JP4401736B2

JP4401736B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP4401736B2
Application number: JP2003360730A
Authority: JP
Inventors: 千代藤野; 正嗣中野; 晃裕大穀; 孝吉岡
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-10-21
Filing date: 2003-10-21
Publication date: 2010-01-20
Anticipated expiration: 2023-10-21
Also published as: JP2005130552A

Description

この発明は、少なくとも１つのティースを含むようにバックヨークを切断してなる複数個の分割コア本体で構成されたコア本体がフレームからの締付力により一体化されたコアを備えた回転電機に関する。

従来、大型の電動機では、固定子のコアに用いられる電磁鋼板を無駄なく有効に使用するために、分割コア片から例えば次の手順で固定子のコアを製造していた。
即ち、大型のプレス機を用いて少なくとも１ティースを含むように薄板の電磁鋼板を打ち抜き加工をして分割コア片を成形し、その後この複数枚の分割コア片を積層して分割コア本体を形成し、さらにこの複数個の分割コア本体を互いに当接させてリング状のコア本体を形成する。その後、円筒形状のフレームを加熱膨張させた後、このフレームでこのコア本体の外周面を覆った後、フレームの熱収縮によってフレームとコア本体とを一体化する（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−９５１８１号公報

しかしながら、前記分割コア片で製造された固定子のコアでは、隣接した分割コア本体同士の当接面は、コア本体の中心軸線から径方向に延びた放射線に対して周方向に傾斜しており、分割コア本体は、ティースの幅を２等分する線に対して鏡面非対称形状となり、フレームの熱収縮により生じた応力分布も非対称となり、その結果分割コア本体の磁気特性分布も非対称となり、この磁気特性を有する分割コア本体の周期性からコギングトルクが生じてしまうという問題点があった。
また、当接面が周方向に傾斜しているので、フレームからの締付力により、隣接した分割コア本体同士は互いに径方向に離れる方向に力が作用し、それだけコアの真円が得られにくいという問題点もあった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、コギングトルクの発生を抑制できるとともに、コアの真円が得られ易い等の回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る回転電機では、環状のコア、このコアに導線が巻回された巻線を含む固定子と、この固定子に空隙部を介して設けられ前記固定子とともに磁気回路を形成する回転子とを備え、前記コアは、複数枚の電磁鋼板が積層され、環状に形成されたバックヨーク、このバックヨークの内周部から内側方向に突出したティースからなるコア本体と、前記バックヨークの外周面を覆った筒状のフレームとを含み、前記コア本体は、少なくとも１つの前記ティースを含むように前記バックヨークを切断してなる複数個の分割コア本体で構成されているとともに、各分割コア本体は、前記フレームから締付力を受け、隣接した前記分割コア本体同士が当接した分割コア本体の当接面の少なくとも一部が、前記回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上に沿って形成されており、前記分割コア本体は、扇形状をしたバックヨーク部およびバックヨーク部から内径方向に延びたティース部を有する、第１の分割コア片および第２の分割コア片から構成されており、隣接した前記第１の分割コア片同士からなる第１のコア片体と隣接した前記第２の分割コア片同士からなる第２のコア片体とが交互に積層され、前記第１の分割コア片の前記バックヨーク部の外周側の隅部に形成されたジョイント部と前記第２の分割コア片の前記バックヨーク部の外周側の隅部に形成されたジョイント部とが嵌着された状態で、隣接した、第１の分割コア片同士及び第２の分割コア片同士が互いに展開可能に連結されており、前記第１の分割コア片同士および前記第２の分割コア片同士が当接するそれぞれの当接面部の直線部は、隔離されてそれぞれ前記回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上に沿って位置し、さらに前記分割コア本体の前記当接面は、前記電磁鋼板の積層方向に沿って凹凸状に形成されている。

この発明に係る回転電機は、コギングトルクの発生を抑制できるとともに、コアの真円度が向上する。

以下、この発明の各実施の形態について説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１の電動機のコア５の部分平面図、図２（ａ）は図１のコア本体３の一部側断面図、（ｂ）はコア本体３の平面図、（ｃ）はコア本体３の一部を直線状に展開したときの平面図である。
この回転電機である電動機は、固定子と、この固定子の内側に空隙部を介して設けられ固定子とともに磁気回路を形成する回転子（図示せず）とを備えている。
固定子は、コア５と、このコア５に巻装された巻線（図示せず）とを備えている。
コア５は、環状に形成されたバックヨーク１、このバックヨーク１の内周部から内側方向に突出したティース２を含むコア本体３と、このコア本体３の外周面を覆った円筒形状のフレーム６とから構成されている。
コア本体３は、１つのティース２を含むようにバックヨーク１を切断してなる分割バックヨーク１ａを有する複数個の分割コア本体３ａで構成されている。隣接したほぼ扇形状の分割バックヨーク１ａ、１ａ同士が当接した当接面の当接面部Ａ１、Ａ２のうち各直線部イは、回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上にほぼ沿って位置している。

分割コア本体３ａは、図３（ａ）、図３（ｂ）に示す２種類の第１の分割コア片１０および第２の分割コア片１１から構成されている。なお、図３では第１の分割コア片１０、第２の分割コア片１１は直線状に展開されたときの図である。
第１の分割コア片１０は、ほぼ扇形状をしたバックヨーク部１２およびバックヨーク部１２から内径方向に延びたティース部１３を有している。バックヨーク部１２の右肩部には図３（ａ）において紙面の裏側に向かって垂直方向に突出したジョイント部１４が設けられている。
第２の分割コア片１１は、ほぼ扇形状をしたバックヨーク部１５およびバックヨーク部１５から内径方向に延びたティース部１６を有している。バックヨーク部１５の左肩部には図３（ｂ）において紙面の裏側に向かって垂直方向に突出したジョイント部１７が設けられている。
隣接した第１の分割コア片１０同士が当接して第１のコア片体２０が構成され、隣接した第２の分割コア片１１同士が当接して第２のコア片体２１が構成されている。
分割コア本体３ａは、第１の分割コア片１０および第２の分割コア片１１が交互に、第１の分割コア片１０のジョイント部１４の凸部が、第２の分割コア片１１のジョイント部１７の凹部に嵌着された状態で積層されている。
なお、分割バックヨーク１ａ、１ａ同士が当接した当接面は、隣接した第１の分割コア片１０同士が当接して当接面部Ａ１と、隣接した第２の分割コア片１１同士が当接した当接面部Ａ２とから構成されている。

上記構成の電動機では、隣接した複数個の分割コア本体３ａを互いに当接させてリング状のコア本体３を形成した後、加熱膨張した円筒形状のフレーム６でコア本体３の外周面を覆い、その後フレーム６の熱収縮によってフレーム６とコア本体３とを一体化してコア５を製造している。即ち、フレーム６の「焼きなまし」により、コア５を製造している。

図４は、フレーム６の冷却とともにコア本体３に加わる応力状態を本願発明者が算出した結果の応力コンター図（図１のＦの領域）である。
応力値としては、金属の応力として最もよく用いられるミーゼス相当応力値を示した。その値は計算領域内の最大応力値で規格化したものを用いた。
この実施の形態では、隣接したほぼ扇形状の分割バックヨーク１ａ、１ａ同士が当接した当接面の当接面部Ａ１、Ａ２のうち各直線部イは、回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上にほぼ沿って位置しているので、上記計算結果から分かるように、その直線部イに対して垂直方向に、つまり周方向に対して圧縮応力が作用しているのが分かる。即ち、バックヨーク１の磁束の通路において、分割バックヨーク１ａ、１ａが当接する当接面部Ａ１、Ａ２での磁気的ギャップが生じにくくなるように有効にフレーム６からの収縮締結力が作用しているのが分かる。

この実施の形態の電動機のコア５では、隣接した分割コア本体３ａ同士の当接面部Ａ１、Ａ２のうち各直線部は、回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上にほぼ位置しており、分割コア本体３ａの形状は、ティース２の中央線（ティース２の幅を２等分する線）に対してほぼ鏡面対称形状である。そのため、フレーム６の熱収縮により生じる各分割コア本体３ａでの応力分布はほぼ対称であり、その結果分割コア本体３ａの磁気特性分布もほぼ対称となる。従って、この磁気特性を有する分割コア本体３ａが組み込まれた電動機では、コギングトルクの発生が抑制される。
また、フレーム６からの締付力は、分割コア本体３ａに対して周方向に作用し、コア５の真円が確保され易い。

また、第１のコア片体２０と、第２のコア片体２１とが交互に積層されており、分割コア本体３ａの当接面部Ａ１、Ａ２が積層方向において、一層単位毎に凹凸状に形成されているので、当接面部Ａ１、Ａ２において磁束の一部が積層方向に当接する他の分割コア片１０、１１に渡る、いわゆる「渡り磁束」となり得る。
図５は「渡り磁束」の様子を示す図である。図５において、矢印ハ、ニは、ある時刻での電動機の分割コア片１０、１１に流れる磁束を示し、分割コア片１０、１１に流れる通常の磁束の他、渡り磁束ニが存在することを示している。
分割コア本体３ａの当接面部Ａ１、Ａ２では、僅かなギャップ、磁性鋼板の切断により受けた応力、あるいはフレーム６の収縮締結時に受けた応力のため、磁気抵抗が増大するものの、渡り磁束ニが生じるため、コア本体３の磁気抵抗の増大を抑制することができる。

なお、積層方向において隣接した分割コア片同士の当接面が３カ所以上異なるようにすることで、「渡り磁束」の生じる箇所を増大させ、コア本体３の磁気抵抗をより低減するようにしてもよい。
また、分割コア本体の当接面は複層単位毎に凹凸状に形成してもよい。
また、最上層の分割コア片、最下層の分割コア片それぞれのジョイント部については、積層方向において接合される分割コア片は不要であり、凸部あるいは孔のみであってもよい。
また、分割コア本体の当接面の最内周側の箇所で、コア本体に導線を巻回して巻線を巻装する際に、導線に傷かつかないように、その箇所に、丸みを付けるようにしてもよい。

実施の形態２．
図６はこの実施の形態２のコア３５の一部平面図であり、このコア３５では、フレーム３６のヤング率が分割コア本体３３ａよりも低く設定されている。
図７は分割コア本体３３ａおよびフレーム３６のそれぞれの機械的特性であるヤング率をパラメータとしてフレーム３６の熱収縮によって分割コア本体３３ａが受ける応力について計算した結果を示す図である。計算モデルは、図４と同様に、図６に示す１／４対称モデルで、対象面α、βは、連続性の条件を適用した。これは対象面α上の節点の変位ベクトルと対称面βの変位ベクトルがそれぞれの辺上の局所座標系において９０度変換型なる条件を課すことで得られる。
図７の横軸は、フレーム３６のヤング率／分割コア本体３３ａのヤング率の比を、縦軸は、フレーム３６と当接する分割コア本体３３ａについてミーゼス相当応力値を分割コア本体３３ａ中心で求めたものを平均化した値を、縦軸の目盛り１．０の場合での値で規格化したものである。

図７から分かるように、フレーム３６の硬度が分割コア本体３３ａよりも高くなると分割コア本体３３ａに加わる応力が上昇し、フレーム３６から過度の応力が加わると、分割コア本体３３ａの磁気抵抗が増加する。
この実施の形態では、コア３５は、フレーム３６のヤング率が分割コア本体３３ａよりも低く設定されているので、分割コア本体３３ａに加わる応力が抑制され、分割コア本体３３ａの分割バックヨーク３１ａの磁気抵抗の増加が抑制され、電動機の磁気損失を抑えることができる。なお、フレーム３６の材料として例えばアルミニウムを用いればよい。

実施の形態３．
図８はこの発明の実施の形態３の電動機のコア４５の一部平面図である。
この実施の形態では、フレーム４６の内周面に凹部４６ａが形成されており、この凹部４６ａに分割コア本体４３ａの外側面に等間隔で形成された凸部４３ａ_１が係合されている。
この電動機によれば、フレーム４６と分割コア本体４３ａとの間に係合手段である凹部４６ａ、凸部４３ａ_１を設けたので、コア４５は、フレーム４６と分割コア本体４３ａとが強固に結合される。
なお、係合手段として、フレームの内周面に凸部を形成し、この凸部を分割バックヨークの外側面に等間隔で形成された凹部に係合するようにしてもよい。
また、凹部、凸部はフレーム、コア本体のそれぞれに一カ所だけ設けるようにしてもよいし、また形状も凹部、凸部の形状に限定されない。

実施の形態４．
図９はこの発明の実施の形態４の電動機のコア５５の製造途中の側断面図である。
この実施の形態では、両側が開放端であるフレーム５６の軸線長さがコア本体５３の軸線長さよりも長い。
この構成のコア５５によれば、フレーム５６が熱収縮される際に、フレーム５６の両端部ではコア本体５３に妨げられることなく熱収縮するので、コア本体５３の外周縁部から内側にフレーム５６が食い込む結果、フレーム５６とコア本体５３とは実施の形態１のものと比較してより強固に固定される。

実施の形態５.
図１０はこの発明の実施の形態５のコア本体６３の一部側断面図、（ｂ）はコア本体６３の平面図、（ｃ）はコア本体６３の一部を直線状に展開したときの平面図である。
上記実施の形態１では、隣接した分割コア本体３ａ同士の当接面部Ａ１、Ａ２は鋼板毎にジクザク状に周方向にずれていた。
一方、外周面に磁石が付着した回転子を有する磁石式回転電動機の場合には、この磁石部分が固定子と回転子との間に形成された磁気回路の空隙部と同じ作用となる。この空隙部による磁気抵抗の値は、隣接した分割コア本体３ａの当接面部Ａ１、Ａ２間のギャップが数μｍであったときの磁気抵抗値と比較しても、甚大である。
即ち、実施の形態１のように、分割コア本体３ａの当接面部Ａ１、Ａ２間のギャップによる磁気抵抗を低減するために「渡り磁束」の効果を期待するよりも、応力値が大きな当接面部Ａ１、Ａ２の近傍領域の面積を減らす方がコアの磁気特性の観点から重要となる場合がある。
この実施の形態では、そのような観点から、当接面の近傍領域の面積を縮小するためになされたもので、具体的には隣接した分割コア本体６３ａ同士の当接面部Ａを軸線方向に沿って同一平面にしたものである。
この実施の形態のコアによれば、応力が大きな領域は、分散されずに当接面部Ａの近傍に限定され、結果としてコアでの磁気抵抗が低減され、磁気特性が向上する。

実施の形態６．
図１１はこの発明の実施の形態６を示すもので、電磁鋼板を打ち抜き加工して分割コア片７１を製造する様子を示す図である。
バックヨーク部７２およびティース部７３からなる分割コア片７１は、方向性珪素鋼板で構成されている。この分割コア片７１は、方向性珪素鋼板の磁化容易軸方向に対してティース部７３がほぼ平行になるように打ち抜き加工されている。
方向性電磁鋼板とは、磁気結晶が磁化し易い方向を圧延方向と平行に配置した鋼板で、圧延方向に優れた磁気特性を有し、例えば試験片を圧延方向と平行にして、ＫＳＣ４００６−１９８９（またはＪＩＳＣ２５５０−１９８６）により鉄損の試験が行われた結果、磁束密度１．５Ｔと動作周波数５０Ｈｚで保証される最大値として、鋼板の厚みが０．５[ｍｍ]では、その値が概ほぼ５．０Ｗ／ｋｇ以下を指す。
この実施の形態のコアによれば、電磁鋼板の磁化容易軸と、ティース部７３の方向が同方向であるので、回転電動機の巻線との鎖交磁束を増大させることができ、磁気損失を低減させることができる。

なお、上記各実施の形態では、回転子を囲った固定子のコアについて説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、アウターロータ方式の電動機にも適用できる。即ち、固定子の周囲を囲った回転子のコアについても適用できる。
また、上記各実施の形態では、回転電機として電動機の場合について説明したが、回転電機である発電機にもこの発明は適用できる。
また、コア本体は、２つ以上のティースを含むようにバックヨークを切断してなる複数個の分割コア本体で構成されているものでもよい。

この発明の実施の形態１の電動機のコアの一部平面図である。（ａ）は図１のコア本体の一部側断面図、（ｂ）はコア本体の一部平面図、（ｃ）はコア本体の一部を直線状に展開したときの平面図である。（ａ）は図１の分割コア本体を構成する第１のコア片体が直線状に展開されているときの平面図、（ｂ）は図１の分割コア本体を構成する第２のコア片体が直線状に展開されているときの平面図である。図１のコア本体の応力分布図である。図１の第１の分割コア片と第２の分割コア片との間で生じる「渡り磁束」を説明するための図である。この発明の実施の形態２の電動機のコアの一部平面図である。分割コア本体およびフレームのそれぞれのヤング率をパラメータとしてフレームの熱収縮によって分割コア本体が受ける応力について示した図である。この発明の実施の形態３の電動機のコアの一部平面図である。この発明の実施の形態４の電動機のコアを製造する途中での側断面図である。この発明の実施の形態５の電動機のコア本体の一部側断面図、（ｂ）はコア本体の一部平面図、（ｃ）はコア本体の一部を直線状に展開したときの平面図である。この発明の実施の形態６の電動機において、電磁鋼板を打ち抜き加工して分割コア片を製造する様子を示す図である。

符号の説明

１バックヨーク、２ティース、３，５３，６３コア本体、３ａ，３３ａ，４３ａ，６３ａ分割コア本体、４スロット、５，３５，４５，５５コア、６，３６，４６，５６フレーム、１０，３０第１の分割コア片、１１，３１第２の分割コア片、１２，１５バックヨーク部、１３，１６ティース部、１４，１７ジョイント部、３１ａ，４３ａ_１凸部、４６ａ凹部、６１，７１分割コア片、７２バックヨーク部、７３ティース部、Ａ，Ａ１，Ａ２当接面部。

Claims

環状のコア、このコアに導線が巻回された巻線を含む固定子と、
この固定子に空隙部を介して設けられ前記固定子とともに磁気回路を形成する回転子とを備え、
前記コアは、複数枚の電磁鋼板が積層され、環状に形成されたバックヨーク、このバックヨークの内周部から内側方向に突出したティースからなるコア本体と、前記バックヨークの外周面を覆った筒状のフレームとを含み、
前記コア本体は、少なくとも１つの前記ティースを含むように前記バックヨークを切断してなる複数個の分割コア本体で構成されているとともに、各分割コア本体は、前記フレームから締付力を受け、
隣接した前記分割コア本体同士が当接した分割コア本体の当接面の少なくとも一部が、前記回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上に沿って形成されており、
前記分割コア本体は、扇形状をしたバックヨーク部およびバックヨーク部から内径方向に延びたティース部を有する、第１の分割コア片および第２の分割コア片から構成されており、
隣接した前記第１の分割コア片同士からなる第１のコア片体と隣接した前記第２の分割コア片同士からなる第２のコア片体とが交互に積層され、
前記第１の分割コア片の前記バックヨーク部の外周側の隅部に形成されたジョイント部と前記第２の分割コア片の前記バックヨーク部の外周側の隅部に形成されたジョイント部とが嵌着された状態で、隣接した、第１の分割コア片同士及び第２の分割コア片同士が互いに展開可能に連結されており、
前記第１の分割コア片同士および前記第２の分割コア片同士が当接するそれぞれの当接面部の直線部は、隔離されてそれぞれ前記回転子の中心軸線から径方向に延びた放射線上に沿って位置し、さらに
前記分割コア本体の前記当接面は、前記電磁鋼板の積層方向に沿って凹凸状に形成されている回転電機。
前記フレームのヤング率は、前記分割コア本体のヤング率よりも低い請求項１に記載の回転電機。
前記フレームの内周面と前記コア本体の外周面との間には、フレームと前記分割コア本体との相対移動を阻止する係合手段が設けられている請求項１または請求項２に記載の回転電機。
前記フレームと前記コア本体とは、前記フレームの焼きなまし処理により一体化されている請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の回転電機。
前記電磁鋼板は、方向性珪素鋼板であり、前記分割コア本体を構成する複数枚の分割コア片は、バックヨーク部およびティース部で構成されているとともに、前記方向性珪素鋼板の磁化容易軸方向に対して前記ティース部がほぼ平行になるように打ち抜き加工されて形成されている請求項１ないし請求項４の何れか１項に記載の回転電機。