JP2020092531A - 固定子、この固定子を用いる回転電機、および固定子の製造方法 - Google Patents
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ここで、固定子のコアシートに積層方向弾性凸部およびコア積層用打出部を設けることで、積層高さのバラツキを吸収し、巻線の整列性の悪化を抑制する方法がある(例えば、特許文献1参照)。
また、回転電機の効率(効率=出力/(出力+損失))を向上させるため、固定子の鉄材を薄板状のコアシートを複数枚積層したコアとすることで渦電流による鉄損を低減する方法がある。一般的に、コアシートを抜きカシメにより製造するため、生産性が良い反面、カシメ部分で積層方向に導通することで渦電流が増大する。この対策として、積層間を接着してコアを得る方法がある(例えば、特許文献2参照)。
特許文献2に記載の発明は、隣り合うコアシート同士を接着により固定し、抜きカシメで積層固定はしないため、渦電流を解消できるが、接着剤の硬化時間を確保することで生産リードタイムが長くなる。
本発明にかかる回転電機の固定子の製造方法は、磁性体材料から積層枚数分のコアシートを打ち抜き成形する工程と、積層枚数分のコアシートの一枚に、突起をプレス成形する工程と、打ち抜き成形する工程およびプレス成形する工程を繰り返して製作されたコアシートをプレス機から整列搬送部に排出する工程と、突起によるコアシート間の隙間に切り出し部を挿入して、積層枚数分毎のコアシート束を切り出す工程と、コアシート束の積層方向の両側面部にスロットセルを組付ける工程と、コアシート束の積層方向の端面に、突起に合わせて、インシュレータの穴部を嵌合させる工程と、スロットセルおよびインシュレータを組付けられたコアシート束にコイルを巻装して磁極とする工程と、複数個の磁極を円環状に組み立てる工程とを含む。
また、積層されたコアの側面にはスロットセルにより整列装着でき、かつインシュレータがコアの積層方向の上下端面に位置精度良く固定されるため、コイルの巻き乱れが抑制され、より高密度に銅線を巻回できる。さらに、コアの巻線領域や内外周部に突起を設けることなく固定できるため、巻線領域を減らさず、銅線をより多く周回でき、突起による固定子の内周と回転子の外周の隙間(以後、ギャップと呼ぶ)の拡大や、固定子の外周径の拡大が無いため、出力密度が良好な回転電機が得られる。
本発明にかかる固定子の製造方法によれば、プレスから排出したコアシートの束において所定積層枚数毎に突起による隙間が形成されており、必要枚数分のコアシートを簡便に切出しできるため、工数が削減できる。また、突起があるコアシートのプレス成形タイミングをプレス機側で調整することで、切出したコアの積層高さを簡便に調整できるため、段取作業が簡素化し、生産性が向上できる。
一般に、回転電機の固定子用のコアは、磁極ティース単位毎に分割されるとともに磁性体からなるコアシートを複数枚積層固定したものである。図1に実施の形態1に係る固定子12(後述図5に示す)が構成される1個の磁極1を示す。図1(a)は磁極1の斜視図、図1(b)は磁極1の上面図、図1(c)はコア2の積層方向に平行する断面(B―B断面)を示す図、図1(d)は磁極1の側面図、および図1(e)はコア2の積層方向の断面(A―A断面)を示す図である。
図1(a)に示すように、磁極1は、磁極ティース単位に分割された磁性体(例えば、鉄材)からなるコアシート3を複数枚積層したコア2、インシュレータ4、スロットセル5および絶縁被膜が形成された銅線(あるいは、アルミ線など。以後、銅線のみ記載)からなるコイル6で構成されている。インシュレータ4は絶縁性を有する樹脂(例えば、PET樹脂(ポリエチレンテレフタレート)、ナイロンなど)からなる。スロットセル5は、インシュレータ4と同様に絶縁性を有する樹脂からなるフィルム材である。
図1(c)のB―B断面図に示すように、コアシート3は、コア2を円環状に配置した場合、周方向に隣り合うコア2同士が接するように円周方向へ延伸するヨーク部7、ヨーク部7から円心方向に伸長するティース部8、およびティース部8の先端で円周方向に円弧状に延伸するシュー部9からなる。ティース部8は、円周方向の幅がヨーク部7とシュー部9よりも小さいため、隣り合うティース部8の間に隙間(以下、巻線領域36という)が形成される。コイル6は、コア2の積層方向からみて巻線領域36に格納されている。
図2に実施の形態1にかかる固定子12内の磁極1に用いられるコア2を示す。図2(a)はコア2の斜視図、図2(b)はコア2の側面図、図2(c)はコア2の上面図、図2(d)はスロットセル5が装着されるコア2の上面図をそれぞれ示す。
図2(b)においては、図1(e)のA―A断面図に示すような、上下端面とも突起10が設けられる構造ではなく、コア2の積層方向の上端面のコアシート3aに突起10が設けられている。ここで、例えば、製造時の巻線工程において、コイルの巻線スタート箇所に近いインシュレータは位置ずれが発生しやすいため、このインシュレータを装着する端面に突起10を設けても良い。
突起10の形状、上述の円筒状以外にも、三角柱あるいは四角柱のような角柱状でもよく、三角錐あるいは四角錐のような角錐状、半球あるいは蒲鉾状、さらに、プレス成形が可能で、かつ、後述するインシュレータ4を突起10で嵌合により固定できる形状であれば、何ら限定されるものではない。また、突起10の形成位置や個数についても、プレス成形が可能で、かつ、後述するインシュレータ4を突起10で固定できる場合、何ら限定されるものではない。例えば、前記中心線上でヨーク部7とティース部8に各1ヵ所の合計2ヶ所、あるいは、ヨーク部7において周方向中心線上でコアシート3の径方向の中心位置のみの1ヵ所でもよい。なお、突起10が丸形状の場合、インシュレータ4が回転しないように複数個設けられることが望ましいが、矩形状であれば1個でも固定できる。
インシュレータ4はコア2とコイル6との間の電気絶縁と、コイル6の巻回位置、およびスロットセル5の設置位置に保持する機能がある。
また、本実施の形態1の固定子では、コア2の積層方向の両端面の内、一方の端面のみに突起10が形成されているため、突起10が無い他方の端面に当接するインシュレータについては、穴部11が形成されなくてもよい。
本実施の形態1の固定子では、突起10と穴部11の嵌合について、3対の突起と穴部の組合せの全てが、インシュレータ4を固定できるように嵌合されているが、インシュレータ4が固定可能である限り、2対のみ、あるいは、1対のみ嵌合されていてもよい。また、治具を介して、コア2とインシュレータ4の位置を固定できる場合、前述した突起と穴部の嵌合について、許容範囲を設けてもよく、例えば、穴部11の内径を突起10の外径より0.1mm大きくして、精密に嵌合されてなくてもよい。
スロットセル5は、図4(また、図1(c)および図2(d)にも示す)示すように、コア1個当り2個、コア2の円周方向の両側面部2aを覆うように配置される。具体的には、スロットセル5は、コア2のティース部8の円周方向の側面8a、側面8aに隣接するヨーク部7の円中心側の内周面7a、およびシュー部9の円中心から離れる外周面9aを覆い、上下端面側でインシュレータ4に当接している。つまり、スロットセル5は、コア2の積層方向の断面からみて巻線領域36内のコア2の両側面部2aを完全に覆い、積層されたコア2の整列、および後述するコイル6とコア2との短絡不良を防止する絶縁機能を有している。また、スロットセル5の材料として、厚さが0.03〜0.3mmの薄いフィルム材が用いられるので、コア2の側面部に装着してもコア2のサイズに影響が少ない。スロットセル5が装着されるコア2の側面部分は、当接するインシュレータ4の側面部分と同様な形状とサイズで形成される。
図6(a)は、コアシート3を打ち抜き成形する工程を示す図である。例えば、電磁鋼板等、シート状の磁性体材料100からコアシート3を打ち抜き成形により得られる。
図6(b)は、突起のあるコアシートをプレス成形する工程を示す図である。コアシート3をプレス成形する際に、周期的に、突起10のプレス成形タイミングをプレス機33側で制御(プログラマブルロジックコントローラ(PLC)などで金型のパンチの出し入れを制御)することで、必要なコア2の積層枚数毎に、第1ステージ31で突起10を形成し、第2ステージ32でコアシート3a(あるいはコアシート3b)をプレス成形する。例えば、電磁鋼板の板厚が0.5mm、コア2の積層厚さが50mmの場合、突起10が無いコアシート3を99枚打ち抜いた後、突起10があるコアシート3a(あるいはコアシート3b)を1枚打ち抜くことで積層方向の両端面の内の1端面に突起10が形成された、図2に示すような、コア2が得られる。
図6(c)は、打ち抜いたコアシート3および3aをプレス機33から排出する工程を示す図である。打ち抜いた積層枚数分のコアシート3およびコアシート3aは、プレス機33から連続して排出されるため、整列搬送部17を介して、コアシート3aにある突起10より積層方向に隣り合うよう並んだコアシート群(以下、コアシート束18という)の状態でプレス機33の外へ排出される。ここで、整列搬送部17は、例えば搬送レール17aを有するパイプシュータを使用する。
ここで、図6(a)〜(d)に記載されている整列搬送部17は、便宜上2本の搬送レール17aがあるパイプシュータで示しているが、図8に示すように、例えば、図8(a)に搬送レール17aが2本、図8(b)に搬送レール17aが3本、および、図8(c)に搬送レール17aが4本のパイプシュータの構成も同様に搬送できる。パイプシュータ以外のコアシートを整列して搬送できる装置を使用しても良い。なお、図8に示しているコアシートは突起10があるコアシート3aを模式的に示した図であるが、突起のないコアシート3も同様に整列搬送できる。
図6(f)は、インシュレータ4とスロットセル5を設置したコア2に巻線する工程を示す図である。コア2を覆うように、絶縁被膜が形成された銅線6aをインシュレータ4とスロットセル5の上から巻回してコイル6を形成する。
また、コア2の積層方向の両端面のコアシートとも突起10を形成しても良い。この場合、製造方法は同じであり、コアシート束間において、両端面のコアシートとも突起を有し、コアシート束の間隔が一端面に突起がある場合より広くなる。
図6(a)から図6(g)に示す工程を含む製造方法により、本実施の形態1にかかる固定子12を得ることができる。
また、積層されたコアの側面部はスロットセルにより整列装着され、かつ、コア2に設けられた突起10とインシュレータ4に設けられた穴部11とが嵌合されるため、インシュレータ4をコア2に位置精度良く設置できる。巻線時の銅線に印加する張力によるインシュレータ4の位置ズレや浮き上がり(コア2とインシュレータ4の当接面が離れる)を抑制できるため、巻線時の銅線の軌跡の変化を伴う乱れ(巻き乱れ)が抑制され、より高密度に銅線を巻回できる。有限である巻線領域36に対し、より多くの銅線を巻回することで、回転電機16の出力密度を向上できる。
突起10をプレス成形、穴部11を射出成型で形成した場合、位置や高さなどの寸法を±0.01mm程度の高精度で管理できるため、嵌合状態の調整が容易で、生産性の向上につなげることができる。
図9は、実施の形態2に係る固定子12が構成される磁極ティースが3極分連結された連結磁極21の斜視図である。図10に3極分のヨーク部の外周側で連結されたコアシート23の平面図を示す。図10(a)は3極分連結された突起10がないコアシート23の平面図であり、図10(b)は3極分連結された突起10があるコアシート23aの平面図である。
実施の形態1において、磁極ティースが1極分のコアシート3を複数枚積層して構成されたコア2に対して、実施の形態2では、連結磁極21は、磁極ティースが3極分連結されたコアシート23を複数枚積層したコア22を有する。図9に示すように、コアシート23は、1磁極毎に、ヨーク部27、ティース部28およびシュー部29を有し、ヨーク部27の外周側に薄肉連結部30が形成されている。隣接する磁極ティースが円環状に組み立てて固定子12を得られるため、薄肉連結部30の径方向の厚みはコアシート23のほかの部分より薄くしている。
さらに、実施の形態2の変形例として、図11に示すように、12磁極のすべてが連結して構成された固定子24でもよい。この場合、連結固定子で円環状をなしており、回転電機を組み立てる際に、円環状に組み立てる作業が不要となる。固定子24は外観および使用上においては固定子12と同様である。
連結磁極21の場合において、まずは、連結するコアシート23を打ち抜き成形する。
この後、必要なコアの積層枚数を重複成形した後、突起10があるコアシート23aをプレス成形する。
打ち抜き成形する工程およびプレス成形する工程を繰り返して製造された、連結する突起のないコアシート23、および突起のあるコアシート23aをプレス機から整列搬送部17に排出する。例えば、図12に、コアシート23aの磁極毎に搬送レール17bが2本ある整列搬送部17により整列搬送するイメージを示す。なお、図12に示しているコアシートは突起があるコアシート23aのイメージであるが、突起のないコアシート23も同様に整列搬送できる。
次に、突起10によるコアシート間の隙間19に切り出し部20を入れて、積み重ねられたコアシート束を切り出す。
この後、6枚のスロットセル5を磁極毎に2枚組み付け、6個のインシュレータ4を磁極毎に2個組み付けてから、磁極毎にコイルを巻回する。
最後に、各磁極のコイルを接続して、必要な磁極を用いて円環状に組み立て、固定子12を製造できる。
12極分の円環コアシートに構成された固定子24の場合でも、円環状に組み立てる作業が不要で、同様に製造できる。この場合、24枚のスロットセル5を磁極毎に2枚組み付け、24個のインシュレータ4を磁極毎に2個組み付けることになる。
Claims (7)
- 複数個円環状に配置され、円周方向に延伸するヨーク部、前記ヨーク部から径方向に伸長するティース部、および前記ティース部の先端で円周方向に円弧状に延伸するシュー部からなる薄板状のコアシートが複数枚積層され、積層方向の上下端面の何れか一方あるいは両方の端面に突起を有するコアと、
前記端面上に設置され、前記突起に嵌合した穴部を有するインシュレータと、
前記コアの円周方向の両側面部を覆い、端面側で前記インシュレータに当接するスロットセルと、
前記インシュレータおよび前記スロットセルに巻回されるコイルと、
を備える回転電機の固定子。 - 前記突起は、前記端面上に複数個設けられていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機の固定子。
- 前記突起は矩形状を呈し、前記端面上に1個設けられていることを特徴とする請求項1に記載の回転電機の固定子。
- 前記スロットセルは、前記ティース部の側面、前記側面に隣接する前記ヨーク部の内周面および前記シュー部の外周面を覆う請求項1から3のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
- 前記ヨーク部の外周側で連結されたコアを有することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の回転電機の固定子。
- 請求項1から5のいずれか1項に記載の固定子と、
前記固定子を保持するフレームと、
前記固定子の内径部に配設された回転子と、
を備える回転電機。 - 磁性体材料から複数のコアシートを打ち抜き成形する工程と、
前記複数のコアシートの一枚に、突起をプレス成形する工程と、
前記打ち抜き成形する工程および前記プレス成形する工程を繰り返して作製された前記コアシートをプレス機から整列搬送部に排出する工程と、
前記コアシート間で前記突起によって生じる隙間に切り出し部を挿入して、コアシート束を切り出す工程と、
前記コアシート束の積層方向の両側面部にスロットセルを組付ける工程と、
前記コアシート束の積層方向の端面に、前記突起に合わせて、インシュレータの穴部を嵌合させる工程と、
前記スロットセルおよび前記インシュレータを組付けられた前記コアシート束にコイルを巻装して磁極とする工程と、
複数個の前記磁極を円環状に組み立てる工程と、
を含む回転電機の固定子の製造方法。
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