JP2009201235A - 電動機固定子の固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子の鉄心に圧縮応力が加わらないことにより材料の特性劣化がなく、かつ温度が上昇しても固定力が変わらない電動機固定子の固定方法を提案する。
【解決手段】電動機固定子はヨーク部外周に扇形状の凸部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凹部を有している。または、電動機固定子はヨーク外周に扇形状の凹部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凸部を有している。そして、前記凸部および前記凹部を嵌め合わせることで前記電動機固定子と前記電動機ケースを結合する。さらに、前記電動機固定子と前記電動機ケースの結合部に熱硬化性樹脂系接着剤を充填する。結合部を加熱し、前記熱硬化性樹脂系接着剤を硬化させるとともに熱収縮させることで、前記電動機固定子に引張応力を付与することになる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電磁鋼板の特性劣化を抑えた電動機固定子の固定方法に関するものである。

近年、地球温暖化、化石燃料の枯渇の影響を受けてエネルギー消費量削減の必要性が迫られている。そして、電力の多くは電動機により消費されるため、各種電動機の効率向上がますます重要となってきている。そのため、電動機の効率向上を目的として、電動機の鉄心材料である電磁鋼板の特性改善、特に鉄損低減に力が注がれている。

電動機は一般に磁石を埋め込んだ円柱状回転子とその外周の固定子からなり、固定子は巻線が施されたティース部とヨーク部とからなる。回転子と固定子は、電磁鋼板を所望の形状に打ち抜いた板を積層し、かしめや溶接などにより固着して作られる。そして、固定子はティース部に巻線を施した後、電動機ケースに固定される。この電動機ケースに固定子を固定する方法はいくつかあるが、中でも焼きばめによる方法が多く用いられている。この方法は、固定子の外径よりわずかに小さい内径をもつ電動機ケースを加熱して固定子を嵌め込む方法であり、室温に冷却すると電動機ケースが収縮して固定子が固定される。しかしながら、この方法を用いると固定子全体に大きな圧縮応力が加わる。特に固定子の磁路に沿って大きな圧縮応力が加わる。固定子に大きな圧縮応力が加わると、電動機の効率を著しく低下してしまう問題が発生する。

このような電動機の特性劣化を最小限にとどめるために、特許文献１には、固定子にかかる圧縮応力をできるだけ低減する方法が提案されている。

ここで、固定子に圧縮応力が加わった場合に電動機の特性が劣化する主たる原因は、鉄心材料である電磁鋼板の鉄損特性の応力依存性にあると考えられる。そして、例えば、非特許文献１に記載されているように、電磁鋼板に磁路方向に沿って圧縮応力を加えると鉄損が増大し、透磁率が低下することが知られている。したがって、電動機ケースに固定子を固定する際に固定子に加わった圧縮応力により鉄心材料である電磁鋼板の鉄損が増加し、かつ透磁率が低下するために、所望の磁束密度を得るために大きな巻線電流が必要となり、その結果、電動機の損失が増加して効率が低下すると解釈できる。

逆に、電磁鋼板に引張応力が加わった場合は、非特許文献１に記載があるように、鉄損は低減し、透磁率も高くなる応力範囲が存在する。特許文献２には、この現象を利用して、固定子の径方向外側に向けて引張応力を付与されるように固定子の形状とその固定方法についての提案がなされている。
特開2005-80451号公報 特開2006-223015号公報 谷良浩、大穀晃裕、有田秀哲、中野正嗣、山口信一、都出結花利、吉岡孝、藤野千代著「電磁鋼板の応力下における磁気特性の測定」電気学会マグネティックス研究会資料 MAG-03-191

しかしながら、特許文献１に記載の焼きばめ時に加わる圧縮応力を低減する方法では、その応力を最大限減らしても完全に除くことはできない。なぜならば圧縮応力を加えることにより固定子を電動機ケースに固定させる方法であるため、この応力が小さすぎると、回転子が回転駆動しているあいだに固定子が動くおそれがあり正常な電動機として作動できないからである。非特許文献１に記載されているように、電磁鋼板は小さな圧縮応力により鉄損は急激に増加する。このことを考慮すると、固定子を固定するために最低限必要な少しの圧縮応力でも電動機特性は劣化してしまうおそれがある。

また、固定子を電動機ケースに固定する方法として、焼きばめ以外の方法では圧入、ボルト締めなどがあげられる。圧入では、ケースに圧力を加えてはめこむため、固定後の圧縮応力の加わり方は、焼きばめによるものと基本的に同じで、固定子全体に圧縮応力が加わる。一方、ボルト締めでは固定子全体に圧縮応力が加わることはないが、ボルト締めの箇所に局所的に歪みが生じる。鉄心材料の電磁鋼板は、局所歪みによっても磁気特性が劣化するため、ボルト締めによる固定子の固定方法も電動機の特性を損なってしまうと推測される。

特許文献２では、固定子に引張応力を付与することにより固定しており、圧縮応力による電磁鋼板の特性劣化の問題を解決している。しかしながら、電動機が回転している間に、回転子や固定子を形成する材料の鉄損や銅損により温度が上昇して、結合部の固定力が弱まることが懸念される。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、固定子の鉄心に圧縮応力を加えないことにより材料の特性劣化を防止し、かつ、温度が上昇しても固定力が変わらない電動機固定子の固定方法を提案することを目的とする。

本発明では、前記課題を解決するために、まず、圧縮応力を付与しつつモータケースに固定子を固定する従来の方法とは異なり、固定子に引張応力を付与しながらモータケースに固定子を固定する方法に着目した。そして、凹部と凸部を嵌め合わせることで電動機固定子（以下、略して固定子と称す）と電動機ケース（以下、略してケースと称す）を結合することを発案した。さらには、固定子とケースの結合部分に熱硬化性樹脂系接着剤が充填されている場合に、硬化により熱収縮して、鉄心材料である電磁鋼板に引張応力が加わることに着目したところ、温度が上昇しても接着効果により、固定子とケースの固定力が低下せず、優れた特性を有することを見出した。

本発明は、このような知見に基づきなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

［1］電動機固定子はヨーク部外周に扇形状の凸部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凹部を有しており、前記凸部および前記凹部を嵌め合わせることで前記電動機固定子と前記電動機ケースを結合し、さらには、前記電動機固定子と前記電動機ケースの結合部に熱硬化性樹脂系接着剤を充填することを特徴とする電動機固定子の固定方法。
［２］電動機固定子はヨーク部外周に扇形状の凹部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凸部を有しており、前記凹部および前記凸部を嵌め合わせることで前記電動機固定子と前記電動機ケースを結合し、さらには、前記電動機固定子と前記電動機ケースの結合部に熱硬化性樹脂系接着剤を充填することを特徴とする電動機固定子の固定方法。
［３］前記［１］に記載の前記扇形状の凸部は、前記扇形状の凸部中心線が前記電動機固定子の中心とティースを結ぶ延長線上に位置するように形成されていることを特徴とする電動機固定子の固定方法。
なお、前記扇形状の凸部中心線とは、凸部の周方向幅の１／２の位置と前記凸部を形成する扇形の中心を結ぶ線である。
［４］前記［２］に記載の前記扇形状の凹部は、前記扇形状の凹部中心線が前記電動機固定子の中心とティースを結ぶ延長線上に位置するように形成されていることを特徴とする電動機固定子の固定方法。
なお、前記扇形状の凹部中心線とは、凹部の周方向幅の１／２の位置と前記凹部を形成する扇形の中心を結ぶ線である。
［５］前記［１］〜［４］のいずれかにおいて、熱硬化性樹脂系接着剤が充填されている前記結合部を加熱し、前記熱硬化性樹脂系接着剤を硬化させるとともに熱収縮させ、前記電動機固定子に引張応力を付与することを特徴とする電動機固定子の固定方法。

本発明によれば、固定子の鉄心に圧縮応力が加わらないことにより材料の特性劣化がなく、かつ、温度が上昇しても固定力が変わらない電動機固定子の固定方法を提供する。
さらに、固定子に働く引張応力により、固定子を構成する電磁鋼板の磁気特性を改善することができる。その結果、電動機の損失が小さくなり、効率の高い電動機を提供できる。
以上より、従来の電動機に比べて、固定子の電磁鋼板の透磁率増加により巻線電流が減少し銅損が低下し、巻線数の減少による固定子の小型化が達成される。

本発明は、電動機の一部を構成する固定子をケースに固定するに際し、固定子はヨーク部外周に扇形状の凸部（または凹部）を有し、ケースは内周に扇形状の凹部（または凸部）を有することを特徴とする。そして、前記凸部および前記凹部を嵌め合わせることで前記固定子と前記ケースが結合する。これにより、固定子に加わる圧縮応力を回避でき、鉄心材料である電磁鋼板の特性劣化を抑えられる。
さらに、前記固定子と前記ケースの結合部に熱硬化性樹脂系接着剤を充填し、結合部を加熱し、前記熱硬化性樹脂系接着剤を硬化させるとともに熱収縮させることで、前記固定子に引張応力を付与することになる。そして、固定子に働く引張応力により、固定子を構成する電磁鋼板の磁気特性を改善することができる。
これにより、固定子鉄心材料である電磁鋼板の鉄損を低減し、透磁率を増加して、その結果、電動機の効率改善が可能となる。

本発明を実施するための最良の形態の一例を以下に示す。
まず、従来の焼きばめにより固定子を固定すえる方法の模式図を図１に示す。図１に示すやきばめによる方法では、固定子１の外径よりわずかに小さい内径を持つケースリング２を一定の温度に加熱し、熱膨張により大きくなったケースリング２内側に固定子１をはめ込み、次いで、ケースリング２の温度の低下にともなってケースリング２が収縮し、その結果、固定子１が固定される。
この他に、圧入による方法では、ケースリング２を加熱しないで荷重を加えて固定子１をケースリング２にはめ込むものである。
やきばめによる方法や圧入による方法のいずれの場合でも、固定後は固定子に圧縮応力が加わっている状態となる。
一方、本発明による電動機固定子の固定方法の一実施形態を図２、図３及び図４に示す。本発明は、圧縮応力を回避しさらに固定子に引張応力を付与する方法であり、図２および３に示したように固定子１はヨーク部３の外周に扇形状の凸部４を有しており（図２）、ケース５は内周に扇形状の凹部６を有している。そして、固定子１を加熱した後にケース５に挿入する、あるいはケース５を冷却した後に固定子１を挿入あるいは圧入して、前記凸部４および前記凹部６を嵌め合わせることで、図４に示すように前記固定子１と前記ケース５を結合する。そして、室温になった際に固定子１がケース５に固定される。

さらに、本発明では、上記に加え、前記固定子１と前記ケース５の結合部に熱硬化性樹脂系接着剤７を充填する。熱硬化性樹脂系接着剤７が充填されている前記結合部を加熱し、前記熱硬化性樹脂系接着剤７を硬化させるとともに熱収縮させ、前記固定子１に固定子凸部４を起点として径方向外側にさらに引張応力が加わる。

なお、図２および図３では扇形の凸部を固定子１側に、凹部をケース５側に形成する例を述べたが、これとは反対に凹部を固定子１側に、凸部をケース５側に形成しても目的は達成できる。ヨークの幅、ティースの幅、ならびに予想される磁束密度分布等により適宜好ましい凸部もしくは凹部の組合せを選択できる。

熱硬化性樹脂系接着剤としては、エポキシ樹脂系、フェノール樹脂系、メラニン樹脂系の接着剤があげられる。これらを、予めケース内面に塗布するか、固定子をケースに挿入してから結合部隙間に充填する。固定子は電磁鋼板を積層して固着したものが用いられ、板間の固着にしばしば接着剤が使われる。この時に用いた接着剤が積層時に固定子外側にしみ出して、結合部の隙間を埋めるようにするとさらに好ましい。また、結合部隙間に接着剤とともにフィラーを混合することにより固定力を高めることも可能である。
そして、固定子をケースに挿入した後、熱硬化温度まで結合部を加熱し、前記熱硬化性樹脂系接着剤を硬化させるとともに熱収縮させ、前記固定子に引張応力を付与することで、最終的に固定子とケースを固定する。

また、図２に示す前記扇形状の凸部４は、図２に示すように、前記扇形状の凸部中心線が前記固定子の中心とティース８を結ぶ延長線上に位置するように形成されるとティースの径方向（磁路方向）にも引張応力が加わるため好ましい。なお、前記扇形状の凸部中心線とは、図５に示すように、周方向幅の１／２の位置と凸部の形成する扇形の中心とを結ぶ線である。

図５は固定子の扇形状の凸部４を拡大した図であり、図６はケースの扇形状の凹部６を拡大した図である。図５および図６によれば、固定子凸部の扇形の開き角度は、電動機ケース内周に設けられた凹部の扇形開き角度よりわずかに小さくしておくことが好ましい。電動機が回転を続け温度が上昇した場合には、充填された樹脂は少なからず熱膨張する。しかし、扇形の付け根部分の開き角度に差を設けることで、この部分に存在する樹脂の膨張により、固定子はより外側に引っ張られることになり、温度が上昇しても固定力は低下しないことになる。
なお、電動機固定子はヨーク外周に扇形状の凹部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凸部を有している場合は、電動機固定子凹部の扇形の開き角度を、電動機ケース内周に設けられた凸部の扇形開き角度よりわずかに大きくしておくことが好ましい。そして、この場合も同様に前記固定子の扇形状の凹部は、前記扇形状の凹部中心線が前記固定子の中心とティース８を結ぶ延長線上に位置するように形成されていることが、ティースの径方向（磁路方向）にも引張応力が加わるため好ましい。なお、前記扇形状の凹部中心線とは、凹部の周方向幅の１／２の位置と凹部の形成する扇形の中心とを結ぶ線である。
以上のように、本発明は、固定子のケースへの固定方法に起因した鉄心磁気特性の劣化を防止するのみならず、モータ構造の点から鉄心磁気特性を積極的に向上させようとするものである。さらに、焼きばめ、圧入といった、モータ鉄心外周面に作用する強い応力を用いてケースと固定子とを固定する際に生じる鉄心磁気特性（鉄損）の劣化という問題に対し、本発明はこのような劣化を防止するにとどまらず、鉄心磁気特性を素材から想定される特性よりも改善する方法を提示することを主旨としている。このような点から、本発明は、継鉄部の周長が長いために継鉄部の印加される圧縮力の悪影響の大きいインナーロータ型のモータに対して最適である。

図７と同様の形状、構造を有する電動機を以下のように作製した。電動機は８極１２スロットの集中巻きのブラシレスＤＣモータ（表面磁石型、内回転子型）とした。固定子１は、JIS50A400グレードの0.5mm厚の無方向性電磁鋼板を図２に示す形状にプレス打ち抜きした板を195枚積層し、固着した後、ティース８をボビンで覆い、そのうえに巻線を施した。全体の厚みは100mmである。なお、固定子の外径（突起部含めず）は180mm、内径は80mm、ヨーク幅は8mm、ティース幅は10mmである。また、図２に示すように、扇形上の凸部４をその中心線が固定子の中心とティースを結ぶ延長線上に位置するようにヨーク部３の外周に１２箇所形成した。図４に示すように、この扇形上の凸部４の外周はヨーク部３の同心円に沿うものとし、その径方向幅は7mm、開き角度は110°、周方向幅は12mmとした。
一方、ケース５は、アルミ合金製にて製造した。ケース５の内周に扇形上の凹部６を形成し、ケース５の凹部６の内側に予め、一液性のエポキシ樹脂系接着剤を塗布して、その扇形状の凹部と凸部が合うように固定子１を合わせ、ケース５に挿入して、150℃で15分加熱し硬化接着した。図５に示すように、ケース５は、内径が181mmで肉厚15mmであり、扇形状の凹部６を有し、その扇形の径方向幅が9mm、開き角度が120°で、周方向開き幅は12.5mmである。
以上により得られた電動機を電動機Aとする。

比較のため、図１に示したような、扇形突起物のない形状に打ち抜いた電磁鋼板を上記本発明例と同じ枚数だけ積層し、ケースを200℃に加熱して、焼きばめにより電動機Ｂを作製した。

以上により得られた２種の電動機Ａおよび電動機Ｂに対して、モータ回転数2500rpm、トルク10Nmの条件にてモータ効率を測定した。なお、モータ効率は、トルクおよび回転数から求められる出力と入力電力との比（出力／入力×１００［％］）で評価した。
その結果、電動機Aでは93%の効率であったが、Ｂでは89%であり、本発明例では、比較例よりも高いモータ効率が得られていることがわかる。そして、優れた特性の電動機が得られることが確認できた。

図10に示す形状、構造を有する電動機を以下のように作製した。
電動機は８極１２スロットの集中巻きのブラシレスＤＣモータ（表面磁石型，内回転子型）とした。
固定子１は、JIS50A400グレードの0.5mm厚の無方向性電磁鋼板を図8に示す形状にプレス打ち抜きした板を97枚積層し、固着した後、ティース８をボビンで覆い，そのうえに巻線を施した。全体の厚みは50mmである。なお固定子の外径は190mm，内径は80mm，ヨーク幅は13mm、ティース幅は10mmである。扇形凹部９をその中心線がティース８の中心線と一致するようにヨークの外周側に４箇所形成した。この扇形凹部の内周はヨークの同心円に沿うものとし，その径方向幅は7mm、開き角度4cは110°、周方向幅は12mmとした。
また，ケース５は、内径が180.6mm（突起部含まず）で肉厚12mmであり、扇形凸部を有し、その扇形の径方向幅9mm、開き角度が120°で、周方向開き幅5bは12.5mmである。
アルミ合金製で作製したケース５を−20℃に冷却後、凹部内側に予め一液性のエポキシ樹脂系接着剤を塗布した固定子１を、図９に示すように、その扇形凹凸部が合うように合わせ、ケース５に挿入して、145℃で20分加熱し硬化接着した。これを電動機Ｃとする。

電動機Ｃを、モータ回転数2500rpm、トルク6Nmにてモータ効率を測定した。効率は92%であり、高いモータ効率が得られることがわかった。

本発明による効果は、永久磁石式同期電動機（ブラシレスＤＣモータ）においてのみならず、電磁鋼板を材料とする電動機、例えば誘導式電動機やスイッチドリラクタンスモータにおいても有用である。

従来の焼きばめ固定方法による固定子挿入状態時を示す図である。 本発明の固定子を形成する電磁鋼板１枚の形状を示す図である。 本発明の固定子を挿入するケースの断面図である。 本発明の固定子の扇形状の凸部拡大図である。 本発明の固定子の扇形状の凸部拡大図である。 本発明のケースの扇形状の凹部拡大図である。 本発明の固定子をケースにはめ込む場合の模式図である。 本発明の固定子を形成する電磁鋼板１枚の形状を示す図である。 本発明の固定子を挿入するケースの断面図である。 本発明の固定子をケースにはめ込む場合の模式図である。

符号の説明

１ 固定子
２ ケースリング
３ ヨーク部
４ 扇形状の凸部
５ ケース
６ 扇形状の凹部
７ 熱硬化性樹脂系接着剤
８ ティース
９ 扇形状の凹部(固定子)

Claims (5)

1. 電動機固定子はヨーク部外周に扇形状の凸部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凹部を有しており、前記凸部および前記凹部を嵌め合わせることで前記電動機固定子と前記電動機ケースを結合し、さらには、前記電動機固定子と前記電動機ケースの結合部に熱硬化性樹脂系接着剤を充填することを特徴とする電動機固定子の固定方法。
2. 電動機固定子はヨーク部外周に扇形状の凹部を有し、電動機ケースは内周に扇形状の凸部を有しており、前記凹部および前記凸部を嵌め合わせることで前記電動機固定子と前記電動機ケースを結合し、さらには、前記電動機固定子と前記電動機ケースの結合部に熱硬化性樹脂系接着剤を充填することを特徴とする電動機固定子の固定方法。
3. 請求項１に記載の前記扇形状の凸部は、前記扇形状の凸部中心線が前記電動機固定子の中心とティースを結ぶ延長線上に位置するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電動機固定子の固定方法。
   なお、前記扇形状の凸部中心線とは、凸部の周方向幅の１／２の位置と前記凸部を形成する扇形の中心を結ぶ線である。
4. 請求項２に記載の前記扇形状の凹部は、前記扇形状の凹部中心線が前記電動機固定子の中心とティースを結ぶ延長線上に位置するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の電動機固定子の固定方法。
   なお、前記扇形状の凹部中心線とは、凹部の周方向幅の１／２の位置と前記凹部を形成する扇形の中心を結ぶ線である。
5. 熱硬化性樹脂系接着剤が充填されている前記結合部を加熱し、前記熱硬化性樹脂系接着剤を硬化させるとともに熱収縮させ、前記電動機固定子に引張応力を付与することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動機固定子の固定方法。

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