、固定子の膨張を妨げることがなく、固定子内部に圧縮応力を発生させず、鉄損や励磁電流の増加を生じさせることがない。
本発明の効果を高めるため、使用する磁性粉末として、比較的安価に入手できる、鉄、マグネタイト、および、マグヘマタイトが望ましく、上記粉末を絶縁物による皮膜を施したものでもよい。磁性粉末の粒径は特に限定するものではなく、１μｍ以上空隙の間隔以下のものを使用することが実用上好ましい。または、充填率を向上させるため、使用する磁性粉末の粒径分布が二つ以上あることが好ましい。例えば、使用する磁性粉末のうち７０〜９９％に粒径が５〜２０μｍにピークを持つ粉末、残りに粒径が０．１〜３μｍにピークを持つ粉末を用い、これらを混合し充填することで、大きい粒径の粉末によって形成される隙間に小さい粒径の粉末が入り込むことによって充填率を向上させることができる。さらに、使用する磁性粉末のうち７０〜９０％に粒径が５〜２０μｍにピークを持つ粉末、残りの内の５０〜９９％に粒径が０．１〜３μｍにピークを持つ粉末、その残りに０．０１〜０．１μｍにピークを持つ粉末を用いるなど、段階的に粒径を制御し、充填率を向上することが望ましい。

さらに、空隙全体の透磁率を十分に高めるため、磁性粉末の空隙への体積充填率を５ｖｏｌ％以上にすることが望ましい。また、磁性粉末の再配列を容易にするため、また、鉄心の熱膨張を妨げないようにするため、磁性粉末の空隙への体積充填率を８０ｖｏｌ％以下にすることが望ましい。

図３に示すように、電磁鋼板を打ち抜き、積層、ワニスによる固化を施したティース部１４とヨーク部１５からなる分割型固定子パーツ７を作成し、図４に示す、巻き線８を施した固定子パーツ７を、図５に示すように、円状に配置した分割型固定子１０を組み立てる。次いで図６に示すように、上記分割型固定子１０を上下から固定治具９ではさみ、連結部１６をボルト（図示しない）で固定し、分割型固定子１０の内側に永久磁石１７を配置した回転子１８を設置した電動機１１を製作した。

まず、比較例１、２として、ａ）分割型固定子パーツ７同士の嵌合面１２に形成される空隙に何も充填せず、水準１）回転数１０００［ｒｐｍ］、トルク６０［Ｎｍ］、および、水準２）５０００［ｒｐｍ］、トルク７［Ｎｍ］の２水準にて鉄損および励磁電流を測定した。

次に、本発明例１、２として、上記固定子１０を分解し、ｂ）嵌合部１２に鉄粉のみを２０ｖｏｌ％充填し、嵌合部１２を塞ぐように周囲にテープを貼付した固定子１０を使用する電動機１１により、それぞれ上記の２水準で測定を実施した。
なお、本発明の実施例において、鉄粉の体積充填率は、嵌合面１３の３次元形状および組み立て後の嵌合部１２の顕微鏡観察から空隙の体積を割り出し、さらに、充填する鉄粉の重量および比重を測定することで求めた。

さらに、比較例３、４として、上記固定子１０を分解し、嵌合部の鉄粉を除去した後、ｃ）特許文献１で提示される例として、鉄粉を２０ｖｏｌ％混入した合成樹脂接着剤を嵌合部１２に充填した固定子１０を使用する電動機１１により、上記２水準で測定を実施した。
上記で使用した鉄粉の粒径は、全鉄粉の内９０％が１０μｍで、残り１０％が１μｍの混合鉄粉である。

測定結果を、ａの測定値に対する比率で図７に示す。本発明例１（ｂの水準１）では、比較例１（ａの水準１）に対し鉄損で３４％、励磁電流で２０％低減し、比較例３（ｃの水準１）に対し鉄損で２５％、励磁電流で１６％低減した。
また、本発明例２（ｂの水準２）では、比較例２（ａの水準２）に対し鉄損で１９％、励磁電流で１４％低減し、比較例４（ｃの水準２）に対し鉄損で２２％、励磁電流で１２％低減した。

空隙に何も充填しないもの（比較例１、２）、および、特許文献１で提示される電動機（比較例３、４）に対し、本発明により、鉄損で２０％程度もしくはそれ以上、励磁電流で１０％以上低減させることができた。特に、水準１においては、励磁電流が高く、巻き線が発熱し、固定子が熱膨張していたと推察され、特許文献１で提示される電動機用固定子（比較例３）では、嵌合部に何も充填していない固定子（比較例１）に比べ、若干鉄損が増加しているのに対し、本発明例１では鉄損が低減しており、熱応力の抑制効果を発揮することができた。

さらに、本発明者はこの鉄損低減の原因がティースとヨークの嵌合部に充填した比透磁率の好ましい値を詳細に検討した。まず、比較基準値として、ｉ）図１０に示す非分割型固定子に対し、励磁電流２５０ＡＴ／相、回転数３０００ｒｐｍの励磁条件で有限要素法による電磁場解析を行い、鉄損を算出した。
なお、有限要素法の電磁場解析を実施するに際し、使用する電磁鋼板の磁気特性は、３５Ａ３００の非線形励磁特性（磁化力−磁束密度特性）を使用し、鉄損特性は３５Ａ３００の非線形鉄損特性（磁束密度−鉄損特性）を使用した。

次に、図５に示す分割型固定子に対し、励磁電流２５０ＡＴ／相、回転数３０００ｒｐｍの励磁条件にて、ｉｉ）ティースとヨークの嵌合部１２の比透磁率を１と設定したもの（空隙部磁性体非充填）、ｉｉｉ）ティースとヨークの嵌合部１２の比透磁率を１０と設定したもの、ｉｖ）ティースとヨークの嵌合部１２の比透磁率を３０と設定したもの、ｖ）ティースとヨークの嵌合部１２の比透磁率を５０と設定したもの、ｖｉ）ティースとヨークの嵌合部１２の比透磁率を１００と設定したものにて有限要素法による電磁場解析を行い、鉄損を算出した。分割型固定子に対する有限要素法による電磁場解析に使用した電磁鋼板の磁気特性は、３５Ａ３００の非線形励磁特性を使用し、鉄損特性は３５Ａ３００の非線形鉄損特性を使用した。また、空隙部の透磁率は、平均透磁率として扱った。

電磁場解析結果を図１１に示す。嵌合部の比透磁率が増加するに従い、鉄損は減少する。空隙部の透磁率が３０以上での鉄損増加量は、空隙部に磁性体非充填のｉｉ）での鉄損増加量の１／４以下となり、効果が大である。

さらに、本発明による効果は、いかなる形態の分割型固定子にも適用でき、たとえば、図８に示されるような、ティース部１４とヨーク部１５が分割された分割型固定子において、上記と同様の測定を実施したところ、空隙に何も充填しないもの、および、特許文献１で提示される形態の電動機に対し、鉄損で１５％以上、励磁電流で１０％以上低減させることができた。
さらに、巻き線の方法は、非特許文献２の８３ページに紹介されているような分布巻きでも、非特許文献２の８６ページに紹介されているような集中巻きでも、上記と同等の効果を得た。

本発明の形態を示す、分割固定子パーツの嵌合部の拡大図（磁場印加なし）である。 本発明の形態を示す、分割固定子パーツの嵌合部の拡大図（磁場印加時）である。 本発明の実施例の一部を示す、分割型固定子パーツを示す図である。 本発明の実施例の一部を示す、巻き線を施した分割型固定子パーツを示す図である。 本発明の実施例の分割型固定子を示す図である。 本発明の実施例の固定子を使用した電動機を示す図である。 本発明による効果を表す、鉄損および励磁電流の測定結果を示すグラフである。 分割型固定子を使用した電動機の例である。 分割型固定子および内部に形成される磁路の模式図である。 非分割型固定子を示す図である。 本発明による効果を示す、空隙部比透磁率と鉄損比の関係を示す図である。

符号の説明

１ 分割型固定子のパーツ
２ 分割型固定子のパーツの嵌合面
３ 分割型固定子のパーツの嵌合面に形成される不可避的な空隙
４ 磁性粉末
５ 磁束線
６ 磁性粉末連鎖
７ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子パーツ
８ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子に巻く巻き線
９ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子の固定治具
１０ 本発明の実施例である、分割型固定子
１１ 本発明の実施例である、分割型固定子を使用した電動機
１２ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子パーツが形成する嵌合部
１３ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子パーツの嵌合面
１４ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子パーツのティース部
１５ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子パーツのヨーク部
１６ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子の固定治具の連結部
１７ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子の内側に配置される回転子に埋め込まれる永久磁石
１８ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子の内側に配置される回転子
１９ 分割型固定子の分割型固定子パーツが形成する嵌合部
２０ 分割型固定子内部に形成される磁路の模式図
２１ 分割型固定子
２２ 本発明の実施例の一部である、分割型固定子の内部に形成される磁路の模式図
２３ 本発明の実施例との比較対象である、非分割型固定子
２４ 本発明の実施例との比較対象である、非分割型固定子に巻くコイル

Claims (5)

1. 電動機の巻き線を内蔵した固定子の内部に形成される磁路を切断するように分断された分割型固定子パーツからなる分割型固定子において、前記分割型固定子パーツの嵌合部に形成される空隙に磁性粉末を充填したことを特徴とする電動機の分割型固定子。
   
2. 前記空隙において、前記磁性粉末が磁場印加時に空間的に再配列可能であることを特徴とする請求項１に記載の電動機の分割型固定子。
   
3. 前記空隙における前記磁性粉末の体積充填率が５〜８０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動機の分割型固定子。
   
4. 前記磁性粉末を充填した空隙における比透磁率が３０以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動機の分割型固定子。
   
5. 前記空隙における前記磁性粉末の粒径の分布が二つ以上のピークを持つことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電動機の分割型固定子。
   

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