JP2018182873A

JP2018182873A - 回転電機

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Publication number: JP2018182873A
Application number: JP2017078108A
Authority: JP
Inventors: 三好　努; Tsutomu Miyoshi; 努三好; 健司矢島; Kenji Yajima; 亮平税所; Ryohei Zeisho
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2018-11-15
Also published as: CN108696004A

Abstract

【課題】ボビンに巻き回されたコイルに電流が流れると、温度上昇によって熱膨張係数が異なる両者間に隙間が生じる。このとき、電磁振動によってボビンが振動すると、ステータコアとの間で摩擦や騒音が生じ、ボビンの磨耗や破壊に至り、長期信頼性の観点からも好ましくない。そこで、本発明は、運転中の温度変化や電磁振動に対しても、ボビンを安定して固定できる集中巻永久磁石モータを提供することを目的とする。【解決手段】上記課題を解決するため、本発明の回転電機は、鋼板を積層して形成したティースを有するステータと、鋼板を積層し、前記ティースの対面に永久磁石を配列したロータコアを有するロータと、前記ステータと前記ロータの間に配置された軸受と、を備え、前記ティースには、コイルを巻き回した概略四角筒状のボビンが装着されており、前記ティースを構成する鋼板の端板には、前記ボビンと接触する板ばねが設けるものとした。【選択図】図３

Description

本発明は、集中巻コイルを設けたモータに関し、特にコイルを巻回したボビンをステータティースに挿入した構成の回転電機に関する。

ロータ表面に永久磁石を配置する表面磁石型の集中巻永久磁石モータでは、ステータコアのティースに集中巻のコイルを配することが普通であるが、その際、ティースとコイルとの絶縁を確実にするため、また、コイルの巻き回しを容易にするため、ティースとコイルの間に樹脂等から成るボビンを用いる場合が多い。

例えば、特許文献１の要約書や図３には、「ボビンやステータコアの寸法の精度に大きな影響を受けることなく，またそれらの組立てにおいても簡便にボビンとテータコアの固定を得る」ため、「外周にコイルを巻き回したボビンと、該ボビンをティース部に挿入するステータコアとを有する電動機であって、前記ボビンが、前記ティース部の外周形状に概略応じた略筒状の内壁面形状と、前記ティース挿入方向に延伸し、前記内壁面のステータコアティース挿入方向端部近傍に、該記端部に近づくのに応じて鉛直方向断面の頭頂部高さ及び基部の幅が連続して増加する少なくとも１つの突起部とを有する」電動機が開示されている。

そして、同文献の段落００１３などで説明されるように、ボビンにティースを挿入すると、ボビン内面の突起部の頭頂部がティースによって切削され、突起部とティースの接触面積が拡大し、両者間の摩擦係数が増加することでボビンとティースの固定が図られている。

特開２０１５−１１９５３７号公報

上述の特許文献１では、ボビン内面の突起部が適度に切削され両者間の摩擦力を高めることで、ボビンやステータコアの寸法の精度に大きな影響を受けることなく、ボビンとティースの固定を図ることができる。

しかしながら、さらに組立性や運動中の温度変化、電磁振動に対しての安定性が向上した回転電機が望まれる。

上記課題を解決するため、本発明の回転電機は、鋼板を積層して形成したティースを有するステータと、鋼板を積層し、前記ティースの対面に永久磁石を配列したロータコアを有するロータと、前記ステータと前記ロータの間に配置された軸受を備え、前記ティースには、コイルを巻き回した概略四角筒状のボビンが装着されており、前記ティースを構成する鋼板の端板には、前記ボビンと接触する板ばねが設けられるものとした。

また、鋼板を積層して形成したティースを有するステータと、鋼板を積層し、前記ティースの対面に永久磁石を配列したロータコアを有するロータと、前記ステータと前記ロータの間に配置された軸受を備え、前記ティースには、コイルを巻き回した概略四角筒状のボビンが装着されており、前記ボビンの内面には、前記ティースを構成する鋼板の端板と接触する板ばねが設けられるものとした。

本発明によれば、ステータコアを形成する電磁鋼板の厚さに誤差がある場合であっても、ティースに設けた板ばねの撓みでその誤差を吸収できるので、ボビンをステータコアに簡便かつ適切に固定できる。

また、モータの運転中の温度変化によりボビンが熱膨張し寸法変化しても、板ばねの復元力が持続しており、ボビンの熱膨張に追従して板ばねがボビンを押し付けるので、ボビンとの間に隙間を生じることはない。

更に、運転中の電磁力がボビンに加わっても、板ばねがボビンの内面を押している摩擦力の方が大きいので、電磁振動によってボビンが移動することがなく、騒音や磨耗の発生を抑制し、長期にわたり、モータの品質や信頼性を保つことができる。

実施例１の集中巻永久磁石モータの縦断面図実施例１の集中巻永久磁石モータの横断面図実施例１のステータコアのティースの斜視図実施例１のティースに挿入されるボビンの平面図実施例１のティースに挿入したボビンの断面図図５のボビンとステータコアの端板の接触部の拡大図実施例２のステータコアのティースの拡大斜視図実施例２のティースに挿入されるボビンの平面図実施例２のティースに挿入したボビンの断面図実施例３のステータコアのティースの拡大斜視図実施例４のティースに挿入されるボビンの平面図

以下、図面を用いて、本発明を適用した実施例に係る集中巻永久磁石モータを説明する。

先ず、図１〜図６を用いて、実施例１の集中巻永久磁石モータを説明する。図１は本実施例の集中巻永久磁石モータの縦断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ断面における横断面図である。また、図３はステータコア２１のティース２１２の斜視図、図４はティース２１２に挿入されるボビン３０の平面図、図５はティース２１２に挿入したボビン３０の断面図、図６はボビン３０とステータコア２１の端板の接触部の拡大図をそれぞれ示す。

図１または図２に示すように、本実施例の集中巻永久磁石モータ１００は、主に、ロータ１とステータ２から構成されており、ステータ２の回転軸の周りを、ロータ１が軸受１３を介して回転するように構成されている。

ロータ１の内側には、例えば厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板を１１０枚積層した厚さ５５ｍｍの略環状のロータコア１１が取り付けられており、その内周面には永久磁石１２が等間隔に配列されている。また、ステータ２のフレーム２３には、ロータコア１１と対向するように、例えば厚さ０．５ｍｍの電磁鋼板を１００枚積層した厚さ５０ｍｍのステータコア２１が取り付けられている。このステータコア２１は、図２に示すように、略環状のコアバック２１１と、その外側に放射配置された概略直方体状のティース２１２から構成されており、各々のティース２１２には、コイル２２が巻き回されている。なお、ステータコア２１は、概略扇状の電磁鋼板を複数組み合わせて概略環状としたものであっても良いし、単独で概略環状となる電磁鋼板を用いたものであっても良い。

図１、図２では省略しているが、コイル２２とティース２１２の間には後述するボビン３０が設けられており、これによりコイル２２とティース２１２が絶縁されるとともに、ティース２１２を構成する電磁鋼板の厚さ誤差の累積の大小に拘らず、各々のコイル２２が所定寸法、所定位置に維持される。

なお、図１、図２では、ロータ１をアウターロータ、ステータ２をオープンスロット構造とするとともに、集中巻、矩形永久磁石、極数４０、スロット数４８（極数とスロット数比を１０対１２）とした集中巻永久磁石モータを例示しているが、本発明の適用対象は、これに限られず、極数などの諸条件は適宜変更することができる。

次に、図３の斜視図を用いて、本実施例のステータコア２１のティース２１２の構造を説明する。ここに示すように、各々のティース２１２は、電磁鋼板の放射状突出部を積層し、かしめ２１４によって一体化したものであり、その最上段に位置する端版には、後述するボビン３０を付勢するための板ばね２１３を有している。この板ばね２１３は、ティース２１２の端板の略中央を略コ字状に切断された、ティース２１２の先端側で接続され、根元側で分離された、片持ち構造の板ばねである。

次に、図４の平面図を用いて、ティース２１２に装着されるボビン３０の構造を説明する。なお、図４（ａ）は、ボビン３０の側面からの平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ側から見た平面図、図４（ｃ）は、図４（ａ）のＣ側から見た平面図、図４（ｄ）は、図４（ａ）のＤ断面図、図４（ｅ）は、図４（ｃ）のＥ断面図を示す。

図４（ａ）、（ｄ）、（ｅ）に示すのように、ボビン３０は主に、上板３０３、下板３０４、側板３０５、３０６の四枚からなる概略四角筒の部分と、先端側のツバ部３０１と、根元側のツバ部３０２とから構成されている。また、上板３０３の上面には、根元側のツバ部３０２よりも根元側に概略円筒状のコイルガイド突起３０７を有し、その下面の略中央部には、全幅に亘る段差３０９を有している。一方、下板３０４は、コイルガイド突起や段差を有しておらず、平坦な形状となっている。

また、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、先端側のツバ部３０１は、開口の四辺にフランジを配したものであり、根元側のツバ部３０２は、上辺以外の三辺にフランジを配したものである。また、図４（ｃ）に示すように、上板３０３の上面には、コイル２２の口出し線部位をガイドするための、２個の概略円筒状のコイルガイド突起３０７と、それらの中央に設けた衝立状のコイルガイド突起３０８が配置されている。

次に、図５の断面図を用いて、コイル２２を巻き回したボビン３０を、ステータコア２１のティース２１２に挿入する前後の状態を説明する。なお、図５（ａ）はボビン３０とティース２１２の個々の断面図であり、図５（ｂ）はボビン３０をティース２１２に挿入した状態の断面図である。

図５（ａ）に示すように、概略四角筒状のボビン３０には、ツバ部３０１と３０２の間に、コイル２２が必要巻数だけ巻き回されている。また、ボビン３０は、上板３０３の段差３０９とステータコア２１の板ばね２１３が対向する状態で、ティース２１２に挿入される。なお、図５に示してないが、コイル２２から延びた口出し線部位はコイルガイド３０７を介して、他のコイルや、中性点の結線、モータ口出し線等に接続されている。

また、図５（ｂ）に示すように、ボビン３０にティース２１２を挿入すると、ティース２１２の板ばね２１３がボビン３０の内面に接触して付勢するとともに、板ばね２１３の開放側端部がボビン３０の内面の段差３０９に入り込んでいる状態となり、段差３０９近傍でのボビン３０と板ばね２１３の接触面で摩擦力が働き、ボビン３０とティース２１２の固定が図られる。なお、ボビン３０の挿入後、ボビン３０を引き抜こうとしても、板ばね２１３の端部がボビン３０の段差３０９にて止められてしまうので、簡単に抜けることはない。

次に、図６を用いて、挿入前後の板ばね２１３の動作をより詳しく説明する。

図６（ａ）は、ボビン３０の挿入前と挿入中の板ばね２１３の状態を示す。ここに示すように、ボビン３０をティース２１２に挿入すると、ボビン３０の上板３０３によってティース２１２の板ばね２１３が初期状態より押し下げられた状態で挿入されていく。

図６（ｂ）は、ボビン３０の挿入中と挿入後の板ばねの状態を示す。ここに示すように、ボビン３０の段差３０９が板ばね２１３の端部を過ぎると、押し下げられていた板ばね２１３が復元し、ボビン３０の内面を力Ｎで押し付ける状態となり、ボビン３０がティース２１２に固定される。また、板ばね２１３の端部と段差３０９が噛み合っているので、ボビン３０を引き抜こうとしても抜けない状態になっている。なお、図４から図６では段差３０９によりボビン３０の抜け止めを行っているが、抜け止め構造を別で準備する場合は、ボビン３０の内面に段差３０９を設けなくても良い。

ここで、板ばね２１３の押し付け力Ｎについて考察する。

モータの運転中は、集中巻のコイル２２に流れる電流によって、ボビン３０をティース２１２に押し込む方向、または、引き抜く方向に電磁力が働く。以下では、電流最大値における最大電磁力をＦｅとする。
一方、板ばね２１３がボビン３０の内面を押し付ける力をＮ、接触面の摩擦係数をμとすると、摩擦力Ｆｂは、式１で表される。

Ｆｂ＝μＮ … 式１
この式１を変形すると、式２が得られる。

Ｎ＝Ｆｂ／μ … 式２
ボビン３０が動き出さない摩擦力Ｆｂを得るには、摩擦力Ｆｂ＞電磁力Ｆｅとなるようにすれば良い。この不等式と式２を踏まえると、板ばね２１３に必要な押し付け力Ｎは式３で表すことができる。つまり、これを満たすように板ばね２１３を設計すれば良い。

Ｎ＞Ｆｅ／μ … 式３
以上で説明した本実施例の集中巻永久磁石モータによれば、ステータ２のティース２１２を構成する電磁鋼板の厚さ誤差の累積の大小に拘らず、ティース２１２に巻き回されるコイル２２を所定寸法かつ所定位置に維持することができ、モータの性能をバラツキを抑制することができる。また、モータ使用時にボビン３０が熱膨張したときであっても、ティース２１２の板ばね２１３によってボビン３０の内面が押し付けられているため、ボビン３０をティース２１２に押し込む方向、または、引き抜く方向に電磁力が作用した場合であっても、ボビン３０の移動を抑制することができる。さらに、ティース２１２の板ばね２１３とボビン３０の段差３０９が噛み合っているため、不意にボビン３０が引き抜かれるのを防止することができる。

なお、本実施例では、集中巻永久磁石モータを例示したが、永久磁石を用いずに巻線により界磁を形成するモータ或いはジェネレータであっても、集中巻でボビン３０を用いるものであれば同様な構成として同様な効果を得ることができる。また、実施例ではアウターロータを示しているが、インナーロータの場合でも同様な構成で、同様な効果を得ることができる。

次に、図７から図９を用いて、本発明を適用した実施例２の集中巻永久磁石モータを説明する。なお、実施例１と共通する点は重複説明を省略するものとする。

実施例１では、板ばね２１３を各ティース２１２に１箇所設けたが、ボビン３０をティース２１２に対して水平に保ちたい場合や、摩擦力Ｆｂを増したい場合には、２箇所以上に板ばね２１３を設けた構成としても良い。

具体的には、図７に示すように、本実施例のティース２１２は、複数の板ばね２１３を端板に設けている。また、図８の（ａ）（ｄ）（ｅ）に示すように、本実施例のボビン３０は、上板３０３の下面に複数のくさび状の段差３１０を設けている。

そして、図７のティース２１２に図８のボビン３０を挿入すると、図９（ａ）（ｂ）に示すように、ボビン３０内面の段差３１０の各々がティース２１２の板ばね２１３の各々と係合することで、ティース２１２に対してボビン３０を水平に保つことができることに加え、実施例１の構成よりも摩擦力を増やすことができるので、ボビン３０をより安定してティース２１２に固定することができ、ステータ２、ひいてはモータの信頼性をより高めることができる。

なお、本実施例ではボビン３０の内面に幅狭の段差３１０を複数設け、各々が実施例１の段差３０９よりも小さい負荷を担う構成としたが、実施例１と同様にボビン３０の内面全幅に亘る段差３１０を採用しても良い。

次に、図１０を用いて、本発明を適用した実施例３の集中巻永久磁石モータを説明する。なお、上述の実施例と共通する点は重複説明を省略するものとする。

実施例１、２では、ティース２１２の端板を略コ字状に切断することで片持ちの板ばね２１３を形成し、これによってボビン３０を内面から押し付けて固定する構成を採ったが、本実施例では。ティース２１２の端板を全幅に亘り山形（あるいは波形）に成形した板ばね２１３を設け、これによってボビン３０を固定する構成を採ったものである。

本実施例によれば、板ばね２１３の押し付け力を、山の高さ、曲げ半径で調整できるので、実施例１、２と同様に端板に板ばねの機能を持たせることができる。なお、図１０では、山が１つの板ばね２１３を示しているが、ティース２１２に対してボビン３０を水平に保ちたい場合は、実施例２に倣い、山形を２個以上に増やす構成としても良い。

また、図１０では、ステータコア２１の端板に、端板以外の電磁鋼板と同形状のものを流用しているので、端板のティース２１２に山形の成形を施すと、端板のティース先端部は、他の電磁鋼板のティース先端部よりも根元側に引っ込んだ形となる。このため、ティース２１２に装着したボビン３０の熱膨張の程度に応じて板ばね２１３の山の高さが変化しても、端板のティース先端部の移動は他の電磁鋼板のティース２１２の範囲内に収まるので、端板のティース先端部が他の電磁鋼板のティース先端部よりも突出しロータ１に配列した永久磁石１２と接触するような事故の発生を防止することができる。

次に、図１１を用いて、本発明を適用した実施例４の集中巻永久磁石モータを説明する。なお、上述の実施例と共通する点は重複説明を省略するものとする。

上述の実施例では、ステータ２のティース２１２に設けた板ばね２１３でボビン３０の内面を押し付けてボビン３０を固定していたが、本実施例では、ボビン３０の内面に設けた板ばね３１１でティース２１２を押し付けてボビン３０を固定するものである。

図１１は、本実施例のボビン３０に設けた板ばね３１１を説明する平面図である。ここに示すように、本実施例のボビン３０の上板３０３の下面には、実施例１の板ばね２１３と同形状の板ばね３１１が設けられている。そして、この板ばね３１１をステータ２のティース２１２に押し付けて発生する摩擦力によって、実施例１と同様にボビン３０をティース２１２に固定できる。なお、板ばね３１１を設けた結果、本実施例のボビン３０は、実施例１よりもやや複雑な形状となるため、ボビン３０の成形には３Ｄプリンターを活用しても良い。

図１１で説明したボビン３０を用いる場合、ティース２１２に板ばね２１３を設ける必要がなくなるため、ティース２１２の端板に他層の電磁鋼板を流用できる。すなわち、実施例１とは異なり、２種類の電磁鋼板を積層してステータコア２１を構成する必要がなくなるため、作業効率の向上が図られる。

また、本実施例では、ティース２１２に、ボビン３０の板ばね３１１と噛み合う段差を設けても良い。この場合、板ばね３１１と噛み合う箇所に開口を設けた同形状の電磁鋼板を積層するだけで所望の段差を形成することができるため、板ばねと段差を噛み合わせる構成を採る場合も、実施例１に比べ作業効率の向上を図ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成について、他の構成の追加、削除、置換をすることが可能である。

１００…集中巻永久磁石モータ、
１…ロータ、
１１…ロータコア、
１２…永久磁石、
１３…軸受
２…ステータ、
２１…ステータコア、
２１１…コアバック、
２１２…ティース、
２１３…板ばね、
２２…コイル、
２３…フレーム、
３０…ボビン、
３０１、３０２…ツバ部、
３０３…上板、
３０４…下板、
３０５、３０６…側板、
３０７、３０８…コイルガイド突起、
３０９、３１０…段差
３１１…板ばね

Claims

鋼板を積層して形成したティースを有するステータと、
鋼板を積層し、前記ティースの対面に永久磁石を配列したロータコアを有するロータと、
前記ステータと前記ロータの間に配置された軸受とを備え、
前記ティースには、コイルを巻き回した概略四角筒状のボビンが装着されており、
前記ティースを構成する鋼板の端板には、前記ボビンと接触する板ばねが設けられていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記ボビンの内面には、前記板ばねと当接し、前記ボビンの脱落を防止する段差が設けられていることを特徴とする回転電機。
請求項１に記載の回転電機において、
前記板ばねは、前記ティースを構成する鋼板の端板を山形に成形したものであり、該端板の先端部は他の鋼板よりも短くなっていることを特徴とする回転電機。
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の回転電機において、
前記端板には、複数の板ばねが設けられていることを特徴とする回転電機。
鋼板を積層して形成したティースを有するステータと、
鋼板を積層し、前記ティースの対面に永久磁石を配列したロータコアを有するロータと、
前記ステータと前記ロータの間に配置された軸受とを備え、
前記ティースには、コイルを巻き回した概略四角筒状のボビンが装着されており、
前記ボビンの内面には、前記ティースを構成する鋼板の端板と接触する板ばねが設けられていることを特徴とする回転電機。
請求項５に記載の回転電機において、
前記ティースを構成する鋼板の端板には、前記板ばねと当接し、前記ボビンの脱落を防止する段差が設けられていることを特徴とする回転電機。