JP2010068548A - 電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】方向性電磁鋼板の鋼板片が組み合わせた電動機の固定子において、磁気抵抗と鉄損を増大させることなく、高効率な電動機の固定子を提供することを目的とする。
【解決手段】方向性電磁鋼板の鋼板片の組合せによって形成された固定子コアにおいて、軸方向に積層する際に、互い違いに積層することで鋼板片間の空隙によって発生する鉄損の増大を抑えることができ、また毎極毎相スロット数から計算される、ある決まった数に分割された鋼板片を組み合わせて形成された固定子により、更に鉄損を低減した高効率な電動機を提供できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固定子を有する電動機に関し、特に、当該固定子のコアとして、方向性を有する電磁鋼板を積層して用いた電動機に関するものである。

近年、省エネルギー化が広く叫ばれており、電動機においても、かかる目的を達成するため、高効率化が進んでいる。かかる電動機の高効率化のためには、電動機内にて発生する損失の低減が必須である。

ところで、電動機では、一般的に、固定子のコアを形成する材料として、無方向性の電磁鋼板が用いられる。その理由としては、かかる電動機の固定子を形成するために使用される電磁鋼板には、方向性を有する電磁鋼板と共に、無方向性の電磁鋼板があるが、しかしながら、後者の無方向性の電磁鋼板は、前者の方向性電磁鋼板に比較して、安価であると共に、その入手が容易であり、そのため、回転磁界を持つ電動機を製造するに当たって、使い易いことによる。

これに対し、上述した方向性電磁鋼板とは、ある特定の方向に沿って磁化が容易に行われる電磁鋼板であり（以下、当該方向を「磁化容易方向」と言う）、当該方向の磁束に対しては磁気抵抗と鉄損が低いものを指す。従って、当該方向性電磁鋼板を回転機に有効に利用できれば、磁気抵抗と鉄損とを低減することができ、もって、高効率な電動機を提供することが可能となる。

従来、回転磁界を有する電動機において、上述した方向性電磁鋼板を採用する構造やその製造方法は、以下の特許文献１や特許文献２にも既に記載されている。例えば、方向性電磁鋼板から固定子を分割して鋼板片を製作した後、作製した鋼板片を連結させる事によって、固定子として使用するコアを形成する方法（特許文献１参照）や、固定子を分離せず、薄肉部を塑性変形させ連結したコアを利用することにより、固定子のコアを形成する方法（特許文献２参照）等が既に知られており、これらの方法によって作製された固定子が電動機に使用されている。

特開平１０−２７１７１６号公報 特開２００６−３４５６３６号公報

しかしながら、上述した省エネルギー化の社会的要請に伴う電動機の高効率化への要求は、近年、益々高まってきており、そのため、種々の構成及び制御方法などが検討されている。なお、かかる省エネルギー化を達成するに際しては、これらの種々の構成及び制御方法などの積み重ねによるところが大きいが、しかし、更なる高効率化が必要となっている。即ち、上述した従来の技術を採用することによれば、一定の高効率化が可能であると考えられるが、しかしながら、方向性電磁鋼板を電動機に採用するに当たっては、更なる高効率化を図るうえでは、上記の従来技術になる方法では、次のような問題点があった。

例えば、上記特許文献１のように、その一部を連結しながら分割された鋼板片を螺旋状に積層して固定子を形成する方法においては、鋼板片間には必ず空隙が発生する。そして、この空隙は、固定子全体の磁気抵抗として鉄損を増大させるため、特性の悪化につながる。また、上記特許文献２のように、薄肉部にて連結させる構造の場合、その薄肉部も固定子コアの一部を形成しており、そのため、塑性変形が必要となるコアの一部に、局部的に、永久歪みが生じてしまい、この歪みにより、固定子全体の磁気抵抗と鉄損が増大し、その結果として、特性の悪化につながってしまう。

したがって、方向性電磁鋼鈑を用いた電動機において、更なる高効率化を図るためには、特性の悪化となり得る原因を特定し、これを改善することが求められることになる。

本発明は、上記問題点を鑑みされたものであり、より具体的には、上述した従来技術に比較しても、その固定子における磁気抵抗と鉄損を更に低下することにより、より高効率な電動機を提供することを、その目的とするものである。

上述した目的を達成するため、本発明によれば、まず、円弧状のコア部材をティースと一体となるように切り出し、当該切り出したコア部材を複数積層して形成してなる固定子と、通電時に前記固定子によって形成される磁束により回転する回転子とを備えた電動機において、前記コア部材は、一定の方向に磁化容易方向が向くように方向性電磁鋼板から切り出された鋼板片からなり、かつ、前記固定子の周方向に連続的に配置され、かつ、軸方向に積層され、もって、複数のコア部材の磁化容易方向を周方向にすると共に、前記各コア部材を構成する鋼板片は、前記固定子において形成される磁界を単位として切り出され、かつ、積層方向において、他のコア部材とは周方向に位置を異ならせて積層されている電動機が提供される。

また、本発明によれば、前記に記載した電動機において、前記鋼板片の周方向の分割数を、スロット数の半分を最高とし、３を最低としたことが好ましく、又は、鋼板片に含まれるスロット数が毎極毎相スロット数となる様に分割し、ずらしながら積層する際、その鋼板片間の空隙を通電時に形成される回転磁界の磁極の中心により多く配置されることが好ましい。

上述した本発明によれば、固定子のコア内の磁気抵抗と鉄損を低下することにより、より高効率な電動機を提供することが可能となるという実用的にも優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、以下に詳述する本実施の形態では、固定子コアに流れる磁束の流れと方向性電磁鋼板の磁化容易方向とが一致するように、固定子を構成することにより、磁気抵抗と鉄損を低減した高効率な電動機を実現するものである。ここで用いる鋼板片とは、それ自体が直線状の一方向に磁化容易方向を有するものであり、本発明では、かかる直線状の一方向に磁化容易方向を有する鋼板片を周方向に配置することによって、磁化容易方向を多角形状にし、すなわち、ｎ分割された鋼板片を用いることにより磁化容易方向をｎ角形状とすることにより、磁化容易方向を周方向に配置するものである。

その際、本発明では、固定子コアの鋼板片間に生じる空隙に鑑み、鋼板片の積層方法を工夫するものである。即ち、本実施の形態では、鋼板片の積層時に、各鋼板片の空隙位置を周方向にずらす。これにより、コア内に磁束が流れにくい空隙があっても、磁束の流れは隣接する鋼板片を通ることから、磁気抵抗と鉄損の増大を低減することができる。なお、このとき、各鋼板片は、特定の決められたピッチでずらすこととし、積層方向の磁束の流れ易さにおいても、全体としてほぼ一様とすることができる。また、本実施の形態においては、鋼板片の塑性変形を必要としないため、永久歪みによる磁気特性の劣化を起こすこともない。

鋼板片は周方向に分割された形状となっているが、鋼板片を積層する際にはその分割数によらず、例えば、全体として、１スロットピッチずつ位置をずらして積層することが、磁界形成上は好適である。なお、各鋼板片には少なくとも複数のスロットが設けられる。つまり隣の鋼板片と１スロットピッチでなくても、他の積層箇所で１スロットピッチずらした鋼板片が配置されることにより、固定子コアの磁化容易方向を軸方法から見ると、擬似的に最大でスロット数と同数の多角形化することができる。この結果、分割数によるｎ角形と比較してより円形状に近くなるため、方向性電磁鋼板を有効に活用することができ、磁気抵抗と鉄損を低減することができる。

例えば、８分割した鋼板片の場合、周方向に連結すると磁化容易方向が８方向（８角形）となるが、本実施形態で示すように、積層する際にコア部材（鋼板片）をずらすことで、８角形が１６角形あるいは２４角形と、最大でスロット数と同じ角を持つ多角形を形成し、擬似的に円形状に近づいていくことになる。その際は、積層される電磁鋼板のある１つの層において鋼板片間に空隙が存在する位置には、当該１つの層と隣接する層には必ず鋼板片が存在するように構成されることによって、周方向の磁化容易方向を円形状に近づけていくことができる。したがって、回転磁界を有する電動機においては磁気抵抗と鉄損の低減が期待できる。

そこで、分割数を毎極毎相スロット数より算出される数とし、それに応じた配置をすることにより、さらに固定子コアの磁気抵抗と鉄損を低減することが可能である。

以下では、添付の図面を用いてより、具体的な実施形態について説明する。
添付の図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態である固定子の構造を示す図である。まず、図１（Ａ）は、直線状の一方向に磁化容易方向を有する、例えば、帯状の電磁鋼帯１を示しており、図にも示すように、かかる電磁鋼帯１から、円弧状のコア部材２を、固定子において形成される磁界を単位として（その弧の分、１／２、又は、１／３、…１／ｎ）、ティース２１と一体となるように切り出す。そして、図１（Ｂ）にも示すように、上記電磁鋼帯１から形成された（切り出された）複数の鋼板片２を周方向に並べることにより、磁化容易方向を多角形状にした固定子コア６を得ることができる。なお、図中の符号３で示す矢印は、各鋼板片２における磁化容易方向を示している。

更に、添付の図２（Ａ）及び（Ｂ）には、固定子コア６の軸（積層）方向に積層された隣接する層との関係が示されており、鋼板片２は周方向にずらして配置されている。そのため、電動機の通電時に固定子に発生する回転磁界の磁束φは、鋼板片間の空隙５を流れる場合に、軸（積層）方向に隣接する他の鋼板片を流れることが出来ることから、固定子コア６の磁気抵抗と鉄損を大幅に低減する事ができる。なお、軸（積層）方向に隣接する鋼板片２を周方向にずらす方法としては、例えば、図示のように、固定子において形成される磁界φを単位として、互いに、その弧の半分、又は、１／３、…１／ｎだけずらすことが考えられる。これによれば、回転磁界を有する電動機における磁気抵抗をより低減することが可能になる。

なお、固定子コア６の分割数としては、固定子コアのスロット数の半分（例えば、各鋼板片当り２スロット分）を最大とし、最低は３とすることで、従来の無方向性電磁鋼板を使用した電動機と比較して、固定子の磁気抵抗と鉄損を低減できる。ここで、分割数の最大をスロット数の半分としたのは、最低２スロットを有した鋼板片がないと、ずらしながら積層することができない為である。また、鋼板片をずらす方法は、以下にも示すが、種々の方法が考えられる。

更に、添付の図３（Ａ）及び（Ｂ）は、１例として、例えば、４８スロットの固定子コアを示す図である。４８スロット電動機の場合、固定子コア６を、周方向において、最大２４個に分割することが可能であり、そして、固定子コア６を構成する鋼板片２を、軸（積層）方向に隣接する鋼板片２に対し、周方向にずらしながら積層することにより、４８角形の磁化容易方向をもった固定子７を形成することが可能になる。

なお、図３（Ｂ）は、特に、４８スロット４極３相電動機において、そのコイル配置をも考慮して示した図である。この場合、毎極毎相スロット数は４となり、４スロットに対して１枚の鋼板片２が対応するように、１２個に分割された鋼板片２を積層している。そして、１２個に分割された鋼板片２を積層する場合、通電時に形成される回転磁界の磁極φの中心に鋼板片間の空隙５を配置するように配置することにより、磁気抵抗と鉄損を低減できる。但し、単に、軸（積層）方向に隣接する鋼板片２を周方向にずらしながら積層する場合、均等にずらしても効果がない場合には、磁極の中心に空隙が配置される比率を大きくすることにより、磁気抵抗と鉄損を低減する事が出来る。この実施例においては、図３（Ａ）にも示すように、磁極の中心と鋼板片間の空隙を合わせた層を３層とし、その次の層は、それぞれ、１層だけとし、更に次の３層は、磁極の中心の鋼板片間の空隙とその位置を合わせた構造を示している。

また、毎極毎相スロット数が奇数と偶数の場合で、その分割方法を変えることも可能である。例えば、偶数の場合には、ティース２１の中心で分割し、奇数の場合には、スロット２２の中心で分割することにより、磁極の中心に空隙が配置され、磁気抵抗と鉄損を低減する事が出来る。なお、添付の図４には、毎極毎相スロット数が３（奇数）の場合の鋼板片２の形状を、そして、添付の図５には、毎極毎相スロット数が４（偶数）の場合の鋼板片２の形状を、それぞれ示す。

また、３相電動機の極数とスロット数による毎極毎相スロット数とコアの最大の分割数を以下の表１に示す。なお、この表における括弧内の数字は、上述した最大分割数である。

更に、添付の図６及び図７には、他の実施例を示しており、特に、図６の例では、各鋼板片を１層毎に、周方向にその弧の１／３だけずらして積層した構造を、また、図７の例では、各鋼板片を２枚ずつ積み重ね、これを周方向にその弧の１／３だけずらして積層した構造を示している。

なお、上記では、本発明を交流電動機に適用した例についてのみ説明したが、しかしながら、本発明は、上記の例に限定されることなく、例えば、磁石モータにも適用可能であることは、当業者であれば明らかであろう。

本発明の実施の形態になる電動機の固定子コアを形成する電磁鋼帯と鋼板片を組み合わせた固定子コアの平面図である。 上記鋼板片を組み合わせた固定子コアを説明するための図である。 ４８スロット固定子の１２分割鋼板片の配置と回転磁界の磁束の流れを示した図である。 毎極毎相スロット数が３（奇数）の場合、最適な鋼板片の形状である。 毎極毎相スロット数が４（偶数）の場合、最適な鋼板片の形状である。 本発明の他の実施の形態になる電動機の固定子コアを示す側面及び正面図である。 本発明の更に他の実施の形態になる電動機の固定子コアを示す側面及び正面図である。

符号の説明

１…電磁鋼帯、２…鋼板片、５…鋼板片間の空隙、６…固定子コア、２１…ティース、 ２２…スロット。

Claims (3)

1. 円弧状のコア部材をティースと一体となるように切り出し、当該切り出したコア部材を複数積層して形成してなる固定子と、
   通電時に前記固定子によって形成される磁束により回転する回転子と
   を備えた電動機において、
   前記コア部材は、一定の方向に磁化容易方向が向くように方向性電磁鋼板から切り出された鋼板片からなり、かつ、前記固定子の周方向に連続的に配置され、かつ、軸方向に積層され、もって、複数のコア部材の磁化容易方向を周方向にすると共に、前記各コア部材を構成する鋼板片は、前記固定子において形成される磁界を単位として切り出され、かつ、積層方向において、他のコア部材とは周方向に位置を異ならせて積層されていることを特徴とする電動機。
2. 前記請求項１に記載した電動機において、前記鋼板片の周方向の分割数を、スロット数の半分を最高とし、３を最低としたことを特徴とする電動機。
3. 前記請求項１に記載した電動機において、鋼板片に含まれるスロット数が毎極毎相スロット数となる様に分割し、ずらしながら積層する際、その鋼板片間の空隙を通電時に形成される回転磁界の磁極の中心により多く配置されることを特徴とする電動機。

Images