JP2013240249A - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない工数で製造可能な鉄損の低い回転電機を提供する。
【解決手段】 本発明のある実施形態においては、固定子と回転子２００とを有する回転電機１０００が提供される。固定子の固定子コア１００は、ティース部材１０とヨーク部材２０とから構成される。ティース部材は、中空円筒部１２と複数の放射状部１６、１６と、ギャップＧを挟んで回転子を囲むこととなる円筒状の内側面１４とを有している。複数の放射状部は、中空円筒部の半径方向に沿う互いに異なる向きに中空円筒部から外側に延びている。ヨーク部材２０は、ティース部材を囲む略円筒の形状となるように軟磁性鋼帯を巻いて形成されている。ヨーク部材２０はティース部材の放射状部の外側端面１８に対して内側面２２にて接している。
【選択図】図１

Description

本発明は回転電機およびその製造方法に関する。さらに詳細には本発明は、鉄損を低減した回転電機およびその製造方法に関する。

近年、電動機などの回転電機のエネルギー効率の向上が要請されている。回転電機の効率を高めるため、損失の主要な原因の一つである鉄損を低減すべく、回転電機における固定子（ステータ）や回転子（ロータ）のコアに、ヒステリシス損等を低減した素材を用いることがしばしば行われる。特に方向性電磁鋼板は、磁化容易軸である圧延方向に磁束を流した際の鉄損が非常に低く、鉄損を低減するために有効な材質として知られている。

例えば、下記の特許文献１（特開２０１１−２４４６７３号公報）には、分割型ステータを有するモータにおいて、複数のヨーク片を円環状に接合させたものによりヨーク部を構成し、ヨーク片の各々における磁化容易軸を磁束の流れ方向と一致させるように方向性電磁鋼板を利用する構成が開示されている。また、下記の特許文献２（特開昭５９−６３９４３号公報）では、ヨーク部に巻鉄心を用いるアキシャルギャップ型構成が開示されている。

特開２０１１−２４４６７３号公報 特開昭５９−６３９４３号公報

しかしながら、方向性電磁鋼板において鉄損が低減されるのは、磁化容易軸である圧延方向に磁束が流れる場合のみであり、磁束の方向が圧延方向からはずれると鉄損が急激に増加する。そのため、回転電機のように、ヨーク部で磁束が周方向に向く特許文献１における手法では、ヨーク部におけるすべての位置で磁化容易軸と磁束の流れる方向を一致させることはできない。つまり、特許文献１に開示される手法は、鉄損を低減するという目的に対して方向性電磁鋼板の特性を最大限に活かした構造とは言えない。しかも、特許文献１に開示されるものでは、部品点数の増加が避けられず、固定子コアを形成する工程において製造コストが増加してしまうという問題点をも有している。

その一方、特許文献２における手法では、回転軸方向を区切る向きにギャップを有するいわゆるアキシャルギャップ形状の回転電機に対して方向性電磁鋼板が利用されている。アキシャルギャップ構造であれば、固定子コアに用いる板を巻いて巻鉄心を構成する前にスロット部を打抜くなどにより、ティース部も含めて巻鉄心のみで構成することが可能である。しかし、巻鉄心のみでティース部も構成する場合、巻くことにより周長が変わることから、スロット位置がずれてしまう。これを防ぐため、特許文献２の構成では巻鉄心となる方向性電磁鋼板の帯に貫通穴等を設け、ピン等を挿入することで強制的に整合させるなどの工夫が必要となる。ところが、このように貫通穴等を設けると、加工による残留歪みによって鉄心の磁気特性は劣化してしまう。そのため、素材としての鉄損が低い方向性電磁鋼板を用いても固定子コアの鉄損は増加してしまうこととなる。さらに、ラジアルギャップ形状では、巻鉄心に方向性電磁鋼板を採用しても、その磁化容易軸のみに磁束を向けることができない。例えばティース部とヨーク部の両方における磁束の向きに磁化容易軸を向けることはできない。このように、特許文献２に開示される手法も、鉄損を低減するという目的に対して方向性電磁鋼板の特性を最大限に活かした構造とは言えない。

本発明は、上記課題の少なくともいくつかを解決することを課題とする。すなわち本発明は鉄損を一層低減した回転電機を提供することにより、効率を高めた回転電機の実現に貢献するものである。

本発明のある態様においては、固定子と回転子とを備える回転電機であって、該固定子は固定子コアを備えるものであり、該固定子コアは、ギャップを挟んで前記回転子を囲むこととなる円筒状の内側面を有する中空円筒部、および、該中空円筒部の半径方向に沿う互いに異なる向きに該中空円筒部から外側に延びる複数の放射状部を有するティース部材と、該ティース部材を囲む略円筒の形状となるように軟磁性鋼帯を巻いて形成されており、該ティース部材の前記複数の放射状部の外側端面に対し内側面にて接しているヨーク部材とを有するものである回転電機が提供される。

また、本発明においては、製造方法も提供される。つまり、本発明のある態様においては、回転電機の固定子の製造方法であって、ギャップを挟んで回転子を囲むこととなる円筒状の内側面を有する中空円筒部、および、該中空円筒部の半径方向に沿う互いに異なる向きに該中空円筒部から外側に延びる複数の放射状部を有するティース部材を作製するティース部材作製工程と、該複数の放射状部に巻線を施す工程と、前記ティース部材を囲む略円筒の形状をとなるように軟磁性鋼帯を巻いてヨーク部材を形成するヨーク部材作製工程と、前記ティース部材の前記複数の放射状部の外側端面に対し前記ヨーク部材が内側面にて接するように前記ティース部材に前記ヨーク部材を固定する固定工程とを含む回転電機の製造方法も提供される。

本発明のいずれかの態様においては、少ない工数で作製された鉄損の低減された固定子コアを有する回転電機が提供される。

本発明の実施形態における回転電機の固定子コアを、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。 本発明の実施形態におけるティース部材を、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。 本発明の実施形態における一体化されたティース部材を、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。 本発明の実施形態における典型的なヨーク部材の構成を示す、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。 本発明の実施形態における回転電機を製造する工程を示すフローチャートである。

以下、本発明に係る回転電機およびその製造方法の実施形態を図面に基づいて説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。さらに、本実施形態において説明する回転電機の極数、スロット数、回転子や回転子の形状などは説明のための例示のものに過ぎない。

［回転電機の構造］
図１は、本実施形態における回転電機１０００の固定子コア１００を、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。回転電機１０００は、典型的には、閉スロット型ラジアルギャップ型の回転電機であり、回転子２００を囲むように配置される固定子コア１００を有している。固定子コア１００には、巻線１５０が、例えば集中巻または分布巻により装着される。ここで、集中巻の方式を採用すると、コイルエンドを短くできることにより、分布巻の方式を採用する場合に比べ、銅損を低減させることができる。

固定子コア１００は、ティース部材１０とヨーク部材２０とから構成される。ティース部材１０は、中空円筒部１２と複数の放射状部１６、１６とを有している。中空円筒部１２は、ギャップＧを挟んで回転子を囲むこととなる円筒状の内側面１４を有している。複数の放射状部１６、１６は、中空円筒部１２の半径方向に沿う互いに異なる向きに中空円筒部１２から外側に延びている。

また、ヨーク部材２０は、ティース部材１０を囲む略円筒の形状となるように軟磁性鋼帯を巻いて作製されている。ヨーク部材２０は、ティース部材１０の複数の放射状部１６、１６の外側端面１８に対し内側面２２にて接している。

［ティース部材の構造］
図２は、ティース部材１０を、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。典型的なティース部材１０は、軟磁性材料により構成されている。本実施形態のティース部材１０の一つの典型は、中空円筒部１２と複数の放射状部１６、１６とのそれぞれを別体の部材により作製してその後に互いに固定するものである。その場合、中空円筒部１２と複数の放射状部１６、１６とは互いに接着剤などの接合手段により組み合わせて固定することによりティース部材１０を作製する。

［一片の部材から作製されるティース部材］
図３は、本実施形態における別の典型的なティース部材１０Ａ、つまり、中空円筒部１２と、複数の放射状部１６、１６とが一片の部材から作製されたティース部材１０Ａを、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。ティース部材１０Ａは、図３に示した中空円筒部１２と、複数の放射状部１６、１６とを有する形状にプレスなどにより打ち抜いた多数枚の無方向性電磁鋼板を外形を揃えて回転軸の方向に積み重ねることにより構成される。その場合、ティース部材１０Ａは、中空円筒部１２Ａの少なくとも一部と複数の放射状部１６Ａ、１６Ａの少なくとも一部とが一片の無方向性電磁鋼板などの部材から形成されているものとなる。無方向性電磁鋼板の板材を積層する場合、積層された板材相互の固定も、例えばカシメや溶接などの手段により容易に行なうことが可能である。ティース部材１０Ａも、図１におけるティース部材１０に代えて利用し固定子コア１００を作製することができる。

［ヨーク部材の構造］
図４は、本実施形態の典型的なヨーク部材２０の構成を示す、回転軸を横切る向きに切断した概略断面図である。ヨーク部材２０は、方向性電磁鋼板などの軟磁性鋼帯を巻いて構成するものである。より具体的には、ヨーク部材２０となる軟磁性鋼帯は、巻く前のシート状の面内のいずれかの方向に磁化容易軸が向いている方向性電磁鋼板である。この磁化容易軸は、シート状面内の向きのうち、その軸の向きに沿って磁束が変動しても、ヒステリシス損などの鉄損が生じにくい向きとなっている。そこで、回転電機１０００においてヨーク部材２０の磁束が主に周方向に流れる点に着目し、ヨーク部材２０においては軟磁性鋼帯の磁化容易軸方向、つまり、軟磁性鋼帯における圧延方向をその磁束の向きに一致させることが好適である。つまり、例えば磁化容易軸方向に延びる長尺の軟磁性鋼帯を準備し、その長手方向を周方向に沿わせて軟磁性鋼帯を巻くことにより、ヨーク部材２０の周方向に沿う磁束による鉄損を低減することができる。

［回転電機の製造方法］
図１の固定子コア１００は、図５に示す工程により、図２に示すティース部材１０または図３に示すティース部材１０Ａと図４に示すヨーク部材２０とを経て製造される。図５は、固定子コア１００を製造する工程を示すフローチャートである。まず、ティース部材作製工程Ｓ１２において、内側面１４と複数の放射状部１６、１６を有するティース部材１０が作製される。ティース部材作製工程Ｓ１２では、このティース部材１０に代えて、ティース部材１０Ａを作製してもよい。ティース部材１０（図２）を作製する場合、中空円筒部１２、および、複数の放射状部１６、１６それぞれを、例えば無方向性電磁鋼板の板材を打ち抜きプレスした部材を積み重ねることにより作製する。その後、中空円筒部１２に対して複数の放射状部１６、１６を接着する。これに対し、ティース部材１０Ａ（図３）を作製する場合、中空円筒部１２と、複数の放射状部１６、１６とを有する形状となるように例えば無方向性電磁鋼板の板材を打ち抜きプレスし積層する。

次に、巻線１５０が施される（巻線工程Ｓ１４）。この際、複数の放射状部１６、１６には外周面から容易に到達することができるため、巻線１５０を巻いたり、集中巻の方式の場合には巻線１５０を有するボビン（図示しない）を装着することが容易である。

一方、上記ティース部材作製工程Ｓ１２、巻線工程Ｓ１４とは別であるヨーク部材作製工程Ｓ２０にて、ティース部材１０を囲む略円筒の形状をとなるように軟磁性鋼帯を巻いてヨーク部材２０が作製される。軟磁性鋼帯は、端的には方向性電磁鋼板であり、最も典型的には、帯状の長手方向に方向性電磁鋼板の圧延方向（磁化容易軸）を合わせて切り出されたものである。その軟磁性鋼帯を巻き、年輪状の断面部分を例えば半径方向に繋ぐようにレーザー溶接を行なう。こうして、周方向に磁化容易軸を向けたヨーク部材２０が作製される。なお、ヨーク部材２０は、後にティース部材１０またはティース部材１０Ａに対して固定できるサイズに作製される。

そして、固定工程Ｓ３０において、巻線１５０を施したティース部材１０とヨーク部材２０とが互いに固定される。この固定工程Ｓ３０は、ティース部材１０の複数の放射状部１６、１６の外側端面１８に対しヨーク部材２０が内側面２２にて接するようにティース部材１０にヨーク部材２０を固定する工程である。最も典型的には、ヨーク部材２０は、焼きばめまたは圧入によりティース部材１０の複数の放射状部１６、１６の外側端面１８に対して内側面１４を接触させて固定する。

［本実施形態の回転電機における利点］
上述した本実施形態の回転電機１０００の固定子コア１００は、特に上述した特許文献１および２の開示内容との比較において、いくつかの技術的利点を回転電機１０００にもたらすものである。

まず、ヨーク部材２０（図４）はシンプルな略リング形状であるため、位置整合のための貫通穴等を設ける必要はない。製造工程に起因する固定子コア１００の鉄損増加を最小限に抑えることが可能である。さらに、ヨーク部材２０は方向性電磁鋼板を略リング形状に巻回して巻鉄心として一体に構成されている。このため、部品点数の増加を抑えることができる。より効率を高めるためには、軟磁性鋼帯の板厚を薄くすることで渦電流を抑制し、鉄損の中でも渦電流損を抑制することもできるし、鉄損の低い方向性電磁鋼板やアモルファス薄帯を用いることで鉄損を減らすことも可能である。

ティース部材１０は、中空円筒部１２と複数の放射状部１６、１６とを有しており、ヨーク部材２０とは別の部材として作製されることにより、巻線１５０を外側から施すことが可能となって、巻線１５０の配置を高密度にすることが可能となる。とりわけ、図３のティース部材１０Ａのように中空円筒部１２Ａの少なくとも一部と複数の放射状部１６Ａ、１６Ａの少なくとも一部とが一片の部材から形成されていれば、さらに、ティース部材１０Ａの製造が容易になる。

加えて、焼きばめまたは圧入によりティース部材１０の複数の放射状部１６、１６の外側端面１８に対してヨーク部材２０の内側面１４を接触させて固定すると、ヨーク部材２０とティース部材１０との密着性が高くなり、磁気抵抗を減少させることが可能となる。

そして、特に回転電機１０００が回転子２００に永久磁石が配置された永久磁石式の回転電機であり、ティース部材１０が中空円筒部１２を有している閉スロット型である場合には、コギングトルクが低いという利点も得られる。これは、個別の放射状部１６の間にスロットが形成されておらず、中空円筒部１２を通じて磁束が漏れるためである。

以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、本出願の発明の範囲は、特許請求の範囲の記載に基づき定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、特許請求の範囲に含まれるものである。

本発明の回転電機は電動機等の動力源として利用可能である。

１０００ 回転電機
１００ 固定子コア
１０、１０Ａ ティース部材
１２、１２Ａ 中空円筒部
１４ 内側面
１６、１６Ａ 放射状部
１８ 外側端面
２０ ヨーク部材
２２ 内側面
１５０ 巻線
２００ 回転子

Claims (8)

1. 固定子と回転子とを備える回転電機であって、
   該固定子は固定子コアを備えるものであり、
   該固定子コアは、
   ギャップを挟んで前記回転子を囲むこととなる円筒状の内側面を有する中空円筒部、および、該中空円筒部の半径方向に沿う互いに異なる向きに該中空円筒部から外側に延びる複数の放射状部を有するティース部材と、
   該ティース部材を囲む略円筒の形状となるように軟磁性鋼帯を巻いて形成されており、該ティース部材の前記複数の放射状部の外側端面に対し内側面にて接しているヨーク部材と
   を有するものである
   回転電機。
2. 前記ティース部材は、前記中空円筒部の少なくとも一部と前記複数の放射状部の少なくとも一部とが一片の部材から形成されているものである
   請求項１に記載の回転電機。
3. 前記軟磁性鋼帯がシート状の面内のいずれかの方向に磁化容易軸を有する方向性電磁鋼板であり、
   前記ヨーク部材は、該磁化容易軸を周方向に向けて前記軟磁性鋼帯を巻いたものである
   請求項１に記載の回転電機。
4. 前記ヨーク部材は、焼きばめまたは圧入により前記ティース部材の前記放射状部に対して前記内側面を接触させて固定されているものである
   請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 回転電機の固定子の製造方法であって、
   ギャップを挟んで回転子を囲むこととなる円筒状の内側面を有する中空円筒部、および、該中空円筒部の半径方向に沿う互いに異なる向きに該中空円筒部から外側に延びる複数の放射状部を有するティース部材を作製するティース部材作製工程と、
   該複数の放射状部に巻線を施す工程と、
   前記ティース部材を囲む略円筒の形状をとなるように軟磁性鋼帯を巻いてヨーク部材を形成するヨーク部材作製工程と、
   前記ティース部材の前記複数の放射状部の外側端面に対し前記ヨーク部材が内側面にて接するように前記ティース部材に前記ヨーク部材を固定する固定工程と
   を含む
   回転電機の製造方法。
6. 前記ティース部材作製工程は、一片の部材から、前記中空円筒部の少なくとも一部と前記放射状部の少なくとも一部とを作製する工程を含むものである
   請求項５に記載の回転電機の製造方法。
7. 前記軟磁性鋼帯がシート状の面内のいずれかの方向に磁化容易軸を有する方向性電磁鋼板であり、
   前記ヨーク部材作製工程は、該磁化容易軸を周方向に向けて前記軟磁性鋼帯を巻く工程を含むものである
   請求項５に記載の回転電機の製造方法。
8. 前記固定工程は、焼きばめまたは圧入により前記ティース部材の前記放射状部に対して前記内側面を接触させるようにして前記ヨーク部材を固定する工程である
   請求項５乃至請求項７のいずれか１項に記載の回転電機の製造方法。

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