JP5282780B2

JP5282780B2 - 回転電機

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Publication number: JP5282780B2
Application number: JP2010275061A
Authority: JP
Inventors: 剛野中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2030-12-09
Also published as: US20120146434A1; US8872397B2; EP2463990B1; CN102570655A; EP2463990A2; JP2012125080A; EP2463990A3

Description

本発明は、例えば、ＡＣサーボモータのような回転電機などに関する。

電動機や発電機等一般的な回転電機は、駆動のための負荷電流により固定子コイルの温度が上昇する。固定子コイルの許容温度により定格出力が制限されるため、固定子コイルの冷却性能が定格出力の大小を決定する要因となっている。

固定子コイルの冷却性能を向上させた回転電機の一例としては、特許文献１に記載の回転電機が挙げられる。この特許文献１の回転電機では、固定子コイルで発生する熱を固定子コイルのコイルエンドから直接ブラケットへ放熱し、固定子コイルの冷却性能を高めている。

ＷＯ２００８／１４９６４９Ａ１号公報（代表図）

特許文献１に示した、従来の回転電機は、固定子コイルを固定子鉄心に装着し、モールド樹脂で成形して固定子を製作していた。

製造工程において、加工時間短縮は製造原価を構成する加工費の低減に直接影響する。モールド成形は比較的長時間を要するため、加工時間短縮の大きなネックとなっていた。また、廃棄され不要となった回転電機の材料を資源として分解回収する場合において、樹脂モールドされた固定子は、特に鉄材と銅材の分離に対する大きな課題となっていた。

そこで、本発明は、従来の回転電機の固定子コイルの冷却性能を損なうことなく、加工時間の短縮と分解回収のリサイクル性を向上することができる回転電機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一の観点によれば、回転自在に支持された概円筒形の回転子と、固定子と、前記回転子および前記固定子を支持するブラケットを備えた回転電機において、固定子は、丸銅線を巻回し外形上を加圧成形した空芯コイルを、複数リング状に配置し樹脂で一体化した固定子コイルと、ティース毎に分割された固定子鉄心と、を有することを特徴とする回転電機が適用される。

本発明によれば、製造工程の主ラインで固定子コイルをモールド樹脂で成形するのではなく、予め副ラインにおいて一体に成形した固定子コイルを１つの部品として準備しておくため、主ラインでは組立てのみで回転電機が完成し、加工時間を大幅に低減できる。また、廃棄され不要となった回転電機は、締結ボルトを外すのみで容易に分解でき、特に鉄材と銅材の分離が容易であり、リサイクル性を飛躍的に向上することができる。

本発明の第１実施形態に係る回転電機の軸方向断面図本発明の第１実施形態に係る回転電機の径方向断面図固定子コイルの外観図結線部を装着した固定子コイルの外観図固定子コイルの負荷側ブラケットへの装着説明図固定子鉄心の装着説明図フレームの装着説明図固定子コイルの構造説明図別の固定子コイルの構造説明図別の固定子コイルの外観図別の固定子コイルの構造説明図空芯コイルの巻線構造説明図空芯コイルの加圧成形説明図空芯コイルの加熱融着説明図本発明の第２実施形態に係る回転電機の部品構成説明図固定子鉄心の形状説明図固定子鉄心の面取り形状説明図

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、同一の構成については同一の符号を付することにより、重複説明を適宜省略する。

＜第１実施形態＞
まず、図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る回転電機の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の軸方向断面図である。

図１に示すように、本実施形態に係る回転電機は、回転自在に支持された概円筒形の回転子３０と、固定子３１と、前記部品を支持する負荷側ブラケット４３と反負荷側ブラケット４４を備えている。

回転子３０の回転子鉄心３３は、負荷側側板３５と反負荷側側板３６とでシャフト３４に固定され、負荷側軸受３７と反負荷側軸受３８を介して、負荷側ブラケット４３と反負荷側ブラケット４４に回転自在に支持されている。シャフトの反負荷側端部には、回転子の回転位置を検出するためのエンコーダ部４１が設置されている。

固定子コイルの負荷側コイルエンド４０ａは、負荷側ブラケットの凹部４３ａに埋込むように密着して設置させる。そのため、固定子コイルの負荷側コイルエンド６ａから負荷側ブラケット４３への熱の伝導を良好にすることができ、固定子コイルの許容温度に対してより大きな負荷電流を可能にして、定格出力を向上させている。

固定子コイル４０への通電は、外部より、図示しないリード線を介して、固定子コイルの結線部４２より供給される。
反負荷側ブラケットは、フレーム５１とともに、図示しないボルトで、負荷側ブラケット４３に締結されている。回転子内部への異物侵入を防ぐために、負荷側ブラケット軸受部の外側にダストシール４９が設けられている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る回転電機の径方向断面図である。

図２に示すように、前記回転電機の回転子３１は、永久磁石３２が１極毎にＶ字状に回転子鉄心３３に設置され、１０極の磁極を構成した埋込磁石型構造である。

固定子は、ティース毎に１２分割された固定子鉄心４５と、モールド樹脂４７で一体に成形した固定子コイル４０を有する。

分割された固定子鉄心のティース部４５aの巾は、径方向に対し一定であり、いわゆるオープンスロットであるため、固定子コイルは固定子鉄心と同じ内周まで、占有面積を大きく設けることができ、その分太い丸銅線を用いて抵抗を下げ、発熱を減らす効果を得ている。

図３は、固定子コイルの外観図である。

図３において、固定子コイル４０は、集中巻に巻回され、外形状を加圧成形された１２個の空芯コイルを、モールド樹脂４７で一体に成形した部品である。固定子コイル４０は、空芯コイルの一体化に含封した絶縁材、またはモールド樹脂４７自体の絶縁性能により、空芯コイルの導体端部４６a が設けられたコイルエンド部を除く外側が被服され、空芯コイルが固定子コイル４０の表面に接していないため、ブラケットに直接密着させても絶縁性に問題はない。また、空芯コイルの一体化に含封した絶縁材、または樹脂が各々の空芯コイルの間に充填され、空芯コイルどうしが直接接していないため、空芯コイルどうしの絶縁性に問題はない。

図４は、結線部を装着した固定子コイルの外観図である。

図４において、固定子コイル４０を構成する各々の空芯コイルの導体端部４６a は、予め取付け孔が設けられた結線基板を装着することにより結線部５２が設けられる。

図５は、固定子コイルの負荷側ブラケットへの装着説明図である。

図５において、固定子コイル４０は、固定子鉄心を介さずに、負荷側ブラケット４３に装着されるため、負荷側コイルエンド４０a の端面を確実にブラケットへ密着させることができる。

固定子コイルの負荷側コイルエンド４０ａは、負荷側ブラケットの凹部４３ａに密着材を塗布して密着させる。密着材は固定子コイル４０と負荷側ブラケット４３の熱伝導に対する接触抵抗を低減し、固定子コイルの冷却性能を向上させる。

図６は、固定子鉄心の装着説明図である。

図６において、固定子コイル４０には、固定子鉄心のティース部４５aが装着される固定子コイルの空隙４０b があり、ティース毎に分割された固定子鉄心４５を外側より装着する。

図７は、フレームの装着説明図である。

図７において、固定子鉄心４５を装着した状態で、フレーム５１を負荷側ブラケットの嵌合部４３b に装着し、反負荷側ブラケットとともにボルトで締結する。

図８は、固定子コイルの構造説明図である。

図８において、固定子コイル４０を構成する各々の空芯コイル４６は、空芯コイルの空隙をもって成形型に装着し、モールド樹脂で一体に成形してもよいが、より絶縁耐圧を要求される場合には、空芯コイル間の絶縁として絶縁テープ５０等を付加しても良く、フレームや固定子鉄心に対する絶縁として、外側のインシュレータ４８a と内側のインシュレータ４８b を空芯コイルの空隙４６a に装着して、モールド樹脂で一体に成形してもよい。

また、図９に示す別の固定子コイルの構造説明図のように、特に固定子コイルの相間に高い絶縁信頼性を要求される場合には、ポリエステル等の成形によるインシュレータ５３を相関絶縁体をとして空芯コイル４６間に設置しモールド樹脂で一体に成形することで、要求に応じた耐圧と信頼性が確立できる。

また、結線基板５２を予め装着し、モールド樹脂で一体に成形してもよい。このようにすれば、図１０に示す別の固定子コイルの外観図のように、モータを構成する部品点数が更に減少し、組立て作業がより容易となる。

また、図１１に示す別の固定子コイルの構造説明図のように、空芯コイル４６の端面に窒化アルミまたはアルミナ等の熱伝導性の高いセラミック板５５を絶縁体として密着させ、モールド樹脂４７で一体に成形してもよい。この方法によれば、空芯コイル４６から負荷側ブラケットへの放熱性能が飛躍的に向上できる。空芯コイルの外円筒部４６b に同様な高熱伝導体を設けることも効果が大きい。

図１２は、空芯コイルの巻線構造説明図であり、空芯コイルの素材である絶縁皮膜を持つ丸銅線の巻回順序と位置を示している。本実施例の空芯コイルは、ボンド線の丸銅線７５を治具に巻回し、外形上を加圧成形し、加熱して融着して製作する。

まず、丸銅線７５を図に示す順序で巻回する。は、回転電機に装着したとき径方向断面となるを反負荷側より見た場合の巻回順序と位置を示している。丸銅線に示した正数は、負荷側に巻回した丸銅線が右側より出てくる順序を示し、丸銅線に示した負数は、負荷側に巻回した丸銅線が左側より出てくる順序を示している。

加圧成形に用いる治具であるコアピン７１とダイ７２に巻線スペーサＢ７３と巻線スペーサＵ７４を所定の間隔を設けて固定し、図１２に示すように、丸銅線を内側の層の巻数に対し外側の層の巻数が、各々１ターン以上少ないように巻回する。反負荷側コイルエンド以外の範囲は完全整列巻きに巻回し、丸銅線の交差は全て、反負荷側コイルエンドで行う。空芯コイルの導体端部は、反負荷側コイルエンド部に設ける。このようにすれば、コイルは高速で整列巻に巻回できる。

次に、空芯コイルを加圧成形する。

図１３は、空芯コイルの加圧成形説明図である。丸銅線の巻回で用いた巻線スペーサＢと巻線スペーサＵを除去し、パンチ７７を装着して成形前の空芯コイル７６を、成形後の空芯コイル外形線Ｓに至るまで下降させ加圧成形する。空芯コイルは、空芯コイルの導体端部が設けられているコイルエンド側面部を除き、全ての外形状を加圧成形する。そのため加圧成形された空芯コイルは正確な外形状寸法を有する。

次に、空芯コイルを加熱融着する。

図１４は、空芯コイルの加熱融着説明図である。

図１４に示すように、空芯コイルは、パンチ７７で外形状を加圧成形した状態のまま、ボンド線の融着皮膜を加熱して融着し製作する。空芯コイルの加熱方法は、空芯コイルの導体端部７６a より通電して発熱させる。

ボンド線を用いず、加熱硬化性接着剤を添加後加熱して成形しても良い。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電機は、モールド樹脂で一体に成形した固定子コイルを有することにより、加工時間を短縮することができる。また、固定子鉄心を後工程で組立てすることにより、リサイクル性を向上することも可能である。

＜第２実施形態＞
以上、本発明の第１実施形態に係る回転電機について説明した。次に、図１５を参照しつつ、本発明の第２実施形態に係る回転電機について説明する。図１５は、本発明の第２実施形態に係る回転電機の部品構成説明図である。

この第２実施形態に係る回転電機は、固定子鉄心の形状が第１実施形態に係る回転電機と異なり、他の構成は同様に構成される。従って、以下では、説明の便宜上、重複説明を適宜省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明することとする。

ティース毎に分割された１２個の固定子鉄心６５には、ボルト締結孔６５a が設けられている。一方負荷側ブラケット６３には、固定子鉄心締結用タップ穴６３a が設けられている。固定子コイルの空隙６０a に外側より装着された固定子鉄心６５を、各々ボルトで直接ブラケットに装着する。このようにすれば、部品点数は増加するものの、廃棄され不要となった回転電機の材料を資源として分解回収する場合において、特に鉄材である固定子鉄心と銅材である固定子コイルの分離がボルトオフのみで可能となり、分解回収のリサイクル性を向上することができる。

図１６は、固定子鉄心の形状説明図である。

図１６において、固定子鉄心のティース部８５b の角部には、面取り部８５c が設けられている。空芯コイルの空隙の4つの隅部の内Ｒの大きさに合わせた形状とすることで、コイルの周長を短縮でき、巻線抵抗を低減できる。

図１７は、固定子鉄心の面取り形状説明図であり、空芯コイルと空芯コイルの空隙に嵌合した固定子鉄心のティース部の３種類の断面を示している。

図１７において、図１７（Ａ）に示すように固定子鉄心のティースの角部８５g に面取りがない固定子鉄心８５d の場合には、空芯コイル８６d は隅部の曲げＲ分の空隙８７d が必要となり、空芯コイルは軸方向に長いものとなる。

本発明の第２実施形態に係る回転電機の固定子鉄心の面取り形状を示す図１７（Ｂ）の場合では、固定子鉄心を構成する鋼板のティース巾を１枚ごとに変え、空芯コイル８６e の隅部の曲げＲの形状に近付けたティース角部の面取り８５h を有する固定子鉄心８５eとした。そのため、隅部の曲げＲ分の空隙が不要となり、空芯コイル８６e は軸方向長を短縮できた。

図１７（Ｃ）に示すように、固定子鉄心を構成する鋼板のティース巾を１枚ごとに変えるのではなく、小さいティース巾を必要枚数端部に用いた固定子鉄心８５f としてもよい。その場合、隅部の曲げＲ分の空隙８７f は生じるものの、固定子鉄心の部品点数を最小に止めながら空芯コイル８６f の軸方向長を短縮できる。

軸方向長を短縮した空芯コイルを固定子コイルに用いることで、回転電機をより小型化できるだけでなく、素材である丸銅線の節約にもなり、さらに、空芯コイルの巻線長さが短縮されるため巻線抵抗が低減され、冷却性能が要求される固定子コイルでの発熱自体を軽減できる。

以上説明したように、本実施形態に係る回転電機は、形状の異なる固定子鉄心有することにより、第１実施形態に係る回転電機が奏する作用・効果に加えて更に、分解回収のリサイクル性を向上し、固定子コイルの冷却性能を向上することができる。このことは、省資源化と、回転電機の定格出力の増大に貢献する。

本発明の回転電機は、産業用サーボモータはもとより、家電用モータ、ＥＶモータ等の電動機や、風力発電機、エンジン発電機、マイクロタービン発電機等、広範囲な回転電機に適用できる。

３０固定子
３１回転子
３２永久磁石
３３回転子鉄心
３４シャフト
３５負荷側側板
３６反負荷側側板
３７負荷側軸受け
３８反負荷側軸受け
４０固定子コイル
４０a 固定子コイルの負荷側コイルエンド
４０b 固定子コイルの空隙
４１エンコーダ部
４２結線部
４３負荷側ブラケット
４３a 負荷側ブラケットの凹部
４３b 負荷側ブラケットの嵌合部
４４反負荷側ブラケット
４５固定子鉄心
４５a 固定子鉄心のティース部
４６空芯コイル
４６a 空芯コイルの導体端部
４６b 空芯コイルの外円筒部
４７モールド樹脂
４８a 外側インシュレータ
４８b 内側インシュレータ
４９ダストシール
５０絶縁テープ
５１フレーム

Claims

回転自在に支持された概円筒形の回転子と、固定子と、前記回転子および前記固定子を支持するブラケットを備えた回転電機において、
固定子は、丸銅線を巻回し外形上を加圧成形した空芯コイルを、複数リング状に配置し樹脂で一体化した固定子コイルと、ティース毎に分割された固定子鉄心と、を有することを特徴とする回転電機。
前記固定子コイルの空芯コイルの導体端部が設けられていないコイルエンド側面部、または外円筒部が、ブラケットと密着するように装着されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記固定子コイルは、空芯コイルの一体化に含封した絶縁材、または樹脂により、空芯コイルの導体端部が設けられたコイルエンド部を除く外側が被服され、空芯コイルが固定子コイルの表面に接していないことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記固定子コイルは、空芯コイルの一体化に含封した絶縁材、または樹脂が各々の空芯コイルの間に充填され、空芯コイルどうしが直接接していないことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記固定子コイルは、一体成形に用いた樹脂より熱伝導性の高い絶縁材を、空芯コイルの導体端部が設けられていないコイルエンド側面部、または外円筒部に一体に含封したことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記絶縁材は、窒化アルミまたはアルミナ製のシート状部材であることを特徴とする請求項５記載の回転電機。
前記固定子コイルは、各々の空芯コイルの結線部を有することを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記固定子コイルは、固定子鉄心を介さずに、負荷側ブラケットに装着されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記固定子コイルは、固定子鉄心と共にフレームに一体化され、ブラケットに締結されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記空芯コイルは、絶縁皮膜を持つ丸銅線を巻回してなり、固定子鉄心のスロット部、および、ブラケットに密着されるコイルエンド部は、完全整列巻きに巻回され、丸銅線の交差は全て、反負荷側コイルエンド部で行われ、
固定子コイルの端部は、反負荷側コイルエンド部に設けられたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記空芯コイルは、内側の層の巻数に対し外側の層の巻数が、各々１ターン以上少ないことを特徴とする請求項１記載の回転電機。
前記空芯コイルは、ボンド線を治具に巻回し、外形上を加圧成形し、加熱して融着して製作することを特徴とする請求項１記載の空芯コイルの製造方法。
前記空芯コイルの加熱方法は、外形上を加圧成形した空芯コイルに通電して発熱することを特徴とする請求項１記載の空芯コイルの製造方法。
前記空芯コイルは、丸銅線を治具に巻回し、外形上を加圧成形し、加熱硬化性接着剤を添加加熱して成形することを特徴とする請求項１記載の空芯コイルの製造方法。
前記固定子鉄心のティースの角部は、２段以上に面取りされたことを特徴とする請求項１記載の回転電機。