JP2021016255A - 回転電機及び回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高効率化を可能とした回転電機を提供すること。【解決手段】回転電機は、固定子鉄心１６に巻線１７が巻装されてなる固定子１４と、固定子鉄心１６が圧接して保持されるハウジング１２と、固定子鉄心１６と対向して配置され回転可能に支持された回転子とを備える。固定子鉄心１６は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材４１と該第１軟磁性板材４１よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材４２とが積層されてなり、第２軟磁性板材４２に第１軟磁性板材４１よりも大きな圧縮力が掛かるようにハウジング１２に圧接されて保持される。【選択図】図６

Description

本発明は、回転電機、及び回転電機の製造方法に関するものである。

従来、回転電機としては、例えば、円筒部を有する固定部材と、該固定部材の内側に固定された固定子鉄心に巻線が巻装されてなる固定子と、固定子鉄心の径方向内側で回転可能に支持された回転子とを備えたものがある（例えば、特許文献１参照）。このような回転電機の固定子鉄心は、一般的に焼き嵌めや圧入によって固定部材の内周面に圧接して保持される。

特開２０１５−１８６３２２号公報

ところで、近年では、回転子の永久磁石を強力なネオジム磁石等としつつ、固定子鉄心の素材として一般的なケイ素鋼板よりも飽和磁束密度の高いパーメンジュールよりなる板材等を用いることで、回転電機の高効率化、ひいては大出力化を図ることが考えられている。

しかしながら、飽和磁束密度の高いパーメンジュールよりなる板材等は、大きな圧縮力が掛かると透磁率等の磁気特性が大幅に低下することが知られており、例えば、単に焼き嵌めや圧入によって固定部材に圧接して固定されると、大きな圧縮力が掛かり、磁気特性が大幅に低下して、高効率の回転電機が得られないという問題がある。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、高効率化を可能とした回転電機、及び回転電機の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決する回転電機（１１）は、固定子鉄心（１６）に巻線（１７）が巻装されてなる固定子（１４）と、前記固定子鉄心が圧接して保持される固定部材（１２）と、前記固定子鉄心と対向して配置され回転可能に支持された回転子（１５）とを備えた回転電機であって、前記固定子鉄心は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材（４１）と該第１軟磁性板材よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材（４２）とが積層されてなり、前記第２軟磁性板材に前記第１軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛かるように前記固定部材に圧接されて保持される。

同構成によれば、固定子鉄心は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材と該第１軟磁性板材よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材とが積層されてなるため、例えば、第２軟磁性板材のみにて構成したものに比べて高効率の回転電機を得ることが可能となる。そして、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材は、大きな圧縮力が掛かると透磁率等の磁気特性が大幅に低下するが、固定子鉄心は、第２軟磁性板材に第１軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛かるように固定部材に圧接されて保持されるため、例えば第１軟磁性板材に大きな圧縮力が掛かる場合に比べて、磁気特性の低下を抑えることができる。よって、高効率の回転電機を得ることが可能となる。

上記課題を解決する回転電機（１１）の製造方法は、固定子鉄心（１６）に巻線（１７）が巻装されてなる固定子（１４）と、前記固定子鉄心が圧接して保持される固定部材（１２）と、前記固定子鉄心と対向して配置され回転可能に支持された回転子（１５）とを備えた回転電機の製造方法であって、前記固定子鉄心を、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材（４１）と該第１軟磁性板材よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材（４２）とを積層して構成するとともに、前記第２軟磁性板材の前記固定部材と圧接させる側の寸法を前記第１軟磁性板材よりも大きく形成しておき、前記第２軟磁性板材に前記第１軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛かるように前記固定部材に圧接させて保持させる回転電機の製造方法。

同方法によれば、固定子鉄心は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材と該第１軟磁性板材よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材とが積層されてなるため、例えば、第２軟磁性板材のみにて構成したものに比べて高効率の回転電機を得ることが可能となる。そして、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材は、大きな圧縮力が掛かると透磁率等の磁気特性が大幅に低下するが、固定子鉄心は、第２軟磁性板材に第１軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛かるように固定部材に圧接されて保持されるため、例えば第１軟磁性板材に大きな圧縮力が掛かる場合に比べて、磁気特性の低下を抑えることができる。よって、高効率の回転電機を得ることが可能となる。

一実施形態における回転電機の断面図。 一実施形態における固定子の一部平面図。 一実施形態における回転子の一部平面図。 一実施形態における回路構成を示す回路図。 一実施形態における固定子の一部断面図。 一実施形態における固定子とハウジングの一部断面図。 実験結果より得た第１軟磁性板材の磁界強度−磁束密度特性図。 別例における固定子の一部断面図。 別例における固定子の一部断面図。

以下、回転電機の一実施形態を図１〜図７に従って説明する。
図１に示すように、回転電機１１は、固定部材としての略有底円筒状のハウジング１２と、該ハウジング１２の開口端に固定されたエンドハウジング１３とを備える。また、回転電機１１は、ハウジング１２の内周面に固定された略円筒状の固定子１４と、固定子１４の径方向内側で回転可能に支持された回転子１５とを備える。

図１及び図２に示すように、固定子１４は、固定子鉄心１６に巻線１７が巻装されてなる。詳しくは、図２に示すように、固定子鉄心１６は、環状のヨーク部１６ａと該ヨーク部１６ａから径方向内側に延びる周方向に複数のティース部１６ｂとを有する。巻線１７は、銅やアルミ等からなる導体１７ａにエナメル被膜１７ｂが施されたものである。そして、巻線１７は、ティース部１６ｂ同士の間に径方向に並設されつつ、それらが絶縁紙１８に覆われた態様で保持されている。

図１に示すように、回転子１５は、ハウジング１２及びエンドハウジング１３の軸中心に固定された一対の軸受１９によって回転可能に支持された回転軸２０と、該回転軸２０に固定された回転子鉄心２１と、該回転子鉄心２１の外表面に固定された永久磁石２２とを備え、該永久磁石２２が固定子鉄心１６と径方向に対向して配置されている。

図３に示すように、本実施形態の永久磁石２２は、ネオジム磁石が採用されるとともに、ハルバッハ配列が採用されている。なお、図３に図示された矢印は、永久磁石２２の磁化方向を示しており、矢印の基点側がＳ極に該当し、矢印の終点側がＮ極に該当している。

図４に示すように、前記巻線１７は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の巻線１７がＹ結線されており、それら各相の巻線１７の端子には制御装置３１が接続されている。
制御装置３１は、直流電源Ｅの直流電力から１２０度位相の異なる三相の駆動電力を生成するための三相インバータ回路３２を備えている。三相インバータ回路３２は、直流電源Ｅに接続された高電位側電源線Ｌ１とグランド線ＧＮＤとの間に直列接続された３対のＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆを有するブリッジ回路で構成されている。なお、各ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆには、それぞれ還流ダイオードＤ１〜Ｄ６が接続されている。

そして、Ｕ相用のＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ間の出力端子ＳｕはＵ相の巻線１７の端子に接続され、Ｖ相用のＭＯＳＦＥＴ３３ｃ，３３ｄ間の出力端子ＳｖはＶ相の巻線１７の端子に接続され、Ｗ相用のＭＯＳＦＥＴ３３ｅ，３３ｆ間の出力端子ＳｗはＷ相の巻線１７の端子に接続されている。

また、制御装置３１は、電流指令部３４を備え、電流指令部３４は、例えば、図示しない上位の制御部からの指令信号Ｓ及び回転子１５の回転検出信号Ｐに応じて各ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆのゲートＧａ〜Ｇｆに制御信号を出力し、ＰＷＭ制御を行う。

ここで、図５及び図６に示すように、本実施形態の固定子鉄心１６は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材４１と該第１軟磁性板材４１よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材４２とが積層されてなる。そして、図６に示すように、固定子鉄心１６は、第２軟磁性板材４２に第１軟磁性板材４１よりも大きな圧縮力が掛かるようにハウジング１２に圧接されて保持されている。

詳述すると、まず本実施形態の第２軟磁性板材４２は、飽和磁束密度が約１．８テスラのケイ素鋼板が採用され、第１軟磁性板材４１は、飽和磁束密度が約２．３テスラのパーメンジュールよりなる板材が採用されている。そして、第１軟磁性板材４１と第２軟磁性板材４２とは交互に積層されている。また、第２軟磁性板材４２における第１軟磁性板材４１との対向面、すなわち第２軟磁性板材４２における積層方向の両端面には絶縁皮膜４２ａの処理が施されている。なお、第１軟磁性板材４１には絶縁皮膜の処理は施されていない。

そして、図５に示すように、ハウジング１２に組み付ける前の状態であって第１軟磁性板材４１及び第２軟磁性板材４２を製造して積層しただけの状態では、第２軟磁性板材４２のハウジング１２と圧接させる側（図５中、左側）の寸法は第１軟磁性板材４１よりも大きく形成されている。言い換えると、ハウジング１２に組み付ける前の状態では、第２軟磁性板材４２は、第１軟磁性板材４１よりも外径が大きく成形されている。なお、図５では、視覚的に分かり易いように寸法の大小を模式的に誇張して図示しているが、本実施形態では、第２軟磁性板材４２の直径が第１軟磁性板材４１の直径よりも数百ミクロン程度大きく形成されている。

そして、図６に示すように、第１軟磁性板材４１及び第２軟磁性板材４２よりなる固定子鉄心１６は、例えば、焼き嵌めや圧入によってハウジング１２の内周面に圧接して保持されている。この状態では、第２軟磁性板材４２には第１軟磁性板材４１よりも大きな圧縮力が掛かることになる。また、この状態では、第１軟磁性板材４１は、第２軟磁性板材４２よりも大きな圧縮力が掛からないようにハウジング１２に接触されている。すなわち、第２軟磁性板材４２が僅かに圧縮されて径方向内側に縮むことで、第１軟磁性板材４１は、ハウジング１２に接触するように設定されている。また、本実施形態では、第１軟磁性板材４１は、ハウジング１２から圧縮力が掛からずにハウジング１２と丁度接触するように設定されている。

次に、上記のように構成された回転電機１１の作用について説明する。
制御装置３１から固定子１４の巻線１７に三相の駆動電流が供給されると、固定子１４にて回転磁界が発生されて回転子１５が回転駆動される。そして、永久磁石２２は、強力なネオジム磁石が採用されているが、固定子鉄心１６の素材の一部として飽和磁束密度の高いパーメンジュールよりなる板材である第１軟磁性板材４１が用いられているため、磁気飽和を回避でき、滞りない磁束の流れを確保でき、回転子１５が高効率で回転駆動される。

次に、上記実施形態の効果を以下に記載する。
（１）固定子鉄心１６は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材４１と該第１軟磁性板材４１よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材４２とが積層されてなるため、例えば、一般的なケイ素鋼板よりなる第２軟磁性板材４２のみにて構成したものに比べて高効率の回転電機１１を得ることが可能となる。そして、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材４１は、大きな圧縮力が掛かると透磁率等の磁気特性が大幅に低下する。なお、図７は、実験結果より得た磁界強度−磁束密度特性図であって、圧縮力が掛かった第１軟磁性板材４１の特性Ｘ１は、圧縮力の掛かっていない第１軟磁性板材４１の特性Ｘ２よりも磁束密度が大幅に低下していることを示している。しかし、固定子鉄心１６は、第２軟磁性板材４２に第１軟磁性板材４１よりも大きな圧縮力が掛かるように、すなわち、第１軟磁性板材４１に大きな圧縮力が掛からないようにハウジング１２に圧接されて保持されるため、例えば第１軟磁性板材４１に大きな圧縮力が掛かる場合に比べて、磁気特性の低下を抑えることができる。よって、高効率の回転電機１１を得ることが可能となる。

（２）第１軟磁性板材４１と第２軟磁性板材４２とは交互に積層されるため、軸方向のバランスが良好となる。例えば、大きな圧縮力が掛かるようにハウジング１２に圧接される第２軟磁性板材４２が軸方向に第１軟磁性板材４１と交互に配置されるため、固定子鉄心１６をハウジング１２に軸方向にバランス良く強固に固定することができる。また、例えば、本実施形態のように第２軟磁性板材４２のみに絶縁皮膜４２ａの処理を施した構成で全ての層の間を絶縁することができる。

（３）第２軟磁性板材４２における第１軟磁性板材４１との対向面には絶縁皮膜４２ａの処理が施されるため、その間での渦電流損を低減することができる。そして、このようにすると、例えば、第１軟磁性板材４１に絶縁皮膜の処理を施す場合のような熱処理を行う必要がなくなるため、熱処理で寸法変化が激しいパーメンジュールよりなる板材等を第１軟磁性板材４１として採用することができる。言い換えると、絶縁皮膜の処理が困難な第１軟磁性板材４１を用いながらも渦電流損を良好に低減することができる。

（４）第１軟磁性板材４１は、第２軟磁性板材４２よりも大きな圧縮力が掛からないようにハウジング１２に接触されるため、例えば、ハウジング１２に接触しない構成に比べて放熱性が良好となる。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。また、本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
・上記実施形態では、第１軟磁性板材４１と第２軟磁性板材４２とは交互に積層されるとしたが、これに限定されず、交互以外の組み合わせで積層してもよい。

例えば、図８に示すように、第１軟磁性板材４１が第２軟磁性板材４２よりも積層枚数が多くなるように積層してもよい。この例では、第１軟磁性板材４１が２枚続けて積層されたものの間に１枚の第２軟磁性板材４２が積層されるパターンで積層されている。

このようにすると、第１軟磁性板材４１が第２軟磁性板材４２と同じ積層枚数のものに比べて、固定子鉄心１６の総合的な飽和磁束密度をより高くすることができ、より高効率の回転電機を得ることが可能となる。

また、この例（図８参照）では、第１軟磁性板材４１同士の間には、ポリアミドフィルムや高分子紙等からなる絶縁部材４３が挟持されている。このようにすると、絶縁皮膜の処理が困難な第１軟磁性板材４１を２枚続けて積層した構成としながらも、その間での渦電流損を良好に低減することができる。

・上記実施形態では、特に言及していないが、固定子鉄心１６は、積層された第１軟磁性板材４１及び第２軟磁性板材４２が軸方向にどうのように固定されていてもよい。
例えば、図９に示すように、固定子鉄心１６は、軸方向に貫通する貫通孔４４を有し、該貫通孔４４内に磁性粉体４５が圧縮された状態で固定された構成としてもよい。なお、磁性粉体４５は粉毎に絶縁皮膜を有することが好ましい。このようにすると、例えば、かしめや溶接で軸方向に固定する場合に比べて、渦電流損の低減や磁気特性の向上を図ることができる。すなわち、第１軟磁性板材４１及び第２軟磁性板材４２を、例えば、かしめや溶接で軸方向に固定する場合では、渦電流の経路が形成されたり、圧縮力が掛かることで磁気特性が低下したりする虞があるが、これらを回避することができる。また、例えば、特に第１軟磁性板材４１及び第２軟磁性板材４２がプレス品である場合等では、貫通孔４４の内面にバリやダレによって凹凸が生じることがあるが、それらの隙間にも磁性粉体４５が入り込むため、第１軟磁性板材４１及び第２軟磁性板材４２が軸方向に強固に固定される。また、前記凹凸の隙間にも磁性粉体４５が入り込むことで、前記隙間が磁気抵抗となり難くなり固定子鉄心１６の磁気特性が向上する。

・上記実施形態では、第２軟磁性板材４２における第１軟磁性板材４１との対向面には絶縁皮膜４２ａの処理が施されるとしたが、これに限定されず、例えば、第１軟磁性板材４１と第２軟磁性板材４２のそれぞれの間にポリアミドフィルムや高分子紙等からなる絶縁部材を挟持させて設けてもよい。

・上記実施形態では、第１軟磁性板材４１は、第２軟磁性板材４２よりも大きな圧縮力が掛からないようにハウジング１２に接触されるとしたが、これに限定されず、第１軟磁性板材４１は、ハウジング１２と接触しないように設けてもよい。

・上記実施形態では、第１軟磁性板材４１は飽和磁束密度が約２．３テスラのパーメンジュールよりなる板材が採用され、第２軟磁性板材４２は飽和磁束密度が約１．８テスラのケイ素鋼板が採用されるとしたが、第１軟磁性板材４１の方が第２軟磁性板材４２よりも飽和磁束密度が高ければ、それぞれ他の素材の板材に変更してもよい。

・上記実施形態では、永久磁石２２は、ネオジム磁石が採用されているとしたが、これに限定されず、例えば、他の希土類磁石やフェライト磁石としてもよい。また、上記実施形態では、永久磁石２２は、ハルバッハ配列が採用されているとしたが、これに限定されず、他の配列としてもよい。また、永久磁石２２は、回転子鉄心２１に埋め込まれて設けられたものとしてもよい。すなわち、回転子１５は、表面磁石型でも埋め込み磁石型でもよい。

・上記実施形態では、固定子鉄心１６が圧接して保持される固定部材を略有底円筒状のハウジング１２としたが、これに限定されず、固定子鉄心１６が圧接して保持される他の形状の固定部材としてもよい。

・上記実施形態の制御装置３１は、他の構成に変更してもよく、例えば、ＭＯＳＦＥＴ３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆに換えてＩＧＢＴを用いた制御装置としてもよい。

１１…回転電機、１２…ハウジング（固定部材）、１４…固定子、１５…回転子、１６…固定子鉄心、１７…巻線、４１…第１軟磁性板材、４２…第２軟磁性板材、４２ａ…絶縁皮膜、４３…絶縁部材、４４…貫通孔、４５…磁性粉体。

Claims (8)

1. 固定子鉄心（１６）に巻線（１７）が巻装されてなる固定子（１４）と、
   前記固定子鉄心が圧接して保持される固定部材（１２）と、
   前記固定子鉄心と対向して配置され回転可能に支持された回転子（１５）と
   を備えた回転電機（１１）であって、
   前記固定子鉄心は、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材（４１）と該第１軟磁性板材よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材（４２）とが積層されてなり、前記第２軟磁性板材に前記第１軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛かるように前記固定部材に圧接されて保持された回転電機。
2. 前記第１軟磁性板材と前記第２軟磁性板材とは交互に積層された請求項１に記載の回転電機。
3. 前記第１軟磁性板材は前記第２軟磁性板材よりも積層枚数が多い請求項１に記載の回転電機。
4. 前記第１軟磁性板材同士の間には絶縁部材（４３）が挟持された請求項３に記載の回転電機。
5. 前記第２軟磁性板材における前記第１軟磁性板材との対向面には絶縁皮膜（４２ａ）の処理が施された請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記固定子鉄心は、軸方向に貫通する貫通孔（４４）を有し、該貫通孔内には粉毎に絶縁皮膜を有する磁性粉体（４５）が圧縮された状態で固定された請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回転電機。
7. 前記第１軟磁性板材は、前記第２軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛からないように前記固定部材に接触された請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の回転電機。
8. 固定子鉄心（１６）に巻線（１７）が巻装されてなる固定子（１４）と、
   前記固定子鉄心が圧接して保持される固定部材（１２）と、
   前記固定子鉄心と対向して配置され回転可能に支持された回転子（１５）と
   を備えた回転電機（１１）の製造方法であって、
   前記固定子鉄心を、飽和磁束密度の高い第１軟磁性板材（４１）と該第１軟磁性板材よりも飽和磁束密度の低い第２軟磁性板材（４２）とを積層して構成するとともに、前記第２軟磁性板材の前記固定部材と圧接させる側の寸法を前記第１軟磁性板材よりも大きく形成しておき、前記第２軟磁性板材に前記第１軟磁性板材よりも大きな圧縮力が掛かるように前記固定部材に圧接させて保持させる回転電機の製造方法。