WO2009113215A1

WO2009113215A1 - 回転電機用の固定子鉄心およびその製造方法

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Publication number: WO2009113215A1
Application number: PCT/JP2008/072303
Authority: WO
Inventors: 高大牧山; 俊哉寺前; 恵尉上野; 裕治榎本; 芳壽石川
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2008-03-12
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2009-09-17
Also published as: CN101911432B; CN101911432A; JP5022278B2; US8294325B2; JP2009219319A; EP2284976A1; US20110062817A1; EP2284976A4

Abstract

固定子巻線の生産性の向上が期待できるクローポール型の回転電機は、固定子巻線全体を磁性体で覆う構造となるため、インダクタンスが大きくなり、力率を低下する問題がある。各相の固定子鉄心を回転子の回転軸方向に複数個、独立して配置すると共に、各固定子鉄心の磁極を回転子の回転軸の周方向に波形状に配置し、各磁極間に回転軸方向に延びる溝を形成し、磁極の波形状の内側の端面側および回転軸の軸方向に形成された溝に固定子巻線を配置可能にした回転電機の固定子鉄心とする。

Description

回転電機用の固定子鉄心およびその製造方法

　本発明は固定子および回転子を備えた回転電機用の固定子鉄心およびその製造方法に関する。

　従来のモータや発電機などの回転電機では、固定子巻線が複雑で、生産性の点で大きな課題を有していた。生産性を改善する回転電機として、例えば、特許文献１又は特許文献２に記載のクローポール型回転電機が知られている。
特開２００６－２９６１８８号公報特開２００５－１５１７８５号公報

　前記特許文献１又は特許文献２に記載のクローポールモータ型回転電機では固定子巻線のインダクタンスが大きい問題がある。例えばモータや発電機において固定子巻線のインダクタンスが大きくなると、電流と電圧の位相差が大きくなりモータや発電機の主要特性である力率を低下させる問題がある。

　本発明の目的は、固定子の生産性に優れ、さらに固定子巻線のインダクタンスの増大を低減できる回転電機の固定子鉄心を提供することにある。

　本発明の回転電機用の固定子鉄心は、回転可能に保持された回転子と、前記回転子の回転軸方向に並べて配置された少なくとも２つの固定子鉄心を有する固定子とを備えた回転電機用の固定子鉄心であって、前記回転子の回転軸の周方向に配置された固定子鉄心の複数個の磁極と、前記複数個の磁極の各磁極間に前記回転軸の軸方向に形成された固定子鉄心の溝と、を有し、前記周方向に配置された各磁極の前記回転軸の軸方向の端面が隣接する磁極毎に前記回転軸の軸方向に波状に成形して、前記磁極の波状の内側の端面側および前記回転軸の軸方向に形成された溝に固定子巻線を配置可能とし、前記回転軸の周方向に配置された複数個の固定子鉄心の磁極が前記回転軸の軸方向に積層した鋼板からなることを特徴とする。

　また、本発明の回転電機用の固定子鉄心の製造方法は、鋼板から素材を切抜く工程１と、前記素材を積層する工程２と、前記素材を接合する工程３と、前記素材を波状に成形する工程４と、を備え、前記工程１乃至工程４の各工程を組み合わせて、回転電機の回転軸の周方向に固定子鉄心の複数個の磁極を形成し、前記複数個の磁極の各磁極間に前記回転軸の軸方向に溝を形成し、前記周方向に配置された各磁極の前記回転軸の軸方向の端面が隣接する磁極毎に前記回転軸の軸方向に波状にずれて配置されるよう成形することを特徴とする。

　本発明によれば、固定子巻線のインダクタンスの増大を少なく抑える、あるいは低減できる効果がある。

　また、本発明の実施の形態によれば、一般のクローポール型の固定子に見られる、周方向の固定子巻線と回転子面との間に設けられた軸方向に延びる爪が無いので、固定子鉄心を生産し易い利点がある。
　また、本発明の実施の形態では、周方向の固定子巻線と回転子面との間に回転軸方向に延び、前記固定子巻線に鎖交する形状の爪が無いので、固定子巻線のインダクタンスを一般のクローポール型の固定子に比べ低くできる効果がある。
　また、本発明の実施の形態では、一般のクローポール型の固定子に比べ、固定子巻線１２２を包む磁性体の領域が少ないので、固定子巻線のインダクタンスを大幅に低減できる。

　また、本発明の実施の形態では、一般のスロットティース型回転電機のように、固定子巻線を回転軸方向に配置すると共に、回転子鉄心を相単位に分けて回転軸方向に並べて配置しているので、固定子巻線が生産し易い形状となり、生産性が優れている効果がある。また、本発明の実施の形態では、周方向に配置された磁極間に回転軸方向に固定子巻線を配置しているので、固定子磁極の回転子側対向面を一般のクローポール型磁極に対して大きくでき、効率が向上する。

　また、本発明の実施の形態では、固定子磁極は固定子鉄心を軸方向に積層して形成しているので、渦電流による鉄損を大幅に低減することができる。
また、本発明の実施の形態では、積層鋼板を使用しているので、圧粉磁心を使用する場合に比べ、機械的な強度が非常に強い効果がある。

図１は本発明の一実施の形態である、固定子の基本構成を示す斜視図である。図２Ａは実施例である固定子の基本構成の全体を示す斜視図である。図２Ｂは図２Ａに示す固定子の基本構成の部分断面図、図２Ｃは図２Ａに示す固定子の基本構成のさらに見方を変えた部分断面図、図２Ａに示す固定子の基本構成の回転軸に垂直な部分断面図である。図２Ｂは図２Ａに示す固定子の基本構成の部分断面図である。図２Ｃは図２Ａに示す固定子の基本構成のさらに見方を変えた部分断面図であり、図２Ａに示す固定子の基本構成の回転軸に垂直な部分断面図である。図３は図１に示す固定子の基本構成の固定子鉄心を示す斜視図である。図４は図２に示す他の実施例である固定子の基本構成の固定子鉄心を示す斜視図である。図５は図３に示す固定子鉄心のさらに他の実施の形態である。図６は図１や図２に示す固定子の基本構成に使用される固定子巻線である。図７は本発明の一実施の形態である、固定子の斜視図である。図８は図７に示す固定子の展開図である。図９は本発明の一実施の形態である、製造方法第１の例である。図１０は本発明の一実施の形態である、製造方法第２の例である。図１１は本発明の一実施の形態である、製造方法第３の例である。図１２Ａは固定子鉄心の素材形状の平面図で、環状につながった素材である。図１２Ｂは複数の磁極部が極率をもって帯状につながっている形状である。図１２Ｃは複数の磁極部が直線上に帯状につながっている形状である。図１３は素材をらせん状に積層する製造工程の斜視図である。図１４Ａは素材を波状に成形する工程の斜視図であり、波状に成形する前を示した図である。図１４Ｂは波状に成形した後を示した図である。図１５Ａは、一極対の固定子鉄心を示し、図３乃至図５で示した固定子鉄心の一極対を示す図である。図１５Ｂは鍔付きの固定子鉄心の一極対を示す図である。図１５Ｃは更に他の固定子鉄心の一極対を示す図である。図１６Ａは１相分固定子の製造方法の他の実施の形態を示す図である。図１６Ｂは１相分固定子の製造方法の他の実施の形態を示す図である。図１７は１相分固定子の他の実施の形態を示す斜視図である。図１８Ａは固定子巻線の部分断面図である。図１８Ｂは固定子巻線の部分断面図である。図１８Ｃは固定子巻線の部分断面図である。図１８Ｄは固定子巻線の部分断面図である。図１９Ａは回転電機への適用を示す組み立て前の斜視図である。図１９Ｂは回転電機への適用を示す組み立て後の斜視図である。

符号の説明

　　１００　　３相交流の固定子
　　１０２　　固定子
　　１０２Ｕ　　Ｕ相固定子
　　１０２Ｖ　　Ｖ相固定子
　　１０２Ｗ　　Ｗ相固定子
　　１０４　　固定子鉄心
　　１０４Ｕ　　Ｕ相固定子鉄心
　　１０４Ｖ　　Ｖ相固定子鉄心
　　１０４Ｗ　　Ｗ相固定子鉄心
　　１０６Ａ　　ティース
　　１０６Ｂ　　ティース
　　１０８　　鍔
　　１１２　　背面部
　　１１４　　溝
　　１１６　　溶接部
　　１２２　　固定子巻線
　　１２２Ｕ　　Ｕ相固定子巻線
　　１２２Ｖ　　Ｖ相固定子巻線
　　１２２Ｗ　　Ｗ相固定子巻線
　　１２４　　磁極間部
　　１２６　　磁極端部
　　１２８　　磁極端部　　
　　１３０　　磁気絶縁板
　　４０１　　外環
　　４０４　　回転子
　　４１２　　軸受
　　４１４　　軸受
　　４１６　　後側ハウジンング
　　４１８　　前側ハウジング
　　４３６　　シャフト
　　４５２　　通しボルト
　　１００１　　素材
　　１１０１Ａ　　パンチ
　　１１０１Ｂ　　パンチ
　　１１０２Ａ　　カウンタ
　　１１０２Ｂ　　カウンタ
　　１１０３　　ストッパ

　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

〔固定子の基本構成の説明〕
　図１乃至図６を用いて本発明の一実施の形態である固定子１０２の基本構成を説明する。図１は、本発明の一実施の形態である、固定子１０２の基本構成を示す斜視図である。

　図２Ａ～Ｃは前記図１に示す固定子の基本構成の他の実施例で、図１の実施の形態である基本構成の各磁極部１０６に鍔１０８を設けた実施例である。図２Ａは他の実施例である固定子１０２の基本構成の全体図であり、図２Ｂは図２Ａに示す固定子１０２の基本構成の部分断面図であり、図２Ｃは図２Ａに示す固定子１０２の基本構成のさらに見方を変えた部分断面図であり、図２Ａに示す固定子１０２固定子の基本構成の回転軸に垂直な部分断面図である。

　図３は、図１に示す固定子１０２の基本構成の固定子鉄心１０４を示す斜視図であり、図４は図２に示す他の実施例である固定子１０２の基本構成の固定子鉄心１０４を示す斜視図である。また図５は図３に示す固定子鉄心１０４のさらに他の実施の形態である。図６は図１や図２に示す固定子１０２の基本構成に使用される固定子巻線１２２である。

　図１あるいは図２Ａ～Ｃに示す固定子１０２の基本構成は固定子鉄心１０４と固定子巻線１２２とを有している。固定子１０２の基本構成の回転子側には、固定子１０２の磁極として作用する磁極部１０６が全周に渡って等間隔に設けられており、後で動作を説明する都合上前記磁極部に交互に１０６Ａと１０６Ｂの符号を付す、しかし磁極部１０６Ａと１０６Ｂはそれぞれ同様の作用を為す。磁極部１０６Ａと１０６Ｂの内側には上述の回転子が回転可能に設けられるが、図１乃至図４では説明の煩雑さを避けるため、回転子を図示していない。

　また、回転電機では固定子１０２が回転子の外側にあるものと、固定子１０２が回転子の内側にあるものがあり、そのいずれの構造出であっても良いが、説明の煩雑さを避けるため、固定子が回転子の外側にある構造で説明している。回転子としては、本発明を交流発電機として使用する場合はルンデルタイプを使用する。また永久磁石を表面あるいは内部に有する永久磁石回転子、Ｄ軸あるいはＱ軸の磁束を制限することでリラクタンストルクを発生するフラックスバリヤ回転子、あるいはかご型回転子を使用することも可能であり、上記回転子と上記固定子１０２とを組み合わせて回転電機を構成することができ、本回転電機はそれぞれのモータあるいは発電機として作用する。

　図１に示す固定子１０２の基本構成と図２Ａ～Ｃに示す固定子１０２の基本構成はほとんど同じであるが、図２Ａ～Ｃに示す固定子１０２の基本構成は磁極部１０６の回転子側の隣接する磁極方向にそれぞれ鍔１０８を有し、固定子１０２の基本構成の回転子側面の面積を大きくし出力特性の改善を図っている。また図５に示す固定子鉄心１０４は図３や図４に示す固定子鉄心１０４のさらに他の実施の形態で、隣接する磁極部１０６を繋ぐ背面部１１２を曲線形状とし、生産性に優れている。

　図２Ａ及び図２Ｂに記載の如く、回転軸に垂直な面である周方向面に磁極部１０６が等間隔で配置されており、前記磁極部１０６は交互に回転軸方向にずれて配置されているので、固定子１０２の基本構成の回転軸方向の端部に磁極部１０６に応じて１つおきに窪みが形成されている。前記窪みには固定子巻線１２２が配置され、固定子巻線１２２の回転軸端部での固定子鉄心１０４からの突出を少なくあるいは無くすことができる。

　図２Ｂに記載の磁極部１０６Ａおよび磁極部１０６Ｂを回転軸に対し垂直な面で部分断面した断面図を図２Ｃに示す。図２Ｃに示す如く各磁極部１０６Ａと磁極部１０６Ｂ間にスロットの如き回転軸方向に延びる溝１１４が形成され、この溝１１４に上記固定子巻線１２２が収納されている。従来の固定子と異なる点は単相の巻線が溝１１４に挿入されていることで、固定子巻線１２２が単純な構成であることである。このため生産性に優れ、信頼性が向上する。図２Ｃに示すとおり、各磁極部１０６は背面部１１２でそれぞれ繋がっている。また各磁極部１０６の回転子側には鍔１０８が形成されており、各溝１１４の回転子側は鍔１０８により、狭くなっている。この構造により、回転子に対向する面の面積が増大し回転電機の特性が改善される。

　図３乃至図５に示す固定子鉄心１０４は図１や図２に示す固定子１０２の基本構成の固定子鉄心１０４であり、複数の磁極部１０６を回転子側の周方向に沿って全周に渡って等間隔に有している。この実施の形態では２０個の磁極部１０６が設けられている。これらの磁極部１０６は背面部１１２で隣接する磁極部１０６とそれぞれ繋がっており、隣接する磁極部１０６間には固定子巻線を挿入するための回転軸方向に延びる空間１１４あるいはスロット１１４が形成されている。

　図１乃至図５に示す固定子鉄心１０４では、磁極部１０６を交互に回転軸方向にずらした形状を成しており、磁極部１０６Ａは磁極部１０６Ｂに対して他方側にずれている。このため磁極部１０６の一方側に空間が形成され、この空間に固定子巻線１２２を配置することで固定子巻線１２２の一方側の出っ張りをなくすることができ、固定子１０２の基本構成を小型にすることができる。また銅損も少なくなる。同様に磁極部１０６Ｂは磁極部１０６Ａに対して一方側にずれているので、磁極部１０６の他方側に空間が形成される。この空間に固定子巻線１２２を配置することで固定子巻線１２２の他方側の出っ張りをなくすことができ、上述と同様固定子１０２の基本構成を小型にすることができる。また銅損も少なくなる。

　ただし、上述の磁極部１０６の交互のずれた配置構造は必須ではなく、ずれた構造が無くても回転電機の固定子１０２の基本構成として作用し、固定子巻線１２２の巻回作業が非常に簡単なため、従来の回転電機の固定子に対して生産性の点で非常に優れている。また特許文献１や特許文献２に記載の回転子側に多数の爪が設けられた一般的なクローポール型の固定子に対して、固定子のインダクタンスを大幅に低減できる効果がある。

　図３乃至図５に記載の固定子鉄心１０４は磁極部１０６の反対側である背面部１１２の外周面を溶接で固定した溶接部１１６を有している。後述のとおり、生産性を良くする為にまた材料の無駄を少なくするために、後述のとおり、固定子鉄心１０４は薄板形状の連続した磁性鋼板を周方向に巻いて生産している。各磁極部１０６に対応した背面部１１２の外周面に溶接部１１６を形成しているので、前記連続した薄板形状の磁性鋼板を周方向に巻いて溶接部１１６でそれぞれ固定子、その後背面部１１２をプレスなどで成形することで、簡単に磁極部１０６を回転軸方向にずらすことが可能となる。

　図６は固定子１０２の基本構成に使用される固定子巻線１２２で本実施例は波巻きの固定子巻線１２２である。波巻き以外の集中巻の巻線も使用できるが、波巻の固定子巻線１２２を例に説明する。図６に記載の波巻の固定子巻線１２２は固定子巻線の磁極間部１２４を固定子巻線１２２の一方の磁極端部１２６と固定子巻線の他方の磁極端部１２８とで繋ぐことで作られる連続した形状をしている。固定子巻線１２２の磁極間部１２４を固定子巻線１２２の一方の磁極端部１２６あるいは固定子巻線１２２の他方の磁極端部１２８で交互に繋いでおり、前記固定子巻線１２２の一方の磁極端部１２６が図２乃至図５に示す固定子鉄心１０４の回転軸方向に延びる形状を有する溝１１４にそれぞれ挿入される。

　前記固定子鉄心１０４の軸方向端部は磁極部１０６に対応して交互に窪みが形成されており、固定子鉄心１０４の一方端に形成された窪みに固定子巻線１２２の一方の磁極端部１２６が挿入され、固定子鉄心１０４の他方端に形成された窪みに固定子巻線１２２の他方の磁極端部１２８が挿入される。上述の如く、固定子鉄心１０４の回転軸における両端に必ずしも窪みを形成する必要がなく、その場合には前記固定子巻線１２２の一方の磁極端部１２６や固定子巻線１２２の他方の磁極端部１２８は固定子鉄心１０４の両端部から回転軸方向にはみ出す形状となる。

　図６に示す巻線を図３乃至図５に記載の固定子鉄心１０４に装着した場合、固定子鉄心１０４の軸方向に設けられた溝１１４に互い違いに渡る構造であり、スロットティース型モータの波巻構造と同様の巻線形態で、全てのスロットを巻線がカバーする構造となる。このため固定子１０２と回転子間に爪を有するクローポール型固定子に対し電気的特性が改善される。

〔３相交流回転電機用の固定子の説明〕
　以上説明した固定子１０２の基本構成は固定子全体に対して一相分の固定子として作用する。次に３相交流の固定子１００を図７と図８を用いて説明する。図７は、図１あるいは図２に示す固定子１０２の基本構成が組み合わせられて作られた３相回転電機の固定子１００の斜視図である。図８は図７に示す３相交流の固定子１００の展開図である。

　図７に記載の３相交流の固定子１００は３個の固定子１０２の基本構成をそれぞれＵ相固定子１０２ＵやＶ相固定子１０２Ｖ、Ｗ相固定子１０２Ｗとして使用する。Ｕ相固定子１０２ＵやＶ相固定子１０２Ｖ、Ｗ相固定子１０２Ｗはそれぞれ回転軸方向に分けられて並べて配置されているが、回転子は共通であり、各相の固定子１０２の基本構成は互いに位相を持って配置されている。

〔各相間の位相の説明〕
　先に説明の固定子１０２の基本構成を使用して多相回転電機の固定子１００を構成する場合、各相の固定子を軸方向に分けて配置する。各相の固定子の相対位置関係は、２相回転電機であれば、前記固定子の基本構成１０２を電気角で９０度の位相を持たせて配置する。すなわち回転子側の一極対あたりの機械的な角度の１／４ずらして配置する。

　また、３相回転電機の固定子１００であれば、電気角で１２０度ずつ位相を持たせては配置する。すなわち回転子側の一極対あたりの機械的な角度の１／３ずらして配置する。上述の図７に３相回転電機の固定子１００の一例を示す。図７は２０極の３相回転電機の固定子を示す。２０極であるから、極対数は１０である。このため、相と相の極のずらしの機械角度は、極対数は１０の機械角である３６度の１／３、すなわち１２度となる。

　上記説明は、３相交流の固定子１００を構成する各固定子１０２の基本構成に対して回転子を共通の構造とし、回転子に位相を持たせない構造の場合である。回転子を共通の構造とすることは回転電機全体の構成を簡単化でき、小型化や生産性の点で効果が大きい。特に交流発電機として上記回転電機を使用する場合には３相交流の固定子１００を構成する各固定子１０２の基本構成は開示巻線をそれぞれ共用でき、高出力を得ることができる。

　しかし固定子側の各相間の取り付け位置には位相を設けないで、回転子側を各相に対応して分割し、回転子側の各固定子に対応する部分の極にそれぞれ上記のように複数相回転電機を構成する位相を持たせて配置することも可能である。この位相関係は上記固定子側で説明した関係と同じである。

　上記説明では、多相回転電機の固定子１００の代表として２相交流や３相交流について述べたがさらに多層の交流に対しても同様の考え方で対応できる。例えば６相交流発電機の固定子１００を構成する場合は固定子１０２の基本構成を６個軸方向に配置すればよく、電気角で６０度の位相を持たせればよい。６相の交流発電機を３相ごとに分けて整流後に並列接続することで、各相あたりの最大電流を下げることができ、整流回路などの電流容量を小さくできる効果がある。

〔３相固定子構造の説明〕
　多層回転電機の固定子１００の代表例として図７に３相交流回転電機用の固定子１００を記載した。この３相交流の固定子１００の具体的な構造を図８を用いて説明する。図１や図２で説明した固定子１０２の基本構成をＵ相固定子１０２Ｕ、Ｖ相固定子１０２Ｖ、Ｗ相固定子１０２Ｗの３つの固定子ブロックを軸方向に並べて配置している。この構成で各相間には互いの相間の漏れ磁束を低減するために磁気的なシールド作用を有する磁気絶縁部材が設けられている。この磁気絶縁部材は、必要に応じて配置するものであり必須ではない、しかし漏れ磁束を減少させることは効率向上や特性改善に繋がる。

　前記絶縁材料は、非磁性体の高分子材料や、セラミックなどの導電性を有しない物質で構成することが望ましい。さらには、熱伝導性の良い物質とすることで、放熱性向上などが期待できる。また、ここでは図示しないが、この磁気絶縁部材３に固定子鉄心を位置決めするための溝や、穴、または突起や軸、インローなどの嵌合形状機能を有することで、固定子ブロックの高精度な位置決めが実現できる。この位置決めは、固定子の周方向位置、及び同軸度などが、回転電機のトルクリプルなどに影響を及ぼすためである。

　金属系の材料でこの磁気シールドを構成することも可能である。具体的な物質名を挙げると、金属では、アルミニウム系の合金、非磁性のステンレス合金、銅系合金などが適している。コストの問題はあるが軽量のチタンなども候補である。また、樹脂では、ＬＣＰ（液晶ポリマー）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレン系樹脂）、またはガラス繊維で強化されたナイロン、ＰＣ（ポリカーボネート樹脂）などが候補として挙げられる。また、炭素繊維強化樹脂や、エポキシ系、不飽和ポリエステル系などの熱硬化性の樹脂も候補である。それぞれ使用するモータや発電機などが必要とする熱的、機械的な強度の制約条件などにより、これらの材質は決定されることが望ましい。

　これらの製造方法は、アルミニウム、銅合金はダイキャスト、ステンレス系の合金などは、機械加工や、冷間、温間による鍛造での製作。樹脂系材料は、射出成形などの工法によって製作することができる。金属系の材料を使用する場合は、渦電流の発生経路に注意して形状を決定する必要がある。

〔固定子鉄心１０４の製造方法〕
　固定子鉄心の製造方法を図９乃至図１１を用いて説明する。固定子鉄心１０４の製造方法は鋼板から素材１００１を切抜く工程と、素材１００１を積層する工程と、素材１００１を接合する工程と、素材１００１を波状に成形する工程からなっている。固定子鉄心１０４は図９記載の如く鋼板を切抜き、切抜いた素材１００１を積層し、切抜いて積層した素材１００１を接合し、切抜いて積層し接合した素材１００１を波形に成形する工程の順番か、図１０記載の如く鋼板を切抜き、切抜いた素材１００１を積層し、積層した素材１００１を波状に成形し、波状に成形した素材１００１を接合する工程の順番か、図１１記載の如く鋼板を切抜き、切抜いた素材１００１を波状に成形し、波状に成形した素材１００１を積層し、積層した素材１００１を接合する工程の順番によって製造できる。

　図９乃至図１１に記載の鋼板から素材を切抜く工程では素板から磁極部１０６および背面部１１２を展開した形状に切抜く。素材を切抜く手段として、例えば、プレスによる打抜き加工等のせん断加工、ワイヤーカット、レーザーカット、プラズマ切断、ウォータージェット、機械加工などがあるが、生産性を考慮した場合には、プレスによる打抜き加工が好ましい。

　図１２Ａ～Ｃは切抜いた素材１００１の形状を示している。図１２Ａのように環状につながっているか、図１２ＢＣのように磁極部１０６および背面部１１２が１磁極あるいは複数の磁極、帯状につながっている形状である。環状につながった形状の素材１００１では、素材１００１の内外径の精度が良い反面、中心部の材料が使われないため歩留まりが悪い。一方、磁極部１０６および背面部１１２が１磁極あるいは複数磁極帯状につながった素材形状では、歩留まりが良い反面、後述の積層工程により精度確保する必要がある。

　図９乃至図１１に記載の素材１００１を積層する工程では、磁極部１０６が回転子軸方向に揃うよう積層する。磁極部１０６を回転子軸方向に揃える方法としては、例えば素材１００１の背面部１１２にあらかじめ付けた凹形状をガイドとして積層すれば良い。また、この時の素材形状は環状につながっていても、磁極部が１磁極あるいは複数の磁極、帯状につながっている形状であってもよい。磁極部１０６および背面部１１２が複数磁極帯状につながった素材形状では図１３に示すようにらせん状に積層する。その際、直線状の素材１００１を周方向への面内曲げにより円弧形状にする。例えば、素材１００１の背面部１１２を傾斜圧延することにより、素材１００１を周方向面内に曲げる。

　図９乃至図１１に記載の素材を接合する工程では、磁極部１０６が軸方向に揃い、積層した状態で接合する。例えば、半抜きして成形された凸部と凹部を合わせた「かしめ」、レーザー溶接、ＴＩＧ溶接、接着等により接合する。半抜きして成形された凸部と凹部を合わせた「かしめ」では、素材１００１を切抜く際に凸部と凹部を半抜きにより成形し、積層後に回転軸方向にプレスなどで加圧することにより接合できる。レーザー溶接やＴＩＧ溶接の場合は磁気特性に影響の少ない背面部１１２で接合することが望ましい。また、磁気絶縁性のある材料で接着した場合、磁気特性は向上するが回転電機として使用した際に、接着が剥がれない温度の範囲で使用することに注意する必要がある。

　図９乃至図１１記載の波状に成形する工程では、磁極部１０６Ａと１０６Ｂとが交互に波状となるように成形する。磁極部１０６Ａの軸方向の端面を磁極部１０６Ｂの軸方向の端面に対して、相対的に回転軸方向に押込むことで波状に成形する。またこの波状に成形する工程で、磁極部１０６Ａと１０６Ｂを回転軸半径方向に移動させることにより、素材１００１周方向の伸びによる板厚減少および破断を抑制することができ、成形性が向上する。さらに、磁極部１０６Ａと１０６Ｂを回転軸半径方向に移動させた際、磁極部１０６Ａと１０６Ｂの回転軸半径方向の端面を工具に突き当てることにより、固定子鉄心１０４の内径精度を向上させることができる。この素材１００１を波状に成形する工程では、素材は１枚であっても積層した状態であっても良い。

　図１４は波状に成形する工程の例を示しており、図１４Ａは波状に成形する前、図１４Ｂは波状に成形した後を示している。図１４では分かりやすいように手前１／４の素材１００１上側の工具は表示していないが、実際には周方向他の部分と同様に工具が配置されている。また、前述の如く素材１００１を波状に成形する工程では、素材は１枚であっても積層した状態であっても良いが、Ａ～Ｃでは素材１００１を積層させた状態を示している。

　図１４Ａに示すように磁極部１０６Ａと１０６Ｂの軸方向に押込む端面側に、回転軸周方向にパンチ１１０１を配置し、パンチ１１０１と素材１００１を挟んで対向するカウンタ１１０２を配置する。カウンタ１１０２は、パンチ１１０１が回転軸方向に押込む向きとは逆方向に素材１００１の板厚方向に力をかけ、素材１００１の面外への変形を拘束する。実際の成形では、磁極部１０６Ａを回転子軸方向に押込む場合、磁極部１０６Ｂは回転子軸方向の移動を拘束するか、磁極部１０６Ｂを回転子軸方向に押込む場合、磁極部１０６Ａは回転子軸方向の移動を拘束するが、本説明では便宜上、磁極部１０６Ａと１０６Ｂの回転子軸方向への相対的な変形であるため、磁極部１０６Ａを回転子軸方向へ押込むパンチ１１０１Ａ、磁極部１０６Ｂを回転子軸方向へ押込むパンチ１１０１Ｂとする。

　また、パンチ１１０１Ａと１１０１Ｂに対応させカウンタ１１０２Ａと１１０２Ｂと符号を付ける。磁極部１０６Ａを押込むパンチ１１０１Ａの回転子軸方向の押込む向きと、磁極部１０６Ｂを押込むパンチ１１０１Ｂの回転子軸方向の押込む向きは相対的に逆方向となるよう回転子周方向に交互に配置する。また、パンチ１１０１Ａと１１０１Ｂに合わせて、カウンタ１１０２Ａと１１０２Ｂも回転子周方向に交互に配置する。この状態でパンチ１１０１Ａと１１０１Ｂを回転子軸方向に相対的に押込むことにより図１２Ｂに示すような波状に成形する。この方法によれば、磁極部１０６Ａと１０６Ｂをつなぐ背面部１１４の曲げ半径が回転子軸の半径方向外側になるにしたがい連続的に大きくなる。

　パンチ１１０１を回転子軸方向に押込む工程で、磁極部１０６を回転子軸方向に移動させることで成形性が向上する。そのため、素材１００１とパンチ１１０１およびカウンタ１１０２の摩擦力を小さくするか、あるいは、パンチ１１０１およびカウンタ１１０２を回転子半径方向へ移動自在にするか、あるいは、パンチ１１０１およびカウンタ１１０２をカム機構により強制的に回転子半径方向に移動するかの少なくとも１つを行うことで、素材１００１周方向の伸びによる板厚減少および破断を抑制することができ、成形性を向上させることができる。また、磁極部１０６の回転子半径方向の変形を、最終的にストッパ１１０３に磁極部１０６の回転子半径方向の端面を突き当てることにより、固定子１０４の内径精度を高くすることができる。

　カウンタ１１０２は、磁極部１０６の平坦度を確保するために使用する。金型構造としては例えばダイクッション、ガスダンパ、バネ等を使用することで、パンチ１１０１に対向する力をかける。上記説明ではカウンタ１１０２を使用した場合の成形方法を説明してきたが、磁極部１０６が曲面であっても性能上問題はないので、磁極部１０６の平坦度を確保する必要がない場合は、カウンタ１１０２はなくても良い。この場合、パンチ１１０１Ａと１１０１Ｂで磁極部１０６Ａと１０６Ｂを押込むだけでよいので、波形を転写したような形状の金型で簡単に成形できる。

　波状に成形する工程で、磁極部１０６を回転子半径方向に移動させた場合、成形前後で回転子軸方向に投影した素材１００１の形状が変わるため、成形前の素材１００１は成形後の固定子鉄心１０４を展開した形状とする必要がある。磁極部１０６の形状は波状に成形した後もほとんど変わらないため固定子鉄心１０４の形状と同じでよいが、背面部１１４の長さを、固定子鉄心１０４を回転子軸方向に投影した場合の長さより長くする必要がある。また背面部１１４の長さは、磁極部１０６の回転子半径方向の移動量が多くなるにしたがい大きくする必要がある。

　ここで、固定子鉄心１０４の具体的な製造方法の例を説明する。まず、複数の磁極が帯状に連続的につながった素材１００１を、鋼板のフープ材から打ち抜き加工により切り抜く。次に複数の磁極が帯状に連続的につながった素材１００１の背面部１１２を傾斜圧延して面内に曲げるとともに、図１３に示すようにらせん状に積層する。所望の枚数部積層した後、素材１００１の背面部１１２をレーザー溶接により接合する。次にレーザー溶接した素材１００１をプレスで波状に成形することで、図５に示すような固定子鉄心１０４を製造することができる。

　これまでらせん状も含め、環状につながった固定子鉄心１０４を中心に説明してきたが、次に幾つかの磁極毎に周方向に分割した固定子鉄心１０４について説明する。電気的特性からは固定子鉄心１０４は一体形状が必須ではない。図１５Ａ～Ｃは一極対（２極分）のコア形状で固定子の磁気回路を構成している。図１５Ａは、図３乃至図５で示した固定子鉄心１０４の一極対を示している。

　モータあるいは発電機である回転電機の構造では、回転子からの磁束の流れは、一極対分が回転子側の一極対分の磁束を賄うため、隣り合う極対間での磁束の流れを必要としない。したがって、鉄心を周方向に分割して配置することでも、一体とした場合と変わらない特性を満足することができる。そこで、図１５Ａに示すようなティース１０６Ａとティース１０６Ｂとを有する鉄心片で構成してこれを組み合わせて固定子鉄心１０４を組立ることで、モータあるいは発電機使用する前述の構造の固定子を構成することが可能となる。なお、同一符号は先に説明の同一符号の機能や作用効果を示す。

　図１５Ｂは、図１５Ａのティース１０６Ａあるいは１０６Ｂの先端に鍔を有する形状としたものである。この鍔は、回転子からの流入磁束を有効に集める目的と、巻線した固定子巻線１２２の内側へのはみだし防止機能を有する。図１５Ｃには、軸方向に互い違いにする形状とした鉄心を示すが、その磁極の位置関係が、回転軸方向に重ならない構造を示している。固定子巻線１２２を配置するためのスペースを大きく確保するため、および、固定子巻線１２２の形状を単純化し生産性や作業性を向上するために、鉄心側の形状に工夫を凝らした実施例である。図３乃至図５あるいは図１７の固定子鉄心１０４は磁性薄板の積層構成であるが、積層構造に限るものではなく、圧粉磁心などを圧縮成形して製造しても良い。しかし、強度や信頼性、磁気特性の観点で、積層鋼板の方が優れている。なお、図１５Ｂや図１５Ｃの記載において説明を省略しているが、先の記載と同一符号は同じような作用をし、同じような効果を有する。

　図１６Ａ～Ｂには、図１５Ｂに示した鉄心を使用して、一相分の固定子鉄心である固定子鉄心１０４の製造概念を示す。ティース１０６Ａとティース１０６Ｂとの間の回転軸方向に延びる溝１１４に図６に記載の固定子巻線１２２の磁極間部１２４をそれぞれ挿入する。その後図１６Ａの各磁極対を溶接などで固定することで、周方向に一体化した固定子鉄心１０４が完成する。

　上記図１６Ａの構造あるいは図１乃至図５の構造は、回転軸に沿った溝１１４が存在し、前記溝１１４に固定子巻線１２２の固定子巻線の磁極間部１２４が挿入される形状である。一方、図１６Ｂに示す実施の形態は、ティース１０６Ａとティース１０６Ｂが完全に回転軸方向にずれている。この形状においては、固定子巻線１２２はほとんど回転軸方向の屈曲を設けることなく、溝１１４に挿入可能である。このため、固定子巻線１２２の生産性にすぐれている、また固定子巻線１２２の溝１１４への挿入が容易であり、作業性に優れる。しかし回転子に面する磁気回路の断面積が小さくなり、出力が低下し易い欠点がある。ただ出力が小さくても良い場合には生産コストが安価となり、有効である。

　最終的に完成した固定子１０２の基本構成は図１や図２Ａ～Ｃと同じであり、固定子巻線１２２は、回転軸に沿って一方端と他方端との間を行き来する掲示用を成して巻回されており、図２Ｂ乃至図２Ｃに示す構造である。上記図面の固定子鉄心１０４は、回転軸方向にずらしたティース１０６Ａとティース１０６Ｂを成す固定子鉄心１０４の回転軸方向の中央部で一部重なっている形状であり、図２Ｃに示す断面のように、スロットティース型回転電機の巻線配置とほぼ変わらない配置となっている。このため回転子と対向する面は効率良く磁気回路が構成され、優れた電気的な特性が得られる。一方固定子巻線１２２はスロットティース型回転電機に比べ大変簡素化されており、優れた生産性が得られ、また固定子巻線１２２の形状がシンプルなため、安全性や信頼性において優れた効果がある。

　図１７に、固定子巻線１２２の他の実施の形態を示す。図１や図２に示した構造では、固定子巻線１２２が回転軸方向と周方向をつなぐ部分において略直角に近い角度で曲がっている。すなわち固定子巻線１２２が回転軸と略平行な部分を有している。実際の被覆付マグネットワイヤでは、直角に曲げると絶縁のための樹脂被膜が損傷する心配があり、作業時に色々注意を払うことが必要となる。ある程度の曲げＲ（半径）を持って形成することが望ましい。この点で、図１や図２Ａ～Ｃに示す形状では固定子巻線１２２の形成作業に注意を払うことが望まれる。

　図１７に示す形状では、ティース１０６Ａとティース１０６Ｂとの間の溝１１４を周方向に広くしている。鉄心の磁極間の隙間をゆるくして、固定子巻線１２２の回転軸方向の部分を斜めに配置できる構造とした。この構造では曲げＲ（半径）をゆるやかに出来る利点が有り、作業性が向上する。ただし図１や図２Ａ～Ｃの構造のほうが固定子巻線１２２の占積率（スロットに対する導体断面積の割合）を高くでき、高出力を得やすい効果がある。図１７の構造で固定子巻線１２２の占積率が小さくならないように考慮することが効率向上の点で望ましい。

　図１８Ａ～Ｄに、占積率を向上するための固定子巻線１２２の断面形状を示す。通常、図１８Ａに示すように、丸断面のマグネットワイヤを巻線として使用することが考えられるが、占積率を向上するためには、平角のマグネットワイヤを用いて、図１８Ｂや図１８Ｃのように整列配置することでその占積率を高めることが可能である。また、図６に示したように固定子巻線１２２を予め製造し、その後固定子鉄心１０４と一体化する場合には、固定子巻線１２２の断面形状を望ましい形に成形する工程を設けることが望ましい。固定子巻線１２２の断面形状を成形する場合には、断面が略円形状の線を、図１８Ｄに示すような形状に成形することで上記占積率を高めることが出来る。

〔モータ等の回転電機への応用〕
　図１９Ｂは図７に示す３相交流の固定子１００を回転電機に適用した場合の回転電機の斜視図であり、図１９Ａは図１９Ｂに示す前記回転電機の展開図である。前側ハウジング４１８と後側ハウジング４１６に軸受４１４と軸受４１２とがそれぞれ固定されており、シャフト４３６が上記軸受４１４と４１２とに回転可能に保持されている。前記シャフト４３６には回転子４０４が固定されている。前記回転子４０４の外側には空隙を介して図７に記載の３相交流の固定子１００が設けられている。前側ハウジング４１８と後側ハウジング４１６とを通しボルト４５２で固定することにより、前側ハウジング４１８と後側ハウジング４１６との間に３相交流の固定子１００が固定され保持される。なお、３相交流の固定子１００の外周に更にアルミニウム材などで作られた外環４０１が設けられ、回転電機が密閉されている。

　上述の３相交流の固定子１００は色々な回転子との組合せにより、発電機として作用し、あるいはモータとして作用し、色々な用途に使用可能である。いずれにおいても３相交流の固定子１００の形状がシンプルで、特に固定子巻線１２２の形状がシンプルとなるため、生産性に優れている。また上記実施の形態では、軸方向の固定子巻線１２２のコイルエンドを少なくあるいは無くすことができ、小型化でき、さらに銅損を少なくできる。

Claims

　回転可能に保持された回転子と、前記回転子の回転軸方向に並べて配置された少なくとも２つの固定子鉄心を有する固定子とを備えた回転電機用の固定子鉄心において、　前記回転子の回転軸の周方向に配置された固定子鉄心の複数個の磁極と、前記複数個の磁極の各磁極間に前記回転軸の軸方向に形成された固定子鉄心の溝と、を有し、前記周方向に配置された各磁極の前記回転軸の軸方向の端面が隣接する磁極毎に前記回転軸の軸方向に波状に成形して、前記磁極の波状の内側の端面側および前記回転軸の軸方向に形成された溝に固定子巻線を配置可能とし、前記回転軸の周方向に配置された複数個の固定子鉄心の磁極が前記回転軸の軸方向に積層した鋼板からなることを特徴とする回転電機用の固定子鉄心。
　請求項１記載の回転電機用の固定子鉄心において、隣接する前記磁極をつなぐ固定子背面部の曲げ半径が、前記回転子の回転軸から半径方向外側になるしたがい連続的に大きくなるように形成されることを特徴とする回転電機用の固定子鉄心。
　鋼板から素材を切抜く工程１と、前記素材を積層する工程２と、前記素材を接合する工程３と、前記素材を波状に成形する工程４と、を備え、前記工程１乃至工程４の各工程を組み合わせて、回転電機の回転軸の周方向に固定子鉄心の複数個の磁極を形成し、前記複数個の磁極の各磁極間に前記回転軸の軸方向に溝を形成し、前記周方向に配置された各磁極の前記回転軸の軸方向の端面が隣接する磁極毎に前記回転軸の軸方向に波状にずれて配置されるよう成形することを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程２では前記工程１で切抜いた前記素材を積層し、前記工程３では前記工程２で積層した前記素材を接合し、前記工程４では前記工程３で接合した前記素材を波状に成形することを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程２では前記工程１で切抜いた前記素材を積層し、前記工程４では前記工程２で積層した前記素材を波状に成形し、前記工程３では前記工程４で波状に成形した前記素材を接合することを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程４では前記工程１で切抜いた前記素材を波状に成形し、前記工程２では前記工程４波状に成形した前記素材を積層し、前記工程３では前記工程２で積層した前記素材を接合することを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程４では、前記磁極の回転子軸方向の端面を隣接する前記磁極の回転子軸方向の端面と相対的に回転子の回転軸方向に押込むことを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程４では、前記磁極を回転子の回転軸の半径方向の中心側に移動させることを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程４では、前記磁極の回転子の回転軸の半径方向の中心側の面を工具に突き当てることを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程４では、前記磁極の回転子軸方向の端面を隣接する前記磁極の回転子軸方向の端面と相対的に回転子の回転軸方向に押込む方法、あるいは、前記磁極を回転子の回転軸の半径方向の中心側に移動させる方法、あるいは、前記磁極の回転子の回転軸の半径方向の中心側の面を工具に突き当てる方法、の少なくとも２つの方法を同一工程で行うことを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程１では、環状につながった形状に切抜くか、あるいは、前記固定子の１磁極分または複数磁極分が帯状につながった形状に切抜くことを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程２では、前記環状につながった形状に切抜いた板材を積層するか、あるいは、前記固定子の１磁極分または複数磁極分が帯状につながった形状の板材を積層するか、あるいは、帯状につながった板材をらせん状に積層することを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。
　請求項３記載の回転電機用の固定子鉄心の製造方法において、前記工程３では、半抜きして成形された凸部と凹部を合わせてかしめるか、レーザー溶接か、ＴＩＧ溶接か、接着かにより板材を接合することを特徴とする回転電機用の固定子鉄心の製造方法。