JP2007325353A - 電磁機械の固定子 - Google Patents
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Abstract
【課題】製作容易、良磁気特性、大結合強度の電磁機械の分割型固定子の提供。
【解決手段】固定子は、ティースを持つ複数のヨークセグメントを間隔を置いて配置した固定子鉄心と、ティース上の巻線とを備えている。ヨークセグメント間の間隙には高透磁性粉末を含む磁性樹脂材料が充填されてヨークセグメント間を磁気的に結合している。ヨークセグメントの両側面及び内外面の少なくとも一面を磁性樹脂材料で被覆すること、磁性樹脂材料で被覆されていない面を非磁性樹脂材料で被覆することも提案されている。
【効果】製作、組立が容易で磁気特性が損なわれない。
【選択図】図1
【解決手段】固定子は、ティースを持つ複数のヨークセグメントを間隔を置いて配置した固定子鉄心と、ティース上の巻線とを備えている。ヨークセグメント間の間隙には高透磁性粉末を含む磁性樹脂材料が充填されてヨークセグメント間を磁気的に結合している。ヨークセグメントの両側面及び内外面の少なくとも一面を磁性樹脂材料で被覆すること、磁性樹脂材料で被覆されていない面を非磁性樹脂材料で被覆することも提案されている。
【効果】製作、組立が容易で磁気特性が損なわれない。
【選択図】図1
Description
本発明は電磁機械の固定子に関し、特に複数に分割されたヨークから可動子側に向かって延びたティースを持つ固定子鉄心とティースに巻かれた巻線とを備えた回転電機等の電磁機械の固定子に関するものである。
スロットを有する鉄心形状のモータでは、スロット開口部からコイルを巻回するためにスロット内の巻線の占積率が悪くなる問題がある。これに対して、鉄心を分割することによりコイルの占積率を向上させる方法がある。しかし、積層鉄心の分割構造は、鉄心抜きの精度や積層倒れの問題から接合部に間隙や歪が生じ、鉄心内径精度の悪化や磁気特性の劣化によりコギングトルクの増加などが問題となる。
従来この問題を解決する技術として、回転電機の分割した鉄心の間隙に樹脂などを充填して、形状を成す方法があった(例えば特許文献1、2および3参照)。例えば、特許文献1の場合は、分割部に微小間隙を設け、この微小間隙に充填材を充填して接合している。また、特許文献2および3の場合は、ティースの内周部を互いに連結し、複数のティースが放射状に延びるティースに巻かれたコイルを有する内側コアと、このコアと別体に形成されたヨークを形成する環状の外側コアを有し、外側コアと内側コアの接合部に磁性フィラーまたは高透磁性フィラーを充填して接合している。
特許文献1では、微小間隙を接着剤などの充填材にて充填しているが、この接着剤は、コアの接合用であり、接着剤の磁気特性は、何ら配慮されていないので、標準的な接着剤の樹脂材料の磁気特性と同等であり、微小間隙は、磁気損失の増加につながり、さらに微小間隙の寸法公差は、磁気特性のばらつきとなるため、コギングトルクなどの特性のばらつきが問題となる。
また、分割された鉄心は、焼バメなどにより結合されているが、焼バメを行う場合、その締め代のばらつきにより鉄心内径側に歪が生じ、コギングトルクなどの特性のばらつきにつながる。このため、特許文献1および2では、結合部に間隙を設け、内径側に歪が生じないようにしている。しかし、この場合、接合部の結合強度は、充填する樹脂と接合面の接着強度に依存するため、それほど大きな結合強度は、期待できない。そこで、特許文献2および3では、ティース内周側先端を連結して、内径真円度と結合強度の確保を行っていると考えられるが、結合強度を強くするため、ティース間の連結部を太くすると、漏れ磁束が増加する。ティース間の連結部を太くすると無痛電磁のコギングトルク低減には有効であるが、漏れ磁束によって鉄心の磁気飽和が発生し、通電トルクリップルを生じるため、結果として、トルク脈動は小さくならない。また鉄心の磁気飽和によって、永久磁石の有効磁束が低減し、出力の低下や電流量に対するトルクの線形性が失われる。
また、これらの特許文献の実施例において、磁性粉末を含有した樹脂を充填する場合、コア積層方向の軸端面の隙間から軸方向へ樹脂を充填することになるため、接着剤や鉄分などの磁性粉末を含有した粘性の高い樹脂を充填する場合や積厚の長い鉄心へ充填は、非常に困難となる。
従ってこの発明の目的は、製作が容易で、磁気特性のばらつきが小さく、分割部の結合強度の大きい電磁機械の固定子を提供することである。
本発明は、ヨークおよびヨークから可動子側に向かって延びたティースを持つ固定子鉄心と、ティースに巻かれた巻線とを備えた電磁装置の固定子に於いて、固定子鉄心のヨークは、可動子の移動方向に間隙を介して離間して配列され、かつそれぞれティースを持った複数のヨークセグメントを備え、ヨークセグメント間の間隙には磁性樹脂材料が充填されてヨークセグメント間が磁気的に結合されていることを特徴とする電磁機械の固定子である。
実施の形態1.
図1は本発明の電磁機械の固定子を回転電機に適用した実施形態1による回転電機の固定子の中心軸に直角な面での断片的断面図であり、図2は図1の回転電機の固定子の概略側面図である。回転電機の固定子は、筒状のヨーク1およびヨーク1から径方向内側に延びたティース2を持つ固定子鉄心3と、ティース2に巻かれた巻線4とを備えている。固定子鉄心3の内側には、回転軸5によって回転可能に支持された永久磁石を備え、空隙6を介して固定子鉄心3に対向した可動子すなわち回転子7が設けられている。固定子鉄心3は、図2に示すように全体として筒状に配置された複数の鉄心部分10により構成されており、鉄心部分10は回転子7の移動方向に対してほぼ垂直な端面8同士が互いに微少な間隙9を介して離間した状態となるように配置されている。
図1は本発明の電磁機械の固定子を回転電機に適用した実施形態1による回転電機の固定子の中心軸に直角な面での断片的断面図であり、図2は図1の回転電機の固定子の概略側面図である。回転電機の固定子は、筒状のヨーク1およびヨーク1から径方向内側に延びたティース2を持つ固定子鉄心3と、ティース2に巻かれた巻線4とを備えている。固定子鉄心3の内側には、回転軸5によって回転可能に支持された永久磁石を備え、空隙6を介して固定子鉄心3に対向した可動子すなわち回転子7が設けられている。固定子鉄心3は、図2に示すように全体として筒状に配置された複数の鉄心部分10により構成されており、鉄心部分10は回転子7の移動方向に対してほぼ垂直な端面8同士が互いに微少な間隙9を介して離間した状態となるように配置されている。
図示の鉄心部分10は、各々一つのティース2を有するようにヨーク1が周方向(可動子である回転子7の移動方向)に複数個に分割されて配列されたヨークセグメント11を備えている。鉄心部分10は全体として断面がほぼT字型の部材である。即ち、T字型の横棒に相当するヨークセグメント11は全体がほぼ板状の部材で、外面(回転子7と反対側の面)12が固定子の外周面を形成する円筒面であり、内面13が平面であり、両側面14(図2)が固定子の中心軸(図2)15に垂直な平面である。両端面8は固定子の中心軸15を通る径方向の平面に平行な平面である。鉄心部分10のティース2はT字型の縦棒に相当するほぼ板状の部材であり、ヨークセグメント11の内面13の中央から中心軸15に向かって径方向内側に延びている。ティース2の回転子(可動子)側に向かって延びた内端には周方向に広がった脚部16が設けられている。
或る鉄心部分10のヨークセグメント11の端面8と周方向に隣接の鉄心部分10のヨークセグメント11の端面8との間には間隙9が形成されているが、この各鉄心部分10間の間隙9には磁性樹脂材料17が充填されていて、鉄心部分10間が磁気的に結合されている。また、磁性樹脂材料17はヨークセグメント11間に充填されているということもできる。図示の例では磁性樹脂材料17は端面8の間の間隙9だけでなく、そこからはみ出してヨークセグメント11の内面13上にまで回り込み、またヨークセグメント11の円筒形外面12上にも適用されている。
磁性樹脂材料17は、高熱伝導性および高透磁性の粉末を含有した樹脂であり、例えば硬化後の強度が充分に大きなエポキシ樹脂に鉄粉等の透磁性が大きく熱伝導度も大きな金属材料を混入させた樹脂材料である。
磁性樹脂材料17は、固定子鉄心3のヨークセグメント11の端面8だけでなく、軸方向に対して垂直な両側面14および内外面12、13のうちの少なくとも一面をも被覆している。図示の例ではヨークセグメント11の全ての面が磁性樹脂材料17により被覆されているが、ヨークセグメント11の内面13だけは端面8に沿った内面13の縁部分だけが僅かに被覆されているだけで、巻線4の設けられている部分を含む内面13のその他の部分は磁性樹脂材料17によっては被覆されていない。
このように固定子鉄心3の両側面14および内外面12、13のうちの磁性樹脂材料17によって被覆されていない面、即ち内面13は、その上に設けられた巻線4とともに、非磁性樹脂材料18によってモールドされて被覆されている。このように、非磁性樹脂材料18はティース2に巻かれた巻線4をティース2とともにモールドしているため、巻線4に非磁性樹脂材料18による絶縁シールドが設けられていることになる。この絶縁シールドは、磁性樹脂材料17の充填作業中に高透磁性の粉末を含有した磁性樹脂材料17が巻線4部に漏れてくることを防ぐ作用をするので、磁性樹脂材料17のそのような漏れ防止のための処理をする必要が無くなり、コイルエンド部など余ったスペースを容易に有効に活用することができるようになる。
このようにこの実施の形態によれば、環状のヨーク1およびヨーク1から径方向内側に延びたティース2を持つ固定子鉄心3が、複数の鉄心部分10により構成されている。鉄心部分10はそれぞれ一つのティース2を持ち、鉄心部分10のヨークセグメント11の端面8が対向して間に間隙9を有するように配置され、全体として円筒形の固定子鉄心3を形成している。ヨークセグメント11間の間隙9には磁性樹脂材料17が充填されていて、ヨークセグメント11を互いに磁気的に結合している。
また、固定子鉄心3のヨークセグメント11の可動子移動方向に見て両側面14および内外面12、13のうちの少なくとも一面が、磁性樹脂材料17で被覆されている。更に固定子鉄心3のヨークセグメント11の両側面14および内外面12、13のうちの磁性樹脂材料17で被覆されていない面が、非磁性樹脂材料18によって被覆されている。
このように本発明では、例えば固定子鉄心3の積層板の打ち抜き作業時の工作誤差のばらつきによる寸法形状の誤差による磁気特性に対する悪影響が少ない。このため、ヨークセグメント11間の間隙9を余裕を持って大きく設定しておいても接合部の工作精度が低くても磁気特性を損ねることがなく、また、部品間の位置精度も高めることもできる。
また、分割部の結合は、分割間隙の樹脂結合だけでなく固定子鉄心の軸方向両端および内外周部の4面を樹脂で覆うことにより、より強い強度で結合することができる。また、樹脂の充填経路としては、コア端面(コイルエンド側)の他にコア内外径の側面からも充填可能なことから、間隙が細長くなる積厚の長い鉄心や接着剤や高透磁性の粉末を含有した粘性の高い樹脂でも容易に充填することができる。このような樹脂材料による充填および被覆作業は図示してない適当な治具あるいはモールド型を使用して行うことができる。
このとき高透磁性の粉末は、通常、鉄分など熱伝導性の高い材料であるため、それを含有した樹脂をコアバックのコイルエンド部の空き領域により充填することによりコア−コイル間、コア−フレーム間の熱伝導性が大幅に向上する。また、鉄などの高透磁性の磁性材料の粉末を含有した樹脂でコアバック部のコイルエンド側の空き領域など3次元磁路として有効に活用することができ、自由度のある磁気設計が可能となる。
本発明の構成として、間隙9の形状寸法および高透磁性の粉末を含有した磁性樹脂材料17の透磁率は、磁性樹脂材料17を充填した間隙9の磁気抵抗が磁性樹脂材料17を充填してない間隙9(空隙)の磁気抵抗に比べて十分小さくなるように設定することが望ましい。その具体的手法は次の通りである。
図3は図1および図2に示す回転電機の固定子の模式図であり、この図に於いて、永久磁石からの磁束は空隙6、鉄心部分10(ティース2およびヨークセグメント11)、間隙9、ティース2および空隙6を通る磁路c1を通るが、この磁路c1の磁気抵抗の大きさは、空隙6の磁気抵抗をRb、ティース2の磁気抵抗をRs、間隙9の磁気抵抗をRaとすれば
Rb+Rs+Ra+Rs+Rb (1)
となる。
Rb+Rs+Ra+Rs+Rb (1)
となる。
一般的に鉄心部分10の磁気抵抗Rsは、空隙6の磁気抵抗Rbに比べて、十分小さいことから鉄心部分10の磁気抵抗Rsを無視することができる。磁気抵抗は、磁路長、透磁率、断面積で表すことができるので、
2Rb+Ra=2b1/(μo×Sb1)+(al±Δa1)/(μoμr×Sa1)
(2)
Sa1:磁束方向に見た間隙9の断面積、Sb1:磁束方向に見た空隙の断面積、
μo:真空中の透磁率、
μr:高透磁性の粉末を含有した非磁性樹脂材料の比透磁率
となる。
2Rb+Ra=2b1/(μo×Sb1)+(al±Δa1)/(μoμr×Sa1)
(2)
Sa1:磁束方向に見た間隙9の断面積、Sb1:磁束方向に見た空隙の断面積、
μo:真空中の透磁率、
μr:高透磁性の粉末を含有した非磁性樹脂材料の比透磁率
となる。
分割してない鉄心の磁気抵抗は、
2×Rb=2×(b1/μo×Sb1) (3)
である。
2×Rb=2×(b1/μo×Sb1) (3)
である。
ここで、式(2)の鉄心部分間に間隙a1±Δa1ができたときの空隙長b1の見かけの増加分は、
(2/μo+Sb1)×(b1+((a1±Δa1)/2μr)×(Sb1/Sa1)) (4)
となる。
(2/μo+Sb1)×(b1+((a1±Δa1)/2μr)×(Sb1/Sa1)) (4)
となる。
したがって、空隙長b1の見かけ上のばらつきは、式(4)より
(Δa1/2μr)×(Sb1/Sa1) (5)
となる。
(Δa1/2μr)×(Sb1/Sa1) (5)
となる。
通常コギングトルクを定格トルクの1.5%以下に抑えようと考えると、空隙長b1の10分の1以下にばらつきを抑える必要があることから
(Δa1/2μr)×(Sb1/Sa1)≦(b1×0.1) (6)
となるように設計されることが望ましい。
(Δa1/2μr)×(Sb1/Sa1)≦(b1×0.1) (6)
となるように設計されることが望ましい。
ここで間隙の公差Δa1を小さく設計したとき、高い加工精度確保のためコストアップにつながる。このことから高透磁性の粉末を含有した樹脂の透磁率μrとバランスの取れた設計を行う必要がある。このように設計すれば、コギングトルクなど磁気特性のばらつきの小さい固定子を安く簡単に製作することができる。
プレス打ち抜きで作られた積層鉄心でコアを構成する場合には、通常間隙の公差ばらつきは積層する鉄心の1/3程度は生じうる値である。したがって間隙をあらかじめ確保しようとすると板厚の加工公差を入れると、間隙の距離は積層鉄心を構成する磁性鋼板の1/3程度以上設ける必要がある。
通常電機機器では0.35t材もしくは0.5t材を使うことが多く、この場合の積層時の公差を考慮して、間隙を確保すると、設計上は100μm〜200μm程度以上の平均的な隙間値を設定する必要がある。また、樹脂注形時の流動性確保のためにも、間隙を100μm〜200μm程度以上は確保することが望ましい。
ここで、100μm〜200μm程度の隙間を保持した場合に、磁性粉末を注入することを考える。数十ミクロンと極端に磁性粉粒系が小さい場合は、間隙を複数の磁性粉末で埋めることにある。このときの微小粒子間に樹脂が介在することから間隙の磁気抵抗低減の効果が少なくなる。
ところが、磁性粉の粒径を100μm〜200μm程度以上で間隙程度とした粉末が含まれると間隙の鉄心間を1粒の磁性粉末が挟まれ、直接磁性粉末粒子で間隙を磁気的に短絡できる個所を設けることができるので、トータルでは間隙の磁気抵抗をより低減できるという効果が得られる。
図1に示すように、固定子内の巻線部の余ったスペースを利用してヨークセグメント11の内面13(内径側)に高透磁性の粉末を含有した磁性樹脂材料17を充填する場合には、予め巻線4を非磁性の絶縁モールド樹脂等の非磁性樹脂材料18で被覆(モールド)したり、または絶縁フィルム(図示してない)などでシールしておくことによりコアバック内径側(巻線部)を有効に活用することができ、その製作が容易になる。
なお、以上説明した本発明は、永久磁石を用いたリニア同期モータに適用しても同様の効果が得られる。
1 ヨーク、2 ティース、3 固定子鉄心、4 巻線、5 回転軸、6 空隙、7 回転子、8 端面、9 間隙、10 鉄心部分、11 ヨークセグメント、12 内外面、13 内面、14 両側面、15 中心軸、16 脚部、17 磁性樹脂材料、18 非磁性樹脂材料、a1 間隙長、b1 空隙長、c1 磁路、Rb 磁気抵抗、Rs 磁気抵抗、Δa1 公差、μr 透磁率。
Claims (8)
- ヨークおよびヨークから可動子側に向かって延びたティースを持つ固定子鉄心と、上記ティースに巻かれた巻線とを備えた電磁機械の固定子に於いて、
上記固定子鉄心の上記ヨークは、上記ティースを持った複数のヨークセグメントを備え、
上記複数のヨークセグメントは、可動子の移動方向に間隙を介して離間して配列され、
上記ヨークセグメント間の上記間隙には磁性樹脂材料が充填されて上記ヨークセグメント間が磁気的に結合されていることを特徴とする電磁機械の固定子。 - 上記巻線の磁界と相互作用して推力を発生させる永久磁石を備え、
上記間隙に上記磁性樹脂材料が充填された場合の上記複数のヨークセグメント間の磁気抵抗が、上記間隙が空隙の場合の上記複数のヨークセグメント間の磁気抵抗より小さいことを特徴とする請求項1に記載の電磁機械の固定子。 - 上記ヨークと上記ティースと分割部間隙の断面積Sa1、上記隙間の製造バラツキΔa1、上記磁性樹脂材料の透磁率μr、上記固定子鉄心と上記永久磁石との間の空隙距離b1、および断面積Sb1の関係が次式を満たすことを特徴とする請求項2に記載の電磁機械の固定子。
(Δa1/2μr)×(Sb1/Sa1)≦(b1×0.1) - 可動子の移動方向に見て上記ヨークセグメントの両側面および内外面のうちの少なくとも一面が、上記磁性樹脂材料で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電磁機械の固定子。
- 上記ヨークセグメントの両側面および内外面のうちの上記磁性樹脂材料で被覆されていない面が、非磁性樹脂材料で被覆されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の電磁機械の固定子。
- 上記磁性樹脂材料は、鉄の粉末を含有した樹脂であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の電磁機械の固定子。
- 上記ヨークは積層板で構成され、上記鉄の粉末には、上記積層板の一枚の板の厚みの1/3以上の粒径の粉末も含まれることを特徴とする請求項6に記載の電磁機械の固定子。
- 上記ティースに巻かれた上記巻線に上記非磁性樹脂材料による絶縁シールドが設けられていることを特徴とする請求項5乃至7のいずれか一項に記載の電磁機械の固定子。
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JP2006150127A JP2007325353A (ja) | 2006-05-30 | 2006-05-30 | 電磁機械の固定子 |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3764511A1 (de) * | 2019-07-10 | 2021-01-13 | Siemens Aktiengesellschaft | Statorblechpaket mit gedruckter erweiterung |
JPWO2021171435A1 (ja) * | 2020-02-26 | 2021-09-02 |
-
2006
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WO2021171435A1 (ja) * | 2020-02-26 | 2021-09-02 | 三菱電機株式会社 | ステータ、電動機、送風機、空気調和装置およびステータの製造方法 |
JP7258213B2 (ja) | 2020-02-26 | 2023-04-14 | 三菱電機株式会社 | ステータ、電動機、送風機、空気調和装置およびステータの製造方法 |
AU2020431621B2 (en) * | 2020-02-26 | 2023-07-06 | Mitsubishi Electric Corporation | Stator, Motor, Fan, Air Conditioner, and Manufacturing Method of Stator |
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