JP4850406B2 - 積層鉄心を用いた回転子と電動機 - Google Patents

Description

本発明は、小型化された電動機の積層鉄心の構造に関する。

近年、電動機は小型化され使用用途が広範囲に渡っている。例えば、冷凍機や空調機の圧縮機駆動用電動機等や、電気自動車等の車両用途に用いられる電動機等がある。前者においては圧縮機が搭載するスペースから、小型化、軽量化されている。また、後者においても車両搭載スペースから同様に小型化、軽量化されている。この様な電動機においては、薄板鉄板の電磁鋼板をプレス等により打ち抜かれ積層した積層鉄心が多く用いられており必要最小限に小型化、軽量化されている。

例えば、特許文献１（特開２００１−２９２５４１号公報）に示すような電動機の積層鉄心では、磁気バランスに悪影響を与えないように凹凸部の係り止め部の直径を０．８ｍｍ以下とし凹凸部を係り合わせした積層鉄心を用いた固定子または回転子が示されている。また図７及び図８に示す様に、固定子１５または回転子３０の積層鉄心の直径は小型化、軽量化され必要最小限の大きさとなっている。このため積層鉄心の端面における薄板鉄板の電磁鋼板相互の凹凸部の係り止め部１９ａ、２０を配置するために必要となるスペースの割合はかなり大きくなっている。

また、電動機の小型化、軽量化される反面、高負荷、高性能が要求されるため電動機の積層鉄心における温度上昇は、従来の電動機と比べるとかなり悪化している。従って、図７に示したように電動機の積層鉄心の温度上昇を軽減するために積層鉄心に冷却用の貫通孔５ｃ等を設け冷却効果を高めている。これにより電動機の積層鉄心の温度上昇を軽減している。

また、図８に示す様に積層鉄心の中心に、回転軸を挿入する軸孔３１と、永久磁石３３を挿入する複数の永久磁石収容孔３２と、前記積層鉄心と前記積層鉄心の積層方向端部から永久磁石３３が外部に飛び出さないようにするために配置した端板（図示していない）とをカシメピンで一体に結合するための複数のカシメピン挿入孔５ｄとを備えた回転子３０においても、図７で説明したのと同様に電動機の小型化、軽量化する反面、高負荷、高性能が要求されている。尚、図８に示した回転子３０の永久磁石３３の両端には磁束短絡防止用の空隙部３４も設けられている。

特開２００１−２９２５４１号公報

このように、小型化、軽量化される反面、高負荷、高性能が要求される電動機の積層鉄心では、薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体に積層固定するためのエンボス加工による凹凸部の係り合わせ部１９ａ、２０や、積層鉄心の温度上昇を軽減するための冷却用の貫通孔５ｃ等を、小径となった固定子１５のヨーク部分１８やティース部分１７のかなり狭くなった積層鉄心の端面に配置しなくてはならない。また、無理に配置すれば積層鉄心の磁気的なバランスが悪くなり電動機特性を悪化させることになる。また、特許文献１に示す様に凹凸部の係り止め部の直径を小さくした場合、打ち抜きプレス等に設けられた凹凸部の係り止め部を形成するピンが折れ易く、薄板鉄板の電磁鋼板を打ち抜く打ち抜きスピード等も遅くしなければならない。

また、積層鉄心の中心に回転軸を挿入する軸孔３１と、永久磁石３３を埋め込むための永久磁石収容孔３２と、前記積層鉄心と前記積層鉄心の積層方向端部から永久磁石３３が外部に飛び出さないようにする端板とをカシメピンで一体に結合するためのカシメピン挿入孔５ｄと、更に薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体に積層固定するためのエンボス加工による凹凸部の係り合わせ部１９ｂや、回転子３０の構造によっては積層鉄心の温度上昇を軽減するための冷却用の風孔等を設ける場合、この小さな径の回転子３０の端面に構成させることはかなり難しくなってきている。特に、電動機の高負荷、高性能化により永久磁石の使用量が多くなり永久磁石３３を挿入する永久磁石挿入孔３２が大きく占める回転子３０においては、この問題は顕著となっている。

本発明は、このような積層鉄心における薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体に積層固定するためのエンボス加工による凹凸係り止め部１９ａ、１９ｂ、２０や、積層鉄心の冷却用の貫通孔５ｃの配置等を容易にし、小型化、軽量化された電動機においても磁気的なバランスを崩すことなく電動機性能が良好な積層鉄心を提供することを目的としている。

打ち抜きプレス等で打ち抜かれた薄板鉄板を複数積層した積層鉄心において、前記積層鉄心は隣り合う前記薄板鉄板に凹凸部を設け相互に係り止めできる係り止め部を設けて一体にかしめた回転子の積層鉄心であり、
前記積層鉄心には、積層鉄心の中心に回転軸を挿入する軸孔と、回転子の外周側において隣同士が異極となる様に永久磁石を挿入する複数の永久磁石収容孔を備え、
前記永久磁石収容孔と永久磁石収容孔との間に磁極間部分を設け、前記磁極間部分には、前記積層鉄心と前記積層鉄心の積層方向端部から永久磁石が外部に飛び出さないようにするための端板とをカシメピンで一体にかしめて結合するためのカシメピン挿入孔とを備え、
前記凹凸部の係り止め部が、前記積層鉄心の積層方向に貫通したカシメピン挿入孔の少なくとも１つに、前記カシメピン挿入孔より大きな周長の凹凸形状を設け、前記薄板鉄板相互を係り止めして一体にかしめた積層鉄心と、
前記端板のカシメピン挿入孔に、前記積層鉄心のカシメピン挿入孔の周りに設けられた凹凸形状の係り止め部と同様の凹凸形状を設け、前記端板の凹凸形状の凹部分に、カシメピンのヘッダー部分（頭部分）が入り込むようにカシメピンにて一体にかしめた回転子とする。

この様な回転子を冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機内に搭載する電動機や車両用途の電動機に用いることにより、磁気的なバランスが改善され、電動機性能が悪化することのない電動機とすることができる。

打ち抜きプレス等で打ち抜かれた薄板鉄板を複数積層した積層鉄心において、隣り合う薄板鉄板に凹凸部を設け相互に係り止めして一体にかしめた回転子の積層鉄心において、積層鉄心の中心に回転軸を挿入する軸孔と、回転子の外周側において隣同士が異極となる様に永久磁石を挿入する複数の永久磁石収容孔を備え、前記永久磁石収容孔と永久磁石収容孔との間に磁極間部分を設け、前記磁極間部分には、前記積層鉄心と前記積層鉄心の積層方向端部から永久磁石が外部に飛び出ないようにするための端板とをカシメピンで一体に結合するためのカシメピン挿入孔を備えた永久磁石埋め込み形回転子の積層鉄心において、前記凹凸部の係り止め部を、前記積層鉄心の積層方向に貫通した複数のカシメピン挿入孔の少なくとも１つを同じ位置に設けることにより、エンボス加工による凹凸係り止め部をカシメピン挿入孔の配置を考慮するだけで決定することができる。

これにより回転子の積層鉄心の積層方向端部の狭い領域において磁気的な悪影響を極力低減し、電動機性能が悪化することのない積層鉄心を用いた回転子とすることができる。また、打ち抜きプレス等の凹凸部の係り止め部を形成するピンの直径を大きくすることもできるため、ピンが折れ難く、打ち抜きスピード等を早くすることができ量産性のよい積層鉄心を用いた回転子とすることができる。

そして、これらの凹凸部の係り止め部が前記積層鉄心の積層方向に貫通したカシメピン挿入孔の少なくとも１つに、前記カシメピン挿入孔より大きな周長の凹凸形状を設け、薄板鉄板相互を係り止めして一体にかしめた積層鉄心と、前記端板のカシメピン挿入孔に、前記積層鉄心のカシメピン挿入孔の周りに設けられた凹凸形状の係り止め部と同様の凹凸形状を設け、カシメピンにて一体にかしめることにより積層鉄心の凹部に端板の凹部が入り込み、カシメピンでかしめた際カシメピンのヘッダー部分（頭部分）が、この端板の凹部に入れ込むことができ回転子の軸方向へのヘッダー部分の飛び出しを極力少なくすることができ電動機を小型、軽量化することができる。

尚、この回転子を用いた電動機を冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機内に搭載した電動機や、車両用途に使用される電動機として搭載することにより、磁気的な悪影響を極力低減した電動機とすることができる。

また、積層鉄心の磁気的に影響の少ない位置に凹凸係り止め部を無理なく配置できるため電動機の回転子を小型化、軽量化することができ、ひいては冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機を小型化、軽量化することや、また狭い車両搭載スペースにも容易に搭載するこができる。

図１には、固定子１の複数のティース部３に絶縁用ボビン（便宜上図示していない）を介して直接巻線２が巻き付けられた集中巻き方式による電動機を示している。実施形態の固定子１は、極数が２ｎ極であり固定子１のスロットは３ｎスロットを有している。図１では三相Y結線で、６スロットの固定子１に巻線２が直接巻き付けられ４極を形成している。

固定子１は、ティース部３とヨーク部４とで構成され、薄板鉄板の電磁鋼板を積層した積層鉄心で構成されている。この固定子１は薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体に積層固定するためのエンボス加工による凹凸部の係り止め部６ａと、積層鉄心の温度上昇を軽減するための冷却用の貫通孔５ａ等を有している。尚、図１の固定子１の非常に狭幅で磁束密度が高くなるヨーク部４や、固定子１の内径の中心に向けて伸び磁束密度が集中するティース部３には、積層鉄心の温度上昇を軽減するための冷却用の貫通孔５ａやエンボス加工による凹凸部の係り止め部６ａを設けない方が好ましい。

図１における実施形態においては、エンボス加工による凹凸部の係り止め部６ａや積層鉄心の温度上昇を軽減するための冷却用の貫通孔５ａは、円周方向に隣り合うヨーク部４とヨーク部４との間の磁束密度が低くなる部分、言い換えれば固定子１の内径の中心に向けて伸びたティース部３の根元部分とヨーク部４とが交差した磁束密度の低い部分に設けている。即ち、固定子１の積層鉄心内の磁気通路を妨げることなくエンボス加工による凹凸部の係り止め部６ａや貫通孔５ａを設けているため磁気的な悪影響を極力低減し、電動機性能を悪化させることがない。尚、この貫通孔５ａは積層鉄心をボルトでハウジングに固定するためボルト挿入孔であっても同様の効果がある。

また、図１に示す様に、固定子１の薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体に積層固定するためのエンボス加工による凹凸係り止め部６ａと、積層鉄心の温度上昇を軽減するための冷却用の貫通孔５ａとを一体にして、少なくとも１つを同じ位置に設けている。これにより、小型化、軽量化された電動機の積層鉄心の、狭幅のヨーク部４やティース部３の磁束密度の厳しい積層鉄心に、無理なく凹凸部の係り止め部６ａや貫通孔５ａ等を配置することができ、どちらか一方の配置を考慮するだけで容易に構成することができる。

具体的には、図１のＡ−Ａ’部分詳細断面図を図２に示す。エンボス加工による凹凸部の係り止め部６ａを、積層鉄心１ａの積層方向に貫通された複数の貫通孔５ａの少なくとも１つに、貫通孔５ａより若干大きくした周長の凹部を設け、積層方向に隣り合う薄板鉄板の電磁鋼板に設けられた貫通孔５ａより若干大きくした周長の凸部とを係り止めして、薄板鉄板相互を一体にかしめた積層鉄心としている。つまり、エンボス加工による凹凸部の係り止め部６ａを、貫通孔５ａの周りに設けてドーナツ形状の凹凸部の係り止め部で結合している。

積層鉄心１ｂの係り止め部の係り止め深さは、薄板鉄板の電磁鋼板の板厚により異なるが、板厚より浅い凹部形状とし、積層鉄心の１ａと１ｂとの繋ぎ部分は、好ましくは略０．２ｍｍ〜０．１ｍｍ程度とすることにより積層方向に積層した薄板鉄板の電磁鋼板を強固に固着することができる。尚、この貫通孔５ａは積層鉄心をボルトでハウジングに固定するためボルト挿入孔であっても同様の効果を得る。

次に、本発明の実施形態を回転子の積層鉄心に用いた場合を図３で説明する。図３の実施形態に示した回転子１０は、永久磁石収容孔８に永久磁石９ａ〜９ｃを埋め込んだ永久磁石埋め込み形回転子である。永久磁石収容孔８の形状は回転子１０の中央の軸孔１１に永久磁石収容孔の底部が近接し、この永久磁石収容孔の底部の両端部より回転子外周部まで延びた凹形状の永久磁石収容孔８である。隣り合う永久磁石収容孔８に埋め込まれた永久磁石９ａ〜９ｃは異極となるように配置され４極を形成している。永久磁石収容孔の形状は、凹形状に限定するものではなく、円弧状、V字状、蒲鉾状等何れの形状にも適用できる。

尚、回転子１０の外周側において、隣同士が異極となる永久磁石収容孔８と永久磁石収容孔８との間の磁極間部分にはコギングトルクによる音、振動または磁束の洩れを低減するための凹溝７ａが設けられている。この凹溝７ａは溝形状に限定するものではなく孔形状でも良い。磁気的に固定子の歯部から離間した形状であれば良い。また、凹溝７ａに対して永久磁石収容孔８の外周側には凸部７ｂが形成されている。これにより永久磁石９ａ〜９ｃによって発生する磁束を凸部７ｂに集中させることができ、電動機の性能を向上させることができる。

この隣同士が異極となる永久磁石収容孔８と永久磁石収容孔８との間の磁極間部分には、積層鉄心の積層方向に貫通されたカシメピン挿入孔５ｂと風孔１２が設けられている。カシメピン挿入孔５ｂには、積層鉄心に設けられた永久磁石収容孔８から永久磁石９ａ〜９ｃが飛び出されないように積層鉄心の両端部を塞ぐ端板（図示していない）を配置し、この端板と積層鉄心を一体固定するためのカシメピンが挿入される。また風孔１２は、回転子１０及び回転子１０を含む電動機が組み込まれた装置を冷却するための冷媒やオイル等を流通させるための孔である。

この積層鉄心の積層方向に貫通されたカシメピン挿入孔５ｂには、積層方向に隣り合う薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体に積層固定するためのエンボス加工による凹凸部の係り止め部６ｂを合わせ持っている。凹凸部の係り止め部６ｂは、カシメピン挿入孔５ｂより大きな周長の凹凸形状とし薄板鉄板の電磁鋼板相互を係り止めして一体に固着している。この図３に示した凹凸部の係り止め部６ｂの部分詳細断面図Ｂ−Ｂ’を図４で説明する。

図４は、エンボス加工による凹凸部の係り止め部６ｂを、積層鉄心１０ａの積層方向に貫通している複数のカシメピン挿入孔５ｂの少なくとも１つに、カシメピン挿入孔５ｂより若干大きくした周長の凹部を設け、積層方向に隣り合う薄板鉄板の電磁鋼板に設けられたカシメピン挿入孔５ｂより若干大きくした周長の凸部とを係り止めし、薄板鉄板相互を一体にかしめた積層鉄心１０ｂとしている。つまり、エンボス加工による凹凸部の係り止め部６ｂを、カシメピン挿入孔５ｂの周りに設けたドーナツ形状の凹凸部の係り止め部で結合している。

固定子１の凹凸部の係り止め部で説明したのと同様に、積層鉄心１０ｂの係り止め部の係り止め深さは、薄板鉄板の電磁鋼板の板厚により異なるが、板厚より浅い凹部形状とし、積層鉄心の１ａと１ｂとの繋ぎ部分を、好ましくは略０．２ｍｍ〜０．１ｍｍ程度とすることにより積層方向に積層した薄板電磁鋼板を強固に固着することができる。

尚、本実施形態の凹凸部の係り止め部６ｂは、カシメピン挿入孔５ｂの周りにカシメピン挿入孔５ｂより大きな周長の凹凸形状であるが、カシメピン挿入孔５ｂに限定するものでなく、冷却を目的として設けられた風孔１２の回りに設けても同様の効果が得られる。

また、別の実施形態として図３に示した永久磁石収容孔８より若干大きくした周長の凹凸部を設け、薄板鉄板の電磁鋼板相互を一体にかしめた凹凸部の係り止め部を設けた積層鉄心１０ａ、１０ｂとすることもできる。この場合の凹凸部の係り止め部は、永久磁石収容孔８の全周に渡り設けてもよいが部分的、断続的に設けてもよい。

また、図５及び図６には、回転子の積層鉄心と積層鉄心の両端部を端板とで塞ぎカシメピン１３でかしめた場合の部分断面図を示している。図５及図６には、積層鉄心１０ａの両端部に端板１４ａ及び１４ｂを配置しカシメピン１３により一体固定した凹凸部の係り止め部６ｃ（図５）と６ｄ（図６）の部分断面図である。

図５の端板１４ａは、カシメピン挿入孔５ｂの周りに設けられた凹凸部の係り止め部６ｃの上に直接装着され積層鉄心１０ａと端板１４ａを一体にかしめている。これにより端板１４ａと凹凸部の係り止め部６ｃとの間に若干の空隙が生じ、この空隙により端板１４ａにはバネ効果が発生し確実に固定することができる。

また、図６の端板１４ｂの形状は、カシメピン挿入孔５ｂの周りに設けられた凹凸部の係り止め部６ｄと同様に凹凸形状としている。この凹凸形状の凹部分は、カシメピン１３のヘッダー部分（頭部分）がこの凹部に入り込むようするのが好ましい。これにより、積層鉄心１０ａと端板１４ｂを一体にかしめた際、カシメピン１３のヘッダー部分（頭部分）の飛び出しを極力少なくすることができる。

尚、この回転子を用いた電動機を冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機内に搭載した電動機や、車両用途に使用される電動機として搭載することにより、磁気的な悪影響を極力低減した電動機とすることができる。

また、積層鉄心の磁気的に影響の少ない位置に凹凸部の係り止め部を無理なく配置しているため電動機の回転子を小型化、軽量化することができ、ひいては冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機を小型化、軽量化することや、また狭い車両搭載スペースにも容易に搭載するこができる。

本実施形態における積層鉄心の貫通孔と凹凸係り止め部を示す図。 図１における貫通孔と凹凸部の係り止め部のＡ−Ａ’部分詳細断面図。 本実施形態における回転子の積層鉄心のカシメピン挿入孔と凹凸部の係り止め部を示す図。 図３におけるカシメピン挿入孔と凹凸部の係り止め部のＢ−Ｂ’部分詳細断面図。 積層鉄心と端板をカシメピンにより一体にかしめた図。 積層鉄心と端板をカシメピンにより一体にかしめた別の実施形態における図。 従来の積層鉄心の貫通孔と凹凸部係り止め部を示す図。 従来の回転子の積層鉄心のカシメピン挿入孔と凹凸部の係り止め部を示す図。

１、 １５・・・固定子。
１ａ、１ｂ、１０ａ、１０ｂ・・・積層鉄心。
２、１６・・・巻線。
３、１７・・・ティース部。
４、１８・・・ヨーク部。
５ａ、５ｃ・・・貫通孔。
５ｂ、５ｄ・・・カシメピン挿入孔。
６ａ〜６ｄ、１９ａ、１９ｂ、２０・・・凹凸部の係り止め部。
７ａ・・・凹溝部。
７ｂ・・・凸部。
８、３２・・・永久磁石収容孔。
９ａ〜９ｃ、３３・・・永久磁石。
３４・・・磁束短絡防止用空隙部
１０、３０・・・回転子。
１１、３１・・・軸孔
１２、・・・風孔
１３・・・カシメピン。
１４ａ、１４ｂ・・・端板。

Claims (3)

1. 打ち抜きプレス等で打ち抜かれた薄板鉄板を複数積層した積層鉄心において、前記積層鉄心は隣り合う前記薄板鉄板に凹凸部を設け相互に係り止めできる係り止め部を設けて一体にかしめた回転子の積層鉄心であり、
   前記積層鉄心には、積層鉄心の中心に回転軸を挿入する軸孔と、回転子の外周側において隣同士が異極となる様に永久磁石を挿入する複数の永久磁石収容孔を備え、
   前記永久磁石収容孔と永久磁石収容孔との間に磁極間部分を設け、前記磁極間部分には、前記積層鉄心と前記積層鉄心の積層方向端部から永久磁石が外部に飛び出さないようにするための端板とをカシメピンで一体にかしめて結合するためのカシメピン挿入孔とを備え、
   前記凹凸部の係り止め部が、前記積層鉄心の積層方向に貫通したカシメピン挿入孔の少なくとも１つに、前記カシメピン挿入孔より大きな周長の凹凸形状を設け、前記薄板鉄板相互を係り止めして一体にかしめた積層鉄心と、
   前記端板のカシメピン挿入孔に、前記積層鉄心のカシメピン挿入孔の周りに設けられた凹凸形状の係り止め部と同様の凹凸形状を設け、前記端板の凹凸形状の凹部分に、カシメピンのヘッダー部分（頭部分）が入り込むようにカシメピンにて一体にかしめたことを特徴とする回転子。
2. 前記回転子を冷蔵庫やエアコン等の室外機の圧縮機内に搭載する電動機に用いたことを特徴とする請求項１項記載の電動機。
3. 前記回転子を車両用途の電動機に用いたことを特徴とする請求項１項記載の電動機。

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