JP5287304B2

JP5287304B2 - 回転電機

Info

Publication number: JP5287304B2
Application number: JP2009021725A
Authority: JP
Inventors: 寿行椛嶌; 宣夫坂手; 幸弘杉本; 俊行玄道
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2009-02-02
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2029-02-02
Also published as: JP2010178599A

Description

本発明は、電動機、発電機といった回転電機に関する。

回転電機のステータコアは複数枚の電磁鋼板を積層して形成される（特許文献１）。そのような電磁鋼板として、磁化容易軸が特定の方向性を有していない無方向性電磁鋼板や、磁化容易軸が一方向に揃っている一方向性電磁鋼板、或いは、直角方向に磁化容易軸を有する二方向性電磁鋼板等が用いられる。

ステータコアは、円筒状のヨーク部と、ヨーク部からロータの径方向内方に突出するティース部とを有する構造である。このため、ヨーク部については周方向に、ティース部については突出方向に磁気特性が良好であることが、鉄損低減、モータ効率の点で好ましいことが知られている。このため、ティース部、ヨーク部を分割してそれぞれを一方向性電磁鋼板から構成した分割コア方式のステータコアが提案されている。

また、電磁鋼板の磁化容易軸の方向以外に着目したものとして、特許文献２には、ティース部に、その突出方向の引張応力を付与するものが提案されている。特許文献２に開示されたステータコアは、ティース部の側面において、ティース部先端とヨーク部との間に介在するセラミック板を配置したものである。そして、電磁鋼板の熱収縮を利用して、セラミック板によりティース部に引張応力を付与することで、ティース部の突出方向の磁気特性向上を狙ったものである。

特開２００２−２３３０９０号公報特開２００８−１７６１２号公報

しかし、特許文献２のようにティース部先端とヨーク部との間にセラミック板を介在させることによってティース部に引張応力を付与する構造の場合、セラミック板の一方端部がティース部の根元近傍のヨーク部に強く当接し、ヨーク部に局所的な径方向の圧縮応力を集中的に与えてしまう虞がある。ティース部の根元周辺は、ティース部からヨーク部に向かう多くの磁束が通る部位であり、ここに圧縮応力が集中的に作用すると鉄損が増大する。

本発明の目的は、ティース部の根元近傍に圧縮応力を集中的に発生させることなく、ティース部に引張応力を付加することでティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することにある。

本発明によれば、ロータと、円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、を備えた回転電機において、前記ティース部が、周方向の幅が幅広の先端部分を有し、前記ヨーク部の周囲であって、少なくとも各々の前記ティース部の外方の位置において、前記ロータの軸方向と平行な方向に前記ステータコアの端部から突出した突出部と、前記ティース部毎に設けられ、前記先端部分の側面と前記突出部とに圧接し、前記ティース部に、その突出方向の引張応力を付加する応力付加部材と、を備えたことを特徴とする回転電機が提供される。

この回転電機では、前記応力付加部材により前記ティース部にその突出方向の引張応力を付加することで前記ティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。そして、前記応力付加部材からの反力は、前記ティース部の前記先端部分と前記突出部とで負担することで、前記ティース部の根元近傍に圧縮応力が集中的に発生することを回避できる。

本発明においては、各々の前記ティース部の外方の位置において前記ヨーク部から外方に延設された延設部と、前記延設部に設けられ、前記ロータの軸方向と平行な方向の孔と、前記孔に嵌挿された棒状部材と、を備え、前記突出部が前記棒状部材の端部により形成されてもよい。この構成によれば、前記ステータコアの磁気特性に悪影響を与えずに前記突出部を形成できる。

また、本発明においては、前記ステータコアの外周に焼き嵌めされた円筒状の金属ケースを備え、前記突出部が前記金属ケースの端部により形成されてもよい。この構成によれば、前記金属ケースを前記突出部の形成部材として兼用できる。

また、本発明においては、前記ステータコアは、各々の前記ティース部の外方の位置において前記ヨーク部から外方に延設された延設部を備え、前記突出部が前記ロータの軸方向両端部の前記電磁鋼板における前記延設部に固定されてもよい。この構成によれば、前記ステータコアの磁気特性に悪影響を与えずに前記突出部を形成できるとともに、前記突出部となる部材を小片とすることができる。

また、本発明においては、前記応力付加部材が、前記ティース部の、前記ロータの軸方向の端面を覆う第１部分と、前記ティース部の、前記ロータの周方向の側面を覆う第２部分と、を有するティース部側装着部と、前記第１部分から前記突出部まで延設されたヨーク部側装着部と、を有していてもよい。この構成によれば、比較的簡便な構成で前記ティース部に、その突出方向の引張応力を付加することができる。

また、本発明においては、前記応力付加部材が、各々の前記ティース部毎の前記ヨーク部側装着部を円環状に連結することにより、各々の前記ティース部毎の前記ティース側装着部及び前記ヨーク部側装着部を一体的に備えた部材であってもよい。この構成によれば、前記応力付加部材の組み付け作業性を向上できる。

以上述べた通り、本発明によれば、ティース部の根元近傍に圧縮応力を集中的に発生させることなく、ティース部に引張応力を付加することでティース部の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。

（ａ）は本発明の第１実施形態に係る回転電機Ａの断面図、（ｂ）は図１（ａ）の線Ｘ−Ｘに沿う回転電機Ａの断面図である。（ａ）は電磁鋼板２３の斜視図、（ｂ）はティース部２１に設けられた応力付加部材５０の斜視図である。（ａ）応力付加部材５０の斜視図、（ｂ）は応力付加部材５０'の斜視図である。（ａ）は応力付加部材１５０の斜視図、（ｂ）は応力付加部材５０によりティース部２１に付加される引張応力の説明図である。（ａ）は実験結果を示す図、（ｂ）は実験に用いた試料１を示す図である。（ａ）は本発明の第２実施形態に係る回転電機Ｂの断面図、（ｂ）は図６（ａ）の線Ｙ−Ｙに沿う回転電機Ｂの断面図である。（ａ）は電磁鋼板２３'の斜視図、（ｂ）は金属ケース６０の斜視図である。

＜第１実施形態＞
図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る回転電機Ａの断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の線Ｘ−Ｘに沿う回転電機Ａの断面図である。回転電機Ａは、電動機又は発電機であって、ロータ１０と、ステータコア２０と、コイル３０と、応力付加部材５０と、を備える。ロータ１０は、ロータ軸１１とロータ軸の周囲に配設された複数個の永久磁石（不図示）と、を備える。以下、軸方向、周方向、径方向と言うときは、特に断らない限り、ロータ１０の軸方向（軸方向と平行な方向を含む）、周方向、径方向を指すものとする。

ステータコア２０は、ロータ１０と同心円筒状のヨーク部２２と、ヨーク部２２から径方向内方に突出し、ヨーク部２２の周方向に等間隔で複数（本実施形態では８つ）設けられたティース部２１と、延設部２４及び２５と、を備え、各ティース部２１にはコイル３０が巻き回されている。ティース部２１の先端部分２１ａは、ティース部２１の他の部分よりも幅広となっている。図１（ａ）及び（ｂ）においては、ステータコア２０の軸方向の両端部が開放されているが、各端部にはロータ軸１１を軸支する端部部材（不図示）が設けられる。

延設部２４及び２５は、各ティース部２１の、径方向外方の位置においてヨーク部２２から延設されている。延設部２４及び２５には、軸方向の孔２５ａが形成されており、そこに棒状部材４０が嵌挿されている。本実施形態の場合、棒状部材４０は断面が角型の非磁性金属棒である。棒状部材４０の軸方向両端部は、それぞれ、ステータコア２０の軸方向の各端部から突出した突出部４０ａを形成している。突出部４０ａは、ヨーク部２２の周囲であって、各々のティース部２１の、径方向外方の位置に位置している。

延設部２４及び２５のうち、延設部２４は延設部２５よりもヨーク部２２から大きく延設されており、軸方向の孔２４ａが形成されている。孔２４ａは回転電機Ａを、これが用いられる装置に固定するために用いられる取付用の孔である。

ステータコア２０は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板２３の積層体である。図２（ａ）は電磁鋼板２３の斜視図であり、ティース部２１を構成する部分、ヨーク部２２を構成する部分、延設部２４及び２５を構成する部分が一体に形成されている。ステータコア２０の作成は、例えば、以下の通りとすることができる。先ず、０．１〜１．０ｍｍ程度の厚さを有する電磁鋼板を打ち抜くことにより、ティース部２１、ヨーク部２２、延設部２４及び２５を備えた形状の複数枚の電磁鋼板２３を形成する。次いで、ティース部２１、ヨーク部２２、延設部２４及び２５の位置を一致させるように各電磁鋼板２３を位置決めしつつ、電磁鋼板２３を一枚積層する毎に、この積層した電磁鋼板２３の表面所定位置にその裏面に向かって微小凸部が突出するような微小凹部を設けることで、各電磁鋼板２３をカシメ処理して仮接合するとともに、その外周面部を溶接する等により、複数枚の電磁鋼板２３が軸方向に積層されて一体化されたステータコア２０を作成する。本実施形態では、周方向には１つの電磁鋼板２３を軸方向に積層してステータコア２０を形成したが、ティース部、ヨーク部を分割してそれぞれを一方向性電磁鋼板から構成した分割コア方式のステータコアでもよい。

応力付加部材５０は、各ティース部２１毎に設けられ、ティース部２１の先端部分２１ａの側面と突出部４０ａとに圧接し、ティース部２１に、その突出方向の引張応力を付加する。応力付加部材５０の材料は非磁性材料であり、例えば、オースナイト系ＳＵＳ等の非磁性金属材料を用いることができる。

図２（ｂ）はティース部２１に設けられた応力付加部材５０の斜視図、図３（ａ）は応力付加部材５０の斜視図である。応力付加部材５０は、本実施形態の場合、１つのティース部２１に対して２つ設けられており、ティース部２１に対して軸方向の一方側と他方側にそれぞれ設けられている。

本実施形態の場合、応力付加部材５０は、ティース部装着部５１と、ヨーク部装着部５２と、を備え、例えば、板状の非磁性金属材料を曲折して得られる。ティース部装着部５１は、ティース部２１の軸方向の端面を覆う第１部分５１ａと、ティース部２１の周方向の側面を覆う第２部分５１ｂと、を備え、第２部分５１ｂの端面がティース部２１の先端部分２１ａの側面に圧接する。ヨーク部装着部５２は、第１部分５１ａから突出部４０ａまで延設されており、その突出部４０ａ側の端部は直角に曲折されて突出部４０ａに圧接する圧接部５２ａが形成されている。１つのティース部２１に対して設けられる２つの応力付加部材５０の、互いに対峙する各第２部分５１ｂの端部は、ティース部２１への取付後、互いに溶接等により接合してもよい。

応力付加部材５０の形態はこれに限られず、種々の形態のものを採用できる。図３（ｂ）は、応力付加部材５０の他の形態例である、応力付加部材５０'の斜視図である。応力付加部材５０'は、応力付加部材５０の一対の第２部分５１ｂのうちの一方を割愛したもので、かつ、第２部分５１ｂの軸方向の長さを倍にしたものである。この形態の場合、１つのティース部２１に対して設けられる２つの応力付加部材５０'の、一方の第１部分５１ａと他方の第２部分５１ｂ'の端部とは、ティース部２１への取付後、互いに溶接等により接合してもよい。応力付加部材５０及び５０'は、いずれも非磁性金属板の曲折で得られ、比較的簡便な構成でティース部２１に、その突出方向の引張応力を付加することができる。

図４（ａ）も、応力付加部材５０の他の形態例である、応力付加部材１５０の斜視図である。応力付加部材１５０は、必要数の応力付加部材５０を環状に連結して一体化したものであって、各々のティース部２１毎のヨーク部側装着部１５２を円環状に連結することにより、各々のティース部２１毎のティース側装着部１５１及びヨーク部側装着部１５２を一体的に備えた部材である。ティース側装着部１５１はティース部２１の軸方向の端面を覆う第１部分１５１ａと、ティース部２１の周方向の側面を覆う第２部分１５１ｂと、を備えている。ヨーク部側装着部１５２は環状に連結して一体化された圧接部１５２ａを有している。応力付加部材１５０は、全ティース部２１に同時に取り付けることができるため、その組み付け作業性を向上できる。

係る構成からなる回転電機Ａでは、応力付加部材５０によりティース部２１にその突出方向の引張応力を付加することでティース部２１の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。図４（ｂ）は応力付加部材５０によりティース部２１に付加される引張応力の説明図である。同図に示すように、応力付加部材５０はティース部２１の先端部分２１ａと突出部４０ａとの間に介在し、第２部分５１ｂの径方向内側端面が先端部分２１ａの側面を径方向内方に押圧し、圧接部５２ａが突出部４０ａを径方向外方に押圧することでティース部２１に引張応力を付加する。このように応力付加部材５０からの反力は、ティース部２１の先端部分２１ａと突出部４０ａとで負担するとともに、特に、この図からわかるように第２部分５１ｂの径方向外側端部がティース部２１の根元部に当接していないので、ティース部２１の根元近傍に圧縮応力が集中的に発生することを回避できる。また、突出部４０ａを形成する棒状部材４０は、ヨーク部２２の径方向外側に位置しており、ヨーク部２２を流れる磁束に悪影響を与えることもない。このため、ステータコア２０の磁気特性に悪影響を与えずに突出部４０ａを形成できる。

引張応力は、応力付加部材５０の第２部分５１ｂの径方向内側端面から突出部４０ａまでの幅を、先端部分２１ａと突出部４０ａとの間の距離よりも長くしておくことを前提として、応力付加部材５０を先端部分２１ａと突出部４０ａとの間に圧入するか、或いは、ステータコア２０を加熱して熱膨張させた状態で応力付加部材５０を先端部分２１ａと突出部４０ａとの間に装着し、常温に戻すことで引張応力が付加されるようにすることができる。

引張応力の大きさは、磁気特性に特に効果的な大きさとすることが望ましい。電磁鋼板２３の材料をＪＩＳ：３５Ａ２５０とした場合、ティース部２１に付加される引張応力は１０ＭＰａ乃至４０ＭＰａの範囲内が好ましい。図５（ａ）は、引張／圧縮応力の程度と鉄損との関係を示す実験結果である。この実験は、図５（ｂ）に試料１を用いたものである。試料１はＪＩＳ：３５Ａ２５０の３０ｍｍ×１５０ｍｍ板材である。実験は、応力印加機構を有した単板磁気試験装置を使用した。試料１をその長手方向に励磁し、その長手方向に圧縮応力、引張応力を付与して、試料１に発生する鉄損を測定した。図５（ａ）に示すように、圧縮応力が大きい程、鉄損が増大することが分かる。一方、引張応力については、４０ＭＰａ程度までは鉄損が減少傾向にあるが、その後、増大傾向にある。したがって、電磁鋼板２３の材料をＪＩＳ：３５Ａ２５０とした場合、ティース部２１に付加される引張応力は１０ＭＰａ乃至４０ＭＰａの範囲内が好ましい。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では、突出部４０ａを棒状部材４０により形成したが、金属ケースを有する回転電機の場合、金属ケースを利用して突出部４０ａに相当する構成を形成してもよい。図６（ａ）は本発明の第２実施形態に係る回転電機Ｂの断面図、図６（ｂ）は図６（ａ）の線Ｙ−Ｙに沿う回転電機Ｂの断面図である。

回転電機Ｂは、ロータ１０と、ステータコア２０'と、コイル３０と、応力付加部材５０と、金属ケース６０と、を備える。上記第１実施形態の回転電機Ａと異なる点は、ステータコア２０'が延設部２４、２５を有しておらず、したがって棒状部材４０も設けられていない点と、金属ケース６０が設けられて、その端部が突出部４０ａに代わる突出部６０ａを形成している点である。図６（ａ）及び（ｂ）においては、ステータコア２０'の軸方向の両端部が開放されているが、各端部にはロータ軸１１を軸支する端部部材（不図示）が設けられる。端部部材は金属ケース６０と別体で金属ケース６０に固定することで構成できるが、端部部材の一方は金属ケース６０と一体であってもよい。

図７（ａ）は、ステータコア２０'を構成する電磁鋼板２３'の斜視図であり、ティース部２１を構成する部分とヨーク部２２を構成する部分とが一体に形成されている。金属ケース６０は例えばアルミ合金等からなり、ステータコア２０'が挿入される円筒状をなしている。図７（ｂ）は金属ケース６０の斜視図である。金属ケース６０は、軸方向の長さがステータコア２０'の軸方向の長さよりも長く、それにより、金属ケース６０の両端部は、ステータコア２０'の軸方向の各端部から突出した突出部６０ａを形成している。本実施形態の場合、突出部６０ａはヨーク部２２の周囲の全周に渡って形成されているが、少なくとも各々のティース部２１の、径方向外方の位置に形成されていればよい。

金属ケース６０はステータコア２０'の外周に焼き嵌めされてステータコア２０'に固定される。つまり、常温における金属ケース６０の内径はステータコア２０'の外径よりも小さく、金属ケース６０は加熱されて膨張した状態でステータコア２０'に装着される。そして、常温に戻った時に収縮し、ステータコア２０'に固定される。なお、上記焼き嵌めによる固定に代えて、金属ケース６０の外表面から回転ツールを押し当ててステータコア２０‘と金属ケース６０とを摩擦攪拌接合する方法等を採用してもよい。

係る構成からなる回転電機Ｂも、上記回転電機Ａと同様に、応力付加部材５０がティース部２１の先端部分２１ａと突出部６０ａとの間に介在し、応力付加部材５０によりティース部２１にその突出方向の引張応力を付加することでティース部２１の磁気特性を向上し、鉄損を低減することができる。そして、金属ケース６０を、ケースとしての機能のみならず、突出部６０ａの形成部材として兼用できる。

＜第３実施形態＞
突出部は、上記第１実施形態のように棒状部材４０により形成する形態（突出部４０ａ）や、上記第２実施形態のように金属ケース６０により形成する形態（突出部６０ａ）以外の形態も採用可能である。

例えば、上記第１実施形態において、電磁鋼板２３の延設部２４及び２５に孔２５ａを設けず、ステータコア２０の軸方向両端面に位置する電磁鋼板２３、２３（図１（ｂ）で言えば、最上層と最下層の電磁鋼板２３）において、孔２５ａに相当する位置に突出部４０ａに相当する部材（以下、突出部形成部材という。）を位置決めして固定するようにして突出部を形成してもよい。つまり、棒状部材４０のようにステータコア２０を貫通させずに突出部を形成する。

突出部形成部材としては、図４（ｂ）の突出部４０ａと同様の外形を有する非磁性材料からなる中実のブロック体或いは中空体が挙げられる。中空体は、例えば、非磁性材料の板材を箱状に成形して得ることができる。突出部形成部材の電磁鋼板２３への固定は、例えば、溶接が挙げられる。

この構成の場合、ステータコア２０の軸方向両端面に位置する、突出部形成部材が固定された電磁鋼板２３、２３間に挟まれる他の電磁鋼板２３にも応力が作用するように、上述した各電磁鋼板２３のカシメ処理と、電磁鋼板２３の積層後の外周部での溶接等により、各電磁鋼板２３が互いに、より強力に一体化されていることが望ましい。

Ａ、Ｂ回転電機
１０ロータ
２０、２０' ステータコア
２１ティース部
２２ヨーク部
２３電磁鋼板
５０、５０'、１５０応力付加部材
４０ａ、６０ａ突出部

Claims

ロータと、
円筒状のヨーク部と、前記ヨーク部から前記ロータの径方向内方に突出し、前記ヨーク部の周方向に複数設けられたティース部と、を有し、複数の電磁鋼板を前記ロータの軸方向に積層して形成されたステータコアと、
を備えた回転電機において、
前記ティース部が、周方向の幅が幅広の先端部分を有し、
前記ヨーク部の周囲であって、少なくとも各々の前記ティース部の外方の位置において、前記ロータの軸方向と平行な方向に前記ステータコアの端部から突出した突出部と、
前記ティース部毎に設けられ、前記先端部分の側面と前記突出部とに圧接し、前記ティース部に、その突出方向の引張応力を付加する応力付加部材と、
を備えたことを特徴とする回転電機。
各々の前記ティース部の外方の位置において前記ヨーク部から外方に延設された延設部と、
前記延設部に設けられ、前記ロータの軸方向と平行な方向の孔と、
前記孔に嵌挿された棒状部材と、
を備え、
前記突出部が前記棒状部材の端部により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ステータコアの外周に焼き嵌めされた円筒状の金属ケースを備え、
前記突出部が前記金属ケースの端部により形成されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記ステータコアは、各々の前記ティース部の外方の位置において前記ヨーク部から外方に延設された延設部を備え、
前記突出部が前記ロータの軸方向両端部の前記電磁鋼板における前記延設部に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
前記応力付加部材が、
前記ティース部の、前記ロータの軸方向の端面を覆う第１部分と、前記ティース部の、前記ロータの周方向の側面を覆う第２部分と、を有するティース部側装着部と、
前記第１部分から前記突出部まで延設されたヨーク部側装着部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
前記応力付加部材が、
各々の前記ティース部毎の前記ヨーク部側装着部を円環状に連結することにより、各々の前記ティース部毎の前記ティース側装着部及び前記ヨーク部側装着部を一体的に備えた部材であることを特徴とする請求項５に記載の回転電機。