JP5194550B2

JP5194550B2 - 内転形電動機用固定子

Info

Publication number: JP5194550B2
Application number: JP2007121620A
Authority: JP
Inventors: 裕一吉田; 光晴山形; 尚茂木; 隆平山
Original assignee: Nippon Steel and Sumitomo Metal Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2007-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2027-05-02
Also published as: JP2008278695A

Description

本発明は、電動機の鉄芯に係り、特に打抜かれた鋼板を複数枚積層、かつ一体化して製造される電動機用固定子の振動騒音低減に関する。

近年、省エネルギーの観点から各種電動機の効率向上，低コスト化が強く求められている。一方、冷蔵庫，洗濯機，エアーコンディショナー等に用いられる電動機は高効率，低コスト化に加え、低振動，低騒音のニーズが非常に高い。電動機用固定子は、鋼板を打抜き、所定枚数を積層し、ボルト締め、かしめ、溶接を用いて固着するのが一般的で、その固定子は、巻線コイルの組立て工程を経て、最終的に電動機の一部品として組み込まれる。固定子を電動機の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形、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形等が一般的である。電動機が稼動する場合は、固定子に巻かれた巻線コイルに電流が流れることにより、回転磁界が発生する。その回転磁界に伴って生じる電磁加振力は固定子を振動させようとし、積層した鋼板の密着性が比較的弱い、ティース先端やボルト締付け部から離れたヨーク部分において板が振動し、高いレベルの騒音の発生に至ってしまう問題がある。

特許文献１には、各ヨーク部が屈曲可能な連結部を介して連結された複数のティースで形成される鉄芯部材を、積層して抜きかしめにより固着一体化し、上記連結部を屈曲させることにより環状に成形して構成される積層鉄芯において、上記抜きかしめが所望のティースにのみ施されていることを特徴とする積層鉄芯が開示されている。開示された手段では、ティース先端付近の中心軸上1点にかしめが施されているが、本発明者らによる実験によれば、振動低減効果が十分でなく、また、電動機稼動時に磁束密度が高い部分となる位置にかしめ部が存在することになるため、鉄損が増加して電動機の効率を低下させる問題がある。

特許文献２には、ヨークから内径方向に突出した複数の極歯が本体部と先端部に分割して形成され、極歯の本体部と先端部はそれぞれかしめ部を介して積層され、積層した極歯本体部と極歯先端部とが嵌合部を介して一体化してなる固定子鉄芯が開示されている。開示された手段では、電動機稼動時に磁束密度が高いティース中央部にかしめ部が存在し、鉄損が増加して電動機の効率を低下させる問題がある。

特許文献３には、振動やうなりを低減し、電動機の特性向上を図る目的で、複数のティース部を設けた積層鉄芯を備えた電動機において、積層鉄芯のティース部の任意の鉄芯断面をレーザー溶接した固定子鉄芯を備えたことを特徴とする電動機が開示されている。しかしながら、ティース先端のレーザー溶接した部分で積層した鋼板同士が電気的に導通して渦電流が流れ、鉄損が増加し、電動機の効率を低下させる問題がある。

特開２００３−２３５１８７号公報特開２００４−８８９８０号公報特開平７−７８７６号公報

本発明は前記の問題点に鑑み、鉄損を著しく損なうことなく、振動騒音を低減した内転形電動機用固定子を提供することを目的とする。

本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層した固定子において、ティース先端から１０ｍｍ以内のティース先端部の両端にかしめ部を有し、前記かしめ部間の距離がティース幅の０．５倍以上１．０倍未満であり、
更に、径方向でティース部の延長領域のヨーク部で、ヨーク部内周からティース幅の０．５倍以上外周側に、かしめ部を有し、
ヨーク部のかしめ部が、ティース部の両端のかしめ部の中間線上に位置することを特徴とする内転形電動機用固定子。
（２）鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した鋼板を複数枚積層した固定子において、隣接するティース部の間のヨーク部に分割面を有し、ティース先端から１０ｍｍ以内のティース先端部の両端にかしめ部を有し、前記かしめ部間の距離がティース幅の０．５倍以上１．０倍未満であり、
更に、径方向でティース部の延長領域のヨーク部で、ヨーク部内周からティース幅の０．５倍以上外周側に、かしめ部を有し、
ヨーク部のかしめ部が、ティース部の両端のかしめ部の中間線上に位置することを特徴とする内転形電動機用固定子。
（３）積層した鋼板の一部又は全部が、絶縁性接着剤により互いに接着されていることを特徴とする（１）または（２）に記載の内転形電動機用固定子。

本発明により、鉄損を著しく低下させることなく、電動機稼動時に発生する固定子の鋼板の振動を抑制し、電動機の騒音レベルを低減することが出来る。

以下、本発明に関し、図面を用いて具体的に説明する。

図１に示される内転形電動機用固定子は、鋼板を図２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４付近において上下方向に数カ所をかしめることで、または、数カ所を積層方向に溶接することで一体化している。内転形電動機用固定子の形状は、図１または図２に示されるように、環状のヨーク部１、ヨーク部内周２から径方向内側にのびる複数本のティース部３から形成されている。一体化された固定子は、積層方向にボルト通過用に開けたボルト穴５にボルト（図示せず）を通し、ボルトによりケース６へ固定されている。

内転形電動機に固定子が組み込まれる際に、ティース部３に巻き線コイル７が巻かれ、また、その固定子の内側には永久磁石８が埋め込まれた回転子９が取り付けられている。巻き線コイルには交流電流が流され、固定子と回転子の間で磁界が発生し、上記電動機が回転作動する。この交流電流は図１または図２の一部である図３に示される磁束１０および１１を形成し、内転形電動機用固定子のティース部３において径方向の磁束１０、ヨーク部１において周方向の磁束１１を発生させる。従って、特に、ティース部３を径方向に流れる磁束１０をつなぐヨーク部の磁束１１は、ヨーク部内周２から径方向外側にティース３の（周方向）幅の０．５〜２倍程度の範囲１２に集中する。

本発明者らは、この図１に示す内転形電動機用固定子を用いた電動機に関して、その音響特性を調査した。電動機を稼動させ、電動機本体から数ｍ離れた場所に騒音計を設置し、スペクトルアナライザーで騒音レベルを１／３オクターブ周波数分析して求めたところ、１〜５kHzの周波数範囲で騒音レベルが大きいことが判明した。更に、騒音レベルが高くなる原因を究明するため、上記内転形電動機用固定子について、実験モード解析および有限要素法による固有モード解析によって詳細な分析を行った。その分析の結果、ティース先端が振動するモードが存在し、その振動モードの振動周波数が１〜５kHzの周波数範囲に存在する騒音レベルのピーク周波数にほぼ一致しており、上記振動モードが騒音レベルの上昇を誘発していると考えた。

図４は、内転形電動機用固定子の一部を図示したものであり、騒音レベルの上昇を誘発する代表的な振動モードを有限要素法により求めたものである。ティース先端の部分が鉛直方向に波打って振動する（図４（ａ））と共に、ヨーク部周辺の外周端面が変形する（同図（ｂ））振動モードであることが判る。尚、並行して、固定子をハンマリングして振動計により固定子各部位の変位を測定し振動モードを求める実験モード解析を実施し、上記の振動モードは実験モード解析においても同様な形態が存在することを確認しており、有限要素法による固有モード解析は実現象を精度よく再現していることを検証した。

以上のことから、騒音レベルを低減するためには、ティース先端部およびヨーク部をかしめにより補強し固定子の剛性を向上させることが有効であることを見出し、本発明をなしたものである。

本発明者らは、ティース先端部にかしめ部を設けて、その騒音レベル低減効果を確認すべく、有限要素法による固有モード解析により種々の数値実験を行った。図５は、本実験に用いた供試用固定子の形状を示したものである。図５（ａ）は、従来用いられている形式でヨーク外周部近傍に３箇所、かしめ部１３を有する供試用固定子であり、（ｂ）は、各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部１３と、各ティース先端部中央にかしめ部１３を１箇所づつ有する供試用固定子、（ｃ）は、各ティース先端の両端にのみかしめ部１３を有する供試用固定子で、（ｄ）は、各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部１３と、各ティース先端の両端にかしめ部１３を有する供試用固定子である。尚、両端のかしめ部間の距離は、ティース幅の０．５倍以上確保している。図５（ｃ）及び（ｄ）の拡大図を図６（ａ）、（ｂ）に示す。

図７は、図４に示す騒音レベルの上昇を誘発する振動モードの固有振動数の上昇率を示したもので、(a)の固定子に対する比率で示している。(c)及び(d)の固定子は、(a)の固定子に対して、１．８倍以上固有振動数が上昇しており、本数値実験から、騒音で問題となる振動モードにおける剛性が格段に向上していることが判った。また、ティース先端の両端のかしめ部間距離は、ティース両端に一定の距離を介してかしめ部が存在することが、ティース先端の振動を低減するのに有効であることから、ティース幅の０．５倍以上であることが望ましい。更にティースの内側にかしめ部が存在せしめるため、ティース先端の両端のかしめ部間距離はティース幅の１．０倍未満となるのは言うまでもない。尚、かしめ部が存在すべきティース先端の領域については、積層された鋼板をティース先端で一体化して波打つ振動を抑制し、ティース先端の剛性を向上させるため、少なくともティース先端から１０ｍｍ以内である。

一方、上記固定子が内転形電動機に組み込まれ、巻き線コイルには交流電流が流され、電動機が作動する場合、図３に示されるようにティース部３を径方向に流れる磁束１０をつなぐヨーク部の磁束１１は、ヨーク部内周２から径方向外側にティース３の（周方向）幅の０．５〜２倍程度の範囲１２に集中する。従って、電動機の鉄損を悪化させないために、かしめ部は、磁束１０、１１の磁束の流れを乱さない位置に存在することが好ましい。然るに、ティース先端から１０ｍｍ以内のティース先端の両端にあるかしめ部は、電動機の効率の観点からも両端に有することが好ましく、各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部においても、磁束１１が集中する領域を回避するため、少なくともヨーク部内周からティース幅の０．５倍以上外周側に有することが好ましい。更に、ヨーク部のかしめ部はヨーク部の磁束１１から極力遠方へ回避させるため、ティース部の両端のかしめ部の中間線上に位置することが好ましい（前記（１）に係る本発明）。

一方、固定子の形状で一体に打抜き、積層し製造する方法では、製品歩留が良くないため、製品歩留が向上するように固定子の部分毎の形状で打抜き、積層した部分毎のパーツ１４を所定の形状になるよう組み立てる分割形内転形電動機用固定子がある。その固定子は、図８に示すように隣接するティース部の間のヨーク部に分割面１８を有している。本形式の固定子においても前記（１）の本発明に係るかしめ配置をして、かしめを施すと、更にティース先端の振動が抑制され騒音レベルが低減される（前記（２）に係る本発明）。

また、固定子の剛性を向上させるため、エポキシ系等の絶縁性接着剤を一部又は全部の鋼板の間に塗布し、接着して所定の固定子に組み立てる方式もある。本方式の固定子においても前記（１）〜（２）の何れかの本発明に係るかしめ配置をして、かしめを施すと、更にティース先端の振動が抑制され騒音レベルが低減される（前記（３）に係る本発明）。

本発明の一実施例について以下に示す。

図２に示すように鋼板を打抜いて積層し、ティース部３とヨーク部１からなる内転形電動機用固定子を作成した。ティース先端の半径Ｒｔ＝１５０ｍｍ、ヨーク部内周の半径Ｒｉ＝２５０ｍｍ、ヨーク部外周端面の半径Ｒｏ＝３２０ｍｍで、ティース幅は２６ｍｍ、ティースの本数は２４本である。積層される鋼板の1枚の板厚は０．３ｍｍ、積層枚数は１５０枚で積層高さは４５ｍｍである。

本発明例１として、図５（ｃ）に示す如くティース部３の先端部の両端部には、かしめ部１３を有し、そのかしめ部間の距離は１６ｍｍである。ヨーク外周部の３箇所には、固定子をケース６に固定するためのボルト穴５があり、通しボルトで固定子を固定した。尚、絶縁性接着剤は用いなかった。

更に、本発明例２として、図５（ｄ）に示す如く本発明例１に加え、径方向でティース部の延長領域のヨーク部にかしめ部１３を有する固定子を作成した。ヨーク部のかしめ部１３は、ティース部の両端のかしめ部１３の中間線上に位置させ、ヨーク部内周２から径方向外側へ６０ｍｍの距離に位置させた。

また、比較例1として、図５（ａ）に示す如くヨーク外周部近傍３箇所にかしめ部１３を有する固定子、更に、比較例２として、図５（ｂ）に示す如く径方向でティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部１３と、各ティース部先端中央にかしめ部１３を１箇所づつ有する固定子を作成した。

試験は、回転数５０００[ｒｐｍ]、トルク７[Ｎｍ]の条件で、騒音レベルおよび鉄損を測定した。図９は各固定子作成例における騒音レベルのオーバーオール値[ｄＢ]を示している。本発明例１は、比較例１に対して８[ｄＢ]低減し、比較例２に対して３[ｄＢ]低減した。また、本発明例２は、比較例１に対して１０[ｄＢ]低減し、比較例２に対して５[ｄＢ]低減した。

図１０は各固定子作成例における比較例１の鉄損測定値に対する比率を示したものである。比較例２は比較例１に対して８％鉄損が上昇した。これは、ティース中央部で磁束密度の高い領域にかしめ部１３が存在し、ティース内の磁束の流れを乱すことによるものと考えられる。一方、本発明例１，２の鉄損については、比較的磁束密度が低い領域にかしめ部１３が存在するため、比較例１に対して２％程度の上昇に留まった。

本発明の一実施例について以下に示す。

実施例１と同様に、図２に示すように鋼板を打抜いて積層し、ティース部３とヨーク部１からなる内転形電動機用固定子を作成した。ティース先端の半径Ｒｔ＝１５０ｍｍ、ヨーク部内周の半径Ｒｉ＝２５０ｍｍ、ヨーク部外周端面の半径Ｒｏ＝３２０ｍｍで、ティース幅は２６ｍｍ、ティースの本数は２４本である。積層される鋼板の1枚の板厚は０．３ｍｍ、積層枚数は１５０枚で積層高さは４５ｍｍである。

本発明例３として、図１１に示す如くティース部３の先端部の両端部には、かしめ部１３を有し、そのかしめ部間の距離は１６ｍｍである。また、径方向でティース部の延長領域のヨーク部にかしめ部１３を設けた。ヨーク部のかしめ部１３は、図１１に示すようにティース部先端に位置する両端のかしめ部１３の片側に対し延長線上となる位置に有り、ヨーク部内周２から径方向外側へ５０ｍｍの距離に位置する。ボルト穴５に通しボルト（図示せず）を取付け、固定子をケース６に固定した。尚、絶縁性接着剤は用いなかった。

更に、本発明例４として、図１１に示す本発明例３に加え、積層した鋼板を互いにエポキシ系の絶縁性接着剤によって接着させ、固定子を作成した。

試験は、回転数５０００[ｒｐｍ]、トルク７[Ｎｍ]の条件で、騒音レベルおよび鉄損を測定した。図１２は各固定子作成例における騒音レベルのオーバーオール値[ｄＢ]を示している。本発明例３は、比較例１に対して１０[ｄＢ]低減し、比較例２に対して５[ｄＢ]低減した。また、本発明例４は、比較例１に対して１４[ｄＢ]低減し、比較例２に対して９[ｄＢ]低減した。

図１３は各固定子作成例における比較例１の鉄損測定値に対する比率を示したものである。本発明例３，４の鉄損については、比較的磁束密度が低い領域にかしめ部１３が存在するため、比較例１に対して３％程度の上昇に留まった。

本発明の一実施例について以下に示す。

本実施例では、図８に示しような１２個のパーツからなり、分割面１８に鉄粉を２０vol％混入した合成樹脂接着剤でパーツを互いに固着させ、分割形固定子を作成した。ティース先端の半径Ｒｔ＝１５０ｍｍ、ヨーク部内周の半径Ｒｉ＝２５０ｍｍ、ヨーク部外周端面の半径Ｒｏ＝３２０ｍｍで、ティース幅は４０ｍｍ、ティースの本数は１２本である。積層される鋼板の1枚の板厚は０．３ｍｍ、積層枚数は１５０枚で積層高さは４５ｍｍである。

本発明例５として、図１４に示す如くティース部３の先端部の両端部には、かしめ部１３を有し、そのかしめ部間の距離は３０ｍｍである。また、径方向でティース部の延長領域のヨーク部にかしめ部１３を設けた。ヨーク部のかしめ部１３は、ティース部の両端のかしめ部１３の中間線上に位置させ、ヨーク部内周２から径方向外側へ６０ｍｍの距離に位置させた。尚、絶縁性接着剤は用いなかった。

比較例３として、本発明例５において加え、ティース部３の先端部の両端部にかしめ部が存在しない分割形固定子を作成した。

試験は、回転数５０００[ｒｐｍ]、トルク７[Ｎｍ]の条件で、騒音レベルおよび鉄損を測定した。図１５は各分割形固定子作成例における騒音レベルのオーバーオール値[ｄＢ]を示している。本発明例５は、比較例３に対して８[ｄＢ]低減した。

図１６は本発明例５における比較例３の鉄損測定値に対する比率を示したものである。本発明例５の鉄損については、比較的磁束密度が低い領域にかしめ部１３が存在するため、比較例３に対して２％程度の上昇に留まった。

内転形電動機用固定子の形態。図１に示す内転形電動機用固定子として積層された一枚の鋼板の形状。図１または図２に示す内転形電動機用固定子おける、内部を流れる磁束の概要図。騒音レベルの上昇を誘発する代表的な振動モードを示す。（ａ）はティース先端の部分が鉛直方向に波打って振動する状態を示す。（ｂ）はヨーク部周辺の外周端面が変形する状態を示す。 (a)はヨーク外周部近傍に３箇所かしめ部を有する供試用固定子。(b)は各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部と、各ティース部先端中央にかしめ部を有する供試用固定子。(c)は各ティース先端の両端にのみかしめ部を有する供試用固定子。(d)は各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部と、各ティース先端の両端にかしめ部を有する供試用固定子。（ａ）は図５（ｃ）の拡大図である。（ｂ）は図５（ｄ）の拡大図である。図４に示す騒音レベルの上昇を誘発する振動モードの固有振動数の上昇率。分割形内転形電動機用固定子。各固定子作成例における騒音レベル。各固定子作成例における比較例１の鉄損測定値に対する比率。各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部？と、各ティース先端の両端にかしめ部を有する供試用固定子。各固定子作成例における騒音レベル。各固定子作成例における比較例１の鉄損測定値に対する比率。ヨーク部に分割面を有し、各ティース部の延長領域のヨーク部のかしめ部と、各ティース先端の両端にかしめ部を有する供試用固定子。各分割形固定子作成例における騒音レベル。本発明例５における比較例３の鉄損測定値に対する比率。

符号の説明

１内転形電動機用固定子のヨーク部
２内転形電動機用固定子のヨーク部内周
３内転形電動機用固定子のティース部
４内転形電動機用固定子のヨーク部外周端面
５ボルト穴
６ケース
７巻き線コイル
８永久磁石
９内転形電動機用回転子
１０内転形電動機用固定子のティース部の磁束
１１内転形電動機用固定子のヨーク部の磁束
１２内転形電動機用固定子のヨーク部外周より径方向内側にティース幅の０．５〜２倍の範囲
１３かしめ部
１４分割形固定子におけるパーツ
１６内転形電動機の回転軸
１７スロット部
１８分割面

Claims

鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した１枚の鋼板を複数枚積層した固定子において、ティース先端から１０ｍｍ以内のティース先端部の両端にかしめ部を有し、前記かしめ部間の距離がティース幅の０．５倍以上１．０倍未満であり、
更に、径方向でティース部の延長領域のヨーク部で、ヨーク部内周からティース幅の０．５倍以上外周側に、かしめ部を有し、
ヨーク部のかしめ部が、ティース部の両端のかしめ部の中間線上に位置することを特徴とする内転形電動機用固定子。
鋼板を所定の形状に打抜き、ティース部及びヨーク部が一体化した鋼板を複数枚積層した固定子において、隣接するティース部の間のヨーク部に分割面を有し、ティース先端から１０ｍｍ以内のティース先端部の両端にかしめ部を有し、前記かしめ部間の距離がティース幅の０．５倍以上１．０倍未満であり、
更に、径方向でティース部の延長領域のヨーク部で、ヨーク部内周からティース幅の０．５倍以上外周側に、かしめ部を有し、
ヨーク部のかしめ部が、ティース部の両端のかしめ部の中間線上に位置することを特徴とする内転形電動機用固定子。
積層した鋼板の一部又は全部が、絶縁性接着剤により互いに接着されていることを特徴とする請求項１または２に記載の内転形電動機用固定子。