JP2022122982A - 積層コアおよび回転電機 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2018年12月17日に、日本に出願された特願2018-235866号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
<1>本発明の第一の態様は、互いに積層された複数の電磁鋼板を備え、
積層方向に隣り合う全ての組の電磁鋼板同士が固定された積層コアであって、
前記全ての組の電磁鋼板同士のうち、一部の組の電磁鋼板同士はかしめられ接着されておらず、残りの組の電磁鋼板同士は接着部により接着されかしめられておらず、
前記複数の電磁鋼板は、積層方向に1組以上おきに接着されている積層コア(ただし、1組おきにのみ接着されているものを除く)である。
<2>前記<1>に記載の積層コアにおいて、前記複数の電磁鋼板では、積層方向に互いに異なる組数おきに接着されている部分が混在していてもよい。
<3>前記<1>に記載の積層コアにおいて、前記複数の電磁鋼板では、積層方向に互いに異なる組数おきに接着されていてもよい。
<4>前記<1>に記載の積層コアにおいて、前記複数の電磁鋼板は、積層方向に素数組おきに接着されている部分が混在していてもよい。
<5>前記<1>に記載の積層コアにおいて、前記複数の電磁鋼板は、積層方向に1組超おきに接着されている部分が混在してもよい。
<6>前記<1>に記載の積層コアにおいて、前記複数の電磁鋼板は、積層方向に1組超おきに接着されていてもよい。
<7>前記<1>~<6>のいずれか1つに記載の積層コアにおいて、前記電磁鋼板は、環状のコアバック部と、前記コアバック部から前記コアバック部の径方向に突出するとともに前記コアバック部の周方向に間隔をあけて配置された複数のティース部と、を備えていてもよい。
<8>前記<1>~<7>のいずれか1つに記載の積層コアにおいて、前記接着部の平均厚みが1.0μm~3.0μmであってもよい。
<9>前記<1>~<8>のいずれか1つに記載の積層コアにおいて、前記接着部の平均引張弾性率Eが1500MPa~4500MPaであってもよい。
<10>前記<1>~<9>のいずれか1つに記載の積層コアにおいて、前記接着部の接着剤が、エラストマー含有アクリル系接着剤からなるSGAを含む常温接着タイプのアクリル系接着剤であってもよい。
<11>本発明の第二の態様は、前記<1>~<10>のいずれか1つに記載の積層コアを備える回転電機である。
また、前記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案してもよい。
(1)本発明の更なる第一の態様は、互いに積層された複数の電磁鋼板を備え、積層方向に隣り合う全ての組の電磁鋼板同士が固定された積層コアであって、前記全ての組の電磁鋼板同士のうち、一部の組の電磁鋼板同士はかしめられ接着されておらず、残りの組の電磁鋼板同士は接着されかしめられていない積層コアである。
しかしながら、かしめによる接合は、積層方向に隣り合う電磁鋼板間において短絡電流(迷走電流)を発生させるおそれがある。ここで、積層方向に隣り合う全ての組の電磁鋼板同士のうち、前記一部の組を除く残りの組の電磁鋼板同士が接着されている。したがって、これらの残りの組の電磁鋼板同士の間では、迷走電流の発生を抑制することができる。その結果、積層コアの磁気特性を向上させることができる。
ここで複数の電磁鋼板が、積層方向にN組おきに接着されている場合、積層コアの共振周波数は、Nに依存する傾向にある。
すなわち、N組おきに接着されている場合、積層方向に隣り合う接着部の間に、(N+1)枚の電磁鋼板が配置され、かつ、これらの電磁鋼板が互いにかしめられている。接着部による接合強度が、かしめによる接合強度よりも低い場合、前記(N+1)枚の電磁鋼板が、接着部を起点として一体的に挙動し易くなる。言い換えると、前記(N+1)枚の電磁鋼板が1つのブロックであるかのように挙動する。このような積層コアにおいて、複数の電磁鋼板が、積層方向に等間隔をあけてN組おきに接着されている場合、積層コアの共振周波数は、Nの約数に影響を受ける。また、複数の電磁鋼板が、積層方向に互いに異なるN1組おき、N2組おき、…に接着されている場合、積層コアの共振周波数は、N1、N2…についての最小公倍数に影響を受ける。前記の約数や前記最小公倍数が大きいほど、積層コアの共振周波数は高くなる。
複数の電磁鋼板が、積層方向に素数組おきに接着されている。そのため、複数の電磁鋼板が、積層方向に等間隔をあけてN組おき(ただし、Nは素数)に接着されている場合であっても、Nが素数であり、前記の約数を大きくすることができる。さらに、複数の電磁鋼板が、積層方向に互いに異なるN1組おき、N2組おき、…に接着されている場合においても、N1、N2…についての最小公倍数を大きくすることができる。したがって、積層コアの共振周波数を高くすることができる。その結果、例えば、共振周波数を可聴域より高い周波数とすることができる。これにより、例えばこの積層コアを電動機に適用した場合などにおいても、共振による騒音の発生を抑制することができる。
なおこのような作用効果は、積層方向に互いに異なる素数組おきに接着されている場合に顕著に奏功される。すなわち、この場合には前記最小公倍数を大きくすることができる。
本実施形態では、回転電機10として、ロータ30がステータ20の内側に位置するインナーロータ型を採用している。しかしながら、回転電機10として、ロータ30がステータ20の外側に位置するアウターロータ型を採用してもよい。また本実施形態では、回転電機10が、12極18スロットの三相交流モータである。しかしながら、例えば極数やスロット数、相数などは適宜変更することができる。なおこの回転電機10は、例えば、各相に実効値10A、周波数100Hzの励磁電流を印加することにより、回転数1000rpmで回転することができる。
ステータコア21は、環状のコアバック部22と、複数のティース部23と、を備える。以下では、ステータコア21(コアバック部22)の軸方向(ステータコア21の中心軸線O方向)を軸方向といい、ステータコア21(コアバック部22)の径方向(ステータコア21の中心軸線Oに直交する方向)を径方向といい、ステータコア21(コアバック部22)の周方向(ステータコア21の中心軸線O周りに周回する方向)を周方向という。
複数のティース部23は、コアバック部22から径方向の内側に向けて(径方向に沿ってコアバック部22の中心軸線Oに向けて)突出する。複数のティース部23は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角20度おきに18個のティース部23が設けられている。複数のティース部23は、互いに同等の形状で、かつ同等の大きさに形成されている。なお、例えば、コギングトルク低減の目的で、複数のティース部23の形状、大きさは同等でなくてもよい。
前記巻線は、ティース部23に巻き回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
ロータコア31は、ステータ20と同軸に配置される環状(円環状)に形成されている。ロータコア31内には、前記回転軸60が配置されている。回転軸60は、ロータコア31に固定されている。
複数の永久磁石32は、ロータコア31に固定されている。本実施形態では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成している。複数組の永久磁石32は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角30度おきに12組(全体では24個)の永久磁石32が設けられている。なお、例えば、コギングトルク低減の目的で、複数組の永久磁石32の間隔は、同等でなくてもよい。
なおステータコア21およびロータコア31それぞれの積厚は、例えば50.0mmとされる。ステータコア21の外径は、例えば250.0mmとされる。ステータコア21の内径は、例えば165.0mmとされる。ロータコア31の外径は、例えば163.0mmとされる。ロータコア31の内径は、例えば30.0mmとされる。ただし、これらの値は一例であり、ステータコア21の積厚、外径や内径、およびロータコア31の積厚、外径や内径はこれらの値に限られない。ここで、ステータコア21の内径は、ステータコア21におけるティース部23の先端部を基準としている。ステータコア21の内径は、全てのティース部23の先端部に内接する仮想円の直径である。
一方で絶縁被膜が厚くなるに連れて絶縁効果が飽和する。また、絶縁被膜が厚くなるに連れて占積率が低下し、積層コアとしての性能が低下する。したがって、絶縁被膜は、絶縁性能が確保できる範囲で薄い方がよい。絶縁被膜の厚さ(電磁鋼板40片面あたりの厚さ)は、好ましくは0.1μm以上5μm以下、さらに好ましくは0.1μm以上2μm以下である。
一方で電磁鋼板40が厚すぎると、電磁鋼板40のプレス打ち抜き作業が困難になる。そのため、電磁鋼板40のプレス打ち抜き作業を考慮すると電磁鋼板40の厚さは0.65mm以下とすることが好ましい。
また、電磁鋼板40が厚くなると鉄損が増大する。そのため、電磁鋼板40の鉄損特性を考慮すると、電磁鋼板40の厚さは0.35mm以下とすることが好ましく、より好ましくは、0.20mmまたは0.25mmである。
上記の点を考慮し、各電磁鋼板40の厚さは、例えば、0.10mm以上0.65mm以下、好ましくは、0.10mm以上0.35mm以下、より好ましくは0.20mmや0.25mmである。なお電磁鋼板40の厚さには、絶縁被膜の厚さも含まれる。
なお、平均引張弾性率Eは、共振法により測定される。具体的には、JIS R 1602:1995に準拠して引張弾性率を測定する。
より具体的には、まず、測定用のサンプル(不図示)を製作する。このサンプルは、2枚の電磁鋼板40間を、測定対象の接着剤により接着し、硬化させて接着部41を形成することにより、得られる。この硬化は、接着剤が熱硬化型の場合には、実操業上の加熱加圧条件で加熱加圧することで行う。一方、接着剤が常温硬化型の場合には常温下で加圧することで行う。
そして、このサンプルについての引張弾性率を、共振法で測定する。共振法による引張弾性率の測定方法は、上述した通り、JIS R 1602:1995に準拠して行う。その後、サンプルの引張弾性率(測定値)から、電磁鋼板40自体の影響分を計算により除くことで、接着部41単体の引張弾性率が求められる。
このようにしてサンプルから求められた引張弾性率は、積層コア全体としての平均値に等しくなるので、この数値をもって平均引張弾性率Eとみなす。平均引張弾性率Eは、その積層方向に沿った積層位置や積層コアの中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらないよう、組成が設定されている。そのため、平均引張弾性率Eは、積層コアの上端位置にある、硬化後の接着部41を測定した数値をもってその値とすることもできる。
一方で接着部41の厚さが100μmを超えると接着力が飽和する。また、接着部41が厚くなるに連れて占積率が低下し、積層コアをモータにした時のトルク密度が低下する。したがって、接着部41の厚さは1μm以上100μm以下、さらに好ましくは1μm以上10μm以下とすることが好ましい。
なお、上記において接着部41の厚さは、接着部41の平均厚みを意味する。
接着部41の平均厚みは、積層コア全体としての平均値である。接着部41の平均厚みはその積層方向に沿った積層位置や積層コアの中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらない。そのため、接着部41の平均厚みは、積層コアの上端位置において、円周方向10箇所以上で測定した数値の平均値をもってその値とすることができる。
なお、ステータコア21やロータコア31などの積層コアは、いわゆる回し積みにより形成されていてもよい。
ここで、複数の電磁鋼板40が積層方向にN組おきに接着されていることは、積層方向に離れて配置された一対の接着部41同士の間に、N組(N+1枚)の電磁鋼板40が配置されていることを意味する。Nが1の場合、前記一対の接着部41同士の間に1組(2枚)の電磁鋼板40が配置され、Nが2の場合、前記一対の接着部41同士の間に2組(3枚)の電磁鋼板40が配置される。
なおこの変形例において、1組おき、2組おきに代えて、3組おき以上の組数おきに接着してもよい。
また、複数の電磁鋼板40が、積層方向に第1の組数おきと第2の組数おきとに交互に接着されていなくてもよい。例えば、第1の組数おきの接着と第2の組数おきの接着とが、不規則に配置されていてもよい。
さらに、複数の電磁鋼板40が、積層方向に第1の組数おきと第2の組数おきとの2種類の組数おきに交互に接着されていなくてもよい。すなわち、3種類以上の組数おきに交互に接着されていてもよい。
第2の接着部41bは、電磁鋼板40の内周縁に沿って配置されている。第2の接着部41bは、周方向の全周にわたって連続して延びている。
ティース部分44は、一対の第1部分44aと、第2部分44bと、を備えている。第1部分44aは、周方向に間隔をあけて配置されている。第1部分44aは、径方向に沿って延びている。第1部分44aは、径方向に帯状に延びている。第2部分44bは、一対の第1部分44a同士を周方向に連結している。第2部分44bは、周方向に帯状に延びている。
なお、電磁鋼板40を接着部41により接着することで、電磁鋼板40をかしめる場合に比べて、接着面積(接合面積)を容易に確保することができる。
第2かしめC2は、全てのティース部23に設けられている。第2かしめC2は、各ティース部23の周方向の中央に配置されている。第2かしめC2は、各ティース部23に径方向に2つ並んで配置されている。
ここで、互いにかしめられている2枚の電磁鋼板40のうち、一方を第1の電磁鋼板40といい、他方を第2の電磁鋼板40という。第1かしめC1は、第1の電磁鋼板40の凸部C11が、第2の電磁鋼板40の凹部C12に嵌め込まれることにより形成されている。凸部C11が凹部C12に嵌め込まれ、第1かしめC1が形成されることにより、積層方向に隣り合う2枚の電磁鋼板40同士の相対的な変位が規制される。
また、凸部C11が突出する向き、凹部C12が窪む向きは、積層方向の第1側D1、第2側D2のどちらであってもよい。
さらに本実施形態では、互いに接着されている電磁鋼板40は、かしめられていない。言い換えると、互いに接着されている電磁鋼板40では、凸部C11および凹部C12が嵌め合わされていない。すなわち、互いに接着されている電磁鋼板40の相対的な変位の規制が、少なくとも凸部C11および凹部C12の嵌め合いよっては実現されていない。
本実施形態では、周方向に隣り合うティース部23間のスロットに巻線を通すときに、前述した取り扱い性が確保されているという作用効果が顕著に奏功される。すなわち、スロットの寸法精度が高められると、巻線を設計通りにティース部23に巻き回し易くすることができる。これにより、スロットにおける巻線占積率を高めることができる。結果として、スロット内の電気装荷を高めることができる。
ここで複数の電磁鋼板40が、積層方向にN組おきに接着されている場合、ステータコア21の共振周波数は、Nに依存する傾向にある。
すなわち、N組おきに接着されている場合、積層方向に隣り合う接着部41の間に、(N+1)枚の電磁鋼板40が配置され、かつ、これらの電磁鋼板40が互いにかしめられている。接着部41による接合強度が、かしめによる接合強度よりも低い場合、前記(N+1)枚の電磁鋼板40が、接着部41を起点として一体的に挙動し易くなる。言い換えると、前記(N+1)枚の電磁鋼板40が1つのブロックであるかのように挙動する。このようなステータコア21において、複数の電磁鋼板40が、積層方向に等間隔をあけてN組おきに接着されている場合、ステータコア21の共振周波数は、Nの約数に影響を受ける。また、複数の電磁鋼板40が、積層方向に互いに異なるN1組おき、N2組おき、…に接着されている場合、ステータコア21の共振周波数は、N1、N2…についての最小公倍数に影響を受ける。前記の約数や前記最小公倍数が大きいほど、ステータコア21の共振周波数は高くなる。
なおこのような作用効果は、上記実施例のように、積層方向に互いに異なる組数おきに接着されている場合に顕著に奏功される。すなわち、この場合には前記最小公倍数を大きくすることができる。
前記実施形態では、同期電動機として、永久磁石界磁型電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機がリラクタンス型電動機や電磁石界磁型電動機(巻線界磁型電動機)であってもよい。
前記実施形態では、交流電動機として、同期電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が誘導電動機であってもよい。
前記実施形態では、電動機として、交流電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が直流電動機であってもよい。
前記実施形態では、回転電機として、電動機を一例に挙げて説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が発電機であってもよい。
検証試験として、第1の検証試験と、第2の検証試験と、を実施した。
第1の検証試験では、かしめと接着とが混合されることに基づく作用効果について検証した。
この検証試験では、比較例1、2のステータ、参考例1、実施例2、3のステータについてシミュレーションを実施した。
第2の検証試験では、接着間隔と共振との関係について検証した。
この検証試験では、参考例11、実施例12~21のステータについてシミュレーションを実施した。
参考例11のステータでは、250枚の電磁鋼板を、積層方向に1組おきに接着により接合し、残りをかしめにより接合した(接着とかしめとにより交互に接合した)。
実施例12のステータでは、250枚の電磁鋼板を、積層方向に2組おきに接着により接合し、残りをかしめにより接合した。
実施例13~19のステータも同様に、250枚の電磁鋼板を、積層方向に3組おき、4組おき、・・・、9組おきと、接着による接合する間隔を、実施例の番号の増加に伴い1組ずつ増やしていった。
実施例20のステータでは、250枚の電磁鋼板において、積層方向に3組おきに接着した部分と、積層方向に5組おきに接着した部分と、を混在させた上で、接着されていない組をかしめにより接合した。
実施例21のステータでは、250枚の電磁鋼板において、積層方向に3組おきに接着した部分と、積層方向に5組おきに接着した部分と、積層方向に7組おきに接着した部分と、を混在させた上で、接着されていない組をかしめにより接合した。
さらに、実施例20、21のステータ(複数の電磁鋼板において、積層方向に互いに異なる素数組おきに接着されている部分が混在しているステータ)では、可聴域の振動が極めて弱いことが確認された。
21 ステータコア(積層コア)
22 コアバック部
23 ティース部
40 電磁鋼板
Claims (11)
- 互いに積層された複数の電磁鋼板を備え、
積層方向に隣り合う全ての組の電磁鋼板同士が固定された積層コアであって、
前記全ての組の電磁鋼板同士のうち、一部の組の電磁鋼板同士はかしめられ接着されておらず、残りの組の電磁鋼板同士は接着部により接着されかしめられておらず、
前記複数の電磁鋼板は、積層方向に1組以上おきに接着されている積層コア(ただし、1組おきにのみ接着されているものを除く)。 - 前記複数の電磁鋼板では、積層方向に互いに異なる組数おきに接着されている部分が混在している請求項1に記載の積層コア。
- 前記複数の電磁鋼板では、積層方向に互いに異なる組数おきに接着されている請求項1に記載の積層コア。
- 前記複数の電磁鋼板は、積層方向に素数組おきに接着されている部分が混在している請求項1に記載の積層コア。
- 前記複数の電磁鋼板は、積層方向に1組超おきに接着されている部分が混在している請求項1に記載の積層コア。
- 前記複数の電磁鋼板は、積層方向に1組超おきに接着されている請求項1に記載の積層コア。
- 前記電磁鋼板は、環状のコアバック部と、前記コアバック部から前記コアバック部の径方向に突出するとともに前記コアバック部の周方向に間隔をあけて配置された複数のティース部と、を備えている請求項1から6のいずれか1項に記載の積層コア。
- 前記接着部の平均厚みが1.0μm~3.0μmである請求項1から7のいずれか1項に記載の積層コア。
- 前記接着部の平均引張弾性率Eが1500MPa~4500MPaである請求項1から8のいずれか1項に記載の積層コア。
- 前記接着部の接着剤が、エラストマー含有アクリル系接着剤からなるSGAを含む常温接着タイプのアクリル系接着剤である請求項1から9のいずれか1項に記載の積層コア。
- 請求項1から10のいずれか1項に記載の積層コアを備える回転電機。
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