JP2008043102A - 積層鉄心及びこの積層鉄心を用いた回転電機の固定子鉄心 - Google Patents

Abstract

【課題】磁性板を積層し、回転電機の固定子とする場合、磁性板が互いにずれてしまうことを防ぐため、磁性板に抜きかしめが設けられる。しかし、抜きかしめは磁性板の絶縁層を破壊し、この破壊部を介して渦電流経路が形成され、渦電流損が増大する。また、渦電流損を減らすためにティース部の抜きかしめを無くすと、巻線後に積層間の隙間が狭まって鉄心が変形する不具合があった。
【解決手段】抜きかしめ２（第１凹凸部）はコアバック部４のみに設け、ティース部５には第２凹凸部３を設ける。第２凹凸部３はエッジ部分がない形状なので、磁性板２０の絶縁層２６が破壊されることがない。また、第２凹凸部３の凹部３ａの半径ｒよりも、凸部３ｂの半径Ｒのほうが大きく、互いに積み重ねたとき、板と板の間に適当な隙間２７が生じる。これにより積層間の絶縁を維持しながら積層された磁性板２０の間隙を確保できる。
【選択図】図１

Description

回転電機の固定子や、変圧器のコアとして用いられる積層鉄心であって、抜きかしめを用いて積層固定される積層鉄心および、この積層鉄心を用いた回転電機の固定子鉄心に関する。

変圧器のコアや、回転電機のうち界磁巻き線を交流で励磁する電動機、いわゆる交流電動機の界磁コアでは、その磁束密度が交流励磁で変化するにつれ、コア内部に渦電流が発生する。直流で励磁する電動機の場合でも電機子の回転により界磁磁束が変化し、程度の差はあるものの同様に渦電流が発生する。この渦電流がコア内の電気抵抗により熱となって損失（渦流損、又は鉄損という）が増大する。この損失を低減することは電動機の効率を向上するための手段の一つとして、過去、種々の方法が提案されている。
以下、本発明の説明は回転電機の固定子を例として説明する。
界磁コアを積層鉄心（互いに絶縁された薄い磁性板を重ねてコアとする）で構成することは、コアの渦流損を低減するためのよく知られた方法である。以下、説明の都合上、分割鉄心構造と呼ばれる構造（複数の界磁磁極を円筒の内側の円周上に配置する）の電動機の場合を例として説明するが、この発明はもちろん、分割鉄心でない場合にも適用できる。

図１０は分割鉄心構造の電動機の界磁の一部分を示す図で、電動機の外枠である円筒１００の内周に分割鉄心１が配置されている状態を示している。分割鉄心１は図１１に示すようなコアバック部４とティース部５とを有する磁性板２０を積層し、ティース部５に巻き線２１を設けたものである。分割鉄心１はコアバック部４が完全な円周を構成する数だけ並べられているが、図１０では１つだけ図示している。また、鉄心と巻線の絶縁を維持するための樹脂部品（以下、インシュレータと呼ぶ）も図では省略している。
積層する磁性板２０はその表面を処理して、図１２に示すように表層に絶縁層２６（酸化皮膜など）を構成したものが用いられる。また、積層後、磁性板２０が互いにずれたり、励磁によって板が振動してうなり音を発生したりすることを防止するために、積み重ねられた磁性板２０同士の位置関係を固定する目的で、いわゆる抜きかしめ２が用いられる。図１２は抜きかしめ２の断面説明図である。抜きかしめ２は磁性板２０にプレスで、板厚の１／３〜１／２程度の深さのくぼみ２ａを設けるとともに、このくぼみ２ａ内の板を打ち抜かずに残しておく（当然一方側に突起２ａｂとして出っ張った状態になる）ものであり、板を積み重ねるとき、この突起２ａｂを隣接板のくぼみ２ａに圧入することで、互いの動きは固定される。図１２では絶縁層２６は抜きかしめ２の壁の部分には存在しないことが示されている。
くぼみ２ａは第１凹部、突起２ａｂは第１凸部とも言う。

図１３は図１１の抜きかしめされた磁性板２０を積層して、コア１としたものの断面（図１１のＢ−Ｂの線の断面）を示し、本発明の課題について説明するための断面図である。なお、積層する場合、最も端の磁性板１９には抜きかしめで抜いた部分を突起として残さない、即ち、穴１８が開いたものが用いられる場合が多い。積層した磁性板２０同士の間には、絶縁層２６が存在することは当然であるが、図示しない微小な隙間２７（積層隙間という）も存在する。

第１の課題。
抜きかしめ２は、積層した磁性板同士の固定を安価に実現できるため広く用いられており、分割鉄心１の１個当たり２〜３箇所の抜きかしめ２が施される。図１１では、３個の抜きかしめ２を施した例を示している。コアバック部４は図の横方向に広がっているので両端に１個づつ、計２個の抜きかしめが設けられている。しかし、抜きかしめ２はその部分の絶縁層を破壊するとともに、くぼみ２ａの内壁部と、突起２ａｂの周囲の壁（図に向かって垂直の部分）の部分は絶縁層２６が形成されていないため、図１３のように積み重ねたとき、図中、８で示すようなループ状の通電経路が形成されてしまう。そして、ティース部５の抜きかしめ２はティース部５の中央にあるが、コアバック部４の抜きかしめ２はコアバック部４の端の方にあるため、この通電経路８のループの面を横切って磁束の一部が通ることとなる。即ち、磁束はティース部５からコアバック部４を経由して、図示しない隣の鉄心のコアバック部４を経由して隣の鉄心のティース部５へと流れている。そしてこの磁束の時間変化により通電経路８に渦電流が流れてしまうという課題があった。

第２の課題。
渦電流を低減するために、抜きかしめ２のうち、ティース部５の抜きかしめ２を無くしてしまうことも考えられる。しかし、ティース部５の部分のみに巻き線を行ういわゆる集中巻の場合、ティース部５にインシュレータを介して巻線２１が施されるため、積層した磁性板２０を圧縮する方向に力（図１３の７）が働く。その際、ティース部５の積層隙間２７が押しつぶされる。一方コアバック部４には抜きかしめ２があるため積層隙間２７が維持され、結果として鉄心１が図１４に示すように、コアバック部４の厚みｔに対して、ティース部５の厚みはｔ−αとなり、ティース部５がつぶされたように変形してしまう。ティース部５がつぶされることで内・外径とも扇形に変形する。
即ち、抜きかしめ２は磁性板２０の横方向のずれを防止するだけでなく、積み重ねを圧縮する縦方向に対しても圧縮されて板同士が互いに密着することをも防止しているのである。
特開２００４−３１２９３３号公報

以上に説明したように、抜きかしめの部分は絶縁層の破断面を持つため、鉄心表層の絶縁層が破れ、積層方向に電気的な導通状態を形成してしまう。流れる磁束の大きさが時間変化する場合、抜きかしめを介して形成された通電ループ内を磁束が通過する位置に抜きかしめが設けられていると、渦電流が発生する。その結果、鉄損が増加し効率が悪化してしまうという課題があった。
また、ティース部の抜きかしめを無くした場合、集中巻の場合、ティース部に直接巻線が施されるため、積層を圧縮する方向に力が働く。そしてティース部の積層隙間が押しつぶされる。一方コアバック部には抜きかしめがあるため積層隙間が維持され、結果として積層された鉄心の形が変形してしまう。したがって積層の組み立て寸法精度が低下するという課題がある。

本発明は上記のような課題を解消し、抜きかしめを使用しながら渦電流損を低減し、かつ積層の組立寸法精度も良好な回転電機固定子の積層鉄心を得ることを目的とする。

この発明の積層鉄心は、ティース部と、このティース部に連続するコアバック部とを有し、表面に絶縁層が形成された磁性板、
この磁性板の一面に形成された第１凹部と、他面に形成された第１凸部とを有し、互いに隣接する磁性板の前記第１凹部と第１凸部とが嵌合する第１凹凸部、
前記ティース部の一面に形成され、内面が前記絶縁層で覆われた第２凹部と、他面に形成され表面が前記絶縁層で覆われた第２凸部とを有し、互いに隣接する磁性板の前記第２凹部と第２凸部とが、間隙を残して嵌合する第２凹凸部、
前記第１凹凸部と、前記第２凹凸部とを、それぞれ互いに嵌合させて前記磁性板を積層して鉄心を形成するとともに、この鉄心のティース部に巻線を配置したものである。

この発明の回転電機の固定子鉄心は、前記の積層鉄心を固定子鉄心として用いたものである。

本発明により、抜きかしめによる渦電流損を低減しながら、巻線によるコアの巻締まりを防止して鉄心の形状精度の悪化を抑制することが出来る。

以下、本発明の積層鉄心について、図１〜図７を参照しながら回転電機の固定子に適用した場合を例として説明するが、無論、回転電機の固定子以外に、トランスやリレー、ソレノイドなど、静止機器の積層鉄心として用いることが出来ることはいうまでもない。
実施の形態１．
図１に実施の形態１における積層鉄心の磁性板２０を示す。回転電機の固定子の分割鉄心１を構成する磁性板２０はコアバック部４とこれに磁気的に接続されたティース部５とを有する。コアバック部４には、積層された磁性板２０を互いに固定するための抜きかしめ２（第１凹凸部）が設けられている。抜きかしめ２は円筒形状の第１凹部と、他の面に突出し、直径が第１凹部の直径とほぼ等しいか、わずかに大きい円柱状の第１凸部とからなり、第１凸部は磁性板を積み重ねたとき、第１凹部に圧入することで互いが固定されるものである。また、ティ−ス部５の中央にはプレス加工によって形成したほぼ円形状の第２凹凸部３（一面に第２凹部、他面に第２凸部）が設けられている。第２凹凸部３の形状と機能については詳細を後述する。この磁性板２０を回転電機の固定子として用いた場合の磁束の流れの一部を矢印６で示している。

図１では、従来、ティース部５に設けられていた抜きかしめ２（第１凹凸部）をなくし、その位置に積層間の隙間２７を維持し、磁性板２０の横方向のずれを絶縁を保ちつつ防止し、更に、巻き線２１による巻締まりを防止する第２凹凸部３を設けたものである。
図２に第２凹凸部３を含む磁性板２０の部分断面を示す。図において、図１の符号と同一符号は同一、または相当部分を示す。第２凹凸部３は磁性板２０の表面側には、図示しない雄型によりプレス成型された開口径２ｒの皿状の第２凹部３ａを持ち、裏面側には図示しない雌型によりプレス成型された底部の直径が２Ｒの円錐状（又は皿を伏せた形状）の第２凸部３ｂを持つ。第２凹部３ａは第１凹部のような角部がないので、その内面は絶縁層２６で覆われている。第２凸部３ｂも第１凸部のような角部がないので、その表面は絶縁層２６で覆われている。磁性板２０は第２凸部３ｂの頂部では板が引き伸ばされているので必然的に薄くなっている。その結果、必然的にｒ＜Ｒとなる。第２凹部３ａの形（凸部の高さなど）はこの成型によって磁性板２０の絶縁皮膜２６にひび割れや、はがれが生じない範囲の値を用いる。具体的には、例えば、第２凹部３ａの直径は板厚の２〜５倍、第２凹部３ａの深さは板厚以下、好ましくは板厚の１／３〜１／２程度である。第２凸部３ｂの直径は第２凹部の直径より大きく、高さは第２凹部３ａの深さと同程度か、又はより小さい。

図２の磁性板２０を抜きかしめ２（第１凹凸部）同士、第２凹凸部３同士を互いにはめあいながら積層して、鉄心１とした場合の断面（図１のＡ−Ａ線の断面）を図３に示す。第２凹凸部３の第２凹部３ａの直径の方が第２凸部３ｂの直径より前述のとおり小さいので、図３のように積層したとき、第２凸部３ｂが第２凹部３ａの中に完全には入りきらず、互いに円周で接する結果、磁性板と磁性板との間には適当な隙間２７が生じる。しかも、この隙間２７は、第２凹凸部３の大きさを調整すれば隙間２７の間隔の調節が容易に出来る。また、第２凹凸部３の表面は表裏ともに絶縁層がはがれていないので、接した部分に通電経路は形成されていない。その結果、磁束の時間変化に起因する、抜きかしめ２を介して流れる渦電流を低減することが可能となる。図３には巻線２１により積層鉄心１に加わる力を７で示す。

第２凹凸部３の寸法形状を調整することで、コアバック部４の抜きかしめ２によって得られているのと同等の積層間隙間２７をティース部５に付与することが出来る。その結果、集中巻の巻線２１を施しても、ティース部５は抜きかしめ２を用いた場合と同等の積層間隙間２７を第２凹凸部３によって維持するため、積層鉄心１が変形することがない。第２凹凸部３はティース部４の左右方向（幅方向）の中央、で長手方向の半分から先端側（コアバック部のない側）に設けることが好ましい。

実施の形態２．
本実施の形態では第２凹凸部３の側面断面形状について説明する。実施の形態１の図２では、第２凹凸部３の形状は、その側面断面形状がほぼ円形であるとして図示説明した。しかし、第２凹凸部３は成型時に絶縁層２６にひび割れ、はがれが生じないよう、鋭利なエッジを持たない形、積み重ねたときに適度な隙間２７ができる形であって、凹凸の形状を調整すれば隙間２７の間隔の調節が出来る形状であれば良いのであるから、以下に例をしめすようなものであれば良い。
例えば、図４に示すような凸部／凹部ともに先端が球面状の円錐形状３Ｘ，３Ｙにしておくと、積み重ねたとき円錐の斜面の部分３Ｚで面接触となることで、接触部に残った電磁鋼板の絶縁層２７にかかる単位面積あたりの圧力を大きくせずに接触させることが出来るため、積層間の電気的絶縁状態をより安定的に維持できる。図において、図１の符号と同一符号は同一、または相当部分を示す。また図４は理解を助けるため縦寸法を横寸法よりも拡大して図示している。

実施の形態３．
本実施の形態では第２凹凸部３の平面形状について説明する。実施の形態１、実施の形態２では第２凹凸部３の平面形状は円形である。しかし、例えば楕円、長円、小判型でもよく、また、絶縁皮膜２７が破壊されない範囲なら多角形でもよい。

実施の形態４．
図５は実施の形態４の回転電機固定子の積層鉄心の外形形状を示す図である。図において、図１の符号と同一符号は同一、または相当部分を示す。図５では第２凹凸部３０は長く続く山脈型の凹凸部、即ち第２凹部３は溝状、第２凸部は第２凹部に係合する形状となっており、その方向はティース部５の中央に長手方向（回転機の直径方向）に向かって設けられている。図５では第２凹凸部３０はティース部５の端まで設けてあるが、無論、途中までとしても良い。第２凹凸部３０の側面断面は図４と類似する形状、例えば円錐状としてよい。

実施の形態５．
実施の形態４で説明した第２凹凸部３０の配置方向は図６に示すように、ティース部５に対して直交する方向としても良い。

実施の形態６．
図７に実施の形態５の積層鉄心の磁性板２０の図を示す。図において、図１の符号と同一符号は同一、または相当部分を示す。図７では、ティース部５に巻締まり防止用の第２凹凸部３を２箇所設けた例を示している。図示しないが第２凹凸部は３個以上でも良い。ただし、このとき、第２凹凸部３の位置については、巻線後の積層鉄心の変形が出来るだけ小さくなるよう配慮すべきで、そのためには、複数個の第２凹凸部３を設けるに際し、その位置をティース部５の中心線に対して対称な位置に配置すべきである。また、ティース部５での内径−外径側方向における第２凹凸部の配置位置については、コアバック部４の抜きかしめ２の図示位置を前提に考えると、ティース部５の半分より内径側に配置することが望ましい。具体的には、ティース部の直線部の長さをＬｔとしたとき、その内径側のＬｔ／２の領域に配置することが望ましい。
なお、実施の形態１〜５で説明した各凹凸部についても、その数を複数個としてもよく、その位置は本実施の形態で示す位置としてよい。

実施の形態７．
図８に、実施の形態７における、積層鉄心の磁性板２０の概略図を示す。図において、図１の符号と同一符号は同一、または相当部分を示す。図では、積層した磁性板２０の互いの固定をより強固にするため、コアバック部４に抜きかしめ２を３箇所（２ａ，２ｂ，２ｃ）設けた例を示した。これにより、磁性板２０の固定がより強固にできるとともに、図に示す磁束の通り道６との位置関係から、抜きかしめ２aと２bおよび２cと２b間に流れる磁束の量は少ないことがわかる。そのため、抜きかしめ２ａと２ｂの間,２ｂと２ｃの間で生じる渦電流損は少なく、かつ巻締まり防止用の第２凹凸部３が巻線による積層鉄心１の変形を抑制できることは言うまでもない。
なお、図では抜きかしめの個数が３個の例を示したが、４個以上でも同様の効果を発揮する。また、抜きかしめ２はその個数にかかわらず、できるだけコアバック部４の外周側に配置することが、仮に抜きかしめを介した通電ループが形成された場合でも、そのループを貫く磁束が少ないので、渦流損が小さくなるという点で望ましい。

なお、上記実施の形態においては、抜きかしめ２の形が丸平の例を示したが、これ以外にも、角Ｖかしめ、丸Ｖかしめや、角平かしめなども単独もしくは混合して使用でき、かしめの種類は特に限定されるものではない。
以上の各実施の形態で説明した鉄心に巻き線を施した場合、第２凹凸部３は巻き線２１と鉄心の間に設けられたインシュレータで隠された部分に設けられているので外見上は図１０の従来の図とまったく変わりがない。

実施の形態８．
図９は、複数のティース部５を薄肉部４０で互いに連結したもので、薄肉部４０の位置で折り曲げ、折り曲げた部分を溶接して複数のティースを固定することによって回転機の固定子鉄心として完成させるものである。このような形式の積層鉄心でも本願の第２凹凸部３は同様の効果を発揮することは言うまでもない。
なお、図示しないが、薄肉部４０に代えて、ヒンジ形式で接合されるものでも同様の効果が得られる。

この発明の回転電機固定子の積層鉄心は、例えば、変圧器のコア、リレーの鉄心、ソレノイドのコアにも利用することが出来る。

本発明の第１の実施の形態の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の外形図である。 図１の凹凸部３の拡大断面図である。 図１の磁性板を関そうして構成した積層鉄心の断面図である。 実施の形態２の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の凹凸部の断面図である。 実施の形態４の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の外形図である。 実施の形態５の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の外形図である。 実施の形態６の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の外形図である。 実施の形態７の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の外形図である。 実施の形態８の回転電機固定子の積層鉄心を構成する磁性板の外形図である。 本発明の課題を説明するための回転電機固定子の従来の積層鉄心を示す外形図である。 図１０の積層鉄心を構成する従来の磁性板の外形図である。 図１１の抜きかしめ部の拡大断面図である。 図１０の積層鉄心の断面図である。 図１０の積層鉄心の課題を説明するための説明図である。

符号の説明

１ 分割積層鉄芯、 ２ 抜きかしめ（第１凹凸部）、 ３ 第２凹凸部、
３ａ 第２凹部、 ３ｂ 第２凸部、 ３Ｘ 円錐型凹部、
３Ｙ 円錐型凸部、 ３Ｚ 直線部、 ４ コアバック部、 ５ ティース部、
６ ティース部における磁束の流れを示す説明補助線、
７ 巻線により積層鉄心に働く力、 ８ 抜きかしめを介して流れる渦電流、
１８ 穴、 ２０ 磁性板、 ２１ 巻き線、 ２６絶縁層、
２７ 隙間、 ３０ 山脈型凹凸部、 ４０ 薄肉部、 １００ 外枠。

Claims (7)

1. ティース部と、このティース部に連続するコアバック部とを有し、表面に絶縁層が形成された磁性板、
   この磁性板の一面に形成された第１凹部と、他面に形成された第１凸部とを有し、互いに隣接する磁性板の前記第１凹部と第１凸部とが嵌合する第１凹凸部、
   前記ティース部の一面に形成され、内面が前記絶縁層で覆われた第２凹部と、他面に形成され表面が前記絶縁層で覆われた第２凸部とを有し、互いに隣接する磁性板の前記第２凹部と第２凸部とが、間隙を残して嵌合する第２凹凸部、
   前記第１凹凸部と、前記第２凹凸部とを、それぞれ互いに嵌合させて前記磁性板を積層して鉄心を形成するとともに、この鉄心のティース部に巻線を配置したことを特徴とする積層鉄心。
2. 前記第２凹凸部は溝状であることを特徴とする請求項1記載の積層鉄心。
3. 前記第２凹凸部は円錐状であることを特徴とする請求項1記載の積層鉄心。
4. 前記第２凹凸部は、前記ティース部の長手方向の中央と先端との間で、前記ティース部の幅方向のほぼ中心に設けられたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層鉄心。
5. 前記第１凹凸部は前記コアバック部に２箇所以上設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の積層鉄心。
6. 前記磁性板は、互いに連結された複数のティース部を備えたものであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の積層鉄心。
7. 回転電機の固定子として、請求項１〜６のいずれか一項に記載の積層鉄心を用いたことを特徴とする回転電機の固定子鉄心。

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