JP2016063676A

JP2016063676A - 回転電機

Info

Publication number: JP2016063676A
Application number: JP2014190839A
Authority: JP
Inventors: 宏紀立木; Hiroki Tachiki; 祥子川崎; Sachiko Kawasaki; 達生川島; Tatsuo Kawashima; 橋本　昭; Akira Hashimoto; 昭橋本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-09-19
Filing date: 2014-09-19
Publication date: 2016-04-25

Abstract

【課題】多極機や、分布巻に用いてティースの数が増えても、ティース部とバックヨーク部をしっかりと嵌合し、かつ圧入力を低減できる電機子を備えた回転電機を提供する。【解決手段】鉄心４１は鋼板を積層して構成され、複数のティース部を備える内側鉄心４１ａとティース部を磁気的に接続する外側鉄心４１ｂとを備え、内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂは組立時に合わさる分割面を有し、スロットにコイルを挿入した後に内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂとを嵌合してできる電機子を備え、分割面に接触面と非接触面が交互に電機子の軸方向に配置されている。【選択図】図２

Description

この発明は、内外分割構造の電機子を備えた回転電機に関するものである。

低振動、高出力モータを実現するための１つの方法として、電機子のスロット開口幅を狭める方法がある。スロットの開口幅を狭めると、電機子の突極性を減らして振動を抑制し、かつ磁束を発生させる面が増えるため、等価的に電機子と回転子の間のギャップを縮め、出力を上げることができる。しかし、スロット開口幅は巻線を挿入する必要があるため、少なくともコイルの線径の２倍以上あける必要がある。
この問題に対し、鉄心のティース先端のつば部を連結し、ティース部とバックヨーク部を分割した内外分割コアを用い、外径側からコイルを挿入して構成する回転電機が開示されている（例えば、特許文献１）。

特開平１１−５５８７９公報（段落［００３８］〜［００４５］、図１〜図３）

しかし、先行技術文献発明の鉄心は、極数が少なく、比較的ティースの数が少ない集中巻であるため、コイルを挿入した後にバックヨークをティースに圧入するとき大きな加重がかからなかった。しかし、これを多極の回転電機や、分布巻に用いた場合、ティースの数が増え、圧入力が増加し、巨大なプレス機が必要となり、製造できない場合もあるという問題がある。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、多極の回転電機や、分布巻に用いてティースの数が増えても、ティース部とバックヨーク部をしっかりと嵌合し、かつ圧入力を低減できる電機子を備えた回転電機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機は、鉄心は鋼板を積層して構成され、複数のティース部を備える内側鉄心とティース部を磁気的に接続し円環状のバックヨーク部を構成する外側鉄心とを備え、内側鉄心と外側鉄心は組立時に合わさる分割面を有し、ティース部間のスロットにコイルを挿入した後に内側鉄心と外側鉄心とを嵌合してできる電機子を備え、分割面に接触面と非接触面が交互に電機子の軸方向に配置されているものである。

この発明に係る回転電機によれば、内側鉄心と外側鉄心は組立時に合わさる分割面を有し、ティース部間のスロットにコイルを挿入した後に嵌合してできる電機子を備え、分割面に接触面と非接触面が交互に電機子の軸方向に配置されているものであるため、圧入時にかかる圧入力は接触面で発生する摩擦力のみとなり、ティース部とバックヨーク部をしっかりと嵌合し、かつ圧入力が低減し、生産性の良い鉄心構造とすることができる。

この発明の実施の形態１の回転電機に係る全体模式図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の内側鉄心の斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の外側鉄心の斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の外側鉄心の部分拡大図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の嵌合方法を示す斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の嵌合方法を示す斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の嵌合状態を示す詳細図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の分割断面の断面図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の鉄心の断面拡大図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の鉄心の断面拡大図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の断面図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る電機子の詳細図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る変形例の電機子の内側鉄心の斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る変形例の電機子の外側鉄心の斜視図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る変形例の電機子の嵌合状態を示す部分拡大図である。この発明の実施の形態１の回転電機に係る変形例の電機子の断面図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の外側鉄心の斜視図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の外側鉄心を構成する鋼板の平面図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の外側鉄心を構成する鋼板の部分拡大図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の外側鉄心の製造方法を示す斜視図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の外側鉄心の製造方法を示す斜視図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の嵌合状態を示す詳細図である。この発明の実施の形態２の回転電機に係る電機子の断面図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、鉄心は鋼板を積層して構成され、複数のティース部を備える内側鉄心とティース部を磁気的に接続し円環状のバックヨーク部を構成する外側鉄心とを備え、内側鉄心と外側鉄心は組立時に合わさる分割面を有し、ティース部間のスロットにコイルを挿入した後に内側鉄心と外側鉄心とを嵌合してできる電機子を備え、外側鉄心の分割面に接触面と非接触面が交互に電機子の軸方向に配置されている回転電機に関するものである。なお、実施の形態１の変形例の回転電機では、内側鉄心の分割面に接触面と非接触面が交互に電機子の軸方向に配置されている。

以下、本願発明の実施の形態１に係る回転電機の構造および電機子の製造方法について、回転電機の全体模式図である図１、電機子の斜視図である図２、電機子の内側鉄心の斜視図である図３、電機子の外側鉄心の斜視図である図４、電機子の外側鉄心の部分拡大図である図５、電機子の嵌合方法を示す斜視図である図６、図７、電機子の嵌合状態を示す詳細図である図８、電機子の分割断面の断面図である図９、電機子の鉄心の断面拡大図である図１０、図１１、電機子の断面図である図１２、および電機子の詳細図である図１３に基づいて説明する。
また、実施の形態１に係る回転電機の変形例について、電機子の内側鉄心の斜視図である図１４、電機子の外側鉄心の斜視図である図１５、電機子の嵌合状態を示す部分拡大図である図１６、および電機子の断面図である図１７に基づいて説明する。

なお、以下の説明では、「周方向」、「径方向」、「軸方向」、「内側」、「外側」というときは、回転電機の電機子の「周方向」、「径方向」、「軸方向」、「内側」、「外側」をいうものとする。

まず、図１に基づき、本発明の実施の形態１の回転電機１の全体構成を説明する。図１は、回転電機１の片側断面正面模式図である。
回転電機１は、有底円筒状のフレーム３およびフレーム３の開口部を塞口する端板４からなるハウジング２と、フレーム３の円筒部に内嵌状態に固着された電機子１０と、フレーム３の底部および端板４にベアリング５を介して回転可能に支持され、電機子１０の内周側に配設された回転子３０とを備えている。

回転子３０は、回転軸３１に固着された回転子鉄心３２と、回転子鉄心３２の外周面側に周方向に所定のピッチで埋設され、磁極を構成する永久磁石３３とを備えた永久磁石型回転子である。
なお、回転子３０は、永久磁石型回転子に限定されない。例えば、絶縁しない回転子導体を回転子鉄心のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子や、絶縁した導体線を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形回転子を用いてもよい。

次に、この発明の実施の形態１に係る回転電機１の電機子１０の構造について、図２から図４に基づいて説明する。
図２は、回転電機１の電機子１０の斜視図である。電機子１０は、鉄心４１と、鉄心４１に装着されたコイル２０と、コイル２０と鉄心４１を電気的に絶縁するスロットセル４２とを備えている。また、鉄心４１は、内側鉄心４１ａと、外側鉄心４１ｂとで構成されている。

図３は、回転電機１の電機子１０の内側鉄心４１ａの斜視図である。内側鉄心４１ａは、軸方向に積層された磁性体の鋼板で構成される。鋼板は磁極を構成する複数のティース部４３で構成され、カシメ部４４で軸方向に連結されている。また、内側鉄心４１ａは、内周側の先端部を薄肉部４５で軸方向に部分的に接続されて、円環状に配置されている。そして、隣り合うティース部４３の間には、区切られたスロット４６が形成されている。

図４は、回転電機１の電機子１０の外側鉄心４１ｂの斜視図であり、図５は、電機子１０の外側鉄心４１ｂの部分拡大図である。外側鉄心４１ｂはカシメ部４４で軸方向に積層して連結された磁性体の鋼板で構成され、内側鉄心４１ａの各ティース部４３を磁気的に接続するバックヨーク部となる。内側鉄心４１ａを外側鉄心４１ｂの内側に嵌合することにより、内側鉄心４１ａのティース分割面４７と外側鉄心４１ｂのヨーク分割面４８とが磁気的に接続される。
ヨーク分割面４８にはティース分割面４７と接触する接触面４８ａと接触しない非接触面４８ｂが軸方向に交互に存在する。
なお、ティース分割面とヨーク分割面を総称していう場合、また区別する必要がない場合は、分割面と記載する。

また、図５はティース部４３の側面と接する外側鉄心４１ｂの周方向側面４９と、回転子３０の回転中心からティース部の中心を通る直線８０との関係を示している。外側鉄心４１ｂの周方向側面４９は、ティース部が挿入されるアリ溝の開口部が狭くなるような鋭角の角度θで構成されており、ティース部４３が嵌合したときに、ティース部４３が内径側に飛び出さない構造となっている。

次に、電機子１０の製造方法、具体的には内側鉄心４１ａを外側鉄心４１ｂに嵌合する工程を図６から図９に基づいて説明する。図６、７は、電機子１０の嵌合方法を示す斜視図である。
内側鉄心４１ａのスロット４６に、シート状のスロットセル４２を取り付けたコイル２０を挿入した状態で、軸方向から外側鉄心４１ｂを相対移動させ、内側鉄心４１ａのティース分割面４７と外側鉄心４１ｂのヨーク分割面４８と嵌合し、電機子１０を製造する。
なお、スロットセル４２は、例えばメタ系アラミド繊維や、ポリエチレンテレフタレートのような絶縁材で造られている。

図８は、電機子１０の嵌合状態を示す詳細図であり、嵌合後の鉄心４１の状態を示す。図９は、電機子１０の分割断面の断面図である。
このときティース部４３と外側鉄心４１ｂの分割面の断面は、図９のように、外側鉄心４１ｂに非接触面４８ｂを構成することで、ティース分割面４７の全面がヨーク分割面４８と接触しなくなる。
図では構造をわかりやすくするために隙間を大きく図示しているが、非接触面４８ｂとティース分割面４７の間隔は１０〜３０μｍ程度である。これは、金型を作成した際に、作成公差等の制約により現実的に造ることのできる最少の隙間である。

以上説明したように、実施の形態１の回転電機１は、図６、図７に示した嵌合工程において、内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂの間で発生する摩擦力が軽減され、圧入力が低下し、生産性の良い鉄心構造となる。

周方向側面４９に非接触面を設けた場合、非接触面と同じ軸高さに配置されたティース部は、構造上内径側に飛び出してしまう可能性があるため、運転中にティース部と回転子が接触する危険がある。しかし、非接触面を外側鉄心４１ｂの周方向側面４９に設けるのではなく、バックヨーク側の面に構成することで、運転中のティース部の脱落を抑制し、より品質のよい回転電機となる。

また、非接触面と同じ軸高さに配置されたティース部は、接触面と同じ軸高さに配置されたティース部と軸方向にカシメで連結されているものの、径方向外側に変位することができる空間を持つことになる。そこで、接触面と非接触面を交互に配置することでティース部を安定させることができ、径方向外側への変位を抑制することができる。

次に、さらに鉄心挿入性の改善について、図１０、図１１に基づいて説明する。
図１０に示すように、接触面４８ａと内側鉄心４１ａのティース分割面４７において、鉄心挿入側の面に金型のプレス工程にて面打ちをしてテーパ７０、７１を形成してもよい。このようなテーパを形成することで、鉄心の挿入性が改善される。

図１１に示すようにテーパ７０、７１を構成する鋼板のすべてに形成してもよい。すべての鋼板にテーパを構成することで、金型の工数を低減するため、よりコストの低い鉄心となる。

また、非接触面の別の配置例について、図１２、図１３に基づいて説明する。
以上の実施の形態１の説明では、非接触面４８ｂが軸方向に２か所ある構造として説明したが、図１２のように分割して数を増やして配置してもよい。
図示していないが、積層した鋼板毎に接触面、非接触面を交互に構成してもよい。
また、図１３（ａ）のように、あり溝構造として、非接触面４８ｂを構成してもよいし、図１３（ｂ）のように、三角形状としてもよい。

以上の実施の形態１の説明では、回転電機１の電機子１０の外側鉄心４１ｂに非接触面４８ｂを構成した。
次に、実施の形態１の変形例を図１４から図１７に基づいて説明する。この変形例では、回転電機１の電機子１０の内側鉄心４１ａに非接触面４８ｂを構成する。

図１４は、回転電機１の電機子１０の内側鉄心４１ａの斜視図であり、図１５は、外側鉄心４１ｂの斜視図である。この変形例では、内側鉄心４１ａのティース分割面４７に接触面４７ａと非接触面４７ｂを構成しており、外側鉄心４１ｂには非接触面を構成していない。

図１６は、回転電機１の電機子１０の嵌合状態を示す鉄心４１の部分拡大図である。このような構成で製造した鉄心４１は、図１７の断面図に示すように内側鉄心４１ａに非接触面４７ｂを構成することで、ヨーク分割面４８の全面がティース分割面４７と接触しなくなる。

このように内側鉄心４１ａに非接触面４７ｂを構成することで、外側鉄心４１ｂに非接触面４７ｂを構成する実施の形態１と同様に、嵌合工程において、内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂの間で発生する摩擦力が軽減され、圧入力が低下し、生産性の良い鉄心構造となる。

以上説明したように、実施の形態１の回転電機は、鉄心は鋼板を積層して構成され、
複数のティース部を備える内側鉄心とティース部を磁気的に接続し円環状のバックヨーク部を構成する外側鉄心とを備え、内側鉄心と外側鉄心は組立時に合わさる分割面を有し、ティース部間のスロットにコイルを挿入した後に内側鉄心と外側鉄心とを嵌合してできる電機子を備え、外側鉄心の分割面に接触面と非接触面が交互に電機子の軸方向に配置されているものである。したがって、圧入時にかかる圧入力は接触面で発生する摩擦力のみとなり、内側鉄心と外側鉄心、すなわちティース部とバックヨーク部をしっかりと嵌合し、かつ圧入力が低減し、生産性の良い鉄心構造とすることができる。

また、実施の形態１の回転電機の基本構成では、外側鉄心に非接触面を構成するが、実施の形態１の変形例の回転電機の構成のように、内側鉄心に非接触面を構成しても、同様の効果を奏することができる。

なお、実施の形態１の回転電機は、内外分割構造の電機子を備えることで、小型化でき、省エネルギーの効果があり、生産工程の改善が図れる。

実施の形態２．
実施の形態２の回転電機は、外側鉄心の分割面に接触面と非接触面を構成する際、周方向にも交互に構成し、１種類の鋼板で積層して外側鉄心を製造するものである。なお、変形例の回転電機は、内側鉄心の分割面に接触面と非接触面を構成する際、周方向にも交互に構成し、１種類の鋼板で積層して内側鉄心を製造するものである。

以下、実施の形態２の回転電機の構造について、電機子の外側鉄心の斜視図である図１８、外側鉄心を構成する鋼板の平面図である図１９、外側鉄心を構成する鋼板の部分拡大図である図２０、電機子の外側鉄心の製造方法を示す斜視図ある図２１、図２２、電機子の嵌合状態を示す詳細図である図２３、および電機子の断面図である図２４に基づいて、実施の形態１との差異を中心に説明する。図１８から図２４において、実施の形態１の図と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。

図１８は、本発明の実施の形態２の回転電機１の電機子１０の外側鉄心４１ｂの斜視図である。実施の形態２では接触面４８ａと非接触面４８ｂが周方向にも交互に構成されている。
図１９は、鋼板の平面図であり、外側鉄心４１ｂを構成する磁性体の鋼板４１ｂ１を１枚取出したものである。図２０は、鋼板４１ｂ１の部分拡大図である。
外側鉄心４１ｂのヨーク分割面４８に対応して、外側鉄心４１ｂの中心からの距離がＡである分割部４８１ａと中心からの距離がＢである分割部４８１ｂが周方向に交互に存在している。

この鋼板４１ｂ１を複数枚積層した後、図２１のように１ティース分のピッチ周方向に回転させ、積層する。その後、図２２のように回転させたピッチと同じ周方向位置で複数毎積層した後、同様に周方向に１ティース分ピッチを回転させ積層する。これを繰り返し実施の形態２の外側鉄心４１ｂを構成する。

なお、１枚の鋼板４１ｂ１の分割部４８１ａを積層して、接触面４８ａを構成し、分割部４８１ｂを積層して、非接触面４８ｂを構成する。

図２３は、嵌合した状態の鉄心４１の部分拡大図であり、図２４（ａ）はＡ−Ａ断面図、図２４（ｂ）はＢ−Ｂ断面図である。このような構成で製造した鉄心４１は図２４の断面図に示すようにＡ断面の構成とＢ断面の構成が周方向に交互に配置される。
このような構成とすることで、実施の形態１と同様に、嵌合工程において、内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂの間で発生する摩擦力が軽減され、圧入力が低下し、生産性の良い鉄心構造となる。

さらに、外側鉄心４１ｂを１種類の鋼板４１ｂ１で製造することが可能であるため、鋼板を打ち抜く金型の工数を減らすことができる。

以上では、実施の形態１の基本構成である外側鉄心に非接触面を構成する回転電機への適用について説明した。実施の形態１の変形例の回転電機の構成のように、内側鉄心に非接触面を構成しても、同様にこの鋼板製造および鉄心組み立ての考え方を適用することができる。
具体的には、図示しないが、内側鉄心４１ａの中心からの距離が異なる分割部が周方向に交互に存在している内側鉄心４１ａ用の鋼板を製作する。この鋼板を複数枚積層した後、１ティース分のピッチ周方向に回転させ、積層する。その後、回転させたピッチと同じ周方向位置で複数毎積層した後、同様に周方向に１ティース分ピッチを回転させ積層する。これを繰り返し、内側鉄心４１ａを構成する。

以上説明したように、実施の形態２の回転電機は、外側鉄心の分割面に接触面と非接触面を構成する際、周方向にも交互に構成し、１種類の鋼板で積層して外側鉄心を製造するものである。したがって、圧入時にかかる圧入力は接触面で発生する摩擦力のみとなり、内側鉄心と外側鉄心、すなわちティース部とバックヨーク部とをしっかりと嵌合し、かつ圧入力が低減し、生産性の良い鉄心構造とすることができる。
さらに、実施の形態２の回転電機は、外側鉄心を１種類の鋼板で製造することが可能であるため、製造工程において、更なる省力化を図ることができる。

変形例の回転電機は、内側鉄心の分割面に接触面と非接触面を構成する際、周方向にも交互に構成し、１種類の鋼板で積層して内側鉄心を製造するものである。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

１回転電機、２ハウジング、３フレーム、４端板、５ベアリング、
１０電機子、２０コイル、３０回転子、３１回転軸、３２回転子鉄心、
３３永久磁石、４１鉄心、４１ａ内側鉄心、４１ｂ外側鉄心、
４２スロットセル、４３ティース部、４４カシメ部、４５連結部、
４６スロット、４７ティース分割面、４８ヨーク分割面、
４７ａ，４８ａ接触面、４７ｂ，４８ｂ非接触面、４９周方向側面、
７０，７１テーパ、８０中心線、４１ｂ１鋼板、４８１ａ，４８１ｂ分割部。

Claims

鉄心は鋼板を積層して構成され、複数のティース部を備える内側鉄心と前記ティース部を磁気的に接続し円環状のバックヨーク部を構成する外側鉄心とを備え、
前記内側鉄心と前記外側鉄心は組立時に合わさる分割面を有し、前記ティース部間のスロットにコイルを挿入した後に前記内側鉄心と前記外側鉄心とを嵌合してできる電機子を備え、
前記分割面に接触面と非接触面が交互に前記電機子の軸方向に配置されている回転電機。
前記コイルは絶縁被覆された導体線を複数回巻回して造られ、２つの前記スロットに複数の磁極を構成する前記ティース部を跨いで装着する請求項１に記載の回転電機。
前記非接触面が、前記外側鉄心に構成されている請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記外側鉄心の前記分割面において、１枚の前記鋼板で接触部と非接触部が構成されており、前記鋼板を回転積層することで、前記接触面と前記非接触面を前記軸方向に交互に構成する請求項３に記載の回転電機。
前記非接触面が、前記内側鉄心に構成されている請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記内側鉄心の前記分割面において、１枚の前記鋼板で接触部と非接触部が構成されており、前記鋼板を回転積層することで、前記接触面と前記非接触面を前記軸方向に交互に構成する請求項５に記載の回転電機。
前記内側鉄心を構成する積層された前記鋼板は、少なくとも１つ以上のカシメ部により前記軸方向に接合されている請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
前記外側鉄心を構成する積層された前記鋼板は、少なくとも１つ以上のカシメ部により前記軸方向に接合されている請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機。