JP2020156277A - 固定子及び回転電気 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な磁気特性が得られる固定子を提供すること。【解決手段】本開示の一態様は、内側に巻線が設けられる略筒形状の鉄心と、前記鉄心と第１溶接部を介して接合される固定子枠と、を備え、前記鉄心は、軸方向に沿って延在し且つ前記鉄心の外周面から径方向の内周側に向けて窪んだ溝部を備え、前記第１溶接部は、前記鉄心の軸方向の少なくとも一方において、前記鉄心の端部と前記固定子枠の内周面とが対向する部分に形成される固定子である。【選択図】図２

Description

本発明は、固定子及びこれを備える回転電機に関する。

回転子及び固定子を備える回転電機において、固定子は、巻線が配置される鉄心と、その外側面に装着される固定子枠とから構成される。鉄心を固定子枠へ固定する方法の１つとして、焼き嵌めと呼ばれる方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

実開平７−９０７０号公報

上述した焼き嵌めによる固定では、鉄心や固定子枠が変形しやすいため、磁気特性が悪化するおそれがある。
そのため、良好な磁気特性が得られる固定子及び回転電機が望まれている。

本開示の一態様は、内側に巻線が設けられる略筒形状の鉄心と、前記鉄心と第１溶接部を介して接合される固定子枠と、を備え、前記鉄心は、軸方向に沿って延在し且つ前記鉄心の外周面から径方向の内周側に向けて窪んだ溝部を備え、前記第１溶接部は、前記鉄心の軸方向の少なくとも一方において、前記鉄心の端部と前記固定子枠の内周面とが対向する部分に形成される固定子である。
本開示の他の一態様は、上記固定子と、回転軸に支持され、前記固定子の内周側に設けられる回転子と、を備える回転電機である。

本開示の一態様によれば、良好な磁気特性が得られる固定子及び回転電機を提供できる。

一実施形態による電動機１の構成を説明する断面図である。 固定子２０の斜視図である。 固定子２０を構成する鉄心２１及び固定子枠２２の分解斜視図である。 鉄心２１と固定子枠２２を第１溶接部Ｗ１で接合する際の作用を説明する図である。 鉄心２１と固定子枠２２を第１溶接部Ｗ１で接合した後の作用を説明する図である。 鉄心２１の溝部２１２を第２溶接部Ｗ２で接合した例を示す図である。 鉄心２１の溝部２１２を第２溶接部Ｗ２で接合した例を示す図である。 溝部２１２を鉄心２１の歯２１１に対して１つ置きに設けた例を示す図である。 溝部２１２を鉄心２１の隣接する歯２１１の間に設けた例を示す図である。 溝部２１２の断面を三角形状とした例を示す図である。 溝部２１２の断面を略Ｕ字形状とした例を示す図である。

以下、本開示の一実施形態について説明する。本明細書に添付した図面は、いずれも模式図であり、理解しやすさ等を考慮して、各部の形状、縮尺、縦横の寸法比等を、実物から変更又は誇張している。また、図面においては、部材の断面を示すハッチングを適宜に省略する。

まず、本実施形態の固定子２０を備える電動機１（回転電機）について説明する。
図１は、一実施形態による電動機１の構成を説明する断面図である。なお、図１に示す電動機１の構成は一例であり、本実施形態の固定子２０を適用可能であれば、どのような構成であってもよい。

また、図１等には、Ｘ、Ｙの互いに直交する座標系を記載した。この座標系においては、電動機１の軸方向をＸ方向とし、径方向をＹ方向とし、周方向をＲ方向とする。なお、電動機１の軸方向、径方向及び周方向は、後述する固定子２０、鉄心２１及び固定子枠２２の軸方向、径方向及び周方向と一致する。

図１に示すように、電動機１は、フレーム１０と、固定子２０と、回転子３０と、を備える。
フレーム１０は、電動機１の外装部材であり、フレーム本体１１と、軸穴１２と、軸受１３と、を備える。
フレーム本体１１は、固定子２０を包囲すると共に保持する筐体である。フレーム本体１１は、軸受１３を介して回転子３０を保持する。フレーム本体１１は、供給口１４、排出口１５及び孔部１６を備える。供給口１４は、固定子枠２２の流路２３（後述）に冷媒を供給するための開口であり、冷媒の供給配管（不図示）に接続されている。排出口１５は、流路２３を流通した冷媒を排出させるための開口であり、冷媒の排出配管（不図示）に接続されている。孔部１６は、鉄心２１から引き出された動力線２７を貫通させるための開口である。
軸穴１２は、回転軸３２（後述）が貫通する穴である。軸受１３は、回転軸３２を回転自在に支持する部材である。

固定子２０は、回転子３０を回転させるための回転磁界を形成する複合部材である。固定子２０は、全体として円筒形に形成され、フレーム１０の内部に固定されている。固定子２０は、鉄心２１と、固定子枠２２と、を備える。

鉄心２１は、内側に巻線２６を取り付け可能な部材である。鉄心２１は、円筒形に構成され、固定子２０において、固定子枠２２よりも内側に配置されている。鉄心２１の内側面には、複数の歯２１１（図２参照）が設けられている。この歯２１１に巻線２６が取り付けられる。なお、巻線２６の一部は、鉄心２１の軸方向（Ｘ方向）において、鉄心２１の両端部から突出している。鉄心２１は、例えば、電磁鋼板等の薄板を複数枚重ねた積層体を、接着、ボルト締め、かしめ等で接合することにより一体化される。

固定子枠２２は、その内側に、鉄心２１を保持する部材である。固定子枠２２は、円筒形に構成されている。鉄心２１は、後述するように、固定子枠２２と溶接部（不図示）により接合されている。図１に示すように、本実施形態の固定子枠２２は、外側面に、鉄心２１から伝わる熱を冷却するための流路２３を備える。流路２３は、固定子枠２２の外側面に形成された一条又は多条の螺旋溝である。フレーム本体１１（フレーム１０）の供給口１４から供給された冷媒（不図示）は、固定子枠２２の外側面を螺旋状に沿うように流路２３内を流通した後、フレーム本体１１の排出口１５から外部に排出される。

固定子枠２２を構成する材料としては、例えば、炭素鋼、電磁鋼板用の鋼材、ステンレス鋼等が挙げられる。なお、固定子枠２２は、鉄心２１と溶接可能であれば、どのような材料で構成されていてもよい。また、鉄心２１と溶接により接合される内周側を鉄製材料で構成し、外周側を非鉄製材料で構成してもよい。

固定子２０の鉄心２１からは、巻線２６と電気的に接続された動力線２７が引き出されている。この動力線２７は、電動機１の外部に設置された電源装置に接続される（不図示）。電動機１の動作時に、例えば、鉄心２１に三相交流電流が供給されることにより、回転子３０を回転させるための回転磁界が形成される。

回転子３０は、固定子２０により形成された回転磁界との磁気的相互作用により回転する部品である。回転子３０は、固定子２０の内周側に設けられる。回転子３０は、回転子本体３１と、回転軸３２と、を備える。回転子本体３１は、固定子２０に形成される回転磁界により回転力を発生する部分であり、複数の永久磁石（不図示）により構成される。

回転軸３２は、回転子本体３１を支持する部材である。回転軸３２は、回転子本体３１の軸中心を貫通するように挿入され、回転子本体３１に固定されている。回転軸３２は、フレーム１０に設けられた軸受１３に回転自在に支持されている。また、回転軸３２は、軸穴１２を貫通し、外部に設置された動力伝達機構、減速機構等（不図示）に接続されている。

図１に示す電動機１において、固定子２０（鉄心２１）に三相交流電流を供給すると、回転磁界が形成された固定子２０と回転子３０との間の磁気的な相互作用により回転子本体３１に回転力が発生し、その回転力が回転軸３２を介して外部に出力される。なお、本実施形態では、電動機１を同期電動機とした例を示すが、電動機１は、例えば誘導電動機であってもよい。

次に、本実施形態の電動機１における固定子２０について説明する。以下に説明する実施形態の図面においては、鉄心２１の歯２１１に取り付けられた巻線２６、固定子枠２２の外側面に設けられた流路２３等の図示を省略する。
図２は、固定子２０の斜視図である。図３は、固定子２０を構成する鉄心２１及び固定子枠２２の分解斜視図である。図４Ａは、鉄心２１と固定子枠２２を第１溶接部Ｗ１で接合する際の作用を説明する図である。図４Ｂは、鉄心２１と固定子枠２２を第１溶接部Ｗ１で接合した後の作用を説明する図である。図４Ａ及び図４Ｂは、例えば、図２に示す固定子２０を軸方向（Ｘ方向）から見たときの部分平面図である。

図２に示すように、固定子２０において、鉄心２１は、固定子枠２２の径方向（Ｙ方向）の内側に保持されている。鉄心２１の内周面には、周方向（Ｒ方向）に離間して、径方向（Ｙ方向）の内周側に向けて突出する複数の歯２１１が設けられている。周方向（Ｒ方向）に隣接する歯２１１、２１１の間の隙間には、巻線２６（図１参照）が取り付けられる。

鉄心２１の外周面には、外周面から径方向の内周側に向けて窪んだ溝部２１２が複数設けられている。溝部２１２は、鉄心２１の歯２１１と対応する位置に設けられている。本実施形態において、溝部２１２は、歯２１１の根元部分の周方向（Ｒ方向）の中央に設けられている。溝部２１２は、図３に示すように、鉄心２１の軸方向（Ｘ方向）の一方の端部２１ａから他方の端部２１ｂに亘って設けられている。

図２に示すように、固定子枠２２に嵌め込まれた鉄心２１は、端部２１ａと固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分において、第１溶接部Ｗ１により接合されている。鉄心２１と固定子枠２２は、溝部２１２の部分では、第１溶接部Ｗ１により接合されていない。第１溶接部Ｗ１は、鉄心２１の端部２１ａと固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分を、例えば、レーザ溶接で接合することにより形成される。

図示していないが、鉄心２１において、端部２１ａとは反対側となる端部２１ｂと固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分も、第１溶接部Ｗ１により接合されている。すなわち、本実施形態の鉄心２１は、軸方向（Ｘ方向）の端部２１ａと端部２１ｂにおいて、それぞれ第１溶接部Ｗ１により固定子枠２２に接合されている。

図４Ａに示すように、鉄心２１と固定子枠２２とを第１溶接部Ｗ１により接合すると、鉄心２１には、溶接の熱によって、図中の矢印方向に歪みが生じる。この歪みは、鉄心２１の外周面に設けた溝部２１２により分散されるため、鉄心２１の変形による磁気特性の悪化を抑制できる。仮に、鉄心２１に溝部２１２を設けずに、鉄心２１の端部２１ａ（２１ｂ）と固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分の全周域を溶接した場合、鉄心２１に生じた歪みを、図４Ａのように分散することができない。そのため、鉄心２１の変形によって、磁気特性が悪化するおそれがある。しかし、本実施形態の固定子２０によれば、鉄心２１の外周面に溝部２１２の部分を除いて、鉄心２１の端部２１ａ（２１ｂ）と固定子枠２２の内周面２２１とが対応する部分が第１溶接部Ｗ１で接合されているため、鉄心２１の変形による磁気特性の悪化を抑制できる。

また、図４Ｂに示すように、鉄心２と固定子枠２２とを第１溶接部Ｗ１で接合した後、第１溶接部Ｗ１の一部に亀裂Ｃが生じたとする。この亀裂Ｃは、図中の矢印方向のいずれか又は両方に進行することが考えられるが、どちらの場合も近傍に存在する溝部２１２により進行が抑制される。そのため、本実施形態の固定子２０によれば、第１溶接部Ｗ１の一部に亀裂Ｃが生じた場合でも、亀裂Ｃが広範囲に進行することを抑制できる。仮に、鉄心２１に溝部２１２を設けずに、鉄心２１の端部２１ａ（２１ｂ）と固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分の全周域を溶接した場合、亀裂Ｃの進行を抑制できないため、亀裂Ｃが広範囲に進行するおそれがある。しかし、本実施形態の固定子２０は、鉄心２１の外周面に溝部２１２を備えているため、第１溶接部Ｗ１に生じた亀裂Ｃの進行を抑制できる。

上述した本実施形態の固定子２０によれば、焼き嵌めによる固定に比べて、鉄心２１や固定子枠２２が変形しにくいため、良好な磁気特性を得ることができる。また、焼き嵌めによる固定に比べて、鉄心２１の固定子枠２２への嵌め込みを容易に行うことができる。

なお、鉄心を固定子枠へ固定する方法として、接着剤による接合が知られている。しかし、接着剤による接合は、鉄心と固定子枠の表面状態により接着力が左右されると共に、鉄心と固定子枠との間の隙間を均一に管理する必要がある。これに対して、本実施形態の固定子２０によれば、鉄心２１と固定子枠２２の表面状態、鉄心２１と固定子枠２２との間の隙間の精度により第１溶接部Ｗ１の接合強度が左右されにくい。そのため、本実施形態の固定子２０によれば、鉄心２１と固定子枠２２とを、より安定的に接合できる。

また、鉄心を固定子枠へ固定する方法として、キー締結が知られている。しかし、キー締結では、固定子枠にキー溝を設ける必要があるため、加工工数が増加する。これに対して、本実施形態の固定子２０によれば、固定子枠２２にキー溝を設ける等の加工を施す必要がないため、加工工数の増加を抑制できる。

本実施形態の固定子２０において、鉄心２１の溝部２１２は、鉄心２１の軸方向（Ｘ方向）の一方の端部２１ａから他方の端部２１ｂに亘って設けられている。そのため、鉄心２と固定子枠２２とを第１溶接部Ｗ１により接合した際に、鉄心２１に生じる歪みをより広範囲に分散できる。なお、溝部２１２は、鉄心２１の軸方向の両端部に亘って設けられていなくてもよい。例えば、溝部２１２を、鉄心２１の軸方向の一方の端部２１ａの近傍と、他方の端部２１ｂの近傍にそれぞれ設けてもよい。

本実施形態の固定子２０において、鉄心２１の溝部２１２は、歯２１１の根元部分の中央に設けられている。鉄心２１において、溝部２１２を設けた部分では、内部を通る磁束が減少することが考えられる。しかし、溝部２１２を、磁束が通りやすい歯２１１の根元部分の中央に設けることにより、磁束が減少する影響を最小限に抑制できる。なお、後述するように、鉄心２１において、溝部２１２を設ける位置は、歯２１１の根元部分に限らず、他の部分であってもよい。

次に、鉄心２１の他の実施形態について説明する。
図５Ａ及び図５Ｂは、鉄心２１の溝部２１２を第２溶接部Ｗ２で接合した例を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂは、鉄心２１を軸方向（Ｘ方向）から見たときの部分平面図である。
前述したように、鉄心２１は、電磁鋼板等の薄板を複数枚重ねた積層体を、接着、ボルト締め、かしめ等で接合することにより一体化される。ここでは、鉄心２１の溝部２１２を溶接で接合することにより一体化する例について説明する。

図５Ａに示す鉄心２１は、溝部２１２の底面側の一方（図中、左側）の隅が第２溶接部Ｗ２で接合されている。第２溶接部Ｗ２は、積層体としての鉄心２１の軸方向（Ｘ方向）の一方の端部２１ａから他方の端部２１ｂ（図３参照）に亘って設けられている。なお、図５Ａに示す鉄心２１において、溝部２１２の底面側の他方（図中、右側）の隅を第２溶接部Ｗ２で接合してもよい。

図５Ｂに示す鉄心２１は、溝部２１２の底面側の両方の隅が第２溶接部Ｗ２でそれぞれ接合されている。本形態においても、第２溶接部Ｗ２は、積層体としての鉄心２１の軸方向の一方の端部２１ａから他方の端部２１ｂに亘って設けられている。
図５Ａ又は図５Ｂに示す手法で鉄心２１を接合することにより、電磁鋼板等の薄板を複数枚重ねた積層体を、より強固に一体化できる。

以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は、前述した実施形態に限定されるものではなく、後述する変形形態のように種々の変形や変更が可能であって、それらも本開示の技術的範囲内である。実施形態に記載した効果は、本開示から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、実施形態に記載したものに限定されない。なお、上述の実施形態及び後述する変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。

（変形形態）
図６Ａは、溝部２１２を鉄心２１の歯２１１に対して１つ置きに設けた例を示す図である。図６Ｂは、溝部２１２を鉄心２１の周方向（Ｒ方向）に隣接する歯２１１の間に設けた例を示す図である。図６Ａ及び図６Ｂは、鉄心２１を軸方向（Ｘ方向）から見たときの部分平面図である。
図６Ａに示すように、溝部２１２を、鉄心２１の歯２１１に対して周方向に１つ置きに設けた構成としてもよい。この場合も、溝部２１２は、歯２１１の根元部分の周方向の中央に設けられている。なお、鉄心２１の直径が大きい場合等においては、溝部２１２を、鉄心２１の歯２１１に対して周方向に２つ置き又はそれ以上の間隔で設ける構成としてもよい。

図６Ｂに示すように、溝部２１２を、鉄心２１の周方向（Ｒ方向）に隣接する歯２１１の間に設けた構成としてもよい。図６Ｂに示す例では、溝部２１２を、鉄心２１の隣接する歯２１１の中間に設けているが、これに限定されない。溝部２１２を、鉄心２１の隣接する歯２１１の間において、いずれか一方の歯２１１の近傍に設けてもよい。また、溝部２１２を、鉄心２１の隣接する歯２１１の間に複数設ける構成としてもよい。図６Ｂに示す構成は、例えば、溝部２１２を、歯２１１の根元部分の中央に設ける構成と組み合わせることもできる。

図７Ａは、溝部２１２の断面を三角形状とした例を示す図である。図７Ｂは、溝部２１２の断面を略Ｕ字形状とした例を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂは、鉄心２１を軸方向（Ｘ方向）から見たときの部分平面図である。
図７Ａに示すように、溝部２１２の断面を、三角形状としてもよい。また、図７Ｂに示すように、溝部２１２の断面を、略Ｕ字形状としてもよい。図７Ｂに示すように、溝部２１２の断面を略Ｕ字形状とした場合、鉄心２１と固定子枠２２とを第１溶接部Ｗ１により接合した際に、熱により生じる応力が溝部２１２の底面側の角部（隅）に集中しにくくなる。そのため、溶接の熱により生じる鉄心２１の歪をより効果的に抑制できる。なお、溝部２１２の断面は、三角形状、略Ｕ字形状に限らず、例えば、半円形状、半楕円形状等であってもよい。

実施形態の鉄心２１において、端部２１ａと固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分又は端部２１ｂと固定子枠２２の内周面２２１とが対向する部分のいずれかを第１溶接部Ｗ１で接合する構成としてもよい。
また、溝部２１２の内部に樹脂を充填した構成としてもよい。このような構成とした場合においても、第１溶接部Ｗ１の生じた亀裂の進行を抑制できる。

１：電動機、２０：固定子、２１：鉄心、２２：固定子枠、２１１：歯、２１２：溝部、２２１：内周面（固定子枠）、Ｗ１：第１溶接部、Ｗ２第２溶接部

Claims (5)

1. 内側に巻線が設けられる略筒形状の鉄心と、
   前記鉄心と第１溶接部を介して接合される固定子枠と、を備え、
   前記鉄心は、軸方向に沿って延在し且つ前記鉄心の外周面から径方向の内周側に向けて窪んだ溝部を備え、
   前記第１溶接部は、前記鉄心の軸方向の少なくとも一方において、前記鉄心の端部と前記固定子枠の内周面とが対向する部分に形成される、
   固定子。
2. 請求項１に記載の固定子であって、
   前記溝部は、前記鉄心の軸方向の一端から他端に亘っている、
   固定子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の固定子であって、
   前記溝部は、前記鉄心の径方向の内周側に向けて突出する歯と対応する位置に設けられる、
   固定子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の固定子であって、
   前記鉄心は、複数の薄板を重ね合わせた積層体であり、
   前記溝部は、前記溝部の内部に形成される第２溶接部により、前記鉄心の軸方向に沿って接合されている、
   固定子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の固定子と、
   回転軸に支持され、前記固定子の内周側に設けられる回転子と、
   を備える回転電機。

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