JP2020114056A - 回転機の固定子部及びそれを搭載する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子を含む固定子部について、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、回転機の振動を抑制可能な回転機の固定子部を提供すること。【解決手段】回転機の固定子部３は、円筒状形状を含むヨーク部７ａとヨーク部７ａの内面から突出するティース部９とを含む固定子鉄心７と、ティース部９の一部分を磁心とする固定子巻線（図示無し）と、固定子鉄心７の円筒外面７ｂと接する円筒内面１ｂを有する固定子鉄心外装体１ａと、固定子鉄心外装体１ａに含む筒状形状と、固定子鉄心外装体１ａに含む円筒内面１ｂに対する外面に多面体状の多角柱状外面６を含み、多角柱状外面６における角部６ａを含む稜線部６ｂの線分方向が固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄのアキシャル方向と同じ向きである構成と、稜線部６ｂと円筒内面１ｂとの間に位置し且つ仮想中心軸７ｄのアキシャル方向と同じ向きに貫通する挿通孔２と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、回転機に含まれる固定子部に関する。

近年、機器の静粛化が希求され、回転機等の部品の低騒音化の要求が顕著になってきた。例えば、特許文献１等には、固定子の外周部に凸部を設け、固定子を支持するフレームとの間に隙間を形成することで、固定子からフレームへの振動の伝達を低減することにより騒音を抑制する技術思想が記されている。しかし、固定子を支持するフレームとの間に隙間を形成することは、振動の伝播を緩和しているに過ぎず、回転機における振動の発生自体を抑制し得るものではない。

また、固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数との差が少ない場合や、固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とがほぼ等しい場合は、振動の伝達を抑制する等の工夫だけでは、回転機の静粛化は不十分であった。

また、静粛化を図るための技術としては、固定子フレーム、固定子枠体又は固定子収容環状体などと呼称される外装体と固定子とを、焼きばめ、と呼称される工法によって、外装体と固定子とを一体化すると共に剛性を高めて剛体化し、共振周波数を高める等の手法が知られている。しかしながら、焼きばめ、という工程の追加や、この工程に要する設備については、新規な投資が必要になる等の理由で、経営的観点の課題を招くものである。

特開２００２−２３３１０３号公報

本発明は、回転機に関して、特に、固定子を含む固定子部について、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、固定子を含む固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能な回転機の固定子部を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、第１の発明は、円筒状形状を含むヨーク部と前記ヨーク部の内面から突出するティース部とを含む固定子鉄心と、前記ティース部の一部分を磁心とする固定子巻線と、前記固定子鉄心の円筒外面と接する円筒内面を有する固定子鉄心外装体と、前記固定子鉄心外装体に含む筒状形状と、前記固定子鉄心外装体に含む前記円筒内面に対する外面に多面体状の多角柱状外面を含み、前記多角柱状外面における角部を含む稜線部の線分方向が前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ向きである構成と、前記稜線部と前記円筒内面との間に位置し且つ前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ向きに貫通する挿通孔と、を含む回転電機の固定子部である。

また、第２の発明は、第１の発明において、前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状に、仮想中心軸に対するラジアル方向の断面における前記固定子鉄心外装体の外周形状が、五角形である構造を含む回転電機の固定子部である。

また、第３の発明は、第１の発明において、前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状に、仮想中心軸に対するラジアル方向の断面における前記固定子鉄心外装体の外周形状が、正五角形である構造を含む回転電機の固定子部である。

また、第４の発明は、第１の発明において、前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状に、仮想中心軸に対するラジアル方向の断面における前記固定子鉄心外装体の外周形状が、七角形である構造を含む回転電機の固定子部である。

また、第５の発明は、第１の発明において、前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状に、仮想中心軸に対するラジアル方向の断面における前記固定子鉄心外装体の外周形状が、正七角形である構造を含む回転電機の固定子部である。

また、第６の発明は、第１の発明において、前記固定子鉄心は、複数のセグメントコアを円環状に連結する構造を含む回転電機の固定子部である。

また、第７の発明は、第１乃至第６の発明における回転機の固定子部を搭載する装置である。

本発明によれば、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、固定子を含む固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能な回転機の固定子部を提供可能であり、産業的価値の大なるものである。すなはち、固定子外装体の剛性を高めて共振周波数をより高い周波数域への移動を図ることによって、共振周波数をモータの駆動周波数よりも高い周波数域へと異なえ、固定子部の振動を抑制可能とするものである。

実施の形態１における第１例について固定子の概要を示す斜視図 実施の形態１における第２例について固定子の概要を示す斜視図 実施の形態１における第３例について固定子の概要を示す斜視図 実施の形態及び比較例について有限要素法を用いた構造解析の結果を示す図 実施の形態及び比較例について固定子の固定の概要を示す図 比較例における固定子の概要を示す斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態及び実施例によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１、図２及び図３には、本実施の形態における固定子部３の構成例を示す。図１には、本実施の形態における第１例を示す斜視図である。図２には、本実施の形態における第２例を示す斜視図である。図３には、本実施の形態における第３例を示す斜視図である。なお、図１においては、仮想中心軸７ｄアキシャル方向１１を図示しているが、図２及び図３においては、仮想中心軸７ｄ及びアキシャル方向１１は図示しておらず、仮想中心軸７ｄ及びアキシャル方向１１の図示を省略している。

図１に示す本実施の形態の第１例における回転機の固定子部３は、円筒状形状を含むヨーク部７ａとヨーク部７ａの内面から突出するティース部９とを含む固定子鉄心７と、ティース部９の一部分を磁心とする固定子巻線（図示無し）と、固定子鉄心７の円筒外面７ｂと接する円筒内面１ｂを有する固定子鉄心外装体１ａと、固定子鉄心外装体１ａに含む
筒状形状と、固定子鉄心外装体１ａに含む円筒内面１ｂに対する外面に多面体状の多角柱状外面６を含み、多角柱状外面６における角部６ａを含む稜線部６ｂの線分方向が固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄのアキシャル方向と同じ向きである構成と、稜線部６ｂと円筒内面１ｂとの間に位置し且つ固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄのアキシャル方向と同じ向きに貫通する挿通孔２と、を含む。そして、固定子鉄心外装体１ａについては、固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄに対するラジアル方向の断面における外周形状が、正五角形であり、その内角は１０８度である。

図２に示す本実施の形態の第２例における回転機の固定子部３は、第１例とほぼ同様の構成である。第２例が、第１例と相違する点は、固定子鉄心外装体１ａについて、固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄに対するラジアル方向の断面における外周形状が、正五角形ではない五角形に含まれる構造である。広義に記すならば、正多角形ではない多角形の構造である。この形状から与えられる印象の一つとして以下に記す表現も散見される。例えば、本実施の形態の第２例における、仮想中心軸７ｄに対するラジアル方向の断面における五角形形状を、ホームベース型の五角形又はホームベース状の五角形と記される場合もある。

更に、このホームベース型の五角形を詳述する。ホームベース型の五角形の頂点の内角を第一内角とし、この第一内角を起点に、半時計周りに隣接の内角を第二角から第五角とする。そして、ホームベース型の五角形を、第一角から第五角の角度を数値で表す。例えば、本実施の形態のホームベース型の五角形は、第一角を１０８度とし、第二角及び第五画を１２６度とし、第三角及び第四画を９０度としても良い。また、本実施の形態のホームベース型の五角形は、第一角、第三角及び第四画を９０度とし、第二角及び第五画を１３５度としても良い。なお、第一角から第五角の各々の角度を上記の値で特定するものではなく、代表的な事例を示すにすぎず、適宜に変更しても良い。

図３に示す本実施の形態の第３例における回転機の固定子部３は、第１例とほぼ同様の構成である。第３例が、第１例と相違する点は、固定子鉄心外装体１ａについて、固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄに対するラジアル方向の断面における外周形状が、正七角形の構造である。

本実施の形態の有効性を確認するために、有限要素法を用いた構造解析を実施した。図４は、本実施の形態の第１例と後述の比較例において、最も低い共振周波数（以下、一次共振周波数と呼ぶ）の計算結果の比較を示している。本実施の形態の第１例について、固定子鉄心７及び固定子鉄心外装体１ａからなるアセンブリとして求めた一次共振周波数は、比較例の場合よりも高域にシフトしていることがわかる。これにより、固定子部の剛性を高めて剛体化することによって、固定子を含む固定子部の共振周波数と回転機の駆動周波数とを大きく相違させ、回転機の振動を抑制可能である。すなはち、固定子外装体の剛性を高めて共振周波数をより高い周波数域への移動を図ることによって、共振周波数をモータの駆動周波数よりも高い周波数域へと異なえ、固定子部の振動を抑制可能とするものである。

図５は、本実施の形態及び比較例に関して固定の概要について、その説明を兼ねる模式図である。すなはち、この模式図によって、固定子部３と被固定部４と締結ボルト５とに関する構成の概要について図示するものである。固定子部３を被固定部４に固定するには、固定子部３の挿通孔２の一方から締結ボルト５を挿通して被固定部４への螺合によって固定する。このとき、固定子部３の被固定部４に当接している端面と、被固定部４の側の当接面とで固定部１０が構成されるが、この固定部１０を含む構成は、所謂、片持ち、と呼称されるものであり、振動し易い構造であるが、本実施の形態においては、固定子鉄心外装体１ａについて、固定子鉄心７の円筒状形状における仮想中心軸７ｄに対するラジア
ル方向の断面における外周形状が、五角以上の多角形であるため、円環状の共振を起こしにくいことや、挿通孔２の近傍の空間を有効に活用できることにより、固定子鉄心外装体１ａの剛性を高めることが可能である。なお、固定子鉄心外装体１ａの外周形状を三角形や四角形にすると、多角形における頂点間の距離が長くなるために、固定子鉄心外装体１ａの大型化や質量増加を招き好適ではない。

なお、通例、固定子鉄心７と、この固定子鉄心７の筒内面へ突出するティース部９と、ティース部９の一部分を磁心とする固定子巻線（図示無し）と、とを含む構成を、固定子（以下では、固定子１と記す）と説明することが一般的である。本実施の形態にては、固定子鉄心外装体１ａと、固定子１とを含む構成を、回転機の固定子部３と記すことから、本実施の形態における記述の混乱を避けることを旨に、固定子部３という標記を主に用いて記述する。

また、本実施の形態における固定子鉄心７は、電磁鋼板を打ち抜き加工して得られる扇型のセグメントコアシートを複数積層して構成するセグメントコア７ｅを構成し、複数個のセグメントコア７ｅを円環状に配置し一体化して円環状の鉄心である固定子鉄心７を構成する。また、固定子鉄心７は、電磁鋼板を打ち抜き加工して得られる円環状の固定子コアシートを複数積層して構成する積層体でも良い。ちなみに、上記積層体の一体化を図るには、積層体の積層面に溶接を施す工法や、積層体の積層面に接着剤等を塗布する工法や、固定子コアシートの複数個所に一方面では凹み他方裏面側では凸状の膨らむ所謂「カラマセ」と呼称される突起を設けて、この凹みに対して凸状の膨らみを係合させることで固定子コアシート同士を一体化する等の工法が採用される。

そして、固定子１を固定子鉄心外装体１ａへ収容して、固定子１に含む固定子鉄心７の外筒面に固定子鉄心外装体１ａを固定（固接）する。この固定によって、固定子１と固定子鉄心外装体１ａとは一体化されて固定子部３が構成される。なお、この固定についての具体的な構成及び方法は、特に限定しない。

なお、上記の実施の形態は一例に過ぎず、本発明はこれに限定されず、適宜変更しても良い。例えば、上記の実施の形態の構成の一部を公知の他の構成に置き換えてもよい。また上記の実施の形態で言及されていない構成は任意であり、例えば公知の構成を適宜選択して本発明に組み合わせても良い。

（比較例）
図５は、本比較例及び本実施の形態に関して固定の概要説明を兼ねる模式図である。すなはち、この模式図によって、固定子部３と被固定部４と締結ボルト５とに関する構成の概要を図示する。固定子部３を被固定部４に固定するには、固定子部３の挿通孔２の一方から締結ボルト５を挿通して被固定部４への螺合によって固定する。このとき、固定子部３の被固定部４に当接している端面と、被固定部４の側の当接面とで固定部１０が構成されるが、この固定部１０を含む構成は、所謂、片持ち、と呼称されるものであり、更に、本比較例の場合には、円環構造であるため、振動し易い構造であり、上述のとおり、本発明においては、課題として認識されるものである。

円環構造の空間次数ｎの共振周波数ｆｎは、例えば、式（１）として記す、Ｔｉｍｏｓｈｅｎｋｏの式というものが良く知られている。

式（１）において、Ｒは半径であり、Ｅは縦弾性係数であり、Ｉは断面二次モーメントであり、ρは単位周方向長さ当たりの質量である。式（１）によれば、円筒部の厚みを厚くすると、剛性は上がるものの質量も増加することとなり、共振周波数ｆｎは大きくは変化しないことが解る。すなはち、図６に示すように外周形状が円筒形状である場合は、首振りモード（空間次数ｎ＝１）や楕円モード（空間次数ｎ＝２）といった円環状の共振が生じ易く、この円環状の共振に対しては十分な剛性を得ることも難しいことが解る。

図６は、本比較例における固定子部３の概要を示す斜視図である。固定子鉄心７は、電磁鋼板を打ち抜き加工して得られるＴ字状の形状のセグメントコアシートを複数積層して構成するセグメントコア７ｅを構成し、このセグメントコア７ｅを複数個用いて円環状に配置し一体化して円環状の鉄心である固定子鉄心７を構成する。また、固定子鉄心７は、電磁鋼板を打ち抜き加工して得られる円環状の固定子コアシートを複数積層して構成する積層体でも良い。この固定子鉄心７を含む固定子１を固定子鉄心外装体１ａへ収容して、固定子鉄心７の円筒外面に固定子鉄心外装体１ａを固定する。この固定によって、固定子１と固定子鉄心外装体１ａとは一体化されて固定子部３が構成される。そして、固定子鉄心外装体１ａの円筒外周面１２よりも固定子鉄心外装体１ａの筒径方向の外側へ突出する複数の凸部８と、被固定部へ固定子部３を固定する締結ボルトが挿通される挿通孔２を複数の凸部８の各々に具備する構成とを含む。なお、本比較例の固定子１は、上述の実施の形態と同様に、固定子鉄心７に具備するティース部９の一部分を磁心とする固定子巻線（図示なし）を含む。

本発明は、例えば、被固定部に、耐熱性の低い樹脂部品や熱履歴による歪等が生じ易い歯車等を含み且つ回転機に含む固定子部を締結ボルトによって被固定部へ固定する構成に適用可能である。

１ 固定子
１ａ 固定子鉄心外装体
１ｂ 円筒内面
２ 挿通孔
３ 固定子部
４ 被固定部
５ 締結ボルト
６ 多角柱状外面
６ａ 角部
６ｂ 稜線部
７ 固定子鉄心
７ａ ヨーク部
７ｂ 円筒外面
７ｄ 仮想中心軸
７ｅ セグメントコア
８ 凸部
９ ティース部
１０ 固定部
１１ アキシャル方向
１２ 円筒外周面

Claims (7)

1. 円筒状形状を含むヨーク部と前記ヨーク部の内面から突出するティース部とを含む固定子鉄心と、前記ティース部の一部分を磁心とする固定子巻線と、前記固定子鉄心の円筒外面と接する円筒内面を有する固定子鉄心外装体と、前記固定子鉄心外装体に含む筒状形状と、前記固定子鉄心外装体に含む前記円筒内面に対する外面に多面体状の多角柱状外面を含み、前記多角柱状外面における角部を含む稜線部の線分方向が前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ向きである構成と、前記稜線部と前記円筒内面との間に位置し且つ前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸のアキシャル方向と同じ向きに貫通する挿通孔と、を含む回転電機の固定子部。
2. 前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸に対するラジアル方向の断面において、前記固定子鉄心外装体の外周形状が、五角形である構造を含む請求項１記載の回転電機の固定子部。
3. 前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸に対するラジアル方向の断面において、前記固定子鉄心外装体の外周形状が、正五角形である構造を含む請求項１記載の回転電機の固定子部。
4. 前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸に対するラジアル方向の断面において、前記固定子鉄心外装体の外周形状が、七角形である構造を含む請求項１記載の回転電機の固定子部。
5. 前記固定子鉄心外装体は、前記固定子鉄心の円筒状形状における仮想中心軸に対するラジアル方向の断面において、前記固定子鉄心外装体の外周形状が、正七角形である構造を含む請求項１記載の回転電機の固定子部。
6. 前記固定子鉄心は、複数のセグメントコアを円環状に連結する構造を含む請求項１記載の回転電機の固定子部。
7. 請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６のいずれかに記載の回転機の固定子部を搭載する装置。

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