JPWO2014020756A1 - 回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】フレームに対してステータコアの外径をより大きくすることで、剛性を高めるようにする。【解決手段】回転電機１は、フレーム２２の内周に固定されたステータコア２３と、を備え、フレーム２２は、軸方向に線状に延びると共に内周側に膨らんだ形状の膨出条部３３を内周面に有し、ステータコア２３は、膨出条部３３とはまり合う溝部３４を外周面に有する。フレーム２２は、回転電機１を駆動対象に取り付ける取付用ボルト２８との干渉を回避するための凹部３２を外周に有し、膨出条部３３及び溝部３４は、凹部３４に対応する位置に形成されている。フレーム２２の軸方向端部に取り付けられたブラケット２１、２５と、フレーム２２とブラケット２１、２５とを固定する組立用ボルト２６とを、さらに備え、フレーム２２は、組立用ボルト２６のボルト穴３１を有し、膨出条部２２及び溝部２４は、組立用ボルト穴３１に対応する位置に形成されている。

Description

開示の実施形態は、回転電機に関する。

特許文献１には、筒状のフレームの内面にステータコアを取り付けたＡＣモータが記載されている。このＡＣモータは、ステータコアを有するステータと、フレームの軸方向端部にそれぞれ取り付けた負荷側ブラケット及び反負荷側ブラケットと、負荷側ブラケットと反負荷側ブラケットに軸受を介して回転自在に支持されたロータと、を有する。負荷側ブラケット、反負荷側ブラケット、及びフレームにはネジ穴が形成されており、それらの穴に通したネジにより、フレームが負荷側ブラケットと反負荷側ブラケットで挟持されている。

特開２００３−１５３４８６号公報

一般にモータのフレームは、放熱性を高めるために熱伝導率の高い材質、例えばアルミニウムで構成される。アルミニウムは、ステータコアを構成する鉄よりも剛性が低いことから、モータの剛性を向上するには、フレームに対してステータコアの外径を極力大きくする必要がある。

しかしながら、上記従来技術のモータでは、略四角筒状のフレームの四隅に、上述した通しネジ用のネジ穴と、モータを駆動対象に取り付けるための取付ボルトとの干渉を回避するための凹部が形成されている。このため、ステータコアの外径を大きくすると、コアの外周が上記ネジ穴や凹部に干渉するおそれがある。したがって、ステータコアの外径が制限されてしまい、モータの剛性もその制約を受けるという問題があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、フレームに対してステータコアの外径をより大きくすることで、剛性を高めることが可能な回転電機を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、筒状のフレームと、前記フレームの内周に固定されたステータコアと、を備え、前記フレームは、軸方向に線状に延びると共に内周側に膨らんだ形状の膨出条部を内周面に有し、前記ステータコアは、前記膨出条部とはまり合う溝部を外周面に有する回転電機が提供される。

本発明によれば、フレームに対してステータコアの外径をより大きくすることで、剛性を高めることができる。

本実施形態の回転電機の概略分解図を表す斜視図である。 本実施形態の回転電機の全体構成を表す縦断面図である。 図２中Ａ−Ａ断面に相当する横断面図であり、（ａ）は比較例の従来構成を示す図と、（ｂ）は本実施形態の構成を示す図である。 図３中のＢ部の拡大図である。 図３中のＢ部の拡大図であり、磁束の流れを示す図である。 ４隅の全てに凹部を設けた場合の横断面図である。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

まず、図１乃至図３を用いて、本実施形態に係る回転電機１の構成について説明する。図１の概略分解図に示すように、回転電機１は、反負荷側ブラケット２１と、フレーム２２と、ステータコア２３と、ロータ２４と、負荷側ブラケット２５と、２本の取付ボルト２６とを備えている。略四角筒状のフレーム２２の内部にはその軸方向に沿って円形の嵌入穴２２ａが貫通して形成されており、その嵌入穴２２ａの内部に略円筒状のステータコア２３が焼きばめ又は接着によって固定される。ステータコア２３の内径に、略円筒状のロータ２４が遊嵌される。そして、それら部材を内包したフレーム２２全体の両端を、反負荷側ブラケット２１と負荷側ブラケット２５で挟み込む。反負荷側ブラケット２１と負荷側ブラケット２５のそれぞれの中心には軸穴２１ａ、２５ａが形成されており、ロータ２４の両端の２軸だけがそれら軸穴２１ａ、２５ａを貫通して支持される。

フレーム２２及び２つのブラケット２１、２５には、その軸直交断面で見た対角線上の２隅に組立用ボルト穴３１が軸方向に沿って貫通形成されている。負荷側ブラケット２５とフレーム２２の組立用ボルト穴３１は単純な貫通穴であるが、反負荷側ブラケット２１の組立用ボルト穴３１には内周にタップが形成されている。組立用ボルト２６が負荷側ブラケット２５とフレーム２２の組立用ボルト穴３１に貫通し、負荷側ブラケット２１の組立用ボルト穴３１のタップに締結することにより、回転電機１全体が１つの組立体として固定される。このように構成された本実施形態の回転電機１は、上記２つのブラケット２１、２５と、フレーム２２と、ステータコア２３とが一体となって固定子を構成し、その内部に回転子を構成するロータ２４が回転自在に備えられたインナーロータ型のモータである。

この回転電機１の組立体において、ロータ２４の両端の２軸のうち図中の手前側（負荷側ブラケット２５から突出する側）の軸が、駆動対象の負荷側に連結する方の出力軸となる。また、反対の奥側（反負荷側ブラケット２１から突出する側）の軸が、図示しないエンコーダなどに連結する軸となる。この回転電機１全体は、反負荷側ブラケット２１の端面を駆動対象の機器本体（図示省略）に固定する。そのため、反負荷側ブラケット２１の軸直交断面で見た上記組立用ボルト穴３１以外の２隅に取付用ボルト穴３５が貫通形成されており、それら取付用ボルト穴３５にそれぞれ取付用ボルト２８を貫通させてその先端を上記機器本体に締結させることで、当該回転電機１全体が機器本体に固定される。

また、当該回転電機１が回転子を回転駆動している際には、その反トルクによる固定子の回転を抑える必要がある。そのため、小型モータの場合には、対向する２つの平板などで挟持してその回転を容易に抑えることができるよう、固定子全体はその軸直交断面が正四角形に近い略四角柱で形成される。そして、上述した反負荷側ブラケット２１の組立用ボルト穴３１に対応するフレーム２２の２隅には、取付用ボルト２８との干渉を回避するための凹部３２が当該フレーム２２の軸方向全体に渡って形成されている。

回転電機１の軸方向断面図である図２、及び回転電機１の軸直交断面である図３で当該回転電機１の内部構造を説明する。なお、図３（ａ）は比較例として従来の場合の内部構造を示しており、図３（ｂ）は本実施形態の場合の内部構造を示している。これら図２、図３において、回転子であるロータ２４は、中心軸であるシャフト２４ａと、その軸方向中央位置で外周側面に設けられた略円筒状の永久磁石２４ｂとを有している。反負荷側ブラケット２１（図２中の左側）と負荷側ブラケット２５（図２中の右側）にはそれぞれ軸受け２が設けられており、それらがシャフト２４ａの両端軸を回転自在に支持している。

フレーム２２の内径に嵌入されているステータコア２３は、ロータ２４の外周面に空隙を介して径方向で対向する略円筒状の積層鉄心体５と、この積層鉄心体５の外周側とフレーム２２内周面との間に位置すると共に、積層鉄心５と径方向で分割された略円筒状のヨーク部６と、積層鉄心体５に装着されたボビン７と、ボビン７に巻き回されたコイル線８とを有している。ボビン７は、積層鉄心体５とコイル線８とを電気的に絶縁するために、絶縁性材料で構成されている。積層鉄心体５は、内周側の円筒状の先端部分が連結されており、径方向外方へ放射状に突出した複数の突起状のティース部５ａを備えている。各ティース部５ａは周方向に均等な間隔で設けられており、それぞれコイル線８が巻装されたボビン７が装着されている。各ティース部５ａ間におけるボビン７やコイル線８どうしの隙間には樹脂が注入され、ステータコア２３全体がモールド固定される。

なお、組立用ボルト２６が各請求項記載の固定ボルトに相当し、取付用ボルト２８が各請求項記載の取付ボルトに相当し、組立用ボルト穴が各請求項記載の固定ボルト用のボルト穴に相当する。

この構成のステータコア２３において、各ボビン７のコイル線８に電流を流した際には、対応するティース部５ａが界磁されて磁極となる。各ティース部５ａの磁極の極性や界磁強度を順次切り替えることで、ロータ２４の外周の永久磁石２４ｂに着磁させた磁極に対して周方向の引力・斥力を付与し、結果的にロータ２４に回転トルクを発生させる。本実施形態の回転電機１では、隣り合う３つのティース部５ａがそれぞれ３相交流に接続され、全体がＡＣモータとして機能する。従って、ステータコア２３に設けられるティース部５ａは３の倍数の数だけ設けられる。

図３（ａ）には、ティース部５ａを９つ設け、ロータ２４の永久磁石２４ｂに６つの磁極を設けた場合の従来構成を示している。以下において、このような固定子側の界磁磁極、すなわちティース部５ａをスロットといい、回転子側の磁極、すなわちロータ２４の永久磁石に着磁させた磁極をポールという。そして、図３（ａ）に示す例の構成では、６つのポールと９つのスロットを設けた構成であることから「６Ｐ９Ｓ」の形態であると表記する。また、図３（ａ）に示す例の従来構成では、ステータコア２３の外周形状、すなわち最も外周部に位置するヨーク部６の外周形状は真円の円筒形状となっている。この場合には、特に図示しないが、フレーム２２とステータコア２３に径方向で貫通するキリ穴を加工形成してピンを圧入することにより、フレーム２２内におけるステータコア２３の回り止めを行っていた。

これに対し、本実施形態の回転電機１においては、図３（ｂ）に示すように、フレーム２２の内周面で軸方向に線状に延びると共に内周側に膨らんだ形状の膨出条部３３が複数形成され、ステータコア２３の外周面にはそれら膨出条部３３とはまり合う溝部３４が形成されている（上記図１も参照）。これら膨出条部３３と溝部３４とがかみ合うことで、ステータコア２３に強い反トルクが生じた場合でもフレーム２２内における空転を防ぐことができる。固定子の組み立て時においても、対応する膨出条部３３と溝部３４の周方向位置を合わせてフレーム２２の内径にステータコア２３を嵌入し、焼きばめ・接着するだけで容易に組み立てることができる。これにより、上記従来構成の場合と比較して、専用部品としてのピンが不要となると共に、キリ穴加工やピンの圧入工程が不要となるので、回転電機１の生産性を向上できる。

また、一般にモータとして使用される回転電機１のフレーム２２は、放熱性を高めるために熱伝導性が高く、磁力線を漏出させないために非磁性体である材質、例えばアルミニウムで構成される。一方、ステータコア２３の積層鉄心体５とヨーク部６は磁性体である鉄で構成される。アルミニウムは、ステータコア２３を構成する鉄よりも剛性が低いことから、回転電機１全体の剛性を向上させるための設計手法として、フレーム２２に対してステータコア２３の外径を極力大きくする必要がある。これに対し、図３（ａ）に示す従来構成では、ステータコア２３の外径を大きくすると、ヨーク部６の外周が上記組立用ボルト穴３１や上記凹部３２に干渉するおそれがある。したがって、ステータコア２３の外径が制限されてしまい、回転電機１全体の剛性もその制約を受ける問題があった。

これに対し、本実施形態の回転電機１においては、図３（ｂ）に示すように、膨出条部３３と溝部３４が上記組立用ボルト穴３１と上記凹部３２に対応する周方向位置に形成されている。これにより、例えば組立用ボルト穴３１の周囲のＢ部を拡大した図４に示すように、ステータコア２３の外径Ｄ１を組立用ボルト穴３１に接近する程度まで大きくした場合でも、膨出条部３３と溝部３４とのはめ合いによって組立用ボルト穴３１におけるフレーム２２の肉厚Ｔを確保することができる。したがって、フレーム２２に対するステータコア２３の外径Ｄ１を、従来構成の場合の外径Ｄ２と比較してより大きくすることが可能となる。これは上記凹部３２に対しても同様の効果が得られる（図示省略）。

また本実施形態の回転電機１においては、ステータコア２３の溝部３４が、ヨーク部６の外周面で各ティース部５ａに対応する周方向位置に形成されている。上記図４に対応する図５に示すように、ステータコア２３内の磁束Ｓの向きは、ティース部５ａでは略半径方向となり、ヨーク部６では略円周方向となる。したがって、ヨーク部６の各ティース部５ａに対応する周方向位置では、ティース部５ａからの略半径方向の磁束Ｓが円周方向左右両側に拡がるように向きを変えることとなり、ヨーク部６の当該位置における外周側の磁束密度は他の部分に比べて少なくなる。したがって、溝部３４を当該位置（ヨーク部６の外周面のティース部５ａに対応する周方向位置）に形成することにより、磁束Ｓへの影響を少なくし、回転電機１の電磁特性が低下するのを抑制できる。

以上のように、膨出条部３３と溝部３４は、その外周側で組立用ボルト穴３１又は凹部３２と、内周側でティース部５ａと、それぞれ対応する周方向位置に形成することが求められる。そして、上述したようにフレーム２２はその軸直交断面が略正四角形に形成されていることから、２カ所の組立用ボルト穴３１どうし、又は２カ所の凹部３２どうしは、互いに上記略正四角形の対角線上に配置されるのが一般的である。このため、膨出条部３３と溝部３４は、外周側で組立用ボルト穴３１又は凹部３２の周方向位置に対応させるよう、周方向に１８０度間隔又は９０度間隔で形成されるとよい。

本実施形態の回転電機１では、図３（ｂ）に示すように、フレーム２２の略正四角形断面における４隅にそれぞれ組立用ボルト穴３１及び凹部３２を設けているため、それらのいずれにも対応する周方向９０度間隔の４カ所に膨出条部３３と溝部３４を配置している。さらに、本実施形態の回転電機１では、ステータコア２３の回り止め機能を最も高く得るために、全てのティース部５ａに対応する周方向位置に膨出条部３３と溝部３４を配置している。しかし、組立用ボルト穴３１及び凹部３２のどちらかの組み合わせで対角線上の２隅にしか配置されていない構成の場合には、少なくとも周方向１８０度間隔の２カ所に膨出条部３３と溝部３４を配置すればよい（図示省略）。また、大型の回転電機１の場合には、図６に示すように凹部３２を４カ所に配置してそれぞれの脇に十分小さい穴径の組立用ボルト穴３６が配置されている場合がある。この場合には、少なくとも４カ所の凹部３２に対応する周方向位置で周方向９０度間隔に膨出条部３３と溝部３４を配置すればよい。

そして、本実施形態の回転電機１では、上記の組立用ボルト穴３１及び凹部３２の周方向位置に対応させて、内周側のティース部５ａの配置構成についても変更している。上述したように当該回転電機１を３相ＡＣモータとして使用する場合には、ステータコア２３のスロット数（つまりティース部５ａの数）は３の倍数となり、それらは周方向で均等な間隔で配置する必要がある。一方で、膨出条部３３及び溝部３４を１８０度間隔で配置する場合にはスロット数を２の倍数とする必要があり、９０度間隔で配置する場合にはスロット数を４の倍数とする必要がある。したがって、スロット数を６（＝３×２）の倍数とすることで、ティース部５ａに対応する周方向位置に形成される膨出条部３３及び溝部３４を１８０度間隔で配置することが可能となり、１２（＝３×４）の倍数とすることで、膨出条部３３及び溝部３４を９０度間隔で配置することが可能となる。

この手法に基づいて、図３（ｂ）に示す本実施形態の例のような１０Ｐ１２Ｓの形態や、特に図示しない２０Ｐ２４Ｓや３０Ｐ３６Ｓなどの大型ＡＣモータの形態に適用することで、膨出条部３３及び溝部３４を機能的に配置できる。なお、図３（ａ）に示すような６Ｐ９Ｓの形態では、組立用ボルト穴３１及び凹部３２のうちの１つ（図示する例では左上の凹部３２）に対応してティース部５ａを配置した場合、他の３つの組立用ボルト穴３１及び凹部３２に対してはティース部５ａが周方向位置で一致しない。このため、それら３カ所においては、膨出条部３３及び溝部３４によるフレーム２２の肉厚を確保できる効果を得ることはできない。

以上説明した実施形態によれば、次のような効果を得る。すなわち、フレーム２２の内周面には軸方向に線状に延びると共に内周側に膨らんだ形状の膨出条部３３が形成され、ステータコア２３の外周面には膨出条部３３とはまり合う溝部３４が形成されている。これら膨出条部３３と溝部３４とのはめ合いにより、容易にフレーム２２とステータコア２３の回り止めをすることができる。これにより、ピンが不要となると共に、キリ穴加工やピンの圧入工程が不要となるので、回転電機１の生産性を向上できる。

また、これら膨出条部３３及び溝部３４を、組立用ボルト穴３１や凹部３２に対応した位置に配置することで、ステータコア２３の外径を組立用ボルト穴３１や凹部３２に干渉する程度まで大きくした場合でも、膨出条部３３と溝部３４とのはめ合いによって組立用ボルト穴３１や凹部３２におけるフレーム２２の肉厚を確保することが可能となる。これにより、フレーム２２に対してステータコア２３の外径をより大きくすることが可能となるので、回転電機１の剛性を高めることができる。

また、本実施形態では特に、膨出条部３３及び溝部３４をフレーム２２の内周面及びステータコア２３の外周面に回転方向に１８０度間隔又は９０度間隔で形成することにより、膨出条部３３及び溝部３４を組立用ボルト穴３１や凹部３２に対応する位置に配置させることができる。

また、本実施形態では特に、膨出条部３３及び溝部３４が凹部３２に対応する位置に形成されていることにより、ステータコア２３の外径を凹部３２に干渉する程度まで大きくした場合でも、膨出条部３３と溝部３４とのはめ合いによって凹部３２におけるフレーム２２の肉厚を確保することができる。したがって、フレーム２２に対してステータコア２３の外径をより大きくすることが可能となるので、回転電機１の剛性を高めることができる。

また、本実施形態では特に、膨出条部３３及び溝部３４が組立用ボルト穴３１に対応する位置に形成されていることにより、ステータコア２３の外径を組立用ボルト穴３１に干渉する程度まで大きくした場合でも、膨出条部３３と溝部３４とのはめ合いによって組立用ボルト穴３１におけるフレーム２２の肉厚を確保することができる。したがって、フレーム２２に対してステータコア２３の外径をより大きくすることが可能となるので、回転電機１の剛性を高めることができる。

また、本実施形態では特に、ステータコア２３の溝部３４をヨーク部６の外周面のティース部５ａに対応する位置に形成することにより、磁束への影響を少なくし、モータ特性が低下するのを抑制できる。

また、本実施形態では特に、スロット数を６（＝３×２）の倍数とすることで、ティース部５ａに対応する位置に形成される膨出条部３３及び溝部３４を１８０度間隔で配置することが可能となり、１２（＝３×４）の倍数とすることで、膨出条部３３及び溝部３４を９０度間隔で配置することが可能となる。その結果、膨出条部３３及び溝部３４を組立用ボルト穴３１や凹部３２に対応する位置に配置させることができる。

また、ステータコアは、円筒状のヨークと、該ヨークの内周側に突出して設けられ、先端部を連結したティースとを分割するように構成したものを例示したが、これに限られず、ヨークとティースを連結し、ヨークの周方向を分割した構成のものでも構わない。

以上では、回転電機がモータである場合を一例として説明したが、本実施形態は、回転電機が発電機である場合にも適用することができる。

また、以上既に述べた以外にも、上記実施形態や各変形例による手法を適宜組み合わせて利用しても良い。

その他、一々例示はしないが、本実施形態は、その趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更が加えられて実施されるものである。

１ 回転電機
５ 積層鉄心体
５ａ ティース部
６ ヨーク部
７ ボビン
８ コイル線
２１ 反負荷側ブラケット
２２ フレーム
２３ ステータコア
２４ ロータ
２５ 負荷側ブラケット
２６ 組立用ボルト（固定ボルト）
２８ 取付用ボルト（取付ボルト）
３１ 組立用ボルト穴（固定ボルト用のボルト穴）
３２ 凹部
３３ 膨出条部
３４ 溝部
３５ 取付用ボルト穴
３６ 組立用ボルト穴

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、筒状のフレームと、前記フレームの内周に固定されたステータコアと、を備え、前記フレームは、軸方向に線状に延びると共に内周側に膨らんだ形状の膨出条部を内周面に有し、前記ステータコアは、前記膨出条部とはまり合う溝部を外周面に有し、前記フレームは、さらに、前記回転電機を駆動対象に取り付ける取付ボルトとの干渉を回避するための湾曲形状を備えた凹部を外周に有し、前記膨出条部及び前記溝部は、前記凹部に対応する位置に形成され、前記凹部の前記湾曲形状に対応した湾曲形状を備えている回転電機が提供される。

Claims (6)

1. 筒状のフレームと、
   前記フレームの内周に固定されたステータコアと、を備え、
   前記フレームは、
   軸方向に線状に延びると共に内周側に膨らんだ形状の膨出条部を内周面に有し、
   前記ステータコアは、
   前記膨出条部とはまり合う溝部を外周面に有する
   ことを特徴とする回転電機。
2. 前記膨出条部及び前記溝部は、
   回転子の回転方向に１８０度間隔又は９０度間隔で形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記フレームは、
   前記回転電機を駆動対象に取り付ける取付ボルトとの干渉を回避するための凹部を外周に有し、
   前記膨出条部及び前記溝部は、
   前記凹部に対応する位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。
4. 前記フレームの軸方向端部に取り付けられたブラケットと、
   前記フレームと前記ブラケットとを固定する固定ボルトとを、さらに備え、
   前記フレームは、
   前記固定ボルト用のボルト穴を有し、
   前記膨出条部及び前記溝部は、
   前記ボルト穴に対応する位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回転電機。
5. 前記ステータコアは、
   円筒状のヨーク部と、
   前記ヨーク部の内周に内周側に突出して設けられ、ステータコイルが巻装される複数のティース部と、を有し、
   前記溝部は、
   前記ヨーク部の外周面の前記ティース部に対応する位置に形成されている
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回転電機。
6. 前記ステータコアのスロット数は、
   ６の倍数又は１２の倍数である
   ことを特徴とする請求項５に記載の回転電機。
   

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