JP6739497B2 - 回転電機の電機子 - Google Patents

Description

本願は、回転電機の電機子に関するものである。

近年、電動機または発電機の回転電機においては、小型高出力および高効率が求められている。回転電機の出力を向上させる方法の１つに、回転電機に用いられる電機子の鉄心の密度を向上させる方法がある。電磁鋼板を積層した鉄心の密度向上を阻害する要因には、電磁鋼板の連結に利用するカシメに起因した積層隙間がある。カシメは、全抜きカシメと半抜きカシメが一般的に用いられている。積層面からの飛出し量が板厚より小さいカシメが半抜きカシメであり、形状によって一般的に丸カシメもしくは小判形状のカシメと呼ばれている。半抜きカシメは飛出し量が小さいため積層隙間が生じにくいものの、カシメ強度が低いという課題があるため、回転電機の電機子の鉄心において半抜きカシメのみで所望のカシメ強度は得られない。また半抜きカシメは掛かり代が少なく積層時の固定力が小さいため、マテリアルハンドリング中の鋼板の割れに関しては弱いという課題がある。

斜辺部を有して板厚以上積層面からの飛出し量が可能であるカシメが全抜きカシメであり、形状によって一般的にＶカシメもしくは台形カシメと呼ばれている。所望のカシメ強度を得るためには全抜きカシメが用いられるが、全抜きカシメでは積層隙間が大きくなるという課題があるため、鉄心の密度を向上させることができない。また、一般的に鉄心のヨークと巻線を巻回する鉄心のティースの双方に全抜きカシメが構成されるが、巻回時のテンションによりティースの積層隙間のみが圧縮されて鉄心の形状が変形してしまい、変形した鉄心で構成された電機子の円筒度および真円度が悪化するといった課題もあった。

この課題を解決するために、全抜きカシメの積層隙間を生む原因の１つである積層する各鋼板の斜辺部の幾何学的な干渉を抑制するため、斜辺部を金型内で押し伸ばして薄くした積層鉄心が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、全抜きカシメが有る鋼板と空孔の鋼板を交互に配置して積層隙間を低減させ、積層間をカシメと接着により固着したコアブロックが開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−８０８５３号公報 特開２００９−７２０１４号公報

上記特許文献１においては、積層鋼板の斜辺部の幾何学的な干渉を抑制することができる。しかしながら、鋼板の積層面の面内方向のズレによる積層隙間の増加、また斜辺部のバネ性による積層隙間の拡大を抑制することができないという課題があった。

また上記特許文献２においては、全抜きカシメがある鋼板と空孔の鋼板の交互配置で全抜きカシメの掛かりが浅いため、接着剤を追加して接合強度を補強する構成となっており、接着剤塗布工程の増加および部材の多種化といった生産性の悪化という課題があった。また、接着剤を介した鋼板の積層で鉄の密度が低減するため、磁束の通りが更に悪くなり、鉄心の特性が悪化するという課題があった。

本願は前記のような課題を解決するためになされたものであり、回転電機の電機子の積層隙間を抑制して回転電機の出力を向上させることを目的としている。

本願に開示される回転電機の電機子は、積層された複数の鋼板がカシメにより結合されてなる電機子鉄心が複数円環状に連結された電機子であって、前記電機子鉄心はヨークと、ヨークの中央から突出したティースと、を有し、カシメは、半抜きカシメと全抜きカシメであり、前記半抜きカシメは、前記ティースのセンターライン上であって、前記ティースと前記ヨークの境界部の前記ヨーク側に形成され、前記鋼板の積層面からの飛出し量が前記鋼板の板厚よりも小さく構成されており、前記全抜きカシメは、前記境界部から離れた前記ヨーク内に形成され、前記鋼板の積層面からの飛出し量が前記半抜きカシメの飛出し量よりも大きく構成されたものである。

本願に開示される回転電機の電機子によれば、積層隙間を抑制して回転電機の出力を向上させることができる。

実施の形態１に係る回転電機の構成を示す片側断面模式図である。 実施の形態１に係る電機子の概略構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電機子の一部の分解斜視図である。 電機子の巻線の巻回を説明する図である。 実施の形態１に係る電機子鉄心の概略構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る電機子鉄心を構成する鋼板の平面図である。 実施の形態１に係る電機子鉄心を構成する鋼板の断面図である。 実施の形態１に係る電機子鉄心の断面図である。 実施の形態１に係る電機子鉄心の台形カシメ近傍を拡大した断面図である。 実施の形態１に係る電機子鉄心の半抜きカシメ近傍を拡大した断面図である。 実施の形態２に係る電機子鉄心を構成する鋼板の平面図である。 電機子鉄心についての磁界解析の結果を示した図である。 実施の形態３に係る２枚の鋼板を積層することで構成された鋼板の平面図である。 実施の形態３に係る電機子を構成する円環状に連結された電機子鉄心の平面図である。 実施の形態３に係る電機子を構成する電機子鉄心を展開した平面図である。 図１４に示したヒンジ部近傍を拡大した平面図である。 図１６に示したヒンジ部の断面図である。

以下、実施の形態の回転電機の電機子を図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は実施の形態１に係る回転電機１の構成を示す片側断面模式図である。回転電機１は、電機子１０と回転子４０をハウジング２０の内部に収納する。ハウジング２０は、有底円筒状のフレーム２１とフレーム２１の開口部を塞口する端板２２とで構成される。電機子１０は、フレーム２１の円筒部に内嵌状態に固着される。回転子４０は、フレーム２１の底部および端板２２にベアリング４４を介して回転可能に支持され、電機子１０の内周側に配設される。

まず回転子４０の概略について説明する。回転子４０は永久磁石型回転子であって、回転軸４１にその軸心位置が挿着された円筒状の回転子鉄心４２と、この回転子鉄心４２の外周面側に埋設されて周方向に所定のピッチで配列されて磁極を構成する永久磁石４３とを備えている。なお、回転子４０はこのような永久磁石式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４２のスロットに収納して両側を短絡環で短絡した、いわゆるかご形回転子、もしくは電機子巻線を回転子鉄心４２に形成してスロットに装着した巻線形回転子を用いても構わない。

次に電機子１０について説明する。図２は電機子１０の概略構成を示す斜視図、図３は電機子１０の一部の分解斜視図である。電機子１０は、電機子鉄心１３とスロットセル１４とボビン１５と巻線１６とから構成される。これらの構成要素を複数個円環状に連結することで電機子１０は形成される。電機子鉄心１３は、図３に示すように他の電機子鉄心１３との連結部で磁束の通路であるヨーク１２とヨーク１２の中央から突出したティース１１とを備える。電機子１０が形成された際、ティース１１は電機子１０の内側に向けて等ピッチに配置される。ティース１１の両側面に絶縁材で形成されたスロットセル１４を当てた後、ティース１１の上面と下面から絶縁材で形成されたボビン１５を挿入してスロットセル１４は固定される。この絶縁組立後に、スロットセル１４とボビン１５を介してティース１１に巻線１６の巻回が行われる。図４は巻線の巻回を説明する図で、図４（ａ）は巻回中、図４（ｂ）は巻回終了後である。図４（ａ）に示すように、巻き線機７０のノズル７１から供給される導体線をスロットセル１４とボビン１５に巻き線機７０を矢印Ｐ方向に巻回することで、巻線１６は形成される。スロットセル１４はポリフェニレンサルファイド樹脂またはメタ系アラミド繊維のシートで、電機子鉄心１３と巻線１６を電気的に隔離する。スロットセル１４は、ティース１１の側面に両面テープによって貼り付けてもよい。導体線である巻線１６は、銅線もしくはアルミ線で構成される。

本願の要部である電機子鉄心１３について説明する。図５は電機子鉄心１３の概略構成を示す斜視図、図６は電機子鉄心１３を構成する鋼板３０の平面図、図７は図６の一点鎖線Ａ−Ａにおける断面図、図８は電機子鉄心１３の断面図、図９は電機子鉄心１３の台形カシメ近傍（図８右破線囲み部１７）を拡大した断面図、図１０は電機子鉄心１３の半抜きカシメ近傍（図８左破線囲み部１８）を拡大した断面図である。図５に示すように、電機子鉄心１３は積層された複数の鋼板３０（図５において鋼板３０は一部のみ図示）がカシメにより結合されて構成される。ティース１１は巻線１６の土台となる部位である。ヨーク１２の側面は、他の電機子鉄心１３との連結面１２ａとなる。例えばレーザ接合または接着により電機子鉄心１３同士の連結が連結面１２ａにおいて行われるが、連結の方法はこれらに限るものではない。複数の鋼板３０が積層され、半抜きカシメ３１と台形カシメ３２とで回転電機１の回転軸４１（図１参照）の方向に連結される。平面視で小判形状の半抜きカシメ３１は、ティース１１のセンターライン（図６の一点鎖線）上でティース１１内に形成される。なお、半抜きカシメ３１はティース１１のセンターライン上に配置することが好ましい。このように配置することにより、打ち抜きによる鋼板３０の作製において、半抜きカシメ３１の形成後に鋼板３０を打ち抜く際の抜き荷重のバランスを取ることができる。全抜きカシメである台形カシメ３２は、半抜きカシメ３１よりもヨーク１２側のヨーク１２内に形成される。

台形カシメ３２は、図７に示すように断面において斜辺部３３を有する台形形状に打ち抜かれている。半抜きカシメ３１における鋼板３０の積層面３４からの飛出し量Ｘは、鋼板３０の板厚ｔよりも小さく構成される。台形カシメ３２における鋼板３０の積層面からの飛出し量Ｙは、半抜きカシメの飛出し量Ｘよりも大きく、かつ鋼板３０の板厚ｔよりも大きく構成される。図８に示すように、斜辺部３３も含めて個々の台形カシメ３２が重なるように各鋼板３０は積層される。最下層となる鋼板３０ａには半抜きカシメ３１および台形カシメ３２は配置されずに、空孔３５が設けられる。半抜きカシメ３１および台形カシメ３２が電機子鉄心１３の底面から顕著に突出することを防ぐためである。

台形カシメ３２を配置して積層したヨーク１２の積層間には、積層面の面内方向のズレ、斜辺部３３の幾何学的な干渉、斜辺部３３のスプリングバックといった要因により、積層隙間が発生し得る（図９、ただし積層隙間は不図示）。半抜きカシメ３１は鋼板３０の板厚ｔよりも飛出し量Ｘが小さいため、半抜きカシメ３１を配置して積層したティース１１の積層間には、上述した要因はなく、上述した要因に起因した積層隙間は発生しない（図１０）。また、半抜きカシメ３１は台形カシメ３２に起因した積層面の面内方向のズレ、および斜辺部のスプリングバックを抑制する効果を有するため、半抜きカシメ３１を設けることで電機子鉄心１３の製造時に鋼板３０を精度よく積層することができる。巻線を巻回するティース１１に半抜きカシメ３１を設けたためティース１１の積層隙間は抑制されており、巻回時のテンションによる電機子鉄心１３の形状変形も抑制され、図１で示した電機子１０の円筒度および真円度は改善し、フレーム２１を電機子１０に挿入した時の挿入力のバラつきを低減することができる。電機子鉄心１３としての積層間の隙間が抑制されることになり、鉄心の占積率が向上して鉄心密度は向上し、流すことができる磁束の量が増加し、回転電機１の出力の向上につながる。

以上のように、この回転電機１の電機子１０では、ティース１１のセンターライン上に配置され鋼板３０の積層面からの飛出し量が鋼板３０の板厚よりも小さく構成された半抜きカシメ３１と、半抜きカシメ３１よりもヨーク１２側に配置され、鋼板３０の積層面からの飛出し量が半抜きカシメ３１の飛出し量よりも大きく構成された台形カシメ３２とで結合された電機子鉄心１３を備えているため、積層隙間を抑制して回転電機１の出力を向上させることができる。また、半抜きカシメ３１と台形カシメ３２を同じ電機子鉄心１３内に形成したので、マテリアルハンドリング中の鋼板３０の積層割れが抑制され、電機子鉄心１３の生産性を向上することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る回転電機１の電機子１０について説明する。図１１は電機子鉄心１３を構成する鋼板３０の平面図である。実施の形態１では半抜きカシメ３１はティース１１のセンターライン上でティース１１内に配置されていたが、実施の形態２では半抜きカシメ３１はティース１１とヨーク１２の境界部３６のヨーク１２側に配置されるものである。なお、他の構成については、実施の形態１の記載と同様であるため同一の符号を付して説明を省略する。

図１１に示すように、平面視で丸形状の半抜きカシメ３１はティース１１のセンターライン（図１１の一点鎖線）上でティース１１とヨーク１２の境界部３６（図１１の破線部）のヨーク１２側に配置される。２個の台形カシメ３２は、境界部３６から離れたヨーク１２内のセンターラインに対して線対称の位置に配置される。ティース１１内に半抜きカシメ３１が設けられていないため、ティース１１の積層隙間はさらに抑制されており、巻回時のテンションによる電機子鉄心１３の形状変形もさらに抑制される。

図１２は電機子鉄心１３についての磁界解析の結果を示した図で、永久磁石４３に起因した磁束線８０がティース１１とヨーク１２を通過する様子を示したものである。図ではティース１１を磁束線８０が１０本通過している。図に示すように、ヨーク１２はティース１１と比べて磁束線８０の間隔は疎であり、磁束密度が比較的低下した領域である。半抜きカシメ３１を磁束線８０の間隔が密であるティース１１ではなく、磁束線８０の間隔が疎である境界部３６のヨーク１２側に配置することで、ティース１１における半抜きカシメ３１の配置による磁路の妨げが抑制される。よって巻線１６が巻回されるティース１１の磁束線８０が乱れることなく効率よく形成されるため、回転電機１の出力向上につながる。

以上のように、この回転電機１の電機子１０では、半抜きカシメ３１はティース１１とヨーク１２の境界部３６のヨーク１２側に配置したため、積層隙間を抑制して回転電機１の出力を向上させることができる。また、巻線１６が巻回されるティース１１における磁束線８０が乱れることなく効率よく形成されるので、回転電機１の出力を向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る回転電機１の電機子１０について説明する。図１３は鋼板３０ｅの上に鋼板３０ｄを積層して構成された鋼板３０ｂの平面図、図１４は電機子１０を構成する円環状に連結された電機子鉄心１３の平面図、図１５は電機子１０を構成する電機子鉄心１３を展開した平面図である。実施の形態２ではヒンジ部３７を設けることなく電機子鉄心１３は他の電機子鉄心１３と連結されていたが、実施の形態３ではヨーク１２の端部に隣接した他の電機子鉄心１３と連結されるヒンジ部３７を備え、ヒンジ部３７の内側に台形カシメ３２は形成されるものである。なお、他の構成については、実施の形態２の記載と同様であるため同一の符号を付して説明を省略する。

図１３に示すように、後述するヒンジ部３７を構成する空孔３７ａと凸部３７ｂはヨーク１２の端部に設けられる。空孔３７ａは上側の鋼板３０ｄに、凸部３７ｂは下側の鋼板３０ｅに形成される。半抜きカシメ３１と台形カシメ３２の鋼板３０内の配置は図１１に示した配置と同様であり、台形カシメ３２はヒンジ部３７の内側にそれぞれ形成される。隣接する電機子鉄心１３はヒンジ部３７を中心軸として展開可能に連結され、図１４に示すように、１２個の電機子鉄心１３を円環状に連結して電機子１０が構成される。図１５に示すように、展開した電機子鉄心１３は等間隔に離間して並べられ、この状態で導体線の巻回が実施される。連結を保ったままでも広いスペースを確保して導体線が巻回できるため、占積率を向上させることができる。

ヒンジ部３７の詳細について説明する。図１６は図１４に示したヒンジ部３７の近傍を拡大した平面図、図１７は図１６の一点鎖線Ｂ−Ｂにおける断面図である。図１７に示すように、隣接して配置される電機子鉄心１３を構成する一方の鋼板３０ｂの空孔３７ａと、他方の鋼板３０ｃの凸部３７ｂとが積層時に嵌合されることでヒンジ部３７が形成される。

ヒンジ部３７の周囲の積層隙間がゼロであった場合、ヒンジ部３７の周囲の摩擦力が大きくなるため、電機子鉄心１３を展開する際には大きな力が必要となる。鋼板３０に配置するカシメを全て半抜きカシメ３１とすると積層隙間が抑制され、鋼板同士が密着するため展開に必要な力が大きくなり、生産性が悪化する。台形カシメ３２をヒンジ部３７の内側にそれぞれ配置したことでヒンジ部３７の周囲に積層隙間が発生するため、電機子鉄心１３の展開に必要な力が下がり、生産性を改善させることができる。

以上のように、この回転電機１の電機子１０では、ヨーク１２の端部に隣接した他の電機子鉄心１３と連結されるヒンジ部３７を備えたため、広いスペースを確保して導体線が巻回でき占積率が向上し、回転電機１の出力を向上させることができる。また、ヒンジ部３７の内側に積層隙間が発生し得る台形カシメ３２を配置したため、ヒンジ部３７の周囲の鋼板同士が密着せず電機子鉄心１３の展開に必要な力が下がるので、生産性を改善させることができる。

本願は、電動機、発電機、圧縮機またはステータ等の回転電機の電機子に関するものであるが、適用先はこれらに限るものではなく、リニアモータ等の電機子を備えた他の機器への適用が可能である。

また本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 回転電機、１０ 電機子、１１ ティース、１２ ヨーク、１２ａ 連結面、１３ 電機子鉄心、１４ スロットセル、１５ ボビン、１６ 巻線、２０ ハウジング、２１ フレーム、２２ 端板、３０ 鋼板、３１ 半抜きカシメ、３２ 台形カシメ、３３ 斜辺部、３４ 積層面、３５ 空孔、３６ 境界部、３７ ヒンジ部、３７ａ 空孔、３７ｂ 凸部、４０ 回転子、４１ 回転軸、４２ 回転子鉄心、４３ 永久磁石、４４ ベアリング、７０ 巻き線機、７１ ノズル、８０ 磁束線

Claims (2)

1. 積層された複数の鋼板がカシメにより結合されてなる電機子鉄心が複数円環状に連結された電機子であって、
   前記電機子鉄心はヨークと、前記ヨークの中央から突出したティースと、を有し、
   前記カシメは、半抜きカシメと全抜きカシメであり、
   前記半抜きカシメは、前記ティースのセンターライン上であって、前記ティースと前記ヨークの境界部の前記ヨーク側に形成され、前記鋼板の積層面からの飛出し量が前記鋼板の板厚よりも小さく構成されており、
   前記全抜きカシメは、前記境界部から離れた前記ヨーク内に形成され、前記鋼板の積層面からの飛出し量が前記半抜きカシメの飛出し量よりも大きく構成されていることを特徴とする回転電機の電機子。
2. 前記電機子鉄心は、前記ヨークの両端部に、隣接した他の電機子鉄心を連結するヒンジ部を備え、
   前記全抜きカシメは前記ヒンジ部よりも中央寄りに形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機の電機子。

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