JP2013141388A

JP2013141388A - 回転電機

Info

Publication number: JP2013141388A
Application number: JP2012266654A
Authority: JP
Inventors: Masabumi Sakamoto; 正文坂本; Shigeyoshi Sato; 重善佐藤; Shunsuke Takeguchi; 俊輔竹口
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 2011-12-06
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US20130187485A1

Abstract

【課題】本発明は圧粉鉄心を使用した回転電機に関するものであり、巻き線占積率を飛躍的に向上させて回転電機の軽薄短小化、高効率化を図るものである。安価、堅牢で小型化薄型化に有効で巻き線占積率を高められる回転機鉄心の構造開発を行う。
【解決手段】巻き線スロット数がｍ個の放射状鉄心を、圧粉による一体成型、あるいは圧粉によるｍ個の分割成型で構成するラジアルギャップ式の回転電機において、前記放射状鉄心はその巻き線部の軸方向の厚みが中心から外側に行くほど薄くなることを特徴とする回転電機。但しｍは４以上で１２以下の整数値。
【選択図】図２

Description

本発明は電動機や発電機である回転電機に関する。

電動機や発電機である回転電機は、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、省エネルギー化や高効率化の要求も増加してきている。更に、低振動化、低騒音化、そして安価であることも強い要求である。関係する従来技術として下記のような特許文献がある。

特開２００７−３３６７３２号公報

従来の一般的なラジアルギャップ式の回転電機ブラシレスＤＣ回転電機（以下ＢＬＤＣ回転電機）やスイッチドレラクタンス回転電機（以下ＳＲ回転電機）の場合の技術は、固定子鉄心を珪素鋼鈑で積層して構成し、安価と効率を重視する場合は、巻き線は集中巻き方式を採用する。その理由は分布巻き方式ではトルク発生に寄与しないコイルエンド部が大きくなり銅損が増大し、効率が低下するためと集中巻きでは巻き線がシンプルでスロットへの直接巻き込が可能となり、巻き線が安価となるためである。集中巻き方式の場合は実用的に構成すれば固定子のスロット数は４〜１２となる。

更に集中巻き方式でもコイルエンドは分布巻きに比べてコイルエンド部の高さは小さいが効率を高めるには銅損が増大するため問題視される。この解決策の一つに固定子巻き線極形状を軸方向あるいは回転周方向に飛び出させた所謂オーバーハングとした形状を圧粉鉄心で構成する。圧粉鉄心とは軟磁性鉄粉に少量の樹脂をバインダーとしてコーティングし渦電流の絶縁のために混合して圧縮成形後焼結させたものである。珪素鋼鈑積層式が２次元の単純形状であるのに対して３次元の複雑形状が可能で、更に鉄損の一部の渦電流損が少ない特長がある。上述した圧粉鉄心は磁束密度が珪素鋼鈑より小さいという短所があるが、オーバーハング形状では回転子との対向面積が増加するため高効率化に適したものと言える。また高効率化を達成するには巻き線占積率を高める必要がある。集中巻き式でのスロットへの直接巻き込式はスロット開口部から銅線をノズルで巻きこむため巻き線占積率は２０〜３０％程度である。本発明では圧粉鉄心による３次元の複雑形状が可能な長所を利用して積層式では不可能な巻き線占積率の向上となる鉄心の一体成型構造を開示する。

またスロット開口部は巻き線挿入の点から巻き線の線径にもよるが０．５ｍｍ径の銅線でも、２から３ｍｍは必要となる。そこでこの巻き線占積率を飛躍的に高めるためとスロット開口部を小さくする手段として分割鉄心方式がある。分割方式では分割された鉄心の状態で巻き線作業をするため、巻き線占積率は５０％以上が可能となる。分割方式では更にスロット開口部を０．５ｍｍ程度に小さくできる。このことは永久磁石式回転電機のコギングトルクを低減する効果が生まれる。永久磁石式回転電機でもスロットレス回転電機ではコギングトルクは零に近いことからも理解できるものである。分割式鉄心の場合にはその分割ピースの（合体）アッセイが必要になる。この分割鉄心のアッセイに関して、従来技術の例として前述した特許文献１がある。本発明はこの従来技術の欠点を解決して、更に巻き線占積率を高めることが可能な方式を開示するものである。

上記課題を解決するためには以下の手段による。
「手段１」
巻き線スロット数がｍ個の放射状鉄心を、圧粉による一体成型、あるいは圧粉によるｍ個の分割成型で構成するラジアルギャップ式の回転電機において、前記放射状鉄心はその巻き線部の軸方向の厚みが中心から外側に行くほど薄くなることを手段とする回転電機。但しｍは４以上で１２以下の整数値。
「手段２」
手段１において、前記放射状鉄心は回転軸方向、及びまたは、回転周方向にオーバーハングを有していることを手段とする回転電機。
「手段３」
手段１または２において、前記放射状鉄心を巻き線後、合体固着する場合、ｍ個の接合部を溶接、接着、樹脂モールドのいずれか、あるいはそれらの併用で行うことを手段とする回転電機。
「手段４」
手段１または２において、前記放射状鉄心を構成する圧粉は、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることを手段とする回転電機。
「手段５」
手段１または２において、アウターロータ型の回転電機の場合であって、前記放射状鉄心を巻き線後合体固着する場合、それら合体の内周部に円筒体を挿入固定させて鉄心合体と同心化を行うことを手段とする回転電機。
「手段６」
巻き線スロット数がｍ個の放射状鉄心を、圧粉による一体成型で、あるいは圧粉によるｍ個の分割成型で構成するラジアルギャップ式インナーロータ型の回転電機において、固定子と回転子間のエアギャップ確保のための同心案内を、前記放射状鉄心の側面軸方向に同心的に突き出た部分を設け、前後のブラケットと案内嵌合させることを手段とする回転電機。但しｍは４以上で１２以下の整数値。
「手段７」
手段６において、前記放射状鉄心はその巻き線部の軸方向の厚みが中心から外側に行くほど薄くなることを手段とする回転電機。
「手段８」
手段６において、前記放射状鉄心はその略中心部の外周部に設けた溝または穴に圧粉以外の金属体を介在させてブラケット締結に使用したことを手段とする回転電機。
「手段９」
手段６において、前記放射状鉄心が圧粉によるｍ個の分割成型で構成されている場合であって、放射状鉄心を巻き線後合体固着する場合、合体時の外周部の接合部を溶接にて結合させることを手段とする回転電機。
「手段１０」
手段６において、前記放射状鉄心を構成する圧粉には、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることを手段とする回転電機。

１）鉄心巻き線部は軸方向厚みが半径方向で径大に従い薄くなるため巻きあがり後の巻き線部のコイルエンド部厚さは半径方向で均一になり、巻き数が稼げるため、巻き線占積率が向上できる。分割鉄心の１ピースの状態で巻き線をすれば巻き線占積率が更に向上し、従って高トルク化、高効率化となる。なお、巻き線占積率は４０〜６０％とすることができる。
２）圧粉鉄心をプレスで加圧成形時にテーパ巻き線溝部はその加圧力成分の直角成分が発生し回転機鉄心の中心部の密度を高める効果を生む。このためインナーロータ式では回転子と対向する固定子歯部の磁気抵抗を低減する効果となる。
３）スロット開口部を極小にできるのでコギングトルクが極小化でき、低振動低騒音化となる。
４）圧粉鉄心によるオーバーハング構造で回転子との対向面積が積層方式より増加できるため、高トルク化、高効率化となる。
５）圧粉鉄心により渦電流損が零に近く、特に高速時の鉄損が少なく高効率な回転電機となる。
６）分割鉄心の合体に溶接等を用いれば作業が容易で堅牢となり、更に接合部の磁気抵抗を低減できて高性能で、安価で信頼性の高い回転電機が提供できる。
７）分割鉄心の合体に樹脂モールドを行う場合でも、溶接や円筒体を併用することができ、堅牢で信頼性が高い回転電機となる。
８）インナーロータ式の場合、前後ブラケットを鉄心の外径部でなく、側面の案内を使用するので、小形薄型回転電機も可能になる。鉄心部外周に設けた溝を両ブラケット締結に使用すれば小形化になる。
９）圧粉鉄心の加圧の面圧は約８００ＭＰａ必要であるので大きな径の鉄芯を作るにはその投影面積に見合った大きなパワーのプレス機が必要になり高価な設備となるが、ｍ分割した鉄心は投影面積がｍ分の一の面積となり、プレス設備費が安価となる。
１０）圧粉鉄心は鉄粉と銅線との分割が容易でリサイクル性に優れる。
１１）圧粉により３次元形状が容易な為、コストパフォーマンスに優れたものとなる。

本発明の分割鉄心回転機の軸方向から見た内部の図図１の側面断面図本発明のアウターロータ式分割鉄心回転機の軸方向から見た内部の図図３の側面断面図本発明の別の分割鉄心回転機の軸方向から見た内部の図図５の側面断面図で前後ブラケットを備えた図図２の側面断面図でケースを備えた図従来技術の説明図

図１は本発明の構成の一例を示したものであり、本発明の分割鉄心回転機を軸方向から見た内部の図である。但し固定子Ｓと回転子Ｒのみ図示し、ブラケットや軸受け等は省略した図である。

なお、本明細書においては、圧粉により成型されている放射状鉄心を「圧粉鉄心」と記載し、さらに分割成型されている放射状鉄心を「分割鉄心」と記載する場合がある。また、インシュレータと巻き線断面部をあわせて「テーパ巻き線溝部」という場合がある。さらに、図１、図３、および図５において巻き線断面部５、１５、２５は、断面で図示されている。

固定子は３相式６巻き線極の構成であり、６個の巻き線極が６０度間隔で均等に放射状に配置されている。固定子のスロット数でいえば６個で巻き線極数と一致する。そして図１では圧粉鉄心による６個の分割鉄心の場合で図示してある。また巻き線を鉄心に設けた溝内に巻く、所謂オーバーハング構造の図である。オーバーハング構造はコイルエンドが鉄心表面に飛び出ないので、薄型あるいは同一回転機サイズでは回転子との対向面積が増加するので高トルクが可能になる。

図２は図１の回転軸を含む平面で断面した図である。図１と図２を参照して、符号１は鉄心に設けたテーパ巻き線溝部であり、本発明の回転機径方向で径大方向に向かうほどテーパとなっている。即ち６個の鉄心はその巻き線部の軸方向の厚みが中心から外側に行くほど薄くなるようにしてある。その理由は以下による。

図１は巻き線スペースいっぱいに巻きこんだ図であるが、巻き線の仕上がり外周幅は半径方向で外側に行くほど大きくなることが分かる。これは６個の巻き線極が放射状に分布しているためである。そうするとフルに巻きこむとコイルエンド高さも半径方向で外側に行くほど高くなる。そうなるとコイルエンド高さが均一にならず高さも大きくなるので薄型化には適さない。これに対して本発明の如く径大方向に向かうほどテーパとすればこの問題は解決できる。６極機の場合は３０度テーパが、また一般にｍ極機では１８０度／ｍが望ましい値である。本発明は６極に限らず、実用的には２相では４極、８極、１２極、３相では６極、９極、１２極、５相では５極、１０極に適したものである。なぜなら極数が１２を超えて１５以上では分割鉄心の場合は構造が複雑となり安価性が損なわれるためである。従ってｍは４以上で１２以下の整数が望ましい。ここでｍ極機はスロット数ｍ個の回転機と同じものである。図１および図２で、符号２はオーバーハング部、符号３もバックヨークのオーバーハング部、符号４はインシュレータで樹脂製である。符号５は巻き線断面部、符号６は鉄心接合部であり、分割鉄心を内径部を基準にして溶接等する接合箇所である。そして符号７は回転軸である。

回転子Ｒは永久磁石を用いればブラシレスＤＣ回転電機等になる。６巻き線極では回転子Ｎ、Ｓ、Ｎ、Ｓと４極に磁化したものをもちいる。また回転子Ｒは永久磁石にかわり、磁性鉄の珪素鋼鈑や圧粉鉄心による４個の歯を有したものでもよい。ＳＲ回転電機所謂スイッチドレラクタンス回転電機となる。

図１はラジアルギャップ式のインナーロータ形の分割鉄心の図を示したが、本発明は巻き線極が４以上で１２以下の分割してない一体型鉄心にも有効である。一体型鉄心は図示を省略するが図１で符号６なるつなぎ目がない図である。また本発明は必ずしもオーバーハングがなくても有効である。巻き線の崩れは樹脂インシュレータにより防げる。しかしオーバーハングがないと薄型化、高トルク化には不利となる。またｍ個の分割鉄心を巻き線後に合体固着する場合、ｍ個の接合部を固定子内径に心金を挿入して図１の符号６の部分を溶接すれば安価で堅牢な固定子が得られる。溶接が望ましいが他に、接着でもよいし、樹脂モールド、あるいはそれらの併用で行うこともできる。

図３は本発明をラジアルギャップ式のアウターロータ形の巻き線極がｍ個の分割鉄心に適応した図である。

図４は図３で回転軸を含む断面図である。符号８はフランジ部、符号９は金属円筒体で、分割鉄心を結合させながら、固定子Ｓと回転子Ｒの同心の狂いを吸収させることもできる。符号１０は軸受けである。この場合も半径方向に外側に行くほど、符号１１のテーパ巻き線溝部１１の厚みを薄くする。その理由はインナーロータで述べた理由と同じである。符号１２がオーバーハング部、符号１３がバックヨークのオーバーハング部、符号１４はインシュレータで樹脂製である。符号１５は巻き線の断面部である。この場合も前述したインナーロータ式の場合と同じく、ｍ個の巻き線極が分割でなく一体鉄心でもよい。回転子Ｒは永久磁石であればブラシレスＤＣ回転電機にまた磁性鉄性で歯を設ければＳＲ回転電機等になる。

また図３、図４で回転子Ｒを固定させ、固定子Ｓを回転自在にしてコンミテータを取り付けブラシで整流すればブラシ付きのＤＣ回転電機に活用できる。従ってＤＣ回転電機にも本発明は活用できるものである。

図５はラジアルギャップ式インナーロータ回転電機で巻き線スロット数がｍの回転機鉄心を圧粉による一体成型、あるいはｍ個の分割鉄心で構成する回転電機で、ｍ＝６の分割の場合であり、符号Ｓは固定子で、符号Ｒは回転子、符号２２は回転子対向部のオーバーハング部、符号２３は固定子ヨーク部のオーバーハング部、符号２５は巻き線断面部である。

図６はその回転軸を含む断面図である。符号２０は回転子Ｒを回転自在に支持する軸受け、符号２１はインシュレータである。図５、図６で圧粉の長所である３次元的に複雑な構造を作れる点を利用して、固定子と回転子間のエアギャップ確保のため、同心案内を鉄心の側面軸方向に同心的に突き出た部分１８を設け、前後のブラケット１９と案内嵌合させることを特徴とする回転電機である。突き出た部分１８は図６の位置より半径方向で少し内側に設けてその外周をブラケット１９の内周部と案内嵌合させてもよい。あるいは図６のオーバーハング部２２を軸方向に更に必要な長さで突き出しブラケット１９と嵌合させてもよい。この方法は請求項１または２の如くテーパ巻き線溝でもフラット巻き線溝でも、あるいはオーバーハング無の巻き線溝のないものでも、圧粉鉄心であれば可能である。分割鉄心を外周の接合部で溶接する場合は溶接部が盛り上がるが外周を同心案内に使用しないので問題はない。そしてこの方法を使用すれば、鉄心外周に前後ブラケットをかぶせないので径小の小形回転電機となり、本発明のテーパ巻き線溝式オーバーハング鉄心を用いればコイルエンドがフラットになるので、図６の如く薄型回転電機となる。図５、図６に示す固定子の放射状鉄心部の中心の外周部に設けたＵ字形等の溝にボルトを通過させて、左右のブラケット同士を固定させれば回転電機外径が大きくはならず望ましい。あるいは鉄心部Ｕ字形等の溝部に鉄心部軸方向長さより少し長いアルミ材や鉄材のバーを入れその両端部と前後ブラケットをネジ締結すれば、鉄心部が受けるネジ締め付けストレスが解消される。回転電機外径は大きくなるが、これらのバーは鉄心の外周部に設けたアルミ材等の円筒体の内部に一体的に設けてもよい。あるいは該円筒体にはバーは設けず、前記の鉄心溝を通過させるボルトで左右ブラケットを締結すれば締め付けストレスは該円筒体に受けさせることができる。溝は穴でもよいが外周に近い部分が肉薄となり破損しやすいので溝が望ましい。

特に圧粉鉄心による回転軸方向の厚さを薄くした巻き線用溝を有した巻き線極に巻き線後、ｍ個の鉄心を合体して構成するインナーロータで分割鉄心式回転電機では、合体時の外周部の接合部を溶接で圧粉鉄心同士を結合させることで、固定子の主強度の確保ができるので巻き線完了した固定子が得られる。更に溶接で圧粉鉄心同士を直接結合させるため、接合部の磁気抵抗の低減を図ることができて高性能化を図れる特徴を有した回転電機となる。その溶接方式は短時間で極部に高温を発生できるレーザー溶接が望ましい。
なお、接着は前記の溶接の他、ｍ個の接合部を溶接、接着、樹脂モールドのいずれか、あるいはそれらの併用することができる。前記接着には含浸による接着も含む。

図７は、固定子Ｓをケース３０に収納し、回転子Ｒを挿入後、ブラケット１９を組み付け、ケース３０とブラケット１９をねじ３１によって固定したものである。この場合、モータの外径は、図６に比べてケース３０の肉厚分だけ大きくなるが、ねじ締めによるストレスは固定子Ｓには加わらず、強度の高い回転電機が得られる。この場合、固定子Ｓは一体成型鉄心、あるいは分割成型鉄心のいずれであっても、ケース３０と接着あるいは焼嵌めにて固着させることが望ましい。その場合は、分割成型鉄心であっても、必ずしも分割成型鉄心の接合部同士を接着や溶接で個々に固着させなくてもよい。なお、図７の固定子には、本願の請求項１、２および４に記載されている発明を適用可能である。

以上で説明した本発明の回転電機において、圧粉鉄心は、強度や耐久性の向上の為に、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることが好ましい。ここで、これらの処理をするにあたり、その具体的な方法については特に限定することはなく、圧粉鉄心の表面を樹脂によりコーティングすることができる方法、および圧粉鉄心の内部にまで樹脂を含浸することができる方法であれば、いかなる方法をも採用することができる。具体的には、例えば、電着塗装、静電塗装、ディッピングなどを挙げることができる。なお、ここで用いられる樹脂については特に限定することはなく、各種樹脂を適宜選択して用いることができる。また、ディッピングを行う場合にあっては、一般的に用いられている液体状接着剤やワニスを含むディッピング液を用いることができる。

図８は従来技術の説明図である。即ち圧粉鉄心のオーバーハング構成であるが、テーパ巻き線溝を採用してないので、フルに巻きこむとコイルエンド高さが径大方向で高くなり、薄型回転機には不適当なものとなる。そのため図８の（１）の如く巻き線断面部１０７の形状が図１とは異なるものとなる。即ち巻き線断面部１０７は図１のように扇形ではなく巻き線部鉄心に平行な形となる。その結果、符号１０８なる巻き線として利用しない空間ができてしまう。これに対し、本発明の図１では図８の符号１０８に相当する空間はないことが分かる。電動機としてのトルクは巻き線銅量即ち図８の符号１０７の面積の平方根に比例するので、図１と図８の巻き線銅量が図１が図８の２倍とすれば本発明による電動機のトルクは√２倍となる。発電機の場合でも、発電量は増加することになる。図８の（２）は図８の（１）のＡ−Ａ断面図で従来の巻き線溝の図である。

また、前述した別の従来技術である特開２００７−３３６７３２号公報は本発明のテーパ溝の構想もなく、従って巻き線占積率が増加するものではない。また分割鉄心の結合補強に環状の補強リングをリベットカシメ等で固着するものであるが、リベット圧入時の圧粉鉄心の割れ、ヒビ等の心配とコスト高の欠点を有する。これに対し本発明の溶接方式ではそのような欠点が解消される。

本発明による圧粉製回転電機は電動機及び発電機にそのまま活用でき、安価で堅牢で軽薄短小、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って、工業的に大きな貢献が期待される。

１、１１、２１：テーパ巻き線溝部
２、１２、２２：オーバーハング部
３、１３、２３：バックヨークのオーバーハング部
４、１４、２４：インシュレータ
５、１５、２５、１０７：巻き線断面部
６：鉄心接合部
７：回転軸
８：フランジ
９：金属円筒体
１０：軸受け
１０８：巻き線に利用されない空間

Claims

巻き線スロット数がｍ個の放射状鉄心を、圧粉による一体成型、あるいは圧粉によるｍ個の分割成型で構成するラジアルギャップ式の回転電機において、前記放射状鉄心はその巻き線部の軸方向の厚みが中心から外側に行くほど薄くなることを特徴とする回転電機。但しｍは４以上で１２以下の整数値。
請求項１において、前記放射状鉄心は回転軸方向、及びまたは、回転周方向にオーバーハングを有していることを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、前記放射状鉄心を巻き線後、合体固着する場合、ｍ個の接合部を溶接、接着、樹脂モールドのいずれか、あるいはそれらの併用で行うことを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、前記放射状鉄心を構成する圧粉は、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることを特徴とする回転電機。
請求項１または２において、アウターロータ型の回転電機の場合であって、前記放射状鉄心を巻き線後合体固着する場合、それら合体の内周部に円筒体を挿入固定させて鉄心合体と同心化を行うことを特徴とする回転電機。
巻き線スロット数がｍ個の放射状鉄心を、圧粉による一体成型で、あるいは圧粉によるｍ個の分割成型で構成するラジアルギャップ式インナーロータ型の回転電機において、固定子と回転子間のエアギャップ確保のための同心案内を、前記放射状鉄心の側面軸方向に同心的に突き出た部分を設け、前後のブラケットと案内嵌合させることを特徴とする回転電機。但しｍは４以上で１２以下の整数値。
請求項６において、前記放射状鉄心はその巻き線部の軸方向の厚みが中心から外側に行くほど薄くなることを特徴とする回転電機。
請求項６において、前記放射状鉄心はその略中心部の外周部に設けた溝または穴に圧粉以外の金属体を介在させてブラケット締結に使用したことを特徴とする回転電機。
請求項６において、前記放射状鉄心が圧粉によるｍ個の分割成型で構成されている場合であって、放射状鉄心を巻き線後合体固着する場合、合体時の外周部の接合部を溶接にて結合させることを特徴とする回転電機。
請求項６において、前記放射状鉄心を構成する圧粉には、樹脂コーティングおよび樹脂含浸のいずれか一方または双方の処理が施されていることを特徴とする回転電機。