JP2016086555A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁鋼板を積層して形成された鉄心を締結ボルトで締結する際の電磁鋼板の変形を抑制する。
【解決手段】鉄心１０には電磁鋼板の積層方向に貫通するボルト孔２４が設けられている。鉄心１０は、ボルト孔２４に挿入される締結ボルト１４によりケース１２に固定される。ボルト孔２４には、締結ボルト１４が挿入される側の鉄心端面からフランジ付ブッシュ３２が挿入される。フランジ付ブッシュ３２の筒部３４は、電磁鋼板の２枚以上と係合するようにボルト孔２４に挿入される。筒部３４とこれに係合するボルト孔２４の部分は、相対回転を阻止する構造を有する。締結ボルト１４を締め付ける際の回転力が複数の電磁鋼板に分散され、１枚の電磁鋼板に係る力が小さくなり、変形が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、電動機、発電機、変圧器などの電気機器に関し、特にこれらの機器の鉄心を固定する技術に関する。

電動機、発電機、変圧器などの電気機器は、磁束が通る磁路となる鉄心を有する。鉄心は、典型的には薄板の電磁鋼板を積層して形成される。下記、特許文献１には、電磁鋼板（１’）を積層して形成された鉄心（ステータコア１）をケース（５）に固定する手法が示されている。鉄心には、電磁鋼板の積層方向に貫通する孔（１ｅ）が設けられている。この孔に挿通されるボルト（６）により、鉄心がケースに締結固定されている。なお、（ ）内の符号は、特許文献１で用いられている符号であり、本願の実施形態で用いられる符号とは関連しない。

特開２０１３−１２８３３９号公報

鉄心を貫通する孔に挿入されるボルトにより鉄心の固定を行う場合、ボルトを締める際に、鉄心の端に位置する電磁鋼板が、ボルト頭部の回転に引きずられて変形する場合があった。

本発明は、ボルトを締める際の電磁鋼板の変形を抑制することを目的とする。

本発明に係る電気機器においては、鉄心に設けられた、締結ボルトが挿入されるボルト孔に、締結ボルトが挿入される側の鉄心端面からフランジ付ブッシュが挿入され、このフランジ付ブッシュを介して締結ボルトにより鉄心が固定される。フランジ付ブッシュは、フランジ部と筒部を有し、筒部は電磁鋼板の２枚以上と係合するようにボルト孔内に挿入される。フランジ付ブッシュの筒部と、これに係合するボルト孔の部分が、相対回転を阻止する回転阻止構造を有する。

締結ボルトを締める際のボルトの回転は、フランジ付ブッシュに伝わり、さらにこのブッシュの筒部から２枚以上の電磁鋼板に伝わる。ボルトの回転が２枚以上の電磁鋼板に伝えられるため、電磁鋼板一枚あたりに加わる力が減少し、電磁鋼板の変形が抑えられる。

回転阻止構造は、フランジ付ブッシュの筒部と、ボルト孔がしまり嵌めとなる構造とすることができる。この場合、フランジ付ブッシュの筒部とボルト孔の断面形状を円形とすることができる。

また、回転阻止構造は、フランジ付ブッシュの筒部と、ボルト孔の断面形状が非円形である構造とすることができる。この場合、断面形状を例えば多角形とすることができる。

また、フランジ付ブッシュは、非磁性材料から成るものとすることができる。

上記の鉄心は、電動機および発電機の一方または双方に機能する回転電機の鉄心とすることができる。この場合、鉄心が固定される対象は、回転電機を収めるケースとすることができる。

締め付け時の締結ボルトの回転による力が、フランジ付ブッシュにより２枚以上の電磁鋼板に伝わることにより、１枚の電磁鋼板に加わる力が減少し、電磁鋼板の変形が抑えられる。

回転電機の鉄心の固定構造を示す分解斜視図である。 回転電機を、その中心軸線方向から見た図である。 図２のＡ−Ａ線による断面図である。 フランジ付ブッシュの一例を示す斜視図である。 フランジ付ブッシュの他の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。以下においては、運動体の回転の運動エネルギと電気エネルギを相互に変換可能な電機機器である回転電機を例に挙げて説明する。しかし、本発明は、運動エネルギを電気エネルギに変換する発電機、電気エネルギを運動エネルギに変換する電動機にも適用可能であり、さらに運動体は回転に限らず、直線または任意の曲線に沿って運動する、いわゆるリニアモータ等にも適用可能である。また、変圧器の鉄心にも適用可能である。

図１は、回転電機のステータの鉄心１０の固定構造を示す図である。図２は、図１の上方から、回転電機の中心軸線に沿う方向から見た状態を示す図である。以下、回転電機の中心軸線を単に中心軸線と記して説明する。鉄心１０は、固定対象物、例えば回転電機のステータを収めるケース１２にねじ付きの締結ボルト１４により固定される。ケース１２には、ねじ穴１６が設けられ、このねじ穴１６に締結ボルト１４に設けられたねじがねじ結合して鉄心１０が締結固定される。鉄心１０は、コイルが巻装された状態でケース１２に固定されるが、簡略化のために、図１，２においては、コイルを省略して示している。

鉄心１０は、概略円環形状を有し、その内周には、周方向に配列されたティース１８を有している。このティース１８に導線が巻回されてコイルが形成される。鉄心１０は、薄板の電磁鋼板２０を、中心軸線方向に積層して形成されている。個々の電磁鋼板２０は、鉄心１０の軸直交断面の形状と同一の形状を有し、これが積層されることにより、厚みを持った鉄心１０が形成される。電磁鋼板２０の表面には絶縁層が形成され、電磁鋼板２０同士が絶縁されている。積層された電磁鋼板２０は、その外周面において積層方向に沿って溶接されることにより一体化される。鉄心１０を積層構造とすることにより、鉄心１０内を通る磁束による渦電流の発生を抑制し、鉄損の低減が図られている。

鉄心１０の外周面には、中心軸線に平行に延びる柱状隆起２２が形成される。柱状隆起２２内に、中心軸線方向に延び、鉄心１０を貫通するボルト孔２４が設けられている。ボルト孔２４には、締結ボルト１４が挿入される。磁束が通る磁路を狭めないようにするために、ボルト孔２４は、柱状隆起２２内に収まるように設けられることが望ましいが、一部が、または全てが鉄心の円環部分に設けられてもよい。ボルト孔２４は、周方向に複数箇所に設けることができ、等間隔に配置することができる。この実施形態では、ボルト孔２４は等間隔で３箇所に設けられている。

図２に示されるように、円環形状の鉄心１０の内側には、ロータ２６が配置される。ロータ２６は、ロータシャフト２８と一体となっており、ロータシャフト２８と共に回転する。ロータシャフト２８は、回転電機が電動機として機能するとき出力シャフトとなり、発電機として機能するときには入力シャフトとなる。

ケース１２は、回転電機を構成するステータとロータを収容する。また、ケース１２は、回転電機の構成要素と共に他の装置の構成要素を収容してもよい。例えば、車両用の変速装置の変速機構を収容してもよい。

前述のように、鉄心１０は、締結ボルト１４をケースのねじ穴１６にねじ結合して締結固定されている。締結ボルト１４を締めるときには、ボルト頭部３０が回転し、この回転が電磁鋼板２０に伝わると、電磁鋼板２０を巻き込むような力が作用する。この力は、電磁鋼板２０を変形させることがある。ボルト頭部３０が電磁鋼板２０に直接接触する場合はもちろん、ワッシャなどが介在する場合においても、ワッシャを介して締結ボルト１４から電磁鋼板２０に回転の力が作用する。もし、電磁鋼板２０がボルト頭部３０に引きずられて変形した場合、電磁鋼板同士の密着性が低下し、一部が浮いた状態になる。締結ボルトが締められた状態で、電磁鋼板にこの浮きが生じていると、回転電機の使用に伴い、浮いた部分がつぶれ、締結ボルトの軸力が低下する場合がある。例えば、回転電機の運転時は鉄心１０は加熱され膨張し、この膨張による力が電磁鋼板の浮いた部分をつぶすように作用する。これが繰り返されると、浮いた部分がつぶれ、鉄心の寸法が縮まり、ボルト軸力が低下する。ボルト軸力の低下は、鉄心１０の固定不良を招く可能性がある。

この実施形態では、ボルト孔２４に挿入されるフランジ付ブッシュ３２により電磁鋼板２０の変形を防止している。

図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図であり、図４はフランジ付ブッシュ３２を単体で示す図である。フランジ付ブッシュ３２は、筒部３４とフランジ部３６を有し、さらにフランジ付ブッシュ３２の中心軸線方向に延び、ブッシュ３２を貫通する貫通孔３８を有する。フランジ付ブッシュ３２は、その筒部３４がボルト孔２４内に挿入されて鉄心１０に装着される。筒部３４は、締結ボルト１４が挿入される側の鉄心１０の端面からボルト孔２４内に、フランジ部３６が鉄心１０の端面に当接するまで挿入される。筒部３４の長さは、電磁鋼板２０の厚さの２枚分以上、例えば十数枚分の長さである。フランジ部３６は、ボルト頭部３０と鉄心１０の間に介在し、ボルト頭部３０が電磁鋼板２０に直接接しないようにしている。フランジ部３６の外径は、締結ボルト１４の締め付けによる軸力が狭い部分に作用して電磁鋼板２０をつぶさない径に定めることができる。貫通孔３８の内径は、締結ボルト１４を容易に通すことができるように、締結ボルト１４の軸部およびねじ部より大きな寸法に定めることができる。

筒部３４の、筒部３４が延びる方向に直交する断面形状は円形であり、またボルト孔２４の断面形状も円形である。筒部３４とボルト孔２４の嵌め合いは、しまり嵌めとなっている。つまり、フランジ付ブッシュ３２が鉄心１０に装着される前の状態で、筒部３４の外径がボルト孔２４の内径よりも大きく、装着時においては、筒部３４がボルト孔２４に対し、ボルト孔２４を広げようとする力を作用させる。この力により、筒部３４とボルト孔２４が密着して係合する。

このしまり嵌めは、フランジ付ブッシュ３２を圧入することにより実現することができる。また、焼き嵌め、つまり鉄心１０を加熱し、ボルト孔２４を拡張させた状態で筒部３４をボルト孔２４に挿入し、その後温度差をなくす工程により実現することもできる。

フランジ付ブッシュ３２とボルト孔２４をしまり嵌めとすることにより、フランジ付ブッシュ３２が鉄心１０のボルト孔２４と係合して相対回転が阻止される。締結ボルト１４を締めるとき、ボルト頭部３０がフランジ付ブッシュのフランジ部３６に接触し、これを回転させようとする力が作用する。この力は、フランジ付ブッシュの筒部３４を介して、鉄心端面の一枚の電磁鋼板２０だけでなく、筒部３４と係合している複数枚の電磁鋼板２０に伝わる。よって、締結ボルト１４の回転による力は、複数枚の電磁鋼板２０に分散して、一枚の電磁鋼板２０に作用する力は小さくなる。これにより、電磁鋼板２０、特に鉄心端面に位置する電磁鋼板２０の変形が抑制される。

電磁鋼板２０の変形が抑制されることで、ボルト軸力の低下を抑えることができる。また、電磁鋼板２０の変形による隣接鋼板間の絶縁層の破壊を抑えることができる。また、電磁鋼板２０の一枚に作用する力が小さくなることにより、電磁鋼板２０の厚さをより薄くすることができる。電磁鋼板２０を薄くすれば、渦電流による損失が低減し、効率が改善される。

フランジ付ブッシュ３２は、非磁性材料から成るものとすることができる。具体的には、非磁性の金属、特にオーステナイト系ステンレス鋼など非磁性のステンレス鋼を用いることができる。フランジ付ブッシュ３２は、鉄心１０と密着しているため、鉄心１０を通る磁束の一部がフランジ付ブッシュ３２を通る可能性がある。しかし、フランジ付ブッシュ３２を非磁性材料とすることにより、ここを通る磁束を少なくし、この磁束による渦電流の発生を抑制することができる。渦電流を抑制することにより、鉄損の悪化を抑えることができる。

フランジ付ブッシュ３２を採用することにより、締結ボルト１４とフランジ付ブッシュ３２の間の摩擦係数を高めることができる。締結ボルト１４には、摩擦係数を安定化させるための摩擦係数安定剤が塗布される場合がある。摩擦係数安定化剤は、これを塗布することにより、個体ごとにばらつく摩擦係数を狭い範囲に安定化させることができる。中心軸線に直交する鉄心１０の動きを抑えるためには、締結ボルト１４と鉄心１０の間の摩擦係数は高い方が好ましい。一方、摩擦係数が高いと、締結ボルト１４を締めるときの回転力が鉄心端面の電磁鋼板２０に伝わりやすく、電磁鋼板２０の変形を生じやすい。フランジ付ブッシュ３２を採用することで、電磁鋼板２０の変形に対する耐性が高まり、より摩擦係数の高い摩擦係数安定化剤を採用することができる。高摩擦係数の摩擦係数安定化剤の採用により鉄心１０の動きを抑える効果が高まる。

フランジ付ブッシュ３２は、ボルト孔２４としまり嵌めにて係合することにより、互いの相対回転を阻止し、締結ボルトの回転による力が、表面の電磁鋼板２０だけでなく、下層の電磁鋼板２０にも伝わるようにした。フランジ付ブッシュとボルト孔２４の相対回転を阻止する構造は、この他にも存在する。例えば、フランジ付ブッシュの筒部とボルト孔の断面形状を非円形、好ましくは両者同形状とすることにより、両者の相対回転が阻止される。具体的な断面の形状として、楕円、多角形が挙げられる。多角形は、全ての頂角が１８０°未満の凸多角形、および少なくとも一つの頂角が１８０°より大きい凹多角形の両者を含む。

図５には、多角形断面の筒部を有するフランジ付ブッシュ４０が示されている。フランジ付ブッシュ４０は、筒部４２、フランジ部４４を有し、さらに締結ボルト１４が貫通する貫通孔４６を有している。フランジ付ブッシュ４０は、筒部４２の断面形状が異なる以外、前述のフランジ付ブッシュ３２と同様の構成を有するものとできる。筒部４２の、軸直交断面の形状は四角形である。ボルト孔もこれに合わせ、少なくとも筒部４２と係合する部分が筒部４２とほぼ同じ大きさの四角形断面とされる。筒部４２とボルト孔の断面形状が四角形であることにより、両者の相対回転が阻止される。したがって、筒部４２とボルト孔は、しまり嵌めにて嵌め合うことは必須ではない。フランジ付ブッシュ４０も、非磁性材料、特に非磁性のステンレス鋼製とすることができる。

１０ 鉄心、１２ ケース、１４ 締結ボルト、１６ ねじ孔、２０ 電磁鋼板、２４ ボルト孔、３２ フランジ付ブッシュ、３４ 筒部、３６ フランジ部、４０ フランジ付ブッシュ、４２ 筒部、４４ フランジ部。

Claims (7)

1. 電磁鋼板を積層して形成され、積層方向に貫通するボルト孔が設けられた鉄心と、
   ボルト孔に挿入され、鉄心を固定対象物に固定する締結ボルトと、
   締結ボルトが挿入される側の鉄心端面からボルト孔に挿入されたフランジ付ブッシュと、
   を有し、
   フランジ付ブッシュの筒部は、電磁鋼板の２枚以上と係合するようボルト孔内に挿入され、
   フランジ付ブッシュの筒部と、これに係合するボルト孔の部分が、相対回転を阻止する回転阻止構造を有する、
   電気機器。
2. 請求項１に記載の電気機器であって、回転阻止構造が、フランジ付ブッシュの筒部とボルト孔がしまり嵌めとなる構造である、電気機器。
3. 請求項２に記載の電気機器であって、フランジ付ブッシュの筒部とボルト孔の断面形状が円形である、電気機器。
4. 請求項１に記載の電気機器であって、回転阻止構造が、フランジ付ブッシュの筒部とボルト孔の断面形状が非円形である、電気機器。
5. 請求項４に記載の電気機器であって、フランジ付ブッシュの筒部とボルト孔の断面形状が多角形である、電気機器。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載の電気機器であって、フランジ付ブッシュが非磁性材料から成る、電気機器。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の電気機器であって、電気機器が回転電機であり、鉄心が回転電機のステータ鉄心であり、固定対象物が回転電機を収めるケースである、電気機器。

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