JP2007325353A - 電磁機械の固定子 - Google Patents

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

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。

特開２００５−３１２１２４号公報 特開２００５−２６１１３６号公報 特開平１０−００４６４１号公報

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。

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。

分割してない鉄心の磁気抵抗は、
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。

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。

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。

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。

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である、ヨークセグメント間に磁性樹脂材料で充填された間隙を設けた回転電機の固定子を示す中心軸に垂直な平面での部分的概略断面図。 図１に示す回転電機の固定子を示す概略側面図。 図１に示す回転電機の固定子の模式図。

符号の説明

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)

1. 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。
2. 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。
3. 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）
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。

Images