JP2009296859A - 電機子 - Google Patents

Abstract

【課題】磁芯とヨークとのクリアランスによる騒音発生を抑制し、両者間の磁気抵抗を低減する技術を提供する。
【解決手段】ヨーク２０を構成する電磁鋼板２６のうち最も磁芯側に配設される電磁鋼板２６ｔにおいて、配設孔２２を規定する孔部２２ｐが、回転軸Ｑを中心とした径方向外側の辺縁から径方向内側へと向けて突出する突部２４ｐを呈する。配設孔２２に磁芯を配設することによって突部２４ｐが折り曲げられ、突部２４ｐが有する弾性力によって磁芯を回転軸Ｑへと向けて付勢する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電機子に関し、特にアキシャルギャップ型の回転電機に適用できる。

回転電機は、電機子及び界磁子を備えている。特にアキシャルギャップ型の回転電機においては、回転軸に垂直な面に沿って拡がるエアギャップを介して、回転軸に沿って電機子と界磁子とが相互に対向して配置される。電機子は、ヨークと、当該ヨークに設けられるティースと、当該ティースを芯として巻回される巻線とを有している。また、界磁子は、電機子で発生する回転磁界によって回転される。

ヨークは所定の厚みをもつ平座金状に形成され適宜の箇所で厚さ方向の孔を複数呈しており、当該孔のそれぞれにティースが配設される。

ティース及びヨークが呈する孔の公差により、ヨークにティースを配設した際には、ティースのガタツキが生じるおそれがあり、磁気抵抗の増大及び騒音発生の要因となる。

本発明は、上記課題に鑑み、ティースとヨークとのクリアランスによる騒音発生を抑制し、両者間の磁気抵抗を低減する技術を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、第１の発明は、電機子巻線（１０）と、前記電機子巻線が巻回された磁芯（１２）と、予め定められた方向を法線とする面内に延在して、複数の前記磁芯を前記方向に平行な回転軸（Ｑ）を中心として環状に配設する複数の配設孔（２２）を有するヨーク（２０）とを備える電機子（３０）であって、前記配設孔に配設される前記磁芯を前記回転軸を中心とする径方向に付勢する弾性体（１４，２４）を更に有する。

第２の発明は、第１の発明であって、前記磁芯（１２）は前記径方向を法線とする面内に延在して前記径方向に隣接する複数の第１電磁鋼板（１６）を有する。

第３の発明は、第２の発明であって、前記磁芯（１２）の前記径方向の長さの過半は、前記回転軸方向を法線とする面内における、前記回転軸方向及び前記径方向のいずれにも垂直な方向の長さが前記径方向に沿って順次狭くなる形状を呈し、前記弾性体（１４，２４）は前記狭くなる方向に付勢する。

第４の発明は、第２の発明であって前記磁芯（１２）のうち、前記配設孔（２２）に埋設される部位（１２６，１２６Ａ）は、前記径方向を法線とする第１面（１８）を呈し、前記配設孔は前記第１面と対向する第２面（２８）を呈する。

第５の発明は、第２ないし第４のいずれか１つの発明であって、前記第１電磁鋼板（１６）のうち前記径方向の端部を呈する前記第１電磁鋼板が前記弾性体（１４）を有する。

第６の発明は、第５の発明であって、前記弾性体（１４）は、前記径方向の端部を前記第１電磁鋼板（１６）から前記配設孔（２２）へと突出する突部（１４ｐ）を有する。

第７の発明は、第１の発明であって、前記ヨーク（２０）は、前記回転軸（Ｑ）方向を法線とする面内に延在し、孔部（２２ｐ）を有する第２電磁鋼板（２６）の複数を前記回転軸方向に積層して形成され、一の前記孔部が他の前記孔部と重なることで前記配設孔（２２）を規定し、前記複数の前記第２電磁鋼板のうち少なくとも一の前記第２電磁鋼板は、前記配設孔の辺縁から前記配設孔へと突出する突部（２４ｐ）を有する。

第８の発明は、第７の発明であって、前記突部（２４ｐ）の、前記配設孔（２２）の辺縁からの長さ（Ｌ１）は、前記配設孔の深さ（Ｌ０）よりも短い。

第９の発明は、第７又は第８の発明であって、前記第２電磁鋼板（２６）のうち、前記突部（２４ｐ）を有する前記第２電磁鋼板に対して前記回転軸（Ｑ）方向の一方側の前記第２電磁鋼板は、前記突部と対応する位置において、前記突部を収容する凹部（２４ｈ）を呈する。

第１の発明によれば、磁芯をヨークに堅固に保持させてガタツキを回避又は抑制できる。

第２の発明によれば、周方向に流れる磁束に起因した渦電流の発生を低減できる。

第３の発明によれば、磁芯と配設孔との周方向における接触面積を大きくし、周方向に流れる磁束についてのギャップを低減できる。

第４の発明によれば、弾性体の付勢によって磁芯の径方向内側の第１面と、配設孔を規定して当該第１面と対向する第２面とが密に接するので、磁気抵抗を低減する。

第５の発明によれば、配設孔に磁芯を配設した場合に、配設孔の一部が弾性体を押し曲げるので、製造が容易である。

第６の発明によれば、配設孔に磁芯を配設した場合に、配設孔の一部が突部を押し曲げるので、突部を上記弾性体として採用でき、製造が容易である。

第７の発明によれば、配設孔に磁芯を配設した場合に、磁芯の一部が突部を押し曲げるので、突部を上記弾性体として採用でき、製造が容易である。

第８の発明によれば、配設孔がヨークを貫通していない場合において、磁芯を配設孔に挿入した場合に、弾性体が配設孔の底面と磁芯の底面との間に挟まることを回避できる。

第９の発明によれば、押し曲げられた突部を凹部に収容することで、突部の厚み、すなわち突部を有する電磁鋼板の厚みの分だけ、磁芯と配設孔との隙間を低減できる。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１を初めとする以下の図には、本発明に関係する要素のみを示す。

図１は本発明の実施形態に係る電機子の分解斜視図及びその部分拡大図であり、回転軸Ｑ方向に沿って分解して示している。また、図２は磁芯１２の胴体部１２２の平面図である。

図１に示す如く電機子３０は、回転軸Ｑ方向に沿って、電機子巻線１０と磁芯１２とヨーク２０とを備えており、例えばアキシャルギャップ型モータ（図示省略）に適用される。なお、本願で特に断りのない限り、電機子巻線１０はこれを構成する導線の１本１本を指すのではなく、導線がひと纏まりに巻回された態様を指す。これは図面においても同様である。また、巻始め及び巻終わりの引出線、及びそれらの結線も図面においては省略した。

磁芯１２は、電機子巻線１０を巻回する芯として機能する胴体部１２２と、鍔部１２４と、胴体部１２２に対して鍔部１２４とは反対側の端部にあってヨーク２０の配設孔２２に埋め込まれる部位たる埋込部１２６とを有している。胴体部１２２は、回転軸Ｑと平行な方向に延在している。鍔部１２４は、胴体部１２２がヨーク２０に嵌る側とは反対側の端部で回転軸Ｑを中心とする円の周方向に張り出して、胴体部１２２よりも磁極の面積を拡げている。鍔部１２４が周方向に張り出すことによって、界磁子の磁束を多く胴体部１２２へと導き、電機子巻線１０に十分に鎖交させることができる。

なお、隣接する鍔部１２４同士の間には、磁束の漏洩を回避又は抑制するために一定の空隙が必要である。具体的には、鍔部１２４同士の最短距離が、アキシャルギャップ型回転電機に形成されるエアギャップ長の２倍強程度が望ましい。

また、胴体部１２２、鍔部１２４及び埋込部１２６は、回転軸Ｑ方向から見たときに台形を呈し、ヨーク２０に配設された場合に、等脚台形の相互に平行な上下辺の短い方が回転軸Ｑに近いことが望ましい。当該等脚台形の斜辺を回転軸Ｑから略放射状に配置することにより、電機子巻線１０を広い面積に設けやすいからである。さらに、磁極の対称性を高めるためには当該等脚台形の上下辺の垂直二等分線上に回転軸Ｑが位置することが望ましい。なお、実際は、当該等脚台形の角部は丸められていることが望ましい。丸められていないと、胴体部１２２の周囲に巻回される電機子巻線１０がその剛性によって角部近傍で胴体部１２２から離れてしまうからである。

磁芯１２の径方向長さの過半は、径方向に平行な面内での径方向に垂直な方向の長さが順次狭くなる形状を呈している。これにより、磁芯１２と配設孔２２との周方向における接触面積が大きくなり、周方向に流れる磁束についてのギャップを低減できる。なお、本実施形態では回転軸Ｑへ近付くに従って順次狭くなっているが、回転軸Ｑから遠離るに従って順次狭くなっても良い。

また、磁芯１２は、径方向に積層された電磁鋼板１６で構成されることが望ましい。このとき、電磁鋼板１６の打抜き幅は、１枚１枚異なっている。このような電磁鋼板の積層体は、電磁鋼板を打抜く刃物をサーボ機構等で順次動かすことによって形成できる。

図３はヨーク２０の一部を示す平面図である。ヨーク２０は回転軸Ｑを中心とする環状の電磁鋼板（課題を解決する手段における第２電磁鋼板）２６の複数を回転軸Ｑ方向に積層して形成され、回転軸Ｑ方向を法線とする主面を呈しており、各電磁鋼板２６は適宜に孔部２２ｐを有している。孔部２２ｐを有する電磁鋼板２６の複数が回転軸Ｑ方向に積層することによってヨーク２０は複数の磁芯１２を回転軸Ｑの周りで環状に配設する複数の配設孔２２を呈する。配設孔２２のそれぞれは、磁芯１２と同様に回転軸Ｑ方向から見たときに等脚台形を呈し、その外形は、磁芯１２の埋込部１２６が呈する等脚台形の外形よりも若干大きい。これによって、磁芯１２を配設孔２２に配設する工程が容易になる。当該等脚台形の上下辺の垂直二等分線上に回転軸Ｑが位置し、斜辺を回転軸Ｑから略放射状に規定することによって、電機子巻線１０を広い面積に設けることが可能となる。

本実施形態においては、ヨーク２０を構成する電磁鋼板２６のうち少なくとも磁芯１２が配設される側とは反対側の主面を呈する電磁鋼板２６は孔部２２ｐを有していない。これによって磁芯１２が配設されるときの深さを規定することができる。なお、当該主面を呈する電磁鋼板２６に隣接する電磁鋼板２６もまた孔部２２ｐを有していないものを採用することによりヨーク２０の強度向上を図ることができる。

なお、ヨーク２０を構成する電磁鋼板２６の全てが孔部２２ｐを有していても良い。その場合、磁芯１２の胴体部１２２を埋込部１２６よりも太くすること等によりその埋込深さを規定する。

図４は配設孔２２の一部を示す拡大斜視図である。

ヨーク２０を構成する電磁鋼板２６のうち最も磁芯１２側に位置する電磁鋼板２６ｔは、配設孔２２の径方向外側の辺縁から径方向内側へと突出する突部２４ｐを有している。配設孔２２の辺縁から突出する突部２４ｐの長さＬ１は、配設孔２２の深さＬ０よりも短いことが望ましい。具体例を挙げれば、例えば配設孔２２が４枚の電磁鋼板２６及び突部２４ｐを有する電磁鋼板２６ｔの計５枚の電磁鋼板２６，２６ｔで規定される場合、突部２４ｐの長さＬ１は電磁鋼板２６，２６ｔを５枚積層したときの深さＬ０よりも短い。さらに、突部２４ｐを有している電磁鋼板を除いた配設孔２２の深さＬ２よりも短いことが望ましい。このような深さの条件を満足していれば、突部２４ｐが設けられる電磁鋼板２６ｔは、最も磁芯１２側に位置するものである必要はない。

また、配設孔２２を規定する電磁鋼板２６のうち突部２４ｐを有する電磁鋼板２６ｔを除いた電磁鋼板２６は、突部２４ｐと対応する位置において、突部２４ｐを収容する凹部２４ｈを呈している。なお、凹部２４ｈを規定する電磁鋼板２６の径方向外側の辺縁２４ｅは、突部２４ｐの基部２４ｂよりも径方向内側に張り出していることが望ましい。換言すれば、突部２４ｐの基部２４ｂは、電磁鋼板２６ｔを除いた電磁鋼板２６の径方向外側の辺縁よりも径方向外側に位置していることが望ましい。突部２４ｐが折れ曲がるときの基部２４ｂにおける応力集中を回避又は抑制し、折れ曲がった突部２４ｐを凹部２４ｈに収容し、応力集中を抑制するためである。

図５は配設孔２２に配設された磁芯１２の一部を拡大した断面図である。突部２４ｐを有する電磁鋼板２６ｔは弾性を有している。配設孔２２に磁芯１２を挿入することによって突部２４ｐが折り曲げられ、磁芯１２を回転軸Ｑへと向けて付勢する弾性体２４として機能する。弾性体２４は、ヨーク２０を構成する電磁鋼板２６を打抜いて成型する場合に、孔部２２ｐの形状を異ならせることによって容易に製造できる。すなわち、突部２４ｐを打抜く金型と、凹部２４ｈを打抜く金型とを取替えて打抜けば良い。

突部２４ｐの長さＬ１を配設孔２２の深さＬ０よりも短くすることによって、磁芯１２を配設孔２２に配設した場合に、突部２４ｐがヨーク２０の主面と磁芯１２の底面との間に挟まることを回避できる。

また、折れ曲がった突部２４ｐを収容する凹部２４ｈを呈することによって、突部２４ｐの厚み、すなわち電磁鋼板２６ｔの厚みの分だけ、磁芯１２と配設孔２２との隙間を低減できる。

特に、径方向に積層した電磁鋼板によって磁芯１２を構成する場合、積層方向の公差は、電磁鋼板１の板厚公差の総和となる。そのため、径方向に垂直な方向の長さよりも径方向の長さの方が公差は大きい。しかし、当該公差を考慮して配設孔２２の形状を制御することは工程の煩雑化やコスト増大を招来するため、必然的に径方向のガタツキが発生する。突部２４ｐはこのガタツキを吸収し、配設孔２２内部で磁芯１２がずれることを回避又は抑制するものである。

また、磁芯１２が配設孔２２の外周側、すなわち回転軸Ｑから遠離る側に偏って配設されると、埋込部１２６と配設孔２２との間で周方向に空隙が形成されやすい。この空隙は磁束の流れを妨げるエアギャップとして働き、銅損を増大させることになる。本実施形態では、径方向の長さの全体が、回転軸Ｑへと向けて順次幅狭となる形状を呈し、突部２４ｐが回転軸Ｑへと向けて磁芯１２を付勢するので、当該空隙の形成を抑制できる。

なお、磁芯１２及び配設孔２２を回転軸Ｑから遠離るに従って順次狭くする場合には、磁芯１２を付勢する方向は逆となる。すなわち、径方向外側へと向けて磁芯１２を付勢する。

〈変形例〉
以上、本発明の好適な態様について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、以下のようにすることによって磁気抵抗を低減できる。

図６は本発明の変形例に係る電機子の一部を示す平面図である。電機子においては、上述の磁芯１２に代えて埋込部１２６Ａが回転軸Ｑを中心とする径方向及び当該径方向に垂直な方向に沿った段差１７を呈する磁芯１２Ａを採用する。また、上述のヨーク２０に代えて配設孔２２Ａが当該径方向及び当該径方向に垂直な方向に沿った段差２７を呈するヨーク２０Ａを採用する。

具体的には、磁芯１２Ａは径方向を法線とする面内に延在する複数の電磁鋼板（課題を解決する手段における第１電磁鋼板）１６を径方向に積層して形成される。磁芯１２Ａのうち、配設孔２２Ａに配設される埋込部１２６Ａは、段差１７を呈する部位において回転軸Ｑを中心とした径方向を法線とする第１面１８を呈する。また、配設孔２２Ａは段差２７を呈する部位において第１面１８と対向する第２面２８を呈する。

図６では、埋込部１２６Ａ及び配設孔２２Ａはともに回転軸Ｑ方向からの平面視で径方向に延在する部位（以下「径方向部位」）と、周方向に延在する部位（以下「周方向部位」）とで略Ｔ字状を呈しており、当該周方向部位の略中心から径方向内側へと向けて当該径方向部位が延在している。そして、埋込部１２６Ａの径方向部位の径方向長さを配設孔２２Ａの径方向部位の径方向長さよりも短くしている。

このような構成とすることにより、磁芯１２Ａが配設孔２２Ａに配設された際に、突部２４ｐの弾性力によって、磁芯１２Ａが回転軸Ｑへと向けて付勢されるので、第１面１８と第２面２８とが密に接する。よって第１面１８と第２面２８との間で阻害されることなく、磁芯１２Ａを流れる磁束は周方向に流れ、当該周方向を法線とする面は通常は配設孔２２Ａを規定する面と接するので、磁気抵抗を低減できる。

一般に複数の電磁鋼板１６を径方向に積層して磁芯１２Ａを形成する場合には、まず複数の電磁鋼板１６のそれぞれを予め定められた形状に打抜く。そして打抜かれた電磁鋼板１６を積層して磁芯１２Ａを得る。このとき、磁芯１２Ａの周方向の長さの公差は、磁芯１２Ａを構成する複数の電磁鋼板１６のうち、最も打抜き幅の公差が大きい一の電磁鋼板１６の公差によって決まる。しかし、磁芯１２Ａの径方向の長さの公差は、磁芯１２Ａを構成する複数の電磁鋼板１６のそれぞれの径方向の長さ（すなわち、電磁鋼板１６の厚み）の総和になるので、周方向の長さの公差に比べて格段に大きくなる。換言すれば、磁芯１２Ａの周方向の長さは径方向の長さに比べて精度良く形成できる。

したがって、突部２４ｐの弾性力によって第１面１８と第２面２８とが密に接すれば、磁芯１２Ａの回転軸Ｑを中心とする周方向を法線とする面の周囲に生じ得るエアギャップを抑制できる。もって磁気抵抗を低減できる。

また、上述の態様においては、弾性体２４が径方向内側、つまり回転軸Ｑへと向けて付勢する態様についてのみ説明したが、弾性体２４を例えば配設孔の径方向内側の辺縁に設けて、磁芯を径方向外側へと向けて付勢するようにしても良い。さらに、このような電機子３０を回転子として採用する場合には、電機子３０を備えるモータの稼働中には磁芯に対して、弾性体２４の付勢力に加えて遠心力も働くので、磁芯を径方向外側に固定したい場合に資する。ただし、磁芯の周方向の長さが、径方向内側へ向かうに従って狭くなる場合には、径方向内側に固定するのが良い。

図７は変形例に係る磁芯１２Ｂの斜視図である。図７に示すように、複数の電磁鋼板１６を径方向に積層して磁芯１２Ｂを形成し、径方向の端部に位置する一の電磁鋼板１６の一部を切り起こして弾性体１４を設けても良い。ただし、磁芯１２Ｂが配設孔２２に配設された状態では、少なくとも弾性体１４の自由端は配設孔２２内（図１参照）にある。この場合、弾性体１４は配設孔の径方向外側へと向けて付勢するので、ヨーク２０（図１参照）を基準に見れば、磁芯１２Ｂが回転軸Ｑへと向かって付勢されていることになる。

図８及び図９は変形例に係る磁芯１２Ｂをヨーク２０に配設した状態の断面図であり、回転軸Ｑ方向と径方向とで規定される面を示している。弾性体１４は例えば、径方向外側に位置する電磁鋼板１６の一部にＵ字型に切り込みを入れ、当該Ｕ字に囲まれた領域を電磁鋼板１６が延在する面から起こせば良い。弾性体１４の弾性力を強くするには、当該領域を起こす角度を調節する。

例えば、弾性体１４を配設孔２２に配設したときの弾性力は、当該領域を起こす角度が、図８のように角度が０度以上９０度以下の場合よりも、図９のように角度が９０度よりも大きく１８０度よりも小さい場合の方が大きい。

本発明の実施形態に係る電機子を例示する分解斜視図である。 磁芯の平面図である。 ヨークの一部を示す平面図である。 配設孔の一部を示す拡大斜視図である。 配設孔に配設された磁芯の一部を拡大した断面図である。 本発明の変形例に係る電機子の一部を示す平面図である。 変形例に係る磁芯の斜視図である。 変形例に係る磁芯をヨークに配設した状態の断面図である。 変形例に係る磁芯をヨークに配設した状態の断面図である。

符号の説明

１０ 電機子巻線
１２ 磁芯
１４ 弾性体
１４ｐ 突部
１６ 電磁鋼板
１８ 第１面
２０，２０Ａ ヨーク
２２，２２Ａ 配設孔
２２ｐ 孔部
２４ 弾性体
２４ｐ 突部
２４ｈ 凹部
２６，２６ｔ 電磁鋼板
２８ 第２面
３０，３０Ａ 電機子
Ｌ０，Ｌ１ 長さ
Ｑ 回転軸

Claims (9)

1. 電機子巻線（１０）と、
   前記電機子巻線が巻回された磁芯（１２）と、
   予め定められた方向を法線とする面内に延在して、複数の前記磁芯を前記方向に平行な回転軸（Ｑ）を中心として環状に配設する複数の配設孔（２２）を有するヨーク（２０）と
   を備える電機子（３０）であって、
   前記配設孔に配設される前記磁芯を前記回転軸を中心とする径方向に付勢する弾性体（１４，２４）を更に有する、電機子。
2. 請求項１記載の電機子（３０）であって、
   前記磁芯（１２）は前記径方向を法線とする面内に延在して前記径方向に隣接する複数の第１電磁鋼板（１６）を有する、電機子。
3. 請求項２記載の電機子（３０）であって、
   前記磁芯（１２）の前記径方向の長さの過半は、前記回転軸方向を法線とする面内における、前記回転軸方向及び前記径方向のいずれにも垂直な方向の長さが前記径方向に沿って順次狭くなる形状を呈し、
   前記弾性体（１４，２４）は前記狭くなる方向に付勢する、電機子。
4. 請求項２記載の電機子（３０）であって、
   前記磁芯（１２）のうち、前記配設孔（２２）に埋設される部位（１２６，１２６Ａ）は、前記径方向を法線とする第１面（１８）を呈し、
   前記配設孔は前記第１面と対向する第２面（２８）を呈する、電機子。
5. 請求項２ないし請求項４のいずれか１つに記載の電機子（３０）であって、
   前記第１電磁鋼板（１６）のうち前記径方向の端部を呈する前記第１電磁鋼板が前記弾性体（１４）を有する、電機子。
6. 請求項５記載の電機子（３０）であって、
   前記弾性体（１４）は、前記径方向の端部を前記第１電磁鋼板（１６）から前記配設孔（２２）へと突出する突部（１４ｐ）を有する、電機子。
7. 請求項１記載の電機子（３０）であって、
   前記ヨーク（２０）は、前記回転軸（Ｑ）方向を法線とする面内に延在し、孔部（２２ｐ）を有する第２電磁鋼板（２６）の複数を前記回転軸方向に積層して形成され、
   一の前記孔部が他の前記孔部と重なることで前記配設孔（２２）を規定し、
   前記複数の前記第２電磁鋼板のうち少なくとも一の前記第２電磁鋼板は、前記配設孔の辺縁から前記配設孔へと突出する突部（２４ｐ）を有する、電機子。
8. 請求項７記載の電機子（３０）であって、
   前記突部（２４ｐ）の、前記配設孔（２２）の辺縁からの長さ（Ｌ１）は、
   前記配設孔の深さ（Ｌ０）よりも短い、電機子。
9. 請求項７又は請求項８記載の電機子（３０）であって、
   前記第２電磁鋼板（２６）のうち、前記突部（２４ｐ）を有する前記第２電磁鋼板に対して前記回転軸（Ｑ）方向の一方側の前記第２電磁鋼板は、前記突部と対応する位置において、前記突部を収容する凹部（２４ｈ）を呈する、電機子。

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