JP6857318B1 - 回転電機用の固定子および回転電機、ならびに回転電機用の固定子の製造方法および回転電機の製造方法 - Google Patents

Abstract

電磁鋼板の積層体である第１の鉄心部に、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部を配した固定子を有し、特性と信頼性に優れた回転電機および回転電機用の固定子、ならびに回転電機用の固定子の製造方法および回転電機の製造方法を提供する。回転電機用の固定子であって、前記固定子は、電磁鋼板の積層体である環状 の第１の鉄心部と、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部とを有し、前記環状の第１の鉄心部は、内周側に向かい突出してコイルが巻き回されている複数のティース部と、外周面から前記ティース部内毎に形成されている第１の溝部とを有し、前記第２の鉄心部は、前記第１の溝部に配置されていることを特徴とする回転電機用の固定子である。

Description

本発明は、回転軸の周りに回転する回転子と、その回転子周りに配された円管形状の固定子とを有する回転電機および回転電機用の固定子、ならびに回転電機用の固定子の製造方法および回転電機の製造方法に関する。

近年、モータや発電機などの回転電機は、小型化と高効率化が求められ、コイルが巻き回される固定子の材料には、従来の電磁鋼板に代え、鉄損の小さい軟磁性材料、例えば、アモルファス軟磁性金属やナノ結晶軟磁性金属が用いられることがある。

上記材料が固定子に用いられた回転電機としては、コイルが巻き回される固定子部分（ティース部分）をアモルファス軟磁性金属にした回転電機（例えば、特許文献１）、電磁鋼板で作製した固定子の挿入孔内にアモルファス軟磁性金属を配した回転電機（例えば、特許文献２）などが知られている。

特開２０１９−６８５６７号公報 ＷＯ２０１７／２０８２９０号公報

固定子を、薄板の積層体にする場合、アモルファス軟磁性金属やナノ結晶軟磁性金属の板厚は、例えば、０．０１５〜０．０３０ｍｍ程度と、一般的な電磁鋼板の０．５ｍｍ、０．３５ｍｍより薄く、ビッカース硬度が９００程度と、電磁鋼板の５倍以上硬く、形成した固定子は靭性が低く、欠けや割れが発生することがある。

そのため、特許文献１の回転電機では、積層体の固定子が回転子側に露出しているため、積層体に欠けや割れが発生し、固定子の一部が回転子に接触してしまう可能性がある。すなわち、回転電機の破壊等の観点から、信頼性の低い回転電機になる可能性がある。また、アモルファス軟磁性金属やナノ結晶軟磁性金属は、透磁率は高いものの飽和磁束密度が低いため、アモルファス軟磁性金属やナノ結晶軟磁性金属だけで固定子を構成すると、固定子内部の磁束量が飽和し、回転電機の特性が悪くなる可能性がある。

また、特許文献２の回転電機では、電磁鋼板の積層体で構成した第１の鉄心部の挿入孔に、アモルファス軟磁性金属の積層体を配している。すなわち、欠けや割れが発生しやすい第２の鉄心部の周りに、欠けや割れが発生しにくい第１の鉄心部を配している。このようにすることで、特許文献１の磁気飽和の問題は抑制できるが、矩形の挿入孔に矩形の第２の鉄心部を挿入するには、矩形の各辺にクリアランスが必要になり、これらクリアランスが、磁気回路におけるギャップとなって、回転電機の最大トルクが大きく低下してしまう可能性がある。

そこで本発明では、電磁鋼板の積層体である第１の鉄心部に、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部を配した固定子を有し、特性と信頼性に優れた回転電機および回転電機用の固定子、ならびに回転電機用の固定子の製造方法および回転電機の製造方法を提供する。

本発明は、回転電機用の固定子であって、前記固定子は、電磁鋼板の積層体である環状 の第１の鉄心部と、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部とを有し、前記環状の第１の鉄心部は、内周側に向かい突出してコイルが巻き回された複数のティース部と、前記複数のティース部毎に外周面から前記ティース部内に形成された第１の溝部とを有し、前記第２の鉄心部は、前記第１の溝部に配置されていることを特徴とする回転電機用の固定子である。

また、前記第1の溝部は、前記第１の鉄心部の外側面側から前記ティース部内先端に向かって、等幅または徐々に幅が狭くなる形状であることが好ましい。

また、前記第１の溝部の底部の幅が、前記ティース部の最薄部の幅に対して２０％以上であることが好ましい。

また、前記第１の溝部は、前記第１の鉄心部の積層方向の両端側で閉塞されていることが好ましい。

また、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第３の鉄心部を有し、前記第１の鉄心部は、前記第１の鉄心部の積層方向に垂直な断面視において、スロット部外周側に形成されている複数の第２の溝部を有し、前記第３の鉄心部は、前記第２の溝部に配置されていることが好ましい。

本発明の回転電機は、回転軸の周りに回転する回転子と、前記回転子の周りに配された、前記固定子と、を有していることを特徴とする。

また、本発明の固定子の製造方法は、前記固定子の製造方法であって、前記固定子を形成する際、前記第２の鉄心部を、前記第１の鉄心部の外周面側から前記第１の溝部に挿入することを特徴とする。

前記固定子の製造方法において、前記第２の鉄心部を一対にして、中心軸を挟む一対の前記第１の溝部に挿入することが好ましい。

本発明の回転電機の製造方法は、前記固定子と、回転子とを組み合わせて、回転電機を製造することを特徴とする。

本発明によれば、電磁鋼板の積層体である第１の鉄心部に、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部を配した固定子を有し、特性と信頼性に優れた回転電機および回転電機用の固定子、ならびに回転電機用の固定子の製造方法および回転電機の製造方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態である回転電機１００の回転軸に垂直な断面模式図である。 本発明の第１実施形態である回転電機１００の第１の鉄心部の積層体の両端に用いることが可能な薄板形状である。 図１のティース部先端の部分拡大図である。 本発明の第２実施形態である回転電機２００の回転軸に垂直な断面模式図である。 本発明の第３実施形態である回転電機３００の回転軸に垂直な断面模式図である。 本発明の第４実施形態である回転電機１００の製造方法について説明する図である。 溝部１２０の底部の幅Ｗｂと、ティース部１０６の最薄部幅Ｗａを示す図である。 本発明の実施例と従来例のトルクを比較した結果を示す図である。 本発明の実施例と従来例の損失を比較した結果を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
本実施形態の回転電機１００は、その概形は回転軸を対称軸とする柱状であり、図１の断面図に示すように、回転軸となるシャフト１０１とシャフト１０１の周囲に配置される回転子鉄心１０２を有する円柱状の回転子１と、回転子１の外径側周りに、回転子１に対して、ギャップ１１０を介して対向配置される円環状の固定子２とを有している。また、固定子２は、第１の鉄心部１０３と、第２の鉄心部１２１とを有している。

第１の鉄心部１０３には、回転軸（中心軸）を対称軸にして、複数のスロット部１０４、ティース部１０６、溝部１２０が形成されている。各溝部１２０は、回転軸の軸方向、すなわち、第１の鉄心部１０３の積層方向に延設されている。コイル導線を配するためのスロット部１０４は、隣り合うティース部１０６間毎に配置することができる。コイル１０５は、各ティース部１０６の両脇のスロット部１０４を通し、各ティース部１０６を巻き回すようにして配されている。そして、各溝部１２０には、第２の鉄心部１２１が配されている。なお、不図示であるが、固定子２の周りには、フレーム、ベアリング、冷却構造等が配されている。

ここで、第１の鉄心部１０３には、電磁鋼板の薄板から、図１の第１の鉄心部１０３の形状に打抜き加工された、薄板の積層体を用いることができる。

また、第２の鉄心部１２１には、電磁鋼板よりも透磁率の高いアモルファス軟磁性金属やナノ結晶軟磁性金属の薄板から、図１の第２の鉄心部１２１の形状に打抜き加工された、薄板の積層体を用いることができる。すなわち、溶湯金属を急冷して得られる薄帯状のアモルファス軟磁性金属（アモルファス合金）、それに熱処理を施してナノ結晶を晶出させたナノ結晶軟磁性金属（ナノ結晶合金）、より具体的には、Ｆｅ基アモルファス合金（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ系合金等）や、Ｆｅ基ナノ結晶合金（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｃｕ−Ｎｂ系合金等）や、Ｆｅ基ナノ結晶合金（Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ−Ｎｂ−Ｃｕ―Ｎｉ系合金等）の薄板から、図１に示す第２の鉄心部１２１の形状に打抜き加工された、薄板の積層体を用いることができる。なお、これら金属の積層体は、靭性が低く、欠けや割れが発生しやすいことが知られている。すなわち、本実施形態の構成によれば、上述の特性向上と高信頼性の両立を実現することができる。

また、各溝部１２０は、第１の鉄心部１０３の円環の外側面から各ティース部１０６内に形成されている。各溝部１２０の形状は種々のものを採用することができるが、本実施形態では、外側面側からティース部１０６内の先端に向かい、幅が徐々に狭くなる形状に形成されている。そして、溝部１２０に篏合するように第２の鉄心部１２１が配されている。

ここで、本実施形態の回転電機１００は、電磁鋼板の積層体である第１の鉄心部１０３のティース部１０６内に、アモルファス軟磁性金属やナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部１２１が配されている。このようにすることで、第２の鉄心部１２１に起因した固定子２の磁気飽和を抑制することができ、固定子２から回転子１への漏洩磁束量の低下を抑制することができる。すなわち、より特性に優れた、高効率の回転電機１００にすることができる。

また、本実施形態の回転電機１００は、第１の鉄心部１０３の外側面側からティース部１０６内の先端に向かい、徐々に幅が狭くなる形状の溝部１２０にしている。そして、溝部１２０には、溝部１２０とほぼ同形状の第２の鉄心部１２１を配している。このようにすることで、第２の鉄心部１２１を溝部１２０に、第１の鉄心部１０３の外側面側から挿入して篏合することができ、溝部１２０と第２の鉄心部１２１を密着させて、配置することができる。そして、隙間に起因した最大トルクの低下を抑制することができ、より特性に優れた、最大トルクの大きい回転電機１００にすることができる。

さらに、本実施形態の回転電機１００は、欠けや割れが発生しにくい電磁鋼板で形成された第１の鉄心部１０３のティース部１０６内に、欠けや割れが発生しやすいアモルファス軟磁性金属で形成された第２の鉄心部１２１を配している。このようにすることで、固定子２の一部に欠けや割れが発生しても、固定子が回転子１に接触することを抑制でき、より信頼性に優れた回転電機１００にすることができる。

なお、本実施形態の回転電機１００において、コイル１０５は、分布巻、集中巻の、どちらも用いることができる。また、ティース部１０６の本数も、図１のような１２本に限らず、回転子１の極数に合わせて適切な本数にすることができる。さらに、ティース部１０６の形状も、図１のような半閉スロットに限らず、アモルファス軟磁性金属をティースとする従来手法では加工が困難であった楔形状にしたオープンスロット、あるいは、全閉スロットにすることもできる。

さらに、本実施形態の回転電機１００は、第１の鉄心部１０３を、回転軸方向に積層した積層体にしたとき、溝部１２０の、積層方向の両端、すなわち、回転軸方向の両端を、積層体の両端の薄板により閉塞することができる。例えば、積層体の両端を除く薄板を、図１に示す第１の鉄心部１０３形状にし、積層体の両端の薄板を、溝部１２０の形状が無い、図２に示す薄板５０１の形状にすることができる。

このようにすることで、第２の鉄心部１２１を溝部１２０に配する際、積層両端、すなわち、回転軸方向の両端の薄板をガイドにすることができ、第１の鉄心部１０３の外周面側から、第２の鉄心部１２１を挿入しやすくすることができる。
また、第２の鉄心部１２１を溝部１２０に配した後、第２の鉄心部に欠けや割れが生じても、積層方向に飛び出しにくくすることができ、回転子１と固定子２との接触をより抑制することができる。すなわち、より信頼性に優れた回転電機１００にすることができる。
さらに、第２の鉄心部１２１を積層体としたとき、積層両端の薄板により、第２の鉄心部１２１を積層方向から挟み込むことができる。これにより、第２の鉄心部１２１の積層体の積層の開きを抑制することができ、第２の鉄心部１２１の特性劣化を抑制して、より特性に優れた回転電機１００にすることができる。

また、本実施形態の回転電機１００では、図３の部分拡大図に示すように、ティース部１０６の先端部３０、すなわち、溝部１２０とギャップ部１１０に挟まれたティース部１０６の寸法、および、ティース部１０６部の側面部３１、すなわち、溝部１２０とスロット部１０４に挟まれたティース部１０６の寸法を、加工精度と材料強度が許容される範囲で細くするのが好ましい。具体的には、図７に示すように、周方向における、溝部１２０の底部の幅Ｗｂを、ティース部１０６の最薄部幅Ｗａに対して、２０％以上とすることが好ましく、５０％以上であるとさらに好ましい。また、溝部１２０の底部の幅Ｗｂは、ティース部に十分な強度を持たせるために、例えば、第１の鉄心部１０３の板厚の８０％以下にすることができる。
このようにすることで、ティース部１０６の磁気特性を、第２の鉄心部１２１の特性に近づけることができ、具体的には、トルクを同等以上かつ、損失を大幅に低減することが可能となり、より特性に優れた、高効率の回転電機１００にすることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態である回転電機２００について説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態の一部を変更したものであり、図において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付している。

図４の断面図に示すように、本実施形態の回転電機２００は、第１の鉄心部２０３の溝部２２０の形状と第２の鉄心部２２１の形状が、第１実施形態の回転電機１００と異なっている。そして、本実施形態の回転電機２００では、第１の鉄心部２０３の外側面側からティース部２０６内の先端に向かい、等幅な溝部２２０が形成されていて、この溝部２２０に矩形形状の第２の鉄心部２２１が配されている。このようにすることで、第２の鉄心部２２１を簡単な形状にすることができ、より製造の容易な回転電機２００にすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態である回転電機３００について説明する。なお、本実施形態は、第１実施形態の一部を変更したものであり、図において、第１実施形態と同一部分には同一符号を付している。

図５の断面図に示すように、本実施形態の回転電機３００は、第１の鉄心部３０３の形状が、第１実施形態の回転電機１００と異なっている。そして、本実施形態の回転電機３００では、第１の鉄心部３０３の外周面の溝部１２０間、すなわち、スロット部１０４の外周側に、複数の第２の溝部３２０が形成されており、第１の鉄心部の積層方向、すなわち、回転軸の方向に延設されている。各第２の溝部３２０に、第３の鉄心部３２１が配されている。
第３の鉄心部３２１は、第２の鉄心部と同じ、Ｆｅ基アモルファス合金や、Ｆｅ基ナノ結晶合金の積層体にすることできる。このようにすることで、従来は磁束が最短距離を流れるためスロット部１０４近傍に集中していた磁束が、高透磁率の第３の鉄心部３２１を設けることにより第３の鉄心部３２１に多く流れることにより、磁束の集中を軽減できることと、材料の違いにより固定子２の鉄損を小さくすることができ、より特性に優れた回転電機３００にすることができる。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態として、第１実施形態の回転電機１００の製造方法について説明する。
回転電機１００の製造方法は、固定子２を形成する工程と、回転子１を形成する工程と、固定子２と回転子１とを組み合わせる工程と、を有していることを特徴の一つとする。

また、固定子２の形成工程において、図６に示すように、第２の鉄心部１２１を、第１の鉄心部の外周面側から溝部１２０に挿入することが好ましい。
このようにすることで、第１の鉄心部１０３に第２の鉄心部１２１を容易に篏合して配することができ、第１の鉄心部１０３と第２の鉄心部１２１との隙間が小さくなるように、容易に固定子２を組み立てることができる。

また、第２の鉄心部１２１を挿入する際には、図６に示すように、第２の鉄心部１２１を一対にして、回転軸を挟む一対の溝部１２０に挿入することがさらに好ましい。すなわち、中心軸（回転軸）を挟むようにして対置された一対の溝部１２０に、外周側から同時に第２の鉄心部１２１を挿入する。このようにすることで第１の鉄心部１０３の変形を抑制しつつ、第２の鉄心部１２１を容易に篏合して配することができる。

また、第３の鉄心部３２１も第２の鉄心部１２１と同様にして、第１の鉄心部の外周面側から第２の溝部３２０に挿入できる。また、第３の鉄心部３２１を一対にして、回転軸を挟む一対の第２の溝部３２０に挿入することができる。

次に、溝部の幅をパラメータとしたトルクと損失の検討結果について説明する。
溝部の幅Ｗｂをティース最薄部の幅Ｗａで除した比率（％）を横軸に取ったトルクと損失のグラフを図８、図９に示す。従来例として固定子全体をケイ素鋼板（３５Ａ３００相当材）としたものと、実施例として溝部の幅に合わせた第２の鉄心部をアモルファス金属（２６０５ＨＢ１Ｍ（登録商標）：日立金属株式会社製）とした検討結果を示している。従来例のトルクに対し、実施例では、溝部の幅Ｗｂを２０％とすると同程度であったトルクが、溝部の幅Ｗｂを広くすることでトルクが増加する傾向にあり溝部の幅８０％で０．５％のトルク上昇がある。また、従来例の損失に対して、実施例では溝部の幅Ｗｂを広くすることで、損失が低減し溝部の幅Ｗｂが２０％では約８０％、溝部の幅Ｗｂを８０％とすることで損失が４０％となり、溝部の幅Ｗｂを増加することにより大幅な損失低減可能な結果を得た。

以上、本発明の実施形態について、実施形態を用いて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載された技術範囲において、適宜変更することが可能である。

１：回転子
２：固定子
１２０、２２０：溝部
１２１、２２１：第２の鉄心部
３０：先端部
３１：側面部
１００、２００、３００、５０１：回転電機
１０１：シャフト
１０２：回転子鉄心
１０３、２０３、３０３：第１の鉄心部
１０４、２０１：スロット部
１０５：コイル
１０６、２０２：ティース部
１１０：ギャップ
３２０：第２の溝部
３２１：第３の鉄心部

Claims (9)

1. 回転電機用の固定子であって、
   前記固定子は、電磁鋼板の積層体である環状の第１の鉄心部と、アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第２の鉄心部とを有し、
   前記環状の第１の鉄心部は、内周側に向かい突出してコイルが巻き回された複数のティース部と、前記複数のティース部毎に外周面から前記ティース部内に形成された第１の溝部とを有し、
   前記第２の鉄心部は、前記第１の溝部に配置されていることを特徴とする回転電機用の固定子。
2. 前記第１の溝部は、前記第１の鉄心部の外側面側から前記ティース部内先端に向かって、等幅または徐々に幅が狭くなる形状であることを特徴とする請求項１に記載の固定子。
3. 前記第１の溝部の底部の幅が、前記ティース部の最薄部の幅に対して２０％以上である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の固定子。
4. 前記第１の溝部は、前記第１の鉄心部の積層方向の両端側で閉塞されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の固定子。
5. アモルファス軟磁性金属またはナノ結晶軟磁性金属の積層体である第３の鉄心部を有し、
   前記第１の鉄心部は、前記第１の鉄心部の積層方向に垂直な断面視において、スロット部外周側に形成されている複数の第２の溝部を有し、
   前記第３の鉄心部は、前記第２の溝部に配置されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の固定子。
6. 回転軸の周りに回転する回転子と、前記回転子の周りに配された、請求項１〜５のいずれか一項に記載の固定子と、を有していることを特徴とする回転電機。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の固定子の製造方法であって、
   前記固定子を形成する際、前記第２の鉄心部を、前記第１の鉄心部の外周面側から前記第１の溝部に挿入することを特徴とする固定子の製造方法。
8. 前記第２の鉄心部を一対にして、中心軸を挟む一対の前記第１の溝部に挿入することを特徴とする請求項７に記載の固定子の製造方法。
9. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の固定子と、回転子とを組み合わせて、回転電機を製造する回転電機の製造方法。
   
   

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