JP5293313B2 - ステータ用鉄心 - Google Patents

Description

この発明は、分割積層コアを円周方向に複数個組み合わせて構成される回転電機のステータ用鉄心に関するものである。

従来の回転電機のステータ（固定子）用鉄心は、外側円弧部（以下ヨーク部と呼ぶ）と、この外側円弧部から内側に突出した連結巻心部及び内側円弧部（以下これら２つを併せてティース部と呼ぶ）とを薄鋼板より打ち抜いたコアシートを積層して分割鉄心を形成し、この分割鉄心のティース部に巻線を施した後、円周方向に複数個配列し、これらを組み合わせてステータを構成していた。

また、上記コアシートのヨーク部の円弧径より小さい円弧径を有する小外径コアシートを積層して支持鉄心部を形成し、この支持鉄心部を前記コアシートの積層体間に介装して分割鉄心の外周に円周方向の溝部を形成し、例えば弾性力を有するＣ字型の環状体をこの溝部に嵌合することにより、円周方向に分割された分割鉄心を一体化することが示されている。この方法によればティース部単位ごとに分割された分割鉄心相互を溶接することなく環状に連結固定するので、製作が簡単となるほか、分割鉄心を溶接しないので、ステータ鉄心の歪が小さく磁気的な悪影響も生じないという利点がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１４９５６６（２−３頁、図１−２）

上記方法では支持鉄心部の外周に形成された溝部に嵌合される環状体としてコアシートよりも透磁率が小さい材料を用いた場合にはこの溝部における磁気抵抗が高くなるため、ステータ鉄心中の円周方向に流れる磁束が鎖交する断面積が実質的に低減することになり、磁束総量が制限されてしまうこととなる。このため、回転電機のステータ、ロータ（回転子）間で作用する電磁力も小さくなり、回転電機の出力が低減するという問題があった。

また、上記方法のようにステータ用鉄心の外周部に溝部を有しないものと同等の出力を維持しようとすると、鉄心を大型化して磁束鎖交断面積が低減しないようにするか、コアシートの材料として高い透磁率を有するグレードの高い鋼板を使用して、磁束鎖交断面積が低減した分磁束密度を高めるかによらなければならず、いずれにせよコストアップするという問題があった。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、円周方向に分割された分割鉄心から構成され、外周部に溝部が形成されこの溝部に環状体を嵌合することにより一体化されたステータ用鉄心であって、回転電機の出力を低減させることなく、かつ、低コストなステータ用鉄心を得ることを目的とする。

この発明に係るステータ用鉄心は、外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内径側に突出したティース部を有するコアシートが積層された分割鉄心を円周方向に一円状に組み合わせて形成され、外周に円周方向の溝部を有するステータ用鉄心本体部と、溝部に嵌合された環状体とを備えている。
また、環状体は環状片を積層して形成されコアシートと同じかそれ以上の透磁率を有する磁性体から成ることを特徴とする。

この発明に係るステータ用鉄心によると、ステータ用鉄心本体部の外周に形成された円周方向の溝部にコアシートと同じかそれより高い透磁率を有する磁性体でできた、環状片を積層して形成された環状体が嵌合されているため、製作が簡単であり、分割鉄心を溶接しないのでステータ鉄心の歪が小さく磁気的な悪影響も生じないという利点があることに加えて、このような溝部を有しないステータ用鉄心と比較して鉄心中の磁束鎖交面積が低減することがないため、磁束総量が制限されることがなく回転電機の出力が低下することもない。また、磁束鎖交断面積を確保するために鉄心を大型化する必要はなく、コアシートの材料として高透磁率を有するグレードの高い鋼板を使用する必要もないため、コストが高くなることもない。更に、環状体は環状片を積層して形成されているため、この部分をブロックで形成したものと比較すると環状体を鎖交する磁束による渦電流を低減することができ、この渦電流による発熱、すなわちステータ用鉄心の鉄損を低減することができるため、回転電機の効率を改善することができる。

本発明の実施の形態１によるステータ用鉄心の構造を示す図である。 本発明の実施の形態１による分割鉄心の構造を示す図である。 本発明の実施の形態１によるステータ用鉄心とフレームとの組立方法を示す図である。 本発明の実施の形態１による環状体の円周方向端面の構造を示す図である。 本発明の実施の形態１による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態１による複数の環状体を有するステータ用鉄心の構造を示す構成図である。 本発明の実施の形態２による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態２による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態３による分割鉄心と環状体の円周方向の位置関係を示す図である。 本発明の実施の形態３による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態３による環状体の構造、及び装着方法を示す図である。 本発明の実施の形態３による複数のＶ型溝、Ｖ型突起を備える環状体の構造を示す図である。 本発明の実施の形態４によるステータ用鉄心、及び環状体の構造を示す図である。

実施の形態１．
図１、２は本発明の実施の形態１によるステータ用鉄心１の構造を示すものであり、ステータ用鉄心１は、図１（ａ）に示すようにコアシート２を積層・固定してなる分割鉄心３を、ステータ用鉄心１の内部に配置されるロータ（図示せず）の回転軸周りに円環状となるように複数個配置し、隣り合う分割鉄心３同士を組み合わせることによりステータ用鉄心本体部４を構成している。

分割鉄心３の構造詳細を図２に示すが、分割鉄心３を構成するコアシート２は外周円弧状部を形成するヨーク部５とこのヨーク部５から内周側に突出するティース部６を備えており、ヨーク部５の円周方向の端面同士が接触することで、分割鉄心３同士が隣り合っている。
コアシート２とティース部６の形状は同一であるが、ヨーク部７の外径寸法がコアシート２よりも小さい形状を有する小外径コアシート８の積層体（支持鉄心部）を、コアシート２の積層体の間に介装させることにより、分割鉄心３の外周部には凹形状の溝部９が形成されている。
このような手順で積層された分割鉄心３のティース部６にコイル（図示せず）を巻線した後、全ての分割鉄心３を円環状に配置することにより、隣り合う溝部９同士には積層方向への段差がなく、ステータ用鉄心本体部４の外周全周を取り囲む溝部９が形成されることになる。

図１（ｂ）に示すように、円周上の１ヶ所が切断された環状体１０が全ての分割鉄心３を取り囲むように溝部９に配置されており、環状体１０の円周方向端面同士を溶接や接着等により接合することにより、隣り合う分割鉄心３同士が円環状に連結され、ステータ用鉄心１を得ることができる。本実施の形態における環状体１０の内径は小外径コアシート８の外径と等しく、環状体１０の外径はコアシート２の外径と等しいため、溝部９にぴったりと嵌合させることができる。また、環状体１０は円周上の１ヶ所が分断されているため、環状体１０を弾性変形させて分断部を広げることにより容易に溝部９に装着することができる。尚、環状体１０は後に説明する図８（ａ）のように円環形状のものが周上複数箇所において分断された１０ｃのようなものであってもよい。

図３に示すようにフレーム１１をコイル巻線がなされたステータ用鉄心１の外周側に焼嵌める、又は圧入することによりステータとして完成するが、環状体１０を溶接により一円化する場合には溶接ビードが外径側に盛り上がってフレーム１１を挿入することが困難となる。そこで、環状体１０の分断部の外径側は図１（ａ）に示すようにテーパ形状となっており、分断部の突き合わせ溶接により溶接ビードが形成されても、フレーム１１との嵌め合わせに支障がないようにしている。

さらに、図４に示すように環状体１０の円周方向端面に突起１２を設けておくと、アーク電流をこの突起に集中させて電流密度を大きくすることができるため、環状体１０の円周方向端面同士を確実に溶着させることができると同時に、環状体１０の全体に与える熱歪を小さくすることができるため、より好ましい。

環状体１０は、図５（ａ）に示すようにコアシート２、及び小外径コアシート８の有する透磁率と同じか、それより高い透磁率を有する磁性体板を円環状に打ち抜いた環状片１３を積層することにより形成されている。さらに図５（ｃ）に示すように本実施の形態における環状片１３は小外径コアシート８と同じ厚みを有しており、小外径コアシート８と環状片１３の積層枚数は同数である。

以上のように本実施の形態のステータ用鉄心１によると、ステータ用鉄心本体部４の外周に形成された円周方向の溝部９に環状体１０を嵌合させて分割鉄心３を一体化させているため、製作が簡単であり、分割鉄心３を溶接しないのでステータ用鉄心１の歪が小さく磁気的な悪影響も生じないという利点があることに加えて、環状体１０はコアシート２、及び小外径コアシート８の有する透磁率と同じか、それより高い透磁率を有する磁性体でできており、このような溝部を有しないステータ用鉄心と比較してステータ用鉄心１中の磁束鎖交断面積が低減することがないため、磁束総量が制限されることがなく回転電機の出力が低下することもない。また、磁束鎖交断面積を確保するために鉄心を大型化する必要はなく、コアシートの材料として高透磁率を有するグレードの高い鋼板を使用する必要もないため、コストが高くなることもない。

また、環状体１０は環状片１３を積層して形成されているため、この部分をブロックで形成したものと比較すると環状体１０を鎖交する磁束による渦電流を低減することができ、この渦電流による発熱、すなわちステータ用鉄心１の鉄損を低減することができるため、回転電機の効率を改善することができる。
ここで、環状片１３の厚みの方が小外径コアシート８の厚みよりも厚かった場合には、図５（ｃ）の矢印で示すように小外径コアシート８の積層体の外周面が環状片１３により短絡されるため積層方向に流れる電流が流れ鉄損の増大を招くこととなるが、本実施の形態においては両者の厚みを等しくしているため上記のような電流を防ぐことができ、渦電流による鉄損を更に低減させることができる。

尚、ステータ用鉄心１の軸長が長い場合には、図６（ａ）に示すように小外径コアシート８の積層体（支持鉄心部）を軸方向に複数箇所に介装することにより、溝部９ａを複数箇所設けることも可能である。このような軸長の長い鉄心の場合にはティース部６に巻線されるコイル（図示せず）の巻締りによる分割鉄心３ａの変形が大きくなるが、図６（ｂ）に示すように複数箇所に環状体１０ａを設けることによりこのような変形を抑制させることが可能であり、更に搬送時の外力を受けても変形されることのない頑健かつ高精度なステータ用鉄心１ａを得ることができる。

実施の形態２．
図７、図８は本発明の実施の形態２によるステータ用鉄心１ｂ、１ｃの構造を示すものであり、実施の形態１とは環状体１０ｂ、１０ｃの形状が異なるのみであるため、その他の構成の説明は省略する。
本実施の形態における環状体１０ｂは、薄肉部１４ｂを介して複数の円弧部１５ｂが連接され、ほぼ直線形状を有することを特徴とするものである。この環状体１０ｂもコアシート２、及び小外径コアシート８の有する透磁率と同じか、それより高い透磁率を有する磁性体板を打ち抜いた環状片１３ｂを積層することにより形成されている。この環状体１０ｂは図７（ｂ）に示すように円環状に配置された分割鉄心３ｂの外周部分を取り囲むように折り曲げながらリング形状にした後、環状体１０ｂの円周方向端面同士を連結させて、ステータ用鉄心１ｂを得ることできる。

この環状体１０ｂを構成するそれぞれの円弧部１５ｂの内径は分割鉄心３ｂを構成する小半径コアシート８のヨーク部７外径と同じであり、また円弧部１５ｂの外径はコアシート２のヨーク部５外径と同じであるため、薄肉部１４ｂにおいて折り曲げて溝部９ｂに配置した際に円弧部１５ｂの内径側が溝部９ｂの底部に当てはまり、円弧部１５ｂの外径部分がステータ用鉄心１ｂよりはみ出ることがなく、溝部９ｂにぴったりと嵌合させることができる。

環状体１０ｂは図８（ａ）に示すように円周方向に分割されるものであってもよい。図８（ａ）では３つの部分から構成される環状体１０ｃを、円環状に配置された分割鉄心３ｃを取り囲むように溝部９ｃに配置した後、隣り合う環状体１０ｃの円周方向端面同士を連結することで、図８（ｂ）に示すような全ての分割鉄心３ｃが連結されたステータ用鉄心１ｃを得ることができる。環状体１０ｃの連結手順については、１ヶ所の連結部分を残して１本の環状体１０ｃを形成し、この環状体１０ｃを溝部９ｃに装着した後で、残りの１ヶ所の連結を行うようなものであっても構わない。

以上のように本実施の形態のステータ用鉄心１ｂ、１ｃによると、環状体１０ｂ、１０ｃは薄肉部１４ｂ、１４ｃを介して複数の円弧部１５ｂ、１５ｃが連接された形状を有するため、ほぼ直線形状を有する鋼板材料から打ち抜いて環状片１３ｂ、１３ｃを形成することが可能となる。従って環状片１３ｂ、１３ｃを構成する各円弧部１５ｂ、１５ｃの長手方向（円周方向）と鋼板の圧延方向とのなす角をほぼ一定とすることができる。
鋼板の透磁率は圧延方向が最大であり、圧延方向に垂直方向に最小となるような異方性を有しているが、圧延方向に対する角度を決めればその透磁率も定まることとなる。本実施の形態のステータ用鉄心１における環状体１０ｂ、１０ｃの内部では、磁束はほぼ円周方向に沿って流れることになるため、このような磁束の向きに対する透磁率は溝部９ｂ、９ｃの円周上に配置された各円弧部１５ｂ、１５ｃにおいてほぼ均等とすることができる。
すなわち、ステータ用鉄心１ｂ、１ｃ内部の円周方向において透磁率は均等化され磁束密度も一定となるため、ロータ、ステータ間で作用する電磁力の円周方向のばらつきを抑えることができ、コギングトルクの小さいモータを得ることが可能となる。

実施の形態３．
図７に示されたような環状体１０ｂの周上に薄肉部１４ｂを有するものは、この薄肉部１４ｂが強度的に弱い上に、円周方向に隙間を有している。環状体１０ｂ内を流れる円周方向磁束密度は、分割鉄心３ｂの隣接界面において最大、ティース部６の円周方向の２等分線上で最小となる分布を有しているが、薄肉部１４ｂを分割鉄心３ｂの隣接界面に配置すると積層鉄心３ｂと環状体１０ｂの強度的に弱い部分が円周上で重なる上に、円周方向の隙間が磁束の流れを大きく妨げることになるため、機械強度上、及び磁気特性上の両面から好ましくない。
従って薄肉部１４ｂを分割鉄心３ｂの隣接界面に配置することを避けなければならず、隣接界面から離れた、コアシート２におけるティース部６付根の外周側に配置することが好ましく、理想的には図９に示すように薄肉部１４ｂがティース部６の円周方向の２等分線上に配置するのが最も好ましい。

上記に述べたように分割鉄心３ｂに対する環状体１０ｂの円周方向の位置を確実に決めるために改善を行ったのが、本実施の形態に示す環状体１０ｄを用いたステータ用コア１ｄである。本実施の形態においては、図１０に示すように小半径コアシート８のヨーク部７外周側にＶ型溝１６を、環状体１０ｄにはＶ型溝１６に対応するＶ型突起１７を各々形成することにより、これらが分割鉄心３ｄ、すなわちステータ鉄心本体部４ｄに対する環状体１０ｄの円周方向の位置決め構造となる。環状体１０ｄを溝部９ｄに配置する際に、Ｖ型突起１７をＶ型溝１６に当て嵌めるように環状体１０ｄを配置し、その後環状体１０ｄの円周方向端面同士の連結を行っている。

図１０においてはＶ型溝１６とＶ型突起１７を用いたものを示したが、環状体１０ｄとステータ鉄心本体部４ｄとの円周方向の位置関係が定まるようなものであれば何でもよく、例えば半円形の溝に半円形の突起や角形溝に角形の突起などの組合せでも構わない。また、小半径コアシート８側に突起を、環状体１０ｄ側に溝を設けることによっても、互いの円周方向の位置関係を決めることができる。

図１０においては、環状体と分割鉄心の半径方向の界面において半径方向に出っ張る突起と引っ込む溝を設けることにより互いの円周方向の位置関係を決めることとしたが、積層方向の界面において積層方向に出っ張る突起と引っ込む溝を設けることによっても可能であり、このような構成を図１１に示す。本図において、コアシート２と小半径コアシート８との隣接部に配置されたコアシート２のヨーク部５外径側に、ヨーク部外周側から中心方向に伸びる切り欠き１９を形成し、このコアシート２に隣接する環状体１０ｅの環状片１３ｅにはダボ１８が形成されており、これらが分割鉄心３ｅ、すなわちステータ鉄心本体部４ｅに対する環状体１０ｅの円周方向の位置決め構造となる。コアシート２や環状片１３ｅを打ち抜き成形する際に、切り欠き１９やダボ１８も同時にプレス機を用いて容易に成形することができる。溝部９ｅの外周部分よりダボ１８を切り欠き１９へスライドさせるように嵌合させることにより、環状体１０ｅを溝部９ｅに円周方向の位置関係を決めつつ装着することができる。

図１０においてＶ型溝１６とＶ型突起１７の替わりに角型溝と角形突起を組み合わせる場合には、角形突起の幅寸法（円周方向寸法）を角形溝の幅寸法より若干大きくしておき、角形突起を角形溝に圧入すれば、環状体１０ｄの円周方向端面同士を連結させなくても隣接する分割鉄心３ｄ同士を連結することができ、環状体１０ｄの円周方向端面における溶接作業を省略することができる。
図１１においてもダボ１８の幅寸法を切り欠き１９の幅寸法より若干大きくすることにより、上記と同様に環状体１０ｅの円周方向端面における溶接作業を省略して分割鉄心３ｅ同士を連結することができる。

なお、図１０においてＶ型溝１６とＶ型突起１７は一対のみ設けておけば環状体１０ｄの円周方向の位置関係を決めることができるが、図１２に示すように複数対のＶ型溝１６とＶ型突起１７を設けることにより、更に精度良く環状体１０ｄと分割鉄心３ｄとを円周方向に位置決めすることができ、形状精度の良好なステータ用鉄心１ｄを得ることができる。
図１１において、複数対のダボ１８と切り欠き１９を設けた場合も同様である。

以上のように本実施の形態によれば、環状体１０ｄ、１０ｅとステータ用鉄心本体部４ｄ、４ｅとの円周方向の位置関係を定めることができ、環状体の薄肉部が分割鉄心の隣接界面に配置されるのを防ぐことができる。従って機械強度も高くすることができると同時に、環状体内部における磁気抵抗を下げることができ磁束総量が制限されるのを防ぐことができるため、ロータとステータ間の磁束密度を上昇させて更に高出力なモータを得ることが可能となる。

実施の形態４．
図１３は本発明の実施の形態４によるステータ用鉄心１の構造を示すものであり、実施の形態１においては小外径コアシート８の積層体がコアシート２の積層体に介装されており溝部９が積層方向の中央部分に形成されていたが、本実施の形態においてはコアシート２の積層体が小外径コアシート８の積層体に介装されており、溝部９ｆが積層方向の両端部に形成されている点が異なっている。

実施の形態１においては、環状体１０を溝部９に装着するために環状体１０の１ヶ所を分断しておき、この部分を広げて溝部９に嵌めるようにしなければならなかったが、本実施の形態においては、溝部９ｆが積層方向の両端部に形成されているため、図１３（ｃ）に示すように環状体１０ｆを積層方向から装着することが可能である。従って環状体１０ｆは分断されていない円形状とすることができる。

環状体１０ｆの一方の積層方向端面にはダボ１８ｆが複数個形成され、コアシート２の積層体の端面にはダボ１８ｆに対応する穴２０が形成されており、ダボ１８ｆを穴２０にかしめることにより、環状体１０ｆを溝部９ｆに装着し、分割鉄心３ｆを連結することができる。
上記に説明した点以外については、実施の形態１と同様であるため、説明を省略する。

以上のように本実施の形態によれば、分断されていない円形状の環状体１０ｆを積層方向から溝部１０ｆに装着するだけで分割鉄心３ｆを連結することができ、実施の形態１のように環状体１０の円周方向端面において溶接する必要がないため、組立作業の手間が省けるという利点がある。また、実施の形態１においては円周方向の分断箇所において磁気的な軸対象性がわずかに崩れていたが、本実施の形態においては完全に軸対象な構造とすることができるため、コギングトルクを極めて小さくできるという利点がある。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ、１ｆ ステータ用鉄心
２ コアシート
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ 分割鉄心
４、４ａ、４ｄ、４ｅ ステータ用鉄心本体部
５ ヨーク部
６ ティース部
９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ 溝部
１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ 環状体
１３、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ、１３ｅ、１３ｆ 環状片
１４ｂ、１４ｃ 薄肉部
１５ｂ、１５ｃ 円弧部
１６ Ｖ型溝
１７ Ｖ型突起
１８ ダボ
１９ 切り欠き

Claims (6)

1. 外周が円弧状であるヨーク部とこのヨーク部から内径側に突出したティース部を有するコアシートが積層された分割鉄心を円周方向に一円状に組み合わせて形成され、外周に円周方向の溝部を有するステータ用鉄心本体部と、
   前記コアシートと同じかそれ以上の透磁率を有する磁性体から成る環状片を積層して形成され、前記溝部に嵌合された環状体と、
   を備えたステータ用鉄心。
2. 環状体は、薄肉部を介して複数の円弧部が連接された形状を有することを特徴とする請求項１に記載のステータ用鉄心。
3. 環状体は、環状片の厚みがコアシートの厚みと等しいことを特徴とする
   請求項１に記載のステータ用鉄心。
4. 環状体は、薄肉部がコアシートにおけるティース部付根の外周側に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のステータ用鉄心。
5. 環状体とステータ用鉄心本体部は、互いの円周方向の位置決め構造を備えていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のステータ用鉄心。
6. ステータ用鉄心本体部は、積層方向の端部に溝部を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のステータ用鉄心。

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