JP7111182B2 - 積層コアおよび回転電機 - Google Patents
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Description
本願は、2018年12月17日に、日本に出願された特願2018-235862号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)本発明の第一の態様は、厚さ方向に積層された複数の電磁鋼板を備える積層コアであって、前記電磁鋼板は、環状のコアバック部と、前記コアバック部から径方向に向けて突出するとともに、前記コアバック部の周方向に間隔をあけて配置された複数のティース部と、を備え、前記コアバック部における前記ティース部に対応する部分にカシメ部が設けられ、前記ティース部に接着部が設けられる積層コアである。
一般的に、コアバック部におけるティース部に対応しない領域(隣り合うティース部間の領域)は、磁束の通り道である。この構成によれば、コアバック部におけるティース部に対応する部分にカシメ部を設けることで、この磁束の通り道にカシメ部を設けた場合よりも、磁気回路を阻害し難くなる。すなわち、コアバック部におけるティース部に対応する部分では、ティース部において発生した磁束(磁気回路)が、周方向に沿って両側に向けて分岐する。そのため、この部分に設けられたカシメ部は、磁気回路に影響を与え難い。結果的に、ステータコア内に発生する鉄損を低減でき、積層コアの磁気特性を向上させることができる。
一般的に、接着剤は硬化時に収縮する。そのため、電磁鋼板に接着剤が設けられると、接着剤の硬化に伴い、電磁鋼板に圧縮応力が付与される。圧縮応力が付与されると、電磁鋼板に歪が生じる。
この構成によれば、接着部は第1のティース部には設けられるが、第2のティース部には設けられない。このため、接着剤の硬化による歪は、第2のティース部には生じない。従って、積層コア全体に生じる歪をより小さくすることができる。
一方で、接着部が設けられない第2のティース部では、前記圧縮応力が生じない。ただし、第2のティース部では浮き上がりが発生するため、巻き線による応力が加えられる。
この構成によれば、ティース部は第1のティース部および第2のティース部を有する。このため、前記圧縮応力および前記巻き線による応力を、バランスを取りながら抑えることができる。従って、磁気特性をさらに向上させた、高性能な積層コアを提供することができる。
この構成によれば、圧縮応力が付与されるが巻き線による応力が抑えられる第1のティース部と、圧縮応力が生じないが巻き線による応力が加えられる第2のティース部と、を交互に配置する。従って、両応力をバランス良く抑えることができる。
一般的に、電磁鋼板にカシメ部を設けると、電磁鋼板が変形するため、電磁鋼板に歪が生じる。
仮に、全てのティース部に対応するコアバック部にカシメ部を設けると、積層コア内に発生する鉄損の増大が懸念される。このため、一部のティース部である第1のティース部に対応するコアバック部のみに、カシメ部を設ける。これにより、積層コア全体に生じる歪をより小さくすることができる。
仮に、全てのティース部に対応するコアバック部にカシメ部を設けると、積層コア内に発生する鉄損の増大が懸念される。このため、一部のティース部である第2のティース部に対応するコアバック部のみに、カシメ部を設ける。これにより、積層コア全体に生じる歪をより小さくすることができる。
この構成によれば、回転電機の磁気特性を向上させることができる。
本実施形態では、回転電機10として、ロータ30がステータ20の内側に位置するインナーロータ型の回転電機が用いられている。しかしながら、回転電機10として、ロータ30がステータ20の外側に位置するアウターロータ型の回転電機が用いられてもよい。また、本実施形態では、回転電機10が、12極18スロットの三相交流モータである。しかしながら、例えば、極数やスロット数、相数などは適宜変更することができる。
ステータコア21は、環状のコアバック部22と、複数のティース部23と、を備える。コアバック部22は、コアバック部の外周縁22aと、コアバック部の内周縁22b(図2に示す破線)とで囲まれた領域のことである。以下では、ステータコア21(コアバック部22)の軸方向(ステータコア21の中心軸線O方向)を、軸方向という。ステータコア21(コアバック部22)の径方向(ステータコア21の中心軸線Oに直交する方向)を、径方向という。ステータコア21(コアバック部22)の周方向(ステータコア21の中心軸線O周りに周回する方向)を、周方向という。
例えば、ティース部23は、平面視において矩形状である。複数のティース部23は、コアバック部22から径方向に向けて(径方向に沿ってコアバック部22の中心軸線Oに向けて)突出する。複数のティース部23は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角20度おきに18個のティース部23が設けられている。複数のティース部23は、互いに同等の形状で、かつ同等の大きさに形成されている。
前記巻線は、ティース部23に巻き回されている。前記巻線は、集中巻きされていてもよく、分布巻きされていてもよい。
ロータコア31は、ステータ20と同軸に配置される環状(円環状)に形成されている。ロータコア31内には、前記回転軸60が配置されている。回転軸60は、ロータコア31に固定されている。
複数の永久磁石32は、ロータコア31に固定されている。本実施形態では、2つ1組の永久磁石32が1つの磁極を形成している。複数組の永久磁石32は、周方向に同等の間隔をあけて配置されている。本実施形態では、中心軸線Oを中心とする中心角30度おきに、12組(全体では24個)の永久磁石32が設けられている。
ロータコア31には、ロータコア31を軸方向に貫通する複数の貫通孔33が形成されている。複数の貫通孔33は、複数の永久磁石32に対応して設けられている。各永久磁石32は、対応する貫通孔33内に配置された状態でロータコア31に固定されている。例えば、永久磁石32の外面と貫通孔33の内面とを接着剤により接着すること等により、各永久磁石32がロータコア31に固定されている。なお、永久磁石界磁型電動機として、埋込磁石型モータに代えて表面磁石型モータが用いられてもよい。
なお、ステータコア21およびロータコア31それぞれの積厚は、例えば、50.0mmとされる。ステータコア21の外径は、例えば、250.0mmとされる。ステータコア21の内径は、例えば、165.0mmとされる。ロータコア31の外径は、例えば、163.0mmとされる。ロータコア31の内径は、例えば、30.0mmとされる。ただし、これらの値は一例であり、ステータコア21の積厚、外径や内径、およびロータコア31の積厚、外径や内径は、これらの値に限られない。ここで、ステータコア21の内径は、ステータコア21におけるティース部23の先端部を基準としている。ステータコア21の内径は、全てのティース部23の先端部に内接する仮想円の直径である。
しかしながら、電磁鋼板40として、無方向性電磁鋼板に代えて方向性電磁鋼板を採用することも可能である。方向性電磁鋼板には、JIS C 2553:2012の方向性電鋼帯を採用することができる。
一方で絶縁被膜が厚くなるに連れて絶縁効果が飽和する。また、絶縁被膜が厚くなるに連れて占積率が低下し、積層コアとしての性能が低下する。したがって、絶縁被膜は、絶縁性能が確保できる範囲で薄い方がよい。絶縁被膜の厚さ(電磁鋼板40片面あたりの厚さ)は、好ましくは0.1μm以上5μm以下、より好ましくは0.1μm以上2μm以下である。
一方で電磁鋼板40が厚すぎると、電磁鋼板40のプレス打ち抜き作業が困難になる。
そのため、電磁鋼板40のプレス打ち抜き作業を考慮すると、電磁鋼板40の厚さは0.65mm以下とすることが好ましい。
また、電磁鋼板40が厚くなると鉄損が増大する。そのため、電磁鋼板40の鉄損特性を考慮すると、電磁鋼板40の厚さは0.35mm以下とすることが好ましい。電磁鋼板40の厚さは、より好ましくは、0.20mmまたは0.25mmである。
上記の点を考慮し、各電磁鋼板40の厚さは、例えば、0.10mm以上0.65mm以下である。各電磁鋼板40の厚さは、好ましくは、0.10mm以上0.35mm以下、より好ましくは0.20mmや0.25mmである。なお、電磁鋼板40の厚さには、絶縁被膜の厚さも含まれる。
図4に示すように、ステータコア21を形成する複数の電磁鋼板40同士は、電磁鋼板40の表面(第1面)40aに設けられた接着部41およびカシメ部25によって固定されている。
例えば、カシメ部25は、図示はしないが、電磁鋼板40に形成された凸部(ダボ)および凹部により構成される。凸部は、電磁鋼板40から積層方向に突出している。凹部は、電磁鋼板40において凸部の裏側に位置する部分に配置されている。凹部は、電磁鋼板40の表面に対して積層方向に窪んでいる。凸部および凹部は、例えば電磁鋼板40をプレス加工することにより形成される。
積層方向に重なる一対の電磁鋼板40のうち、一方の電磁鋼板40のカシメ部25の凸部が、他方の電磁鋼板40のカシメ部25の凹部に嵌め合う。
カシメ部25は、コアバック部22の外周縁の近傍に配置されていることが好ましい。ここで言うコアバック部22の外周縁の近傍とは、コアバック部22の径方向外側の端から、コアバック部22の径方向の長さの30%の範囲のことを意味する。
さらに、図6に示すように、第1のティース部23Aに対応するコアバック部(コアバック部22における、第1のティース部23Aの径方向外側に位置する部分。以下、「第1のコアバック部」という。)24Aにカシメ部25が設けられていてもよい。この場合、第1のコアバック部24Aに、1つのカシメ部25の全体が設けられてもよい。一般的に、コアバック部におけるティース部に対応しない領域は、磁束の通り道である。磁束の通り道ではない第1のコアバック部24Aに1つのカシメ部25の全体を設けることで、カシメ部25が磁気回路をより阻害し難くすることができる。
また、第1のコアバック部24Aにおける外周縁や、第1のコアバック部24Aにおける周方向の中心に、カシメ部25が設けられてもよい。
さらに、図7に示すように、第2のティース部23Bに対応するコアバック部(以下、「第2のコアバック部」という。)24Bにカシメ部25が設けられていてもよい。この場合、第2のコアバック部24Bに、1つのカシメ部25の全体が設けられてもよい。磁束の通り道ではない第2のコアバック部24Bに1つのカシメ部25の全体を設けることで、カシメ部25が磁気回路をより阻害し難くすることができる。
また、第2のコアバック部24Bにおける外周縁や、第2のコアバック部24Bにおける周方向の中心に、カシメ部25が設けられてもよい。
接着部41は、積層方向に隣り合う電磁鋼板40同士の間に設けられ、分断されることなく硬化した接着剤である。接着剤には、例えば、重合結合による熱硬化型の接着剤などが用いられる。
接着剤の組成物としては、(1)アクリル系樹脂、(2)エポキシ系樹脂、(3)アクリル系樹脂およびエポキシ系樹脂を含んだ組成物などが適用可能である。
常温硬化型の接着剤としては、アクリル系接着剤が好ましい。代表的なアクリル系接着剤には、SGA(第二世代アクリル系接着剤。Second Generation Acrylic Adhesive)などがある。本発明の効果を損なわない範囲で、嫌気性接着剤、瞬間接着剤、エラストマー含有アクリル系接着剤がいずれも使用可能である。
なお、ここで言う接着剤は硬化前の状態を言う。接着剤は硬化すると、接着部41となる。
より具体的には、まず、測定用のサンプル(不図示)を製作する。このサンプルは、2枚の電磁鋼板40間を、測定対象の接着剤により接着し、硬化させて接着部41を形成することにより、得られる。この硬化は、接着剤が熱硬化型の場合には、実操業上の加熱加圧条件で加熱加圧することで行う。一方、接着剤が常温硬化型の場合には常温下で加圧することで行う。
そして、このサンプルについての引張弾性率を、共振法で測定する。共振法による引張弾性率の測定方法は、上述した通り、JIS R 1602:1995に準拠して行う。その後、サンプルの引張弾性率(測定値)から、電磁鋼板40自体の影響分を計算により除くことで、接着部41単体の引張弾性率が求められる。
このようにしてサンプルから求められた引張弾性率は、積層コアであるステータコア21全体としての平均値に等しくなる。このため、この数値をもって平均引張弾性率Eとみなす。平均引張弾性率Eは、その積層方向に沿った積層位置やステータコア21の中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらないよう、組成が設定されている。そのため、平均引張弾性率Eは、ステータコア21の上端位置にある、硬化後の接着部41を測定した数値をもってその値とすることもできる。
一方で、接着部41の厚さが100μmを超えると接着力が飽和する。また、接着部41が厚くなるに連れて占積率が低下し、積層コアの鉄損などの磁気特性が低下する。
したがって、接着部41の厚さは1μm以上100μm以下である。接着部41の厚さは、さらに好ましくは1μm以上10μm以下である。
なお、上記において接着部41の厚さは、接着部41の平均厚みを意味する。
接着部41の平均厚みは、ステータコア21全体としての平均値である。接着部41の平均厚みは、その積層方向に沿った積層位置やステータコア21の中心軸線回りの周方向位置で殆ど変わらない。そのため、接着部41の平均厚みは、ステータコア21の上端位置において、円周方向10箇所以上で測定した数値の平均値をもってその値とすることができる。
なお、ステータコア21やロータコア31などの積層コアは、いわゆる回し積みにより形成されていてもよい。
一般的に、コアバック部におけるティース部に対応しない領域(隣り合うティース部間の領域)は、磁束の通り道である。従って、本実施形態のステータコア21のようにコアバック部22におけるティース部23に対応する部分にカシメ部を25設けることで、この磁束の通り道にカシメ部25を設けた場合よりも、磁気回路を阻害し難くなる。すなわち、コアバック部22におけるティース部23に対応する部分では、ティース部23において発生した磁束(磁気回路)が、周方向に沿って両側に向けて分岐する。そのため、この部分に設けられたカシメ部25は、磁気回路に影響を与え難い。結果的に、ステータコア21内に発生する鉄損を低減でき、ステータコア21の磁気特性を向上させることができる。
本実施形態に係るステータコア21(積層コア)において、電磁鋼板40のティース部23は、接着部41が設けられる第1のティース部23Aと、接着部41が設けられない第2のティース部23Bと、を有する。このため、接着剤の硬化による歪は、第2のティース部23Bには生じない。これにより、積層方向に見た平面視における固定部の面積が少なくなる。従って、ステータコア21全体に生じる歪をより小さくすることができる。
一方で、接着部41が設けられない第2のティース部23Bでは、前記圧縮応力が生じない。ただし、第2のティース部23Bでは浮き上がりが発生するため、巻き線による応力が加えられる。
この構成によれば、ティース部23は第1のティース部23Aおよび第2のティース部23Bを有する。このため、前記圧縮応力および前記巻き線による応力を、バランスを取りながら抑えることができる。従って、磁気特性をさらに向上させた、高性能なステータコア21を提供することができる。
この構成によれば、圧縮応力が付与されるが巻き線による応力が抑えられる第1のティース部23Aと、圧縮応力が生じないが巻き線による応力が加えられる第2のティース部23Bと、を交互に配置する。従って、両応力をバランス良く抑えることができる。
仮に、全てのティース部23に対応するコアバック部22にカシメ部25を設けると、ステータコア21内に発生する鉄損の増大が懸念される。このため、一部のティース部23である第1のティース部23Aに対応する第1のコアバック部24Aのみに、カシメ部25を設ける。従って、固定部の面積が少なくなる。これにより、ステータコア21全体に生じる歪をより小さくすることができる。
仮に、全てのティース部23に対応するコアバック部22にカシメ部25を設けると、ステータコア21内に発生する鉄損の増大が懸念される。このため、一部のティース部23である第2のティース部23Bに対応する第2のコアバック部24Bのみに、カシメ部25を設ける。従って、固定部の面積が少なくなる。これにより、ステータコア21全体に生じる歪をより小さくすることができる。
前記実施形態では、同期電動機として、永久磁石界磁型電動機を一例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機がリラクタンス型電動機や電磁石界磁型電動機(巻線界磁型電動機)であってもよい。
前記実施形態では、交流電動機として、同期電動機を一例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が誘導電動機であってもよい。
前記実施形態では、電動機として、交流電動機を一例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が直流電動機であってもよい。
前記実施形態では、回転電機として、電動機を一例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限られない。例えば、回転電機が発電機であってもよい。
図4に示すように、電磁鋼板40のコアバック部22におけるティース部23に対応する部分24にカシメ部25を設けた。さらに、ティース部23の表面23aに接着部41を設けた。カシメ部25および接着部41を設けた複数の電磁鋼板40を積層し、積層コアを構成した。
板厚0.20mmの電磁鋼板40と板厚0.25mmの電磁鋼板40を用いて、電磁鋼板40の板厚が異なる2種類の積層コアを構成した。
図5に示すように、電磁鋼板40のコアバック部22におけるティース部23に対応する部分24において、周方向にティース部23の1つおきにカシメ部25を設けた。この点以外は、実施例1と同様にして、電磁鋼板40の板厚が異なる2種類の積層コアを構成した。
図6に示すように、電磁鋼板40のティース部23を、接着部41が設けられる第1のティース部23Aと、接着部41が設けられない第2のティース部23Bと、を有するものとした。また、第1のティース部23Aと第2のティース部23Bとを周方向に交互に配置した。さらに、第1のティース部23Aに対応する第1のコアバック部24Aにカシメ部25を設けた。
その他の点は、実施例1と同様にして、電磁鋼板40の板厚が異なる2種類の積層コアを構成した。
図7に示すように、電磁鋼板40のティース部23を、接着部41が設けられる第1のティース部23Aと、接着部41が設けられない第2のティース部23Bと、を有するものとした。また、第1のティース部23Aと第2のティース部23Bとを周方向に交互に配置した。さらに、第2のティース部23Bに対応する第2のコアバック部24Bにカシメ部25を設けた。
その他の点は、実施例1と同様にして、電磁鋼板40の板厚が異なる2種類の積層コアを構成した。
図8に示すように、電磁鋼板40のコアバック部22におけるティース部23に対応しない部分26に、カシメ部25を設けた。ティース部23の表面23aに、接着部41を設けた。これらの点以外は、実施例1と同様にして、電磁鋼板40の板厚が異なる2種類の積層コアを構成した。なお、コアバック部22におけるティース部23に対応しない部分26とは、コアバック部22における、ティース部23の径方向外側でない部分のことである。
実施例1~実施例4および比較例で作製した積層コアについて、巻線の各相に実効値10A、周波数100Hzの励磁電流を印加した。そして、ロータの回転数を1000rpmに設定した条件で、鉄損を評価した。
鉄損の評価は、ソフトウェアを用いたシミュレーションにより実施した。ソフトウェアとしては、JSOL株式会社製の有限要素法電磁場解析ソフトJMAGを利用した。
比較例の積層コアの鉄損を1として、実施例1~実施例4の積層コアの鉄損の相対値を図9に示す。
図9の結果から、電磁鋼板40の板厚によらず、実施例1~実施例4の積層コアは、比較例の積層コアよりも鉄損が低いことが分かった。
従って、実施例1~実施例4の積層コアは、コアバック部におけるティース部に対応する部分にカシメ部を設けることにより、カシメ部が磁気回路に影響を与え難くなることが分かった。そして、積層コア内に発生する損失を低減でき、積層コアの磁気特性を向上させることができることが分かった。
20 ステータ
21 ステータコア(積層コア)
22 コアバック部
23 ティース部
23A 第1のティース部
23B 第2のティース部
25 カシメ部
30 ロータ
31 ロータコア(積層コア)
32 永久磁石
33 貫通孔
40 電磁鋼板
41 接着部
50 ケース
60 回転軸
Claims (9)
- 厚さ方向に積層された複数の電磁鋼板を備える積層コアであって、前記電磁鋼板は、環状のコアバック部と、前記コアバック部から径方向に向けて突出するとともに、前記コアバック部の周方向に間隔をあけて配置された複数のティース部と、を備え、
前記コアバック部における前記ティース部に対応する部分にカシメ部が設けられ、
前記ティース部に接着部が設けられ、
前記ティース部は、前記接着部が設けられる第1のティース部と、前記接着部が設けられない第2のティース部と、を有する、積層コア。 - (削除)
- 前記第1のティース部と前記第2のティース部とが周方向に交互に配置される、請求項1に記載の積層コア。
- 前記第1のティース部に対応する前記コアバック部に前記カシメ部が設けられる、請求項3に記載の積層コア。
- 前記第2のティース部に対応する前記コアバック部に前記カシメ部が設けられる、請求項3に記載の積層コア。
- 前記接着部の平均厚みが1.0μm~3.0μmである請求項1、及び3から5のいずれか1項に記載の積層コア。
- 前記接着部の平均引張弾性率Eが1500MPa~4500MPaである請求項1、及び3から6のいずれか1項に記載の積層コア。
- 前記接着部が、エラストマー含有アクリル系接着剤からなるSGAを含む常温接着タイプのアクリル系接着剤である請求項1、及び3から7のいずれか1項に記載の積層コア。
- 請求項1、及び3から8のいずれか1項に記載の積層コアを備える、回転電機。
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