JP2007336690A

JP2007336690A - 電動機固定子

Info

Publication number: JP2007336690A
Application number: JP2006165476A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Tani; 良浩谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-06-15
Filing date: 2006-06-15
Publication date: 2007-12-27

Abstract

【課題】電動機固定子において、固定子をフレームに装着する際の圧縮応力によるヒステリシス損を低減させることを目的とする。
【解決手段】ヨーク部３とヨーク部３から突出したティース部４を有する略Ｔ字型の磁極片を複数枚厚み方向に積層した固定子片２が円環状に成形され、固定子片２のティース部４に固定子巻線６が巻かれた固定子１を、固定子１の外径とフレーム１０の内径差を利用してフレーム１０に装着固定された回転電動機において、磁極片は、ヨーク部３における主磁束領域９におけるティース対称軸１２と垂直な方向が、無方向性電磁鋼板での圧延方向となるように、上記無方向性電磁鋼板を打抜いて形成されており、ヨーク部３内周側の主磁束領域９におけるフレーム１０装着によるヨーク部３周方向の圧縮応力の平均値が５０ＭＰａ以下になるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、固定子巻線が巻かれるティースとティース間のヨーク部とを持つ磁極片を複数枚厚み方向に積層して固定子片を形成し、その固定子片を円環状に配置して固定子を成形する構成の電動機において、磁極片として無方向性電磁鋼板を用い、フレーム装着の際の圧縮応力によるヒステリシス損増加を低減させることが可能な電動機固定子に関するものである。

電動機で発生したトルクの伝達性を高め、さらに、本発明の電動機におけるような複数の固定子片を円環状に配置し固定子を成形する構成では、その成形性（真円度）を高めるため、例えば、鉄やアルミ製のフレームに、固定子の外径とフレームの内径差を利用した焼嵌めや圧入といった方法により固定子を装着する。この装着により固定子のヨーク部の周方向には大きな圧縮応力が作用し、ヨーク部の磁気特性（ヒステリシス損や磁化特性）が劣化し、それに伴い電動機性能（ロストルク、効率）が悪化する。

この電動機性能の悪化に対する対策として、例えば、特許文献１に開示された固定子の構造では、円周方向に複数のティース部を有する固定子において、ティース部根元とフレームが接する固定子外周部との間に固定子外周部近傍の応力を緩和するための空隙部を設け、ティース部根元が位置する固定子外周部をフレームに接触固定することで、電動機の固定子に加わる圧縮応力を低減し磁気特性の劣化を防ぐようにしている。

また、例えば、特許文献２に開示された方法では、固定子片を円筒状に組み込んで固定子を形成した電動機において、固定子片が方向性電磁鋼板により形成されると共に薄肉連結部により相互に結合されたヨークとヨークから突出したティースとを備え、固定子片を形成する方向性電磁鋼板の磁化容易方向（圧延方向）と固定子に流れる磁束の方向とを一致させるように構成している。

また、例えば、特許文献３に開示された方法では、焼嵌め固定された鉄心などの鋼板面内方向に圧縮応力が作用する用途において、最適な電磁鋼板を選定するために、上記用途の鉄心に、面内異方性指標Ｓを定義し、その値が０．０６以下といった、面内での磁気特性が等方性に近い無方向性電磁鋼板を使用するものであり、ここで、面内異方性指数Ｓは、鋼板の圧延方向から０°、４５°、９０°方向に周波数５０Ｈｚ、磁化力５０００Ａ／ｍで励磁、測定した磁束密度Ｂ_５０ ^０、Ｂ_５０ ^４５、Ｂ_５０ ^９０と、それらの最大値Ｂ_ｍａｘと最小値Ｂ_ｍｉｎを用いて下記（式１）
Ｓ＝４ｘ（Ｂ_ｍａｘーＢ_ｍｉｎ）／（Ｂ_５０ ^０＋２ｘＢ_５０ ^４５＋Ｂ_５０ ^９０）
…（式１）
から求めるとしている。

特開２００５−３５４８７０号公報（第８頁、図１）特開２０００−２３２７４０号公報（第８頁、図１）特開２００５−３１２１５５号公報（第２頁〜３頁）

上記特許文献１に開示された技術によれば、固定子に加わる応力を低減し、かつ、フレームとの嵌合性も高めることができる反面、ティース根元部でのコア巾が削減されるため電動機の負荷状態により磁束密度が上昇し鉄損が増加するという問題があり、また、固定子のフレームへの保持がティース根元部のみとなる場合には、フレームの応力でティースの変形が発生してスロット部の間隔がティース個々でばらつき易く、これに伴い、ティースのロータ対向面の真円度が低下することで永久磁石モータ等ではコギングトルクが増加する等の問題がある。

上記特許文献２の技術によれば、方向性電磁鋼板の容易磁化方向を固定子に流れる磁束の方向に一致させるように構成しているため、鉄損を低減し高効率な電動機を製造できる反面、固定子片を構成する部品点数と薄肉連結部の曲げ変形箇所が多いため、円筒状に成形する際の調整が複雑となることや、円筒成形後のスロット間隔がティース個々にばらつき易く、これに伴いティースのロータ対向面の真円度が低下することで永久磁石モータ等ではコギングトルクが増加する性能面での問題があり、また、無方向性電磁鋼板に比較し材料コストが高く、金型打抜き性が方向性電磁鋼板では劣るため金型寿命が低下する等による製品コストの上昇といった問題がある。

また、一般に、ヒステリシス損の小さなハイグレード無方向性電磁鋼板ほど圧延方向を磁化容易方向として、面内での異方性が大きくなる。従って、特許文献３での選別に従えば、通常のハイグレード材の使用ができないなど機器設計の自由度が狭められ、機器性能の低下や製品価格の上昇といった問題がある。

本発明は、固定子片の材料として方向性電磁鋼板よりも安価な無方向性電磁鋼板を使用し、固定子の構造を、部品点数を押さえた単純な構造としても、フレーム装着に伴う固定子周方向に発生する圧縮応力の影響を軽減することができる電動機固定子を提供するものである。

本発明に係る電動機固定子は、ヨーク部と上記ヨーク部から突出したティース部を有する略Ｔ字型の磁極片を複数枚厚み方向に積層した固定子片が円環状に成形され、上記固定子片のティース部に固定子巻線が巻かれた固定子を、上記固定子の外径とフレーム内径差を利用して上記フレームに装着固定された電動機固定子において、
上記磁極片は、上記ヨーク部における上記ティース部が突出した方向と垂直な方向が、無方向性電磁鋼板での圧延方向となるように、上記無方向性電磁鋼板を打抜いて形成されており、
上記ヨーク部内周側の主磁束領域におけるフレーム装着によるヨーク部周方向の圧縮応力の平均値が５０ＭＰａ以下にされたものである。

本発明に係る電動機固定子によれば、無方向性電磁鋼板の圧延方向が持つヒステリシス損での圧縮応力に対する耐性が高いという特性を効果的に利用し、圧縮応力の影響を軽減することができる。

本発明は、圧縮応力と無方向性電磁鋼板の圧延方向に対する磁路の方向との関係におけるヒステリシス損の評価結果から得られたものである。まず、その評価における実験について説明する。

ＪＩＳグレード０．５ｍｍ厚の無方向性電磁鋼板の平板より幅３０ｍｍ、長さ３００ｍｍサイズの試料長手を圧延方向、あるいは圧延直交方向にシャー裁断して測定に供した。交流磁気測定は、応力付加機構付きシングルヨーク型単板磁気試験器により磁気測定方向と平行に応力を付加して行い、５０Ｈｚから１００Ｈｚ範囲の複数周波数の測定結果より周波数分離にてヒステリシス損を求めた。

図３は、その測定結果を示すものであり、図３（ａ）は、励磁磁束密度を１．５Ｔとし、応力は弾性範囲内の±１５０ＭＰａ範囲にて試料長手方向に付加したときのヒステリシス損の変化率を示している。ここで、ヒステリシス損の変化率は試料長手を圧延方向にした無応力時のヒステリシス損を基準値１とし基準値１に対する比で示している。さらに、図３（ｂ）は、図３（ａ）における同一応力での圧延方向と圧延直交方向のヒステリシス損の差分の変化を示している。ここで、ヒステリシス損の差分の変化は、無応力時を基準値１として基準値１に対する比で示している。なお、正の応力は引張り応力、負の応力は圧縮応力を示し、零は無応力状態を示す。

図３（ａ）より、圧延方向及び圧延直交方向のヒステリシス損に対する応力の影響は、圧縮応力ではヒステリシス損が急増し、引張応力では僅かに減少した後、微増に転じる。ヒステリシス損への応力の影響は圧縮時の方が引張時より遙かに大きい。また、５０ＭＰａ以下の圧縮応力ではヒステリシス損変化率が大きく変化し、逆に、圧縮応力が５０ＭＰａを超えると徐々に飽和傾向を強め、１００ＭＰａを超える圧縮応力では大きな変化は無い。異なるグレードの無方向性電磁鋼板について同様の評価をおこなった結果、同様な傾向を確認した。材料の圧延方向の比較では、図３（ｂ）において圧延方向に対する圧延直交方向の差分比率が大きいほど、図３（ａ）において同じヒステリシス損となる圧縮応力値の差異が大きく、かつ、印加した圧縮応力当たりのヒステリシス損の変化率も大きい（圧縮応力を緩和させた際のヒステリシス損低減効果が大きい）。通常、差分比率が無応力時の半分（０．５）を下回ると図３（ａ）曲線の傾きがなだらかになり圧延方向に対する圧縮応力値の差異が最小と判断するところ、図３（ｂ）で圧縮応力が５０ＭＰａを超えると、差分比率は無付加応力時の半分（０．５）を下回る。

フレームの焼きばめ条件を変えた電動機を試作し、一定量の圧縮応力の緩和に対する電動機ロストルクの改善代を比較したところ、差分比率が０．５を超える５０ＭＰａまでの応力範囲ではロストルクの改善効果を確認できたが、５０ＭＰａを超えて差分比率が０．５未満となる圧縮応力においては改善効果を確認できなかった。従って、上記比率が０．５以上である圧縮応力上限の５０ＭＰａに達するまでは圧縮応力緩和によるヒステリシス損の低減効果は大きく、磁化容易軸となる圧延方向では圧縮応力に対するヒステリシス損増加への耐性が特に高い。この圧延方向での圧縮応力に対する耐性の傾向は、面内異方性が大きな材料ほど顕著であった。

以上の結果より、圧縮応力によるヒステリシス損増加の抑制には、圧縮応力が働く方向と平行に無方向性電磁鋼板の磁化容易方向（圧延方向）を配置し、圧縮応力の付加が５０ＭＰａ以下であれば材料の持つ圧縮応力耐性を効果的に活用できることが分かった。

実施の形態１．
本発明の実施形態１を、図１および図２を用い説明する。
図１は、本発明に係る電動機固定子の実施の形態１を示す断面図であり、図２は、本実施の形態１における固定子片の展開図である。
固定子１は、無方向性電磁鋼板を打抜いた概略Ｔ字型の磁極片を複数枚厚み方向に積層した固定子片２を円環状に配置し、拘束した状態で固定子外周部をスポット溶接等で溶着一体化し形成している。固定子片２は固定子巻線６を巻いたティース部４とティース間のヨーク部３からなり、ヨーク部内周側端より斜線を引いた領域（電動機回転軸中心から見たヨーク巾が内周側基点に２／３となる範囲）は電動機の通常負荷状態において主に磁束が通過する主磁束領域９である。固定子片２をプレス打ち抜き等で作製する際、ヨーク部３での磁化容易方向（圧延方向）８がヨーク部３から径方向に突出したティース部４のティース対称軸１２に対して周方向において垂直となるよう材料取りする。各固定子片２はヨーク円周方向のヨーク分割面７にて完全に分割した状態にて製作しても良いが、図２に示したように、各固定子片２の連結部における回転の自由度を残しつつ整列連結させた状態で供給できれば生産性の点で非常に有利であることは言うまでもない。図２（ａ）は、固定子片２を薄肉連結部１３により整列連結した固定子片の展開図、図２（ｂ）は連結部において固定子片２の各層が交互積みでかつ上下の層が凹部１４ａ、凸部１４ｂ状の突起にて嵌合された固定子片２の展開図であり、図２（ａ）及び（ｂ）に示した直線的に整列配置した固定子片ユニットの構成とすれば、各ヨーク部２に対し無方向性電磁鋼板の磁化容易方向（圧延方向）をティース対称軸に対し垂直に配置することは非常に容易である。この円筒状に成形された固定子１を固定子の外径とフレーム１０の内径差を利用しフレームに装着固定する際、ヨーク部の主磁束領域９でのフレーム装着によるヨーク部３における周方向の圧縮応力平均値を５０ＭＰａ以下に設計する。フレーム１０に装着された状態での固定子１各部の応力設計は、市販の汎用構造解析ソフトを利用し容易に推定可能である。

本実施の形態１の構成によれば、無方向性電磁鋼板のヒステリシス損の圧縮応力耐性が圧延方向において高いという特性の他、応力緩和に伴うヒステリシス損低減効果も有効に活用することができる。この圧延方向におけるヒステリシス損の圧縮応力耐性は、鋼板の面内異方性が大きいほど差異が顕著である。したがって、無方向性電磁鋼板よりも高価な方向性電磁鋼板の使用や面内異方性の小さな無方向性電磁鋼板の選別使用、あるいは固定子片に圧縮応力緩和のための特別な切り欠きや固定子片の複雑な部品取り並びに組み立て作業を行うことなく、少ない部品点数でロストルクの増加やモータ効率低下の原因となる固定子のヨーク部でのヒステリシス損の劣化を軽減した電動機を製作できる。

また、これによりヨーク部円周方向に加わる圧縮応力による各固定子片でのヒステリシス損変化のばらつきを抑え一定品質のロストルク及び効率を有する固定子を供給することができ、各固定子片での応力に対する歪み量のばらつき低減と固定子片の形状の簡略化と部品点数の削減による加工寸法精度の向上が相まって、ティースのロータ側の面における真円度を改善することにより、永久磁石モータでのコギングトルクが小さい電動機固定子を供給することができる。

実施の形態２．
本発明の実施形態２を、図４を用い説明する。
図４は、本発明に係る固定子片の実施の形態２を示す断面図である。本実施の形態２では、固定子片２は、無方向性電磁鋼板を打抜き積層したヨーク部３と、ヨーク部３に嵌合により組付けられたティース部１５から構成されている。ヨーク部３での磁化容易方向（圧延方向）８がティース対称軸に対し垂直となるよう材料取りしている点、固定子片２を円環状の固定子に形成後、この固定子を固定子の外径とフレームの内径差を利用しフレームに装着固定する際、ヨーク部の主磁束領域９でのフレーム装着によるヨーク部３の周方向の圧縮応力平均値を５０ＭＰａ以下に設計する点は上記実施形態１と同じである。

ティース部１５はヨーク部３と同じ鋼板を使用し磁化容易方向がティース対称軸と平行になるよう材料取りにて作製すれば上記実施形態１で述べた効果に加えティース部でのヒステリシス損低減も加わり電動機特性の改善効果が高まる。しかし、本実施形態２では、ティース外周部での打ち抜きや層間締結のためのカシメ等の歪みによる磁気特性劣化での電動機特性の低下まで改善することは困難である。

本実施の形態２のより効果的な形態としては、ヨーク材とは異なる材質、例えば、絶縁被膜コートされた微小磁性粒子を樹脂バインダーと共に圧縮成形し、熱処理固化した圧粉鉄心のティース部１５を用いる。圧粉鉄心のティース部１５を用いることにより、ティース部１５での前述の打抜き歪みの問題が解消されるだけでなく、渦電流損失も低減されるという効果があり、ヨーク部３に関する本発明での効果と合わせ、電動機特性の改善効果がより大きくなる。

固定子片２をヨーク部３とティース部１５に分割作製した場合の接合は、ヨーク凸部１６ａ、ティース凸部１６ｂでの凹凸をかみ合わせれば接続が外れ難く接合強度が高まる。

電動機固定子において、固定子をフレームに装着する際の圧縮応力によるヒステリシス損増加を低減させることに有効に利用することができる。

本発明に係る電動機固定子の実施の形態１を示す断面図である。本実施の形態１における固定子片の展開図である。磁路と応力の方向が平行で１．５Ｔ励磁された無方向性電磁鋼板の圧延方向と圧延直交方向での応力に対するヒステリシス損の変化を圧延方向、無応力時を基準値１として示した図、及び同図における同一応力での圧延方向と圧延直交方向のヒステリシス損の差異について無応力時を基準値１として示した図である。本発明に係る固定子片の実施の形態２を示す断面図である。

符号の説明

１固定子、２固定子片、３，３ａ，３ｂヨーク部、４ティース部、
５スロット部、６固定子巻線、７ヨーク分割面、８磁化容易方向（圧延方向）、９主磁束領域、１０フレーム、１１電動機の回転軸中心、１２ティース対称軸、１３薄肉連結部、１４ａ関節型連結部凹部、１４ｂ関節型連結部凸部、
１５圧粉鉄心のティース部、１６ａヨーク凸部、１６ｂティース凸部。

Claims

ヨーク部と上記ヨーク部から突出したティース部を有する略Ｔ字型の磁極片を複数枚厚み方向に積層した固定子片が円環状に成形され、上記固定子片のティース部に固定子巻線が巻かれた固定子を、上記固定子の外径とフレーム内径差を利用して上記フレームに装着固定された電動機固定子において、
上記磁極片は、上記ヨーク部における上記ティース部が突出した方向と垂直な方向が、無方向性電磁鋼板での圧延方向となるように、上記無方向性電磁鋼板を打抜いて形成されており、
上記ヨーク部内周側の主磁束領域におけるフレーム装着によるヨーク部周方向の圧縮応力の平均値が５０ＭＰａ以下にされたことを特徴とする電動機固定子。
上記固定子片のヨーク部に上記固定子片のティース部が嵌合されてなることを特徴とする請求項１記載の電動機固定子。
上記ティース部は、上記ティース部おける上記ヨーク部から突出した方向が、上記無方向性電磁鋼板での圧延方向となるように、上記無方向性電磁鋼板を打抜いて形成されていることを特徴とする請求項２記載の電動機固定子。
上記ティース部は、絶縁被膜コートされた微小磁性粒子を樹脂バインダーと共に圧縮成形し、熱処理固化した圧粉鉄心からなることを特徴とする請求項２記載の電動機固定子。