JP4715218B2

JP4715218B2 - 鉄心磁気特性が優れたモータの製造方法

Info

Publication number: JP4715218B2
Application number: JP2005031460A
Authority: JP
Inventors: 邦浩千田; 昌義石田; 健一定廣; 操浪川
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-02-08
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2025-02-08
Also published as: JP2006223015A

Description

本発明は電動機、とくに外側に固定子を配するとともに内側に回転子を配したインナーロータ型のモータおよびその製造方法に関するものである。

近年、エネルギー消費削減の必要性の高まりとともに、各種モータでの効率向上の重要性が高まっている。このため、モータ形式としては高効率が達成可能なブラシレスDCモータの使用頻度がますます高まっている。また、鉄心素材の低鉄損化・高磁束密度化もモータ効率の向上に大きく寄与している。ところが、このような低鉄損・高磁束密度の優れた磁気特性を有する高級電磁鋼板を用いてモータを製造した場合であっても、必ずしもモータ効率が予想されたほどには改善しない場合が生じている。これは、電磁鋼板を加工して鉄心を製造し、これをモータとして組み込む過程で、電磁鋼板の磁気特性を劣化させる様々な因子が存在しているためと考えられる。従って、高級電磁鋼板であるほど、モータの製造を適正な条件で行う必要があるといえる。

モータ製造工程で生じる鉄心性能劣化の原因のひとつとして、固定子をモータケースに固定するために採用される、焼きばめ、圧入といった加工（固定）工程がある。たとえば、焼きばめによる固定方法は、図1に示すように、モータケース９の温度を上昇させてモータケース９を熱膨張させた後、適正な寸法の固定子１０を挿入して、次いで、図2に示すように常温に戻しモータケース９を熱収縮させることでモータケース９に固定子１０を固定する方法である。この方法では、常温からモータの使用温度上限までの範囲で両者を固定する強度が十分に保たれるようなモータケース寸法および固定子寸法とされる。

また、圧入による固定方法では、常温付近で鉄心をモータケースに押し込み、鉄心をケースに固定する。

上記これらの固定方法においては、たとえば回転子を内側に有するインナーロータ型のモータでは、モータケースにより固定子の外側から内側に向かう応力（図2の矢印方向）を固定子に作用させて固定子とモータケースとを固定させている。しかしながら、このような場合においては、固定子の継鉄部に円周方向の圧縮応力が作用する。電磁鋼板は圧縮方向の応力が作用した場合、磁気特性が顕著に劣化することが知られている。すなわち、圧縮応力により鉄損の増加と透磁率の減少が生じてしまうのである。そして、このような継鉄部の鉄損増加によりモータ鉄損の増加が、また、透磁率の減少により銅損の増加が促進される。

このように、モータケースに固定子を圧入する場合には、圧縮応力が固定子に対して付与されており、モータ特性の劣化を招いている。特に、使用頻度の高いインナーロータ型のモータでは、歯部の外側に位置し、固定子全体に占める面積の広い継鉄部でこのような圧縮応力による鉄損劣化を生じている。

モータケースからの圧縮応力による鉄損磁気特性の劣化を防止する方法としては、たとえば特許文献１が開示されている。特許文献１ではモータケースに固定子周囲に配された突起を接触させるとともに、接触部となる突起の内部にかしめ加工部を設けることで、応力による鉄心特性の劣化を防止している。しかしながら、この方法では、突起部に過度な応力が付与された場合には局所的応力の増加により鉄心磁気特性がかえって劣化する可能性があるという問題点がある。

一方で、図３は磁化方向の応力と無方向性電磁鋼板(50A700)の鉄損W15/50との関係を示した図であるが、従来より、モータの鉄心として使用される無方向性電磁鋼板の鉄損は、この図に示したように圧縮応力が印加された場合に顕著に劣化し、引張応力が印加された場合に改善することが知られている。従って、焼きばめ等で鉄心がモータケースに固定される際の圧縮応力を軽減することができれば、モータ鉄損の低減による高効率化が可能と予想される。また、引張応力側では鉄損が改善する方向であることから、固定子に引張応力を付与させることで、材料が有する鉄損値をさらに低減することが可能といえる。このような観点からモータ鉄心の鉄損を改善しようとする技術としては、特許文献２および特許文献３がある。これらは、焼鈍時の鉄心内部の温度差を利用して鉄心鉄損が低減されるような応力を残存させることを主眼とした方法である。しかしながら、このような温度差を適正に制御しながら焼鈍・冷却を行うことが実際上は困難であるとともに、本発明が解決しようとしている焼きばめ・圧入による鉄心特性の劣化防止策については開示されていない。

また、特許文献４には、樹脂封止型電動モータ固定子において、樹脂によって引張応力を鉄心外周部に及ぼす技術が開示されている。この技術は、樹脂を応力媒体として用いているが、このような樹脂の使用は製造コストの増加をもたらすばかりでなく、樹脂自体の強度不足の問題により、所望の応力を鉄心に付与しようとする際に鉄心から受ける応力で樹脂部分に亀裂等の欠陥が生じる危険性がある。さらに、樹脂の熱収縮率は電磁鋼板のそれよりも大きいため、鉄心を変形させた状態で樹脂の硬化を行ったとしても、所望の張力を付与するには限界があり、十分な鉄損低減効果が得にくいという問題点を有する。
特開平4-325846号公報特開2003-319857号公報特開2003-319618号公報特開2003-79113号公報

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、固定子のモータケースへの固定方法に起因した鉄心磁気特性の劣化を防止するのみならず、モータ構造の点から鉄心の磁気特性を積極的に向上させようとするものであり、鉄心磁気特性が優れたモータを提供するものである。

上記の課題を解決するため検討した結果、本発明では、固定子の継鉄部に圧縮応力を付与しつつモータケースに固定子を固定する従来の方法とは異なり、継鉄部に引張応力を付与しながらモータケースに固定子を固定することで、鉄心磁気特性を劣化させない固定方法を発案し、本発明に至った。すなわち、本発明の主旨とするところは、前記モータケースの一部が前記固定子の継鉄部に接触し、接触部分により、固定子に、固定子の半径方向外側に向けて引張応力を付与することにより、鉄心磁気特性の劣化を防止し、鉄心磁気特性が優れたモータを提供するである。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

[１]金属製モータケースにより固定子を固定するインナーロータ型のモータを製造するに際し、前記モータケースの一部が前記固定子の継鉄部に接触し、該接触部分により、固定子に、固定子の半径方向外側に向けて引張応力が付与され、該引張応力が10〜150MPaである領域が前記継鉄部全域の50体積％以上となるように、金属製モータケースの温度よりも固定子鉄心の温度が高い状態で金属製モータケースに固定子を挿入し、次いで、固定することを特徴とする鉄心磁気特性が優れたモータの製造方法。
[２]前記接触部分が前記固定子の継鉄部の外周部および／または内周部であることを特徴とする前記[１]に記載の鉄心磁気特性が優れたモータの製造方法。

本発明によれば、鉄心磁気特性が優れたモータを提供する。また、インナーロータ型モータにおいて、本発明のモ−タ製造方法で固定子とモータケースとを固定することにより、継鉄部の磁気特性を劣化させずに固定子をモータケースへ固定することが可能となり、ひいては継鉄部周方向への引張応力の付与によって素材の鉄損をさらに改善することができ、高効率のモータが実現可能となる。

まず、本発明者らは、金属製のモータケースに固定子を直接固定するタイプのインナーロータ型モータにおいて、モータケースが固定子の外周部に引張応力を及ぼす構造を検討した。

検討の結果、モータケースが固定子の外側もしくは内側から接触すると同時に固定子に外向きの応力(固定子の半径方向外側に向かう応力)を付与することで、継鉄部に周方向の引張応力を印加することが可能となることを見いだした。そして、継鉄部に周方向の引張応力を印加することで、固定子のモータケースへの固定に起因した鉄心磁気特性の劣化を防止し、さらに、磁気特性が向上する。すなわち、本発明の鉄心磁気特性が優れたモータは、モータケースの一部が前記固定子の継鉄部の外周部に接触し、接触部分により、固定子に、固定子の半径方向外側に向けて引張応力が付与されている、もしくは、モータケースの一部が前記固定子の継鉄部の内周部に接触し、接触部分により、固定子に、固定子の半径方向外側に向けて引張応力が付与されているモータである。

以下に図面を用いて本発明を詳細に説明する。例えば、図４は本発明の一実施形態を示す図である。図４において、モータケース１ａは、固定子２の外周よりもやや大きめとなるように作製され、固定子２とモータケース１ａとは嵌合部３を適当な間隔で有している。ここで、固定子２とモータケース１ａの寸法は熱膨張率を考慮して決定する。

本発明において、固定子２のモータケース１ａへの固定に際しては、通常の焼きばめとは逆に、モータケース１ａの温度に対して、固定子２の温度が高い状態で、まずモータケース１ａに固定子２を挿入する。例えば、固定子２の温度を上昇させて膨張させるか、もしくはモータケース１ａを冷却して収縮させ、固定子２とモータケース１ａのそれぞれの直径および嵌合部３が適正に嵌め合う寸法の時点で固定子２を挿入する。次いで、常温に戻し固定する。

以上により、モータケース１ａは固定子２を外側に引張りながら（図４の矢印方向）固定子２を固定するため、固定子２の継鉄部４には圧縮応力が付与されず、かつ、継鉄部４の周方向に引張応力が付与されて継鉄部４の鉄損が低下する。この結果、通常の焼きばめを行った場合に対して、図４の方法で行った同種のモータでモータ効率が2%程度向上した。

例えば、図５は本発明の他の一実施形態を示す図である。図５は、モータケース１ｂが固定子２に外側から接しつつ固定を達成するのではなく、モータケース１ｂの一部が固定子２の内側（以下、スロット内部と称す）から接触し、固定子２に外側方向への応力を付与することで、ほぼ均一な引張応力を継鉄部に作用させ、鉄心の保持と磁気特性の改善を同時に達成可能としたものである。

図5では、(図示しない)モータケース底部と一体となった保持部材５がスロット内部から固定子２に接触し、外側に向かって応力を固定子２に及ぼす（図５の矢印方向）ことで固定子２を保持し、同時に継鉄部に周方向の引張応力を与えている。このようにして付与される引張応力は図4の場合に比べて均一であり、モータ仕様によらず継鉄部の鉄損低減が可能となる。そのため、厳密な寸法精度と温度の制御が必要となる場合に特に有効であると言える。

図6は図5の断面11による立面断面図であり、図7は断面12による立面断面図である。図６において、保持部材５の強度を高めるために。モータケース上面部取り付けボルト６が上面部8側から固定されている。保持部材５が十分な強度を有する場合は特に追加の固定を行う必要がないが、強度を高めるために、上記のように、モータケース上面部取り付けボルト６などで上面部8側からも固定するのが好ましい。また、図６および図７においては、モ−タケ−ス１ｂの上面部８をモ−タケ−ス1bの外周部と取り付けるために、ボルト７が上面部8側から固定されている。

なお、モータケースが固定子の継鉄部の外周部および内周部の双方について接触する形態としても構わない。

以上のように、本発明の鉄心磁気特性が優れたモータは、常温で適正な応力が付与される寸法で固定子とモータケースを製作し、モータケースの温度に対して、固定子の温度が高い状態で（例えば、固定子を加熱するかモータケースを冷却して）モータケースに固定子を挿入し、次いで、常温に戻し、固定することにより製造される。

また、圧入によりモータケースに固定子を挿入する場合は、図5に記載される構造のモータとするのが好ましく、固定子の内側と保持部材の嵌め合い寸法を考慮して製造したのち、圧入することにより継鉄部に引張方向の応力を付与しつつ固定を行うことが可能となる。

さらに、保持部材はスロット内部に挿入されるため、スロット内の空間を占めることとなるので、巻線占積率の低下の原因となる場合がある。このため、保持部材は保持力を十分に確保する最低限の体積とすることが好ましい。また、保持部材は必ずしも図5に示すような形態とする必要はなく、形状や大きさを必要に応じて変更することや、スロット内で分割した形で複数設けることや、いくつかのスロットのみに限定して設けることが可能である。また、固定子の内部に保持部材を挿入するための穴をあけて、固定子が加熱された状態あるいはモータケースが冷却された状態にて保持部材を挿入することも可能であり、いずれも相応の効果を有する。

さらに、本発明においては、固定子の継鉄部において、引張応力が10〜150MPaである領域が継鉄部全域の50体積％以上である。継鉄部に付与される引張応力によって鉄損改善を実現するためには、継鉄部での周方向の応力として10〜150MPaが適当である。図３によれば、圧縮応力をかけていくと鉄損は増加し、引張応力をかけていくと鉄損は低減することがわかる。しかし、さらに引張応力をかけていくと、鉄損は再び増加する。そして、引張応力が10MPaを下回ったり、150MPaを上回ったりした場合は、十分な鉄損低減効果が得られないことがわかる。また、このような引張応力が付与されている領域が50体積％を下回るような場合においても鉄損低減効果は不十分となり、十分な鉄損低減効果が得られない。よって、以上より、引張応力が10〜150MPaである領域は継鉄部全域の50体積％以上とする。なお、ここで、継鉄部とは、図8に示すように、固定子において、歯の部分（歯部）を除く外周部分とする。

以上のように、本発明は、固定子のモータケースへの固定方法に起因した鉄心磁気特性の劣化を防止するのみならず、モータ構造の点から鉄心磁気特性を積極的に向上させようとするものである。さらに、焼きばめ、圧入といった、モータ鉄心外周面に作用する強い応力を用いてモータケースと固定子とを固定する際に生じる鉄心とくに継鉄部の鉄心磁気特性（鉄損）の劣化という問題に対し、本発明はこのような劣化を防止するにとどまらず、鉄心磁気特性を素材から想定される特性よりも改善する方法を提示することを主旨としている。このような点から、本発明は、継鉄部の周長が長いために継鉄部の印加される圧縮力の悪影響の大きいインナーロータ型のモータに対して最適である。

図4と同様の形状、構造のモ−タを以下のように作製した。集中巻き型のブラシレスDCモータ用の固定子として、JIS50A400グレードの無方向性電磁鋼板から打抜き、かしめにより一体化した。さらに、この固定子に巻線を施して固定した。また、モータケースはアルミダイキャストにて製造した。ロータは表面磁石型とし、磁石としては希土類磁石を用いた。固定子のモータケースへの固定では、固定子を150℃に加熱して熱膨張させたのち、固定子をモータケースに挿入し、次いで常温に戻し固定した。ここで、モータケースおよび固定子、嵌合部の寸法は、上記温度で挿入されたのち、常温に戻した際に固定子継鉄部に50MPaの引張応力が付与されるように設計した。

得られたモ−タに対し、有限要素法による応力解析を行った。その結果、継鉄部の外周方向の引張応力が10〜150MPaの範囲となる部分の領域は、継鉄部全体の75％であった。

一方、比較例として、図9に示すようなモータケースが鉄心に対して圧縮応力を及ぼす従来型のモータを作製した。ここで、固定子は、焼きばめによりモータケースに固定され、継鉄部外周部に印加される圧縮応力の平均値が50MPa程度となるようにした。

以上より得られた本発明例及び比較例のモ−タに対し、回転数1500rpm、負荷トルク2.0 Nmの条件にてモータ効率の測定を行った。なお、モータ効率は、トルクおよび回転数から求められる出力と入力電力との比（出力／入力×１００［％］）で評価した。結果を表１に示す。

表1より、本発明例では、比較例よりも高いモータ効率が得られていることがわかる。

図５と同様の形状、構造のモ−タを以下のように作製した。ステータ形状の集中巻き型のブラシレスDCモータ用の固定子として、JIS35A250グレードの無方向性電磁鋼板から打抜き、かしめにより一体化した。さらに、この固定子に巻線を施して固定した。モータケースはアルミダイキャストにて製造した。ロータは表面磁石型とし、磁石としては希土類磁石を用いた。固定子のモータケースへの固定では、固定子を100℃に加熱し、モータケースを−50℃に冷却して、それぞれ熱膨張・熱収縮させたのち、固定子をモータケースに挿入し、ついて、常温に戻し固定した。モータケースの保持部材および固定子は、上記温度で挿入された後、常温した場合に固定子の継鉄部に付与される外周方向の引張応力が5、10、50、100、150、200MPaとなるように、モータケースと鉄心素材の機械特性に応じて締め代を調節した。

一方、比較例として、図9に示すようなモータケースが鉄心に対して圧縮力を及ぼす従来型のモータを作製した。モータケースが鉄心に対して圧縮力を及ぼす従来型のモータを作製した。ここで、固定子は焼きばめによりモータケースに固定され、継鉄部外周部に印加される圧縮応力が50MPa程度となるようにした。

以上より得られた本発明例及び比較例のモ−タに対し、実施例１と同様の条件にてモータ効率の測定・評価を行った。結果を表２に示す。

表2より、本発明例では、いずれの場合でも、比較例よりも1.6%以上高いモータ効率が得られている。さらに継鉄部外周方向の引張応力が10〜150MPaである領域が継鉄部に占める割合を50体積％以上とすることにより、特に高いモータ効率が得られていることがわかる。

誘導電動機、永久磁石式同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）、リラクタンスモータの回転子鉄心として非常に有用である。

従来の焼きばめ固定方法による鉄心挿入状態時を示す図である。従来の焼きばめ固定方法による鉄心固定状態時を示す図である。磁化方向の応力と無方向性電磁鋼板(50A700)の鉄損W15/50との関係を示す図である。本発明の実施形態を示す図である。（実施例１）本発明の他の実施形態を示す図である。（実施例２）図6は図5の断面13による立面断面図である。図7は断面1４による立面断面図である。固定子における継鉄部と歯部を示す図である。従来のモータにおける形状、構造を示す図である。

符号の説明

１a 1b モータケース
２固定子
３嵌合部
４継鉄部
５保持部材
６モータケース上面部取り付けボルト（ケース外周部）
７ボルト
８モータケース上面部
９モータケース
１０固定子
１１、１２断面

Claims

金属製モータケースにより固定子を固定するインナーロータ型のモータを製造するに際し、前記モータケースの一部が前記固定子の継鉄部に接触し、該接触部分により、固定子に、固定子の半径方向外側に向けて引張応力が付与され、該引張応力が10〜150MPaである領域が前記継鉄部全域の50体積％以上となるように、金属製モータケースの温度よりも固定子鉄心の温度が高い状態で金属製モータケースに固定子を挿入し、次いで、固定することを特徴とする鉄心磁気特性が優れたモータの製造方法。
前記接触部分が前記固定子の継鉄部の外周部および／または内周部であることを特徴とする請求項１に記載の鉄心磁気特性が優れたモータの製造方法。