JP4818540B2

JP4818540B2 - 同期電動機の製造方法

Info

Publication number: JP4818540B2
Application number: JP2001219899A
Authority: JP
Inventors: 茂夫鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: JP2003032927A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回転子にスキューを有する同期電動機及びその製造方法の改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の同期電動機を実開昭６０−１８１１７４号公報に開示された図６によって説明する。
図６において、同期電動機の回転子３は、シャフト５と、シャフト５が挿入されると共に、幅ｘに形成された複数の永久磁石が固定された円筒部材７とから成っていて、コギングトルクを抑制するために、円筒部材７の磁化中心７ｂをずれ量ｑずつ順次ずらして、ずれの総量を溝ピッチＳ_ｐ（スロット間のピッチ）分ずらして各円筒部材７の側面部７ａを互いに密着させている。
【０００３】
このような同期電動機の回転子３は、各円筒部材７の磁化中心７ｂをマーキングしておいて、シャフト５を順に各円筒部材７の孔に圧入して、磁化中心７ｂを所定量ｑずらすことにより製造されている。このような同期電動機は、固定子巻線のスロット数ｎ_ｓが比較的多い分布巻では、有効にコギングトルクを低減できるものである。この理由を以下に示す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
同期電動機では、固定子と回転子３との電気的位相差Δθ_ｅ（°）は、脱調等を防ぐために０°＜Δθ_ｅ＜１８０°の間係を有している。
一方、円筒部材７の磁化中心７ｂを上記のように溝ピッチＳ_ｐ分として電気角度θ_s（°）ずらすことは、電気角度θ_sのスキューを設けることに相当し、しかも、電気的位相差Δθ_ｅを電気角度±θ_sずらすことに等しいので、下式が成立する。
０°＜Δθ_ｅ±θ_s＜１８０°・・・・・（１）
ここで、Δθ_ｅの角度値は、通常、最大トルクを発生するために、Δθ_ｅ＝９０°となっているので、上記（１）式は下式となる。
−９０°＜±θ_ｓ＜９０°・・・・・・・（２）
上記（２）式の両辺を極対数ｐ_ｔで除すると下式となる。
−９０°／ｐ_ｔ＜±θ_ｓ／ｐ_ｔ＜９０°／ｐ_ｔ・・・（３）
また、角度θ_sは電気角度であるので、極対数ｐ_ｔを用いて機械角度θ_ｓｍに変換する。機械角度θ_ｓｍは、各円筒部材７のずれの総量となる溝ピッチＳ_ｐと等しく、溝ピッチＳ_ｐは、スロット数ｎ_ｓとすると、３６０°／ｎ_ｓとなるので、機械角度θ_ｓｍは下式となる。
θ_ｓｍ＝θ_ｓ／ｐ_ｔ＝Ｓ_ｐ＝３６０°／ｎ_ｓ・・・・・（４）
上記（３）式を（２）式に代入すると、下式となる。
−９０°／ｐ_ｔ＜±３６０°／ｎ_ｓ＜９０°／ｐ_ｔ・・・（５）
上記（４）式において、スロット数ｎ_ｓは、正数しかあり得ないので、下式を得る。
ｎ_ｓ＞３６０°／（９０°／ｐ_ｔ）＝４ｐ_ｔ・・・・（６）
固定子巻線のスロット数ｎ_ｓが比較的多い分布巻にするのであれば、上記（５）式を満たすように製作することができる。すなわち、上記のように円筒部材７の磁化中心７ｂを順次ずらして、ずれの総量を溝ピッチＳ_ｐ分とする回転子３を有する同期電動機を製作することができる。
【０００５】
しかしながら、同期電動機の構造を簡素にするために、固定子巻線を比較的スロットの少ない集中巻にしようとすると、前記スロット数ｎ_ｓと極対数ｐ_ｔとの関係式を満たすことができなくなり、コギングトルクが発生するという問題点があった。
【０００６】
さらに、各円筒部材７の磁化中心７ｂをマーキングしておいて、シャフト５に順に円筒部材７の孔を圧入して、順次磁化中心７ｂを所定量ｑずらしているが、シャフト５を圧入する際に、円筒部材７の磁化中心７ｂのずれを所定の量に保持したままで、シャフト５を圧入しなければならず、このシャフト５の圧入作業が煩雑で、重ね合わせた円筒部材７を保持する装置などが大型化するという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記のような各課題を解決するためになされたもので、固定子を集中巻にして簡易に、コギングトルクを低下させることを第１の目的とし、この目的に加えて、簡易に、各円筒部材の磁化中心をずらしてシャフトに圧入することを第２の目的とする同期電動機及びその製造方法を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段、発明の作用及び効果】
第１の発明に係る同期電動機は、スロットを有すると共に、前記スロットに挿入された集中巻のコイルを有する固定子と、略円形鋼鈑が積層され、中央に第１の孔を有すると共に、外周に凹形状の取付け座を複数有する円筒積層体と、この円筒積層体の取付け座に磁石片を固定すると共に、前記第１の孔を有する第１、第２の円筒部材と、前記第１、第２の円筒部材の前記第１の孔に挿入されたシャフトとを備え、前記第１の円筒部材の磁化中心と前記第２の円筒部材の磁化中心とを階段状にほぼ３６０°／（２ｍ）［ｍ：前記スロットの数と、２倍の極対数との最小公倍数］ずらす、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機によれば、第１の円筒部材の磁化中心と第２の円筒部材の磁化中心とを階段状にほぼ３６０°／（２ｍ）ずらしたので、第１の円筒部材から発生する正弦波状の第１のコギングトルク波形と、第２の円筒部材から発生すると共に、第１のコギングトルクから所定の位相ずれた正弦波状の第２のコギングトルクとが打ち消し合うことにより、固定子巻線を比較的スロット数の少ない集中巻にしても、同期電動機の全体で発生するコギングトルクを抑制できるという効果がある。
【０００９】
第２の発明に係る同期電動機の製造方法は、第１の発明において、切断手段により中央部に中央孔を有する略円形鋼鈑を切断し、外周に突起部と該突起部間に凹形状の取付け座を複数形成し、該突起部からほぼ３６０°／（４ｍ）角度の位置に複数の基準孔を穿設して前記略円形鋼鈑を形成する第１の工程と、前記略円形鋼鈑を複数枚重ね合わせて、前記中央孔により前記第１の孔を設けると共に、前記基準孔により第２の孔を設ける前記円筒積層体を形成する第２の工程と、前記取付け座に前記磁石片を接着剤により貼付して第１、第２の円筒部材を形成する第３の工程と、前記第１の円筒部材に対して前記第２の円筒部材を反転させた状態で、前記第１及び前記第２の円筒部材における前記第２の孔とを一致させて、前記第１、第２の円筒部材の第１の孔にシャフトを圧入する第４の工程と、を備えたことを特徴とするものである。
かかる同期電動機の製造方法によれば、同一形状の第１の円筒部材、第２の円筒部材を用いて、簡易に磁化中心をずらしてシャフトを圧入することができるという効果がある。
【００１０】
第３の発明に係る同期電動機の製造方法は、第２の発明において、第３の工程では、第２の孔に棒状部材を挿入して第１、第２の円筒部材に設けられた前記第２の孔どうしを一致させた、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機の製造方法によれば、第２の孔に棒状部材を挿入することにより第１の円筒部材と第２の円筒部材との磁化中心を簡易にずらして回転子を製造できるという効果がある。
【００１１】
第４の発明に係る同期電動機の製造方法は、第２の発明において、第２の孔の代りに、凹凸部を設け、第３の工程における第１及び第２の円筒部材における第２の孔とを一致させる代りに、第１の円筒部材に設けられた凹部と第２の円筒部材に設けられた凸部とを係合させる、ことを特徴とするものである。
かかる同期電動機の製造方法によれば、第２の孔の代りに、凹部と凸部とを係合させて第１の円筒部材と第２の円筒部材との磁化中心をずらしたので、棒状部材などを用いることなく、同期電動機の回転子を簡易に製造できるという効果がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
本発明の一実施の形態を図１及び図２によって説明する。図１は本発明の実施形態である同期電動機の回転子の斜視図、図２は、図１に示す回転子の第１、第２の円筒部材の側面図である。
図１及び図２において、極対数ｐ_ｔから成る同期電動機は、スロットを有すると共に、スロットに挿入された集中巻のコイルにより回転磁界を形成する固定子（図示せず）と、回転子１００とから成り、回転子１００は、シャフト１０１と、シャフト１０１が圧入された孔１１０ｓを有すると共に、表面に磁石片１５０が固着された円筒部１１０とから成っており、円筒部１１０は、同一形状の第１、第２の円筒部材１１１，１１２を有し、第１の円筒部材１１１と、第２の円筒部材１１２との磁化中心を角度θ_ｓａとして後述のように３６０°／（２ｍ）階段状にずらすことにより等価的にスキューが形成されている。
【００１３】
ここで、角度３６０°／（２ｍ）階段状にずらすのは以下の理由による。正弦波状のコギングトルクの最大値は、回転子の一回転中に、固定子のスロット数と２倍の極対数ｐ_ｔとの最小公倍数をｍとすると、ｍ回生じることが知られている。
円筒部材１１１から正弦波の第１のコギングトルクＴ_ｃ１が発生し、円筒部材１１２から第１のコギングトルクＴ_ｃ１より位相を１８０°ずらした正弦波の第２のコギングトルクＴ_ｃ２１を発生させることにより第１のコギングトルクＴ_ｃ１と第２のコギングトルクＴ_ｃ２との和により全体のコギングトルクＴ_ｃ０を発生しないようにしたもので、これを式で示せば下式となる。
Ｔ_ｃ０＝Ｔ_ｃ１＋Ｔ_ｃ２＝Ａsinθ＋Ａsin（θ＋１８０°）＝０・・・（７）
このようにするには、第１のコギングトルクＴ_ｃ１から位相が１８０°ずれた第２のコギングトルクＴ_ｃ２を発生させるために第１の円筒部材１１１と、第２の円筒部材１１２との磁化中心を３６０°／（２ｍ）階段状にずらして構成されている。
具体的には、固定子が１２スロット、８極であれば、この最小公倍数ｍは、２４であるので、磁化中心のずれ角度θ_ｓａは、
θ_ｓａ＝３６０°／（２×２４）＝７．５°となるように形成される。
これに対して、従来技術によれば、必要なスロット数ｎ_ｓが上記（６）式よりｎ_ｓ＞４×４＝１６となり、実施形態のようにコギングトルクが抑制された同期電動機の製作は困難である。したがって、従来技術では、コギングトルクが抑制できないスロット数と極対数の組合せでも、本実施の形態による同期電動機のように、第１，第２の円筒部材１１１，１１２の磁化中心を角度θ_ｓａずらすことによりコギングトルクを抑制できるものである。以下に第１，第２の円筒部材１１１，１１２の詳細な構成を説明する。
【００１４】
第１，第２の円筒部材１１１，１１２は、円筒状で、中央に中央孔１３１ｓを有する薄い多数の略円形鋼鈑１３１を重ね合わせて円筒積層体１４０と、円筒積層体１４０の中央に穿設された第１の孔１１１ｓ，１１２ｓと、突起部１１１ｔ，１１２ｔ間に形成された凹形状の複数の取付け座１１１ｕ，１１２ｕと、突起部１１１ｔ，１１２ｔの中心から角度θ_ｓａ／２の位置に穿設された二つの第２の孔としての位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅと、取付け座１１１ｕ，１１２ｕに接着剤２０３で固着される永久磁石片１５０とから成っている。
【００１５】
第１の円筒部材１１１は、第１の円筒部材１１２の平面部に対して第２の円筒部材１２２の平面部（側面部）を反転させた状態で、第１の円筒部材１１２の位置決め孔１１１ｅと第２の円筒部材１１２の位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅとを一致させて突起部１１１ｔ，１２２ｔの中心からθ_ｓａ角度に磁化中心がずれるように形成されている。
【００１６】
上記のように構成された同期電動機の回転子の製造方法を図３乃至図５によって説明する。
まず、巻回されたロール状の鋼鈑１３０を切断手段としての上型２５１と下型２５３との間に所定間隔毎に送り、上型２５１を下降して、中央にシャフト１０１とほぼ同一径の中央孔１３１ｓを穿設（Ａ段階）し、上型２５１を上昇して元の位置に復帰後、鋼鈑１３０を所定量右側に送り、上型２５１を下降して、二つの基準孔１３１ｅを穿設（Ｂ段階）し、上型２５１を上昇して元の位置に復帰後、鋼鈑１３０を所定量右側に送り、上型２５１を下降して、回転子用鋼鈑１３１どうしの重ね合わせに用いる複数の凹凸部１３１ｄを形成（Ｃ段階）し、上型２５１を上昇して元の位置に復帰後、鋼鈑１３０を所定量右側に送り、上型２５１を下降して、突起部１３１ｔを有する鋼鈑１３０を打ち抜いて（Ｄ段階）、図３（ｂ）に示すように突起部１３１ｔの幅の中心どうしを結ぶ線と、位置決め用孔１３１ｅどうしを結ぶ線との角度をθ_ｓａ／２に形成された略円形鋼鈑１３１を得る（第１の工程）。
【００１７】
収納部２５３ｅに略円形鋼鈑１３１を積み重ねて積層された積層ブロックをシリンダー２６０により収納部２５３ｅから取り出し、該積層ブロックの天面と底面とをプレス機（図示せず）によりプレスし、略円形鋼鈑１３１に設けられた凹凸部１３１ｄを互いに係合することにより第１の孔１１１ｓ（１１２ｓ）、位置決め用孔１１１ｅ（１１２ｅ）を有する略円筒状の円筒積層体１４０を形成する（第２の工程）。
【００１８】
次に、図４に示すように円筒積層体１４０の中央孔１４０ｓにチャック２７０の爪２７０ａを挿入し、テープ状の接着剤２０３が塗布された磁石片１５０を略Ｌ形状のパレット２０１の平面に二つ並べて、パレット２０１に矢印Ａのように移動して、磁石片１５０を円筒積層体１４０の凹形状の取付け座１４０ｕに貼付した後、次の磁石片１５０を円筒積層体１４０の取付け座１４０ｕに貼付するためにチャック２７０を所定角度回転し、パレット２０１に矢印Ｂのように移動する。再び、接着剤２０３を表面に貼付した磁石片１５０を略Ｌ形状のパレット２０１に並べて、矢印Ａのようにパレット２０１を移動して上記のように磁石片１５０を円筒積層体１４０の取付け座１４０ｕに貼付される。これのような工程を繰り返すことにより磁石片１５０を有する第１、第２の円筒部材１１１，１１２ができあがる（第３の工程）。
【００１９】
図５に示すように第１の円筒部１１１を第２の円筒部材１１１に対して反転させた状態で、第１の円筒部材１１１の位置決め用孔１１１ｅと第２の円筒部材１１２の位置決め孔１１２ｅとを一致させてから、位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅに棒状部材としての位置決め用ピン３０１を挿入する。次に、シャフト１０１の鍔部１０１ｔが第１の円筒部材１１１の側面に押圧するまでシャフト１０１を孔１０１ｓ（１１１ｓ，１１２ｓ）に圧入した後、位置決め用ピン３０１を位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅから引き抜くことにより第１の円筒部材１１１と第２の円筒部材１１２との磁化中心が角度θ_ｓａずれた回転子１００が完成する（第４の工程）。
【００２０】
上記のような同期電動機の製造方法によれば、同一の円筒部材１１１，１１２を二つ用い、その一つを反転させて、位置決め孔１１１ｅ，１１２ｅに一致させることにより第１の円筒部材１１１と第２の円筒部材１１２との磁化中心を角度θ_ｓａ階段状にずらした回転子１００ができあがる。
【００２１】
上記実施の形態によれば、全体のコギングトルクを理論上ゼロになるようにしたが、一般に、コギントルクは、スキューが存在しない同期電動機では、定格トルクの２％程度発生し、このコギングトルクを定格トルクの０．５％に抑制すれば、経験的にトルク変動などが許容される。コギングトルクを０．５／２＝０．２５に抑制するには、スキュー角度で６．３（°）〜８．７（°）までの範囲となる。したがって、コギングトルクが１／４に抑えるようにスキュー角度θ_ｓａを、ほぼ３６０°／（２ｍ）ずらしても良い。
【００２２】
また、上記実施の形態では、位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅを用いて、第１の円筒部材１１１と第２の円筒部材１１２との磁化中心を所定の角度ずらすようにしたが、位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅの代りに、凹凸部１３１ｄを位置決め用孔１１１ｅ，１１２ｅと同一の位置に設けておいて、この凹凸部１３１ｄの凹部と凸部とを係合させても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における同期電動機の回転子の斜視図である。
【図２】図１に示す回転子の円筒部の側面図である。
【図３】図１に示す回転子を成す円筒積層体の製造工程図である。
【図４】図１に示す回転子を成す円筒積層体の取付け座に永久磁石片を貼付する工程図である。
【図５】図１に示す第１の円筒部材と第２の円筒部材との組立てを示す工程図である。
【図６】従来の永久磁石型の同期電動機回転子の斜視図である。
【符号の説明】
１００回転子、１０１シャフト、１１１第１の円筒部材、１１２第２の円筒部材、１１１ｅ，１１２ｅ位置決め用孔、１１１ｔ，１１２ｔ突起部、１３１略円形鋼鈑、１４０円筒積層体、１５０磁石片。

Claims

スロットを有すると共に、前記スロットに挿入された集中巻のコイルを有する固定子と、
略円形鋼鈑が積層され、中央に第１の孔を有すると共に、外周に凹形状の取付け座を複数有する円筒積層体、この円筒積層体の取付け座に磁石片を固定すると共に、前記第１の孔を有する第１、第２の円筒部材、及び前記第１、第２の円筒部材の前記第１の孔に挿入されたシャフトを有する回転子とを備え、
前記第１の円筒部材の磁化中心と前記第２の円筒部材の磁化中心とを階段状にほぼ３６０°／（２ｍ）［ｍ：前記スロットの数と、２倍の極対数の最小公倍数］ずらした同期電動機の製造方法であり、
切断手段により中央部に中央孔を有する略円形鋼鈑を切断し、外周に突起部と該突起部間に凹形状の前記取付け座を複数形成し、該突起部からほぼ３６０°／（４ｍ）角度の位置にそれぞれ基準孔を穿設して前記略円形鋼鈑を形成する第１の工程と、
前記略円形鋼鈑を複数枚重ね合わせて、重合する前記中央孔により前記第１の孔が形成されると共に、重合する前記基準孔により第２の孔が形成された前記円筒積層体とする第２の工程と、
前記取付け座に前記磁石片を接着剤により貼付して前記第１、第２の円筒部材を形成する第３の工程と、
前記第１の円筒部材に対して前記第２の円筒部材を反転させた状態で、前記第２の孔に棒状部材を挿入することにより前記第１、第２の円筒部材に設けられた前記第２の孔どうしを直線上に一致させる第４の工程と、
前記第１、第２の円筒部材の第１の孔にシャフトを圧入する第５の工程と、
前記第１、第２の円筒部材の第２の孔に挿入された前記棒状部材を引き抜く第６の工程とを備え、
前記第６の工程にて前記棒状部材を引き抜いた状態が前記第１、第２の円筒部材の最終的な構成となる
ことを特徴とする同期電動機の製造方法。