JP2021068595A

JP2021068595A - 回転電機ステータコアの誘導加熱装置及び誘導加熱方法

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Publication number: JP2021068595A
Application number: JP2019193120A
Authority: JP
Inventors: 浦田　信也; Shinya Urata; 信也浦田; 大谷　裕子; Yuko Otani; 裕子大谷; 浩一恒川; Koichi Tsunekawa; 寛和谷口; Hirokazu Taniguchi; 隆久蟹江; Takahisa Kanie
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc; Aisin Corp
Priority date: 2019-10-24
Filing date: 2019-10-24
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-10-24
Also published as: JP7334103B2

Abstract

【課題】回転電機ステータコアの誘導加熱装置において、環状のヨークでの異常加熱を小さくし、かつティースを効率よく加熱することである。【解決手段】回転電機ステータコア１０の誘導加熱装置３０は、回転電機ステータコアの内周側に配置され、励磁コイル３３が巻かれた柱状の中心コア３１と、回転電機ステータコアの外周側のヨークの軸方向端面または外周面に第１断熱部を介して対向配置された少なくとも１つの環状の電流発生源であって、励磁コイルによってヨークの軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される少なくとも１つの電流発生源と、励磁コイルの外周面と回転電機ステータコアとの間に配置された第２断熱部とを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、回転電機ステータコアの誘導加熱装置及び誘導加熱方法に関し、特に環状のヨークでの異常加熱を小さくし、かつティースを効率よく加熱することに関する。

従来からモータ、発電機等の回転電機は、ステータコアとロータコアとが径方向に対向して配置することにより構成される。ステータコアにおいて、加工硬化による内部の歪を取り除き、コアの損失である鉄損を低減させるために、焼鈍が行われる場合がある。ステータコアは、特にティースにおいて加工硬化により残留歪が発生するので、その部分を焼鈍する場合がある。

例えば、ステータコアの全体に、軸方向一方側から高周波磁束を印加し、ステータコアの端部に面内渦電流を流して、それに起因するジュール損を利用してステータコアを加熱する方法が考えられる。

また、特許文献１，２に記載された構成のように、誘導加熱を行うコイル（誘導加熱部）がステータコアの外周全体を近接して覆い、そのコイルに通電することで、ステータコアに誘導電流を流してそのステータコアを加熱する方法が知られている。

また、特許文献３に記載された構成のように、コイルの内側に一次側ヨークを貫通させ、その一次側ヨークに磁気的に結合した二次側ヨークを、ステータコアの中心部に貫通させ、コイルへ交流電流を通電し、一次側ヨークによりステータコアの内側に軸方向の磁束を流す方法も知られている。この方法によれば、この軸方向の磁束によりステータコアに誘導電流を流して、ステータコアを加熱できる可能性がある。

特開２０１３−５５５３号公報特開２０１２−５２８３号公報特開２０１８−８１８９６号公報

ステータコアの全体に、軸方向一方側から高周波磁束を印加する場合には、ステータコアにおける磁束の鎖交面積が大きいので渦電流による反磁界が大きくなり、無効電力が大きくなる。また、この場合には、特に焼鈍が必要なティース以外も多く加熱されるので、消費電力が大きい。

また、特許文献１〜３に記載された方法では、ステータコアの外周部における環状のヨーク部分にしか誘導電流が流れないので、そのヨーク部分のみしか加熱できない。

また、環状のヨークが異常加熱されると、ヨークが過焼鈍されたり、変形が生じる可能性がある。

本開示の回転電機ステータコアの誘導加熱装置及び誘導加熱方法の目的は、環状のヨークでの異常加熱を小さくし、かつティースを効率よく加熱することにある。

本開示の回転電機ステータの誘導加熱装置は、環状のヨークと、前記ヨークの周方向複数位置から径方向内側に延びる複数のティースとを備える回転電機ステータコアの誘導加熱装置であって、前記回転電機ステータコアの内周側に配置され、励磁コイルが巻かれた柱状の中心コアと、前記回転電機ステータコアの外周側の前記ヨークの軸方向端面または外周面に第１断熱部を介して対向配置された少なくとも１つの環状の電流発生源であって、前記励磁コイルによって前記ヨークの軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される少なくとも１つの電流発生源と、前記励磁コイルの外周面と前記回転電機ステータコアとの間に配置された第２断熱部とを備える、回転電機ステータコアの誘導加熱装置である。

本開示の回転電機ステータの誘導加熱方法は、本開示の回転電機ステータコアの誘導加熱装置を用いて前記回転電機ステータコアの前記ティースを誘導加熱する方法であって、前記励磁コイルに交流電流を供給することで、前記中心コアと前記ティースに磁束を流し、前記ティースを誘導加熱する磁束発生ステップを含む、回転電機ステータコアの誘導加熱方法である。

本開示の回転電機ステータコアの誘導加熱装置及び誘導加熱方法によれば、環状のヨークでの異常加熱を小さくでき、かつティースを効率よく加熱できる。

実施形態の回転電機ステータコアの誘導加熱装置及び誘導加熱方法を用いて回転電機ステータコアを加熱する状態において、第１断熱材を省略して示す斜視図である。図１において誘導加熱装置を軸方向一方側から見た図である。図１から外周ヨークを取り除いて示す斜視図である。図３のＡ部拡大図である。図１の誘導加熱装置の中心軸を含む切断面の模式図である。図５において、外周ヨークを取り除いて、ティースが集中的に加熱される理由と、ステータヨークの端面の異常加熱を小さくできる理由を説明するための図である。実施形態の別例の誘導加熱装置において、図６に対応する図である。実施形態の別例の誘導加熱装置において、図６に対応する図である。実施形態の別例の誘導加熱装置において、図２に対応する図である。実施形態の別例の誘導加熱装置に用いる外周ヨークの斜視図である。実施形態の別例の誘導加熱装置において、図５に対応する図である。外周ヨークを取り除いて、ステータヨークの端面の異常加熱を小さくできる理由を説明するための図１１に対応する図である。実施形態の別例の誘導加熱装置において、外周ヨーク及び第１断熱材を取り除いて示す斜視図である。比較例の誘導加熱装置により回転電機ステータコアを加熱する場合において、第１断熱部の厚みが大きい（５ｍｍとした）場合における回転電機ステータコアの周方向一部におけるジュール損密度（Ｗ／ｍ^３）の分布の解析結果を示す図である。図１に示した誘導加熱装置により回転電機ステータコアを加熱する場合において、第１断熱部の厚みが大きい（５ｍｍとした）場合における回転電機ステータコアの周方向一部におけるジュール損密度（Ｗ／ｍ^３）の分布の解析結果を示す図である。図１１に示した誘導加熱装置により回転電機ステータコアを加熱する場合において、第１断熱部の厚みが大きい（５ｍｍとした）場合における回転電機ステータコアの周方向一部におけるジュール損密度（Ｗ／ｍ^３）の分布の解析結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本開示に係る回転電機ステータコアの誘導加熱装置及び誘導加熱方法の実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、具体的な形状、材料、数値、数量等は、本開示の理解を容易にするための例示であって、回転電機ステータコアまたは誘導加熱装置の仕様に合わせて適宜変更することができる。以下では、すべての図面において同様の要素には同一の符号を付して説明する。

図１は、実施形態の回転電機ステータコア１０の誘導加熱装置３０及び誘導加熱方法を用いて回転電機ステータコア１０を加熱する状態を示す斜視図である。図２は、図１において誘導加熱装置３０を軸方向一方側から見た図である。図３は、図１から外周ヨーク５４を取り除いて示す斜視図である。図４は、図３のＡ部拡大図である。図５は、誘導加熱装置３０の中心軸を含む切断面の模式図である。

図１〜図５を用いて、回転電機ステータコア１０を説明する。以下では、回転電機ステータコア１０は、ステータコア１０と記載する。ステータコア１０は、ステータコイル（図示せず）と共に、ステータを形成する。ステータは、ステータの内側に配置されたロータ（図示せず）と共に、回転電機を形成するために用いられる。

ステータコア１０は、環状の磁性体部品であり、例えば複数の珪素鋼鈑等の環状の電磁鋼板を軸方向（図１の上下方向）に積層してなる積層体により形成される。

ステータコア１０は、環状で外周側に配置されるステータヨーク１３と、ステータヨーク１３の内周面の周方向複数位置から径方向内側に延びる複数のティース１４（図１、図３、図４、図５）とを含む。複数のティース１４は、周方向に互いに間隔をおいて配置される。隣り合う２つのティース１４の間には溝であるスロット１６（図４）が形成される。

ステータコイルは、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３相のコイルを有し、それぞれのコイルは、ステータコア１０の周方向に離れた２つのスロット１６にまたがるように複数のティース１４に巻回される。

回転電機を構成する場合には、ステータの径方向内側にロータが配置される。回転電機は、使用時に、３相のステータコイルに３相交流電流を供給することで駆動される。例えば、回転電機は、永久磁石型同期モータとして使用される。

ステータコア１０は、上記のように複数の電磁鋼板を積層することにより構成され、ステータヨーク１３の内周面から複数のティース１４が延びる。各電磁鋼板は、打ち抜き加工等により所定の形状に形成される。これにより、ティース１４に加工硬化が生じて歪（残留歪）が発生しやすい。このため、このティース１４において、焼鈍を行って内部の歪を取り除き、鉄損を低下させることが行われる。

このために、実施形態では、ステータコア１０の焼鈍を行うために、誘導加熱装置３０を用いる。誘導加熱装置３０は、ステータコア１０の内周側に配置され、励磁コイル３３が巻かれた柱状の中心コア３１と、２つの第１断熱部４０（図２、図５）と、第２断熱部４２（図５）と、２つの金属環４４と、外周ヨーク５４とを含んで構成される。なお、図５では、図１に示す形状に比べて、中心コア３１の直径をステータコア１０との関係で小さくして模式化した形状を示している。また、図１、図３、図４では、第１断熱部４０及び第２断熱部４２の図示を省略している。

中心コア３１は、磁性材料製であり、例えば円柱状に形成される。中心コア３１は、ステータコア１０の中心軸Ｏ上に中心軸Ｏに沿って配置される。中心コア３１の軸方向両端部は、ステータコア１０の軸方向両端面から軸方向に突出している。励磁コイル３３は、中心コア３１の周囲で、ステータコア１０の内径側に配置される。

中心コア３１には、圧粉磁心やフェライトなど、絶縁性の高い粉体コアを用いてもよい。中心コア３１を電磁鋼板により形成してもよい。このとき、中心コア３１は、複数の電磁鋼板を積層した積層コアとしたり、１枚の電磁鋼板を渦巻状に巻いて円筒状の巻きコアとしたり、複数の電磁鋼板を半径方向に放射状に配置したラジアルコアとしてもよい。

中心コア３１の中心軸Ｏに対し直交する平面で切断した場合の断面形状が矩形であれば、中心コアが、幅方向等の一辺に平行な方向に分割した複数の要素を含み、複数の要素を結合することにより形成されてもよい。中心コアが円筒状であれば、中心コアを周方向の複数位置で分割した複数の要素から形成してもよい。

２つの第１断熱部４０（図２、図５）は、リング形の円板状であり、中心コア３１の軸方向両端面上のそれぞれにステータヨーク１３と複数のティース１４との軸方向端面を覆うように配置される。第１断熱部４０は、樹脂やセラミック等の断熱性を有する絶縁材料製のブロックとすることができる。

さらに、ステータコア１０の外周側のステータヨーク１３の軸方向両端面上の空間には周方向に連続した２つの金属環４４が配置される。各金属環４４は、円環状であり、ステータヨーク１３の軸方向端面に第１断熱部４０を介して対向配置される。これにより、ステータヨーク１３の軸方向両端面には第１断熱部４０を介して２つの金属環４４が対向配置される。各金属環４４は、環状の電流発生源に相当する。各金属環４４は、後述のように、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される。金属環４４は、例えば銅等の導電性の高い材料により形成される。金属環４４の周方向に対し直交する断面は矩形であるが、断面を円形等の他の形状としてもよい。

金属環４４とステータコア１０とを、第１断熱部４０に接触させてもよい。なお、第１断熱部は、固体とせずに、高断熱性を有するガスや、空気層としてもよく、また、誘導加熱装置３０及びステータコア１０を真空状態で配置することで、金属環４４とステータコア１０との間に形成される真空の隙間を第１断熱部としてもよい。金属環４４の軸方向内側面とステータコア１０の軸方向端面との間に第１断熱部４０が配置されることにより、ティース１４の軸方向両端からの熱の逃げを抑制して、ティース１４を効率的に加熱できる。

さらに、第２断熱部４２（図５）は、円筒状であり、励磁コイル３３の外周面とステータコア１０の内周面との間に配置される。第２断熱部４２は、第１断熱部４０と同様に、樹脂やセラミック等の断熱性を有する絶縁材料製としてもよい。ステータコア１０の内周面と励磁コイル３３の外周面とは、第２断熱部４２に接触させてもよい。なお、第２断熱部は、固体とせずに、高断熱性を有するガスや、空気層としてもよく、また、誘導加熱装置３０及びステータコア１０を真空状態で配置することで、励磁コイル３３の外周面とステータコア１０の内周面との間に形成される真空の隙間を第２断熱部としてもよい。励磁コイル３３の外周面とステータコア１０の内周面との間に第２断熱部４２が配置されることにより、励磁コイル３３がステータコア１０からの輻射熱で過度に加熱されることを防止できる。これにより、励磁コイル３３の保護を図れると共に、励磁コイル３３の性能低下を抑制できる。

外周ヨーク５４は、ステータコア１０及び中心コア３１を覆うように配置されている。外周ヨーク５４は、図５に示すように中心軸を含む切断面で見た形状が矩形となるように、断面が矩形のヨーク要素５７を含んで形成される。ヨーク要素５７は、２つの平行な長方形状の板部５７ａの長手方向両端に２つの平行な長方形状の板部５７ｂを連結してなる矩形枠状である。外周ヨーク５４は、中心コア３１の軸方向両端面に、２つの板部５７ａの軸方向（図１の上下方向）内側面が面接触するように連結される。これにより、外周ヨーク５４は、中心コア３１の軸方向両端面に対向して配置される。この状態で、外周ヨーク５４のヨーク要素５７の内周面とステータコア１０の外周面との間には隙間が形成される。外周ヨーク５４は、磁性材製である。例えば外周ヨーク５４には、中心コア３１と同様に、圧粉磁心やフェライトなど、絶縁性の高い粉体コアを用いてもよい。外周ヨーク５４を電磁鋼板の積層体により形成してもよい。

実施形態のステータコア１０の誘導加熱方法は、上記の誘導加熱装置３０を用いて、ステータコア１０の複数のティース１４を誘導加熱する。このとき、まず配置ステップとして、図１、図２に示すように、ステータコア１０の内周側に、励磁コイル３３が巻かれた中心コア３１を挿入し、中心コア３１の軸方向両端に外周ヨーク５４の軸方向内側面を接触させるように、中心コア３１及びステータコア１０の周囲に外周ヨーク５４を配置する。

そして、磁束発生ステップとして、電源部（図示せず）から励磁コイル３３に交流電流を供給することにより、図５の実線矢印α方向または実線矢印αと反対方向に、中心コア３１と、ステータコア１０のティース１４とに磁束を流す。図５の実線矢印α方向は、励磁コイル３３の図５の右側部分で紙面の表側に電流が流れ、左側部分で紙面の裏側に電流が流れる場合の磁束方向である。これにより、ティース１４の軸方向に高周波磁束が流れることでティース１４が誘導加熱されることにより焼鈍される。このとき、励磁コイル３３に流す交流電流の周波数を、ステータコア１０に流れる高周波磁束による渦電流に起因する表皮厚みがティース１４の周方向幅の１／３以下となる周波数（下限周波数）とすることが好ましい。より好ましくは、交流電流周波数が、高周波磁束による渦電流に起因する表皮厚みが、ステータコア１０を形成する電磁鋼板の板厚以上となる周波数（上限周波数）で、かつ、ティース１４の周方向幅の１／３以下となる周波数（下限周波数）となることが好ましい。これにより、ステータコア１０において加熱が必要なティース１４及びその根元部分に電流を多く流すことができるので加熱が特に必要な部分をジュール損により集中的に加熱できる。

図６は、図５において、外周ヨーク５４を取り除いて、ティース１４が集中的に加熱される理由と、ステータヨーク１３の端面の異常加熱を小さくできる理由を説明するための図である。上記のように励磁コイル３３に交流電流が供給されることで、ティース１４の軸方向に高周波磁束が流れる。このとき、励磁コイル３３の通電によって、図６の実線矢印α方向または実線矢印αと反対方向に、中心コア３１からティース１４の軸方向に磁束が流れると共に、励磁コイル３３の起磁力の一部がステータヨーク１３の周方向に誘導電流を発生させる。誘導電流により、図６の一点鎖線矢印β方向にステータヨーク１３の周囲を流れる磁束が発生する。この磁束は、ティース１４にも流れ、そのときの磁束方向は、実線矢印αの磁束方向と一致する。このため、ティース１４を軸方向に流れる磁束の磁束密度を高く維持しやすくなるので、ティース１４の内部に流れる渦電流の強さも高く維持しやすくなり、その渦電流のジュール損でティース１４の加熱が促進される。

上記のステータコア１０の誘導加熱装置３０及び誘導加熱方法によれば、ステータコア１０の内周側に配置された中心コア３１の周囲に巻かれた励磁コイル３３に交流電流が供給されることで、ティース１４に高周波磁束が流れてジュール損が高くなり、それによってティース１４が加熱される。これにより、加熱が特に必要なティース１４が集中的に加熱されるので、ティース１４を効率よく加熱できる。このため、ティース１４の加熱に必要な電力を小さく抑制できると共に、ティース１４を短時間で加熱することが可能となる。また、ティース１４の軸方向端部のみが集中して加熱されることを抑制できるので、過焼鈍による磁気特性悪化を防止できる。

さらに、誘導加熱装置３０は、ステータヨーク１３の軸方向端面に第１断熱部４０を介して対向配置された環状の電流発生源としての金属環４４を備える。金属環４４は、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される。図６を用いてこれを説明する。まず、金属環４４がないと仮定した場合に第１断熱部４０の厚みを大きくした場合を考える。この場合、励磁コイル３３に交流電流が流れることにより、励磁コイル３３の起磁力の一部がステータヨーク１３の周方向に誘導電流を発生させる。この誘導電流の周方向についての方向は、励磁コイル３３の電流方向と逆である。この誘導電流によって、図６の一点鎖線矢印β方向にステータヨーク１３の周囲を流れる磁束が発生する。この磁束によって、ステータヨーク１３の軸方向端面付近に渦電流が増加し、ステータヨーク１３の軸方向端部が過度に集中的に加熱される可能性がある。

本例の構成によれば、金属環４４に誘導電流が流れることによって、例えば、図６の破線矢印γ方向に金属環４４の周囲を流れる磁束を発生させることができる。その磁束の方向は、上記のステータヨーク１３の軸方向端面付近で、一点鎖線矢印β方向の磁束と逆になる。これにより、金属環４４により発生した磁束の方向は、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向となる。このため、その磁束によるステータヨーク１３の軸方向端部の集中加熱を、金属環４４を流れる誘導電流による磁束で相殺または緩和することができ、その集中加熱を抑制できる。したがって、ステータヨーク１３の軸方向端面付近が過度に集中的に加熱されることを防止できるので、ステータヨーク１３での異常加熱を小さくでき、ステータヨーク１３の過焼鈍や変形を抑制できる。

さらに本例の場合には、外周ヨーク５４が、中心コア３１を覆って、中心コア３１の軸方向端面に対向して配置される。この外周ヨーク５４により、中心コア３１から誘導加熱装置３０の外側への漏れ磁束を抑制できる。中心コア３１の軸方向両端面のうち、少なくとも軸方向一端面と外周ヨークの内側面との間には、隙間が形成されてもよい。

図７は、実施形態の別例の誘導加熱装置３０ａにおいて、図６に対応する図である。本例の構成の場合には、誘導加熱装置３０ａにおいて、ステータコア１０の外周側のステータヨーク１３の軸方向両端面上の空間に、２つの短絡コイル４６が配置される。各短絡コイル４６は、巻き始めと巻き終わりが短絡されている。各短絡コイル４６は、ステータヨーク１３の軸方向端面に第１断熱部４０を介して対向配置される。これにより、ステータヨーク１３の軸方向両端面には第１断熱部４０を介して２つの短絡コイル４６が対向配置される。各短絡コイル４６は、環状の電流発生源に相当する。各短絡コイル４６も、図１〜図６の構成の金属環４４と同様に、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される。短絡コイル４６の軸方向は、励磁コイル３３の軸方向と一致させる。

上記の構成の場合も、図１〜図６の構成の金属環４４の代わりに短絡コイル４６に誘導電流が流れることによって、例えば、破線矢印δ方向に短絡コイル４６の周囲を流れる磁束を発生させることができる。その磁束の方向は、上記のステータヨーク１３の周方向に発生する誘導電流によってステータヨーク１３の軸方向端部付近を流れる磁束の方向と逆になるので、その磁束によるステータヨーク１３の軸方向端部の集中加熱を抑制できる。これにより、ステータヨーク１３での異常加熱を小さくでき、ステータヨーク１３の過焼鈍や変形を抑制できる。本例において、その他の構成及び作用は、図１〜図６の構成と同様である。なお、短絡コイル４６の巻方向は、図７のように励磁コイル３３の巻方向と逆とすることができるが、励磁コイル３３と同方向としてもよい。

図８は、実施形態の別例の誘導加熱装置３０ｂにおいて、図６に対応する図である。本例の構成の場合には、誘導加熱装置３０ｂにおいて、ステータコア１０の外周側のステータヨーク１３の軸方向両端面上の空間に、２つの端面側逆極性コイル４８が配置される。各端面側逆極性コイル４８は、励磁コイル３３に対して逆極性となるように接続される。各端面側逆極性コイル４８は、ステータヨーク１３の軸方向端面に第１断熱部４０を介して対向配置される。これにより、ステータヨーク１３の軸方向両端面には第１断熱部４０を介して２つの端面側逆極性コイル４８が対向配置される。各端面側逆極性コイル４８は、環状の電流発生源に相当する。

ここで「逆極性」とは、誘導加熱装置３０ｂの軸方向について２つのコイルの極性が逆となることである。端面側逆極性コイル４８の軸方向は、励磁コイル３３の軸方向と一致させる。例えば、端面側逆極性コイル４８と励磁コイル３３との巻方向を逆にする場合に、軸方向一方側（図８の上側）の端面側逆極性コイル４８の巻き終わり端を励磁コイル３３の巻き始め端に接続し、励磁コイル３３の巻き終わり端を軸方向他方側（図８の下側）の端面側逆極性コイル４８の巻き始め端に接続する。また、軸方向他方側の端面側逆極性コイル４８の巻き終わり端を、電源部を介して軸方向一方側の端面側逆極性コイル４８の巻き始め端に接続する。なお、端面側逆極性コイルの巻き方向は、励磁コイル３３の巻き方向と同じにしてもよい。このとき、軸方向一方側の端面側逆極性コイルの巻き終わり端を励磁コイル３３の巻き終わり端に接続し、励磁コイル３３の巻き始め端を軸方向他方側の端面側逆極性コイルの巻き始め端に接続する。また、軸方向他方側の端面側逆極性コイルの巻き終わり端を、電源部を介して軸方向一方側の端面側逆極性コイルの巻き始め端に接続する。各端面側逆極性コイル４８も、図１〜図６の構成の金属環４４、または図７の短絡コイル４６と同様に、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される。

上記の構成の場合には、励磁コイル３３に交流電流が供給されることで、２つの端面側逆極性コイル４８にも交流電流が流れる。このとき、例えば、図８の破線矢印δ方向に端面側逆極性コイル４８の周囲を流れる磁束を発生させることができる。その磁束の方向は、ステータヨーク１３の周方向に発生する誘導電流によってステータヨーク１３の軸方向端部付近を流れる磁束の方向と逆になるので、その磁束によるステータヨーク１３の軸方向端部の集中加熱を、端面側逆極性コイル４８を流れる電流による磁束で相殺または緩和することができ、その集中加熱を抑制できる。これにより、ステータヨーク１３での異常加熱を小さくでき、ステータヨーク１３の過焼鈍や変形を抑制できる。本例において、その他の構成及び作用は、図１〜図６の構成、または図７の構成と同様である。

なお、図８の構成において、２つの端面側逆極性コイル４８の巻き数（ターン数）の合計は、励磁コイル３３の巻き数の半分以下とすることができる。

図９は、実施形態の別例の誘導加熱装置３０ｃにおいて、外周ヨーク５４ａが、図２の外周ヨーク５４の形状と同様の形状の第１ヨーク要素５８の幅方向（図９の上下方向）両端の長手方向中央に２つのゲート形状の第２ヨーク要素５９が連結されて形成される。各第２ヨーク要素５９は、２つの平行な長方形状の板部５９ａの長手方向の先端に長方形状の連結板部５９ｂが板部５９ａに直交するように連結される。これにより、外周ヨーク５４ａの第１ヨーク要素５８の幅方向（図９の上下方向）中央で切断した断面形状と、第２ヨーク要素５９の幅方向（図９の左右方向）中央で切断した断面形状とは、いずれも図５の外周ヨーク５４と同様の形状となる。図９のように、外周ヨーク５４ａを軸方向一端から見た形状は、十字形となっている。上記の外周ヨーク５４ａを用いた誘導加熱装置３０ｃの場合も、図１〜図６の構成と同様に、中心コア３１から誘導加熱装置３０ｃの外側への漏れ磁束を抑制できる。本例において、その他の構成及び作用は、図１〜図６の構成と同様である。

図１０は、実施形態の別例の誘導加熱装置に用いる外周ヨーク５４ｂの斜視図である。外周ヨーク５４ｂは、図３に示すステータコア１０及び中心コア３１を覆うように配置される。外周ヨーク５４ｂは、図５の外周ヨーク５４と同様に、中心軸を含む切断面で見た形状が矩形となるように、筒部５５の両端に筒部５５の両端開口を塞ぐように２つの板部５６が連結される。筒部５５は、円筒状であり、各板部５６は円板状である。外周ヨーク５４ｂは、中心コア３１（図５）の軸方向両端に、２つの板部５６の軸方向内側面が面接触するように連結される。これにより、外周ヨーク５４ｂは、中心コア３１の軸方向端面に対向して配置される。この状態で、外周ヨーク５４ｂの筒部５５の内周面とステータコア１０（図５）の外周面との間には隙間が形成される。外周ヨーク５４ｂは、磁性材製である。例えば外周ヨーク５４ｂには、中心コア３１と同様に、圧粉磁心やフェライトなど、絶縁性の高い粉体コアを用いてもよい。外周ヨーク５４ｂを電磁鋼板の積層体により形成してもよい。

上記の外周ヨーク５４ｂにより、中心コア３１から誘導加熱装置の外側への漏れ磁束を抑制できる。中心コア３１の軸方向両端面のうち、少なくとも軸方向一端面と、外周ヨーク５４ｂの板部５６の軸方向内側面との間には、隙間が形成されてもよい。本例において、その他の構成及び作用は、図１〜図６の構成と同様である。

なお、図１０の構成において、外周ヨーク５４ｂの筒部は、円筒状以外、例えば四角筒状等としてもよい。例えば、四角筒状の筒部と、２つの四角形状の板部とにより外周ヨークが形成されてもよい。

図１１は、実施形態の別例の誘導加熱装置３０ｄにおいて、図５に対応する図である。本例の構成の場合には、誘導加熱装置３０ｄにおいて、ステータコア１０の外周側のステータヨーク１３の外周側に、外周側逆極性コイル５０が配置される。外周側逆極性コイル５０は、励磁コイル３３の巻き数の半分以下の巻き数で、励磁コイル３３に接続されている。「逆極性」とは、誘導加熱装置３０ｄの軸方向について２つのコイルの極性が逆となることである。外周側逆極性コイル５０の軸方向は、励磁コイル３３の軸方向と一致する。外周側逆極性コイル５０と励磁コイル３３との巻方向を一致させる場合に、例えば、励磁コイル３３の一端側（図１１の下側）の巻き終わり端を、外周側逆極性コイル５０の一端側（図１１の下側）の巻き終わり端に接続する。また、励磁コイル３３の他端側（図１１の上側）の巻き始め端を、電源部を介して、外周側逆極性コイル５０の他端側（図１１の上側）の巻き始め端に接続する。外周側逆極性コイル５０と励磁コイル３３との巻方向を逆とする場合には、例えば、励磁コイル３３の一端側（図１１の下側）の巻き終わり端を、外周側逆極性コイル５０の他端側（図１１の上側）の巻き始め端に接続し、励磁コイル３３の他端側（図１１の上側）の巻き始め端を、電源部を介して、外周側逆極性コイル５０の一端側（図１１の下側）の巻き終わり端に接続する。外周側逆極性コイル５０は、ステータヨーク１３の外周面に後述の円筒状の第１断熱部５２を介して対向配置される。外周側逆極性コイル５０は、環状の電流発生源に相当する。外周側逆極性コイル５０は、後述のように、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される。

円筒状の第１断熱部５２は、外周側逆極性コイル５０の内周面とステータコア１０の外周面との間に配置される。円筒状の第１断熱部５２は、第２断熱部４２と同様の構成で、第２断熱部４２より直径が大きくなっている。円筒状の第１断熱部５２によって、ステータコア１０の外周面からの輻射熱で外周側逆極性コイル５０が過度に加熱されることを防止できるので、外周側逆極性コイル５０の保護を図れると共に外周側逆極性コイル５０の性能低下を抑制できる。

誘導加熱装置３０ｄは、ステータヨーク１３の外周面に第１断熱部５２を介して対向配置された環状の電流発生源としての外周側逆極性コイル５０を備える。外周側逆極性コイル５０は、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される。図１２を用いてこれを説明する。

図１２は、外周ヨーク５４を取り除いて、ステータヨーク１３の端面の異常加熱を小さくできる理由を説明するための図１１に対応する図である。まず、外周側逆極性コイル５０がないと仮定した場合に、円板状の第１断熱部４０の厚みを大きくした場合を考える。この場合、図１２に示した実線矢印αのうち、Ｘを付した実線矢印で示すように、励磁コイル３３に交流電流が流れることにより励磁コイル３３の起磁力の一部による磁束が、ステータヨーク１３に広がって流れる。そして、ステータヨーク１３の軸方向端部付近に流れる磁束によって、ステータヨーク１３の軸方向端面付近に渦電流が増加する。このため、ステータヨーク１３の軸方向端部が過度に集中的に加熱される可能性がある。

本例の構成によれば、励磁コイル３３に交流電流が供給されることで、外周側逆極性コイル５０にも交流電流が流れる。このとき、例えば、図１２の一点鎖線矢印η方向に外周側逆極性コイル５０の周囲を流れる磁束を発生させることができる。その磁束のうち、Ｘを付した一点鎖線矢印で示すように流れる磁束は、励磁コイル３３の起磁力によってステータヨーク１３の軸方向端部付近に流れる磁束の方向（Ｘを付した実線矢印方向）と逆になるので、その磁束によるステータヨーク１３の軸方向端部の集中加熱を、外周側逆極性コイル５０を流れる電流による磁束で相殺または緩和することができ、その集中加熱を抑制できる。このとき、外周側逆極性コイル５０は、励磁コイル３３によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させる。これにより、ステータヨーク１３の軸方向端面付近が過度に集中的に加熱されることを防止できるので、ステータヨーク１３での異常加熱を小さくでき、ステータヨーク１３の過焼鈍や変形を抑制できる。本例において、その他の構成及び作用は、図１〜図６の構成と同様である。

図１３は、実施形態の別例の誘導加熱装置において、外周ヨーク及び第１断熱材を取り除いて示す斜視図である。本例の構成の場合には、図１〜図６の構成において、中心コア３１ａの中心部に、軸方向に貫通する孔６１が形成される。このとき、孔６１には、冷却液配管（図示せず）が接続される。冷却液配管の上流側に接続された冷却液ポンプ（図示せず）の吐出口から油や水等の冷却液が孔６１の上流端に供給され、孔６１に冷却液が流通する。孔６１の下流端から排出された冷却液は、冷却液ポンプの吸入口に戻される。これにより、中心コア３１ａが冷却される。本例において、その他の構成及び作用は、図１〜図６の構成と同様である。

なお、図１３の構成において、孔６１に冷却液を流通させるのではなく、中心コア３１ａより熱伝導性が高い冷却用部材（図示せず）が孔６１に挿入されてもよい。例えば冷却用部材は、棒状である。冷却用部材は、例えば、アルミニウム合金等の熱伝導性の高い金属により形成される。冷却用部材は、孔６１の内面に接触させてもよい。冷却用部材の孔６１から突出させた部分は、ヒートシンク等の冷却源（図示せず）に接続してもよい。このような構成によっても、中心コア３１ａを冷却できる。

図１４〜図１６は、実施形態の誘導加熱装置によりステータコア１０を加熱する場合におけるジュール損密度（Ｗ／ｍ^３）の分布の解析結果を示している。図１４は、比較例の誘導加熱装置によりステータコアを加熱する場合において、円板状の第１断熱部の厚みが大きい（５ｍｍとした）場合におけるステータコアの周方向一部におけるジュール損密度の分布の解析結果を示している。比較例の誘導加熱装置は、図１〜図６の実施形態の誘導加熱装置３０において、２つの金属環４４がない構成と同様である。図１４において、ステータコア１０において最もジュール損密度が低い部分を無地部で示している。そして、無地部、砂地部、斜線部、斜格子部の順にジュール損密度が高くなり、黒地部で最もジュール損密度が高くなることを示している。

図１４の解析結果から、比較例の場合には、円板状の第１断熱部の厚みを大きくした場合には、ステータヨーク１３の端面付近でジュール損密度が高くなることで、温度上昇が大きくなりやすいことが確認された。この理由として、励磁コイル３３（図５参照）によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束により、ステータヨーク１３の軸方向端部が集中的に加熱されやすいことが考えられる。

一方、図１５は、図１に示した実施形態の誘導加熱装置３０によりステータコア１０を加熱する場合において、第１断熱部４０の厚みが大きい（５ｍｍとした）場合におけるステータコア１０の周方向一部におけるジュール損密度の分布の解析結果を示している。図１５において、無地部、砂地部、斜線部、斜格子部の意味は図１４の場合と同様である。

図１５の解析結果から、図１４の場合と同様に第１断熱部４０の厚みを大きくした場合でも、図１４の場合より、ステータヨーク１３の端面付近でジュール損密度が低くなった。このことから、図１〜図６の構成のように、誘導加熱装置３０に金属環４４を設ける場合には、励磁コイル３３（図５参照）によってステータヨーク１３の軸方向端面に発生する磁束を、金属環４４を流れる誘導電流により発生する磁束で相殺または緩和することができ、ステータヨーク１３の軸方向端部が集中的に加熱されることを抑制できることを確認できた。誘導加熱装置に短絡コイル４６、または端面側逆極性コイル４８を設けた場合も、図１５に示すような解析結果と同様であった。

また、図１６は、図１１に示した誘導加熱装置３０ｄによりステータコア１０を加熱する場合において、第１断熱部４０の厚みが大きい（５ｍｍとした）場合におけるステータコア１０の周方向一部におけるジュール損密度の分布の解析結果を示している。図１１の構成のように、誘導加熱装置３０ｄに外周側逆極性コイル５０を設けた場合には、図１６のような結果を得られた。この場合には、ステータコア１０の外周部で図１５の場合よりジュール損密度が少し大きくなったが、ステータヨーク１３の端面付近で、図１４の場合よりジュール損密度が低くなる解析結果を得られた。

なお、上述の実施形態の各例の誘導加熱装置において、外周ヨークを省略することもできる。

また、図示は省略するが、図８の端面側逆極性コイル４８または図１１、図１２の外周側逆極性コイル５０を有する構成において、回路切換部と制御装置とを設けることもできる。例えば、２つの端面側逆極性コイルの合計の巻き数を励磁コイル３３の巻き数より多くした構成で、端面側逆極性コイルの中間位置と励磁コイル３３とを回路切換部を介して逆極性で接続する。回路切換部は、例えばリレースイッチ等であり、制御装置により制御される。制御装置は、例えばステータコアが４００℃等の所定温度以上で回路切換部を接続し、所定温度未満で回路切換部を遮断する。回路切換部の遮断では、合計の巻き数が励磁コイル３３より多い２つの端面側逆極性コイルと励磁コイル３３とが接続される。回路切換部の接続によって、２つの端面側逆極性コイルのうち、励磁コイル３３に直列接続される部分の合計の巻き数を、励磁コイル３３の巻き数より少なくする。

また、２つの端面側逆極性コイルの合計の巻き数を励磁コイル３３の巻き数より少なくした構成で、端面側逆極性コイルと励磁コイル３３とを回路切換部を介して逆極性で接続してもよい。この構成では、制御装置が、例えばステータコアが４００℃等の所定温度以上で回路切換部を遮断し、所定温度未満で回路切換部を接続する。

また、外周側逆極性コイルの巻き数を励磁コイル３３の巻き数より多くした構成で、外周側逆極性コイルの中間位置と励磁コイル３３とを回路切換部を介して逆極性で接続してもよい。制御装置は、例えばステータコアが４００℃等の所定温度以上で回路切換部を接続し、所定温度未満で回路切換部を遮断する。回路切換部の遮断では、巻き数が励磁コイル３３より多い外周側逆極性コイルと励磁コイル３３とが接続される。回路切換部の接続によって、外周側逆極性コイルのうち、励磁コイル３３に直列接続される部分の巻き数を励磁コイルの巻き数より少なくする。

また、外周側逆極性コイルの巻き数を励磁コイル３３の巻き数より少なくした構成で、外周側逆極性コイルと励磁コイル３３とを回路切換部を介して逆極性で接続してもよい。この構成では、制御装置が、例えばステータコアが４００℃等の所定温度以上で回路切換部を遮断し、所定温度未満で回路切換部を接続する。

１０回転電機ステータコア（ステータコア）、１３ステータヨーク、１４ティース、１６スロット、３０，３０ａ〜３０ｄ誘導加熱装置、３１，３１ａ中心コア、３３励磁コイル、４０第１断熱部、４２第２断熱部、４４金属環、４６短絡コイル、４８端面側逆極性コイル、５０外周側逆極性コイル、５２第１断熱部、５４，５４ａ，５４ｂ外周ヨーク、５５筒部、５６板部、５７ヨーク要素、５７ａ，５７ｂ板部、５８第１ヨーク要素、５９第２ヨーク要素、５９ａ板部、５９ｂ連結板部、６１孔。

Claims

環状のヨークと、前記ヨークの周方向複数位置から径方向内側に延びる複数のティースとを備える回転電機ステータコアの誘導加熱装置であって、
前記回転電機ステータコアの内周側に配置され、励磁コイルが巻かれた柱状の中心コアと、
前記回転電機ステータコアの外周側の前記ヨークの軸方向端面または外周面に第１断熱部を介して対向配置された少なくとも１つの環状の電流発生源であって、前記励磁コイルによって前記ヨークの軸方向端面に発生する磁束を打ち消す方向に磁束を発生させるように構成される少なくとも１つの電流発生源と、
前記励磁コイルの外周面と前記回転電機ステータコアとの間に配置された第２断熱部とを備える、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
請求項１に記載の回転電機ステータコアの誘導加熱装置において、
前記少なくとも１つの電流発生源は、前記ヨークの軸方向両端面上の空間に配置された２つの電流発生源であって、周方向に連続した２つの金属環、または、巻き始めと巻き終わりを短絡させた２つの短絡コイル、または前記励磁コイルに対して逆極性となるように接続された２つの端面側逆極性コイルである、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
請求項２に記載の回転電機ステータコアの誘導加熱装置において、
前記２つの電流発生源は、前記２つの端面側逆極性コイルであって、合計の巻き数が前記励磁コイルの巻き数の半分以下で、前記励磁コイルに対して逆極性で接続されている、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
請求項１に記載の回転電機ステータコアの誘導加熱装置において、
前記少なくとも１つの電流発生源は、前記ヨークの外周側に配置され、前記励磁コイルに対して逆極性となるように接続された外周側逆極性コイルである、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
請求項４に記載の回転電機ステータコアの誘導加熱装置において、
前記外周側逆極性コイルは、前記励磁コイルの巻き数の半分以下の巻き数で、前記励磁コイルに接続されている、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
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ステータコアの誘導加熱装置において、
断面が矩形のヨーク要素を含んで形成されるか、または筒部の両端に前記筒部の両端開口を塞ぐように２つの板部が連結される外周ヨークが、前記中心コアを覆って、前記中心コアの軸方向端面に対向して配置される、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
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ステータコアの誘導加熱装置において、
前記中心コアの中心部に、軸方向に貫通する孔が形成され、前記孔に冷却液が流通するか、または前記中心コアより熱伝導性が高い冷却用部材が挿入されることにより、前記中心コアが冷却される、
回転電機ステータコアの誘導加熱装置。
請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の回転電機ステータコアの誘導加熱装置を用いて前記回転電機ステータコアの前記ティースを誘導加熱する方法であって、
前記励磁コイルに交流電流を供給することで、前記中心コアと前記ティースに磁束を流し、前記ティースを焼鈍する磁束発生ステップを含む、
回転電機ステータコアの誘導加熱方法。