JP5183894B2

JP5183894B2 - 巻線が巻回された鉄心、回転電機、及びリニアモータ

Info

Publication number: JP5183894B2
Application number: JP2006210436A
Authority: JP
Inventors: 盛幸枦山; 正哉井上; 直弘桶谷; 帥男三好; 陽一藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2026-08-02
Also published as: JP2008042972A

Description

この発明は、回転電機やリニアモータに使用される巻線が巻回された鉄心に関するものである。

従来、回転電機やリニアモータの鉄心は、薄い鋼板を積層させてティース部を構成し、このティース部にインシュレータを挿入後、巻線を施していた。この構成によると、コイルエンド部はトルクに寄与しておらず、回転電機やリニアモータの鉄心の積層方向長さを減らすためにはコイルエンド部を減らす必要があった。そのため、回転電機やリニアモータの出力を上げるためには鉄心の積層方向長さを伸ばす必要があった。

そこで、回転電機やリニアモータの鉄心の積層方向長さを伸ばすことなく出力を上げるためには、例えば特許文献１に示すような方法が考えられてきた。

すなわち、特許文献１では、固定子鉄心のティースの先端部に電磁鋼板を積層して構成された補助鉄心を追加し、回転子の長さを補助鉄心の追加分だけ長くしている。

特開２００４−１５９４７６号公報

上記特許文献１では、ティース部が磁気飽和している場合には追加の補助鉄心を装着してもトルクがあまり増加しないという問題点がある。また、ティース先端部に補助鉄心を追加する製作は複雑な工程を要するという問題点がある。

この発明は、上記のような従来の問題点を解消するためになされたものであり、ティース部の磁気飽和を緩和しながらコイルエンド部で発生するトルクを有効に利用できかつ製作が容易な巻線が巻回された鉄心を提供することを目的とする。

この発明の巻線が巻回された鉄心は、ヨーク部と、ヨーク部から突設するティース部と、ティース部の先端に位置するティース先端部とを有し、磁性板材を複数枚積層することにより構成される鉄心部を備え、この鉄心部に対して、ティース部の積層方向端面に沿ってティース先端部付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部と、ティース積層方向端面延設部のティース先端部付近から積層方向外側に延設される積層方向延設部と、ティース積層方向端面延設部からティース部の積層方向側面に沿って延設され、且つティース部の積層方向側面に沿ってティース先端部付近からティース部付け根まで延設され、ヨーク部と接するティース積層方向側面延設部とを有し、且つ１枚の磁性板を折り曲げて形成された補助磁性鉄心を装着し、補助磁性鉄心のティース積層方向端面延設部及びティース積層方向側面延設部に巻線を巻回したことを特徴とする。

この発明の巻線が巻回された鉄心によれば、ティース部が磁気飽和をしている場合でも、鉄心に対向する永久磁石又は巻線で発生する磁束は補助磁性鉄心を通じてヨーク部に流れるため、鉄心に対向する永久磁石又は巻線で発生する磁束を有効に利用できる。

また、従来コイルエンド部分としてのみ使用されていた領域に補助磁性鉄心の積層方向延設部を設置することにより鉄心部の実質積層方向長さを長くできるので、回転電機やリニアモータの発生するトルクを大きくすることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による回転電機の鉄心部の一部斜視図であり、当該鉄心部に補助磁性鉄心が装着されていない状態を示す図である。図２は同じく実施の形態１による回転電機の鉄心部の一部斜視図であり、当該鉄心部に補助磁性鉄心が装着されている状態を示す図である。

図１において、固定子鉄心を構成する鉄心部１０は、回転電機の外周に位置するヨーク部１１と、ヨーク部１１から内周方向に突設するティース部１２と、ティース部１２の先端に位置するティース先端部１３を有しており、電磁鋼板等の薄板材（磁性板材）を回転電機の軸方向に複数枚積層することにより構成されている。また、鉄心部１０の内周側には回転子３０が配置される。回転子３０は図示しない回転軸を有しており、回転子３０の外周表面の周方向には所定間隔をおいて複数個の永久磁石３１が配設されている。

図２において、補助磁性鉄心２０は、鉄心部１０のティース部１２の積層方向端面に沿ってティース先端部１３付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部２０Ａと、ティース積層方向端面延設部２０Ａのティース先端部１３付近から積層方向外側に延設される積層方向延設部２０Ｂと、ティース積層方向端面延設部２０Ａからティース部１２の積層方向側面に沿って延設されるティース積層方向側面延設部２０Ｃから構成されている。そして、図示は省略しているが、鉄心部１０のティース部１２を囲む補助磁性鉄心２０（ティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃ）には巻線が巻回される。また、回転子３０の軸方向長さＬは、好ましくは、積層方向延設部２０Ｂを含めた鉄心部１０の軸方向長さに略等しくなるように設定されている。

次に、本実施の形態の補助磁性鉄心２０の製作加工例について説明する。図３は本実施の形態の補助磁性鉄心の加工前の状態を示す図であり、図４は本実施の形態の補助磁性鉄心の加工後の状態を示す図である。

まず、図３に示すようなＴ字型の磁性板を用意する。そして、Ｔ字型磁性板の中央部分を鉄心部１０のティース部１２の積層方向端面に沿ってティース先端部１３付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部２０Ａとする。次に、点線箇所Ａを図示手前に約９０度折り曲げることによりティース積層方向端面延設部２０Ａから積層方向外側に延設される積層方向延設部２０Ｂを形成する。また、点線箇所Ｂを図示後方に約９０度折り曲げることによりティース積層方向端面延設部２０Ａからティース積層方向両側面に沿って延設されるティース積層方向側面延設部２０Ｃを形成する。このようにして図４に示す形状の補助磁性鉄心２０を形成する。その後、補助磁性鉄心２０のティース積層方向側面延設部２０Ｃを、図１の鉄心部１０のティース部１２の積層方向側面に嵌め込むことにより、図２に示す補助磁性鉄心２０を装着した固定子鉄心が完成する。そして、固定子鉄心のティース部１２及び補助磁性鉄心２０（ティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃ）にコイル巻線を巻回する。

以上のように、本実施の形態によれば、ヨーク部１１と、ヨーク部１１から突設するティース部１２と、ティース部１２の先端に位置するティース先端部１３を有し、磁性板材を複数枚積層することにより構成される鉄心部１０を備え、この鉄心部１０に対して、ティース部１２の積層方向端面に沿ってティース先端部付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部２０Ａと、ティース積層方向端面延設部２０Ａのティース先端部付近から積層方向外側に延設される積層方向延設部２０Ｂと、ティース積層方向端面延設部２０Ａからティース部の積層方向側面に沿って延設されるティース積層方向側面延設部２０Ｃを有する補助磁性鉄心２０を装着し、鉄心部１０のティース部１２及び補助磁性鉄心２０のティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃに巻線（図示せず）を巻回したので、以下のような優れた効果を発揮する。なお、この場合、回転子３０の軸方向長さＬは、好ましくは、積層方向延設部２０Ｂを含めた鉄心部１０の軸方向長さに略等しく設定されている。

従来コイルエンド部分としてのみ使用されていた領域（鉄心部１０の積層方向端面部）に補助磁性鉄心２０の積層方向延設部２０Ｂが配設されるので、回転子３０の永久磁石３１からの磁束は積層方向延設部２０Ｂを経由してティース積層方向端面延設部２０Ａに流れる。また、鉄心部１０に巻回された巻線により発生した磁束は積層方向延設部２０Ｂに沿って拡げられて回転子３０の永久磁石３１に作用する。つまり、積層方向延設部２０Ｂを設置することにより鉄心部１０の実質積層方向長さを長くできるので、回転電機の発生するトルクを大きくすることができる。

また、鉄心部１０のティース部１２が磁気飽和している場合、上記特許文献１のように補助鉄心を追加して回転子３０の永久磁石３１や巻線（図示せず）で発生する磁束を取り込んでも磁束が通る経路がほとんどないため、取り込んだ磁束を有効に利用できない。これに対して、本実施の形態では、回転子３０の永久磁石３１又は巻線（図示せず）で発生する磁束は補助磁性鉄心２０を通じてヨーク部１１に流れるため、ティース部１２が磁気飽和をしている場合でも、回転子３０の永久磁石３１や巻線（図示せず）で発生する磁束を有効に利用できる。

また、図５に示すように、補助磁性鉄心２０の厚みｔ１をティース部１２の各積層部材の厚みｔ２より大きくしても良い。この場合、回転子３０の永久磁石３１や巻線（図示せず）で発生する磁束をより多く拾うことができる。

さらに、図５に示すように、積層磁性板材で構成されるティース部１２を囲むティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃの断面がＵ字形状となり、ティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃで形成される環状の磁束経路に絶縁箇所を有している。そのため、ティース部１２に交番磁束が通過しても短絡電流ループ（図５の点線ＥＣ１）を作ることがなく、補助磁性鉄心２０に無駄な渦電流が流れない。なお、図５は図２のＶ−Ｖ線の向きのティース部１２及び補助磁性鉄心２０の積層方向断面を示している。

また、図６に示すように補助磁性鉄心２０の表面を絶縁していない場合、積層磁性板材で構成されるティース部１２と補助磁性鉄心２０のティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃの間で渦電流ＥＣ２が発生し、これらの渦電流ＥＣ２により損失が発生する。そこで、図７に示すように、補助磁性鉄心２０の少なくともティース積層方向端面延設部２０Ａ及びティース積層方向側面延設部２０Ｃの表面に粉体塗装などにより絶縁層４０を形成すると良い。この場合、補助磁性鉄心２０とティース部１２の間で図６に示すような渦電流が発生しないため、損失が増加しない。また、補助磁性鉄心２０と巻線（図示せず）との境界面も絶縁することにより巻線（図示せず）とティース部１２との短絡防止につながる。

図８はこの発明の実施の形態１の他の例の補助磁性鉄心を装着した回転電機の鉄心を示す斜視図である。図８の補助磁性鉄心２０は、積層方向延設部２０Ｂのティース先端幅Ｗをティース積層方向端面延設部２０Ａの幅ＷＴより大きくしている。この場合、回転子３０の永久磁石３１から発生する磁束をより広い面積で集めることができ、また、固定子鉄心に巻回された巻線により固定子鉄心に発生する磁束を回転子３０の永久磁石３１のより広い面積に作用させることができる。その結果、磁気特性の良好な鉄心を得ることができる。

さらに、補助磁性鉄心２０をティース部１２に固定する場合は、巻線の締め付け力により固定できるため、新たな締結部材を用いる必要がない。

さらに、補助磁性鉄心２０を一枚のＴ字型の磁性板からプレスで折り曲げるのみで作成可能であり、製作が簡単である。

実施の形態２．
図９はこの発明の実施の形態２による補助磁性鉄心の加工前の状態を示す図であり、図１０は本実施の形態の補助磁性鉄心の加工後の状態を示す図である。また、図１１は本実施の形態の補助磁性鉄心を装着した状態を示す回転電機の鉄心の一部斜視図である。

本実施の形態の補助磁性鉄心２００は、例えば図９に示すＥ字型の磁性板を用いて製作する。すなわち、上記Ｅ字型の磁性板の中央部分を鉄心部１０のティース部１２の積層方向一側端面に沿ってティース先端部１３付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部２００Ａとする。また、点線箇所Ｃを図示手前に約９０度折り曲げることによりティース積層方向端面延設部２００Ａから積層方向外側に延設される積層方向延設部２００Ｂを形成する。さらに、点線箇所Ｄを図示後方に約９０度折り曲げることによりティース積層方向端面延設部２００Ａからティース積層方向両側面に沿って延設される一対のティース積層方向側面延設部２００Ｃを形成する。そして、ティース積層方向側面延設部２００Ｃを、図１の鉄心部１０のティース部１２の積層方向側面に挿入する。その後、点線箇所Ｅを折り曲げることにより鉄心部１０のティース部１２の積層方向他側端面に沿ってティース先端部１３付近からティース部付け根まで延設される一対のティース積層方向端面延設部２００Ｄを形成する。さらに、点線箇所Ｆを約９０度折り曲げることによりティース積層方向端面延設部２００Ｄから軸方向外側に延設される一対の積層方向延設部２００Ｅを形成する。このとき、一対のティース積層方向端面延設部２００Ｄ及び一対の積層方向延設部２００Ｅは、それぞれ相互に接触しないようにする。

このようにして、本実施の形態の補助磁性鉄心２００により、図１に示す鉄心部１０のティース部１２全体を包み込むようにして装着し、装着した補助磁性鉄心２００に巻線（図示せず）を巻回する。

このような構成によれば、従来コイルエンド部分としてのみ使用されていた領域（鉄心部１０の積層方向端面部）に補助磁性鉄心２００の積層方向延設部２００Ｂ及び２００Ｅが配設されるので、回転子３０の永久磁石３１からの磁束は積層方向延設部２００Ｂ及び２００Ｅを経由してティース積層方向端面延設部２００Ａに流れる。また、鉄心部１０に巻回された巻線により発生した磁束は積層方向延設部２００Ｂ及び２００Ｅに沿って拡げられて回転子３０の永久磁石３１に作用する。つまり、積層方向延設部２００Ｂ及び２００Ｅを設置することにより鉄心部１０の実質積層方向長さを長くできるので、回転電機の発生するトルクを大きくすることができる。

また、鉄心部１０のティース部１２が磁気飽和している場合、上記特許文献１のように補助鉄心を追加して回転子３０の永久磁石３１や巻線（図示せず）で発生する磁束を取り込んでも磁束が通る経路がほとんどないため、取り込んだ磁束を有効に利用できない。しかしながら、本実施の形態では、回転子３０の永久磁石３１又は巻線（図示せず）で発生する磁束は補助磁性鉄心２００を通じてヨーク部１１に流れるため、ティース部１２が磁気飽和をしている場合でも、回転子３０の永久磁石３１や巻線（図示せず）で発生する磁束を有効に利用できる。

また、実施の形態１と同様に、補助磁性鉄心２００の厚みｔ１を積層磁性板材で構成されるティース部１２の各磁性板材の厚みｔ２より大きくしても良い。この場合、回転子３０の永久磁石３１や巻線（図示せず）で発生する磁束をより多く拾うことができる。

また、図１２に示すように、補助磁性鉄心２００の少なくともティース積層方向端面延設部２００Ａ、２００Ｄ及びティース積層方向側面延設部２００Ｃの表面に粉体塗装などにより絶縁層４０を形成すると良い。この場合、補助磁性鉄心２００とティース部１２の間で図１２に示す渦電流ＥＣ３が発生しないため、損失が増加しない。また、補助磁性鉄心２００と巻線（図示せず）との境界面も絶縁することにより巻線（図示せず）とティース部１２との短絡防止につながる。

ここで、ティース積層方向端面延設部２００Ａ、２００Ｄ及びティース積層方向側面延設部２００Ｃで形成される環状の磁束経路に少なくとも１箇所の絶縁箇所を形成するのが好ましい。つまり、本実施の形態では、一対のティース積層方向端面延設部２００Ｄ及び一対の積層方向延設部２００Ｅは、それぞれ相互に接触しないように製作するのが好ましい。しかしながら、接触しないように製作するのが困難な場合、補助磁性鉄心２００の表面を粉体塗装などで絶縁層４０を形成して絶縁することにより、補助磁性鉄心２００内部に図１２のＥＣ３に示すような渦電流が流れるのを防ぐことができる。

また、本実施の形態では、補助磁性鉄心２００がティース部１２の周囲を囲むように配置されるので、巻線されるまでの間、補助磁性鉄心２００を特別にティース部１２に仮固定しなくても良い効果がある。

さらに、補助磁性鉄心２００をティース部１２に固定する場合は、実施の形態１で示したように巻線の締め付け力により固定できるため、新たな締結部材を用いる必要がない。

さらに、本実施の形態では、補助磁性鉄心２００を一枚のＥ字型の磁性板からプレスで折り曲げるのみで作成可能であり、製作が簡単である。

上記実施の形態１及び２では、本発明の態様として、回転電機の固定子の鉄心について補助磁性鉄心を装着した例について説明したが、これに限るものではない。すなわち、回転電機の回転子に使用される鉄心に本発明の補助磁性鉄心を装着しても良いし、リニアモータに使用される固定鉄心又は可動鉄心に本発明の補助磁性鉄心を装着しても上記と同様の効果を発揮できる。

この発明の実施の形態１による回転電機の鉄心の一部斜視図であり、鉄心に補助磁性鉄心が装着されていない状態を示す図である。この発明の実施の形態１による回転電機の鉄心の一部斜視図であり、鉄心に補助磁性鉄心が装着されている状態を示す図である。この発明の実施の形態１による補助磁性鉄心の加工前の状態を示す図である。この発明の実施の形態１による補助磁性鉄心の加工後の状態を示す図である。図２のＶ−Ｖ方向のティース部及び補助磁性鉄心の積層方向断面を示す図である。図２のＶ−Ｖ方向のティース部及び補助磁性鉄心の積層方向断面を示す図である。図２のＶ−Ｖ方向のティース部及び補助磁性鉄心の積層方向断面を示す図である。この発明の実施の形態１の他の例の補助磁性鉄心を装着した回転電機の鉄心を示す斜視図である。この発明の実施の形態２による補助磁性鉄心の加工前の状態を示す図である。この発明の実施の形態２による補助磁性鉄心の加工後の状態を示す図である。この発明の実施の形態２の補助磁性鉄心を装着した状態を示す回転電機の鉄心の一部斜視図である。図１１のＸ−Ｘ方向のティース部及び補助磁性鉄心の積層方向断面を示す図である。

符号の説明

１０鉄心部、１１ヨーク部、１２ティース部、１３ティース先端部、
２０補助磁性鉄心、２０Ａティース積層方向端面延設部、２０Ｂ積層方向延設部、
２０Ｃティース積層方向側面延設部、３０回転子、３１永久磁石、
２００補助磁性鉄心、２００Ａ，２００Ｄティース積層方向端面延設部、
２００Ｂ，２００Ｅ積層方向延設部、２００Ｃティース積層方向側面延設部。

Claims

ヨーク部と、上記ヨーク部から突設するティース部と、上記ティース部の先端に位置するティース先端部とを有し、磁性板材を複数枚積層することにより構成される鉄心部と、
上記ティース部の積層方向端面に沿ってティース先端部付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部と、上記ティース積層方向端面延設部の上記ティース先端部付近から積層方向外側に延設される積層方向延設部と、上記ティース積層方向端面延設部から上記ティース部の積層方向側面に沿って延設され、且つ上記ティース部の積層方向側面に沿って上記ティース先端部付近からティース部付け根まで延設され、上記ヨーク部と接するティース積層方向側面延設部とを有し、且つ１枚の磁性板を折り曲げて形成された補助磁性鉄心と、
上記補助磁性鉄心のティース積層方向端面延設部及びティース積層方向側面延設部に巻回された巻線とを備えたことを特徴とする巻線が巻回された鉄心。
上記ティース部の積層方向両端面及び積層方向両側面は、それぞれ上記ティース積層方向端面延設部及び上記ティース積層方向側面延設部により囲まれると共に、上記ティース積層方向端面延設部及び上記ティース積層方向側面延設部で形成される環状の経路の少なくとも１箇所に絶縁箇所を形成していることを特徴とする請求項１に記載の巻線が巻回された鉄心。
上記補助磁性鉄心の上記積層方向延設部のティース先端幅を上記ティース積層方向端面延設部の幅より大きくしていることを特徴とする請求項１に記載の巻線が巻回された鉄心。
上記補助磁性鉄心の厚みを、上記鉄心部の各磁性板材の厚みより大きくしていることを特徴とする請求項１に記載の巻線が巻回された鉄心。
ヨーク部と、上記ヨーク部から突設するティース部と、上記ティース部の先端に位置するティース先端部とを有し、磁性板材を複数枚積層することにより構成される鉄心部と、
上記ティース部の積層方向端面に沿ってティース先端部付近からティース部付け根まで延設されるティース積層方向端面延設部と、上記ティース積層方向端面延設部の上記ティース先端部付近から積層方向外側に延設される積層方向延設部と、上記ティース積層方向端面延設部から上記ティース部の積層方向側面に沿って延設され、且つ上記ティース部の積層方向側面に沿って上記ティース先端部付近からティース部付け根まで延設され、上記ヨーク部と接するティース積層方向側面延設部とを有し、且つ１枚の磁性板を折り曲げて形成された補助磁性鉄心と、
上記補助磁性鉄心のティース積層方向端面延設部及びティース積層方向側面延設部に巻回された巻線とを備え、
上記補助磁性鉄心の少なくとも上記ティース積層方向端面延設部及び上記ティース積層方向側面延設部の表面に絶縁層を形成していることを特徴とする巻線が巻回された鉄心。
上記補助磁性鉄心の少なくとも上記ティース積層方向端面延設部及び上記ティース積層方向側面延設部の表面に絶縁層を形成していることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の巻線が巻回された鉄心。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の巻線が巻回された鉄心を、固定子又は回転子のいずれか一方の鉄心として装着したことを特徴とする回転電機。
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の巻線が巻回された鉄心を、固定子又は可動子のいずれか一方の鉄心として装着したことを特徴とするリニアモータ。