JP4562093B2 - 回転電機および回転電機の製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、回転電機および回転電機の製造方法に関し、特に、回転電機の固定子の応力による特性劣化が少なく、電気的損失を低く押さえることができ電気効率のすぐれたものである。

従来の回転電機は、回転電機の固定子をフレームに収めるための工程として、「焼き嵌め」方法がある。「焼き嵌め」は、外側になるものを加熱して、その穴部を膨張させ、内側になるものの外側にはめ込むと、外側になるものの温度が室温まで低下するに連れて収縮し、内側のものは接触面で締めつけ、両者が締結されるという方法である。全く同じ原理にて「冷やし嵌め」という製造方法があり、こちらは内側になるものを冷却し、外側になるものの内側にこれをはめ込む方法である。いずれの場合においてもフレームが収縮しようとする力を利用して、フレームと固定子とを締結するものである。これらの方法では固定子の回転軸方向に対してむらのない応力をかけることができ、古くから利用されている。

しかしながら、最近の研究においては、上記「焼き嵌め」や「冷やし嵌め」時に固定子にかかる圧縮応力が固定子の電磁鋼板材料の電磁的性質を劣化させることが明らかになり、特に磁路として重要な固定子内周側近傍においては製造時における圧縮応力が残らないことが強く望まれている。これは、電磁気的性質の劣化が回転電機駆動時に熱的損失を大きくするからである。これを解消するために、固定子の突き当て部をこの略多角形の外角にあたる部分よりずらした構造にする例が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１３０５５２号公報

従来の回転電機は、固定子の磁路として重要な内側部分、とくに固定子内周面の略多角形の外角にあたる部分に強い応力が発生するという問題点があった。そして、固定子の電磁鋼板が応力により磁気特性が劣化した場合においては、磁気抵抗の逆数である透磁率が低下し、鉄損つまり熱的損失が増大する。これは回転機の効率低下、いいかえれば電気製品の消費電力増になるという問題点があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、回転電機の固定子の応力による特性劣化が少なく、電気的損失を低く押さえることができ電気効率のすぐれた回転電機および回転電機の製造方法を提供することを目的とする。

この発明は、回転軸を有する回転子と、内周面側を回転子と径方向の空隙部を介して対向させるとともに内周面側に複数のティースを周方向に所定間隔にて形成される固定子と、各ティースに導線を複数回巻回して形成された固定子コイルと、固定子の外周面を覆うフレームとから成る回転電機において、固定子の外周面側の回転軸に垂直な面上におけるティース間の周方向の中央位置を含む箇所に回転軸方向に窪んで成る凹部が形成され、回転軸に垂直な面上におけるティース間の周方向の凹部を挟んだ２箇所で、かつ、当該２箇所の周方向の間隔がティース間の所定間隔の１／２以下となる位置に、フレームの内周面側に設けられたフレーム締結部および固定子の外周面側に設けられフレーム締結部と締結する固定子締結部がそれぞれ形成され、固定子締結部およびフレーム締結部は固定子の凹部をティース間において周方向に挟み込むように応力が作用して締結されフレームと固定子とは嵌合されているものである。

この発明の回転電機は、回転軸を有する回転子と、内周面側を回転子と径方向の空隙部を介して対向させるとともに内周面側に複数のティースを周方向に所定間隔にて形成される固定子と、各ティースに導線を複数回巻回して形成された固定子コイルと、固定子の外周面を覆うフレームとから成る回転電機において、固定子の外周面側の回転軸に垂直な面上におけるティース間の周方向の中央位置を含む箇所に回転軸方向に窪んで成る凹部が形成され、回転軸に垂直な面上におけるティース間の周方向の凹部を挟んだ２箇所で、かつ、当該２箇所の周方向の間隔がティース間の所定間隔の１／２以下となる位置に、フレームの内周面側に設けられたフレーム締結部および固定子の外周面側に設けられフレーム締結部と締結する固定子締結部がそれぞれ形成され、固定子締結部およびフレーム締結部は固定子の凹部をティース間において周方向に挟み込むように応力が作用して締結されフレームと固定子とは嵌合されているので、主要な磁路となる固定子の内周面側のティース間の中央位置にかかる圧縮応力を低下させるため、電磁気的な損失が少ない、つまり消費電力を低く押さえることができる。

実施の形態１．
以下、本願発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の実施の形態１における回転電機の構成を示す図であり、特に収縮締結する前の状態を示す図で、回転軸に垂直な断面の一部である。図２は図１に示した回転電機の構成の固定子締結部およびフレーム締結部を示す図で、特に収縮締結した後の状態を示す図、図３は図２に示した回転電機における収縮締結した後の応力の分布を示した図、図４は他の回転電機における収縮締結した後の応力の分布を示した図、図５は図１に示した回転電機の収縮締結を説明するための図である。図において、回転電機は、回転軸１００を有する回転子１０５と、内周面側を回転子１０５と径方向の空隙部１０６を介して対向させるとともに内周面側に複数のティース１０３を周方向に所定間隔Ｈ１にて形成される固定子１０１と、各ティース１０３に導線５０を複数回巻回して形成された固定子コイル５１と、固定子１０１の外周面を覆うフレーム１０２とから成る。ここでティース１０３が形成されている所定間隔Ｈ１とは、隣接するティース１０３のティース中心線Ｌ１およびティース中心線Ｌ２の間隔を指す。

さらに、固定子１０１の外周面側のティース１０３間の周方向の中央位置１０４を含む箇所に凹部２０が形成され、回転子１０５の回転軸１００に垂直な面上におけるティース１０３間の周方向の凹部２０を挟む２箇所で、かつ、当該２箇所の周方向の間隔がティース１０３間の周方向の所定間隔Ｈ１の１／２以下の間隔Ｈ２となる位置に、フレーム１０２の内周面側に設けられたフレーム締結部２２、および、固定子１０１の外周面側に設けられフレーム締結部２２と締結する固定子締結部２１がそれぞれ形成されている。そして、固定子締結部２１およびフレーム締結部２２は固定子１０１の凹部２０をティース１０３間において周方向に挟み込むような応力Ｘが作用して締結され、フレーム１０２と固定子１０１とが嵌合されている。ここで言う所定間隔Ｈ１の１／２以下の間隔Ｈ２とは、ティース中心線Ｌ１およびＬ２の所定間隔Ｈ１の１／２以下の長さを示しており、それは固定子締結部２２およびフレーム締結部２２のそれぞれの中央位置１０４側の位置Ｌ３と位置Ｌ４を基準に設定されているものである。

そして、固定子締結部２１やフレーム締結部２２の形成は、例えば削加工や型成型することによって加工することができ、ここでは固定子締結部２１およびフレーム締結部２２の形状は締結面が略半円形状と成るように、固定子締結部２１は回転軸１００方向に窪んで成る略半円形状の締結凹部にて形成され、フレーム締結部２２は固定子締結部２１に締結する略半円形状の回転軸１００方向に突出して成る締結凸部にて形成されている。また、固定子締結部２１およびフレーム締結部２２および凹部２０は各ティース１０３間の全ての箇所に形成されている。

次に上記のように構成された実施の形態１の動作について説明する。このような関係において固定子１０１とフレーム１０２とを焼き嵌め、あるいは冷やし嵌めによる収縮締結を行うと、フレーム１０２に設けられたフレーム締結部２２の収縮力が固定子１０１の固定子締結部２１間の部材にも収縮力として作用する。尚、「焼き嵌め」あるいは「冷やし嵌め」などの温度差による熱収縮を利用した方法をとる場合、この温度差は通常１００度程度に設定する。このとき固定子１０１に設けられた固定子締結部２１の間にある凹部２０の存在により「てこの原理」的に、固定子１０１には応力Ｘ（作用点）が働き、その応力Ｘは支点Ｚとして応力Ｙ（力点）が作用する。よって、固定子１０１の内周面の略多角形Ｌの外角にあたる中央位置１０４の部分には、低い引っ張り応力が作用することとなる。この位置は巻線５０により作られた固定子コイル５１の磁束の流路であるため、磁気抵抗を下げることが重要で、圧縮応力によって磁気抵抗が増加している従来の回転電機に比べ、磁気損失が少なくつまり消費電力を下げることができる。

この引っ張り応力の作用を応力シミュレーションの図３および図４を交えて説明する。この応力シミュレーションはフレーム１０２の冷却とともに固定子１０１に加わる応力状態を本願発明者が算出した結果の応力コンターレベル図である。応力値としては金属の応力として最もよく使用されているミーゼス相当応力値にて示した。そしてその値は計算領域内の最大応力値で規格化したものを用いた。ここでは応力分布（コンターレベル）は、強く応力を受ける部分を１．００から低い応力部分を０．１０までを等高線にて示している。図３は本願発明の実施の形態１におけるフレーム１０２の内周面形状での、固定子１０１にかかる応力シミュレーション結果図、図４はこの発明とは異なり、本願発明の固定子締結部２１やフレーム締結部２２に対応する固定子締結部２１０やフレーム締結部２２０をティース１０３間の所定間隔の１／２以上の間隔にて形成し、固定子締結部２１０やフレーム締結部２２０の間に凹部２００を形成した場合のフレーム１０２の内周面形状での、固定子１０１にかかる応力シミュレーション結果図である。各図は、固定子１０１とフレーム１０２の回転軸１００に対して垂直な面内における形状的な対称性を利用し、固定子１０１より回転軸１００方向に突出したティース１０３の半分のみを示した。

図４から明らかなように本願発明と異なる場合には、固定子１０１はフレーム１０２より収縮締結力を受けることによってフレーム１０２と固定子１０１とは嵌合するが、固定子１０１よりティース１０３を仮想的に除いたときに得られる固定子内周面の略多角形Ｌの外角にあたる中央位置１０４に強い圧縮応力が生じていることがわかる。これに対し、図３から明らかなように本願発明は、固定子１０１はフレーム１０２より収縮締結力を受けることによってフレーム１０２と固定子１０１とは嵌合するが、固定子１０１よりティース１０３を仮想的に除いたときに得られる固定子内周面の略多角形Ｌの外角にあたる中央位置１０４には圧縮応力がほとんど生じていないことがわかる。

また、本実施の形態１においては、固定子締結部２１およびフレーム締結部２２の締結面が略半円形状にて成る回転電機を示している。これは、フレーム１０２に接する固定子１０１は、固定子締結部２１の形状を略半円形状を有するように形成され、相対するフレーム１０２のフレーム締結部２２の形状もまた略半円形状を有するように加工されている。よって、フレーム１０２と固定子１０１との温度差によって両者が解離された状態、図５（ａ）から、両者の温度差がなくなった、図５（ｂ）の状態に移るとき、フレーム締結部２２の中心Ｌ２２が固定子締結部２１の中心Ｌ２１に対して周方向にわずかにずれていた場合であっても、固定子締結部２１およびフレーム締結部２２の締結面が略半円形状であるため、相対的に滑りを生じさせながら図５（ｂ）に示すように中心Ｌ２２および中心Ｌ２１が重なり所望の位置での収縮締結をおこさせることができる。

また、各固定子締結部２１およびフレーム締結部２２の締代について特に示していないが、例えば、凹部２０の近くＡ部側ではほとんど締代が無いように形成し、凹部２０に遠いＢ部側ではＡ部側より大きく締代を取るように形成すれば、各固定子締結部２１およびフレーム締結部２２の締結において凹部２０に近いＡ部側の方がＢ部側の方より強く応力が作用し、中央位置１４０の圧縮応力をさらに低減することが可能となる。

上記のように構成された実施の形態１によれば、フレームの収縮によって固定子の外周部分に強い圧縮応力が加わり、磁気回路として重要な固定子の内周部分のティース間の中央位置は低応力状態、もしくは引っ張り状態にすることができる。よって、固定子の電磁鋼板の磁気的特性の劣化を防ぎ、磁気損失の低下、つまりモーター効率の向上へと結びつく。また、フレーム締結部および固定子締結部の締結面を略半円形状となるように形成しているため、フレームのフレーム締結部と、固定子の固定子締結部が完全に合致しない状態で焼き嵌め、あるいは冷やし嵌めを行った場合においても、フレームと固定子とは周方向に相対的に滑りながらとフレーム締結部および固定子締結部を合致させることができる。

尚、上記実施の形態１では、凹部の中心を中央位置の略中心位置に形成する例を示しているが、凹部は中央位置が係るような位置関係に形成されていれば上記実施の形態１と同様の効果を奏することができることは言うまでもない。また、フレームにフレーム締結部として締結凸部を、固定子に固定子締結部として締結凹部を形成する例を示したがこれに限られることはなく、フレーム締結部を締結凹部として形成し、固定子締結部をフレーム締結部にて締結する締結凸部とし形成しても同様の効果を得ることができる。さらに、上記実施の形態１では、フレーム締結部、固定子締結部、凹部が、回転軸に平行に直線的に形成する例を示したがこれに限られることはなく、例えば、これらの箇所は、回転軸に垂直なある断面に形成されておればよく、回転軸に沿って貫通形成される必要はない。

実施の形態２．
図６、図７、図８はこの発明の実施の形態２における回転電機の固定子締結部およびフレーム締結部の構成を示した断面図である。尚、各図においては上記実施の形態１と異なる固定子締結部およびフレーム締結部の構造についてのみを説明する。また、他の箇所においては上記実施の形態１と同様であるためその説明を適宜省略するとともに、他の箇所は図１を交えて説明する。図において、上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。まず、この発明の実施の形態２では、固定子締結部が、回転軸方向に窪んで成る締結凹部にて形成され、フレーム締結部が、締結凹部の両側壁に付勢して当接し回転軸方向に突出して成る締結凸部にて形成されているものについて示す。

そしてその１例としては、図６に示すように、固定子１０１の外周面には回転軸方向に窪んで成る矩形の溝状の締結凹部にて成る固定子締結部２４と、フレーム１０２の内周面側には固定子締結部２４と締結し固定子締結部２４の両側壁に付勢して当接し回転軸方向に突出して成る締結凸部が板バネ形状にて成るフレーム締結部２５とにて構成されている。まず、図６（ａ）に示す締結前の状態から、図６（ｂ）に示すように、固定子締結部２４にフレーム締結部２５を挿入することにより、フレーム締結部２５の板バネ形状は固定子締結部２４の締結凹部の両側壁に付勢して当接して締結する。

このように形成された実施の形態２の回転電機によれば、板バネの原理によりフレーム締結部は、固定子締結部に挿入されることにより周方向に圧縮応力が加わる。そしてその反作用として、フレーム締結部は開こうとし、これが固定子締結部の両側壁を周方向に押し広げる力として働く。よって、上記実施の形態１と同様に、磁気回路として重要な固定子の内周部分のティース間の中央位置は低応力状態、もしくは引っ張り状態にすることができる。また、このことを板バネ形状という簡便な形状にて達成することが可能となる。

また、他の例としては図７に示すように、フレーム１０２の内周面側には固定子締結部２４と締結し回転軸方向および回転軸反対方向に突出して成る締結凸部にて成るフレーム締結部２６と、このフレーム締結部２６の回転軸反対方向に突出して成る箇所に勘合して締結する挟持治具部２７とを備える。そして、図７（ａ）に示すように固定子締結部２４にフレーム締結部２６を挿入し、次に、図７（ｂ）に示すように、フレーム締結部２６の外周側に突出して成る箇所に挟持治具部２７を勘合することにより、フレーム締結部２６の内周側の突出して成る箇所は固定子締結部２４の両側壁に付勢して当接して締結する。

このように形成された実施の形態２の回転電機によれば、例えば、固定子とフレームとを締代がほとんどない状態で収縮締結の温度差を低く仮固定したのち、フレーム締結部の回転軸反対方向に突出した箇所に対して、その幅よりも狭い幅を有する狭持治具部を圧入などの方法でフレーム締結部の回転軸反対方向の突出した箇所に被せることで、フレーム締結部の回転軸方向に突出した箇所が固定子締結部に対して両側壁を周方向に押し広げる力として働くとともに、固定子とフレームとを固定することができる。よって、上記実施の形態１と同様に、磁気回路として重要な固定子の内周部分のティース間の中央位置は低応力状態、もしくは引っ張り状態にすることができる。また、固定子とフレームとの締代を厳密に形成していなくとも最終的に挟持治具部にて固定することが可能となるため、フレーム締結部および固定子締結部の製作が簡便となる。

また、他の例としては図８に示すように、フレーム１０２の内周面側には固定子締結部２４と締結し回転軸方向に突出して成る締結凸部にて成るフレーム締結部２８を備え、このフレーム締結部２８は押さえ治具２９によりフレーム１０２の外周側から固定子締結部２４に対して押圧して形成された押圧形状にて形成されているものである。よって、図８（ａ）に示すように固定子締結部２４にフレーム締結部２８を押さえ治具２９によりフレーム１０２の外周側から押圧していき、最終的には図７（ｂ）に示すように、押圧形状にて成るフレーム締結部２８の回転軸方向の突出して成る箇所が固定子締結部２４の両側壁に付勢して当接して締結する。

このように形成された実施の形態２の回転電動機によれば、固定子の外周に略円形のフレームをはめ、その後で、フレームの外周側から、押さえ治具を用いてフレームをへこませ、固定子の固定子締結部に押圧形状にて成るフレーム締結部にてかしめる。よって、上記実施の形態１と同様に、磁気回路として重要な固定子の内周部分のティース間の中央位置は低応力状態、もしくは引っ張り状態にすることができる。また、フレーム締結部の製作が容易になり、延いては固定子締結部の製作が容易となる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３における回転電機の構成を示した図である。図において、上記各実施の形態と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。この発明の実施の形態３において上記各実施の形態と異なる点は、固定子１０１が分割されている点である。固定子１０１の分割箇所１０７は、ティース１０３間に形成される２箇所の回転子締結部２１の間で、固定子１０１の内周面側から、固定子１０１外周面側に向けて固定子１０１が分割して形成されている。この分割箇所１０７には、フレーム締結部２２と固定子締結部２１との締結により生じる、フレーム締結部２２および固定子締結部２１からの応力Ｘが印加され、周方向に押されることで、分割されているものの形状精度が保たれることとなる。

上記のように構成された実施の形態３の回転電機は上記各実施の形態と同様の効果を奏するのはもちろんのこと、固定子の分割箇所がフレーム締結部および固定子締結部の締結により効率よく周方向におさえられるため、工作精度が向上し、分割箇所の隙間が小さくなる。これにより、分割箇所の隙間のアンバランスにより発生する高調波を抑えることができる。

尚、上記各実施の形態では、凹部および固定子締結部およびフレーム締結部を各ティース間の全てに形成する例を示したが、これに限られることはなく、一部のティース間のみに凹部および固定子締結部およびフレーム締結部を形成すれば、対応する固定子の内周側のティース間の中央位置における圧縮応力集中は解消され上記各実施の形態と同様の効果を奏することができる。また、上記各実施の形態においては、固定子締結部およびフレーム締結部を各ティース間において同一の形状にて全て形成する例を示したが、実際には固定子締結部およびフレーム締結部の形状は各ティース間の箇所によって若干のばらつきをもたせて形成し、コキングトルクが発生することを防止している。

この発明の実施の形態１における回転電機の構成を示した図である。 図１に示した回転電機の固定子締結部およびフレーム締結部の構成を示す図である。 図２に示した回転電機おける収縮締結した後の応力の分布を示した図である。 他の回転電機における収縮締結した後の応力の分布を示した図である。 図１に示した回転電機の収縮締結を説明するための図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の固定子締結部およびフレーム締結部の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の固定子締結部およびフレーム締結部の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の固定子締結部およびフレーム締結部の構成を示した断面図である。 この発明の実施の形態３における回転電機の構成を示した図である。

符号の説明

２０ 凹部、２１，２４，２１０ 固定子締結部、
２２，２５，２６，２８，２２０ フレーム締結部、５０ 巻線、５１ 固定子コイル、
１００ 回転軸、１０１ 固定子、１０２ フレーム、１０３ ティース、
１０４ 中央位置、１０５ 回転子、１０６ 空隙部、１０７ 分割箇所、
Ｈ１ 所定間隔、Ｌ１，Ｌ２ ティース中心線。

Claims (6)

1. 回転軸を有する回転子と、内周面側を上記回転子と径方向の空隙部を介して対向させるとともに上記内周面側に複数のティースを周方向に所定間隔にて形成される固定子と、上記各ティースに導線を複数回巻回して形成された固定子コイルと、上記固定子の外周面を覆うフレームとから成る回転電機において、上記固定子の外周面側の上記回転軸に垂直な面上における上記ティース間の周方向の中央位置を含む箇所に上記回転軸方向に窪んで成る凹部が形成され、上記回転軸に垂直な面上における上記ティース間の周方向の上記凹部を挟んだ２箇所で、かつ、当該２箇所の周方向の間隔が上記ティース間の上記所定間隔の１／２以下となる位置に、上記フレームの内周面側に設けられたフレーム締結部および上記固定子の外周面側に設けられ上記フレーム締結部と締結する固定子締結部がそれぞれ形成され、上記固定子締結部および上記フレーム締結部は上記固定子の上記凹部を上記ティース間において周方向に挟み込むように応力が作用して締結され上記フレームと上記固定子とは嵌合されていることを特徴とする回転電機。
2. 上記フレーム締結部および上記固定子締結部の形状は、上記フレーム締結部および上記固定子締結部の締結面が略半円形状となるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 上記固定子締結部が上記回転軸方向に窪んで成る締結凹部にて形成され、上記フレーム締結部が上記締結凹部の両側壁に付勢して当接し上記回転軸方向に突出して成る締結凸部にて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
4. 上記締結凸部は、板ばね形状にて形成されるか、または、上記フレームの外周側から上記締結凹部に対して押圧して形成された押圧形状にて形成されることを特徴とする請求項３に記載の回転電機。
5. 上記固定子が分割して形成されている場合、上記固定子の分割箇所は上記ティース間に形成される２箇所の上記回転子締結部の間に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の回転電機。
6. 上記フレームと上記固定子との嵌合は、焼き嵌め方法、あるいは、冷やし嵌め方法のいずれかにて行うことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の回転電機の製造方法。

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