JP6444497B2 - 回転電機およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は回転電機に関するものであり、特に鉄心を積層して組み立てられる電機子およびその製造方法に関するものである。

近年電動機や発電機などの回転電機において、高効率で振動の小さな回転電機が求められている。振動の小さいモータを実現するための１つの方法として、電機子のスロット開口幅を狭める方法がある。スロットの開口幅を狭めると、電機子の突極を減らして振動を抑制することができる。即ち突極というのは磁気的な凸部という意味である。電機子においては、ティースは鉄、スロットは空隙（非磁性のコイル）で構成されているため、電機子の内側表面から見ると、磁気抵抗が小さいティース部と磁気抵抗の高い空隙が交互に並ぶような形となり、磁気抵抗が不連続な凸凹となる。この凸凹が振動の原因となり、この振動を取り除くには凸凹をできるだけ小さくすることが必要となる。しかしながらティースの先端を近づけすぎると回転子を経由せず、固定子内で循環する漏れ磁束が増加し、出力が低下する。

このような課題を解決するために特許文献１では、複数の鉄芯部と、該複数の鉄芯部の半径方向内側の端部を互いに連繋する橋絡部を備えた板状のコアシートであって、橋絡部は、コアシートの板厚よりも薄く形成された薄肉部を有し、橋絡部に相当する部位は、他の部位と比べて磁気抵抗が大きくなるよう構成されるものが開示されている。これによりブラシレスモータが作動中に橋絡部へ漏れ流れる漏れ磁束を小さくすることができ、鉄芯部内を流れる有効磁束の減少を抑えることが可能となる。

特開２００３−８８００７号公報

しかしながら特許文献１に記載の鉄心の構成では、構造強度及びプレスの成形圧の関係で連結部を薄型化するにしても限界があるため、漏れ磁束の対策として不十分であった。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、鋼板を内周側の先端部を連結部で周方向に円環状に接続される連結ティース鋼板と、連結されておらず個々に独立した非連結ティース鋼板より形成することにより、構造強度を保ちながら漏れ磁束を効果的に減らして高出力の回転電機を提供することを目的とする。

この発明に係る回転電機は、回転軸に固着された回転子鉄心を有する回転子と、上記回転子鉄心に対して空隙を介して設置された固定子とを有するものであって、固定子鉄心は磁極となる複数のティース部を放射状かつ等間隔に配列した内側鉄心と、上記複数のティース部を磁気的に連結するヨークを構成する外側鉄心を有し、上記内側鉄心はティース部を有する複数の磁性体の鋼板が軸方向に積み重なって配置されているものであり、
上記複数の鋼板は、上記ティース部の内周側の全ての先端部が連結部で周方向に円環状に接続される連結ティース鋼板と、上記ティース部が全て連結されておらず個々に独立した非連結ティース鋼板とで構成されており、
上記連結ティース鋼板の間に２枚の上記非連結ティース鋼板が挟まれており、
上記連結ティース鋼板と上記非連結ティース鋼板とは上記ティース部に設けられたかしめ部で軸方向に連結され、上記連結部の厚さは上記鋼板の他の部分の厚さより小さく構成されており、上記内側鉄心の軸方向両端には，上記連結ティース鋼板を備えているものである。

上記のように構成された回転電機においては、固定子の漏れ磁束を低減することができ、高出力なモータを提供することができる。

実施の形態１による回転電機を示す部分断面正面図である。 実施の形態１による回転電機の固定子を構成する電機子を示す斜視図である。 実施の形態１による外側鉄心を示す斜視図である。 実施の形態１による内側鉄心を示す斜視図である。 実施の形態１による内側鉄心を示す部分拡大斜視図である。 実施の形態１による連結ティース鋼板を示す平面図である。 実施の形態１による非連結ティース鋼板を示す平面図である。 プレスの工程によって連結部を成形する工程を示す平面図、正面図である。 プレスの工程によって連結部を成形する工程を示す平面図、正面図である。 連結部を成形する工程表である。 プレスの工程によって連結部を成形する工程を示す平面図である。 連結部を示す正面図である。 実施の形態２による回転電機の固定子を構成する電機子を示す斜視図である。 実施の形態２による外側鉄心を示す斜視図である。 実施の形態２による内側鉄心を示す斜視図である。 実施の形態２による内側鉄心を示す部分拡大斜視図である。 内側鉄心と外側鉄心との結合状態を示す平面図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１に係る回転電機および回転電機の製造方法を図に基づいて説明する。本明細書中で、「周方向」、「径方向」、「軸方向」、「内」、「外」というときは、回転電機の電機子の「周方向」、「径方向」、「軸方向」をいい、更には電機子の「内側」、「内周」、「外側」、「外周」をいうものとする。図１は実施の形態１による回転電機を示す部分断面正面図である。

図１において、回転電機１００はハウジング１を有し、このハウジング１は有底円筒状のフレーム１１およびフレーム１１の開口部を塞ぐ端板１２からなる。更に回転電機１００はフレーム１１の円筒部の内部に固着された固定子４０と、フレーム１１の底部および端板１２にベアリング２を介して回転可能に支持されるとともに、固定子４０の内周側に配置された回転子６０とを備えている。

回転子６０は、回転軸６１に固着された回転子鉄心６２と、回転子鉄心６２の外周面側に周方向に所定のピッチで埋設され、磁極を構成する永久磁石６３とを備えており、これにより永久磁石型回転子が構成されている。なお回転子６０としては、永久磁石型回転子に限定されるものではなく、絶縁しない回転子導体を回転子鉄心のスロットに収納して、両側を短絡環で短絡したかご形回転子であってもよく、更には絶縁した導体線を回転子鉄心のスロットに装着した巻線形回転子を用いてもよい。

図２は回転電機の固定子を構成する電機子を示す斜視図である。電機子１０は図２に示すように、鉄心４１と、鉄心４１に装着されたコイル２０と、コイル２０と鉄心４１を電気的に絶縁するスロットセル４２とを備えている。コイル２０は絶縁被覆された導体線を複数回巻回して作成されている。鉄心４１は図３、図４に示すように、内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂとで構成されている。内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂは内側鉄心４１ａに構成されたティース部４３の外径側先端を、外側鉄心４１ｂに構成された分割面４８に圧入して構成される。外側鉄心４１ｂがティース部４３を連結するバックヨーク部として機能している。

内側鉄心４１ａは図４、図５に示すように、軸方向に積層された磁性体の鋼板で構成され、後に外側鉄心４１ｂと接触する分割面４８を有している。図６、図７は積層される２種類の鋼板を示す平面図であり、図６においては、ティース部４３の内周側の先端部を連結部４５で周方向に円環状に接続される連結ティース鋼板３０を示しており、図７においては連結部が無く、ティース先端部に周方向に突出した鍔部３３を有する個々に独立した非連結ティース鋼板３１を示している。そして連結ティース鋼板３０と非連結ティース鋼板３１は１枚ずつ交互にティース部４３に構成されたかしめ部４４で軸方向に連結されている。そして隣り合うティース部４３の間には、区切られたスロット４６が形成される。

このように連結ティース鋼板３０と非連結ティース鋼板３１を組み合わせることで非連結ティース鋼板３１間においては空隙が存在するためティース先端部に発生する漏れ磁束を抑制することができる。また連結ティース鋼板３０の連結部４５は他のティース部４３や、鍔部３３よりも軸方向の肉厚が薄くなっている。このように連結部４５を薄くすることで、連結部４５の磁気抵抗が高くなり、そこで発生する磁束の漏れを更に抑制することができる。また鋼板を１枚ずつ積層することで、非連結ティース鋼板３１が連結ティース鋼板３０に挟まれた形で構成されるため、非連結ティース鋼板３１の位置が安定する。

上記のように連結ティース鋼板３０においては、ティース先端で全てのティース部４３が連結しているためそれぞれのティース部４３の位置が安定している。
一方非連結ティース鋼板３１においては、連結がされていないため、不安定となる。非連結ティース鋼板３１のみを連続して積層すると、不安定なティースに不安定なティースをかしめで連結することになるため、ティースの位置が安定しない。そのため非連結ティース鋼板３１を安定させるためには、連結ティース鋼板３０に固定されている必要がある。連結ティース鋼板３０と非連結ティース鋼板３１を交互に積層して構成することで、非連結ティース鋼板３１は必ず連結ティース鋼板３０とかしめ部４４で固定されているため位置が安定することになる。以上より非連結ティース鋼板３１の軸方向における少なくとも１方向の片面には連結ティース鋼板３０が存在することが必要となる。連結ティース鋼板３０と非連結ティース鋼板３１は、順送プレスにて同じ金型内で打ち抜かれ、最後の工程にて打ち抜かれると同時に積層され、かしめ部４４で固定される。そのため金型の打ち抜き精度で位置が合うようになっている。

次に連結部４５の製造方法を図８〜図１１に基づいて説明する。
図８、図９は打ち抜き金型内でのプレスの工程によって連結部４５を成形する工程を示す図であり、図８（Ａ）、図９（Ａ）は連結部分を示す平面図、図８（Ｂ）、図９（Ｂ）は同じく正面図である。又図１０は連結部４５を成形する工程表である。まず図８（Ａ）、（Ｂ）はチャック工程８２を示しており、ティース部４３を固定金型７１で固定する。次に後に連結部４５となる中間連結部４５１を潰し金型７２にて軸方向から加圧して薄型化する潰し工程８３を行う（図９（Ａ）、（Ｂ））。この時潰された中間連結部４５１の肉は径方向に膨出部４５２として発生するため、これを図１１に示すように膨出部４５２を切り取る（トリム工程８４）。このようにして連結部４５を製造する。

上記のように潰し工程８３の前にチャック工程８２を経ることにより潰し工程８３の時に発生する周方向の伸びを抑制し、ティース間のピッチを精度良く保つことができる。また潰し工程８３で広がった余分な箇所である膨出部４５２をトリム工程８４で除去することにより精度よく安定した連結ティース鋼板３０を製造することができる。なお潰し金型７２の形状を変えることで図１２に示すように連結部４５の形状を変化させてもよい。即ち図１２（Ａ）においては、連結部４５は円弧状に潰されており、このような形状とすることで金型にかかる負荷が減り、潰し金型７２の寿命を延ばすことができる。また図１２（Ｂ）においては連結部４５はＶ字状の形状になっている例を示している。このような形状とすることで、加圧時の加工力が低減し、プレスの負荷を低減することができる。尚上記説明においては、固定子を内鉄側と外鉄側に分割した場合について述べたが、分割せず一体に構成された固定子においても同様に適用することができる。

実施の形態２．
図１３は実施の形態２による回転電機の固定子を構成する電機子を示す斜視図である。電機子１０は図１３に示すように、鉄心４１と、鉄心４１に装着されたコイル２０と、コイル２０と鉄心４１を電気的に絶縁するスロットセル４２とを備えている。鉄心４１は、図１４、図１５に示すように、内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂとで構成されている。内側鉄心４１ａと外側鉄心４１ｂは内側鉄心４１ａに構成されたティース部４３の外径側先端を外側鉄心４１ｂに構成された分割面４８に圧入して構成される。尚図１４においては、図３に示すようなアリ溝構造がない場合を示しているが（図１７に相当）、アリ溝構造を設けても良い。

内側鉄心４１ａは図１５、図１６に示すように、軸方向に積層された磁性体の鋼板で構成され、後に外側鉄心４１ｂと接触する分割面４８を有している。鋼板はティース部４３の内周側の先端部を連結部４５で周方向に円環状に接続された連結ティース鋼板３０と、連結部が無く、ティース先端部に周方向に突出した鍔部３３を有する非連結ティース鋼板３１がある。連結ティース鋼板３０と非連結ティース鋼板３１は連結ティース鋼板３０の間に２枚の非連結ティース鋼板３１が挟まれており、交互にティース部４３に構成されたかしめ部４４で軸方向に連結されている。そして隣り合うティース部４３の間には、区切られたスロット４６を形成する。

このように連結ティース鋼板３０と非連結ティース鋼板３１は連結ティース鋼板３０の間に２枚の非連結ティース鋼板３１が挟まれた形で積層することで、１枚の非連結ティース鋼板３１の片方の端面は必ず連結ティース鋼板３０とかしめ部４４で連結されることとなり、非連結ティース鋼板３１の位置が安定する。又非連結ティース鋼板３１間の空隙部が増えることにより、磁気抵抗が更に大きくなり、ティース先端部に発生する漏れ磁束を更に抑制することができる。

図１７（Ａ）は内側鉄心と外側鉄心との結合状態を示す平面図であり、図１７（Ａ）に示すように分割面４８を必ずしもアリ溝構造とする必要がない。このように構成することで、アリ溝構造等と比べると圧入時に接触する面が減少し、圧入力を緩和することができる。また図１７（Ｂ）に示すように分割面４８をＶ字溝形状とし、ティース部４３の周方向位置を安定させてもよい。
尚本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (3)

1. 回転軸に固着された回転子鉄心を有する回転子と、上記回転子鉄心に対して空隙を介して設置された固定子とを有する回転電機であって、
   固定子鉄心は磁極となる複数のティース部を放射状かつ等間隔に配列した内側鉄心と、上記複数のティース部を磁気的に連結するヨークを構成する外側鉄心を有し、
   上記内側鉄心はティース部を有する複数の磁性体の鋼板が軸方向に積み重なって配置されているものであり、
   上記複数の鋼板は、上記ティース部の内周側の全ての先端部が連結部で周方向に円環状に接続される連結ティース鋼板と、上記ティース部が全て連結されておらず個々に独立した非連結ティース鋼板とで構成されており、
   上記連結ティース鋼板の間に２枚の上記非連結ティース鋼板が挟まれており、
   上記連結ティース鋼板と上記非連結ティース鋼板とは上記ティース部に設けられたかしめ部で軸方向に連結され、
   上記連結部の厚さは上記鋼板の他の部分の厚さより小さく構成されており、
   上記内側鉄心の軸方向両端には，上記連結ティース鋼板を備えている回転電機。
2. １枚の上記非連結ティース鋼板の片方の端面は必ず上記連結ティース鋼板と上記かしめ部で連結されている請求項１に記載の回転電機。
3. 請求項１または請求項２に記載の回転電機における上記連結ティース鋼板の製造方法であって、
   上記連結ティース鋼板における上記ティース部を固定するチャック工程と、
   上記連結ティース鋼板における中間連結部を潰し金型により加工して薄型化することにより上記連結部を形成する潰し工程と、
   上記潰し工程で広がった余分な箇所を切り取るトリム工程を有する製造方法。

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