JP5793013B2 - 交流電動機のステータ - Google Patents

Description

本発明は、回転テーブルの駆動等に利用される交流電動機の改良に関する。特に交流電動機の製造設備のコストを低減できるステータ構造を提供するものである。

近年、工作機械の回転テーブル等を駆動する方式としては、減速機を使用せずに低速大トルクのダイレクトドライブモータを使用する方式が注目されている。このダイレクトドライブモータを使用すると、減速機によるバックラッシュがないため位置決め精度を向上することができ、また、減速機による回転速度制約が緩和されるため位置決め動作を高速化することができる。

しかしながら、このようなダイレクトドライブモータは、大トルクを実現するためにモータサイズが大きくなる。このため、ステータコアを製造する時に必要な電磁鋼板のプレス金型も大型化して費用が高いという課題がある。

また、ダイレクトドライブモータは、機械内部に直結構造で組み込まれるために形状をできるだけ小型化したいという強い要求があり、機種毎に最適化した設計が要求される。しかも機械の周辺機構の都合に合わせた多種多様な形状要求があり、標準化設計が困難である。その結果、多品種少量の生産となるため、プレス金型費の投資償却が困難になるという課題がある。

このような事情から、ステータ鉄芯の製作に使用するプレス金型を小型化して費用を安価にするため、分割コアによってステータを構成する技術がある。例えば、下記特許文献１に示されるように、ステータ鉄芯をヨーク部分で分割した形状で電磁鋼板をプレス加工によって所要枚数だけ打抜き加工し、この電磁鋼板を積層することによって鉄芯ブロックを構成する。この鉄芯ブロックに対して巻線を施したものを円周状に並べて固定することによって、電動機のステータを構成する。

図２は、このような分割コアによって構成したステータの構造例である。複数個の鉄芯ブロック１が、冷却スリーブ２の内周面に環状に配置されて一周のステータコアを構成している。冷却スリーブ２の外周には冷却液の流路が形成されていて、図示せぬハウジングに冷却スリーブ２を納め、冷却液流路に冷却液を通流することによって電動機を冷却している。また、鉄芯ブロック１は、隣同士の鉄芯ブロックと接するヨーク部３と、図示せぬロータに向かい合うティース部４からなり、ティース部４には巻線５が巻回されている。

しかしながら、このような分割コアを用いてステータコアを構成した場合、複数の鉄芯ブロック間には隙間が生じる可能性がある。すなわち、鉄芯ブロックは電磁鋼板をプレス打ち抜きで切断加工して形成されているので、切断面にはバリが発生したり、塑性変形による寸法誤差が発生する。一般的な具体事例では一片が100mm程度の形状をプレス打ち抜きする場合に、0.02mm程度の形状寸法のばらつきが生じる。このばらつきを許容するために一つ一つの鉄芯ブロックは0.02mm程度、小さく設計する必要があり、図２のように複数の鉄芯ブロック１を冷却スリーブ２の内周に密着させると、個々のブロック間には隙間が生じる。この隙間は電磁鋼板に対して透磁率が著しく低いために磁束の通過を妨げ、結果として電動機の出力トルクが低下したり、出力トルクの脈動（トルクリップル）が大きくなるなどの問題が生じる。

このような鉄芯ブロック間の隙間によって生じる弊害を軽減するために、例えば下記特許文献２に示されるように分割された鉄芯ブロックを組み立てる際に、電磁力を作用させて鉄芯ブロック同志に磁気吸引力を発生させるという技術がある。この方法によれば、鉄芯ブロック同志が吸引しあった状態で組み立てられるので分割された鉄芯間の隙間を小さくして組み立てることができる。

しかしながら、この磁気吸引力を働かせる組み立て方法においては、ステータコアの外径寸法が正確にできないという問題が生じる。すなわち、個々の鉄芯ブロックは前述のように加工誤差による寸法ばらつきを考慮して小さく設計されるので、複数の鉄芯ブロックを組み合わせた場合にステータコアの外径寸法は小さくなる。このようにステータコアの外径寸法が小さくなると、冷却用スリーブとステータコアが密着しなくなるため熱伝導率が下がり、結果として巻線の温度上昇が大きくなる。

また一方、鉄芯ブロック間の隙間によって生じる弊害を軽減するために、下記特許文献３にはテーパによってティースとヨークを密着させる技術が示されている。この技術によるステータコアの構成例を図３に示す。鉄芯ブロックをティース部４とヨーク部３に分けて構成し、ティース部４がヨーク部分３に接触する部分をテーパ形状として、ティース部４をヨーク部３に押しつけることによってテーパ部を密着させる技術が示されている。この技術によればティース部からヨーク部に通過する磁束について、隙間の小さい鉄芯間を通ることができるので電動機の特性を向上させることができる。

しかしながら、この構成例では一つのティースから隣り合うティースまでの磁束の経路において、鉄芯ブロックの境界となる接触部が２ヶ所に存在し、図２に示すステータコアに比べて境界数が２倍となる。この接触部における隙間は、組立時にティース部４を内側から外側に押しつけることによって小さくすることができるが、前述のように電磁鋼板の切断面にはバリがあるために完全に隙間をゼロにすることはできない。このため、特許文献３に示される構成例でも、ステータコアを分割しない電動機に比較して出力トルクが低下したり、出力トルクの脈動が大きくなるなどの問題が生じる。

なお、上記のように一つのティースから隣り合うティースまでの磁束の経路において、鉄芯ブロックの境界数が２倍となる問題は、特許文献２に示される技術においても同様である。

また、同様に下記特許文献４にはティース部分とテーパ形状の小さなヨーク部分とからなる第一の鉄芯ブロックと、ティース部分と大きなヨーク部分からなる第二の鉄芯ブロックからなる分割コアを組み合わせたステータコアが示されている。そして、第一の鉄芯ブロックを中心方向からはめ込むことによってテーパ形状が第二の鉄芯ブロックに密着し、分割コア間の隙間を解消する効果がある。

しかしながら、この構成例においては第二の鉄芯ブロックを円筒形状に配置して、その形状を押さえ冶具で保持しながら第一の鉄芯ブロックを中心方向からはめ込み、テーパ形状部を密着させながらこれらの鉄芯ブロックを溶接して固定するという煩雑な作業工程によって組み立てる必要がある。また、長期間の使用後に溶接固定部が万一、外れた場合には第一の鉄芯ブロックは内径方向に飛び出す可能性があり、このときロータと接触して回転軸がロック（固着）してしまう可能性がある。このような故障が電動機の回転中に発生すると、回転軸に過大な負の加速度が発生し、駆動される機械構造に大きな衝撃を与えるので危険である。

特開２００３−１３４７０１号公報 特開２００５−３３３６９７号公報 特開２００４−５６９０６号公報 特開２００２−２０９３４８号公報

本発明は、複数の分割コアによって構成される交流電動機のステータコアにおいて、分割コアの加工寸法誤差によって分割コア間に隙間が生じるという課題を解決し、出力トルクの向上やトルクリップルの低減を図ることを目的とする。または、このステータコアの外周に外周スリーブを装着する場合に、分割コアの加工寸法誤差によってステータコアと外周スリーブが密着しなくなるという課題を解決し、冷却効率の向上を図ることを目的とする。

さらにまたは、複数の分割コアを組み立てる作業が煩雑であるという課題を解決し、組立てが容易な電動機のステータを実現する。または、各々の分割コアの結合が万一、回転中に外れた場合でも回転軸がロックすることなく安全性を確保できるステータ構造の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明に係るステータは、ヨーク部分において分割され、ティースを一個ずつ有する２種類の分割コア、すなわち第一の鉄芯ブロックおよび第二の鉄芯ブロックによって構成されたステータであって、
第一の鉄芯ブロックはヨーク部分において半径方向外側に向けて広がるテーパ形状を有し、第二の鉄芯ブロックはヨーク部分において半径方向外側に向けて細くなるテーパ形状を有し、第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックは、冷却用スリーブの内周に一個ずつ交互に配置され、
前記テーパ形状は、傾きが平行な２つの直線部分に段差を設けた形状であって、当該段差部分が前記第一の鉄芯ブロックと前記第二の鉄芯ブロックとで噛み合うことによって、それぞれの鉄芯ブロックを径方向に拘束するとともに、
前記第二の鉄芯ブロックを半径方向内側から外側に押しつけることによって、前記冷却用スリーブの内周面に前記第一の鉄芯ブロックを密着させ、かつ前記第一の鉄芯ブロックのテーパ形状部と前記第二の鉄芯ブロックのテーパ形状部を密着させて組み立てられたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明に係るステータは、前記ティースは６×Ｎ個（Ｎは自然数）であって、前記３相巻線は前記ティースの一個ずつに対して一巻線ずつ巻回されることによって、前記３相巻線の各相巻線はそれぞれ前記第一の鉄芯ブロックと前記第二の鉄芯ブロックの同数に巻回されることを特徴とする。

本発明に係る他の態様の電動機のステータは、ステータコアと、ステータコアを取り囲む円筒または円環形状の外周スリーブとを含み、ステータコアは、円筒または円環形状のヨーク部分と、ヨーク部分の内周面に立設され、周方向に配列され、巻線が巻回された複数のティースを有するステータコアと、を有する。ステータコアは、更に、それぞれが一個のティースを含む複数の鉄芯ブロックに、ヨーク部分において分割されている。複数の鉄芯ブロックは、ヨーク部分が半径方向外側に向けて周方向の幅が広がるテーパ形状を有する第一の鉄芯ブロックと、ヨーク部分が半径方向外側に向けて幅が狭まるテーパ形状を有する第二の鉄芯ブロックとを含む。第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックは、隣接する鉄芯ブロックのテーパ形状を形成しているテーパ面を密着した状態で、外周スリーブの内周に沿って交互に配列される。第一の鉄芯ブロックおよび第二の鉄芯ブロックのテーパ面には、当該テーパ面を半径方向において内周側と外周側に分ける段差が形成されている。第一の鉄芯ブロックのテーパ面は、前記段差により、前記外周側が低く、前記内周側が高くされ、一方、第二の鉄芯ブロックのテーパ面は、前記段差により、前記外周側が高く、前記内周側が低くされる。第一の鉄芯ブロックが外周スリーブに密着した状態で固着され、また、隣接する第一および第二の鉄芯ブロックが、各々の対向するテーパ面の段差が噛み合った状態で固着され、これにより第二の鉄芯ブロックの脱落が防止される。

さらに、当該電動機は３相交流電動機であって、一個のティースに一つの巻線が巻回される集中巻きの構成を有するものとでき、ティースの数を６の倍数個とすることができる。

さらに、上記他の態様の電動機のステータを製造する方法の発明が提供される。この製造方法の発明は、第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックを外周スリーブの内周に１個ずつ交互に配置するステップと、第二の鉄芯ブロックをステータの半径方向外側に向けて押圧して、隣接する第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックのテーパ面同士、および第一の鉄心ブロックと外周スリーブを密着させ、固着させるステップと、を有する。

請求項１に記載の発明によれば、ヨーク部分において半径方向外側に細くなるテーパ形状を有する第二の鉄芯ブロックを半径方向内側から外側に押しつけることによって、ヨーク部分において外径方向に広がるテーパ形状を有する第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックをそれぞれのテーパ形状部において密着させることができる。この結果、第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックの境界部分の磁気特性の劣化を抑える効果がある。

また、第二の鉄芯ブロックを半径方向内側から外側に押しつけることによって、第一の鉄芯ブロックを冷却用スリーブの内面に密着させることができ、熱伝導が良好となり冷却効率が向上する効果がある。

さらにまた、前記テーパ形状を傾きが平行な２つの直線部分に段差を設けた形状とすることによって、この段差部分が第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックとで互いに噛み合うので、冷却用スリーブの内周に、これらの鉄芯ブロックを挿入するだけで円筒形状の状態を保持することができ、組立作業を容易とする効果がある。

さらに前記段差部分は、第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックの接着等による固定が万一、外れた場合でも第二の鉄芯ブロックが内径方向に飛び出すことを拘束できるため、回転中に回転軸がロックする等の危険を防止する効果がある。

請求項２に記載の発明によれば、上記２種類の鉄芯ブロックの合計数は６の倍数であるので、３相巻線の１相分の巻線が巻回される第一の鉄芯ブロックの数と第二の鉄芯ブロックの数は同じとなる。このため１相分のトルクは、第一の鉄芯ブロックが発生するトルクと第二の鉄芯ブロックが発生するトルクを平均化した結果となるので、電動機全体で発生するトルクの脈動を抑制する効果がある。

本発明の一実施形態による交流電動機のステータの、鉄芯部分の断面図である。 本発明の背景技術である分割コアを使用して構成された交流電動機のステータを示す断面図である。 従来技術による交流電動機のステータコアの断面図である。

本発明の一実施形態を図１に従いながら説明する。鉄芯ブロック１ａ、１ｂは、それぞれヨーク部３ａ，３ｂとティース部４ａ，４ｂから成る２種類の分割コアであり、これらは外周スリーブ２の内周に納められてステータコアを構成している。外周スリーブ２は、ステータコアの熱を外部に放熱し、ステータコアを冷却する機能を有する。以下、外周スリーブを冷却スリーブと記す。ステータコアは、略円筒または円環のヨーク部分と、ヨーク部分の内周面に立設され、周方向に配列された複数のティースを有する。冷却スリーブ２は、ステータコアの外側を取り囲み、略円筒または円環形状を有する。鉄芯ブロック１ａはヨーク部３ａにおいて半径方向外側に広がるテーパ形状を有している。言い換えれば、鉄芯ブロック１ａのヨーク部３ａは、半径方向外側に向かって周方向の幅が広がるテーパ形状を有している。また、鉄芯ブロック１ｂはヨーク部３ｂにおいて半径方向外側に細くなるテーパ形状を有している。言い換えれば、鉄芯ブロック１ｂのヨーク部３ｂは、半径方向外側に向かって周方向の幅が狭まるテーパ形状を有している。

これらの鉄芯ブロック１ａ、１ｂは互いに前述のテーパ形状を形成するテーパ面（ヨーク部３ａ，３ｂの周方向端面）で接触しており、鉄芯ブロック１ｂを半径方向内側から外側に押しつけることによって、それぞれのテーパ形状の部分、あるいはテーパ面を密着させること、および鉄心ブロック１ａを冷却スリーブ２の内周面に密着させることができる。この密着させた状態で、例えば接着剤を用いて隣接する鉄心ブロック１ａ，１ｂ同士および鉄心ブロック１ａと冷却スリーブ２を固着させる。鉄芯ブロック１ａと冷却スリーブ２が密着することにより、これら相互の熱抵抗を下げることができる。この結果、巻線５の銅損による発熱および電磁鋼板で発生した鉄損による発熱を効果的に冷却スリーブ２に伝達することができる。なお、鉄芯ブロック１ａと冷却スリーブ２の内周面およびテーパ形状の部分の接触部つまりテーパ面は、例えば嫌気性の接着剤を使用して固着させることが好ましい。

このように、鉄芯ブロック１ａと鉄芯ブロック１ｂが接触するテーパ形状の部分を密着させることによって、その境界部分を通過する磁束に対する磁気抵抗を小さくすることができる。この結果、分割されたコアを使用せず一体で形成したステータコアを用いる交流電動機に対する出力トルクの減少を小さく抑えることができる。また、境界部分の磁気抵抗によって発生する出力トルクのトルクリップルを小さく抑えることができる。

なお、鉄芯ブロック１ｂを半径方向内側から外側に押しつけたとしても、鉄芯ブロック１ｂは冷却スリーブ２の内面に密着することはできない。本実施形態においては、鉄芯ブロック１ａおよび１ｂの形状寸法にばらつきがあっても確実に前述のテーパ形状の部分が密着するように、冷却スリーブ２の内径を鉄芯ブロックの寸法誤差に比べて十分に小さく設計している。具体的には、個々の鉄芯ブロックが円周方向に0.02mmだけ小さいことを想定する場合は、例えば12個の鉄芯ブロックでステータを構成するとき、冷却スリーブ２の内径円周が0.02×12＝0.24mmだけ小さくなるように設計する。このような寸法で設計された冷却スリーブに、全てが正しい寸法で加工された鉄芯ブロックを納める時、鉄芯ブロック１ｂはテーパによって半径方向内側に押し出され、その結果、鉄芯ブロック１ｂは冷却スリーブ２の内面に密着しない。

鉄芯ブロック１ｂが冷却スリーブ２の内面に密着しないことは、熱抵抗の観点から好ましくない。しかしながら、鉄芯ブロック１ｂが冷却スリーブ２に接触する部分の面積は鉄芯ブロック１ａの接触面積に比べて小さく、このため鉄芯ブロック１ｂで発生する発熱の多くはテーパ形状の部分を介して鉄芯ブロック１ａに伝達し、冷却スリーブ２に放熱される。この結果、鉄芯ブロック１ｂの熱抵抗は実用上十分に低くすることができる。なお、鉄芯ブロック１ｂと冷却スリーブ２の内面間に生じる隙間には、例えば熱伝導性エポキシ樹脂を充填することが、熱伝導率の観点および機械的強度の観点において好ましい。

また、鉄芯ブロック１ｂが半径方向内側に押し出される結果、鉄芯ブロック１ａと鉄芯ブロック１ｂではロータとの距離が異なる。このため、鉄芯ブロック１ａと１ｂではロータとの磁気抵抗が異なり、それぞれの発生するトルクに差異が生じる。しかしながら、本実施形態においては鉄芯ブロック１ａと１ｂの総数が６の倍数とすることにより、ステータコア全体では上記のトルク差異が平均化されるようにしている。すなわち、６Ｎ個（Ｎは自然数）の鉄芯ブロックの各々に３相巻線を１相ずつ巻回している結果、３相の各相が巻回される鉄芯ブロック１ａと鉄芯ブロック１ｂの数は必ず同数となる。この結果、ステータ全体における鉄芯ブロック１ａの発生トルクと、鉄芯ブロック１ｂの発生トルクは平均されて電動機全体では均一なトルクを発生することができる。

このように複数の鉄芯ブロックを組合せて電動機のステータコアを構成する場合、その組立工程の作業性や、鉄芯ブロックの接合部の接着が万一、外れた場合の安全性に考慮する必要がある。このため、本発明においては、図１に示すように鉄芯ブロック１ａ、１ｂのテーパ形状の部分、またはテーパ面に段差６を設けている。テーパ形状は、ステータの軸線直交断面において傾きが平行な２つの直線部分に段差を設けた形状であり、隣接する鉄芯ブロック１ａ、１ｂのそれぞれの段差が噛み合うことによって、それぞれの鉄芯ブロックを径方向に拘束する。これによりテーパ形状の部分の接着固定がされていなくても鉄芯ブロック１ｂが半径方向内側に抜けてしまう心配がない。段差６はまた、鉄芯ブロック１ａ，１ｂのテーパ面を内周側と外周側に分けるように設けられてよい。さらに、段差６は、ステータの中心軸線と平行に延びるように設けられてよい。段差６により、鉄芯ブロック１ａのテーパ面は、前記外周側が低く、前記内周側が高くされる。テーパ面の、段差６より外周側の部分と内周側の部分は、互いに平行な面とすることができる。また、段差６により鉄芯ブロック１ｂのテーパ面は、前記外周側が高く、前記内周側が低くされる。テーパ面の、段差６より外周側の部分と内周側の部分は、互いに平行な面とすることができる。段差６により、隣接する鉄芯ブロック１ａ、１ｂが噛み合っているため、鉄芯ブロック１ｂが両側の鉄芯ブロック１ａに支持され、電動機の回転中に万一、鉄芯ブロック１ｂを固着している接着が外れたとしても鉄芯ブロック１ｂのティース４がロータに接触することがなく、回転軸がロックして機械に過大な衝撃が生じることがない。また、段差６を設けたことによって、本実施形態の電動機のステータコア組立においては、冷却スリーブ２の内面に鉄芯ブロック１ａ、１ｂを順に挿入するだけで、鉄芯ブロック自体が環状の形状を保持できるので、作業が簡便である。

１ａ 鉄芯ブロック、１ｂ 鉄芯ブロック、２ 冷却スリーブ、３ａ，３ｂ ヨーク部、４ａ，４ｂ ティース部、５ 巻線、６ 段差。

Claims (5)

1. 複数のティースに３相交流で駆動される３相巻線を巻回して成る交流電動機のステータであって、
   当該ステータは、ヨーク部分において分割され、前記ティースを一個ずつ有する２種類の鉄芯ブロックである第一の鉄芯ブロックおよび第二の鉄芯ブロックによって構成され、
   第一の鉄芯ブロックはヨーク部分において半径方向外側に向けて広がるテーパ形状を有し、第二の鉄芯ブロックはヨーク部分において半径方向外側に細くなるテーパ形状を有し、第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックは、冷却用スリーブの内周に一個ずつ交互に配置され、
   前記テーパ形状は、径方向に対して斜交する傾きを持った２つの平行な直線部分に段差を設けた形状であって、当該段差部分が前記第一の鉄芯ブロックと前記第二の鉄芯ブロックとで噛み合うことによって、それぞれの鉄芯ブロックを径方向に拘束するとともに、前記第二の鉄芯ブロックを半径方向内側から外側に押しつけることによって、前記冷却用スリーブの内周面に前記第一の鉄芯ブロックを密着させ、かつ前記第一の鉄芯ブロックのテーパ形状の部分と前記第二の鉄芯ブロックのテーパ形状の部分を密着させて組み立てられたことを特徴とする交流電動機のステータ。
2. 前記ティースは６×Ｎ個（Ｎは自然数）であって、前記３相巻線は前記ティースの一個ずつに対して一巻線ずつ巻回されることによって、前記３相巻線の各相巻線はそれぞれ前記第一の鉄芯ブロックと前記第二の鉄芯ブロックの同数に巻回されることを特徴とする請求項１に記載の交流電動機のステータ。
3. 円筒または円環形状のヨーク部分と、ヨーク部分の内周面に立設され、周方向に配列され、巻線が巻回された複数のティースを有するステータコアと、
   ステータコアを取り囲む円筒または円環形状の外周スリーブと、
   を含む電動機のステータであって、
   ステータコアは、それぞれが一個のティースを含む複数の鉄芯ブロックに、ヨーク部分において分割され、
   複数の鉄芯ブロックは、当該鉄芯ブロックのヨーク部が半径方向外側に向けて周方向の幅が広がるテーパ形状を有する第一の鉄芯ブロックと、当該鉄芯ブロックのヨーク部が半径方向外側に向けて幅が狭まるテーパ形状を有する第二の鉄芯ブロックとを含み、
   第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックは、隣接する鉄芯ブロックの前記テーパ形状を形成しているテーパ面を密着した状態で、外周スリーブの内周に沿って交互に配列され、
   第一の鉄芯ブロックおよび第二の鉄芯ブロックのテーパ面には、当該テーパ面を半径方向において内周側と外周側に分ける段差が形成され、
   第一の鉄芯ブロックのテーパ面は、前記段差により、前記外周側が低く、前記内周側が高くされ、第二の鉄芯ブロックのテーパ面は、前記段差により、前記外周側が高く、前記内周側が低くされ、
   第一の鉄芯ブロックが外周スリーブに密着した状態で固着され、第一および第二の鉄芯ブロックが、各々の対向するテーパ面の前記段差が噛み合った状態で固着され、前記段差が噛み合うことにより第二の鉄芯ブロックの脱落が防止されている、
   電動機のステータ。
4. 請求項３に記載の電動機のステータであって、
   当該電動機は３相交流電動機であり、一個のティースに一つの巻線が巻回される集中巻きの構成を有し、
   ティースの数が、６の倍数個である、
   電動機のステータ。
5. 請求項３または４に記載の電動機のステータを製造する方法であって、
   第一の鉄芯ブロックと第二の鉄芯ブロックを外周スリーブの内周に１個ずつ交互に配置するステップと、
   第二の鉄芯ブロックをステータの半径方向外側に向けて押圧して、隣接する第一の鉄芯ブロックおよび第二の鉄芯ブロックのテーパ面同士、および第一の鉄芯ブロックと外周スリーブを密着させ、固着させるステップと、
   を有する方法。
   
   

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