JP2012100380A - 内転形電動機用固定子 - Google Patents

Abstract

【課題】電動機の効率を殆ど低下させることなく、固定箇所を最小限にして効率よく配置し、電動機稼動時に発生する固定子の振動を抑制し、振動レベルを低減した電動機用固定子を提供する。
【解決手段】鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層して形成され、且つ磁極数が８極でスロット数が１２個の内転型電動機用固定子において、１２個のティース部とヨーク部の交差部のヨーク外周部分であるティースバック部のうち任意の１つを基準として、全１２個のティースバック部のうち前記基準としたティースバック部から時計回りに１番目、５番目、９番目、のティースバック部のみが電動機のケースに固定されていることを特徴とする内転型電動機用固定子。
【選択図】図１２

Description

本発明は、電動機の鉄心に係り、特に打抜かれた鋼板を複数枚積層且つ一体化して製造される内転形電動機用固定子の振動騒音低減に関する。

近年、省エネルギーの観点から各種電動機の効率向上，低コスト化が強く求められている。一方、冷蔵庫，洗濯機，エアーコンディショナー等に用いられる電動機は高効率，低コスト化に加え、低振動，低騒音のニーズが非常に高い。電動機用固定子は、鋼板を打抜き、所定枚数を積層し、かしめ、溶接等を用いて固着するのが一般的で、その固定子は、ティース部，ヨーク部および巻線コイルを挿入するための空隙部であるスロット部より構成された一体構造であり、巻線コイルの組立て工程を経て、最終的に電動機の一部品として組み込まれる。

固定子は、固定子外径とほぼ同じ大きさの内径を持つ電動機のケースに、ボルト締めもしくは焼嵌め等により固定収容される。固定子が電動機に組み込まれる際に、ティース部に巻線コイルが巻かれ、また、その固定子の内側には永久磁石が埋め込まれた回転子が取り付けられる。巻線コイルには交流電流が流され、固定子と回転子の間で回転磁界が発生し、電動機が回転作動する。電動機が稼動すると、回転子の永久磁石と固定子ティース先端部の間で吸引，反発を繰返し、電磁加振力が生じる。その回転磁界に伴って生じる電磁加振力は、固定子を振動させようとし、とくに半径方向に変形させようとする力（半径方向力）が増大する。その半径方向力は、ティース部先端に集中して作用し、ヨーク部を伝播し、電動機全体を振動させる。

固定子をボルト締め等によりケースの取付け座面に締結させて固定する場合、その固定箇所は、電動機稼動時に固定子内に発生する磁束の流れを極力乱さないようにするため、通常、ティースの外周側に位置するヨークの外周側を含む領域とする。固定箇所が多いほど、固定子を含む電動機全体の剛性は向上し振動低減に寄与するが、固定箇所は、磁束が流れる領域（磁路）を狭め、電動機の効率を損なうため、最小限にすることが好ましい。従って、固定箇所は、通常、前述の電磁加振力を受けるティース外周側のすべてに配置されず、数箇所に限定して配置される。製造コスト，軽量化，低容積化の観点からも固定箇所は最小限が望ましく、固定子の断面積も軽量化の観点から最小限が望ましい。しかしながら、固定箇所が限定されると、固定されていない部位は局部的に剛性が低下し、振動し易くなる問題がある。

また、磁極数８極の内転形電動機では、中心角で９０°ごとに対称性をもって固定子へ吸引反発を繰り返す。図１に示すように、四角形状となる電磁加振力７１の空間モードを保ちながら回転作動する。一方、固定子には四角形状を主体とする固有振動モードが存在しており、電磁加振力７１の空間モードと固定子の固有振動モードが一致する共振状態によって、電動機稼働時に振動が増大する問題がある。したがって、共振状態を回避するため、固定箇所の配置により、四角形状を主体とする固有振動モードが発現しにくい固定子構造とすることが重要となる。

以上のように、固定子外周に存在する固定箇所の個数を極力最小限に留め、固定子の限られた断面領域の範囲内で固定箇所を効率よく配置して、振動低減を図る必要がある。

特許文献１には、コギングトルクを低下させ、しかも、銅損の増加を防ぐことができる永久磁石型回転モータを提供する目的に８極１２スロットの永久磁石型回転モータが例示されている。例示されたモータはステータコアを構成する継鉄部に貫通孔が４箇所あり、その貫通孔にボルトが挿入されてエンドブラケットに継鉄部が固定されている。ボルトは中心角９０°ごとに対称性をもって配置されている。

特開２００６−２７１１５６号公報

本発明は前記の問題点に鑑み、電動機の効率を殆ど低下させることなく、固定箇所を最小限にして効率よく配置し、電動機稼動時に発生する固定子の鋼板の振動を抑制すると共に振動レベルを低減した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は以下のとおりである。

（１）鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層して形成され、且つ磁極数が８極でスロット数が１２個の内転型電動機用固定子において、１２個のティース部とヨーク部の交差部のヨーク外周部分であるティースバック部のうち任意の１つを基準として、全１２個のティースバック部のうち前記基準としたティースバック部から時計回りに１番目、５番目、９番目、のティースバック部のみが電動機のケースに固定されていることを特徴とする内転型電動機用固定子。

（２）前記ティースバック部の前記ケースへの固定は、ボルトで行うことを特徴とする（１）記載の内転型電動機用固定子。

（３）前記ティースバック部の固定箇所は、ヨーク外周よりヨーク厚みの０．５倍以下の範囲に位置することを特徴とする（１）又は（２）記載の内転型電動機用固定子。

本発明により、電動機の効率を殆ど低下させることなく、固定箇所を最小限に留め効率よく配置し、電動機稼動時に発生する固定子の鋼板の振動を抑制し、振動レベルを低減することが出来る。

電磁加振力の空間モードを示す図である。 内転形電動機用固定子の上面を示す図である。 内転形電動機用固定子の断面を示す図である。 内転形電動機用固定子の形状の１例を示す図である。 内転形電動機用固定子の形状の１例を示す図である。 固定子の周波数応答特性例を示す図である。 固定子の固有振動モードを示す図である。 固定子への単一動荷重を示す図である。 固定子への単一動荷重を示す図である。 図４（ａ）に示す固定子の１８-１の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ａ）に示す固定子の１８-２の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ａ）に示す固定子の１８-３の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ａ）に示す固定子の１８-４の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ｂ）に示す固定子の１８-１の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ｂ）に示す固定子の１８-２の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ｂ）に示す固定子の１８-３の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 図４（ｂ）に示す固定子の１８-４の応答評価点における周波数応答特性例を示す図である。 各固定子の振動加速度レベル比較を示す図である。 磁束流れの概要を示す図である。 内転形電動機用固定子の実施例を示す図である。 確認試験における振動特性比較を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に関し、図面を用いて具体的に説明する。

図２は、エアコン及び冷蔵庫の圧縮機等に使用される磁極数８極、スロット数１２個の内転形電動機の上面図である。また、図３は、内転型電動機において締結用のボルトが存在するＡ−Ａ’断面の図である。図２に示すように、内転形電動機は、固定子１１と回転子１２からなり、固定子１１は、環状のヨーク部１３、ヨーク部内周１４から径方向内側に伸びる１２本のティース部１５および巻線コイル２２を挿入するための空隙部である１２個のスロット部１７から構成される。図３に示すように、固定子１１は、固定子１１と取付け台座２１を貫通するボルト２５によって、電動機のケースの取付け台座２１へ締結されている。固定子１１は、内転形電動機へ組み込まれる前にティース部１５に巻線コイル２２が直接巻かれた集中巻の固定子である。

固定子１１の内側には８個の永久磁石２３が埋め込まれた回転子１２が回転軸を中心に回転自在に取り付けられている。巻線コイル２２には交流電流が流され、固定子１１と回転子１２の間で磁界が発生し、電動機が回転作動する。電動機が稼動すると、回転子１２の永久磁石２３と固定子のティース先端部１６の間で吸引，反発を繰返し、電磁加振力７１が生じ、電動機全体が振動する。

磁極数８極の内転形電動機は、前述のように図１に示す四角形状となる電磁加振力７１の空間モードを保ちながら回転作動する。一方、固定子には四角形状を主体とする固有振動モードが存在しており、電磁加振力７１の空間モードと固定子の固有振動モードが一致する共振状態によって、電動機稼働時に振動が増大する問題がある。したがって、共振状態を回避するため、固定箇所の配置により、四角形状を主体とする固有振動モードが発現しにくい固定子構造とすることが重要となる。

このことから、本発明者らは、図２に示す磁極数８極の内転形電動機用固定子に関して、その振動特性とボルト配置の関係を、有限要素法を用いて解析的に調査した。この調査の詳細は後述するが、磁極数が８極でスロット数が１２個の固定子において、ティースバック部のうち任意の１つを基準とした場合、全１２個のティースバック部のうち時計回りに１番目、５番目、９番目のティースバック部が電動機のケースに固定することが、電動機稼動時の振動低減に有効であることが判明した。換言すれば、ティースバック部に存在する締結ボルトの配置を、四角形状主体とする固有モードの空間的な周期と一致させないことが電動機稼動時の振動低減に有効である。

図１２は、電動機稼動時の振動低減に有効な本発明の実施の形態における内転形電動機用固定子を示すものである。ティース部１５の先端の半径Ｒｔ＝３５ｍｍ、ヨーク部内周の半径Ｒｉ＝４７．５ｍｍ、ヨーク部の外周側１８の端面の半径Ｒｏ＝５６．５ｍｍである。ティース部の幅Ｔは８ｍｍ、ヨーク部の厚みＹは９ｍｍ、スロットの個数は１２個であり、磁極数は８極である。また、積層される鋼板の１枚の板厚は０．３５ｍｍで積層高さは３５ｍｍであり、固定子は電動機のケースの取付け台座にボルト締めにより固定されている。

ボルト穴は、全１２個のティースバック部１８のうち任意の１つを基準とした場合、時計回りに１番目、５番目、９番目に、円周方向に固定子内径中心を中心として等配（等ピッチ）な位置（以下、「円周方向に等ピッチな位置」という）となる位置に３箇所存在し、ボルト２５により固定子１１を台座２１に固定している。各ボルト２５の外径は３．５ｍｍで、ボルト２５の中心はティースの中心軸線上に位置すると共に、ヨーク外周から２．５ｍｍの位置に存在する。

以下、磁極数８極の内転形電動機用固定子に関して、その振動特性とボルト配置の関係の解析的な調査の詳細を説明する。

図４（ａ）〜図４（ｂ）は解析に用いた固定子形状の代表例を示す。図４（ａ）の固定子は、ボルト２５が全１２個のティース部１５とヨーク部１３の交差部のヨーク外周部分、すなわちティースバック部１８の３箇所１８−１、１８−５、１８−９に存在し、且つ、固定子内径中心を中心として円周方向に等ピッチな位置に配置され、四角形状となる電磁加振力の空間的な周期と異なった配置をなしている。図４（ｂ）の固定子は、ボルト２５が、全１２個のティースバック部１８のうち時計回りに１番目１８−１、４番目１８−４、７番目１８−７、１０番目１８−１０に、固定子内径中心を中心とし円周方向に等ピッチな位置に４箇所存在し、四角形状となる電磁加振力の空間的な周期と一致した配置をなしている。

磁極数８極の内転形電動機は前述のように四角形状となる電磁加振力の空間モードを保ちながら回転作動することから、その加振形態を再現するため、円周方向に等ピッチな位置にあるティース先端部１６の４方向に動荷重４１を作用させ、応答評価点４２における周波数応答を算出する固定子の周波数応答解析を行った。

図５は、図４（ａ）、図４（ｂ）に示した其々の固定子における周波数応答特性の比較である。応答特性は、図４に示す応答評価点４２におけるもので、単位動荷重あたりの加速度を振動値として評価している。図６は、有限要素法による固有モード解析より得られた図５に示す周波数応答特性におけるピーク周波数時の固有モードであり、図４（ｂ）の固定子の事例である。各固定子は四角形状の固有振動モードを有しており、図５の周波数応答特性での８０００Ｈｚ付近に存在する各ピーク周波数は、四角形状の固有モードにおける固有振動数に相当する。図４（ａ）に示すボルト２５が３本配置されている固定子は、図４（ｂ）に示すボルト２５が４本配置されている固定子よりボルト本数が少ないにもかかわらず、ピーク振動時における振動値が約２ｄＢ小さくなり、ティースバック部に存在する締結ボルトの配置を、四角形状主体とする固有モードの空間的な周期と一致させないことが電動機稼動時の振動低減に有効であることが分る。

さらに、発明者らは図４（ａ）、図４（ｂ）に示した其々の固定子について、前述の回転作動する加振形態を再現した動荷重条件とは異なる解析条件を用い、有限要素法により周波数応答解析を実施した。具体的には固定子の外周に単一動荷重を作用させた周波数応答解析を実施し、四角形状の固有振動モードにおける応答レベルを詳細に比較分析した。単一動荷重については図７に示す１２箇所の各ティースバック１８の背面に単一荷重８１を順次作用させ、応答評価点をその単一動荷重８１の作用箇所とした自己周波数応答を算出した。尚、自己周波数応答は、単位動荷重あたりの加速度として評価している。図８（ａ）〜（ｄ）及び図９（ａ）〜（ｄ）は、其々の固定子について、ティースバック１８−１から１８−４における応答評価点の周波数応答特性を示したものである。ボルト２５が３本配置された固定子の周波数応答については、図８（ａ）〜（ｄ）から８０００Ｈｚ付近に数種類の固有モードのピーク応答が存在しており、図８に示すＰ部のピーク応答が、図６で示した四角形状の固有振動モードであることを解析結果から確認している。一方、ボルト２５が４本配置された固定子の周波数応答については、図９（ａ）〜（ｄ）から８０００Ｈｚ付近に四角形状の固有モードとなるピーク応答が単独で存在する。図１０は、其々の固定子の各応答評価点について、四角形状の固有モードを示すピーク応答レベルをレーダーチャートにプロットしたものである。いずれの応答評価点においても、ボルト２５が３本配置されている固定子（実線）は、ボルト２５が４本配置されている固定子（破線）より、ピーク応答値が約３〜４ｄＢ小さくなり、ティースバック部に存在する締結ボルトの配置を、四角形状主体とする固有モードの空間的な周期と一致させないことが電動機稼動時の振動低減に有効であることが本条件の解析においても確認された。

一方、上記磁極数８極でスロット数が１２個の固定子が内転形電動機に組み込まれ、巻線コイルには交流電流が流され、電動機が作動する場合、図１１に示されるようにティース部１５を径方向に流れる磁束５１をつなぐヨーク部の磁束５２は、斜線部で示す領域５３の範囲に集中する傾向にある。その磁束が集中する領域５３は、半径方向にはヨーク部厚みＹの０．５倍程度の範囲となる。従って、電動機の鉄損を悪化させないために、ボルト２５は、磁束５１、５２の磁束の流れを乱さない位置に存在することが好ましい。したがって、ボルト２５は、ティース部１５とヨーク部１３の交差部のヨーク外周領域（ティースバック部１８）に有することが好ましく、ヨーク外周よりヨーク厚みの０．５倍以下の範囲に位置することが好ましい。

以上のことから、磁極数が８極でスロット数が１２個の固定子において、ティースバック部のうち任意の１つを基準とした場合、全１２個のティースバック部のうち時計回りに１番目、５番目、９番目のティースバック部が電動機のケースに固定され、ティースバック部に存在する締結ボルトの配置を、四角形状主体とする固有モードの空間的な周期と一致させないことが電動機稼動時の振動低減に有効であることを知見し、本発明をなしたものである。

図４（ａ）、（ｂ）に示した其々の固定子について確認試験を行った。この試験では、回転数２０００[ｒｐｍ]、トルク４[Ｎｍ]の条件で各固定子を装着した電動機を稼動させ、ケース外周部に加速度計を装着して、ケースの振動加速度を測定した。振動加速度レベルは１０ｋＨzまでの周波数範囲まで測定し、オーバーオール値[ｄＢ]で評価した。

図１３に、確認試験における振動特性比較を示す。試験の結果、図４（ａ）で示すボルトが３本配置されている固定子は、図４（ｂ）で示すボルトが４本配置されている固定子より、振動加速度レベルは約３ｄＢ下回っていることを確認した。

また、各ボルトは、磁束を乱さないティース部の外周側に位置するヨーク部の外周側に位置しており、電動機の効率を殆ど低下させることはなかった。

１１ 固定子
１２ 回転子
１３ ヨーク部
１４ ヨーク部内周
１５ ティース部
１６ ティース先端部
１７ スロット部
１８、１８−１〜１８−９ ティースバック部
２１ 台座
２２ 巻線コイル
２３ 永久磁石
２４ ボルト穴
２５ ボルト
４１ 動荷重
４２ 応答評価点
５１ 径方向に流れる磁束
５２ ヨーク部の磁束
５３ 磁束が集中する領域
７１ 電磁加振力
８１ 単一動荷重

Claims (3)

1. 鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層して形成され、且つ磁極数が８極でスロット数が１２個の内転型電動機用固定子において、１２個のティース部とヨーク部の交差部のヨーク外周部分であるティースバック部のうち任意の１つを基準として、全１２個のティースバック部のうち前記基準としたティースバック部から時計回りに１番目、５番目、９番目、のティースバック部のみが電動機のケースに固定されていることを特徴とする内転型電動機用固定子。
2. 前記ティースバック部の前記ケースへの固定は、ボルトで行うことを特徴とする請求項１記載の内転型電動機用固定子。
3. 前記ティースバック部の固定箇所は、前記ヨーク外周よりヨーク厚みの０．５倍以下の範囲に位置することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内転型電動機用固定子。

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