JP4264265B2 - 低鉄損内転型電動機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機の鉄芯の固定技術に係り、特に打抜かれた電磁鋼板を積層し一体化し製造される電動機用鉄芯の鉄損低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から各種電気機器の効率向上が求められている。電機機器の効率は各種要因に影響されるが、電動機の鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、従って最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板が使用される場合が増加している。
このような電磁鋼板を用いて、内転型電動機の積層固定子および積層回転子を製造する方法としては、鋼板を打抜き、所定枚数を単位鉄芯として積層し、ボルト締め、カシメ、溶接を用いて固着するのが一般的である。さらに、積層固定子は、巻線コイルの組立て工程を経て、固定子を囲うケースに固定される。固定子をケースに固定する方法は、積層方向にボルト通過用に開けた穴にボルトを通し、ボルトをケースへ固定するボルト締付型、および、固定子外径とほぼ同じ大きさの内径を持つケースに焼嵌める焼嵌め型等が一般的である。
【０００３】
電動機稼働時には、固定子に巻かれた巻線コイルを流れる電流によって生じるジュール発熱により、固定子は熱せられる。固定子の温度が上昇すると、電磁鋼板としての特性が低下し、更に固定子の内側で回転する回転子に埋め込まれている永久磁石の温度も上昇し、永久磁石の性能が著しく低下してしまう。そのため一般的に、外側のケースを水冷または空冷による冷却を施し、熱伝導によって固定子を冷却する。特許文献１の様に、ケース外側に冷却フィンを取り付け、冷却能力を向上させる技術がある。
【０００４】
しかし、ケースの冷却能力を向上しても、ボルト固定型の様にケースと固定子の間に隙間が生じていると、固定子からケースへの熱伝達が阻害され、固定子の温度を十分低下させることができない。
更に、固定子の温度上昇により熱膨張し、ケースと固定子との隙間は減少し冷却能力は向上するが、固定子がケースに接触すると固定子内部に圧縮応力が生じると図1に示す様に鉄損を増加させてしまう（非特許文献１）。
焼嵌め型の場合は、固定子とケースとの接触が良く冷却能力は高いが、非熱的にも固定子に圧縮応力が生じる。固定子の熱膨張により、さらに大きな圧縮応力が生じ、鉄損は増大する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−９２０８６号公報
【非特許文献１】
電気学会回転機研究資料ＲＭ−９５−２７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のボルト締付型、焼嵌め型等の固定方法では、固定子の熱膨張によってケースと固定子が接触することで内部に圧縮応力が生じるため、電動機として得られる最大の性能を引き出せない。
本発明は、電動機用固定子とケースとの接触を防ぎ、冷却能力を向上させ、上記特許文献１に示される手法でケースに冷却フィンを取り付けた電動機に比べて鉄損を低減させ、電動機の性能が最大限に発揮される内転型電動機を提供すること目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、
（１）鋼板を所定の形状に打抜き、複数枚積層し、一体化した固定子をケースに固定した内転型電動機において、固定子とケースの隙間にヤング率が１０００［ＭＰａ］以下の固体または液体である物質が充填され、前記隙間ｄ［ｍｍ］と前記物質の熱伝導率λ［Ｗ／ｍＫ］が（１）式を満たすことを特徴とする低鉄損内転型電動機。
１＜λ／ｄ＜１００ （１）
（２）鋼板を所定の形状に打抜き、複数枚積層し、一体化した固定子をケースに固定した内転型電動機において、固定子とケースの隙間に熱伝導率が１〜１０［Ｗ／ｍＫ］の固体または液体である物質が充填され、固定子外径Ｒ［ｍｍ］と前記隙間ｄ［ｍｍ］が（２）式を満たすことを特徴とする（１）に記載の低鉄損内転型電動機。
０．００５＜ｄ／Ｒ＜０．１ （２）
（３）固定子とケースの隙間に充填する物質の抵抗率が１０［Ωｍ］以上であることを特徴とする（１）または（２）に記載の低鉄損内転型電動機。
（４）固定子の軸方向端面とケースの蓋との間に隔壁を設け、前記隔壁とケース内径の間に前記物質を充填したことを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の低鉄損内転型電動機。
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図２に示される内転型電動機は、鋼板を図３に示される形状に打抜いたものを複数枚積層し、外周端面５において数カ所を積層方向に溶接することで、または、上下方向に数カ所をかしめることで一体化し、ティース部６に巻き線コイル７を巻いた固定子８をケース９に固定し、固定子８の内部に位置する回転軸１０および永久磁石１１を有する回転子１２からなる。また、上記電動機を作動させるため、図２における巻き線コイル７には交流電流が流される。
【０００９】
前述したように、固定子の鉄損を増加させる原因の一つに、固定子内に生じる圧縮応力がある。図１に示すように、磁束方向に圧縮応力が生じると鉄損が増加することが一般に知られている（電気学会回転機研究資料ＲＭ−９５−２７）。従来の電動機の場合、作動中に巻き線コイルに流れる電流によってジュール熱が発生し、この熱は固定子を加熱する。固定子を冷却するためにケースを水冷または空冷によって冷却しているが、ケースと固定子の熱伝達率が悪く、ケースのみが冷却され固定子の冷却は十分でない。更に、固定子が加熱されると、ケースの熱膨張に比べ固定子の熱膨張が大きく、ケースと固定子が接触してしまう。この固定子ケースとの接触により固定子の熱膨張は拘束されるので、固定子ヨーク部１３には大きな周方向の圧縮応力が生じる。この圧縮応力が、鉄損を大幅に増加させると予想される。しかも、固定子からの熱伝達により、回転子および回転子内部に埋め込まれた永久磁石の温度も上昇し、永久磁石の保磁力が低下してしまうことが予想される。
【００１０】
従来の内転型電動機の鉄損および永久磁石の温度を測定するために、水平断面図の図４、垂直断面図の図５に示される電動機を作成した。寸法は、以下の（ａ）から（ｆ）に示される。
（ａ）固定子１５のティース１６の先端半径Ｒt＝１８０mm、ヨーク部１７内周の半径Ｒsi＝２５０mm、ヨーク部１７外周の半径Ｒso＝３１０mm、固定子１５の高さＨs＝２０mm
（ｂ）ケース１８内周の半径Ｒci＝３１０．１mm、ケース１８外周の半径Ｒco＝３２０．１mm、ケース１８の深さＨc＝３０mm
（ｃ）回転子１９の半径Ｒro＝１７９mm
（ｄ）ケース１８と固定子１５の隙間ｄ＝０．１mm
（ｅ）回転子１９の永久磁石２０の材質：ＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ
（ｆ）ケース１８の冷却水量Ｗ＝１リットル/min
【００１１】
ケース１８には、冷却水路２５があり、入側２６から冷却水が供給され、出側２７から排出される。固定子１５は、周囲３箇所にボルト穴２４が開けられており、ボルト２３によってケース１８に固定される。また、永久磁石２０および回転軸２１を有する回転子１９は、軸受け３０を介してケース１８に固定される。さらに、上部にケース１８にボルト２９で固定される蓋２８が設置される。
【００１２】
測定の条件は以下の（ａ）および（ｂ）とした。
（ａ）電流周波数ｆ＝４００Hz
（ｂ）励磁電流密度Ｊ＝１０ATrms／mm2
このときの固定子１５の鉄損は、Ｐ＝９６［W/kg］であった。また、回転子１９の外周の温度Ｔrは、Ｔr＝１１０℃であった。
【００１３】
本発明においては、電動機用固定子とケースの接触により固定子内部に発生する圧縮応力を低減させることで鉄損を低減し、かつ、固定子とケース間の熱伝達率を向上させることで固定子および回転子の温度を低下させ永久磁石の保磁力を確保する電動機を提供するものである。その電動機用を実現させる具体的手段を以下に述べる。
【００１４】
前記（１）にかかる発明の形態として、内転型電動機において、固定子および回転子の寸法形状は従来の電動機と同じであるが、ケース径を拡大し、ケースと固定子の隙間にシリコンペースト等の高熱伝導率物質を充填する。このとき、ケースと固定子の隙間ｄ［mm］と隙間の充填物質の熱伝導率λ［W/mK］は、ケースと固定子の熱伝達率を確保するために、λ／ｄ＞１の関係を満たすのが良い。一方、固定子の変形は少なくとも０．１mm以上あり、それよりもｄを大きくする必要がある。さらに、絶縁体の場合、熱伝導率が良いもので１０［W/mK］程度であることから、λ／ｄ＜１００とする。
また、固定子の熱膨張を阻害することがないよう十分に柔らかい必要がり、ヤング率が１０００［MPa］以下のものが良い。
【００１５】
さらに、ケースと固定子の隙間をくまなく充填する物質は高熱伝導率の液体または固体が望ましく、ゲル状物質も本発明の範囲内とする。これにより、ケースと固定子の隙間を例えば３mmと大きくとることにより、固定子の熱膨張がケースによって拘束されないため、固定子内の圧縮応力の発生を防ぎ、鉄損増加を抑制することができる。また、シリコンペーストによって熱伝導が向上するので、回転子外径の温度も低下させることができる。これにより、回転子に埋め込まれた永久磁石の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石の保磁力低下を抑制できる。
【００１６】
前記（２）に係る発明の形態として、固定子の熱膨張量は、固定子の半径と正の相関を持つので、固定子の熱膨張を阻害させないために、固定子の外径Ｒ［mm］とケースと固定子の隙間ｄ［mm］は、ｄ／Ｒ＞０．００５の関係を満たすことが望ましい。また、ケースと固定子の隙間が大きすぎると熱伝達率が低下するため、ｄ／Ｒ＜０．１であることが望ましい。
また、ケースと固定子の隙間に充填する物質の熱伝導率λは、絶縁体の場合、高くとも１０［W/mK］程度であるが、固定子とケースの熱伝達を確保するためには１［W/mK］以上とすることが望ましい。
【００１７】
前記（３）に係る発明の形態として、固定子の積層間の短絡を防止するために、充填する物質は絶縁性を有するものが良い。特に、抵抗率が１０［Ωｍ］以上のものが望ましい。熱伝導率および抵抗率が高い物質として、シリコンオイルなどがある。抵抗率の上限は特に定めないが、一般に抵抗率の増加と共に熱伝導率が低下してしまうため、１００００［Ωｍ］以下とすることが好ましい。
【００１８】
前記（４）に係る発明の形態として、シリコンオイルなど液体やゲル状物質を充填した場合、流動性があるため形状を保てない。従って、ケース内部全体に充填させる必要があるが、充填物質が回転体に接触するために、充填物質が回転体の回転抵抗となってしまう。また、回転軸を支えるベアリングにも液漏れ防止のためシールを施す必要があり、これも回転抵抗を増加させる原因となる。そのため、充填物質を固定子の軸方向端面とケースの蓋との間に隔壁を設け、ケースと隔壁の間にのみ充填させるのが望ましい。
【００１９】
【実施例】
［実施例１］
本発明の一実施例について、水平断面図の図６、垂直断面図の図７に示される内転型電動機を作成した。寸法や物性は、以下の（ａ）から（ｆ）に示される。
（ａ）固定子３１のティース３２の先端半径Ｒt＝１８０mm、ヨーク部３３の内周半径Ｒsi＝２５０mm、ヨーク部３３の外周半径Ｒso＝３１０mm、ケース３４と固定子３１の隙間ｄ＝２mm、固定子３１の高さＨs＝２０mm
（ｂ）ケース３４の内周半径Ｒci＝３１３mm、外周半径Ｒco＝３２３mm、深さＨ c＝３０mm
（ｃ）回転子３５の半径Ｒro＝１７９mm
（ｄ）ケース３４と固定子３１の隙間に充填したシリコンペースト３６の熱伝導率λＳi＝３W/mK、抵抗率ρ＝１００Ωｍ
（ｅ）回転子３５の永久磁石４２の材質：ＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ
（ｆ）ケース３４の冷却水量Ｗ＝１リットル/min、温度Ｔc＝２５℃
【００２０】
ケース３４には、冷却水路３７があり、入側３８から冷却水が供給され、出側３９から排出される。固定子３１は、周囲３箇所にボルト穴４０が開けられており、ボルト４１によってケース３４に固定される。固定子３１とケース３４の隙間には、シリコンペースト３６が充填される。また、永久磁石４２および回転軸４３を有する回転子３５は、軸受け４４を介してケース３４に固定される。さらに、ケース上部にボルト４５で固定される蓋４６が設置される。
【００２１】
この電動機を以下の条件にて作動させ、回転子３５外径の温度および固定子３１の鉄損を測定した。
（ａ）電流周波数ｆ＝４００Hz
（ｂ）励磁電流密度Ｊ＝１０ATrms／mm2
このときの回転子３５外径の温度Ｔrは、Ｔr＝８０℃、鉄損は、Ｐ＝５８W/kgであり、図４，５で示される従来型内転型電動機に対し、回転子の温度上昇を３０℃低減し、鉄損を４０％低減できた。
【００２２】
［実施例２］
本発明の一実施例について、水平断面図の図８、垂直断面図の図９に示される内転型電動機を作成した。寸法や物性は、以下の（ａ）から（ｆ）に示される。
（ａ）固定子５０のティース５１の先端半径Ｒt＝１８０mm、ヨーク部５２の内周半径Ｒsi＝２５０mm、ヨーク部５２の外周半径Ｒso＝３１０mm、ケース５３と固定子５０の隙間ｄ＝２mm、固定子５０の高さＨs＝２０mm
（ｂ）ケース５３の内周半径Ｒci＝３１３mm、外周半径Ｒco＝３２３mm、深さＨ c＝３０mm
（ｃ）回転子５４の半径Ｒro＝１７９mm
（ｄ）ケース５３と隔壁５５の間に充填したシリコンオイル５６の熱伝導率λＳ i＝２．８W/mK、抵抗率ρ＝１００Ωｍ
（ｅ）回転子５４の永久磁石５７の材質：ＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ
（ｆ）ケース５３の冷却水量Ｗ＝１リットル/min、温度Ｔc＝２５℃
（ｇ）隔壁５５の半径Ｒw＝３０５mm
【００２３】
ケース５３には、冷却水路５８があり、入側５９から冷却水が供給され、出側６０から排出される。固定子５０は、周囲３箇所にボルト穴６１が開けられており、ボルト６２によってケース５３に固定される。固定子５０とケース５３の隙間には、シリコンオイル５６が充填される。また、永久磁石５７および回転軸６３を有する回転子５４は、軸受け６４を介してケースに固定される。さらに、ケース５３上部にボルト６５で固定される蓋６６が設置される。また、シリコンオイル５６は、オイルタンク６７から供給され、隔壁５５とケース５３の間に充填され、固定子５０の熱膨張やシリコンオイル５６そのものの体積変化によって固定子５０に圧縮応力がかからないように、タンク６７とケース５３を自由に行き来できる。オイル５６が、外部に流出しないよう、３本のオーリング６８ａ〜６８ｃでシールされている。
【００２４】
この電動機を以下の条件にて作動させ、回転子外径の温度および固定子の鉄損を測定した。
（ａ）電流周波数ｆ＝４００Hz
（ｂ）励磁電流密度Ｊ＝１０ATrms／mm2
このときの回転子外径の温度は、Ｔr＝７８℃、鉄損は、Ｐ＝５２W/kgであり、前述した従来内転型電動機に対し、回転子の温度上昇を３２℃低減し、固定子の鉄損を４３％低減できた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る内転型電動機により、回転子の温度上昇を従来内転型電動機に比べ約３０℃低減し、固定子の鉄損低減量を従来内転型電動機に比べ約４０％低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄損の残留応力依存性。
【図２】内転型電動機の模式図。
【図３】内転型電動機用固定子の形状。
【図４】従来の内転型電動機の一例の水平断面図。
【図５】従来の内転型電動機の一例の垂直断面図。
【図６】本発明の一例の水平断面図。
【図７】本発明の一例の垂直断面図。
【図８】本発明の一例の水平断面図。
【図９】本発明の一例の垂直断面図。
【符号の説明】
１ 磁束密度０．７Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
２ 磁束密度１．０Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
３ 磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
４ 磁束密度１．５Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
５ 内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
６ 内転型電動機の固定子のティース部
７ 内転型電動機の巻き線コイル
８ 内転型電動機の固定子
９ 内転型電動機のケース
１０ 内転型電動機の回転軸
１１ 内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
１２ 内転型電動機の回転子
１３ 内転型電動機の固定子のヨーク部
１４ 内転型電動機の固定子のスロット部
１５ 従来の内転型電動機の固定子
１６ 従来の内転型電動機の固定子のティース部
１７ 従来の内転型電動機の固定子のヨーク部
１８ 従来の内転型電動機のケース
１９ 従来の内転型電動機の回転子
２０ 従来の内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
２１ 従来の内転型電動機の回転軸
２２ 従来の内転型電動機の巻き線コイル
２３ 従来の内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト
２４ 従来の内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
２５ 従来の内転型電動機のケースの冷却水路
２６ 従来の内転型電動機のケースの冷却水入り口
２７ 従来の内転型電動機のケースの冷却水出口
２８ 従来の内転型電動機のケースの蓋
２９ 従来の内転型電動機のケースの蓋固定用ボルト
３０ 従来の内転型電動機の回転軸支持ベアリング
３１ 本発明例である内転型電動機の固定子
３２ 本発明例である内転型電動機の固定子のティース部
３３ 本発明例である内転型電動機の固定子のヨーク部
３４ 本発明例である内転型電動機のケース
３５ 本発明例である内転型電動機の回転子
３６ 本発明例である内転型電動機の充填材
３７ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水路
３８ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水入り口
３９ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水出口
４０ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
４１ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト
４２ 本発明例である内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
４３ 本発明例である内転型電動機の回転軸
４４ 本発明例である内転型電動機の回転軸支持ベアリング
４５ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋固定用ボルト
４６ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋
４７ 本発明例である内転型電動機の巻き線コイル
５０ 本発明例である内転型電動機の固定子
５１ 本発明例である内転型電動機の固定子のティース部
５２ 本発明例である内転型電動機の固定子のヨーク部
５３ 本発明例である内転型電動機のケース
５４ 本発明例である内転型電動機の回転子
５５ 隔壁
５６ 本発明例である内転型電動機の充填材
５７ 本発明例である内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
５８ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水路
５９ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水入り口
６０ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水出口
６１ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
６２ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト
６３ 本発明例である内転型電動機の回転軸
６４ 本発明例である内転型電動機の回転軸支持ベアリング
６５ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋固定用ボルト
６６ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋
６７ オイルタンク
６８ オーリング
６９ 本発明例である内転型電動機の巻き線コイル
【発明の属する技術分野】
本発明は電動機の鉄芯の固定技術に係り、特に打抜かれた電磁鋼板を積層し一体化し製造される電動機用鉄芯の鉄損低減技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、省エネルギーの観点から各種電気機器の効率向上が求められている。電機機器の効率は各種要因に影響されるが、電動機の鉄芯で発生する損失である鉄損は比較的大きな比重を占めており、従って最近ではより鉄損の少ない電磁鋼板が使用される場合が増加している。
このような電磁鋼板を用いて、内転型電動機の積層固定子および積層回転子を製造する方法としては、鋼板を打抜き、所定枚数を単位鉄芯として積層し、ボルト締め、カシメ、溶接を用いて固着するのが一般的である。さらに、積層固定子は、巻線コイルの組立て工程を経て、固定子を囲うケースに固定される。固定子をケースに固定する方法は、積層方向にボルト通過用に開けた穴にボルトを通し、ボルトをケースへ固定するボルト締付型、および、固定子外径とほぼ同じ大きさの内径を持つケースに焼嵌める焼嵌め型等が一般的である。
【０００３】
電動機稼働時には、固定子に巻かれた巻線コイルを流れる電流によって生じるジュール発熱により、固定子は熱せられる。固定子の温度が上昇すると、電磁鋼板としての特性が低下し、更に固定子の内側で回転する回転子に埋め込まれている永久磁石の温度も上昇し、永久磁石の性能が著しく低下してしまう。そのため一般的に、外側のケースを水冷または空冷による冷却を施し、熱伝導によって固定子を冷却する。特許文献１の様に、ケース外側に冷却フィンを取り付け、冷却能力を向上させる技術がある。
【０００４】
しかし、ケースの冷却能力を向上しても、ボルト固定型の様にケースと固定子の間に隙間が生じていると、固定子からケースへの熱伝達が阻害され、固定子の温度を十分低下させることができない。
更に、固定子の温度上昇により熱膨張し、ケースと固定子との隙間は減少し冷却能力は向上するが、固定子がケースに接触すると固定子内部に圧縮応力が生じると図1に示す様に鉄損を増加させてしまう（非特許文献１）。
焼嵌め型の場合は、固定子とケースとの接触が良く冷却能力は高いが、非熱的にも固定子に圧縮応力が生じる。固定子の熱膨張により、さらに大きな圧縮応力が生じ、鉄損は増大する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１−９２０８６号公報
【非特許文献１】
電気学会回転機研究資料ＲＭ−９５−２７
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のボルト締付型、焼嵌め型等の固定方法では、固定子の熱膨張によってケースと固定子が接触することで内部に圧縮応力が生じるため、電動機として得られる最大の性能を引き出せない。
本発明は、電動機用固定子とケースとの接触を防ぎ、冷却能力を向上させ、上記特許文献１に示される手法でケースに冷却フィンを取り付けた電動機に比べて鉄損を低減させ、電動機の性能が最大限に発揮される内転型電動機を提供すること目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の要旨とするところは、
（１）鋼板を所定の形状に打抜き、複数枚積層し、一体化した固定子をケースに固定した内転型電動機において、固定子とケースの隙間にヤング率が１０００［ＭＰａ］以下の固体または液体である物質が充填され、前記隙間ｄ［ｍｍ］と前記物質の熱伝導率λ［Ｗ／ｍＫ］が（１）式を満たすことを特徴とする低鉄損内転型電動機。
１＜λ／ｄ＜１００ （１）
（２）鋼板を所定の形状に打抜き、複数枚積層し、一体化した固定子をケースに固定した内転型電動機において、固定子とケースの隙間に熱伝導率が１〜１０［Ｗ／ｍＫ］の固体または液体である物質が充填され、固定子外径Ｒ［ｍｍ］と前記隙間ｄ［ｍｍ］が（２）式を満たすことを特徴とする（１）に記載の低鉄損内転型電動機。
０．００５＜ｄ／Ｒ＜０．１ （２）
（３）固定子とケースの隙間に充填する物質の抵抗率が１０［Ωｍ］以上であることを特徴とする（１）または（２）に記載の低鉄損内転型電動機。
（４）固定子の軸方向端面とケースの蓋との間に隔壁を設け、前記隔壁とケース内径の間に前記物質を充填したことを特徴とする（１）〜（３）の何れか１項に記載の低鉄損内転型電動機。
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図２に示される内転型電動機は、鋼板を図３に示される形状に打抜いたものを複数枚積層し、外周端面５において数カ所を積層方向に溶接することで、または、上下方向に数カ所をかしめることで一体化し、ティース部６に巻き線コイル７を巻いた固定子８をケース９に固定し、固定子８の内部に位置する回転軸１０および永久磁石１１を有する回転子１２からなる。また、上記電動機を作動させるため、図２における巻き線コイル７には交流電流が流される。
【０００９】
前述したように、固定子の鉄損を増加させる原因の一つに、固定子内に生じる圧縮応力がある。図１に示すように、磁束方向に圧縮応力が生じると鉄損が増加することが一般に知られている（電気学会回転機研究資料ＲＭ−９５−２７）。従来の電動機の場合、作動中に巻き線コイルに流れる電流によってジュール熱が発生し、この熱は固定子を加熱する。固定子を冷却するためにケースを水冷または空冷によって冷却しているが、ケースと固定子の熱伝達率が悪く、ケースのみが冷却され固定子の冷却は十分でない。更に、固定子が加熱されると、ケースの熱膨張に比べ固定子の熱膨張が大きく、ケースと固定子が接触してしまう。この固定子ケースとの接触により固定子の熱膨張は拘束されるので、固定子ヨーク部１３には大きな周方向の圧縮応力が生じる。この圧縮応力が、鉄損を大幅に増加させると予想される。しかも、固定子からの熱伝達により、回転子および回転子内部に埋め込まれた永久磁石の温度も上昇し、永久磁石の保磁力が低下してしまうことが予想される。
【００１０】
従来の内転型電動機の鉄損および永久磁石の温度を測定するために、水平断面図の図４、垂直断面図の図５に示される電動機を作成した。寸法は、以下の（ａ）から（ｆ）に示される。
（ａ）固定子１５のティース１６の先端半径Ｒt＝１８０mm、ヨーク部１７内周の半径Ｒsi＝２５０mm、ヨーク部１７外周の半径Ｒso＝３１０mm、固定子１５の高さＨs＝２０mm
（ｂ）ケース１８内周の半径Ｒci＝３１０．１mm、ケース１８外周の半径Ｒco＝３２０．１mm、ケース１８の深さＨc＝３０mm
（ｃ）回転子１９の半径Ｒro＝１７９mm
（ｄ）ケース１８と固定子１５の隙間ｄ＝０．１mm
（ｅ）回転子１９の永久磁石２０の材質：ＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ
（ｆ）ケース１８の冷却水量Ｗ＝１リットル/min
【００１１】
ケース１８には、冷却水路２５があり、入側２６から冷却水が供給され、出側２７から排出される。固定子１５は、周囲３箇所にボルト穴２４が開けられており、ボルト２３によってケース１８に固定される。また、永久磁石２０および回転軸２１を有する回転子１９は、軸受け３０を介してケース１８に固定される。さらに、上部にケース１８にボルト２９で固定される蓋２８が設置される。
【００１２】
測定の条件は以下の（ａ）および（ｂ）とした。
（ａ）電流周波数ｆ＝４００Hz
（ｂ）励磁電流密度Ｊ＝１０ATrms／mm2
このときの固定子１５の鉄損は、Ｐ＝９６［W/kg］であった。また、回転子１９の外周の温度Ｔrは、Ｔr＝１１０℃であった。
【００１３】
本発明においては、電動機用固定子とケースの接触により固定子内部に発生する圧縮応力を低減させることで鉄損を低減し、かつ、固定子とケース間の熱伝達率を向上させることで固定子および回転子の温度を低下させ永久磁石の保磁力を確保する電動機を提供するものである。その電動機用を実現させる具体的手段を以下に述べる。
【００１４】
前記（１）にかかる発明の形態として、内転型電動機において、固定子および回転子の寸法形状は従来の電動機と同じであるが、ケース径を拡大し、ケースと固定子の隙間にシリコンペースト等の高熱伝導率物質を充填する。このとき、ケースと固定子の隙間ｄ［mm］と隙間の充填物質の熱伝導率λ［W/mK］は、ケースと固定子の熱伝達率を確保するために、λ／ｄ＞１の関係を満たすのが良い。一方、固定子の変形は少なくとも０．１mm以上あり、それよりもｄを大きくする必要がある。さらに、絶縁体の場合、熱伝導率が良いもので１０［W/mK］程度であることから、λ／ｄ＜１００とする。
また、固定子の熱膨張を阻害することがないよう十分に柔らかい必要がり、ヤング率が１０００［MPa］以下のものが良い。
【００１５】
さらに、ケースと固定子の隙間をくまなく充填する物質は高熱伝導率の液体または固体が望ましく、ゲル状物質も本発明の範囲内とする。これにより、ケースと固定子の隙間を例えば３mmと大きくとることにより、固定子の熱膨張がケースによって拘束されないため、固定子内の圧縮応力の発生を防ぎ、鉄損増加を抑制することができる。また、シリコンペーストによって熱伝導が向上するので、回転子外径の温度も低下させることができる。これにより、回転子に埋め込まれた永久磁石の温度上昇を防ぐことができ、永久磁石の保磁力低下を抑制できる。
【００１６】
前記（２）に係る発明の形態として、固定子の熱膨張量は、固定子の半径と正の相関を持つので、固定子の熱膨張を阻害させないために、固定子の外径Ｒ［mm］とケースと固定子の隙間ｄ［mm］は、ｄ／Ｒ＞０．００５の関係を満たすことが望ましい。また、ケースと固定子の隙間が大きすぎると熱伝達率が低下するため、ｄ／Ｒ＜０．１であることが望ましい。
また、ケースと固定子の隙間に充填する物質の熱伝導率λは、絶縁体の場合、高くとも１０［W/mK］程度であるが、固定子とケースの熱伝達を確保するためには１［W/mK］以上とすることが望ましい。
【００１７】
前記（３）に係る発明の形態として、固定子の積層間の短絡を防止するために、充填する物質は絶縁性を有するものが良い。特に、抵抗率が１０［Ωｍ］以上のものが望ましい。熱伝導率および抵抗率が高い物質として、シリコンオイルなどがある。抵抗率の上限は特に定めないが、一般に抵抗率の増加と共に熱伝導率が低下してしまうため、１００００［Ωｍ］以下とすることが好ましい。
【００１８】
前記（４）に係る発明の形態として、シリコンオイルなど液体やゲル状物質を充填した場合、流動性があるため形状を保てない。従って、ケース内部全体に充填させる必要があるが、充填物質が回転体に接触するために、充填物質が回転体の回転抵抗となってしまう。また、回転軸を支えるベアリングにも液漏れ防止のためシールを施す必要があり、これも回転抵抗を増加させる原因となる。そのため、充填物質を固定子の軸方向端面とケースの蓋との間に隔壁を設け、ケースと隔壁の間にのみ充填させるのが望ましい。
【００１９】
【実施例】
［実施例１］
本発明の一実施例について、水平断面図の図６、垂直断面図の図７に示される内転型電動機を作成した。寸法や物性は、以下の（ａ）から（ｆ）に示される。
（ａ）固定子３１のティース３２の先端半径Ｒt＝１８０mm、ヨーク部３３の内周半径Ｒsi＝２５０mm、ヨーク部３３の外周半径Ｒso＝３１０mm、ケース３４と固定子３１の隙間ｄ＝２mm、固定子３１の高さＨs＝２０mm
（ｂ）ケース３４の内周半径Ｒci＝３１３mm、外周半径Ｒco＝３２３mm、深さＨ c＝３０mm
（ｃ）回転子３５の半径Ｒro＝１７９mm
（ｄ）ケース３４と固定子３１の隙間に充填したシリコンペースト３６の熱伝導率λＳi＝３W/mK、抵抗率ρ＝１００Ωｍ
（ｅ）回転子３５の永久磁石４２の材質：ＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ
（ｆ）ケース３４の冷却水量Ｗ＝１リットル/min、温度Ｔc＝２５℃
【００２０】
ケース３４には、冷却水路３７があり、入側３８から冷却水が供給され、出側３９から排出される。固定子３１は、周囲３箇所にボルト穴４０が開けられており、ボルト４１によってケース３４に固定される。固定子３１とケース３４の隙間には、シリコンペースト３６が充填される。また、永久磁石４２および回転軸４３を有する回転子３５は、軸受け４４を介してケース３４に固定される。さらに、ケース上部にボルト４５で固定される蓋４６が設置される。
【００２１】
この電動機を以下の条件にて作動させ、回転子３５外径の温度および固定子３１の鉄損を測定した。
（ａ）電流周波数ｆ＝４００Hz
（ｂ）励磁電流密度Ｊ＝１０ATrms／mm2
このときの回転子３５外径の温度Ｔrは、Ｔr＝８０℃、鉄損は、Ｐ＝５８W/kgであり、図４，５で示される従来型内転型電動機に対し、回転子の温度上昇を３０℃低減し、鉄損を４０％低減できた。
【００２２】
［実施例２］
本発明の一実施例について、水平断面図の図８、垂直断面図の図９に示される内転型電動機を作成した。寸法や物性は、以下の（ａ）から（ｆ）に示される。
（ａ）固定子５０のティース５１の先端半径Ｒt＝１８０mm、ヨーク部５２の内周半径Ｒsi＝２５０mm、ヨーク部５２の外周半径Ｒso＝３１０mm、ケース５３と固定子５０の隙間ｄ＝２mm、固定子５０の高さＨs＝２０mm
（ｂ）ケース５３の内周半径Ｒci＝３１３mm、外周半径Ｒco＝３２３mm、深さＨ c＝３０mm
（ｃ）回転子５４の半径Ｒro＝１７９mm
（ｄ）ケース５３と隔壁５５の間に充填したシリコンオイル５６の熱伝導率λＳ i＝２．８W/mK、抵抗率ρ＝１００Ωｍ
（ｅ）回転子５４の永久磁石５７の材質：ＮＥＯＭＡＸ−３９ＳＨ
（ｆ）ケース５３の冷却水量Ｗ＝１リットル/min、温度Ｔc＝２５℃
（ｇ）隔壁５５の半径Ｒw＝３０５mm
【００２３】
ケース５３には、冷却水路５８があり、入側５９から冷却水が供給され、出側６０から排出される。固定子５０は、周囲３箇所にボルト穴６１が開けられており、ボルト６２によってケース５３に固定される。固定子５０とケース５３の隙間には、シリコンオイル５６が充填される。また、永久磁石５７および回転軸６３を有する回転子５４は、軸受け６４を介してケースに固定される。さらに、ケース５３上部にボルト６５で固定される蓋６６が設置される。また、シリコンオイル５６は、オイルタンク６７から供給され、隔壁５５とケース５３の間に充填され、固定子５０の熱膨張やシリコンオイル５６そのものの体積変化によって固定子５０に圧縮応力がかからないように、タンク６７とケース５３を自由に行き来できる。オイル５６が、外部に流出しないよう、３本のオーリング６８ａ〜６８ｃでシールされている。
【００２４】
この電動機を以下の条件にて作動させ、回転子外径の温度および固定子の鉄損を測定した。
（ａ）電流周波数ｆ＝４００Hz
（ｂ）励磁電流密度Ｊ＝１０ATrms／mm2
このときの回転子外径の温度は、Ｔr＝７８℃、鉄損は、Ｐ＝５２W/kgであり、前述した従来内転型電動機に対し、回転子の温度上昇を３２℃低減し、固定子の鉄損を４３％低減できた。
【００２５】
【発明の効果】
本発明に係る内転型電動機により、回転子の温度上昇を従来内転型電動機に比べ約３０℃低減し、固定子の鉄損低減量を従来内転型電動機に比べ約４０％低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】鉄損の残留応力依存性。
【図２】内転型電動機の模式図。
【図３】内転型電動機用固定子の形状。
【図４】従来の内転型電動機の一例の水平断面図。
【図５】従来の内転型電動機の一例の垂直断面図。
【図６】本発明の一例の水平断面図。
【図７】本発明の一例の垂直断面図。
【図８】本発明の一例の水平断面図。
【図９】本発明の一例の垂直断面図。
【符号の説明】
１ 磁束密度０．７Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
２ 磁束密度１．０Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
３ 磁束密度１．３Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
４ 磁束密度１．５Ｔにおける鉄損の残留応力依存性
５ 内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
６ 内転型電動機の固定子のティース部
７ 内転型電動機の巻き線コイル
８ 内転型電動機の固定子
９ 内転型電動機のケース
１０ 内転型電動機の回転軸
１１ 内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
１２ 内転型電動機の回転子
１３ 内転型電動機の固定子のヨーク部
１４ 内転型電動機の固定子のスロット部
１５ 従来の内転型電動機の固定子
１６ 従来の内転型電動機の固定子のティース部
１７ 従来の内転型電動機の固定子のヨーク部
１８ 従来の内転型電動機のケース
１９ 従来の内転型電動機の回転子
２０ 従来の内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
２１ 従来の内転型電動機の回転軸
２２ 従来の内転型電動機の巻き線コイル
２３ 従来の内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト
２４ 従来の内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
２５ 従来の内転型電動機のケースの冷却水路
２６ 従来の内転型電動機のケースの冷却水入り口
２７ 従来の内転型電動機のケースの冷却水出口
２８ 従来の内転型電動機のケースの蓋
２９ 従来の内転型電動機のケースの蓋固定用ボルト
３０ 従来の内転型電動機の回転軸支持ベアリング
３１ 本発明例である内転型電動機の固定子
３２ 本発明例である内転型電動機の固定子のティース部
３３ 本発明例である内転型電動機の固定子のヨーク部
３４ 本発明例である内転型電動機のケース
３５ 本発明例である内転型電動機の回転子
３６ 本発明例である内転型電動機の充填材
３７ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水路
３８ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水入り口
３９ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水出口
４０ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
４１ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト
４２ 本発明例である内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
４３ 本発明例である内転型電動機の回転軸
４４ 本発明例である内転型電動機の回転軸支持ベアリング
４５ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋固定用ボルト
４６ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋
４７ 本発明例である内転型電動機の巻き線コイル
５０ 本発明例である内転型電動機の固定子
５１ 本発明例である内転型電動機の固定子のティース部
５２ 本発明例である内転型電動機の固定子のヨーク部
５３ 本発明例である内転型電動機のケース
５４ 本発明例である内転型電動機の回転子
５５ 隔壁
５６ 本発明例である内転型電動機の充填材
５７ 本発明例である内転型電動機の回転子に埋め込まれる永久磁石
５８ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水路
５９ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水入り口
６０ 本発明例である内転型電動機のケースの冷却水出口
６１ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト穴
６２ 本発明例である内転型電動機の固定子のケース固定用ボルト
６３ 本発明例である内転型電動機の回転軸
６４ 本発明例である内転型電動機の回転軸支持ベアリング
６５ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋固定用ボルト
６６ 本発明例である内転型電動機のケースの蓋
６７ オイルタンク
６８ オーリング
６９ 本発明例である内転型電動機の巻き線コイル
Claims (4)
- 鋼板を所定の形状に打抜き、複数枚積層し、一体化した固定子をケースに固定した内転型電動機において、固定子とケースの隙間にヤング率が１０００［MPa］以下の固体または液体である物質が充填され、前記隙間ｄ［mm］と前記物質の熱伝導率λ［W/mK］が（１）式を満たすことを特徴とする低鉄損内転型電動機。
１＜λ／ｄ＜１００ （１） - 鋼板を所定の形状に打抜き、複数枚積層し、一体化した固定子をケースに固定した内転型電動機において、固定子とケースの隙間に熱伝導率が１〜１０［W/mK］の固体または液体である物質が充填され、固定子外径Ｒ［mm］と前記隙間ｄ［mm］が（２）式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の低鉄損内転型電動機。
０．００５＜ｄ／Ｒ＜０．１ （２） - 固定子とケースの隙間に充填する物質の抵抗率が１０［Ωｍ］以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の低鉄損内転型電動機。
- 固定子の軸方向端面とケースの蓋との間に隔壁を設け、前記隔壁とケース内径の間に前記物質が充填されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の低鉄損内転型電動機。
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