JP2010178598A - Rotary electric machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機、発電機といった回転電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine such as an electric motor and a generator.
回転電機のステータコアは複数枚の電磁鋼板を積層して形成される。電磁鋼板の積層工程では、通常、1枚積層する毎に電磁鋼板表面の所定位置にプレスによって微小な凹部を形成する(裏面では凸部となる)、所謂、カシメにより電磁鋼板間を係合する方法が採用されることが多い。このカシメによる係合は、電磁鋼板間の位置ズレを防止する効果がある。また、電磁鋼板間をより強固に固定する方法としては、ステータコア外周面を溶接することも提案されている(特許文献1)。 A stator core of a rotating electrical machine is formed by laminating a plurality of electromagnetic steel plates. In the process of laminating electromagnetic steel sheets, each time one sheet is laminated, a minute concave portion is formed by pressing at a predetermined position on the surface of the electromagnetic steel plate (becomes a convex portion on the back surface). The method is often adopted. This engagement by caulking has the effect of preventing misalignment between the electromagnetic steel sheets. In addition, as a method for more firmly fixing the magnetic steel sheets, it is also proposed to weld the outer peripheral surface of the stator core (Patent Document 1).
上記のカシメ等により電磁鋼板間を係合した場合には、更に、ステータコア全体を固定する必要がある。ステータコア全体を固定する方法として、筒状の金属ケースにステータコアを圧入、焼嵌めすることが提案されている(特許文献2及び3)。 When the electromagnetic steel plates are engaged by the above-described caulking or the like, it is further necessary to fix the entire stator core. As a method of fixing the entire stator core, it has been proposed to press-fit and shrink-fit the stator core in a cylindrical metal case (Patent Documents 2 and 3).
しかし、筒状の金属ケースにステータコアを圧入、焼嵌めすると、ステータコアにはロータ中心方向に向かう圧縮応力が残留する。電磁鋼板の性質上、このような圧縮応力は電磁鋼板の磁気特性を悪化させる場合がある。また、回転電機の放熱性を考慮すると、圧入や焼嵌めを行った場合のように、ステータコアと金属ケースとが機械的に接触しているよりも、溶接した場合のように、冶金的に接合されている方がステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性の点で有利である。しかし、ステータコアと金属ケースとを溶接すると、溶接部位においては電磁鋼板の溶融によって、大きな熱歪に伴う残留応力が発生して、その磁気特性が悪化する場合があり、これを回復させるためには焼鈍処理が必要となる。 However, when the stator core is press-fitted and shrink-fitted into the cylindrical metal case, a compressive stress toward the rotor center remains in the stator core. Due to the properties of the electrical steel sheet, such compressive stress may deteriorate the magnetic properties of the electrical steel sheet. In addition, considering the heat dissipation of the rotating electrical machine, it is metallurgically bonded as in the case of welding rather than in mechanical contact between the stator core and the metal case as in press fitting or shrink fitting. This is advantageous in terms of thermal conductivity between the stator core and the metal case. However, when the stator core and the metal case are welded, there is a case where residual stress accompanying large thermal strain is generated due to melting of the magnetic steel sheet at the welded portion, and the magnetic properties thereof may be deteriorated. An annealing treatment is required.
本発明の目的は、ステータコアと金属ケースとを接合するにあたり、接合部において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性を向上することにある。 An object of the present invention is to improve the thermal conductivity between the stator core and the metal case without greatly deteriorating the magnetic properties of the electromagnetic steel sheet at the joint when joining the stator core and the metal case.
本発明によれば、ロータの軸方向に積層された複数の電磁鋼板を備えたステータコアと、前記ステータコアが挿入される筒状の金属ケースと、を備えた回転電機において、前記ステータコアと前記金属ケースとを摩擦攪拌接合した接合部を備えたことを特徴とする回転電機が提供される。 According to the present invention, in a rotating electrical machine including a stator core including a plurality of electromagnetic steel plates stacked in the axial direction of a rotor, and a cylindrical metal case into which the stator core is inserted, the stator core and the metal case There is provided a rotating electrical machine including a joint portion obtained by friction stir welding.
摩擦攪拌接合は材料を塑性流動させて練り混ぜることで部材間を接合するので、溶接の場合のように電磁鋼板を溶融することがなく、したがって、接合部において大きな熱歪が発生しないので電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることがない。また、ステータコアと金属ケースの各部材が冶金的に接合されているので、これらが単に機械的に接触している場合よりも熱伝導性を向上でき、ひいて回転電機の冷却性能を向上できる。 Friction stir welding joins members by plastic mixing and kneading materials, so it does not melt magnetic steel sheets as in the case of welding, and therefore, large thermal strain does not occur at the joints. The magnetic properties are not greatly deteriorated. In addition, since each member of the stator core and the metal case is joined metallurgically, the thermal conductivity can be improved as compared with the case where they are merely mechanically contacted, thereby improving the cooling performance of the rotating electrical machine.
また、本発明においては、前記金属ケースが、その外周面に、深さ方向が前記ロータの径方向である溝を備え、前記接合部が前記溝の底部と前記ステータコアとを接合していてもよい。この構成によれば、前記溝により前記金属ケースの表面積が増すことに伴って放熱性が向上でき、回転電機の冷却性能を更に向上できる。また、相対的に薄肉となる前記溝の底部を接合部とすることで、摩擦攪拌接合を、より容易にかつ確実に行うことができる。 In the present invention, the metal case may include a groove on the outer peripheral surface thereof whose depth direction is the radial direction of the rotor, and the joint portion joins the bottom portion of the groove and the stator core. Good. According to this configuration, the heat dissipation can be improved as the surface area of the metal case is increased by the groove, and the cooling performance of the rotating electrical machine can be further improved. Further, by using the bottom portion of the groove, which is relatively thin, as the joint portion, the friction stir welding can be performed more easily and reliably.
また、本発明においては、前記溝を液密に覆い、冷却水通路を形成する通路形成部材を備えてもよい。この構成によれば、回転電機を水冷で冷却できる。 Moreover, in this invention, you may provide the channel | path formation member which covers the said groove | channel liquid-tightly and forms a cooling water channel | path. According to this configuration, the rotating electrical machine can be cooled by water cooling.
また、本発明においては、前記金属ケースの内径は、前記ステータコアが遊嵌される大きさを有し、前記摩擦攪拌接合は、前記ステータコアが加熱されてその外周面が前記金属ケースの内周面に接触した状態で行われたものであってもよい。この構成によれば、前記ステータコアに引張応力を残留させることができ、電磁鋼板の磁気特性を向上できる。 In the present invention, the inner diameter of the metal case has such a size that the stator core is loosely fitted, and the friction stir welding is performed by heating the stator core so that the outer peripheral surface thereof is the inner peripheral surface of the metal case. It may be performed in a state in contact with. According to this configuration, tensile stress can remain in the stator core, and the magnetic properties of the electrical steel sheet can be improved.
以上述べた通り、本発明によれば、ステータコアと金属ケースとを接合するにあたり、接合部において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコアと金属ケースとの間の熱伝導性を向上することができる。 As described above, according to the present invention, when the stator core and the metal case are joined, the thermal conductivity between the stator core and the metal case is improved without greatly deteriorating the magnetic properties of the electromagnetic steel sheet at the joint. be able to.
図1(a)は本発明の一実施形態に係る回転電機Aの断面図、図1(b)は図1(a)の線X−Xに沿う回転電機Aの断面図である。回転電機Aは、電動機又は発電機であって、ロータ10と、ステータコア20と、金属ケース40と、通路形成部材50と、を備える。ロータ10は、ロータ軸11とロータ軸の周囲に配設された複数個の永久磁石(不図示)と、を備える。以下、軸方向、周方向、径方向と言うときは、特に断らない限り、ロータ10の軸方向、周方向、径方向を指すものとする。
FIG. 1A is a cross-sectional view of a rotating electrical machine A according to an embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view of the rotating electrical machine A along line XX of FIG. The rotating electrical machine A is an electric motor or a generator, and includes a
ステータコア20は、ロータ10と同心円筒状のヨーク部22と、ヨーク部22から径方向内方に突出し、ヨーク部22の周方向に等間隔で複数(本実施形態では8つ)設けられたティース部21と、を備え、各ティース部21にはコイル30が巻き回されている。ステータコア20は、軸方向に積層された複数の電磁鋼板23の積層体である。図2(a)は電磁鋼板23の斜視図であり、ティース部21を構成する部分とヨーク部22を構成する部分とが一体に形成され、常温におけるその外径はD1である。
The
本実施形態では、周方向には1つの電磁鋼板23を軸方向に積層してステータコア20を形成したが、周方向に均等に分割された電磁鋼板を用いてもよい。図2(b)は周方向に均等に分割された電磁鋼板の例を示す斜視図であり、電磁鋼板23'は複数の要素23a'乃至23d'を環状に配置してなる。
In the present embodiment, one
図1(a)及び(b)を参照して、金属ケース40は例えばアルミ合金製であり、ステータコア20が挿入される筒状体をなしている。図1(a)及び(b)においては、ステータコア20の軸方向の両端部が開放されているが、各端部にはロータ軸11を軸支する端部部材(不図示)が設けられる。端部部材は金属ケース40と別体で金属ケース40に固定することで構成できるが、端部部材の一方は金属ケース40と一体であってもよい。
1A and 1B, the
図2(c)は金属ケース40の斜視図である。金属ケース40は、常温におけるその内径がD2である内部空間と、複数の溝41及び42が形成された外周面と、を備える。溝41及び溝42は、いずれもその深さ方向が径方向であり、溝41は軸方向と平行に形成され、溝42は周方向に形成されている。本実施形態の場合、溝41はティース部21と同数(ここでは8つ)形成されている。図3(a)は金属ケース40の外周面を周方向に展開した展開図である。溝42は溝41の一方端部同士又は他方端部同士と交互に連結されており、複数の溝41及び42で一本の通路を形成している。
FIG. 2C is a perspective view of the
図1(a)及び(b)を参照して、ステータコア20と、金属ケース40と、は接合部60において互いに接合されている。接合部60はステータコア20と金属ケース40とを摩擦攪拌接合により接合した部分である。本実施形態の場合、接合部60は、溝41の底部41aとステータコア20の外周面とを接合しており、溝41の長手方向に直線状に連続した状態で、周方向に複数個が形成されている。図3(a)において破線で囲む部分は接合部60となる部分を示す。
With reference to FIGS. 1A and 1B, the
図1(a)及び(b)を参照して、通路形成部材50は、本実施形態の場合、金属ケース40が挿入される円筒状をなし、金属製である。通路形成部材50は、金属ケース40の外周面のうち、溝41及び42を形成していない部分に接合され、これにより溝41及び42を液密に覆い、冷却水通路を形成する。金属ケース40と通路形成部材50との接合は、圧入、溶接が挙げられるが、本実施形態ではステータコア20と金属ケース40とを摩擦攪拌接合するので、金属ケース40と通路形成部材50との接合も摩擦攪拌接合とすることが好ましい。通路形成部材50のうち、溝41及び42で形成される通路の各端部に対峙する部分には、不図示の開口が形成され、ここに配管を接続することで、溝41及び42並びに通路形成部材50で囲まれた冷却水通路に冷却水を循環することができる。
Referring to FIGS. 1A and 1B, in the case of this embodiment, the
次に、回転電機Aの製造手順の例について説明する。回転電機Aは、例えば、ステータコア20の作成、ステータコア20と金属ケース40との摩擦攪拌接合、金属ケース40と通路形成部材50との接合、コイル30の組み付け、ロータ10の組み付け、という手順で製造できる。
Next, an example of the manufacturing procedure of the rotating electrical machine A will be described. The rotating electrical machine A is manufactured by, for example, the following steps: creation of the
ステータコア20と金属ケース40との摩擦攪拌接合の例について説明する。図3(b)は摩擦攪拌接合の説明図であり、ステータコア20と金属ケース40との摩擦攪拌接合方法の一例を示す。同図の例では、工具70を金属ケース40の外周側から溝41の底部41aに工具70を回転させながら押し当て、溝41の長手方向に移動させている。工具70は円柱状の本体部分71と、本端部分71から突起した円柱状の突起部分72と、を備える。金属ケース40をアルミ合金製とし、底部41aの厚みを6mmとした場合、工具70としては、例えば、SKD61からなり、本体部分71の直径が20mm、突起部分72の直径が5mm、突出長さが5mmのものを利用できる。この場合、工具70の回転数は例えば800rpm、移動速度は例えば200mm/min、底部41aの表面からの押し込み深さは5.5mmとすることができる。
An example of friction stir welding between the
ここで、常温における金属ケース40の内径D2は、常温におけるステータコア20の外径D1よりも大きくしてステータコア20が遊嵌される大きさを有することが好ましい。この遊嵌される大きさ(外径D1と内径D2との寸法差)は、例えば100μm〜200μmが好ましい。この場合、両者の摩擦攪拌接合の際に、ステータコア20が金属ケース40に挿入された状態で、ステータコア20を加熱して外径D1が内径D2に略一致するように、つまり、ステータコア20の外周面が金属ケース40の内周面に全体的に接触するように膨張させる。そして、この状態で、ステータコア20と金属ケース40との摩擦攪拌接合を行う。
Here, the inner diameter D2 of the
このようにして摩擦攪拌接合を行うと、ステータコア20が常温に戻ったとき、ステータコア20の収縮が接合部60を介して金属ケース40によって妨げられ、ステータコア20に内部応力が残留する。図4はステータコア20の残留応力の説明図である。ステータコア20には接合部60において矢印d1で示すように径方向外方の応力が作用し、ステータコア20を拡径させる応力が常時作用する。この結果、ヨーク部22には、矢印d2で示すように周方向の引張応力が作用し、この力の方向は磁束が流れる方向と平行であることから、電磁鋼板23の磁気特性を向上できる。
When friction stir welding is performed in this way, when the
係る構成からなる回転電機Aでは、ステータコア20と金属ケース40とを接合するにあたり、接合部60において電磁鋼板の磁気特性を大きく悪化させることなく、ステータコア20と金属ケース40との間の熱伝導性を向上することができる。つまり、摩擦攪拌接合は金属ケース40を塑性流動させて練り混ぜ、その際、ステータコア20を構成する電磁鋼板23の表面に存在する酸化層が除去され、接合に有利な表面を露出させて両部材間を接合するので、溶接の場合のように電磁鋼板をその径方向深くまで溶融することがなく、したがって、接合部60において電磁鋼板23の磁気特性を大きく悪化させることがない。また、ステータコア20と金属ケース40の各部材が冶金的に接合されているので、これらが単に機械的に接触している場合よりも熱伝導性を向上でき、ひいて回転電機Aの冷却性能を向上できる。ステータコア20と金属ケース40との接合は、摩擦攪拌接合による接合のみが望ましいが、他の接合方式との併用であってもよい。
In the rotating electrical machine A having such a configuration, when the
また、溝41及び42を形成したので、金属ケース40の放熱性が向上でき、回転電機Aの冷却性能を更に向上できる。また、相対的に薄肉となる溝41の底部41aを接合部60とすることで、摩擦攪拌接合を、より容易にかつ確実に行うことができ、加えて、金属ケース40全体が薄肉とならずに、厚肉の部位が存することで、その剛性の確保が要求される場合に好適である。
Moreover, since the
更に、軸方向と平行な方向の溝41の底部41aに接合部60を形成したことで、積層された複数の電磁鋼板23のうちの多数を金属ケース40と接合することができ、特に、図4に示したように引張応力を残留させる構成の場合に有利である。なお、本実施形態では接合部60をティース部21に対応するヨーク部22の外周面部に設けているが、各ティース部21間のヨーク部22の外周面部に設けてもよい。
Furthermore, by forming the
また、通路形成部材50を設けて冷却水通路を形成したことで、回転電機Aを水冷で冷却できる。尤も、通路形成部材50を設けずに、空冷としてもよく、更に、冷却性能が大きく要求されない場合には溝41、42を設けない構成も採用可能である。
Moreover, the rotary electric machine A can be cooled by water cooling by providing the
なお、本実施形態では、溝41、42によって金属ケース40の外周面に、全体としてジグザグ状の溝を形成したが、溝の形状はこれに限られず、種々の形状のものを採用でき、例えば、螺旋状に形成してもよい。図5は、金属ケース40に代わる金属ケース40'の外周面の展開図であり、螺旋状の溝43を形成したものである。ここで、図面上の端部43a、43a及び端部43b、43bは実際には連続しており、溝43は一本の溝である。また、破線で囲む部分は接合部60となる部分の例を示し、同図の例では、溝43の底部において、溝43に沿って螺旋状に接合部60を形成している。
In the present embodiment, the zigzag groove as a whole is formed on the outer peripheral surface of the
A 回転電機
10 ロータ
20 ステータコア
23 電磁鋼板
40、40’ 金属ケース
60 接合部
A Rotating
Claims (4)
前記ステータコアが挿入される筒状の金属ケースと、を備えた回転電機において、
前記ステータコアと前記金属ケースとを摩擦攪拌接合した接合部を備えたことを特徴とする回転電機。 A stator core comprising a plurality of electromagnetic steel sheets laminated in the axial direction of the rotor;
In a rotating electrical machine comprising a cylindrical metal case into which the stator core is inserted,
A rotating electrical machine comprising a joint portion obtained by friction stir welding the stator core and the metal case.
その外周面に、深さ方向が前記ロータの径方向である溝を備え、
前記接合部が前記溝の底部と前記ステータコアとを接合していることを特徴とする請求項1に記載の回転電機。 The metal case is
The outer peripheral surface is provided with a groove whose depth direction is the radial direction of the rotor,
The rotating electrical machine according to claim 1, wherein the joint portion joins the bottom portion of the groove and the stator core.
前記摩擦攪拌接合は、前記ステータコアが加熱されてその外周面が前記金属ケースの内周面に接触した状態で行われたものであ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。 The inner diameter of the metal case has a size in which the stator core is loosely fitted,
The friction stir welding is performed in a state where the stator core is heated and an outer peripheral surface thereof is in contact with an inner peripheral surface of the metal case. The rotating electrical machine described.
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